浅谈电动汽车车载充电机(OBC)拓扑结构及漏电需求

2023-03-21 16:14:24 浙江巨磁智能技术有限公司 浏览次数 137

一、车载充电机(OBC)发展趋势

我国新能源电动汽车高速发展,截止2022年我国新能源电动汽车全年销量688.7万辆,同比增长93.4%,市场占有率达到26%。据中汽协预测,2023年我国新能源电动汽车总销量将超过900万辆,同比增长35%,渗透率达到32.6%。电动汽车的持续高涨,带动车载充电机(On Board Charger)装机量快速提升,基本每辆电动汽车都需要配备一台车载充电机(OBC)。2022年,车载充电机(OBC)装机量高达512.87万套,同比增长77.6%。预计2023年市场规模将达300亿元,潜力巨大。在使用交流充电桩充电时需要电动汽车搭载车载充电机(如图1),通常OBC安装在电动汽车内,是电动汽车实现内部能量转换的核心部件,具有为电动汽车动力电池安全、自动充满电的能力,并会根据电池管理系统(BMS)提供的数据,自动调节充电电流电压参数,从而做出相应的指令,完成充电过程。

image.png

图1:电动汽车充电方式


综合本身产品的空间限制和安全性等要求,车载充电机(OBC)需要在功率密度、充电效率、重量、体积、输出电压电流以及安全可靠性等方面严格要求。为满足用户和车厂的需求,车载充电机(OBC)经历了诸多挑战。比如①如何实现车载充电机(OBC)的高功率密度?这就需要选取高频高效的电路拓扑,优化设计电路结构。②如何实现电能双向流动以利用BMS给某些交流设备供电?这就要求OBC具有双向拓扑结构。③如何在较高的功率指标下减少体积?这就要求OBC向智能化、高集成化方向迈进。


为了实现电动汽车快速双向充电,充电桩、电池和OBC都进行了技术改进。充电桩向着大功率、高电压、双向、宽范围等特点快速发展;电池朝着高电压(400V→800V)、大功率等需求升级;同时车载充电机在大功率、新功能、多合一及新材料等方面也取得了很大的进步,正在朝着双向充放电、智能化、集成化等方向发展。目前车载充电机(OBC)主要有以下几种方式,如表1:

类型

简要说明

产品

单向OBC

只给动力电池充电

3.3kW、6.6kW、11kW、22kW……

双向OBC

既能实现给动力电池充电,又能实现逆变功能

3.3kW、6.6kW、11kW……

集成OBC

二合一(OBC+DC-DC)/三合一(OBC+DCDC+PDU)

6.5kW+2.5kW、11kW+31kW……


从功率上来看,目前3.3kW和6.6 kW产品是主流。在输出电压上,弗迪动力、威迈斯等公司的OBC产品已经逐步配套800V整车了。另外随着企业的竞争越演越烈,国内已经在OBC上导入SiC功率器件,比如威迈斯、英搏尔、欣锐科技等公司均发布了基于碳化硅的OBC产品方案。


二、车载充电机(OBC) 电路结构

车载充电机(OBC)一般采用两级架构(如图2),前级PFC主要负责功率因数校正,一般输出400V直流电。后级DC/DC电路从PFC母线取电,实现隔离和调压功能。由于DC/DC所接负载为电池,一般输出200-500V的高压直流电,故后级必须采用高效率宽范围的隔离DC/DC拓扑结构。

image.png

图2:两级OBC拓扑结构


2.1 一级PFC电路

PFC电路中较为常见的拓扑是Boost升压拓扑,分为传统有桥Boost PFC、交错并联Boost PFC、无桥Boost PFC、双无桥Boost PFC、图腾柱Boost PFC等。

(1)传统有桥Boost PFC(如图3):当Q1导通时,正半周期导通路径为D1、L1、Q1、D4,负半周期导通路径为D2、L1、Q1、D3;当Q1关断时,正半周期导通路径为D1、L1、D5、Rd、D4,负半周期导通路径为D2、L1、D5、Rd、D3。在每个状态下,导通开关器件的数量均为3个,其优势在于电路拓扑好控制都很简单,但是仅存在一个Q1开关器件,其电压、电流应力非常大,很难用于大功率场合。

image.png

图3:传统有桥Boost PFC


(2)交错并联Boost PFC(如图4):由两个相同的Boost PFC变换器并联而成,该拓扑电路可以使得PFC的电感减少。通过控制两个功率电感电流交错180°反相,可降低输入输出的电流纹波,减少EMI滤波器的体积。该拓扑在其他控制和功率走路方向和传统的有桥一样,只是增加了开关器件数量。

image.png

图4:交错并联Boost PFC


(3)无桥Boost PFC(如图5):将有桥PFC的整流桥移除,减少了开关器件的数量。正半周工作,当Q1关断时,功率链路为L1、D1、Rd、Q2、L2;当Q1开通时,功率链路为L1、Q1、Q2、L2。负半周工作,当Q2关断时,功率链路为L2、D2、Rd、Q1、L1;Q2开通时,功率链路为L2、Q2、Q1、L1。与传统的有桥PFC相比,导通路径上的开关器件减少了,这有利于提升系统的效率。对自带反并联二极管的开关器件来说,Q1Q2可以共用一个驱动信号。该拓扑结构控制简单,但是电流采样困难。且输出的直流电压的端点是浮地的,产生的共模干扰会被隔离,所以电路中会有很严重的EMI问题。

image.png

图5:无桥Boost PFC


(4)双无桥Boost PFC(如图6):相较无桥PFC电路,双无桥PFC在EMI方面进行了改善。正半周工作,当Q1关断时,功率链路为L1、D1、Rd、D4;Q1开通时,功率链路为L1、Q1、D4。负半周工作,当Q2关断时,功率链路为L2、D2、Rd、D3;Q2开通时,功率链路为L2、Q2、D3。其控制方式和基本的无桥PFC类似。增加的二极管大大降低了电路的干扰,但是系统成本增加了。

image.png

图6:双无桥Boost PFC


(5)图腾柱Boost PFC(如图7):可以解决无桥PFC的EMI问题。正半周工作,当Q1关断,Q2导通时,功率链路为L、Q2、D2;Q2关断,Q1导通时,功率链路为L、Q1、Rd、D2。负半周工作,当Q1关断,Q2导通时,功率链路为D1、Rd、Q2、L;当Q1导通,Q2关断时,功率链路为D1、Q1、L。该拓朴控制复杂,上管的驱动需要浮地,设计难度大,成本增加,而且Q1Q2存在反向恢复问题,容易增加电路损耗。


image.png

图7:图腾柱Boost PFC

 

2.2 二级回路DC/DC

DC/DC变换器的电路拓扑类型主要有Buck、Boost、Buck-Boost、移相全桥、谐振变换器等电路拓扑,而隔离型DC/DC变换器在功率等级、电气安全等方面更适合OBC的应用需求。常见的隔离性DC/DC变换器拓扑结构主要有移相全桥、双有源桥电路、LLC谐振电路等。


(1)移相全桥电路(如图8):可以实现最低零电压的宽范围电压输出,其超前臂Q1Q3的驱动信号有着180°的相位差,滞后臂Q2Q4的驱动信号分别与Q1Q3滞后一定相位,控制驱动信号之间的相位角不同,可以使得变压器漏感和开关管结电容进行谐振,开关管的软开关得以实现。缺点是由于变压器漏感的存在,副边会出现占空比丢失现象,副边二极管容易出现电压尖峰;另外该拓扑的输出需要的LC滤波器会造成电路体积增大,同时会导致损耗增加。

image.png

图8:移相全桥电路


(2)双有源桥电路(如图9):通过原副边移相来控制能量的流动方向和大小,可以实现零电压开通,经常应用于大功率场合的双向DC/DC变换器,该拓扑电路功率密度高、效率高、能双向传输功率,被广泛应用于电动汽车、航天航空等领域。

image.png

图9:双有桥电路


(3)LLC谐振电路(如图10):可以实现软开关,且可以在较窄的频率范围内实现较大的调压范围。具有良好的切载特性,加上变压器的漏感可以复用为励磁电感,所以磁元件的空间小,可以提高变换器的功率密度,效率高及EMI小。


image.png

图10:LLC谐振电路


三、车载充电机的漏电保护要求

为实现复杂的充放电需求,OBC的电路拓扑愈发复杂。这一方面增加了漏电故障的可能性,一方面也使漏电流波形成分更加复杂。传统的AC/A型漏电流保护器只能检测交流和脉动直流漏电,无法对OBC产生的复杂电流进行全方位保护,比如直流分量。故必须采用B型漏电流保护器来检测车载充电机充电过程中产生的电流。B型保护器不仅能识别到正弦交流信号,还能对脉动直流信号和平滑信号起到保护,是电动汽车、车载充电机、充电桩的最佳安全保护装置。


从QC/T 895-2011《电动汽车用传导式车载电动机》标准引导电路图可知:供电设备内安装的漏电流保护器对整个系统充电起到关键作用,不可轻视。

image.png

图11:车载充电机输入控制导引电路图


MAGTRON采用自主研发的iFluxgate®芯片技术,对于复杂漏电流成分都能够检测,如交流电、直流电,属于B型漏电保护器,相比传统漏电保护器更可靠、更灵敏、更安全,已广泛应用于充电桩、光伏逆变器等多个领域(如图12),是行业内的标杆。

image.png 

图12:MAGTRON产品应用


参考文献:

[1]徐浩. 基于电动汽车新国标的车载充电机研制与优化[D].东华理工大学,2018.

[2]徐晓康. 3.3kW车载充电机设计及其EMI问题的分析[D].南京航空航天大学,2018.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2018.000291.

[3]戴慧纯. 电动汽车车载充电机(OBC)电路与控制设计[D].浙江大学,2020.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2020.000729.

[4]范高. 用于车载充电机的高效高功率密度DC/DC研究[D].浙江大学,2021.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2021.000244.

[5] QC/T 895-2011《电动汽车用传导式车载电动机》.