车载充电器OBC单级拓扑结构的设计

[导读]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。

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