設計車載充電器的關鍵考慮因素
2024-09-11 19:16:46 安森美改用電動汽車 (EV) 后，駕駛員感受到的最大變化可能是補能方式不一樣了。具體來說，他們不再需要驅(qū)車前往加油站，而是必須找到可用的充電點。
盡管公共充電樁的數(shù)量正在迅速增加，但許多人仍然更喜歡在家里充電。許多大功率公共充電樁提供直流電，能夠直接給電池充電，但家用充電樁為交流電，因此必須使用車載充電器 (OBC) 將其轉換為直流電才能給汽車充電。
圖 1：典型電動汽車傳動系統(tǒng)剖析（資料來源：安森美）
電動汽車技術飛速發(fā)展，汽車制造商正從 400 V 遷移到 800 V 電池架構。與此同時，消費者需求持續(xù)增長、電池容量 (kWh) 不斷增加，如此種種因素使得 OBC 也必須不斷進步。此外，許多人都希望提高電動汽車充電速度，因此在不超過電網(wǎng)供電能力的前提下，OBC 的功率從早期設計的 3.6 kW 提升到了 7.2 kW 或 11 kW。
圖 2：純電動汽車 (BEV) 充電樁分類
在著手全面設計 OBC 之前，設計人員必須了解會影響器件和拓撲結構選擇的關鍵設計參數(shù)。
功率水平會直接影響用戶體驗，因此確定功率水平是至關重要的第一步。簡單來說，OBC 的功率越高，電池充電所需的時間就越短。在很多情況下，用戶會在家里給汽車充電，此時他們通常在忙其他事情或者在休息，因此充電時間不是什么大問題。然而，對于出行中途的充電需求來說，充電時間就非常關鍵了。2 級充電樁的額定功率一般約為 7.2 kW 或 11 kW。OBC 的功率水平設計應與電網(wǎng)容量和斷路器的限制（如最大電流）相匹配。以 230V 電網(wǎng)為例。在單相設計中，7.2 kW 的 2 級充電樁將消耗高達 32A 電流。11 kW 的 2 級充電樁針對三相交流輸入進行了優(yōu)化，每相消耗的電流高達 16A。
電動汽車加速在全球市場普及，但不同國家/地區(qū)的電網(wǎng)電壓差異給汽車充電帶來了挑戰(zhàn)。北美地區(qū)廣泛采用 110V 交流電，而在歐洲和中國，230V 交流電較為普遍。電力行業(yè)通常采用 86-264V AC 的“通用輸入”設計，這樣一來，無論將車輛運送到哪里，都可以使用同一種 OBC。
通過同一充電端口即可借助路邊提供直流電的快速充電樁為電動汽車充電，這時不需要在 OBC 內(nèi)部進行 AC-DC 轉換，因此通常要設計一個旁路功能，使直流電可以直接流入高壓電池。
能效是 OBC 的一大關鍵參數(shù)。能效越高，給定時間內(nèi)向電池輸送的電量就越多，進而能夠縮短充電時間，這在電網(wǎng)每相功率接近限值的情況下尤為有效。
OBC 能效越低，設備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就越多。這不僅會造成浪費，而且還需要額外的散熱措施，而現(xiàn)代電動汽車的空間有限，這一點頗具挑戰(zhàn)性。OBC 的尺寸和重量增加，會增加車輛的重量，并提高行駛過程消耗的電量，最終導致縮短車輛的整體續(xù)航里程。
提高能效是電源設計人員的首要任務，而這是一項復雜的挑戰(zhàn)，需要從多方面入手。雖然轉換拓撲和控制方案也有很大影響，但器件（特別是 MOSFET）的選擇對于實現(xiàn)更優(yōu)能效的作用也不容小覷。
OBC 設計中的功率級
通常，OBC 主要包含三個模塊：EMI 濾波器、功率因數(shù)校正 (PFC) 級和包含獨立初級與次級部分的隔離式 DC-DC 轉換器。
圖 3：典型 OBC 內(nèi)主要功率級的框圖（資料來源：安森美）
PFC 級位于 OBC 的前端，負責執(zhí)行許多重要功能。首先，它將輸入的交流電網(wǎng)電壓整流為直流電壓，通常稱其為“母線電壓”。此外還會對這個電壓進行調(diào)節(jié)，通常使其保持在 400 V 左右，具體取決于電網(wǎng)的輸入交流電壓。
PFC 級的另一個重要功能是改善功率因數(shù)。如果沒有PFC提高功率因數(shù)， 那么低功率因數(shù)對電網(wǎng)更像一個污染源，耗電量也會增加。。為此，PFC 級會努力保持電壓和電流波形同相，并將電流波形整形為盡可能接近純正弦波，從而降低總諧波失真 (THD)。良好的 PFC 級會使電路的功率因數(shù)接近 1。
DC-DC 轉換器有兩個作用：一個是隔離來自電網(wǎng)的電壓；另一個是將來自 PFC 級的母線電壓轉換為適合給電動汽車充電的電壓水平，即 400 V 或 800 V。
DC-DC 轉換器的初級會“斬切”直流母線電壓，調(diào)整其幅值，使其能夠通過初級和次級之間的變壓器，而次級則會整流輸出電壓，并調(diào)節(jié)到適合給電池充電的水平。
設計高效的 OBC 并非易事，其尺寸和性能對于電動汽車運行和整體客戶體驗的影響非常顯著。相關設計必須能夠處理各種輸入電壓，并盡可能高效地在輕便緊湊的結構中完成千瓦級功率的轉換。
可供考慮的拓撲和控制方案有很多，可供選擇的器件非常廣泛，而這些元素將共同決定最終設計的性能。
為簡化設計任務，許多設計人員傾向于從有限的供應商那里選購器件，理想情況下，可能僅與一家供應商建立長期合作關系。
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