OBC走向22kW，如何选择设计方案？

2024-08-17

电子爱好者网报道(文章 / 梁浩斌）OBC 也就是说，车载充电机，无论是插电式混合动力还是纯电动车型，只要有慢充接口，就需要有 OBC 进行慢充工作，将交流充电桩输入交流电，转换成动力电池充电所需的DC电。

而 OBC 随着近年来新能源汽车的发展，包括电池组容量的增加，800V 电压力平台等的变化， OBC 面临新的需求。

OBC 面临新的需求

过去的纯电车型 OBC 一般支持功率 3kW 和这是因为交流充电桩大多采用单相充电桩， 220V 输入，市场上主流交流充电桩商品功率 7kW 或以下。肯定还有一部分 380V 可达到三相交流桩的充电功率比亚迪早期的40kW E5、E6、多款车型如电动中巴支持。 40kW 交流充电，不过 40kW 目前交流桩已基本淘汰，大功率公共桩基本采用DC。

另一方面，新能源汽车的电池电量也在增加。例如，从插电式混合动力汽车的角度来看，过去插电式混合动力汽车配备的电池组容量小于 10kWh，纯电续航里程只有几十公里；现在一些插电式混合动力或增程车型的电池容量可以超过纯电续航里程超过50kWh 300 公里。

几年前，纯电动车型也是如此 50kWh 左右电池组，发展到 100kWh 上述水平，以换取 700 续航里程超过公里。

所以如果使用的话 7kW 交流慢充会导致一些大电池电动车充电时间长到不可接受的程度。事实上，市场上的新能源汽车 OBC，普遍功率在 6.6kW、7.2kW 或 3.3kW，在配置家充桩的情况下，只能作为紧急充电，或长时间停止充电。

另外一方面，电动汽车的电池包电压正从 400V 往 800V 发展方向，800V 电池组正在加速中端车型的普及。对于 OBC 换句话说，除了把交流电转换成直流电之外，还要对其进行变压， 400V 电池组充电。变压过程中 DC-DC 用到的 650V 不能直接使用额定电压的功率器件和其他芯片。 800V 结构中，所以 OBC 在 800V 新一轮的升级也需要时代进行。

还有一些车企选择直接抛弃。 OBC，取消交流充电插座，只支持DC充电。考虑到在国内充电环境下，公共桩中DC充电桩的普及率已经很高了。从中国充电联盟的数据来看，截至 2024 年 7 月份，联盟领导小组总共向公共充电桩报告。 320.9 万台，其中DC充电桩 143.1 万台，交流充电桩 177.8 万台。

但是，除了中国大陆和欧洲一些电动汽车普及率较高的国家，全球大部分地区的DC充电桩覆盖率较低，限制了其广泛应用。此外，家用充电桩中的交流桩成本也较低，这也是如此 7kW 交流家充桩和DC家充桩，交流桩价格更便宜，更接近 50%。

这样做是因为DC桩本质上是要做的。 AC/DC 转换器的部分来自 OBC 移动到充电桩端，所以这部分额外的成本也转移到充电桩上。因此，用户在选择家用充电桩时，必然会选择价格较低的交流桩，除非没有交流充电口车型。

因此 OBC 对于新能源汽车来说，仍然是大多数车型所必需的。除充电需求外，外部放电也需要使用。 OBC，举例来说，露营时需要将电动汽车输出到某些电气设备上， OBC 进行反向工作，将电池输出直流电转化为家用电器所用的 220V 交流电。

OBC 第三代半导体是高功率密度、高电压的首选。

前面还提到，随着电动汽车电池电量的增加，传统汽车 7kW 以下的 OBC 已不能满足需求。所以现在已有厂商在开发 11kW 至 22kW 功率的 OBC，纯电动汽车用于大电池。

功率增大，OBC 体积自然也会随之增大，但是在车内土地价格昂贵的空间里，怎样改善？ OBC 功率密度，降低 OBC 体积，也是关键之一。此外还需要支持 11kW 至 22kW 功率同时，还需要支持 800V 上述电池电压，支持双向导出等功能。排热管理、设备成本、电磁兼容等都是实际应用中的大功率。 OBC 需要面对的问题。

特别是在 800V 在电池趋势下，OBC 首先要选择的设备是可以的 800V 在电压条件下安全运行，其次，设备需要有更高的冗余，以保证设备在最高抗压或电流下的运行条件，保证长期使用的可靠性。

在去年 12 月的 IEDM 2023 上面，英飞凌给了他 OBC 领域技术路线图： 2020 年 OBC 功率密度大约是 2kW/L，主要采用硅基功率半导体； 2024 每年都会大规模转变 SiC，功率密度提高到 4kW/L；到 2025 只有在年后，才会推进 GaN 进入 OBC，到那时，功率密度将提高到一定程度 6kW/L 以上。

根据英飞凌的白皮书，支持三相交流电网输入和 800V 电池电压的 OBC 可以采取 1200V SiC MOSFET，带 CLLC DC/DC 三相谐振转换器 PFC。SiC MOSFET 支持使用更高频率的开关，从而帮助设计更加紧凑，重量更轻。创新封装，简化热量管理，有助于提高效率和散热，使设计者在整体设计中更加灵活。与单相设计一样，三相设计也可以应用于并联系统，以支持更高的功率输出，从而有助于缩短充电时间。

安森美也推出了 11kW-22kW 的双向 OBC 方案，同样采用 SiC 器件。安森美的 OBC 变压三相三相方案包括 PFC 和双向 CLLC 使用了全桥转换器 EliteSiC 1200V APM32 功率模块，这个功率模块是针对的。 800 V 优化了电池架构，更适合高电压和功率等级 OBC。APM32 该系列包括用于功率因数校正的系列 ( PFC ) 等级的三相桥模块，例如选择 1200 V 40 m Ω EliteSiC MOSFET 综合温度感应 NVXK2VR40WDT2。

APM32与分立方案相比。模块尺寸较小，散热设计较好，杂散电感较低，内部键合电阻较低，电流能力强，EMC 性能更好，可靠性更高等，从而有助于高性能双向设计。 OBC。

除了 SiC 以外，选用 GaN 器件的 OBC 该方案可以实现更高的功率密度，目前许多厂商也在积极开发相关产品。根据 TI 使用它的数据 GaN 功率器件可以实现超出功率器件 500kHz 的 CLLLC 开关频率和 120kHz 的 PFC 开关频率，同时集成栅极驱动简化了系统级设计，使用 GaN 的 OBC 功率密度可以与使用相比 SiC 的 OBC 更高，系统转换效率更高 96.5%。

写在最后

在充电基础设施尚未全球普及之前，OBC 也将长期存在于新能源汽车中，因此仍将是一个发展空间巨大的市场。而且在这一过程中，OBC 同时也将继续向更高的功率密度发展，支持更高的电压系统。

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