OBC邁向22kW，怎樣選擇設(shè)計(jì)方案？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）OBC即車載充電機(jī)，無(wú)論是插電混動(dòng)還是純電車型，只要有慢充的接口，就需要有OBC來(lái)進(jìn)行慢充的工作，將交流充電樁輸入的交流電轉(zhuǎn)換成動(dòng)力電池充電所需的直流電。

而OBC跟隨新能源汽車近幾年的發(fā)展，包括電池包容量增大、800V電壓平臺(tái)等的變化，也讓OBC面臨新的需求。

OBC面臨的新需求

在純電車型上，過(guò)去OBC功率一般支持3kW和7kW，這是因?yàn)榻涣鞒潆姌洞蠖嗖捎脝蜗?20V輸入，市面上主流交流充電樁產(chǎn)品功率在7kW或以下。當(dāng)然也有一部分380V三相交流樁的充電功率可以達(dá)到40kW，比亞迪早期的E5、E6、電動(dòng)中巴等多款車型就支持40kW的交流充電，不過(guò)40kW的交流樁目前基本上已經(jīng)淘汰，大功率公共樁基本采用直流。

另一方面，新能源汽車的電池容量也越來(lái)越大，比如從插電混動(dòng)車型的角度來(lái)看，以往插電混動(dòng)車型上搭載的電池包容量不到10kWh，純電續(xù)航里程僅為數(shù)十公里；如今一些插電混動(dòng)或增程車型的電池包容量可以超過(guò)50kWh，純電續(xù)航里程超過(guò)300公里。

純電車型也從幾年前50kWh左右的電池包，發(fā)展至100kWh以上的水平，以換取700公里以上的續(xù)航里程。

所以如果使用7kW的交流慢充，在一些大電池的電動(dòng)汽車上就會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間長(zhǎng)至難以接受的程度。實(shí)際上目前市面上新能源車型的OBC，普遍功率在6.6kW、7.2kW或3.3kW，只能作為應(yīng)急充電使用，或是配備家充樁的條件下長(zhǎng)時(shí)間停放充電。

另一方面，電動(dòng)汽車的電池包電壓正在從400V往800V的方向發(fā)展，800V電池包正在加速普及到中端車型上。對(duì)于OBC來(lái)說(shuō)，在將交流電轉(zhuǎn)為直流電之外，還需要對(duì)其進(jìn)行升壓，才能為400V的電池包進(jìn)行充電。在升壓過(guò)程中DC-DC用到的650V額定電壓的功率器件和其他芯片，無(wú)法直接應(yīng)用到800V的架構(gòu)中，所以O(shè)BC在800V時(shí)代也需要進(jìn)行新一輪的升級(jí)。

也有一些車企選擇直接拋棄OBC，取消交流充電接口，只支持直流充電。這是考慮到在國(guó)內(nèi)的充電環(huán)境下，公共樁中直流充電樁普及率已經(jīng)相當(dāng)高。根據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，截至2024年7月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計(jì)上報(bào)公共充電樁320.9萬(wàn)臺(tái)，其中直流充電樁143.1萬(wàn)臺(tái)、交流充電樁177.8萬(wàn)臺(tái)。

然而，除了中國(guó)大陸以及歐洲部分電動(dòng)汽車普及率較高的國(guó)家，全球大部分地區(qū)的直流充電樁覆蓋率都較低，限制了其廣泛應(yīng)用。另外家充樁中交流樁的成本也較低，同樣是7kW的交流家充樁和直流家充樁，交流樁的價(jià)格要便宜近50%。

這是因?yàn)橹绷鳂侗举|(zhì)上就是將AC/DC轉(zhuǎn)換器的部分從OBC上移到充電樁端，所以這部分額外的成本也同樣轉(zhuǎn)移到充電樁上。于是用戶在選擇家用充電樁時(shí)，除非是沒(méi)有交流充電口的車型，否則必然會(huì)選擇價(jià)格較低的交流樁。

因此OBC對(duì)新能源汽車來(lái)說(shuō)，依然是大部分車型的標(biāo)配。除了充電的需求之外，外放電也需要用到OBC，比如露營(yíng)時(shí)需要從電動(dòng)汽車輸出給一些用電設(shè)備，就需要OBC進(jìn)行反向工作，將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成家用電器用到的220V交流電。

OBC高功率密度、高電壓趨勢(shì)，第三代半導(dǎo)體是首選

前面也提到隨著電動(dòng)汽車的電池容量增大，傳統(tǒng)7kW以下的OBC已經(jīng)無(wú)法滿足需求。因此目前已經(jīng)有廠商正在開(kāi)發(fā)11kW至22kW功率的OBC，用于大電池的純電車型。

功率增大，OBC的體積自然也會(huì)相應(yīng)增大，但在汽車上寸土寸金的空間中，如何提高OBC功率密度，降低OBC的體積，也是關(guān)鍵之一。另外還要在支持11kW至22kW的功率同時(shí)，還要支持800V以上的電池電壓、支持雙向輸出等功能。在實(shí)際應(yīng)用中，散熱管理、器件成本、電磁兼容性等都是大功率OBC需要面臨的問(wèn)題。

尤其是在800V電池的趨勢(shì)下，OBC的器件選擇首先需要能夠在800V的電壓工況下安全運(yùn)作，其次是器件需要有更高的冗余，保證運(yùn)行工況在器件的最高耐壓或電流之下，保證長(zhǎng)期使用的可靠性。

在去年12月的IEDM 2023上，英飛凌給出了其OBC領(lǐng)域的技術(shù)路線圖：在2020年OBC的功率密度約是2kW/L，主要采用硅基功率半導(dǎo)體；到2024年將會(huì)大規(guī)模轉(zhuǎn)向SiC，功率密度提升至4kW/L；到2025年后，才會(huì)推進(jìn)GaN進(jìn)入OBC，屆時(shí)功率密度將會(huì)提高至6kW/L以上。

在英飛凌的白皮書(shū)中提到，支持三相交流電網(wǎng)輸入和800V電池電壓的OBC可以采用1200V SiC MOSFET，帶CLLC DC/DC諧振轉(zhuǎn)換器的三相PFC。SiC MOSFET支持使用更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而助力于更緊湊、重量更輕的設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化熱量管理的創(chuàng)新封裝，幫助改進(jìn)效率和散熱，使得設(shè)計(jì)人員進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí)可以更靈活。和單相設(shè)計(jì)一樣，三相設(shè)計(jì)也可用于并聯(lián)系統(tǒng)，以支持更高的功率輸出，進(jìn)而幫助縮短充電時(shí)間。

安森美也推出了11kW-22kW的雙向OBC方案，同樣采用了SiC器件。安森美的OBC方案中包含升壓型三相PFC和雙向CLLC全橋轉(zhuǎn)換器，采用了EliteSiC 1200V APM32 功率模塊，該功率模塊針對(duì)800 V 電池架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，更適用于高電壓和功率級(jí)OBC。APM32系列包括用于功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)的三相橋模塊，例如采用1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET集成溫度感測(cè)的NVXK2VR40WDT2。

與分立方案相比，APM32模塊尺寸更小、散熱設(shè)計(jì)更佳、雜散電感更低、內(nèi)部鍵合電阻更低、電流能力更強(qiáng)、EMC性能更好、可靠性更高等，從而有助于設(shè)計(jì)高性能雙向OBC。

除了SiC之外，采用GaN器件的OBC方案可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，目前多家廠商也正在積極開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。根據(jù)TI的數(shù)據(jù)，使用其GaN功率器件可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)500kHz 的 CLLLC 開(kāi)關(guān)頻率和 120kHz 的 PFC 開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)集成柵極驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，使用GaN的OBC功率密度可以比使用SiC的OBC更高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率也高達(dá)96.5%。

寫(xiě)在最后：

在充電基建還未全球普及之前，OBC還將會(huì)長(zhǎng)期存在于新能源汽車上，因此仍將會(huì)是一個(gè)擁有巨大發(fā)展空間的市場(chǎng)。而在這個(gè)過(guò)程中，OBC還會(huì)繼續(xù)往更高功率密度、支持更高電壓系統(tǒng)的方向發(fā)展。