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新能源汽车车载充电机常用技术设计方案探究

2025-05-18 64 上传者：管理员

摘要：随着新能源电动汽车行业的发展，系统集成化趋势愈发显著，车载充电机与DC/DC变换器的集成式开发已成为重要技术发展方向。文章围绕这一趋势展开研究，详细阐述多种车载充电机与DC/DC变换器集成式产品的硬件架构，并深入分析该领域在发展过程中面临的挑战与机遇，为行业发展提供有益参考。

关键词：
DC/DC变换器
技术挑战
新能源汽车
系统集成
车载充电机
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1、车载充电机的背景

车载充电机作为新能源汽车不可或缺的核心部件,集充电机与直流变换器功能于一体｡一方面,它将电网输入的交流电转换为适配车辆电池包的电压,实现对电池的充电;另一方面,在车辆高压上电成功后,充当低压电源,把动力电池的高压直流电转换为低压直流电,为低压器件供电并为车载蓄电池充电｡

典型车载充电机多采用两级式拓扑结构,前级为功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC)变换器,后级则是具备隔离功能且能调节输出功率的DC/DC变换器[1]｡前级PFC变换器的主要作用,是对输入电流进行功率因数校正,使其跟踪输入电压,并输出稳定的母线电压;后级隔离型DC/DC变换器则负责实现安全隔离,以及提供宽范围的电压或电流输出[2]｡典型车载充电机的架构如图1所示｡

依据权威机构及行业研究报告,对车载充电机(On-BoardCharger,OBC)市场的增长态势,可从市场规模和驱动因素两方面进行深入剖析｡

中国及全球市场增长态势:2025年,预计中国OBC市场规模将达660亿元(含前装及后装市场);2026年,中汽协预测中国OBC市场规模将突破300亿元(前装市场为主);2030年,全球OBC市场规模预计以复合增长率超15%持续扩张,重点受益于新能源汽车渗透率提升(纯电及混动车型均需配置OBC)[3]｡

图1典型车载充电机的架构

驱动因素分析:近年来,新能源汽车逐年销量上涨｡2025年全球销量预计达2537万辆(2022年约1082万辆)｡单车配置需求｡每辆新能源车需配备1台OBC,单价约2000元,叠加后装替换市场占比30%｡

基于以上因素,OBC市场前景广阔,后续将迎来高速发展阶段｡

2、常用的技术设计方向

2.16.6kWOBC+DC/DC二合一将成为常用的拓扑

电源二合一总成方案由6.6kWOBC&2kWDC/DC系统集成模块组成,如图2所示｡①PFC电路:由2个SiCMOS､2个CoolMOS和1个储能电感组成,工作频率为50~70kHz;②双向LLC电路:由8个CoolMOS､1个谐振电感､主变压器和谐振电容组成,工作谐振频率为100kHz;③LV电路:由4个CoolMOS和6个整流功率MOS组成,工作频率为80kHz｡

该方案具备以下优点｡PFC部分并未采用全SiC拓扑,仅使用2支SiC,其余CoolMOS管选用英飞凌品牌或国产品牌,实现降本设计｡DC/DC部分采用全桥PWM硬开关拓扑,相较于磁集成方案,提升了DC/DC整体效率,加权效率增加约1%,并确保DC/DC在500W以下运行于高效区｡PFC部分使用TI芯片(280025)进行数字控制｡双向LLC及DC/DC部分共用1款TI芯片(280049)进行数字控制｡LV侧使用NXP品牌MCU(S32K148HAMLQ)实现整车通信交互｡3款芯片之间通过UART进行数据交互,并借助数字隔离器保证电气隔离｡LV侧滤波电感增加副边绕组和二极管,使LV侧能够反向工作,对高压HV进行充电,拓展了整车母线电容预充功能

图26.6kWOBC+DC/DC二合一

2.211kWOBC+DC/DC二合一拓扑结构

如图3所示,该方案采用全SiC设计,支持能量双向流动,兼容单相和三相交流输入｡单相输入时,最大输出功率6.6kW;三相输入时,最大输出功率11kW｡PFC和LLC各由一片DSP控制,PFC母线电压可根据输出电压实时调节,优化LLC工作状态,提升系统效率｡反向工作时,可输出单相220V交流,反向最大输出功率6.6kW｡该方案特点阐述如下｡

1)全SiC设计有效降低开关损耗,系统效率高,峰值效率达96%｡

2)属于双向车载充电机,既能正向充电,也能逆变输出单相交流｡

3)兼容三相､单相输入电压,三相输入时,功率为11kW,单相输入时功率为6.6kW｡

4)采用数字化控制,消除图腾柱PFC过零点畸变｡

5)两片DSP分别控制PFC和LLC,根据输出电压,通信实时调节PFC电压,优化系统效率｡

6)支持CAN通信,DSP集成比较器实现各种保护功能,包括输入过/欠压､过流保护､母线过压､输出过/欠压､过流､短路保护等｡

2.3其他方案

1)高效拓扑应用:采用高效率拓扑,如双有源桥式DAB结构或LLC谐振变换器,结合功率因数校正(PFC)模块,可将系统效率提升至95%以上｡

图311kWOBC+DC/DC二合一

2)主电路拓扑优化:PFC级优先选择三相图腾柱或维也纳整流器,以减少二极管损耗;DC/DC级则以全桥LLC谐振拓扑为主流,支持高频化(300kHz以上)和软开关,降低磁元件体积｡

3、核心参数设计

3.1输入/输出参数设计

1)输入电压范围｡兼容全球电网标准,如单相110~240VAC或三相380VAC,交流输入范围设定为85~265VAC｡对于800V高压电池架构,输入需支持更高电压等级的整流需求[4]｡

2)输出电压与电流｡输出电压需匹配动力电池电压范围,如200~800VDC,电流调节需支持动态控制,例如320V输出时,电流可达20~30A｡双向OBC还需支持反向放电功能,输出电压需与电网兼容｡

3)功率等级｡主流功率覆盖3.3kW､6.6kW､11kW,高端车型可扩展至22kW及以上｡设计时需平衡功率密度与散热能力,例如11kWOBC体积需控制在5~8L以内｡

3.2效率与功率因数校正(PFC)

整机效率:目标效率≥95%,采用全数字LLC谐振拓扑和SiC器件可减少开关损耗,效率提升2%~3%｡部分方案通过零电压切换(ZeroVoltageSwitch,ZVS)技术将开关频率提升至800kHz以上｡

功率因数(PF)与谐波抑制:交流输入电压PF需≥0.99,总谐波失真(THD)<5%[5]｡常用的方案现采用图腾柱无桥PFC或维也纳整流拓扑,然后结合TMS320F28035芯片实现数字控制,可以优化轻载条件下的谐波表现[6]｡

3.3控制技术

控制技术采用数字控制算法,软件控制运用电压/电流双闭环控制,并结合PID算法实现动态调节[7]｡ARM+FPGA架构可提升控制精度,例如实现±0.5%的输出电压误差｡

3.4元器件耐压与耐温

高压侧器件,如SiCMOSFET,需支持1200V耐压,工作温度范围为-40~125℃｡采用平面变压器和低损耗铁氧体磁芯,如PQI材料,可减少热损耗｡

4、现有技术发展现状

1)高功率密度与效率提升｡当前,主流OBC功率已从早期的3.3~6.6kW提升至11kW以上,部分高端车型采用22kW三相交流充电,其OBC充电效率可达95%以上｡采用全数字LLC软开关谐振技术､平面变压器等设计,有效缩小了体积,降低了能量损耗｡

2)集成化设计趋势｡行业普遍采用多合一集成方案,如OBC+DC/DC+PDU,通过优化电路拓扑和磁集成技术,减少线束和接插件数量,降低成本,提升整车布局灵活性｡例如,二合一集成产品M22A已在全球市场得到应用｡

3)采用第三代半导体材料｡目前,碳化硅(SiC)､氮化镓(GaN)等新一代半导体材料逐渐替代传统硅基器件｡这些材料支持更高频率(300kHz以上)和耐高温特性,可降低热损耗,提升功率密度｡英飞凌､安森美等厂商已推出基于SiC的双向OBC方案｡

5、技术挑战与瓶颈

1)高频损耗与磁材料优化｡高频化(500kHz以上)会导致电感器､变压器磁芯损耗增加,需开发低损耗铁氧体材料(如PQI､EQ),以及扁平立绕线圈技术,以便降低涡流效应｡

2)散热与防护等级要求｡液冷方案需解决冷却液腐蚀和密封问题,同时要兼顾高功率密度下的热管理,对元器件耐高温性能提出了更高要求｡

3)成本控制与供应链压力｡集成化和SiC/GaN器件的应用虽提升了性能,但原材料成本较高,需通过规模化生产和国产替代,如比亚迪半导体,降低成本｡

4)标准化与兼容性问题｡全球充电标准(如CHAdeMO､CCS､GB/T)不统一,OBC需支持多协议兼容,同时要适应电池电压从400V向800V升级的过渡期技术需求｡

5)测试验证复杂性｡需满足国标GB/T18488等可靠性测试,包括电网波动模拟､谐波抑制､耐久性循环测试等,测试平台开发成本高｡

参考文献:

[1]吴红雪.高效率车载充电电源及其数字控制系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[2]戴慧纯.电动汽车车载充电机(OBC)电路与控制设计[D].杭州:浙江大学,2020.

[3]华经产业研究院.2024—2030年中国车载充电机(OBC)行业发展潜力预测及投资策略研究报告[R].北京:华经产业研究院,2024.

[4]王玥.800V高压电驱动系统在新能源汽车中的优势与创新[J].城市公共交通,2024(1):26-28.

[5]陈畅.高精度高功率因数高可靠性的LED驱动芯片研究[D].南京:东南大学,2021.

[6]吴雁飞,俞杭冬.一种数字控制图腾柱无桥PFC的AC/DC电源[J].电子技术(上海),2022(1):4-6.

[7]许任男.感应加热电源模糊PID功率控制器的设计与实现[D].天津:天津大学,2009

文章来源:麻龙周,麻龙泉,赵婷婷.新能源汽车车载充电机常用技术设计方案探究[J].汽车电器,2025,(05):12-14.

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