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(dòng)汽車 (BEV) 和插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 的高壓電池組充電。它直接集成在車輛的設(shè)計(jì)中，可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為適合車輛電池組的直流電。這項(xiàng)技術(shù)讓電動(dòng)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(yīng)對(duì)OBC設(shè)計(jì)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(shí)施方法、系統(tǒng)說(shuō)明、市場(chǎng)趨勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)展開講述。

系統(tǒng)用途

日益嚴(yán)格的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)加速了電動(dòng)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(nèi) 3 級(jí)快速直流充電站數(shù)量不足的充電現(xiàn)狀，OBC 在短期內(nèi)不會(huì)退出歷史舞臺(tái)。

當(dāng)車輛?？坎⑦B接到適配的 1 級(jí)或 2 級(jí)充電站，或使用經(jīng)認(rèn)證的充電電纜連接到壁式插座時(shí)，OBC 裝置可從交流電網(wǎng)為車輛充電。主流款式是“2 級(jí) OBC”，充電功率范圍為 7KW - 22KW。

PHEV 和 BEV 是輕度混合動(dòng)力汽車 (MHEV) 的升級(jí)版。這些車輛需要高壓電池系統(tǒng)以及包括 OBC 在內(nèi)的輔助運(yùn)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(fèi)者有點(diǎn)擔(dān)憂外，這些類型的車輛可以滿足他們對(duì)車輛性能的期待。全球都在努力攻克這些難題。

系統(tǒng)實(shí)施

插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV)

OBC 的成本較低是因?yàn)楣β实燃?jí)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(guó)家/地區(qū)對(duì)每相的最大功率限制為 3.7kW 至 4.2kW。

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

提高功率等級(jí)可加快充電速度。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景相應(yīng)減少排放。

純電動(dòng)汽車 (BEV)

OBC 成本較高是因?yàn)楣β实燃?jí)較高且更為復(fù)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(jí)，可縮短充電時(shí)間。

在某些國(guó)家/地區(qū)，可能需要升級(jí)公用設(shè)施以實(shí)現(xiàn)更高的功率等級(jí)。

注意，許多國(guó)家/地區(qū)對(duì)每相的最大功率限制為 3.7kW 至 4.2kW。

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

直流快速充電旁路選項(xiàng)。

無(wú)排放。

系統(tǒng)說(shuō)明

PHEV 和 BEV 包含一個(gè)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(wǎng)交流電壓轉(zhuǎn)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(duì)于低功率 OBC，交流輸入通常為單相；對(duì)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(shí)進(jìn)行功率因數(shù)校正 (PFC)，以調(diào)整電壓和電流相位，從而最大限度地減少對(duì)交流電網(wǎng)的影響。FCEV 可采用低功率 OBC 為電池充電，但這并非標(biāo)配。

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

對(duì)于所有功率級(jí)（PFC、一級(jí)和二級(jí) DCDC），必須從效率和總成本的角度出發(fā)設(shè)計(jì)正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，對(duì)于各個(gè)功率級(jí)，必須選擇模擬控制器 IC 或具有適當(dāng)開關(guān)頻率的數(shù)字控制解決方案。

由于大多數(shù)電動(dòng)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(wú)需進(jìn)行交流/直流轉(zhuǎn)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(lái)對(duì)其進(jìn)行熱管理，具體取決于功率等級(jí)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，OBC 輸出可能需要在低于 250VDC 的電壓下運(yùn)行，而在為車輛主電池組充電時(shí)，則需要在高達(dá) 850VDC 的電壓下運(yùn)行。

空間限制與功率密度目標(biāo)和電路板級(jí)的必要隔離有關(guān)。這種隔離適用于通信、反饋信號(hào)和柵極驅(qū)動(dòng)器。

市場(chǎng)趨勢(shì)

目前OBC的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是向更高的功率等級(jí)和電壓方向演進(jìn)。如今的 OBC 設(shè)計(jì)支持各種電壓和功率等級(jí)，但隨著新能源動(dòng)力總成的發(fā)展，這些設(shè)計(jì)也在不斷演變。 在支持 11kW 至 22kW 功率的同時(shí)，還需支持高達(dá) 800V 的更高電池電壓。

onsemi 作為大功率汽車應(yīng)用領(lǐng)域成熟的電源模塊供應(yīng)商，憑借其 1200V 碳化硅 MOSFET 和 APM，已做好準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向 800V 電池系統(tǒng)領(lǐng)域。通過(guò)采用汽車功率模塊 (APM) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)最高功率密度，10 多年來(lái)持續(xù)為等級(jí) 1 (Tier 1)和 OEM 客戶供應(yīng)模塊產(chǎn)品。

電氣化浪潮正席卷到公共汽車、貨車、重型車輛、農(nóng)用車輛和船舶領(lǐng)域。這些新興市場(chǎng)推動(dòng)了 OBC 邁向更高的功率等級(jí)，通常超過(guò) 22kW。APM32 碳化硅模塊可提供高效的解決方案。

onsemi 的柵極驅(qū)動(dòng)器與其功率級(jí)解決方案完美適配，在米勒平臺(tái)展現(xiàn)出了極高的抗噪能力和效率。隔離柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)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(lǐng)域。

雖然許多 OBC 的功能都是單向的（電網(wǎng)到車輛），但雙向功能正逐漸進(jìn)行推廣，從而使 BEV 既能實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)到車輛的充電，也能實(shí)現(xiàn)從車輛到電網(wǎng)的充電。各個(gè)功率級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)須進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)雙向功能。這對(duì)于電池能量容量遠(yuǎn)高于 PHEV 的 BEV 來(lái)說(shuō)非常重要。

OBC 的重要性可體現(xiàn)在現(xiàn)有的充電基礎(chǔ)設(shè)施中。純電動(dòng)汽車的充電器有三種類別或“等級(jí)”。

3 級(jí)直流充電器充電速度非?？欤珒r(jià)格昂貴。其為高速公路和重型商業(yè)設(shè)施內(nèi)的理想充電選擇。與 2 級(jí)充電器相比，其安裝數(shù)量要少得多。

2 級(jí)充電器充當(dāng)高功率交流電源與電動(dòng)汽車 OBC 之間的接口。這對(duì)于輕型商業(yè)和小型企業(yè)安裝來(lái)說(shuō)是非常劃算的解決方案。其容量擴(kuò)展迅速，具體取決于車載 OBC。

1 級(jí)充電器只能作為 15A-20A 插座與電動(dòng)汽車 OBC 之間的一個(gè)插頭接口。可在家中或任意插座上充電，但充電速度慢得出奇。

系統(tǒng)說(shuō)明 - 標(biāo)準(zhǔn)

符合 ISO26262 這一國(guó)際功能安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于開發(fā)道路車輛的電氣和電子系統(tǒng)至關(guān)重要。其主要目標(biāo)是最大限度地降低車輛系統(tǒng)故障造成的危險(xiǎn)，并應(yīng)對(duì)軟件故障、傳感器錯(cuò)誤和硬件故障等潛在危險(xiǎn)。它提供了一種車輛專用方案，可確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（即 ASIL），這些等級(jí)會(huì)根據(jù)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(dá) ASIL-D。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了將事故風(fēng)險(xiǎn)降至最低并確保車輛零部件發(fā)揮預(yù)期功能的準(zhǔn)則。

onsemi 長(zhǎng)期以來(lái)都是車載產(chǎn)品領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商，深知在降低成本方面所面臨的挑戰(zhàn)以及客戶對(duì)性能和安全性日益嚴(yán)苛的要求。onsemi具備的 ISO 26262 專業(yè)知識(shí)以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)可在不影響安全性的同時(shí)為客戶提供高性價(jià)比解決方案。

通過(guò)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(gòu)和解決方案。其重點(diǎn)關(guān)注重要的故障模式及其預(yù)防措施。

自 ISO 26262 發(fā)布后，onsemi 已開發(fā)并推出 ASIC 和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其安全要求從 ASIL A 到 ASIL D 不等。

onsemi 是 ISO 26262 工作組和半導(dǎo)體分組成員。

onsemi 的所有汽車設(shè)計(jì)中心都接受過(guò)功能安全 (FuSa) 和 ISO 26262 方面的培訓(xùn)。onsemi 已將 ISO 26262 的要求納入其質(zhì)量管理體系，并在公司內(nèi)部設(shè)立了專門的機(jī)構(gòu)來(lái)管理功能安全性。