車載小三電技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李福生

上海電氣集團(tuán)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(lái)汽車發(fā)展的重要方向,車載小三電指車載充電機(jī)(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(guān)注。車載小三電系統(tǒng)如圖1所示,工作原理如下:車載動(dòng)力系統(tǒng)剛上電時(shí),動(dòng)力電池依次經(jīng)過預(yù)充接觸器Relay2、預(yù)充電阻R為車載小三電系統(tǒng)中含大電容的設(shè)備預(yù)充電,以防止上電過程中出現(xiàn)過沖電流,保護(hù)器件,增強(qiáng)安全性;當(dāng)車載小三電系統(tǒng)中直流母線電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),主接觸器Relay1和Relay3閉合,預(yù)充接觸器Relay2斷開,動(dòng)力電池直接提供直流母線電壓。

車載充電機(jī)負(fù)責(zé)交流市電與動(dòng)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(jī)自動(dòng)調(diào)整為動(dòng)力電池充電的電壓和電流參數(shù),保證動(dòng)力電池自動(dòng)充電的安全可靠。車載直流電壓變換器負(fù)責(zé)動(dòng)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(zhuǎn)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(fù)責(zé)將高壓直流母線經(jīng)過接觸器、熔斷器等保護(hù)元件后,分別接到車載充電機(jī)、車載直流電壓變換器、電機(jī)控制器、交直流充電插座等。

筆者分別從車載充電機(jī)、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(shù)角度,分析現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)研究現(xiàn)狀,提出軟件平臺(tái)化架構(gòu)、集成化和高功率密度化,以及車載充電機(jī)功率擴(kuò)容是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 車載充電機(jī)

車載充電機(jī)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(gòu)成。作為新能源汽車的關(guān)鍵零部件,車載充電機(jī)優(yōu)良的性能尤為關(guān)鍵。因此,車載充電機(jī)需要具有安全可靠、電能質(zhì)量高、對(duì)電網(wǎng)影響小、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外一線品牌車載充電機(jī)技術(shù)水平相差不大,由于國(guó)內(nèi)車載充電機(jī)發(fā)展起步晚,產(chǎn)品早期主要是面向國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)。隨著近幾年國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展,帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)車載充電機(jī)技術(shù)的日益成熟,使其逐步邁入國(guó)際市場(chǎng)。

圖1 車載小三電系統(tǒng)

目前,市場(chǎng)上主流車載充電機(jī)功率為6.6 kW,帶6 kVA逆變功能,配合整車控制器,為外部負(fù)載或其它車輛提供電力,效率達(dá)到95%左右,采用水冷冷卻方式,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)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(guān)管采用碳化硅器件,降低開關(guān)損耗。直流電壓變換電路負(fù)責(zé)將整流后的直流電壓轉(zhuǎn)換成動(dòng)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(guān)技術(shù)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(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

此外,在一些對(duì)成本要求較高的微型車中,采用風(fēng)冷方式散熱的小功率車載充電機(jī),如3.3 kW車載充電機(jī),可以降低成本,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與6.6 kW車載充電機(jī)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(jī),如11 kW、22 kW,均采用水冷方式散熱,以實(shí)現(xiàn)減小體積、提供能量密度的目的。國(guó)內(nèi)三相大功率車載充電機(jī)一般由三相功率因數(shù)校正電路和一路LLC電路構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易控制,如圖3所示。國(guó)外三相大功率車載充電機(jī)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(gòu)成,相互之間不干擾,容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),如圖4所示。

圖3 國(guó)內(nèi)大功率車載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 國(guó)外大功率車載充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 車載直流電壓變換器

車載直流電壓變換器主要是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池和車載鉛酸電池之間的能量變換,將高壓直流電轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)緊湊、成本低等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外車載直流電壓變換器技術(shù)水平相差不大,典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 車載直流電壓變換器典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前,市場(chǎng)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?fù)洹⒂性淬Q位正激拓?fù)浜蚅LC拓?fù)淙N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更緊湊,但需要增加相對(duì)應(yīng)的能量吸收電路。有源鉗位正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在可靠性偏低,以及滯磁曲線單向磁化導(dǎo)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似,滯磁曲線雙向磁化使其效率高、結(jié)構(gòu)緊湊,但動(dòng)態(tài)特性相對(duì)較差,是車載直流電壓變換器的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 高壓配電盒

高壓配電盒典型結(jié)構(gòu)如圖6所示,電氣接線如圖7所示。單純從技術(shù)角度來(lái)看,高壓配電盒在技術(shù)上難度并不大。由于高壓配電盒與整車電氣布線密切相關(guān),每個(gè)車型的高壓配電盒都會(huì)有所差異,因此,高壓配電盒難以形成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上主要有兩種,一種是針對(duì)具體車型定制開發(fā)的高壓配電盒,另一種是針對(duì)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(jié)構(gòu)

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(jī)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(jī)和車載直流電壓變換器物理集成是指車載充電機(jī)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(jī)和車載直流電壓變換器的主電路和控制電路相互獨(dú)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(jī)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(jī)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(jī)和車載直流電壓變換器的主電路相互獨(dú)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(jī)和車載直流電壓變換器磁集成是指車載充電機(jī)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(jī)和車載直流電壓變換器的部分主電路相互獨(dú)立,能夠進(jìn)一步降低成本,減小體積,提高功率密度。但磁路設(shè)計(jì)復(fù)雜,車載充電機(jī)和車載直流電壓變換器工作時(shí)相互影響,如圖10所示。

圖8 車載充電機(jī)和車載直流電壓變換器物理集成方式

圖9 車載充電機(jī)和車載直流電壓變換器板卡集成方式

圖10 車載充電機(jī)和車載直流電壓變換器磁集成方式

目前,市場(chǎng)上一般采用磁集成方案,將車載充電機(jī)和車載直流電壓變換器做成標(biāo)準(zhǔn)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(jī)和車載直流電壓變換器二合一標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,定制開發(fā)車載充電機(jī)、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(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 產(chǎn)品軟件平臺(tái)架構(gòu)

AUTOSAR是一個(gè)符合汽車電子軟件開發(fā)的、開放的以及標(biāo)準(zhǔn)化的軟件架構(gòu)。這一架構(gòu)旨在改善汽車電子系統(tǒng)軟件的更新與交換,同時(shí)更方便有效管理日趨復(fù)雜的汽車電子軟件系統(tǒng)。AUTOSAR規(guī)范的應(yīng)用,使不同結(jié)構(gòu)的電子控制單元的接口特征標(biāo)椎化,應(yīng)用軟件具備更好的可擴(kuò)展性及可移植性,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(lái)逐漸由AUTOSAR取代,實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)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(dòng)汽車平臺(tái),如大眾新能源電動(dòng)車平臺(tái)、比亞迪e平臺(tái),帶來(lái)了零部件的集成化發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器深度集成,組成驅(qū)動(dòng)三合一。車載充電機(jī)、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(dòng)三合一和高壓三合一均能夠適應(yīng)各種電池電壓平臺(tái)。以此降低整車密切關(guān)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(dòng)三合一和高壓三合一組成動(dòng)力總成六合一,能夠進(jìn)一步降低零部件成本,但是限于目前國(guó)內(nèi)零部件技術(shù)水平,動(dòng)力總成六合一并不合適,會(huì)增加后續(xù)維護(hù)成本。未來(lái)驅(qū)動(dòng)三合一和高壓三合一是發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 車載充電機(jī)功率擴(kuò)容

當(dāng)前,電動(dòng)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(guó)內(nèi)直流充電樁數(shù)量少,使用不方便,6.6 kW車載充電機(jī)功率已不能滿足當(dāng)下純電動(dòng)汽車慢充6～8 h的需求。未來(lái),車載充電機(jī)功率擴(kuò)容勢(shì)在必行。此外,大功率車載充電機(jī)能夠顯著提高充電速度,進(jìn)而提高車主的用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)車載充電機(jī)、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(shù)現(xiàn)狀進(jìn)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(shù)壁壘不高,市場(chǎng)規(guī)模巨大,且價(jià)格趨于標(biāo)準(zhǔn)化。提出了產(chǎn)品軟件平臺(tái)化、集成化和高功率密度化,以及車載充電機(jī)功率擴(kuò)容是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。