李福生

上海電氣集團股份有限公司中央研究院 上海 200070

1 車載小三電概述

新能源汽車是未來汽車發(fā)展的重要方向,車載小三電指車載充電機(OBC)、車載直流電壓變換器(DC/DC)、高壓配電盒(PDU),作為新能源汽車必不可少的零配件,一直受到研究人員的持續(xù)關注。車載小三電系統(tǒng)如圖1所示,工作原理如下:車載動力系統(tǒng)剛上電時,動力電池依次經(jīng)過預充接觸器Relay2、預充電阻R為車載小三電系統(tǒng)中含大電容的設備預充電,以防止上電過程中出現(xiàn)過沖電流,保護器件,增強安全性;當車載小三電系統(tǒng)中直流母線電壓達到預設值時,主接觸器Relay1和Relay3閉合,預充接觸器Relay2斷開,動力電池直接提供直流母線電壓。

車載充電機負責交流市電與動力電池直流電之間能量的雙向或單向變換,監(jiān)控變換過程中的控制參數(shù)。在整車控制器控制下,車載充電機自動調(diào)整為動力電池充電的電壓和電流參數(shù),保證動力電池自動充電的安全可靠。車載直流電壓變換器負責動力電池電壓與12 V直流電壓之間能量的雙向或單向變換,為空調(diào)系統(tǒng)、電子轉向系統(tǒng),以及其它車載輔助系統(tǒng)提供電力。高壓配電盒作為車載能源分配單元,負責將高壓直流母線經(jīng)過接觸器、熔斷器等保護元件后,分別接到車載充電機、車載直流電壓變換器、電機控制器、交直流充電插座等。

筆者分別從車載充電機、車載直流電壓換變器、高壓配電盒,以及二合一/三合一產(chǎn)品原理、要求與技術角度,分析現(xiàn)有產(chǎn)品技術研究現(xiàn)狀,提出軟件平臺化架構、集成化和高功率密度化,以及車載充電機功率擴容是未來的發(fā)展趨勢。

2 技術現(xiàn)狀

2.1 車載充電機

車載充電機主要由不控或可控整流電路、功率因數(shù)校正電路(PFC)及其配套控制電路構成。作為新能源汽車的關鍵零部件,車載充電機優(yōu)良的性能尤為關鍵。因此,車載充電機需要具有安全可靠、電能質(zhì)量高、對電網(wǎng)影響小、轉換效率高、結構緊湊、成本低等特點。國內(nèi)外一線品牌車載充電機技術水平相差不大,由于國內(nèi)車載充電機發(fā)展起步晚,產(chǎn)品早期主要是面向國內(nèi)新能源汽車行業(yè)。隨著近幾年國內(nèi)新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展,帶動了國內(nèi)車載充電機技術的日益成熟,使其逐步邁入國際市場。

圖1 車載小三電系統(tǒng)

目前,市場上主流車載充電機功率為6.6 kW,帶6 kVA逆變功能,配合整車控制器,為外部負載或其它車輛提供電力,效率達到95%左右,采用水冷冷卻方式,拓撲結構如圖2所示,主要由功率因數(shù)校正電路和直流電壓變換電路組成。功率因數(shù)校正電路負責功率因數(shù)校正,提高電能質(zhì)量,工作在電流控制模式下,內(nèi)部開關管采用碳化硅器件,降低開關損耗。直流電壓變換電路負責將整流后的直流電壓轉換成動力電池所需的直流電壓,并控制直流電壓和電流等參數(shù),一般采用CLLC電路,一方面利用LLC軟開關技術提高變流器效率,另一方面LLC電路具備升壓功能。

圖2 6.6 kW、6 kVA車載充電機拓撲結構

此外,在一些對成本要求較高的微型車中,采用風冷方式散熱的小功率車載充電機,如3.3 kW車載充電機,可以降低成本,拓撲結構與6.6 kW車載充電機相差不大。在一些高續(xù)航里程、高電池容量的高端車型中,采用三相大功率車載充電機,如11 kW、22 kW,均采用水冷方式散熱,以實現(xiàn)減小體積、提供能量密度的目的。國內(nèi)三相大功率車載充電機一般由三相功率因數(shù)校正電路和一路LLC電路構成,結構簡單,容易控制,如圖3所示。國外三相大功率車載充電機一般采用三相并聯(lián)方式,由三路功率因數(shù)校正電路和三路LLC電路構成,相互之間不干擾,容易實現(xiàn)模塊化設計,如圖4所示。

圖3 國內(nèi)大功率車載充電機拓撲結構

圖4 國外大功率車載充電機拓撲結構

2.2 車載直流電壓變換器

車載直流電壓變換器主要是實現(xiàn)動力電池和車載鉛酸電池之間的能量變換,將高壓直流電轉換成低壓直流電。車載直流電壓變換器需要具備工作效率高、輸出電壓范圍可調(diào)、功率密度高、結構緊湊、成本低等特點。國內(nèi)外車載直流電壓變換器技術水平相差不大,典型拓撲結構如圖5所示。

圖5 車載直流電壓變換器典型拓撲結構

目前,市場上主流車載直流電壓變換器功率為2 kW/2.5 kW。車載直流電壓變換器主要有移相全橋拓撲、有源鉗位正激拓撲和LLC拓撲三種拓撲結構。移相全橋拓撲結構中,輸出采用LC電路,輸出特性好,滯磁曲線雙向磁化使其效率更高,結構更緊湊,但需要增加相對應的能量吸收電路。有源鉗位正激拓撲結構存在可靠性偏低,以及滯磁曲線單向磁化導致功率密度低、效率低的情況,僅適用于小功率車載直流電壓變換器。LLC拓撲結構與移相全橋拓撲結構類似,滯磁曲線雙向磁化使其效率高、結構緊湊,但動態(tài)特性相對較差,是車載直流電壓變換器的主流拓撲結構。

2.3 高壓配電盒

高壓配電盒典型結構如圖6所示,電氣接線如圖7所示。單純從技術角度來看,高壓配電盒在技術上難度并不大。由于高壓配電盒與整車電氣布線密切相關,每個車型的高壓配電盒都會有所差異,因此,高壓配電盒難以形成標準產(chǎn)品。目前市場上主要有兩種,一種是針對具體車型定制開發(fā)的高壓配電盒,另一種是針對具體車型定制開發(fā)的含高壓配電盒集成產(chǎn)品。

圖6 高壓配電盒典型結構

圖7 電壓配電盒電氣接線

2.4 小三電集成產(chǎn)品

車載充電機和車載直流電壓變換器有物理集成、板卡集成、磁集成三種方式。車載充電機和車載直流電壓變換器物理集成是指車載充電機和車載直流電壓變換器共用散熱器、金屬外殼,而車載充電機和車載直流電壓變換器的主電路和控制電路相互獨立,互不干擾,兩者之間可靠性互不影響,如圖8所示。車載充電機和車載直流電壓變換器板卡集成是指除了共用散熱器、金屬外殼之外,車載充電機和車載直流電壓變換器還共用控制電路、直流輸出濾波電路,而車載充電機和車載直流電壓變換器的主電路相互獨立,互不干擾,能夠降低成本,減小體積,如圖9所示。車載充電機和車載直流電壓變換器磁集成是指車載充電機和車載直流電壓變換器共用控制電路及控制芯片、直流輸出全橋電路、直流輸出濾波電路、散熱器、外殼,而車載充電機和車載直流電壓變換器的部分主電路相互獨立,能夠進一步降低成本,減小體積,提高功率密度。但磁路設計復雜,車載充電機和車載直流電壓變換器工作時相互影響,如圖10所示。

圖8 車載充電機和車載直流電壓變換器物理集成方式

圖9 車載充電機和車載直流電壓變換器板卡集成方式

圖10 車載充電機和車載直流電壓變換器磁集成方式

目前,市場上一般采用磁集成方案,將車載充電機和車載直流電壓變換器做成標準產(chǎn)品,降低單品成本。另外,車載電源企業(yè)也可以根據(jù)新能源整車廠需求,根據(jù)已有車載充電機和車載直流電壓變換器二合一標準產(chǎn)品,定制開發(fā)車載充電機、車載直流電壓變換器、高壓配電盒三合一產(chǎn)品,如圖11所示。

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 產(chǎn)品軟件平臺架構

AUTOSAR是一個符合汽車電子軟件開發(fā)的、開放的以及標準化的軟件架構。這一架構旨在改善汽車電子系統(tǒng)軟件的更新與交換,同時更方便有效管理日趨復雜的汽車電子軟件系統(tǒng)。AUTOSAR規(guī)范的應用,使不同結構的電子控制單元的接口特征標椎化,應用軟件具備更好的可擴展性及可移植性,能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)有軟件的重用,降低開發(fā)成本。以往,車載電源產(chǎn)品采用手工代碼,軟件重用困難,軟件可靠性低,未來逐漸由AUTOSAR取代,實現(xiàn)代碼自動生成,提高產(chǎn)品迭代速度。

3.2 集成化和高功率密度化

新能源汽車企業(yè)都在開發(fā)電動汽車平臺,如大眾新能源電動車平臺、比亞迪e平臺,帶來了零部件的集成化發(fā)展趨勢。電機、減速器、電機控制器深度集成,組成驅(qū)動三合一。車載充電機、車載直流電壓變換器和高壓配電盒深度集成,組成高壓三合一。驅(qū)動三合一和高壓三合一均能夠適應各種電池電壓平臺。以此降低整車密切關注的零部件體積、質(zhì)量、成本,以及整車開發(fā)成本。雖然驅(qū)動三合一和高壓三合一組成動力總成六合一,能夠進一步降低零部件成本,但是限于目前國內(nèi)零部件技術水平,動力總成六合一并不合適,會增加后續(xù)維護成本。未來驅(qū)動三合一和高壓三合一是發(fā)展趨勢。

3.3 車載充電機功率擴容

當前,電動汽車的續(xù)航里程提升至500 km～600 km,電池電量普遍大于60 kW·h。國內(nèi)直流充電樁數(shù)量少,使用不方便,6.6 kW車載充電機功率已不能滿足當下純電動汽車慢充6～8 h的需求。未來,車載充電機功率擴容勢在必行。此外,大功率車載充電機能夠顯著提高充電速度,進而提高車主的用戶體驗。

4 結束語

筆者對車載充電機、車載直流電壓變換器、高壓配電盒、二合一/三合一產(chǎn)品技術現(xiàn)狀進行了探討,了解到車載小三電產(chǎn)品不同于一般工業(yè)產(chǎn)品,其產(chǎn)品總類單一,技術壁壘不高,市場規(guī)模巨大,且價格趨于標準化。提出了產(chǎn)品軟件平臺化、集成化和高功率密度化,以及車載充電機功率擴容是未來的發(fā)展趨勢。