什么是安装在电动汽车上的车载充电器（OBC）？ ～高效率实现电池充电时间高速化的AC/DC转换系统～

 

2023-07-21

应用

技术信息

什么是安装在电动汽车上的车载充电器（OBC）？
～高效率实现电池充电时间高速化的AC/DC转换系统～

OBC是在电动汽车的电池充电时使用的设备。它发挥的作用是将充电座提供的电能转换成电池所需的电压。预计今后EV（电动汽车）的数量将继续增加，随着OBC电池容量的增加，高输出功率化不可或缺。我们将在本消息中就OBC的功能和系统配置进行解说，同时对构成OBC的电子零部件进行介绍。

什么是车载充电器（OBC）？

OBC（ON-BOARD CHARGER）是在给电池充电时使用的设备。它发挥的作用是将充电座提供的电压（AC 交流电）转换为电池所需的电压（DC 直流电）。OBC用于电动汽车（Electric Vehicle：EV）和插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle：PHEV）。通常使用来自住宅或公共充电站的交流电给车辆充电。作为OBC的输出功率，3.6kW～22kW级占有大多数。

关于EV充电的类型

雷达的测量和物体识别的原理如下：

・普通充电
普通充电用于将电池充满电。使用住宅或充电站的AC电压给车辆的电池充电。电池充满电通常需要大约8小时。普通充电时，通过安装在车辆上的OBC将AC电源转换为适合车辆电池的DC电源。

・快速充电
使用快速充电的目的是为了在短时间内补充电量。快速充电时使用与充电站的各电池电压相对应的DC电压，在短时间内对车辆电池进行大功率充电。充电时间通常需要30分钟到1小时，但这取决于电池的容量。充电器通常设置在高速公路的服务区或商业设施内。

表1 按充电类型区分的特点
充电
类型 		充电座 设置场所 OBC 充电时间 用途
普通
充电		 输出AC（AC200V、400V等电压） 自家、公司等处 转换为DC并输出（电池电压） 长时间（～8小时左右） 适合于满充电
快速充电 以电池所需的DC直接输出 高速公路、商业设施 不使用 短时间
（0.5～1小时左右）		 适合于在短时间内补充电量

关于电池容量和OBC的输出功率

电池容量根据车型（紧凑型、SUV、跑车等）而各不相同。OBC的输出功率根据国家和地区，其规格不同，但已设定为可在约8小时内充满电。

关于市场和设备的趋势

预计今后EV的数量将进一步增加。此外，随着电池容量的增加，高输出功率化不可或缺。除此之外，我们还必须支持充电时间的高速化和电池的小型化。为实现这个目标，电子零部件具备高电压（高耐电压）、大电流、低损耗、高耐热性、小型化等性能十分重要。

关于OBC的电路配置

总体配置

OBC系统由下述电路配置。

  • 电压测量（输入）：为控制转换电路而进行电压测量
  • 噪声滤波器（输入）：抑制来自外部或者来自该电路的噪声
  • 全波整流电路：将AC（交流电压）转换为DC（直流电压）
  • PFC（Power Factor Correction 功率因数校正）电路：改善因波形的相移引起的效率下降
  • 电压转换电路：通过藉由绝缘类型的变压器和FET等的开关来转换电压。
  • 噪声滤波器（输出）：抑制从该电路产生的噪声
  • 电压测量（输出）：为控制转换电路而进行电压测量
  • 控制电路：控制转换电路等电路
  • DC/DC转换器：向控制电路供给电源
  • 通信IF: 与外部的通信电路
图１ OBC系统的总体配置
图１ OBC系统的总体配置

个别电路及构成零部件

电压测量（输入/输出）

在电压测量的电路中，为了进行电压转换电路的控制而测量输入、输出的电压。测量时通常将多个电阻器连接起来以测量电阻器两端的电压。

【要使用的零部件】

电压测量 ―― 芯片电阻器（高精度芯片电阻器）

POINT
  1. ❶ 藉由薄膜结构的电阻值公差、低TCR性能，为电路输出特性的高精度控制化做出贡献

噪声滤波器（输入/输出）

在噪声滤波器电路中，抑制来自外部或者来自该电路的噪声，并防止电路的误动作。
滤波器通常将大型的电感器与薄膜电容器组合起来使用。

【要使用的零部件】

噪声去除 ―― 薄膜电容器(汽车用、产业基础设施用)

POINT
  1. ❶ 高可靠性 : 实现高耐湿性和高耐热冲击性，符合AEC-Q200
  2. ❷ 高安全性 : 通过安全机构（保险丝）来确保更高的安全性（故障模式为开路）

全波整流电路、PFC电路

在全波整流电路中将AC转换为DC，在PFC电路中改善整流时因相移而导致的效率下降。在整流电路中为使转换时的电压平滑化，通常使用电容器。
在PFC电路中为通过开关来改善相位，通常使用线圈和电容器。

【要使用的零部件】

电压平滑 ―― 薄膜电容器(汽车用、产业基础设施用)

POINT
  1. ❶ 高可靠性 : 实现高耐湿性和高耐热冲击性，符合AEC-Q200
  2. ❷ 高安全性 : 通过安全机构（保险丝）来确保更高的安全性（故障模式为开路）

电压转换电路

在电压转换电路中通过开关元件和变压器等的开关来转换电压。
通过令开关元件On/Off来执行转换操作，但由于元件On/Off时会产生噪声，因此通常在元件栅极端子处使用电阻器。

【要使用的零部件】

开关元件栅极驱动噪声抑制 ―― 芯片电阻器（小型高功率芯片电阻器）

POINT
  1. ❶ 藉由独特的电阻器图案、电极结构等实现小型高功率化，为电路的小型化做出贡献。

DC/DC转换器

在DC/DC转换器电路中，为了去除输入部的噪声和使得输出部平滑，通常使用导电性聚合物混合铝电解电容器，为了进行电压转换，通常使用车载用功率电感器。

【要使用的零部件】

噪声去除、开关和平滑 ―― 导电性聚合物混合铝电解电容器

POINT
  1. ❶ 藉由大电容、低ESR和高纹波性能，为电路的小型化和高功率化（低电压和大电流）做出贡献
  2. ❷ 支持高频电容特性，为宽带和高频去除电路的高频开关化中产生的噪声做出贡献

电压转换 ―― 车载用功率电感器

POINT
  1. ❶ 藉由金属磁性材料的低损耗和大电流性能，为电路的小型化和大功率化（低电压和大电流）做出贡献
  2. ❷ 藉由损耗特性的高频化（低ACR），为在电路的高频开关化中抑制损耗做出贡献

通信I/F

在通信I/F（通信）电路中，使用两根线与外部设备（CAN、Ethernet等）进行通信。此时，如果噪声或静电从通信线路混入，则恐会导致收发器IC故障。
因此，收发器电路通常由用于静电预防措施的片式压敏电阻器构成。

【要使用的零部件】

ESD噪声去除 ―― 片式压敏电阻器

POINT
  1. ❶ 藉由具有广泛电容特性的产品阵容，在保持电路通信品质的同时，为抑制静电（ESD）噪声做出贡献
  2. ❷ 片式压敏电阻器藉由其8～250pF的电容特性，支持从低速到高速的通信速率

小结

OBC是在给EV和PHEV的电池充电时使用的重要设备。今后，随着EV的增加，OBC的安装数量也会增加。此外，随着电池容量的增加，我们还必须以高输出功率化为目标。今后，人们将会对车载电子零部件提出高电压（高耐电压）、大电流、低损耗、高耐热、小型化等更高的性能要求。松下机电株式会社备有面向OBC的广泛的产品阵容（表2）。

表2　商品阵容和特点一览
零部件 特点 高电压 大电流 低损耗 小型化 高耐热 高精度
导电性聚合物混合铝电解电容器 低ESR
高可靠性		 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
车载用功率电感器 大电流、低损耗
高可靠性		 ✔ ✔ ✔ ✔
高精度、高耐热 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔
片式压敏电阻器 小型/轻量化 ✔
薄膜电容器(汽车用、产业基础设施用) 高可靠性 ✔ ✔

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