隨著車載充電器(OBC)因其成本效益和便捷安裝而日益普及，一系列技術(shù)挑戰(zhàn)逐漸浮現(xiàn)。這些挑戰(zhàn)包括提升效率與功率密度，以克服空間約束并縮短充電時(shí)長，同時(shí)應(yīng)對(duì)雙向功率流需求的增長，使電動(dòng)汽車能夠向電網(wǎng)回饋電能。這些發(fā)展動(dòng)態(tài)凸顯了創(chuàng)新OBC解決方案的緊迫性。本文旨在深入剖析EV車載充電器技術(shù)的當(dāng)前狀況、所面臨的難題以及未來展望，通過全面審視OBC的架構(gòu)、構(gòu)成元件、核心技術(shù)及新興發(fā)展動(dòng)向，為未來的研究與發(fā)展提供指引?？朔@些難題對(duì)于提升OBC在更廣泛的電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)中的效能、穩(wěn)健性以及整合程度顯得尤為重要。

電動(dòng)汽車的分類：

電動(dòng)汽車主要可分為電池電動(dòng)汽車(BEVs)、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEVs)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEVs)和燃料電池電動(dòng)汽車(FCEVs)。本文將重點(diǎn)關(guān)注BEVs的研究。

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的局限性：

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車面臨溫室氣體排放、空氣污染等重大問題，其燃料能量轉(zhuǎn)化為有效工作的效率較低，導(dǎo)致燃料消耗和運(yùn)營成本上升。此外，機(jī)械復(fù)雜性高、維護(hù)需求和成本高，以及對(duì)化石燃料的依賴也帶來了經(jīng)濟(jì)和能源安全方面的隱患。

電動(dòng)汽車的益處：

電動(dòng)汽車具有零尾氣排放、減少空氣污染和溫室氣體排放的優(yōu)勢(shì)。其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率更高，使得運(yùn)營成本降低。同時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)更簡潔，維護(hù)需求減少，可靠性提高。此外，使用可再生能源可以進(jìn)一步減少對(duì)環(huán)境的影響。

22kW OBC單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常包括一個(gè)功率因數(shù)校正(PFC)電路和一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器。PFC電路用于提高輸入電流的功率因數(shù)，降低諧波失真，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染。DC/DC轉(zhuǎn)換器則負(fù)責(zé)將經(jīng)過PFC電路處理后的直流電進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為適合動(dòng)力電池充電的直流電。

在單級(jí)拓?fù)渲校珹C/DC轉(zhuǎn)換只通過一個(gè)功率級(jí)完成，因此被稱為“單級(jí)”。這種結(jié)構(gòu)通常具有較高的效率，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)功率級(jí)在轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生損耗。但是，單級(jí)拓?fù)湟部赡苊媾R一些挑戰(zhàn)，例如需要處理更高的開關(guān)頻率和更復(fù)雜的控制策略，以及應(yīng)對(duì)寬輸入電壓范圍和寬負(fù)載電流范圍的需求。

22kW OBC單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電動(dòng)汽車充電中的一種新選擇。它具有高效率、高功率密度和較小的體積等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足中等功率的充電場(chǎng)景需求。同時(shí)，單級(jí)拓?fù)溥€可以降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

不同廠家和型號(hào)的22kW OBC可能采用不同的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式。因此，在具體選擇和使用時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行評(píng)估和選擇。同時(shí)，也需要注意OBC的參數(shù)和性能，如輸出電壓范圍、最大輸出電流等，因不同的產(chǎn)品而有所差異。

在OBC領(lǐng)域，近年隨著新的電路拓?fù)洌约暗谌雽?dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用，OBC的功率密度也得到了顯著提升，體積和重量都相比以往更低，這對(duì)于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)而言，可以更好地處理OBC這樣的部件的位置布局，降低對(duì)整車重量的影響。

OBC的單級(jí)拓?fù)溱厔?shì)

在電動(dòng)汽車上，OBC一般承擔(dān)AC-DC和DC-DC的功能，即整流和升降壓，將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再將電壓升壓至電池包充電所需的電壓。過去主流的OBC是采用PFC+DC-DC兩級(jí)式拓?fù)湓O(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰?jīng)過兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)換，效率受到限制;其次是在電路上設(shè)計(jì)復(fù)雜，元器件數(shù)量多，導(dǎo)致體積和重量較高，同時(shí)物料成本也難以壓縮。

在今年1月，陽光電動(dòng)力推出的一款OBC就采用了單級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)，僅需一次隔離變換，就能實(shí)現(xiàn)交流與直流雙向功率控制，有效精簡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了提高效率，方案中還使用了GaN功率器件，在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)提高系統(tǒng)功率密度。

最終該OBC額定輸出功率6.6kW，DC-DC額定輸出3kW，全電壓充電效率為96.2%，峰值效率超過98%。相比傳統(tǒng)方案，OBC整機(jī)重量可減輕25%以上，功率密度提升65%，達(dá)6.1kW/L，使其更容易與車輛電氣系統(tǒng)集成，便于整車輕量化設(shè)計(jì)。

據(jù)陽光電動(dòng)力介紹，該OBC方案中融合了AI算法，基于諧振變換電路，進(jìn)行精確數(shù)學(xué)建模，獲得多目標(biāo)多自由度更優(yōu)控制策略，功率器件在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，損耗降低，系統(tǒng)效率顯著提升。內(nèi)部功率器件采用頂部散熱，降低熱阻;功率回路面積大幅縮小，提高系統(tǒng)集成度。

另外，通過電路設(shè)計(jì)和更先進(jìn)的控制策略，OBC能夠去除易受溫度、電壓波動(dòng)等因素影響的母線電解電容，消除器件壽命短板，整體使用壽命得到了顯著提升。

而特斯拉Cybertruck上的OBC同樣采用了單級(jí)拓?fù)洌辉俜譃镻FC和DC-DC兩級(jí)，不需要兩套功率橋和控制系統(tǒng)，而是采用四相CLLC/DAB單級(jí)架構(gòu)，直接完成AC到48V轉(zhuǎn)換。

CLLC諧振變換器和DAB移相控制結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的零電壓開關(guān)(ZVS)和 零電流開關(guān)(ZCS)，大幅減少開關(guān)損耗，典型效率>97%，提高轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，四相交錯(cuò)并聯(lián)設(shè)計(jì)將功率分散到四個(gè)子模塊，降低單個(gè)模塊的熱應(yīng)力，降低散熱壓力。

同時(shí)在功率密度方面，CLLC可以采用第三代半導(dǎo)體等半導(dǎo)體器件，支持MHz級(jí)的開關(guān)頻率，能夠有效減小變壓器和電感體積。加上四相交錯(cuò)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化輸出電流紋波，減少濾波電容和電感的需求，進(jìn)一步壓縮OBC的整體空間。

1. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單：單級(jí)OBC的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，制造過程中使用的電子元件數(shù)量較少，電路布線也相對(duì)簡單，降低了電路成本。

2. 高功率密度：由于其緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單級(jí)OBC在相同的體積內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，非常適合對(duì)空間要求苛刻的電動(dòng)汽車內(nèi)部環(huán)境。

3. 成本優(yōu)勢(shì)：簡單的電路結(jié)構(gòu)意味著在生產(chǎn)過程中，單級(jí)OBC的調(diào)試成本和時(shí)間得以降低，從而降低了整體制造成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

4. 控制簡單：單級(jí)OBC的控制策略相對(duì)簡潔，只需對(duì)AC/DC變換環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四、單級(jí)OBC的應(yīng)用場(chǎng)景與實(shí)際案例

單級(jí)OBC在新能源汽車領(lǐng)域有著特定的應(yīng)用場(chǎng)景。尤其在一些對(duì)成本控制較為嚴(yán)格的入門級(jí)電動(dòng)汽車以及部分插電式混合動(dòng)力汽車中，單級(jí)OBC的應(yīng)用較為普遍。

以某款入門級(jí)純電動(dòng)汽車為例，搭載的單級(jí)OBC功率為3.3kW。這款OBC在滿足日常充電需求的同時(shí)，降低了車輛的制造成本，使得車輛更具價(jià)格競爭力。而在某款插電式混合動(dòng)力汽車中，單級(jí)OBC同樣發(fā)揮出色，其簡潔的結(jié)構(gòu)和成本優(yōu)勢(shì)符合車輛的需求。

五、單級(jí)OBC的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，單級(jí)OBC在功率因數(shù)、輸入電流波形優(yōu)化、功率范圍拓展等方面取得了顯著進(jìn)展。然而，面臨的挑戰(zhàn)也不容忽視，如高功率下的散熱問題、電磁兼容性等。

展望未來，單級(jí)OBC有望在技術(shù)創(chuàng)新和性能提升方面取得更大突破。隨著新能源汽車市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)張，單級(jí)OBC的應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步拓展。

總的來說，單級(jí)OBC作為新能源汽車充電領(lǐng)域的重要一員，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力在未來的發(fā)展中備受關(guān)注。面對(duì)挑戰(zhàn)和機(jī)遇，行業(yè)需要不斷創(chuàng)新和突破，推動(dòng)單級(jí)OBC的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用拓展，為新能源汽車的普及和發(fā)展貢獻(xiàn)更大的力量。