OBC邁向22kW，怎樣選擇設(shè)計方案？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）OBC即車載充電機，無論是插電混動還是純電車型，只要有慢充的接口，就需要有OBC來進行慢充的工作，將交流充電樁輸入的交流電轉(zhuǎn)換成動力電池充電所需的直流電。

而OBC跟隨新能源汽車近幾年的發(fā)展，包括電池包容量增大、800V電壓平臺等的變化，也讓OBC面臨新的需求。

OBC面臨的新需求

在純電車型上，過去OBC功率一般支持3kW和7kW，這是因為交流充電樁大多采用單相220V輸入，市面上主流交流充電樁產(chǎn)品功率在7kW或以下。當(dāng)然也有一部分380V三相交流樁的充電功率可以達到40kW，比亞迪早期的E5、E6、電動中巴等多款車型就支持40kW的交流充電，不過40kW的交流樁目前基本上已經(jīng)淘汰，大功率公共樁基本采用直流。

另一方面，新能源汽車的電池容量也越來越大，比如從插電混動車型的角度來看，以往插電混動車型上搭載的電池包容量不到10kWh，純電續(xù)航里程僅為數(shù)十公里；如今一些插電混動或增程車型的電池包容量可以超過50kWh，純電續(xù)航里程超過300公里。

純電車型也從幾年前50kWh左右的電池包，發(fā)展至100kWh以上的水平，以換取700公里以上的續(xù)航里程。

所以如果使用7kW的交流慢充，在一些大電池的電動汽車上就會導(dǎo)致充電時間長至難以接受的程度。實際上目前市面上新能源車型的OBC，普遍功率在6.6kW、7.2kW或3.3kW，只能作為應(yīng)急充電使用，或是配備家充樁的條件下長時間停放充電。

另一方面，電動汽車的電池包電壓正在從400V往800V的方向發(fā)展，800V電池包正在加速普及到中端車型上。對于OBC來說，在將交流電轉(zhuǎn)為直流電之外，還需要對其進行升壓，才能為400V的電池包進行充電。在升壓過程中DC-DC用到的650V額定電壓的功率器件和其他芯片，無法直接應(yīng)用到800V的架構(gòu)中，所以O(shè)BC在800V時代也需要進行新一輪的升級。

也有一些車企選擇直接拋棄OBC，取消交流充電接口，只支持直流充電。這是考慮到在國內(nèi)的充電環(huán)境下，公共樁中直流充電樁普及率已經(jīng)相當(dāng)高。根據(jù)中國充電聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，截至2024年7月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計上報公共充電樁320.9萬臺，其中直流充電樁143.1萬臺、交流充電樁177.8萬臺。

然而，除了中國大陸以及歐洲部分電動汽車普及率較高的國家，全球大部分地區(qū)的直流充電樁覆蓋率都較低，限制了其廣泛應(yīng)用。另外家充樁中交流樁的成本也較低，同樣是7kW的交流家充樁和直流家充樁，交流樁的價格要便宜近50%。

這是因為直流樁本質(zhì)上就是將AC/DC轉(zhuǎn)換器的部分從OBC上移到充電樁端，所以這部分額外的成本也同樣轉(zhuǎn)移到充電樁上。于是用戶在選擇家用充電樁時，除非是沒有交流充電口的車型，否則必然會選擇價格較低的交流樁。

因此OBC對新能源汽車來說，依然是大部分車型的標(biāo)配。除了充電的需求之外，外放電也需要用到OBC，比如露營時需要從電動汽車輸出給一些用電設(shè)備，就需要OBC進行反向工作，將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成家用電器用到的220V交流電。

OBC高功率密度、高電壓趨勢，第三代半導(dǎo)體是首選

前面也提到隨著電動汽車的電池容量增大，傳統(tǒng)7kW以下的OBC已經(jīng)無法滿足需求。因此目前已經(jīng)有廠商正在開發(fā)11kW至22kW功率的OBC，用于大電池的純電車型。

功率增大，OBC的體積自然也會相應(yīng)增大，但在汽車上寸土寸金的空間中，如何提高OBC功率密度，降低OBC的體積，也是關(guān)鍵之一。另外還要在支持11kW至22kW的功率同時，還要支持800V以上的電池電壓、支持雙向輸出等功能。在實際應(yīng)用中，散熱管理、器件成本、電磁兼容性等都是大功率OBC需要面臨的問題。

尤其是在800V電池的趨勢下，OBC的器件選擇首先需要能夠在800V的電壓工況下安全運作，其次是器件需要有更高的冗余，保證運行工況在器件的最高耐壓或電流之下，保證長期使用的可靠性。

在去年12月的IEDM 2023上，英飛凌給出了其OBC領(lǐng)域的技術(shù)路線圖：在2020年OBC的功率密度約是2kW/L，主要采用硅基功率半導(dǎo)體；到2024年將會大規(guī)模轉(zhuǎn)向SiC，功率密度提升至4kW/L；到2025年后，才會推進GaN進入OBC，屆時功率密度將會提高至6kW/L以上。

在英飛凌的白皮書中提到，支持三相交流電網(wǎng)輸入和800V電池電壓的OBC可以采用1200V SiC MOSFET，帶CLLC DC/DC諧振轉(zhuǎn)換器的三相PFC。SiC MOSFET支持使用更高的開關(guān)頻率，從而助力于更緊湊、重量更輕的設(shè)計。簡化熱量管理的創(chuàng)新封裝，幫助改進效率和散熱，使得設(shè)計人員進行整體設(shè)計時可以更靈活。和單相設(shè)計一樣，三相設(shè)計也可用于并聯(lián)系統(tǒng)，以支持更高的功率輸出，進而幫助縮短充電時間。

安森美也推出了11kW-22kW的雙向OBC方案，同樣采用了SiC器件。安森美的OBC方案中包含升壓型三相PFC和雙向CLLC全橋轉(zhuǎn)換器，采用了EliteSiC 1200V APM32 功率模塊，該功率模塊針對800 V 電池架構(gòu)進行了優(yōu)化，更適用于高電壓和功率級OBC。APM32系列包括用于功率因數(shù)校正(PFC)級的三相橋模塊，例如采用1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET集成溫度感測的NVXK2VR40WDT2。

與分立方案相比，APM32模塊尺寸更小、散熱設(shè)計更佳、雜散電感更低、內(nèi)部鍵合電阻更低、電流能力更強、EMC性能更好、可靠性更高等，從而有助于設(shè)計高性能雙向OBC。

除了SiC之外，采用GaN器件的OBC方案可以實現(xiàn)更高的功率密度，目前多家廠商也正在積極開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。根據(jù)TI的數(shù)據(jù)，使用其GaN功率器件可以實現(xiàn)超過500kHz 的 CLLLC 開關(guān)頻率和 120kHz 的 PFC 開關(guān)頻率，同時集成柵極驅(qū)動器簡化了系統(tǒng)級設(shè)計，使用GaN的OBC功率密度可以比使用SiC的OBC更高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率也高達96.5%。

寫在最后：

在充電基建還未全球普及之前，OBC還將會長期存在于新能源汽車上，因此仍將會是一個擁有巨大發(fā)展空間的市場。而在這個過程中，OBC還會繼續(xù)往更高功率密度、支持更高電壓系統(tǒng)的方向發(fā)展。