安森美車載充電器系統(tǒng)解決方案

車載充電器 (OBC) 用于為純電動汽車 (BEV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 的高壓電池組充電。它直接集成在車輛的設計中，可將電網中的交流電轉換為適合車輛電池組的直流電。這項技術讓電動汽車車主可在家中或公共充電站方便地為車輛充電。為了幫助工程師更好地應對OBC設計挑戰(zhàn)，安森美（onsemi）推出了OBC系統(tǒng)解決方案指南。本文為第一篇，將聚焦系統(tǒng)用途、系統(tǒng)實施方法、系統(tǒng)說明、市場趨勢和標準展開講述。

系統(tǒng)用途

日益嚴格的二氧化碳排放標準加速了電動汽車的發(fā)展，而 OBC 的發(fā)展程度和普及規(guī)模也在不斷提升。鑒于全球范圍內 3 級快速直流充電站數量不足的充電現狀，OBC 在短期內不會退出歷史舞臺。

當車輛停靠并連接到適配的 1 級或 2 級充電站，或使用經認證的充電電纜連接到壁式插座時，OBC 裝置可從交流電網為車輛充電。主流款式是“2 級 OBC”，充電功率范圍為 7KW - 22KW。

PHEV 和 BEV 是輕度混合動力汽車 (MHEV) 的升級版。這些車輛需要高壓電池系統(tǒng)以及包括 OBC 在內的輔助運行模塊。PHEV 可減少車輛的平均二氧化碳排放量，BEV 則不排放二氧化碳。除了 BEV 在里程方面讓消費者有點擔憂外，這些類型的車輛可以滿足他們對車輛性能的期待。全球都在努力攻克這些難題。

系統(tǒng)實施

插電式混合動力汽車 (PHEV)

OBC 的成本較低是因為功率等級和電池容量較低。

單相交流電：額定功率為 3.3kW、6.6kW 或 7.2kW。

注意，許多國家/地區(qū)對每相的最大功率限制為 3.7kW 至 4.2kW。

在功率等級較低 (1.4kW – 1.8kW) 的情況下，幾乎可以在任何地方進行插電式充電。

提高功率等級可加快充電速度。根據具體應用場景相應減少排放。

純電動汽車 (BEV)

OBC 成本較高是因為功率等級較高且更為復雜。

單相交流電：額定功率為 6.6kW 或 7.2kW。

3 相交流電：11kW 至 22kW，適用于更高端的 BEV。擁有更高的功率等級，可縮短充電時間。

在某些國家/地區(qū)，可能需要升級公用設施以實現更高的功率等級。

注意，許多國家/地區(qū)對每相的最大功率限制為 3.7kW 至 4.2kW。

在功率等級較低 (1.4kW – 1.8kW) 的情況下，幾乎可以在任何地方進行插電式充電，但不常用。

直流快速充電旁路選項。

無排放。

系統(tǒng)說明

PHEV 和 BEV 包含一個用于為高壓電池組充電的模塊，被稱為車載充電器 (OBC)。OBC 的主要功能是將輸入電網交流電壓轉換為輸出直流電壓，為電池組的充電提供合適的輸出電流和電壓水平。對于低功率 OBC，交流輸入通常為單相；對于高功率 OBC，交流輸入通常為 3 相。此外，它還必須在執(zhí)行充電功能的同時進行功率因數校正 (PFC)，以調整電壓和電流相位，從而最大限度地減少對交流電網的影響。FCEV 可采用低功率 OBC 為電池充電，但這并非標配。

在 OBC 的設計階段，必須考慮以 kW（峰值功率和連續(xù)功率）為單位的目標功率等級、輸入電壓范圍、交流相數和整體效率。

對于所有功率級（PFC、一級和二級 DCDC），必須從效率和總成本的角度出發(fā)設計正確的拓撲結構。此外，對于各個功率級，必須選擇模擬控制器 IC 或具有適當開關頻率的數字控制解決方案。

由于大多數電動汽車可使用直流快速充電器充電，因此 OBC 提供了旁路功能，可直接為直流電池充電，無需進行交流/直流轉換。

顧名思義，這些“車載”充電器模塊安裝在車輛上，可采用空氣或液體冷卻來對其進行熱管理，具體取決于功率等級。根據結構的不同，OBC 輸出可能需要在低于 250VDC 的電壓下運行，而在為車輛主電池組充電時，則需要在高達 850VDC 的電壓下運行。

空間限制與功率密度目標和電路板級的必要隔離有關。這種隔離適用于通信、反饋信號和柵極驅動器。

市場趨勢

目前OBC的設計趨勢是向更高的功率等級和電壓方向演進。如今的 OBC 設計支持各種電壓和功率等級，但隨著新能源動力總成的發(fā)展，這些設計也在不斷演變。 在支持 11kW 至 22kW 功率的同時，還需支持高達 800V 的更高電池電壓。

onsemi 作為大功率汽車應用領域成熟的電源模塊供應商，憑借其 1200V 碳化硅 MOSFET 和 APM，已做好準備轉向 800V 電池系統(tǒng)領域。通過采用汽車功率模塊 (APM) 技術實現最高功率密度，10 多年來持續(xù)為等級 1 (Tier 1)和 OEM 客戶供應模塊產品。

電氣化浪潮正席卷到公共汽車、貨車、重型車輛、農用車輛和船舶領域。這些新興市場推動了 OBC 邁向更高的功率等級，通常超過 22kW。APM32 碳化硅模塊可提供高效的解決方案。

onsemi 的柵極驅動器與其功率級解決方案完美適配，在米勒平臺展現出了極高的抗噪能力和效率。隔離柵極驅動器產品組合不斷發(fā)展，為大功率碳化硅 MOSFET 提供了更多選擇，后續(xù)可覆蓋硅 MOSFET 和 IGBT 領域。

雖然許多 OBC 的功能都是單向的（電網到車輛），但雙向功能正逐漸進行推廣，從而使 BEV 既能實現從電網到車輛的充電，也能實現從車輛到電網的充電。各個功率級的拓撲結構須進行調整，以實現雙向功能。這對于電池能量容量遠高于 PHEV 的 BEV 來說非常重要。

OBC 的重要性可體現在現有的充電基礎設施中。純電動汽車的充電器有三種類別或“等級”。

3 級直流充電器充電速度非常快，但價格昂貴。其為高速公路和重型商業(yè)設施內的理想充電選擇。與 2 級充電器相比，其安裝數量要少得多。

2 級充電器充當高功率交流電源與電動汽車 OBC 之間的接口。這對于輕型商業(yè)和小型企業(yè)安裝來說是非常劃算的解決方案。其容量擴展迅速，具體取決于車載 OBC。

1 級充電器只能作為 15A-20A 插座與電動汽車 OBC 之間的一個插頭接口?？稍诩抑谢蛉我獠遄铣潆?，但充電速度慢得出奇。

系統(tǒng)說明 - 標準

符合 ISO26262 這一國際功能安全標準對于開發(fā)道路車輛的電氣和電子系統(tǒng)至關重要。其主要目標是最大限度地降低車輛系統(tǒng)故障造成的危險，并應對軟件故障、傳感器錯誤和硬件故障等潛在危險。它提供了一種車輛專用方案，可確定風險等級（即 ASIL），這些等級會根據客戶和全球各地區(qū)的不同而有所變化。（ASIL QM、A、B、C、D）要求可高達 ASIL-D。該標準還規(guī)定了將事故風險降至最低并確保車輛零部件發(fā)揮預期功能的準則。

onsemi 長期以來都是車載產品領域的領先供應商，深知在降低成本方面所面臨的挑戰(zhàn)以及客戶對性能和安全性日益嚴苛的要求。onsemi具備的 ISO 26262 專業(yè)知識以及對標準的落實可在不影響安全性的同時為客戶提供高性價比解決方案。

通過確定集成電路和其他汽車組件的安全要求，有助于公司制定最佳架構和解決方案。其重點關注重要的故障模式及其預防措施。

自 ISO 26262 發(fā)布后，onsemi 已開發(fā)并推出 ASIC 和標準產品，其安全要求從 ASIL A 到 ASIL D 不等。

onsemi 是 ISO 26262 工作組和半導體分組成員。

onsemi 的所有汽車設計中心都接受過功能安全 (FuSa) 和 ISO 26262 方面的培訓。onsemi 已將 ISO 26262 的要求納入其質量管理體系，并在公司內部設立了專門的機構來管理功能安全性。