车载小三电技术的现状与发展趋势

李福生

上海电气集团股份有限公司中央研究院 上海 200070

新能源汽车是未来汽车发展的重要方向,车载小三电指车载充电机(OBC)、车载直流电压变换器(DC/DC)、高压配电盒(PDU),作为新能源汽车必不可少的零配件,一直受到研究人员的持续关注。车载小三电系统如图1所示,工作原理如下:车载动力系统刚上电时,动力电池依次经过预充接触器Relay2、预充电阻R为车载小三电系统中含大电容的设备预充电,以防止上电过程中出现过冲电流,保护器件,增强安全性;当车载小三电系统中直流母线电压达到预设值时,主接触器Relay1和Relay3闭合,预充接触器Relay2断开,动力电池直接提供直流母线电压。

车载充电机负责交流市电与动力电池直流电之间能量的双向或单向变换,监控变换过程中的控制参数。在整车控制器控制下,车载充电机自动调整为动力电池充电的电压和电流参数,保证动力电池自动充电的安全可靠。车载直流电压变换器负责动力电池电压与12 V直流电压之间能量的双向或单向变换,为空调系统、电子转向系统,以及其它车载辅助系统提供电力。高压配电盒作为车载能源分配单元,负责将高压直流母线经过接触器、熔断器等保护元件后,分别接到车载充电机、车载直流电压变换器、电机控制器、交直流充电插座等。

笔者分别从车载充电机、车载直流电压换变器、高压配电盒,以及二合一/三合一产品原理、要求与技术角度,分析现有产品技术研究现状,提出软件平台化架构、集成化和高功率密度化,以及车载充电机功率扩容是未来的发展趋势。

2.1 车载充电机

车载充电机主要由不控或可控整流电路、功率因数校正电路(PFC)及其配套控制电路构成。作为新能源汽车的关键零部件,车载充电机优良的性能尤为关键。因此,车载充电机需要具有安全可靠、电能质量高、对电网影响小、转换效率高、结构紧凑、成本低等特点。国内外一线品牌车载充电机技术水平相差不大,由于国内车载充电机发展起步晚,产品早期主要是面向国内新能源汽车行业。随着近几年国内新能源汽车行业的高速发展,带动了国内车载充电机技术的日益成熟,使其逐步迈入国际市场。

图1 车载小三电系统

目前,市场上主流车载充电机功率为6.6 kW,带6 kVA逆变功能,配合整车控制器,为外部负载或其它车辆提供电力,效率达到95%左右,采用水冷冷却方式,拓扑结构如图2所示,主要由功率因数校正电路和直流电压变换电路组成。功率因数校正电路负责功率因数校正,提高电能质量,工作在电流控制模式下,内部开关管采用碳化硅器件,降低开关损耗。直流电压变换电路负责将整流后的直流电压转换成动力电池所需的直流电压,并控制直流电压和电流等参数,一般采用CLLC电路,一方面利用LLC软开关技术提高变流器效率,另一方面LLC电路具备升压功能。

图2 6.6 kW、6 kVA车载充电机拓扑结构

此外,在一些对成本要求较高的微型车中,采用风冷方式散热的小功率车载充电机,如3.3 kW车载充电机,可以降低成本,拓扑结构与6.6 kW车载充电机相差不大。在一些高续航里程、高电池容量的高端车型中,采用三相大功率车载充电机,如11 kW、22 kW,均采用水冷方式散热,以实现减小体积、提供能量密度的目的。国内三相大功率车载充电机一般由三相功率因数校正电路和一路LLC电路构成,结构简单,容易控制,如图3所示。国外三相大功率车载充电机一般采用三相并联方式,由三路功率因数校正电路和三路LLC电路构成,相互之间不干扰,容易实现模块化设计,如图4所示。

图3 国内大功率车载充电机拓扑结构

图4 国外大功率车载充电机拓扑结构

2.2 车载直流电压变换器

车载直流电压变换器主要是实现动力电池和车载铅酸电池之间的能量变换,将高压直流电转换成低压直流电。车载直流电压变换器需要具备工作效率高、输出电压范围可调、功率密度高、结构紧凑、成本低等特点。国内外车载直流电压变换器技术水平相差不大,典型拓扑结构如图5所示。

图5 车载直流电压变换器典型拓扑结构

目前,市场上主流车载直流电压变换器功率为2 kW/2.5 kW。车载直流电压变换器主要有移相全桥拓扑、有源钳位正激拓扑和LLC拓扑三种拓扑结构。移相全桥拓扑结构中,输出采用LC电路,输出特性好,滞磁曲线双向磁化使其效率更高,结构更紧凑,但需要增加相对应的能量吸收电路。有源钳位正激拓扑结构存在可靠性偏低,以及滞磁曲线单向磁化导致功率密度低、效率低的情况,仅适用于小功率车载直流电压变换器。LLC拓扑结构与移相全桥拓扑结构类似,滞磁曲线双向磁化使其效率高、结构紧凑,但动态特性相对较差,是车载直流电压变换器的主流拓扑结构。

2.3 高压配电盒

高压配电盒典型结构如图6所示,电气接线如图7所示。单纯从技术角度来看,高压配电盒在技术上难度并不大。由于高压配电盒与整车电气布线密切相关,每个车型的高压配电盒都会有所差异,因此,高压配电盒难以形成标准产品。目前市场上主要有两种,一种是针对具体车型定制开发的高压配电盒,另一种是针对具体车型定制开发的含高压配电盒集成产品。

图6 高压配电盒典型结构

图7 电压配电盒电气接线

2.4 小三电集成产品

车载充电机和车载直流电压变换器有物理集成、板卡集成、磁集成三种方式。车载充电机和车载直流电压变换器物理集成是指车载充电机和车载直流电压变换器共用散热器、金属外壳,而车载充电机和车载直流电压变换器的主电路和控制电路相互独立,互不干扰,两者之间可靠性互不影响,如图8所示。车载充电机和车载直流电压变换器板卡集成是指除了共用散热器、金属外壳之外,车载充电机和车载直流电压变换器还共用控制电路、直流输出滤波电路,而车载充电机和车载直流电压变换器的主电路相互独立,互不干扰,能够降低成本,减小体积,如图9所示。车载充电机和车载直流电压变换器磁集成是指车载充电机和车载直流电压变换器共用控制电路及控制芯片、直流输出全桥电路、直流输出滤波电路、散热器、外壳,而车载充电机和车载直流电压变换器的部分主电路相互独立,能够进一步降低成本,减小体积,提高功率密度。但磁路设计复杂,车载充电机和车载直流电压变换器工作时相互影响,如图10所示。

图8 车载充电机和车载直流电压变换器物理集成方式

图9 车载充电机和车载直流电压变换器板卡集成方式

图10 车载充电机和车载直流电压变换器磁集成方式

目前,市场上一般采用磁集成方案,将车载充电机和车载直流电压变换器做成标准产品,降低单品成本。另外,车载电源企业也可以根据新能源整车厂需求,根据已有车载充电机和车载直流电压变换器二合一标准产品,定制开发车载充电机、车载直流电压变换器、高压配电盒三合一产品,如图11所示。

3.1 产品软件平台架构

AUTOSAR是一个符合汽车电子软件开发的、开放的以及标准化的软件架构。这一架构旨在改善汽车电子系统软件的更新与交换,同时更方便有效管理日趋复杂的汽车电子软件系统。AUTOSAR规范的应用,使不同结构的电子控制单元的接口特征标椎化,应用软件具备更好的可扩展性及可移植性,能够实现对现有软件的重用,降低开发成本。以往,车载电源产品采用手工代码,软件重用困难,软件可靠性低,未来逐渐由AUTOSAR取代,实现代码自动生成,提高产品迭代速度。

3.2 集成化和高功率密度化

新能源汽车企业都在开发电动汽车平台,如大众新能源电动车平台、比亚迪e平台,带来了零部件的集成化发展趋势。电机、减速器、电机控制器深度集成,组成驱动三合一。车载充电机、车载直流电压变换器和高压配电盒深度集成,组成高压三合一。驱动三合一和高压三合一均能够适应各种电池电压平台。以此降低整车密切关注的零部件体积、质量、成本,以及整车开发成本。虽然驱动三合一和高压三合一组成动力总成六合一,能够进一步降低零部件成本,但是限于目前国内零部件技术水平,动力总成六合一并不合适,会增加后续维护成本。未来驱动三合一和高压三合一是发展趋势。

3.3 车载充电机功率扩容

当前,电动汽车的续航里程提升至500 km～600 km,电池电量普遍大于60 kW·h。国内直流充电桩数量少,使用不方便,6.6 kW车载充电机功率已不能满足当下纯电动汽车慢充6～8 h的需求。未来,车载充电机功率扩容势在必行。此外,大功率车载充电机能够显著提高充电速度,进而提高车主的用户体验。

笔者对车载充电机、车载直流电压变换器、高压配电盒、二合一/三合一产品技术现状进行了探讨,了解到车载小三电产品不同于一般工业产品,其产品总类单一,技术壁垒不高,市场规模巨大,且价格趋于标准化。提出了产品软件平台化、集成化和高功率密度化,以及车载充电机功率扩容是未来的发展趋势。