電動(dòng)汽車車載充電器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與優(yōu)化解決方案

電動(dòng)汽車（EV）正迅速普及，這得益于政府環(huán)保舉措的推動(dòng)、電動(dòng)汽車價(jià)格的日益親民以及消費(fèi)者對(duì)氣候問題的關(guān)注。盡管多年來汽車電子技術(shù)日益精進(jìn)，但電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶來了更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)。除了需要高功率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，電動(dòng)汽車還需配備可靠的車載充電器（OBC），以便在公共場(chǎng)所、辦公室或家中停車時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。在本文中，我們將探討車載充電器的實(shí)現(xiàn)方案及其設(shè)計(jì)過程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。同時(shí)，重點(diǎn)分析車載充電器中的關(guān)鍵組件，并審視碳化硅（SiC）MOSFET對(duì)其未來實(shí)現(xiàn)方式產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。

一、當(dāng)今電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)

汽車行業(yè)正經(jīng)歷自私人車輛大規(guī)模生產(chǎn)以來最重大的變革。在減少行業(yè)溫室氣體排放的壓力下，汽車行業(yè)一直在研究替代動(dòng)力方案，以補(bǔ)充甚至取代傳統(tǒng)的汽油和柴油內(nèi)燃機(jī)（ICE）。因此，汽車制造商（OEM）已投入大量資金，推動(dòng)其動(dòng)力系統(tǒng)的部分或全面電氣化。

電力驅(qū)動(dòng)的汽車并非新鮮事物。19世紀(jì)末期，電動(dòng)汽車在美國汽車總量中占比約38%，雖不及蒸汽動(dòng)力汽車（40%），卻比汽油車型（22%）更受歡迎。它們以清潔、安靜、啟動(dòng)速度優(yōu)于蒸汽汽車、且比手搖啟動(dòng)的汽油車更易操作而著稱。然而隨著道路基礎(chǔ)設(shè)施的改善，其速度與續(xù)航里程相較于汽油車的局限性日益凸顯。隨著大規(guī)模生產(chǎn)制造技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)汽車的價(jià)格相比當(dāng)時(shí)的蓄電池電動(dòng)汽車大幅下降。至1935年，蓄電池電動(dòng)汽車已幾乎從市場(chǎng)上絕跡。

自20世紀(jì)60年代以來，人們對(duì)電動(dòng)推進(jìn)車輛的興趣重新燃起，但直到成熟的鋰離子電池技術(shù)問世，純電動(dòng)汽車才重新受到重視。硅基MOSFET和IGBT技術(shù)的進(jìn)步，以及隨后采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的高效寬禁帶（WBG）器件的普及，使工程師們能夠在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)前所未有的接近100%的效率。構(gòu)成現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換器、充電系統(tǒng)和電池管理技術(shù)數(shù)字控制核心的高性能、高集成度微控制器（MCU），進(jìn)一步加速了這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2021年，不僅所有主流汽車制造商均已推出具備不同程度電驅(qū)動(dòng)功能的車型，更有全新制造商應(yīng)運(yùn)而生以服務(wù)這一市場(chǎng)。目前，新能源汽車約占全球新車總銷量的12%，預(yù)計(jì)到2031年這一比例將攀升至50%。其中，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車——即結(jié)合電力驅(qū)動(dòng)與內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的車型——將占據(jù)約五分之三的銷售份額，而純電動(dòng)汽車的占比將超過五分之一（見圖1）。其余的新能源汽車銷量則由插電式混合動(dòng)力汽車與燃料電池汽車等替代能源車型構(gòu)成。

盡管一些混合動(dòng)力汽車和插電式混合動(dòng)力汽車仍可依賴內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，但純電動(dòng)汽車完全依靠電池驅(qū)動(dòng)。續(xù)航焦慮——即車主對(duì)純電動(dòng)汽車在電池耗盡前能行駛多遠(yuǎn)的擔(dān)憂——曾是常見的討論焦點(diǎn)。隨著當(dāng)今純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程普遍突破400公里，這一擔(dān)憂已逐漸被充電焦慮所取代，即用戶對(duì)車輛能否在合理時(shí)間內(nèi)找到下一處充電點(diǎn)的憂慮。這一問題涉及多個(gè)層面。其一是基礎(chǔ)設(shè)施，需要在需求區(qū)域部署充電樁，使車輛能夠接入電網(wǎng)。其二是車載充電器，它負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為電池所需的直流電。雖然基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)主要不在汽車制造商的控制范圍內(nèi)（類似于加油站），但車載充電器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、功率承載能力以及由此決定的續(xù)航恢復(fù)速率，則完全屬于汽車制造商的技術(shù)范疇。

二、對(duì)車載充電器的需求

隨著向電動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，車輛的電氣系統(tǒng)正發(fā)生顯著變化。純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)由三相電機(jī)或集成在車輪內(nèi)的電機(jī)提供（見圖2）。這些電機(jī)由牽引逆變器驅(qū)動(dòng)，逆變器的能量來源于大型高壓電池組。根據(jù)電池標(biāo)稱電壓的不同（分別為400V或800V），逆變器可直接連接至高壓電池，或通過DC-DC轉(zhuǎn)換器連接，如圖2所示。

盡管汽車技術(shù)可能日新月異，仍有大量系統(tǒng)在12V或48V直流電壓下運(yùn)行。這些低壓系統(tǒng)可通過DC-DC轉(zhuǎn)換器從高壓電池組獲取電力供應(yīng)。

部分系統(tǒng)在12伏直流電下運(yùn)行時(shí)，例如車門開啟裝置、升降器、加熱器以及氣候控制系統(tǒng)，其電流消耗可達(dá)數(shù)十安培。長期以來，關(guān)于如何為此類應(yīng)用供電的討論一直存在，而在當(dāng)今純電動(dòng)汽車中，趨勢(shì)正日益傾向于用48伏鋰離子電池替代12伏鉛酸電池。該電力線路也可能通過高壓電池的直流-直流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。

高壓電池的狀態(tài)與監(jiān)控由電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)。該系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電池的電荷水平進(jìn)行跟蹤管理，將管理細(xì)化至各個(gè)模塊，甚至能提供單體電芯的信息。

充電過程需要直流電源供應(yīng)。由于電網(wǎng)以交流電形式傳輸電力，大多數(shù)家庭及商業(yè)場(chǎng)所并不直接提供直流電。因此，需將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以便電池管理系統(tǒng)能夠控制高壓電池的充電過程。解決此問題有兩種途徑。

其一為采用永久安裝在車輛上的車載充電器（OBC）。根據(jù)具體實(shí)施方案，該設(shè)備可適用于從單相交流電（100至230伏交流電）到兩相或三相電源（230至400伏交流電）的住宅供電系統(tǒng)。在某些國家，此類多相電源亦適用于住宅物業(yè)，而在其他國家則僅限于商業(yè)物業(yè)。通過配備合適的充電樁，僅需使用電纜及符合地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的充電插頭即可連接純電動(dòng)汽車的車載充電器。因此，EVSE本質(zhì)上是一個(gè)具備通斷輸出、電氣安全功能及監(jiān)測(cè)功能的控制箱（見圖3）。更先進(jìn)的版本還可能包含用于多用戶操作的人機(jī)界面（HMI），以及用于處理服務(wù)計(jì)費(fèi)的回程數(shù)據(jù)接口（通常為無線接口）。

第二種方法要求電動(dòng)汽車供電設(shè)備負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，隨后通過充電電纜和連接器傳輸至純電動(dòng)汽車。由于是直流電，電池管理系統(tǒng)可以直接使用，從而完全繞過了車載充電機(jī)。

單相交流電動(dòng)汽車供電設(shè)備（EVSE）價(jià)格相對(duì)低廉，通常僅被稱為"壁掛式充電盒"，其輸出功率介于1.5千瓦至3千瓦之間。然而，由于輸出功率較低，預(yù)計(jì)需要10至20小時(shí)的充電時(shí)間才能獲得約100英里（160公里）的續(xù)航里程（假設(shè)所需能量為30千瓦時(shí)）。能夠承載16安培甚至32安培更高電流的單相交流電源，可提供3.7千瓦至7.4千瓦的功率輸出，這將100英里續(xù)航里程所需的充電時(shí)間分別縮短至8小時(shí)或4小時(shí)。最后，若采用三相400伏交流電，每相電流為32安培甚至60安培，則可提供22千瓦至43千瓦的功率輸出，使得相同續(xù)航里程的充電時(shí)間進(jìn)一步縮短至90分鐘至42分鐘不等。由于涉及更高的電流和電壓，此類高輸出功率的電動(dòng)汽車供電設(shè)備（EVSE）成本更為昂貴。然而，其成本仍遠(yuǎn)低于直流充電樁（僅為直流充電樁成本的10%或更低）。因此，直流充電樁主要應(yīng)用于商業(yè)運(yùn)營場(chǎng)景，由運(yùn)營商在主要高速公路沿線提供快速充電服務(wù)，以滿足長途出行者的需求（見表1）。

三、車載充電機(jī)的架構(gòu)及其挑戰(zhàn)

車載充電機(jī)（OBC）的設(shè)計(jì)與其他電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)高度相似。輸入的交流電（單相或三相）首先經(jīng)過功率因數(shù)校正（PFC）階段，轉(zhuǎn)換為高壓直流電（直流母線電壓）。隨后通過直流-直流轉(zhuǎn)換器模塊，將其轉(zhuǎn)換為適合電池充電的直流電壓。通常采用微控制器（MCU）以數(shù)字控制方式管理這些模塊。除了對(duì)各階段進(jìn)行調(diào)控外，該控制器還負(fù)責(zé)安全保護(hù)、系統(tǒng)監(jiān)控以及與電動(dòng)汽車供電設(shè)備（EVSE）的通信（見圖4）。

具體實(shí)施方案取決于多種因素。首先，系統(tǒng)需具備極高能效，因?yàn)槿魏文芰繐p耗都將以熱能形式散發(fā)——在22千瓦的設(shè)計(jì)方案中，每1%的效率損失即意味著需要耗散220瓦的熱量。電網(wǎng)環(huán)境亦 充滿挑戰(zhàn)，必須應(yīng)對(duì)電壓驟降與浪涌等波動(dòng)問題。集成至車輛時(shí)，該方案還需滿足汽車行業(yè)對(duì)電氣組件與系統(tǒng)的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。最后，系統(tǒng)必須盡可能實(shí)現(xiàn)緊湊輕量化，以最大限度降低對(duì)車輛續(xù)航里程的影響。

功率因數(shù)校正（PFC）電路通常以約50至100 kHz的頻率進(jìn)行開關(guān)操作，既可采用專用控制器實(shí)現(xiàn)，也可通過合適的微控制器（MCU）進(jìn)行數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。其核心目標(biāo)是確保進(jìn)入車載充電器（OBC）的電流波形與輸入的交流電壓波形保持一致。這使得OBC對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)為純電阻性負(fù)載，有助于降低傳導(dǎo)發(fā)射。相應(yīng)地，這減少了所需電磁干擾（EMI）濾波器的復(fù)雜性和成本。若實(shí)施得當(dāng)，電網(wǎng)觀測(cè)到的視在功率將與OBC消耗的實(shí)際功率高度吻合，從而使功率因數(shù)（PF）趨近于最大值1。

通常，功率因數(shù)校正（PFC）和整流器被集成在單一電路中。這是通過使用升壓調(diào)節(jié)器將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電來實(shí)現(xiàn)的。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳選擇取決于一系列因素，從期望的效率到解決方案的尺寸和成本。然而，隨著近年來碳化硅（SiC）MOSFET的廣泛可用，硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如維也納升壓轉(zhuǎn)換器）正變得越來越受歡迎（圖5）。高效率、開關(guān)中較低的損耗、SiC器件支持的更高開關(guān)頻率（與硅IGBT相比）、由此產(chǎn)生的較低散熱以及更小的磁性元件，這些優(yōu)勢(shì)組合滿足了許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的需求。

直流-直流轉(zhuǎn)換階段同樣需要具備低電磁干擾、高效率及高功率密度。該模塊常采用LLC（雙電感單電容）諧振轉(zhuǎn)換器（圖6）作為主流解決方案。其設(shè)計(jì)目標(biāo)在于構(gòu)建LLC電路的諧振頻率，使其與功率器件的開關(guān)頻率相匹配。由于正弦信號(hào)的生成，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更可預(yù)測(cè)的電磁干擾包絡(luò)。相較于生成具有陡峭上升/下降沿的脈沖序列，開關(guān)管可在正弦信號(hào)過零點(diǎn)或接近過零點(diǎn)時(shí)被激活，從而實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)換流，大幅降低開關(guān)損耗。目前，具有超低導(dǎo)通電阻且支持高達(dá)1200伏高壓的硅基MOSFET仍是此類設(shè)計(jì)的理想選擇。在當(dāng)前車載充電機(jī)設(shè)計(jì)階段，成本較高的碳化硅MOSFET相較于當(dāng)代高壓硅基MOSFET并未展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

四、總結(jié)

車載充電器作為電動(dòng)汽車能源補(bǔ)給的核心單元，其性能直接影響充電效率、整備質(zhì)量、安全性與用戶體驗(yàn)。設(shè)計(jì)一款高性能、高可靠的車載充電器，是多維技術(shù)挑戰(zhàn)交織的系統(tǒng)工程。其核心矛盾在于需要在一個(gè)極為有限的安裝空間內(nèi)，集成高功率的電能轉(zhuǎn)換功能，并滿足嚴(yán)苛的汽車級(jí)可靠性、電磁兼容性及成本要求。

總而言之， 車載充電器的演進(jìn)是一場(chǎng)圍繞效率、密度、可靠、兼容與成本展開的持續(xù)優(yōu)化。寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用、先進(jìn)拓?fù)渑c智能控制、系統(tǒng)級(jí)集成設(shè)計(jì)，構(gòu)成了其主要突破方向。未來的車載充電器，將不僅是一個(gè)高效率的電能轉(zhuǎn)換器，更是一個(gè)深度融入整車能源管理與智能電網(wǎng)交互的關(guān)鍵智能節(jié)點(diǎn)。