安森美车载充电器系统解决方案

车载充电器 (OBC) 用于为纯电动汽车 (BEV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 的高压电池组充电。它直接集成在车辆的设计中，可将电网中的交流电转换为适合车辆电池组的直流电。这项技术让电动汽车车主可在家中或公共充电站方便地为车辆充电。为了帮助工程师更好地应对OBC设计挑战，安森美（onsemi）推出了OBC系统解决方案指南。本文为第一篇，将聚焦系统用途、系统实施方法、系统说明、市场趋势和标准展开讲述。  

系统用途

日益严格的二氧化碳排放标准加速了电动汽车的发展，而 OBC 的发展程度和普及规模也在不断提升。鉴于全球范围内 3 级快速直流充电站数量不足的充电现状，OBC 在短期内不会退出历史舞台。

当车辆停靠并连接到适配的 1 级或 2 级充电站，或使用经认证的充电电缆连接到壁式插座时，OBC 装置可从交流电网为车辆充电。主流款式是“2 级 OBC”，充电功率范围为 7KW - 22KW。

PHEV 和 BEV 是轻度混合动力汽车 (MHEV) 的升级版。这些车辆需要高压电池系统以及包括 OBC 在内的辅助运行模块。PHEV 可减少车辆的平均二氧化碳排放量，BEV 则不排放二氧化碳。除了 BEV 在里程方面让消费者有点担忧外，这些类型的车辆可以满足他们对车辆性能的期待。全球都在努力攻克这些难题。

系统实施

插电式混合动力汽车 (PHEV)

OBC 的成本较低是因为功率等级和电池容量较低。

单相交流电：额定功率为 3.3kW、6.6kW 或 7.2kW。

注意，许多国家/地区对每相的最大功率限制为 3.7kW 至 4.2kW。

在功率等级较低 (1.4kW – 1.8kW) 的情况下，几乎可以在任何地方进行插电式充电。

提高功率等级可加快充电速度。根据具体应用场景相应减少排放。

纯电动汽车 (BEV)

OBC 成本较高是因为功率等级较高且更为复杂。

单相交流电：额定功率为 6.6kW 或 7.2kW。

3 相交流电：11kW 至 22kW，适用于更高端的 BEV。拥有更高的功率等级，可缩短充电时间。

在某些国家/地区，可能需要升级公用设施以实现更高的功率等级。

注意，许多国家/地区对每相的最大功率限制为 3.7kW 至 4.2kW。

在功率等级较低 (1.4kW – 1.8kW) 的情况下，几乎可以在任何地方进行插电式充电，但不常用。

直流快速充电旁路选项。

无排放。

系统说明

PHEV 和 BEV 包含一个用于为高压电池组充电的模块，被称为车载充电器 (OBC)。OBC 的主要功能是将输入电网交流电压转换为输出直流电压，为电池组的充电提供合适的输出电流和电压水平。对于低功率 OBC，交流输入通常为单相；对于高功率 OBC，交流输入通常为 3 相。此外，它还必须在执行充电功能的同时进行功率因数校正 (PFC)，以调整电压和电流相位，从而最大限度地减少对交流电网的影响。FCEV 可采用低功率 OBC 为电池充电，但这并非标配。

在 OBC 的设计阶段，必须考虑以 kW（峰值功率和连续功率）为单位的目标功率等级、输入电压范围、交流相数和整体效率。

对于所有功率级（PFC、一级和二级 DCDC），必须从效率和总成本的角度出发设计正确的拓扑结构。此外，对于各个功率级，必须选择模拟控制器 IC 或具有适当开关频率的数字控制解决方案。

由于大多数电动汽车可使用直流快速充电器充电，因此 OBC 提供了旁路功能，可直接为直流电池充电，无需进行交流/直流转换。

顾名思义，这些“车载”充电器模块安装在车辆上，可采用空气或液体冷却来对其进行热管理，具体取决于功率等级。根据结构的不同，OBC 输出可能需要在低于 250VDC 的电压下运行，而在为车辆主电池组充电时，则需要在高达 850VDC 的电压下运行。

空间限制与功率密度目标和电路板级的必要隔离有关。这种隔离适用于通信、反馈信号和栅极驱动器。

市场趋势

目前OBC的设计趋势是向更高的功率等级和电压方向演进。如今的 OBC 设计支持各种电压和功率等级，但随着新能源动力总成的发展，这些设计也在不断演变。  在支持 11kW 至 22kW 功率的同时，还需支持高达 800V 的更高电池电压。

onsemi 作为大功率汽车应用领域成熟的电源模块供应商，凭借其 1200V 碳化硅 MOSFET 和 APM，已做好准备转向 800V 电池系统领域。通过采用汽车功率模块 (APM) 技术实现最高功率密度，10 多年来持续为等级 1 (Tier 1)和 OEM 客户供应模块产品。

电气化浪潮正席卷到公共汽车、货车、重型车辆、农用车辆和船舶领域。这些新兴市场推动了 OBC 迈向更高的功率等级，通常超过 22kW。APM32 碳化硅模块可提供高效的解决方案。

onsemi 的栅极驱动器与其功率级解决方案完美适配，在米勒平台展现出了极高的抗噪能力和效率。隔离栅极驱动器产品组合不断发展，为大功率碳化硅 MOSFET 提供了更多选择，后续可覆盖硅 MOSFET 和 IGBT 领域。

虽然许多 OBC 的功能都是单向的（电网到车辆），但双向功能正逐渐进行推广，从而使 BEV 既能实现从电网到车辆的充电，也能实现从车辆到电网的充电。各个功率级的拓扑结构须进行调整，以实现双向功能。这对于电池能量容量远高于 PHEV 的 BEV 来说非常重要。

OBC 的重要性可体现在现有的充电基础设施中。纯电动汽车的充电器有三种类别或“等级”。

3 级直流充电器充电速度非常快，但价格昂贵。其为高速公路和重型商业设施内的理想充电选择。与 2 级充电器相比，其安装数量要少得多。

2 级充电器充当高功率交流电源与电动汽车 OBC 之间的接口。这对于轻型商业和小型企业安装来说是非常划算的解决方案。其容量扩展迅速，具体取决于车载 OBC。

1 级充电器只能作为 15A-20A 插座与电动汽车 OBC 之间的一个插头接口。可在家中或任意插座上充电，但充电速度慢得出奇。

系统说明 - 标准

符合 ISO26262 这一国际功能安全标准对于开发道路车辆的电气和电子系统至关重要。其主要目标是最大限度地降低车辆系统故障造成的危险，并应对软件故障、传感器错误和硬件故障等潜在危险。它提供了一种车辆专用方案，可确定风险等级（即 ASIL），这些等级会根据客户和全球各地区的不同而有所变化。（ASIL QM、A、B、C、D）要求可高达 ASIL-D。该标准还规定了将事故风险降至最低并确保车辆零部件发挥预期功能的准则。

onsemi 长期以来都是车载产品领域的领先供应商，深知在降低成本方面所面临的挑战以及客户对性能和安全性日益严苛的要求。onsemi具备的 ISO 26262 专业知识以及对标准的落实可在不影响安全性的同时为客户提供高性价比解决方案。

通过确定集成电路和其他汽车组件的安全要求，有助于公司制定最佳架构和解决方案。其重点关注重要的故障模式及其预防措施。

自 ISO 26262 发布后，onsemi 已开发并推出 ASIC 和标准产品，其安全要求从 ASIL A 到 ASIL D 不等。

onsemi 是 ISO 26262 工作组和半导体分组成员。

onsemi 的所有汽车设计中心都接受过功能安全 (FuSa) 和 ISO 26262 方面的培训。onsemi 已将 ISO 26262 的要求纳入其质量管理体系，并在公司内部设立了专门的机构来管理功能安全性。