車載充電機概述
來源 | 貿澤電子設計圈
來源 | 一覽衆車
車載充電機（On Board Charger）是指固定安裝在電動汽車上的充電機，其主要功用是爲電動汽車的動力電池安全、快速、便捷地充滿電。根據對電動汽車的充電方式，充電可分爲交流充電和直流充電兩大類。交流充電給普通純電動轎車充滿電需要4~5個小時，俗稱“慢充”。直流充電具備直接給電池充電的能力，俗稱“快充”。本文將重點介紹一下車載充電機。
內容概要：
介紹車載充電機概覽
1） 介紹車載充電機的基本原理
2） 介紹車載充電機的內部結構和主要電路
3） 介紹車載充電機未來發展
純電動汽車或者插電式混合動力汽車的車載充電機是一種直流充電裝置，其電壓是跟原車搭配的電池相同，依據電池管理系統的管控命令，動態調節充電電流與電壓參數，完成電動汽車充電過程的核心部件。車載充電機作爲一個電力電子系統，主要由功率電路和控制電路組成。功率電路是由交流整壓、變壓器和功率管組成的，DC/DC變換器是其重要組成部分。控制電路實現與電源管理的串行通信，並根據需求來控制功率驅動電路輸出一定的電壓和電流。通常對於整車廠來說，車載充電機的要求是低成本、尺寸小、重量輕、壽命長，同時具備高可靠性和高安全性，目前主流的車載充電機功率一般是3.3kw和6.6kw。
圖示1-車載充電機
車載充電機的主要參數有輸入電壓範圍、輸出電壓範圍、充電功率和變換效率。另一種區分方式是單向和雙向，前者僅作爲單向的電網對電動汽車充電；後者也可以通過電動汽車給外部接口放電，作爲應急或者V2G電網功率調節使用。作爲一種汽車電子部件，要保證在整個汽車生命週期內可靠穩定運行，其要求是不低的，需要滿足-40°~85°的工作溫度、IP67的防水能力、承受長時間的震動顛簸、戶外的日曬雨淋、滿足長達5年10萬公里的可靠性要求。
圖示2-車載充電機的兩種基本類型
表1-典型的車載充電機規格表
第一部分：車載充電機基本原理
如前所述，車載充電機如下圖所示，一般有以下的接口：
1） AC輸入端：連接從交流充電插座進來的連接器
2） DC輸出端：車載充電機輸出到電池的部分
3） 低壓控制接口：車載充電機與BMS和外部連接的低壓接口
4） 液冷輸入和輸出流道接口：冷卻液流入和流出充電機的部分
圖示3-車載充電機連接概覽
從充電電源模塊而言，分爲整流、PFC、DC/DC變壓幾個部分，有1~2獨立的控制器整流和變壓部分，如下圖所示。
圖示4-車載充電機分解圖
以下藍色的部分爲羅姆可以提供的一些器件。從另一角度劃分，我們也可以把車載充電機劃分爲主迴路電源部分和充電控制主板。其中充電控制主板主要是對電源部分進行控制、監測、計量、計算、修正、保護以及與外界網絡通信等功能，是車載充電機的“中樞大腦”，電源部分主要作用是將220伏交流電轉化爲300多伏的直流電，電源部分又分爲PFC和LLC兩部分，實際上我們可以把PFC看作是AC/DC，而把LLC看作是DC/DC。
圖示5-充電機系統的核心部件概覽
第二部分：車載充電機的電路細節
如前圖4是車載充電機的分解圖，下圖6是車載充電機是車載充電機的結構框圖。第一部分是輸入濾波器（EMI濾波器），對於車載充電機而言是非常重要抑制EMC的手段。
圖示-6車載充電機細節結構
下面談一下PFC電路：從交流變換到直流，交流的電壓和電流之間有一個夾角，夾角容性會導致電網電波，這會影響中間的效率，因爲中間有一個夾角，這個夾角是CSIN值。PFC是分壓電路，現在爲了將整個系統效率提高，往往採用無橋的PFC這種新的結構來直接工作。無橋的PFC效率可以明顯增高，但會引起共模和噪音，因此在實際設計上需要對散熱和PFC板進行改進。
圖示7-PFC電路
在MOSFET中，羅姆以高速SW爲特徵的R60xxKNx系列建議專門用於低損耗、高效率電源電路上，在產品中內置二極管的節能元器件。分爲三種系列：
* 低噪聲型R60xxENx系列
* 高效率型 R60xxKNx系列
* 快速恢復體二極管型 R60xxMNx系列
移相控制的全橋PWM變換器是最常用的中大功率DC/DC變換電路拓撲形式之一。移相PWM控制方式利用開關管的結電容和高頻變壓器的漏電感或原邊串聯電感作爲諧振元器件，使開關管能進行零電壓開通和關斷，從而有效地降低了電路的開關損耗和開關噪聲，減少了器件開關過程中產生的電磁干擾，爲變換器提高開關頻率、提高效率、減小尺寸及減輕質量提供了良好的條件。在DC/DC部分爲了提高效率通常用LLC諧振實現ZVS和ZCS，最終達到高效。LLC的拓撲必須要求開關頻率高，才能體現他的優勢，通常採用cool-MOS或者用SIC的MOSFET，但這些MOS功率很難做很大。
整流橋+PFC+移相全橋---車型代表：日產聆風LEAF，90%
整流橋+PFC+LLC---代表：特斯拉，93%優點：隔離安全性較高。LLC相比移相全橋的效率更高，電磁兼容性更好；缺點：元器件較多，控制算法複雜
變壓器在使用中也是起着決定性作用的，平板變壓器由PCB預置線在電路板上結合而成，不會有很多冗餘的線，另外現在工藝的手段都在向平板設計發展。
圖示9-充電機內的DC/DC電路
第三部分：車載充電機未來發展
車載充電機的發展方向是小型化和輕量化，如下圖所示kW/L和kW/kg都在快速增加。整個功率等級也開始從3.3kW往6.6kW的主流轉變。
圖示10-車載充電機小型化輕量化發展
未來在單相往三相的發展過程中，11kW和21kW的低價化也是一個核心的趨勢。
總結
發展新能源汽車是解決環境污染和能源危機，推動我國汽車產業轉型升級，實現我國汽車產業由大到強、跨越式發展的關鍵。車載充電機的技術發展，爲新能源汽車實用化和大衆化提供了強有力的支撐。
