车载充电器(OBC)提供从基础设施电网为电动汽车(EV)的高压DC电池组充电的关键功能。当电动车辆通过合适的充电电缆(SAE J1772，2017)连接到支持的2级电动车辆电源设备(EVSE)时，OBC将处理充电。车主可以使用一种特殊的电缆/适配器连接到墙上的插头进行1级充电，并将其作为‘应急电源’，但这样提供的功率有限，因此充电时间较长。
OBC用于将交流电转换成直流电，但如果输入是直流电，则不需要这种转换。当DC快速充电桩连接到车辆上时，它将绕过OBC，将快速充电器直接连接到高压电池上。
图1: OBC电源路径功能块。
OBC用于纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)和潜在的燃料电池汽车(FCEV)。这三种电动汽车统称为新能源汽车(NEV)，但对系统级充电功能的要求不同。
表1:电动汽车的OBC系统级要求。
核心功能是接收交流输入并转换成DC输出，为高压电池组充电提供合适的电压和电流。一般来说，这个功能是单向的，因为它只提供从电网到汽车的电力传输。OBC单元将根据整个电池的健康和充电状态来改变电压和电流。
图2:410V锂离子电池组典型充电曲线。(图片来源：Anson TND6318-D文档“车载充电器(OBC)有限责任公司转换器”)
OBC的设计约束包括交流输入、目标输出功率水平、电池组电压、冷却方法、空间约束以及设计是单向还是双向供电。此外，在许多情况下，这种模块在功能安全方面必须支持汽车安全完整性等级(ASIL)的B级或C级。
考虑到OBC的整体硬件功能模块，设计人员需要解决以下问题：
对交流电源输入进行交流整流和功率因数校正(PFC)。
一次侧DC-DC。
次级侧整流(无源或有源)。
如果是双向的，次级端也需要DC-DC控制。
电压、电流和温度诊断。
用于通信和诊断的车载网络(IVN)。
与电动车辆供电设备(EVSE)的通信。
交流电源、12V电池和高压电池之间的隔离是非常重要的安全要求。
本文重点介绍上述四项中的高功率路径部分(以粗体标记)。
交流整流器和功率因数校正有助于最小化无功功率，同时，最大化实际传输并工作在交流-DC转换模式。如果像OBC这样的大功率系统没有PFC，传输效率不高，热负荷也会增加。在OBC设计方面，该模块的版本最多，因为它根据交流电源输入、输出功率、能效和成本目标有多种实现方法。
图3:权力三角。(图片来源：Anson AN-42047文档“功率因数校正(PFC)基础知识”)
OBC的功率因数(PF)规格通常可以在整个工作范围内达到PF0.9，在典型工作范围内达到PF0.98。高PF值可以尽可能增加充电容量，同时尽可能降低线路/电网电流和视在功率需求。未来，业界将更加关注与线路/电网谐波含量相关的各种改进，以及轻载条件下的改进方式。OBC的PFC控制器用于执行以下功能：
保持输入相电流与输入相电压一致。
降低从交流电源吸收的峰值电流。
最小化线路/电网电流的总谐波失真(THD)。
确保输入电流尽可能接近正弦波。
在图4中，电压和电流都是正弦波，并且同相。这可以尽可能减少无功功率分量、热负荷和谐波，从而提供最大的实际传输量。
图4:使用PFC的典型低功耗电路。(图片来源：Anson HBD853/D文档“功率因数校正(PFC)手册”)
虽然在一般应用中可以使用无源PFC，但是因为OBC需要满足更高的功率水平、空间限制、散热要求和功率因数的目标，所以这种系统的实际实现需要使用有源PFC
图5:OBC系统功率水平的典型PFC拓扑。
OBC常见的主动PFC计划包括：
传统助推器
传统升压、双通道交错
无桥升压
图腾柱
维也纳整流器
三臂或四臂电桥(三相图腾柱)
随着OBC输出功率的增加，推荐使用可以减少供电路径中二极管数量的PFC拓扑，或者使用几乎没有反向恢复特性的SiC肖特基二极管。设计人员还可以改用SiC MOSFET，它可以使PFC级以更高的频率开关，同时处理更高的系统电压，从而提高效率和能量密度。
表2:典型2:PFC器件技术。
电源路径中的下一个模块是原边DC-DC转换器。该电路用于将来自PFC的高压DC链路转换为适当的充电电压。输出电压和电流将根据电池组的状态而变化。在单向设计中，这种DC-DC的典型实现是LLC，但也会有PSFB(移相全桥)版本。对于双向设计，CLLC或双有源桥(DAB)是实现方法，并且随着双向功能的发展，使用这些架构的方案预计会增加。SiC MOSFET是这种情况下的理想选择，因为它可以实现更高的电压和更低的开关损耗。
表3: dc-dc器件选择。
在副边，二极管可用于无源整流，功率开关可用于同步整流，全桥设计支持CLLC(双向)或双有源桥的后半部分(双向)。无源整流器不需要控制，只支持电网向车辆单向供电。对于更高效率或800V电池组，SiC二极管提供了最佳解决方案。超结MOSFET(效率损耗)或SiC MOSFET可用于单向设计中的同步整流，但在许多情况下，这种解决方案比二极管解决方案更昂贵。对于双向功能，将采用全桥或多臂半桥解决方案设计。根据系统的功率水平、电压和效率目标，将使用超级结MOSFET或SiC MOSFET。在所有方案中，SiC MOSFET可以提供更高的效率，并且更容易处理800V系统，而对于400V系统，为了实现成本优化，可以使用超级结MOSFET进行处理。
表4:辅助设备选择。
OBC的额定输出功率通常与车辆中使用的电池组的大小有关。OBC应该为BEV中较大的电池提供较大的输出功率，而为PHEV中较小的电池提供较小的输出功率。这种平衡可以防止系统的过度设计，并有助于优化充电时间和成本。
BEV在电池组额定容量上有多种选择。车辆的物理尺寸、成本目标和预期性能(如续航能力)都会影响这种性能。在全球范围内，横跨多个车段的轻型乘用车电池容量可能在30k wh-105kwh之间(根据电动汽车数据库2021的数据)。对于属于卡车或大型运动型多功能车(SUV)细分市场的轻型乘用车，其电池容量达到110千瓦时至150千瓦时以上更为常见(根据2021年电动汽车数据库和福特汽车公司各自的数据)。预计两款新车的电池容量将接近200kWh(根据电动车数据库2021和工程讲解2020的数据)！为了提供更高的续航能力或满足新的汽车细分市场的需求，电池组的额定容量在不断增加，同时业界广泛采用800V规范来加快充电速度。
PHEV和FCEV的电池容量从5kWh到25kWh不等。由于PHEV还依赖电池组以外的额外电源，其容量远低于普通BEV。PHEV使用内燃机，而FCEV使用氢燃料电池。当电池容量下降到一定水平以下或其他条件需要时，冰或燃料电池可以提供动力驱动发电机，从而给电池充电。短途行驶，这种电动车可以实现全电驱动，但续航里程远不及BEV。这种电动车会有更多的电池容量转移到15kWh以上，以增加纯电动续航里程。
BEV的电池容量远大于PHEV，这将影响OBC的设计和选择以及车辆的充电时间。让我们考虑一个场景，其中两辆不同的汽车(BEV和PHEV)用相同版本的OBC充电，并插入具有相同功能的电动车辆供电设备。如果BEV的电池容量是PHEV的4倍，那么BEV的充电时间大约是PHEV的4倍。这个简化的视图没有考虑收费算法的复杂性，但是对于本文的讨论来说，估计一下就足够了。如果两块电池都耗尽，BEV的充电时间会更长。充电时间是主机厂和客户的主要考虑因素，会影响终端用户的满意度。改善充电时间的解决方案包括增加OBC的功率输出，提高OBC的效率，以及增加电池组和相关OBC的系统电压。所有这些方案都有助于减少充电时间，从而改善最终用户体验。
OBC的建筑和电力水平正在迅速变化。随着电动汽车普及率的不断提高，对非常灵活的OBC设计的需求比以往任何时候都更加重要。
关键系统考虑因素：
电动汽车电池组的能量密度越来越大。
消费者需要更快的充电时间。
OBC正朝着更高的移民权力水平发展。
OBC必须满足400V和更广泛使用的800V电池系统的要求。
为了增加终端用户的功能，有必要提供可选的双向功能，以支持电网到车辆和车辆到电网的传输。
因为车主可以在停电的情况下用电动汽车给家里供电，或者与电力公司合作给电网基础设施供电(从而获得报酬)，他们会从中受益。
PFC的主要考虑因素：
基于SiC的图腾柱PFC可以提高系统效率，应对更高的电压，同时使图腾柱拓扑在单相和三相解决方案中受到维也纳架构的欢迎。
基于超结MOSFET或SiC MOSFET和SiC二极管的Vienna整流器PFC可以提高系统效率。
初级/次级侧的主要考虑因素：
原边DC-DC采用SiC MOSFET可以提高能效。
对于单向设计，在副边使用SiC二极管可以提供最佳效率。
对于CLLC和DAB拓扑，在副边使用SiC MOSFET更容易实现双向功能。
为了进一步缩短充电时间，对于能量密度较小的电池组，OBC模块的输出功率将开始增加。另一种可能性是增加对DC快速充电的支持，从而帮助PHEV在几分钟内充满电。对于更大的电池组，如用于BEV的电池组，趋势是转向11kW和22kW OBC，同时继续支持快速充电桩和更高的电压。
最后，一级供应商正在将高低压DC-DC模块的功能集成到OBC。这种集成模块设计被称为组合充电器单元(CCU)，它提供了“二合一模块”，提高了高压电网和12V电网之间的系统级效率。
支持OBC (BEV、PHEV和FCEV)的电动汽车架构将在2021年占电动汽车总销量的46%左右，在2026年占电动汽车总销量的57%。OBC的五年复合年增长率(CAGR)预计为25.6%，OBC的数量预计为2026年2140万辆(根据Strategy Analytics 2020的数据)。
图6:需要OBC的车辆的增长。
对于逆变器中使用的电力电子器件，需要满足最大功率密度、高效率、供应链稳定性和长期可靠性的要求。Anson为3.3kW至22kW的汽车OBC功率水平和高达800V V的电池电压提供可扩展技术。产品组合包括SiC MOSFET、带共封装SiC二极管的混合IGBT、超级结MOSFET、汽车电源模块(APM)、SiC二极管、栅极驱动器、稳压电源和车载网络(IVN)解决方案。与Anson Beauty的合作使客户能够为各种电动汽车应用设计灵活的OBC和基础设施充电解决方案。审计刘清
