為提升電動(dòng)汽車對(duì)燃油車的競(jìng)爭(zhēng)力，解決消費(fèi)者“里程焦慮”，并緊跟國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼政策，汽車制造商不斷推出電氣化解決方案（包括開發(fā)新電池技術(shù)等）以延伸車輛的里程范圍。

現(xiàn)階段，在電池技術(shù)未獲得重大突破的前提下，OEM解決此問題較為“簡(jiǎn)單粗暴”但行之有效的方式就是增加動(dòng)力電池容量。但隨之而來的長(zhǎng)時(shí)間充電體驗(yàn)也將阻礙電動(dòng)汽車的舒適性使用，尤其是當(dāng)下快速充電基礎(chǔ)充電設(shè)施還未完全普及，此影響對(duì)于普遍使用家用充電的車輛更甚。

【一】電動(dòng)汽車車載充電機(jī)

電動(dòng)汽車充電解決方式主要有接觸式充電（交流&直流充電）和非接觸式充電（無線充電）。根據(jù)充電形式不同，除直流充電系統(tǒng)外，電動(dòng)汽車還須配備OBC（On-borad Charger，車載充電機(jī)），使得汽車可以使用家用的普通電源插座進(jìn)行充電。

電動(dòng)汽車上安裝的OBC（車載充電機(jī)）主要由功率電路（整流+PFC+移相全橋&LLC）和控制電路組成，作為車載電力電子零部件，一款好的車載充電機(jī)主要需要具備以下特性：

◆ 安全：與電網(wǎng)連接，防范產(chǎn)品在失效情況下的電氣風(fēng)險(xiǎn)；

◆ 可靠：產(chǎn)品全生命周期內(nèi)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并降低諧波對(duì)電網(wǎng)電源質(zhì)量的影響；

◆ 高效：高能效，涉及車輛的充電計(jì)費(fèi)；

◆ 物美：合理的產(chǎn)品體積，結(jié)構(gòu)、外觀滿足整車系統(tǒng)集成要求；

◆ 價(jià)廉：高功率密度（kW/Kg），且保證車載充電器滿足整車成本控制要求。

圖1. 電動(dòng)汽車車載充電技術(shù)示意圖

【二】車載充電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著EV車輛續(xù)航里程提升（350~500km），電池電量普遍＞60KWh，傳統(tǒng)的3.3kW和6.6kW車載充電機(jī)功率已不能滿足當(dāng)下純電動(dòng)汽車的慢充（6~8h）需求了，未來，車載充電機(jī)功率擴(kuò)容勢(shì)在必行。

然而，整車配備大功率充電機(jī)雖可減少充電時(shí)間，但由于受限于車輛配重、空間以及成本制約，同時(shí)大功率的交流充電也受電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的影響，如小區(qū)配電的容量，該解決方案面臨挑戰(zhàn)，OEM一邊需要不遺余力地優(yōu)化充電時(shí)間以使車輛更具競(jìng)爭(zhēng)力，另一邊同時(shí)還需兼顧車輛系統(tǒng)部件成本，尤其是在國(guó)家和地方政策補(bǔ)貼逐漸減少后，以便在保證價(jià)格優(yōu)勢(shì)的同時(shí)可獲取更高的利益。

表1. 部分廠家EV車型續(xù)航里程及交流充電功率

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是大功率、高效率，以便在一次充電保證盡可能多的續(xù)駛里程。汽車OEM雖可依靠建設(shè)直流快充設(shè)施來提供快速充電方案，但直流快充基礎(chǔ)設(shè)施同時(shí)也會(huì)額外成本及空間等要求，而隨著V2G&V2L&V2V等充電技術(shù)增值服務(wù)的發(fā)展，提升OBC的充電功率，利用大功率的OBC對(duì)車輛進(jìn)行充電，也是電動(dòng)汽車私人專用和公共設(shè)施充電解決方案的重要方式。

對(duì)于車載充電機(jī)產(chǎn)品擴(kuò)功率、降成本的發(fā)展趨勢(shì)，主要形成兩種技術(shù)形態(tài)：

1）功能擴(kuò)展：?jiǎn)蜗虺潆娂夹g(shù)向雙向充電技術(shù)發(fā)展。

對(duì)于裝載電池電量不大的的車輛（如PHEV，小型化EV等），單向低功率車載充電機(jī)產(chǎn)品仍將大范圍應(yīng)用。OEM通過新系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)用以優(yōu)化降低成本，推出高效且便宜的車載充電器，比如將充電機(jī)與DCDC功能集成（可減少電氣連接、復(fù)用水冷基板及部分控制電路）。

圖2. 三菱汽車“i-MiEV”車載充電機(jī)與DCDC集成示意圖

另一方面，在電動(dòng)汽車智能駕駛技術(shù)的突飛猛進(jìn)下，為提升車輛充電的便捷性，提升用戶體驗(yàn)，車輛無線充電進(jìn)一步成為技術(shù)風(fēng)口。

圖3. 車輛無線充電示意圖

以上，車載充電機(jī)在結(jié)構(gòu)形式或者充電形態(tài)上的改變，由于充電功率限制以及成本控制目的，一般只支持單向充電，但是隨著電池能量的提升，客戶需求的變化等原因，對(duì)雙向的充電也越來越多。

圖4. 比亞迪唐的V2L技術(shù)

2）功率擴(kuò)展：?jiǎn)蜗喑潆娂夹g(shù)向三相充電技術(shù)發(fā)展。

現(xiàn)階段，許多電動(dòng)汽車不支持高于6.6kW的交流充電功率水平，但交流連接器支持高達(dá)19kW（美國(guó)）、14kW（歐洲）的單相功率水平和高達(dá)52kW（美國(guó)）、43kW（ 歐洲、中國(guó)）的三相功率水平，標(biāo)準(zhǔn)化充電功率與EV交流充電功能之間還未完全匹配，因此，在現(xiàn)有充電標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)增加AC充電水平存在相當(dāng)大的潛力。

表2.美國(guó)、歐洲及中國(guó)交流充電額定電壓/電流表

為了提升充電功率并降低車輛充電系統(tǒng)的成本、重量和所需空間，通過將電池充電器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有效集成成為車載充電技術(shù)重要路徑之一。

對(duì)于EV支持的最大充電水平，無論是DC還是AC，都受到電力電子設(shè)備和電池容許的散熱限制，且EV熱管理系統(tǒng)須設(shè)計(jì)成使電池在指定溫度下可以在驅(qū)動(dòng)和充電期間正常操作。因此，集成充電器設(shè)計(jì)用于在這些功率水平下充電的EV時(shí)，還需要避免了額外的冷卻系統(tǒng)和部件要求。

【三】集成充電器技術(shù)

一般地，車輛驅(qū)動(dòng)和充電不會(huì)同時(shí)發(fā)生，因此盡可能共用電力電子器件變得有現(xiàn)實(shí)意義，集成充電器最重要的優(yōu)勢(shì)是利用車輛現(xiàn)有組件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高功率、雙向快速充電。

表3. 集成充電器市場(chǎng)應(yīng)用示例

對(duì)于交流快速充電過程，集成充電器的實(shí)現(xiàn)并不簡(jiǎn)單，特別是三相交流充電。

◆安全問題：集成充電器和電網(wǎng)連接可以隔離（單故障安全）或非隔離（單故障需保護(hù)），出于隔離設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)成本以及充電效率的影響，非隔離式集成充電器成為車輛應(yīng)用中的首選替代方案（非隔離化集成充電器傾向于最小化尺寸和重量）。

電網(wǎng)隔離雖不是強(qiáng)制性要求，但它可以大大簡(jiǎn)化安全要求，充電過程中，HV系統(tǒng)可視為符合IEC 60364-4-41的IT網(wǎng)絡(luò)。若車輛集成充電器不與電網(wǎng)隔離，非隔離式的安全措施主要由通過做好絕緣措施以及安全防護(hù)（電網(wǎng)側(cè)剩余電流監(jiān)測(cè)（RCD）&車輛側(cè)絕緣監(jiān)測(cè)模塊（IDM）&過流保險(xiǎn)）來實(shí)現(xiàn)——此安全防護(hù)對(duì)隔離系統(tǒng)也需要，更進(jìn)一步而言，系統(tǒng)需要在設(shè)計(jì)上保證充電電路和底盤接地之間的AC漏電流防止GFI電源插座跳閘以及選擇合適的整車絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)防止接地誤報(bào)警斷開充電回路。

另外，雖然與集成充電器降低基礎(chǔ)充電設(shè)施成本目標(biāo)相矛盾，電網(wǎng)側(cè)配置獨(dú)立的變壓器進(jìn)行隔離也是一種手段。

圖5. 集成充電器電網(wǎng)側(cè)配置獨(dú)立變壓器實(shí)施隔離方案示例

關(guān)于安全，集成充電器若進(jìn)行雙向充電（V2G），則需要考慮并網(wǎng)條件，如需考慮防孤島效應(yīng)等。

◆扭矩問題：集成充電器常見的具有商業(yè)化的做法是通過接觸器重新配置繞組接線或者增加非集成裝置來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)和充電模式之間的切換。若利用電動(dòng)機(jī)繞組中的漏抗作為電網(wǎng)接口中所需的電感，主要挑戰(zhàn)是在充電期間保持零扭矩。集成充電器單相（慢）充電時(shí)，相對(duì)容易可避免電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。但三相充電時(shí)，需要避免電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生引起的不期望的機(jī)械振動(dòng)、噪聲。

圖6.采用分立式和利用電機(jī)繞組式電感的集成充電器結(jié)構(gòu)

【四】總結(jié)

隨著PHEV/EV市場(chǎng)發(fā)展，消費(fèi)者需求及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)向?qū)?duì)車載充電技術(shù)提出更高需求，需求拉引和技術(shù)推進(jìn)將共同推動(dòng)車載充電技術(shù)的不斷創(chuàng)新。

雖然現(xiàn)有的AC充電解決方案無法與DC50kW以上的功率水平競(jìng)爭(zhēng)，但冗余的電力電子設(shè)備的額外成本會(huì)推動(dòng)集成充電技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，以及隨著無線充電技術(shù)的不斷演化完善，相信車載充電技術(shù)必將作為電動(dòng)汽車的一個(gè)重要競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。

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