车载充电机全解读 - 电动汽车能源补给的纽带

电动汽车作为新潮炫酷,还兼具节能环保的交通工具,许多人包括ROHM君,都将眼光聚焦在电动汽车的续航能力上,这一点与我们今天的主人公——车载充电机紧密相关。

车载充电机(On Board Charger)是指固定安装在电动汽车上的充电机,其主要功用是为电动汽车的动力电池安全、快速、便捷地充满电。根据对电动汽车的充电方式,充电可分为交流充电和直流充电两大类。交流充电给普通纯电动轿车充满电需要4~5个小时,俗称“慢充”。直流充电具备直接给电池充电的能力,俗称“快充”。本文将重点介绍一下车载充电机。

内容概要:

介绍车载充电机概览

1) 介绍车载充电机的基本原理
2) 介绍车载充电机的内部结构和主要电路
3) 介绍车载充电机未来发展

纯电动汽车或者插电式混合动力汽车的车载充电机是一种直流充电装置,其电压是跟原车搭配的电池相同,依据电池管理系统的管控命令,动态调节充电电流与电压参数,完成电动汽车充电过程的核心部件。车载充电机作为一个电力电子系统,主要由功率电路和控制电路组成。功率电路是由交流整压、变压器和功率管组成的,DC/DC变换器是其重要组成部分。控制电路实现与电源管理的串行通信,并根据需求来控制功率驱动电路输出一定的电压和电流。通常对于整车厂来说,车载充电机的要求是低成本、尺寸小、重量轻、寿命长,同时具备高可靠性和高安全性,目前主流的车载充电机功率一般是3.3kw和6.6kw。

车载充电机

图示1-车载充电机

车载充电机的主要参数有输入电压范围、输出电压范围、充电功率和变换效率。另一种区分方式是单向和双向,前者仅作为单向的电网对电动汽车充电;后者也可以通过电动汽车给外部接口放电,作为应急或者V2G电网功率调节使用。作为一种汽车电子部件,要保证在整个汽车生命周期内可靠稳定运行,其要求是不低的,需要满足-40°~85°的工作温度、IP67的防水能力、承受长时间的震动颠簸、户外的日晒雨淋、满足长达5年10万公里的可靠性要求。

车载充电机的两种基本类型

图示2-车载充电机的两种基本类型

表1-典型的车载充电机规格表

第一部分:车载充电机基本原理

如前所述,车载充电机如下图所示,一般有以下的接口:

1) AC输入端:连接从交流充电插座进来的连接器
2) DC输出端:车载充电机输出到电池的部分
3) 低压控制接口:车载充电机与BMS和外部连接的低压接口
4) 液冷输入和输出流道接口:冷却液流入和流出充电机的部分

车载充电机连接概览

图示3-车载充电机连接概览

从充电电源模块而言,分为整流、PFC、DC/DC变压几个部分,有1~2独立的控制器整流和变压部分,如下图所示。

图示4-车载充电机分解图

以下蓝色的部分为罗姆可以提供的一些器件。从另一角度划分,我们也可以把车载充电机划分为主回路电源部分和充电控制主板。其中充电控制主板主要是对电源部分进行控制、监测、计量、计算、修正、保护以及与外界网络通信等功能,是车载充电机的“中枢大脑”,电源部分主要作用是将220伏交流电转化为300多伏的直流电,电源部分又分为PFC和LLC两部分,实际上我们可以把PFC看作是AC/DC,而把LLC看作是DC/DC。

充电机系统的核心部件概览

图示5-充电机系统的核心部件概览

第二部分:车载充电机的电路细节

如前图4是车载充电机的分解图,下图6是车载充电机是车载充电机的结构框图。第一部分是输入滤波器(EMI滤波器),对于车载充电机而言是非常重要抑制EMC的手段。

车载充电机细节结构

图示-6车载充电机细节结构

下面谈一下PFC电路:从交流变换到直流,交流的电压和电流之间有一个夹角,夹角容性会导致电网电波,这会影响中间的效率,因为中间有一个夹角,这个夹角是CSIN值。PFC是分压电路,现在为了将整个系统效率提高,往往采用无桥的PFC这种新的结构来直接工作。无桥的PFC效率可以明显增高,但会引起共模和噪音,因此在实际设计上需要对散热和PFC板进行改进。

PFC电路

图示7-PFC电路

在MOSFET中,罗姆以高速SW为特征的R60xxKNx系列建议专门用于低损耗、高效率电源电路上,在产品中内置二极管的节能元器件。分为三种系列:

* 低噪声型R60xxENx系列
* 高效率型 R60xxKNx系列
* 快速恢复体二极管型 R60xxMNx系列

罗姆的MOSFET的效果

图示8-罗姆的MOSFET的效果

移相控制的全桥PWM变换器是最常用的中大功率DC/DC变换电路拓扑形式之一。移相PWM控制方式利用开关管的结电容和高频变压器的漏电感或原边串联电感作为谐振元器件,使开关管能进行零电压开通和关断,从而有效地降低了电路的开关损耗和开关噪声,减少了器件开关过程中产生的电磁干扰,为变换器提高开关频率、提高效率、减小尺寸及减轻质量提供了良好的条件。在DC/DC部分为了提高效率通常用LLC谐振实现ZVS和ZCS,最终达到高效。 LLC的拓扑必须要求开关频率高,才能体现他的优势,通常采用cool-MOS或者用SIC的MOSFET,但这些MOS功率很难做很大。

整流桥+PFC+移相全桥---车型代表:日产聆风LEAF,90%

整流桥+PFC+LLC---代表:特斯拉,93%优点:隔离安全性较高。LLC相比移相全桥的效率更高,电磁兼容性更好;缺点:元器件较多,控制算法复杂

变压器在使用中也是起着决定性作用的,平板变压器由PCB预置线在电路板上结合而成,不会有很多冗余的线,另外现在工艺的手段都在向平板设计发展。

充电机内的DC/DC电路

图示9-充电机内的DC/DC电路

第三部分:车载充电机未来发展

车载充电机的发展方向是小型化和轻量化,如下图所示kW/L和kW/kg都在快速增加。整个功率等级也开始从3.3kW往6.6kW的主流转变。

车载充电机小型化轻量化发展

图示10-车载充电机小型化轻量化发展

未来在单相往三相的发展过程中,11kW和21kW的低价化也是一个核心的趋势。

今日小结

发展新能源汽车是解决环境污染和能源危机,推动我国汽车产业转型升级,实现我国汽车产业由大到强、跨越式发展的关键。车载充电机的技术发展,为新能源汽车实用化和大众化提供了强有力的支撑。

经过今天由里到外对车载充电机的解读,大家一定明白了其工作原理及发展方向,那么我们将如何实现发展呢?提出问题,但没准备解决办法不是好青年,在下期我们将上场SiC器件,有了它的助力,车载充电机将带给大家怎样的惊喜呢?敬请关注吧。

厂商信息:罗姆半导体

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