浅谈电动汽车车载充电机（OBC）拓扑结构及漏电需求

一、车载充电机（OBC）发展趋势

我国新能源电动汽车高速发展，截止2022年我国新能源电动汽车全年销量688.7万辆，同比增长93.4%，市场占有率达到26%。据中汽协预测，2023年我国新能源电动汽车总销量将超过900万辆，同比增长35%，渗透率达到32.6%。电动汽车的持续高涨，带动车载充电机（On Board Charger）装机量快速提升，基本每辆电动汽车都需要配备一台车载充电机（OBC）。2022年，车载充电机（OBC）装机量高达512.87万套，同比增长77.6%。预计2023年市场规模将达300亿元，潜力巨大。在使用交流充电桩充电时需要电动汽车搭载车载充电机(如图1)，通常OBC安装在电动汽车内，是电动汽车实现内部能量转换的核心部件，具有为电动汽车动力电池安全、自动充满电的能力,并会根据电池管理系统（BMS）提供的数据，自动调节充电电流电压参数，从而做出相应的指令，完成充电过程。

图1：电动汽车充电方式

综合本身产品的空间限制和安全性等要求，车载充电机（OBC）需要在功率密度、充电效率、重量、体积、输出电压电流以及安全可靠性等方面严格要求。为满足用户和车厂的需求，车载充电机（OBC）经历了诸多挑战。比如①如何实现车载充电机（OBC）的高功率密度？这就需要选取高频高效的电路拓扑，优化设计电路结构。②如何实现电能双向流动以利用BMS给某些交流设备供电？这就要求OBC具有双向拓扑结构。③如何在较高的功率指标下减少体积？这就要求OBC向智能化、高集成化方向迈进。

为了实现电动汽车快速双向充电，充电桩、电池和OBC都进行了技术改进。充电桩向着大功率、高电压、双向、宽范围等特点快速发展；电池朝着高电压（400V→800V）、大功率等需求升级；同时车载充电机在大功率、新功能、多合一及新材料等方面也取得了很大的进步，正在朝着双向充放电、智能化、集成化等方向发展。目前车载充电机（OBC）主要有以下几种方式，如表1：

类型	简要说明	产品
单向OBC	只给动力电池充电	3.3kW、6.6kW、11kW、22kW……
双向OBC	既能实现给动力电池充电，又能实现逆变功能	3.3kW、6.6kW、11kW……
集成OBC	二合一(OBC+DC-DC)/三合一（OBC+DCDC+PDU）	6.5kW+2.5kW、11kW+31kW……

从功率上来看，目前3.3kW和6.6 kW产品是主流。在输出电压上，弗迪动力、威迈斯等公司的OBC产品已经逐步配套800V整车了。另外随着企业的竞争越演越烈，国内已经在OBC上导入SiC功率器件，比如威迈斯、英搏尔、欣锐科技等公司均发布了基于碳化硅的OBC产品方案。

二、车载充电机(OBC) 电路结构

车载充电机（OBC）一般采用两级架构（如图2），前级PFC主要负责功率因数校正，一般输出400V直流电。后级DC/DC电路从PFC母线取电，实现隔离和调压功能。由于DC/DC所接负载为电池，一般输出200-500V的高压直流电，故后级必须采用高效率宽范围的隔离DC/DC拓扑结构。

图2：两级OBC拓扑结构

2.1 一级PFC电路

PFC电路中较为常见的拓扑是Boost升压拓扑，分为传统有桥Boost PFC、交错并联Boost PFC、无桥Boost PFC、双无桥Boost PFC、图腾柱Boost PFC等。

（1）传统有桥Boost PFC（如图3）：当Q1导通时，正半周期导通路径为D1、L1、Q1、D4，负半周期导通路径为D2、L1、Q1、D3；当Q1关断时，正半周期导通路径为D1、L1、D5、Rd、D4，负半周期导通路径为D2、L1、D5、Rd、D3。在每个状态下，导通开关器件的数量均为3个，其优势在于电路拓扑好控制都很简单，但是仅存在一个Q1开关器件，其电压、电流应力非常大，很难用于大功率场合。

图3：传统有桥Boost PFC

（2）交错并联Boost PFC（如图4）：由两个相同的Boost PFC变换器并联而成，该拓扑电路可以使得PFC的电感减少。通过控制两个功率电感电流交错180°反相，可降低输入输出的电流纹波，减少EMI滤波器的体积。该拓扑在其他控制和功率走路方向和传统的有桥一样，只是增加了开关器件数量。

图4：交错并联Boost PFC

（3）无桥Boost PFC（如图5）：将有桥PFC的整流桥移除，减少了开关器件的数量。正半周工作，当Q1关断时，功率链路为L1、D1、Rd、Q2、L2；当Q1开通时，功率链路为L1、Q1、Q2、L2。负半周工作，当Q2关断时，功率链路为L2、D2、Rd、Q1、L1；Q2开通时，功率链路为L2、Q2、Q1、L1。与传统的有桥PFC相比，导通路径上的开关器件减少了，这有利于提升系统的效率。对自带反并联二极管的开关器件来说，Q1Q2可以共用一个驱动信号。该拓扑结构控制简单，但是电流采样困难。且输出的直流电压的端点是浮地的，产生的共模干扰会被隔离，所以电路中会有很严重的EMI问题。

图5：无桥Boost PFC

（4）双无桥Boost PFC（如图6）：相较无桥PFC电路，双无桥PFC在EMI方面进行了改善。正半周工作，当Q1关断时，功率链路为L1、D1、Rd、D4；Q1开通时，功率链路为L1、Q1、D4。负半周工作，当Q2关断时，功率链路为L2、D2、Rd、D3；Q2开通时，功率链路为L2、Q2、D3。其控制方式和基本的无桥PFC类似。增加的二极管大大降低了电路的干扰，但是系统成本增加了。

图6：双无桥Boost PFC

（5）图腾柱Boost PFC（如图7）：可以解决无桥PFC的EMI问题。正半周工作，当Q1关断，Q2导通时，功率链路为L、Q2、D2；Q2关断，Q1导通时，功率链路为L、Q1、Rd、D2。负半周工作，当Q1关断，Q2导通时，功率链路为D1、Rd、Q2、L；当Q1导通，Q2关断时，功率链路为D1、Q1、L。该拓朴控制复杂，上管的驱动需要浮地，设计难度大，成本增加，而且Q1Q2存在反向恢复问题，容易增加电路损耗。

图7：图腾柱Boost PFC

2.2 二级回路DC/DC

DC/DC变换器的电路拓扑类型主要有Buck、Boost、Buck-Boost、移相全桥、谐振变换器等电路拓扑，而隔离型DC/DC变换器在功率等级、电气安全等方面更适合OBC的应用需求。常见的隔离性DC/DC变换器拓扑结构主要有移相全桥、双有源桥电路、LLC谐振电路等。

(1)移相全桥电路（如图8）：可以实现最低零电压的宽范围电压输出，其超前臂Q1Q3的驱动信号有着180°的相位差，滞后臂Q2Q4的驱动信号分别与Q1Q3滞后一定相位，控制驱动信号之间的相位角不同，可以使得变压器漏感和开关管结电容进行谐振，开关管的软开关得以实现。缺点是由于变压器漏感的存在，副边会出现占空比丢失现象，副边二极管容易出现电压尖峰；另外该拓扑的输出需要的LC滤波器会造成电路体积增大，同时会导致损耗增加。

图8：移相全桥电路

(2)双有源桥电路（如图9）：通过原副边移相来控制能量的流动方向和大小，可以实现零电压开通，经常应用于大功率场合的双向DC/DC变换器，该拓扑电路功率密度高、效率高、能双向传输功率，被广泛应用于电动汽车、航天航空等领域。

图9：双有桥电路

(3)LLC谐振电路(如图10)：可以实现软开关，且可以在较窄的频率范围内实现较大的调压范围。具有良好的切载特性，加上变压器的漏感可以复用为励磁电感，所以磁元件的空间小，可以提高变换器的功率密度，效率高及EMI小。

图10：LLC谐振电路

三、车载充电机的漏电保护要求

为实现复杂的充放电需求，OBC的电路拓扑愈发复杂。这一方面增加了漏电故障的可能性，一方面也使漏电流波形成分更加复杂。传统的AC/A型漏电流保护器只能检测交流和脉动直流漏电，无法对OBC产生的复杂电流进行全方位保护，比如直流分量。故必须采用B型漏电流保护器来检测车载充电机充电过程中产生的电流。B型保护器不仅能识别到正弦交流信号，还能对脉动直流信号和平滑信号起到保护，是电动汽车、车载充电机、充电桩的最佳安全保护装置。

从QC/T 895-2011《电动汽车用传导式车载电动机》标准引导电路图可知：供电设备内安装的漏电流保护器对整个系统充电起到关键作用，不可轻视。

图11：车载充电机输入控制导引电路图

MAGTRON采用自主研发的iFluxgate®芯片技术，对于复杂漏电流成分都能够检测,如交流电、直流电，属于B型漏电保护器，相比传统漏电保护器更可靠、更灵敏、更安全，已广泛应用于充电桩、光伏逆变器等多个领域。

图12：MAGTRON 产品应用解决方案

参考文献：

[1]徐浩. 基于电动汽车新国标的车载充电机研制与优化[D].东华理工大学,2018.

[2]徐晓康. 3.3kW车载充电机设计及其EMI问题的分析[D].南京航空航天大学,2018.DOI:10.27239/d.cnki.gnhhu.2018.000291.

[3]戴慧纯. 电动汽车车载充电机（OBC）电路与控制设计[D].浙江大学,2020.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2020.000729.

[4]范高. 用于车载充电机的高效高功率密度DC/DC研究[D].浙江大学,2021.DOI:10.27461/d.cnki.gzjdx.2021.000244.

[5] QC/T 895-2011《电动汽车用传导式车载电动机》.