OBC迈向22kW，怎样选择设计方案？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）OBC即车载充电机，无论是插电混动还是纯电车型，只要有慢充的接口，就需要有OBC来进行慢充的工作，将交流充电桩输入的交流电转换成动力电池充电所需的直流电。
 
而OBC跟随新能源汽车近几年的发展，包括电池包容量增大、800V电压平台等的变化，也让OBC面临新的需求。
 
OBC面临的新需求
 
在纯电车型上，过去OBC功率一般支持3kW和7kW，这是因为交流充电桩大多采用单相220V输入，市面上主流交流充电桩产品功率在7kW或以下。当然也有一部分380V三相交流桩的充电功率可以达到40kW，比亚迪早期的E5、E6、电动中巴等多款车型就支持40kW的交流充电，不过40kW的交流桩目前基本上已经淘汰，大功率公共桩基本采用直流。
 
另一方面，新能源汽车的电池容量也越来越大，比如从插电混动车型的角度来看，以往插电混动车型上搭载的电池包容量不到10kWh，纯电续航里程仅为数十公里；如今一些插电混动或增程车型的电池包容量可以超过50kWh，纯电续航里程超过300公里。
 
纯电车型也从几年前50kWh左右的电池包，发展至100kWh以上的水平，以换取700公里以上的续航里程。
 
所以如果使用7kW的交流慢充，在一些大电池的电动汽车上就会导致充电时间长至难以接受的程度。实际上目前市面上新能源车型的OBC，普遍功率在6.6kW、7.2kW或3.3kW，只能作为应急充电使用，或是配备家充桩的条件下长时间停放充电。
 
另一方面，电动汽车的电池包电压正在从400V往800V的方向发展，800V电池包正在加速普及到中端车型上。对于OBC来说，在将交流电转为直流电之外，还需要对其进行升压，才能为400V的电池包进行充电。在升压过程中DC-DC用到的650V额定电压的功率器件和其他芯片，无法直接应用到800V的架构中，所以OBC在800V时代也需要进行新一轮的升级。
 
也有一些车企选择直接抛弃OBC，取消交流充电接口，只支持直流充电。这是考虑到在国内的充电环境下，公共桩中直流充电桩普及率已经相当高。根据中国充电联盟的数据，截至2024年7月，联盟内成员单位总计上报公共充电桩320.9万台，其中直流充电桩143.1万台、交流充电桩177.8万台。
 
然而，除了中国大陆以及欧洲部分电动汽车普及率较高的国家，全球大部分地区的直流充电桩覆盖率都较低，限制了其广泛应用。另外家充桩中交流桩的成本也较低，同样是7kW的交流家充桩和直流家充桩，交流桩的价格要便宜近50%。
 
这是因为直流桩本质上就是将AC/DC转换器的部分从OBC上移到充电桩端，所以这部分额外的成本也同样转移到充电桩上。于是用户在选择家用充电桩时，除非是没有交流充电口的车型，否则必然会选择价格较低的交流桩。
 
因此OBC对新能源汽车来说，依然是大部分车型的标配。除了充电的需求之外，外放电也需要用到OBC，比如露营时需要从电动汽车输出给一些用电设备，就需要OBC进行反向工作，将电池输出的直流电转换成家用电器用到的220V交流电。
 
OBC高功率密度、高电压趋势，第三代半导体是首选
 
前面也提到随着电动汽车的电池容量增大，传统7kW以下的OBC已经无法满足需求。因此目前已经有厂商正在开发11kW至22kW功率的OBC，用于大电池的纯电车型。
 
功率增大，OBC的体积自然也会相应增大，但在汽车上寸土寸金的空间中，如何提高OBC功率密度，降低OBC的体积，也是关键之一。另外还要在支持11kW至22kW的功率同时，还要支持800V以上的电池电压、支持双向输出等功能。在实际应用中，散热管理、器件成本、电磁兼容性等都是大功率OBC需要面临的问题。
 
尤其是在800V电池的趋势下，OBC的器件选择首先需要能够在800V的电压工况下安全运作，其次是器件需要有更高的冗余，保证运行工况在器件的最高耐压或电流之下，保证长期使用的可靠性。
 
在去年12月的IEDM 2023上，英飞凌给出了其OBC领域的技术路线图：在2020年OBC的功率密度约是2kW/L，主要采用硅基功率半导体；到2024年将会大规模转向SiC，功率密度提升至4kW/L；到2025年后，才会推进GaN进入OBC，届时功率密度将会提高至6kW/L以上。
 
在英飞凌的白皮书中提到，支持三相交流电网输入和800V电池电压的OBC可以采用1200V SiC MOSFET，带CLLC DC/DC谐振转换器的三相PFC。SiC MOSFET支持使用更高的开关频率，从而助力于更紧凑、重量更轻的设计。简化热量管理的创新封装，帮助改进效率和散热，使得设计人员进行整体设计时可以更灵活。和单相设计一样，三相设计也可用于并联系统，以支持更高的功率输出，进而帮助缩短充电时间。
 
安森美也推出了11kW-22kW的双向OBC方案，同样采用了SiC器件。安森美的OBC方案中包含升压型三相PFC和双向CLLC全桥转换器，采用了EliteSiC 1200V APM32 功率模块，该功率模块针对800 V 电池架构进行了优化，更适用于高电压和功率级OBC。APM32系列包括用于功率因数校正(PFC)级的三相桥模块，例如采用1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET集成温度感测的NVXK2VR40WDT2。
 
与分立方案相比，APM32模块尺寸更小、散热设计更佳、杂散电感更低、内部键合电阻更低、电流能力更强、EMC性能更好、可靠性更高等，从而有助于设计高性能双向OBC。
 
除了SiC之外，采用GaN器件的OBC方案可以实现更高的功率密度，目前多家厂商也正在积极开发相关产品。根据TI的数据，使用其GaN功率器件可以实现超过500kHz 的 CLLLC 开关频率和 120kHz 的 PFC 开关频率，同时集成栅极驱动器简化了系统级设计，使用GaN的OBC功率密度可以比使用SiC的OBC更高，系统转换效率也高达96.5%。
 
写在最后：
 
在充电基建还未全球普及之前，OBC还将会长期存在于新能源汽车上，因此仍将会是一个拥有巨大发展空间的市场。而在这个过程中，OBC还会继续往更高功率密度、支持更高电压系统的方向发展。