车载充电器OBC单级拓扑结构的设计

随着车载充电器(OBC)因其成本效益和便捷安装而日益普及，一系列技术挑战逐渐浮现。这些挑战包括提升效率与功率密度，以克服空间约束并缩短充电时长，同时应对双向功率流需求的增长，使电动汽车能够向电网回馈电能。这些发展动态凸显了创新OBC解决方案的紧迫性。本文旨在深入剖析EV车载充电器技术的当前状况、所面临的难题以及未来展望，通过全面审视OBC的架构、构成元件、核心技术及新兴发展动向，为未来的研究与发展提供指引。克服这些难题对于提升OBC在更广泛的电动汽车生态系统中的效能、稳健性以及整合程度显得尤为重要。

电动汽车的分类：

电动汽车主要可分为电池电动汽车(BEVs)、插电式混合动力电动汽车(PHEVs)、混合动力电动汽车(HEVs)和燃料电池电动汽车(FCEVs)。本文将重点关注BEVs的研究。

传统内燃机汽车的局限性：

传统内燃机汽车面临温室气体排放、空气污染等重大问题，其燃料能量转化为有效工作的效率较低，导致燃料消耗和运营成本上升。此外，机械复杂性高、维护需求和成本高，以及对化石燃料的依赖也带来了经济和能源安全方面的隐患。

电动汽车的益处：

电动汽车具有零尾气排放、减少空气污染和温室气体排放的优势。其电驱动系统效率更高，使得运营成本降低。同时，机械设计更简洁，维护需求减少，可靠性提高。此外，使用可再生能源可以进一步减少对环境的影响。

22kW OBC单级拓扑结构通常包括一个功率因数校正(PFC)电路和一个DC/DC转换器。PFC电路用于提高输入电流的功率因数，降低谐波失真，从而减少对电网的污染。DC/DC转换器则负责将经过PFC电路处理后的直流电进一步转换为适合动力电池充电的直流电。

在单级拓扑中，AC/DC转换只通过一个功率级完成，因此被称为“单级”。这种结构通常具有较高的效率，因为只有一个功率级在转换过程中产生损耗。但是，单级拓扑也可能面临一些挑战，例如需要处理更高的开关频率和更复杂的控制策略，以及应对宽输入电压范围和宽负载电流范围的需求。

22kW OBC单级拓扑结构是电动汽车充电中的一种新选择。它具有高效率、高功率密度和较小的体积等优点，可以满足中等功率的充电场景需求。同时，单级拓扑还可以降低系统成本和复杂度，提高系统可靠性和稳定性。

不同厂家和型号的22kW OBC可能采用不同的单级拓扑结构设计和实现方式。因此，在具体选择和使用时，需要根据实际应用场景和需求进行评估和选择。同时，也需要注意OBC的参数和性能，如输出电压范围、最大输出电流等，因不同的产品而有所差异。

在OBC领域，近年随着新的电路拓扑，以及第三代半导体器件的广泛应用，OBC的功率密度也得到了显著提升，体积和重量都相比以往更低，这对于电动汽车设计而言，可以更好地处理OBC这样的部件的位置布局，降低对整车重量的影响。

OBC的单级拓扑趋势

在电动汽车上，OBC一般承担AC-DC和DC-DC的功能，即整流和升降压，将输入的交流电转换为直流电，再将电压升压至电池包充电所需的电压。过去主流的OBC是采用PFC+DC-DC两级式拓扑设计，因为需要经过两个阶段的转换，效率受到限制;其次是在电路上设计复杂，元器件数量多，导致体积和重量较高，同时物料成本也难以压缩。

在今年1月，阳光电动力推出的一款OBC就采用了单级拓扑架构，仅需一次隔离变换，就能实现交流与直流双向功率控制，有效精简系统设计。为了提高效率，方案中还使用了GaN功率器件，在提高转换效率的同时提高系统功率密度。

最终该OBC额定输出功率6.6kW，DC-DC额定输出3kW，全电压充电效率为96.2%，峰值效率超过98%。相比传统方案，OBC整机重量可减轻25%以上，功率密度提升65%，达6.1kW/L，使其更容易与车辆电气系统集成，便于整车轻量化设计。

据阳光电动力介绍，该OBC方案中融合了AI算法，基于谐振变换电路，进行精确数学建模，获得多目标多自由度更优控制策略，功率器件在全范围内实现软开关，损耗降低，系统效率显著提升。内部功率器件采用顶部散热，降低热阻;功率回路面积大幅缩小，提高系统集成度。

另外，通过电路设计和更先进的控制策略，OBC能够去除易受温度、电压波动等因素影响的母线电解电容，消除器件寿命短板，整体使用寿命得到了显著提升。

而特斯拉Cybertruck上的OBC同样采用了单级拓扑，不再分为PFC和DC-DC两级，不需要两套功率桥和控制系统，而是采用四相CLLC/DAB单级架构，直接完成AC到48V转换。

CLLC谐振变换器和DAB移相控制结合，可以实现全负载范围内的零电压开关(ZVS)和 零电流开关(ZCS)，大幅减少开关损耗，典型效率>97%，提高转换效率。同时，四相交错并联设计将功率分散到四个子模块，降低单个模块的热应力，降低散热压力。

同时在功率密度方面，CLLC可以采用第三代半导体等半导体器件，支持MHz级的开关频率，能够有效减小变压器和电感体积。加上四相交错并联的结构，优化输出电流纹波，减少滤波电容和电感的需求，进一步压缩OBC的整体空间。

1. 拓扑结构简单：单级OBC的电路结构相对简单，制造过程中使用的电子元件数量较少，电路布线也相对简单，降低了电路成本。

2. 高功率密度：由于其紧凑的结构设计，单级OBC在相同的体积内可以实现更高的功率输出，非常适合对空间要求苛刻的电动汽车内部环境。

3. 成本优势：简单的电路结构意味着在生产过程中，单级OBC的调试成本和时间得以降低，从而降低了整体制造成本，提高了产品的市场竞争力。

4. 控制简单：单级OBC的控制策略相对简洁，只需对AC/DC变换环节进行控制，降低了开发难度，提高了系统的稳定性。

四、单级OBC的应用场景与实际案例

单级OBC在新能源汽车领域有着特定的应用场景。尤其在一些对成本控制较为严格的入门级电动汽车以及部分插电式混合动力汽车中，单级OBC的应用较为普遍。

以某款入门级纯电动汽车为例，搭载的单级OBC功率为3.3kW。这款OBC在满足日常充电需求的同时，降低了车辆的制造成本，使得车辆更具价格竞争力。而在某款插电式混合动力汽车中，单级OBC同样发挥出色，其简洁的结构和成本优势符合车辆的需求。

五、单级OBC的技术发展趋势与挑战

随着技术的不断发展，单级OBC在功率因数、输入电流波形优化、功率范围拓展等方面取得了显著进展。然而，面临的挑战也不容忽视，如高功率下的散热问题、电磁兼容性等。

展望未来，单级OBC有望在技术创新和性能提升方面取得更大突破。随着新能源汽车市场的持续扩张，单级OBC的应用领域也将进一步拓展。

总的来说，单级OBC作为新能源汽车充电领域的重要一员，以其独特的优势和潜力在未来的发展中备受关注。面对挑战和机遇，行业需要不断创新和突破，推动单级OBC的技术进步和应用拓展，为新能源汽车的普及和发展贡献更大的力量。