電動車車載充電器之趨勢
摘要：本文回顧並探討電動車車載充電器 (On-Board Charger, OBC) 之趨勢，包含 US Drive 車載充電器技術目標、車載充電器效率、功率密度現況，車載充電器分類資訊、OBC 的電路與集成架構及相關標準。針對高度集成車載充電器之趨勢，工研院機械所智慧車輛組積極佈局開發高效率高功率密度之雙向充電的車載充電器，以解決現階段電動汽車電池成本高、續航低，及車輛空間受限的問題，產品設計開發規劃是基於美國US Drive 2025 年對於車載充電器技術的功率密度指標要求作為參考設計目標，車載充電器採用碳化矽功率開關以達到高效率與高功率密度之需求，並導入國際標竿產品做分析參考，透過系統分析與設計技術發展，提供高功率密度的車載充電器設計方案，進而建立高壓高效率高功率密度之車載充電器研發能量，期能超越美國US Drive 2025 年之功率密度目標，以協助國內廠商建立關鍵電力技術。
Abstract：This article reviews and discusses the trend of on-board chargers, including US Drive on-board
charger technology goals, on-board charger efficiency and power density status, on-board charger classification
information, OBC circuit and integrated architecture, and related standards. In response to the trend of highly
integrated on-board chargers, the Intelligent Mobility Technology Division of the Department of Mechanical Engineer is actively developing high-efficiency, high-power-density and bidirectional charging on-board chargers
to solve the problems of high battery costs, low battery life, and limited vehicle space at the current stage. Our
product design and development plan is based on the US Drive's 2025 power density index requirements for car
charger technology as a reference design target. The car charger uses silicon carbide power transistors to meet the needs of high efficiency and high power density, and benchmark international products for analysis and reference. Through system analysis and design technology development, we provide high power density on-board charger design solutions, and then establish a high-voltage, high efficiency, high-power-density on-board charger research and design skills, hoping to surpass the power density of US Drive in 2025 for assisting domestic manufacturers to establish key power technologies.
關鍵詞：車載充電器、碳化矽、高功率密度
Keywords：On-board charger, Silicon carbide, High power density
前言
全球淨零碳排已成為各國追求的目標，電動車崛起為實現此目標之重要途徑之一，隨全球電動車數量快速成長，充電所需的電力也日益加重電網負荷，高效電力供需最佳化尤為重要。當今電動汽車存有電池高成本和低續航問題，提高充電效率的快速充電技術為目前的發展趨勢，而充電電源轉換器的體積和重量會對車輛的續航里程產生重要影響，為了減輕重量、體積及支援更廣泛地充電範圍，高效率、高功率密度及快速充電為各廠商高度重視的目標。此外，電動車與電網聯結(Vehicle-to-Grid, V2G) 的電路架構，由雙向車載充電器將車載電池配合智慧管理進行對電網供電為另一發展趨勢。因此，高效率快速充電與雙向充電架構為近年來車載充電電源轉換器所探討的議題。對於插電式電動汽車(Plug-in Electric Vehicle,PEV) 包括: 純電動汽車(Battery Electric Vehicle,
BEV) 和插電式混合動力電動汽車(Plug-in HybridElectric Vehicle, PHEV)，需要一車載充電器(OBC)將來自電動汽車供電設備的交流輸入電源轉換為直流電源提供給車載電池。根據US Drive 車載充電器的技術目標表明，2025 年OBC 的體積功率密度和重量功率密度預計分別由2020 年目標3 kW/L和3.5 kW/kg，峰值效率97%，提升到4 kW/L 和4.6kW/kg，峰值效率須達到98%，圖1[1]。目前商用車載充電器產品多採矽功率元件，如: FinePower[2]、Currentways [3]、DANA [4] 的體積功率密度
皆< 1 kW/L。Brusa 的 NLG664 和 NLG667 車載充電器，使用傳統的矽開關元件，採液冷散熱，兼容單相7 kW 和三相，單效率超過90%、三相效率超過94%，體積和重量功率密度約為2 kW/L [5-6]。Delta 提供了一種兼容高達10 kW 輸入功率的車載充電器，由OBC 的液體冷卻熱管理的詳細熱分析提供，該拓撲顯示為圖騰柱無橋升壓PFC、隔離式 LLC 諧振轉換器和帶二極體的輸出整流，充電器的最高效率為95.8%，使用 Si 元件時功率密度為1.4 kW/L，使用 GaN 元件時功率密度為2.5kW/L [7]。Wolfspeed 提出6.6 kW 雙向電動汽車車載充電器，具有高效率和高功率密度。採用CCM圖騰柱 PFC 開關頻率為67 kHz，CLLC 諧振轉換器開關頻率為150 kHz-300 kHz，展示了3.3 kW/L 功率密度，峰值效率超過96.5% [8]。
圖 1 US Drive車載充電器技術目標示意圖 [1]
OBC有單向和雙向電路架構，可由交流轉直流(AC/DC)的單級或由交流轉直流(AC/DC)及直流轉直流(DC/DC)的兩級電路架構組成，AC/DC電路拓樸包含單相及三相功率因素校正架構，根據SAE J1772 標準 [9]，EV OBC根據其功率級別分為1級、2級和3級，單相拓撲通常用於0-7 kW的功率範圍(1級~2級)，而三相拓撲用於7-43.5 kW的功率範圍(2級~3級) ，如圖3。針對高效率快充電源的需求，雙向三相電源電路拓樸為未來發展之趨勢。工研院機械所智慧車輛組為符合雙向及高功率電源充放電功能需求，採用雙向三相式充放電共用拓璞設計，電路拓樸為可雙向式之Three phase two level PFC及CLLC諧振轉換電路作為電力轉換器電源。透過功率繼電器切換可兼容單相/三相式車載充電電源操作，整合三相電路，可將原先單相電路功率提高三倍，故車載充電電源功率單相7 kW，可提升至三相充電功率≧22 kW，另外透過運用寬能隙之碳化矽元件及軟切換控制手法以將充電電源效率提升至98%以上。本研究開發規劃是基於美國US Drive 2025年對於車載充電器的技術要求的功率密度作為指標參考目標，功率元件採用寬能隙元件之SiC功率開關，透過系統性分析與設計技術發展，提供高功率密度的車載充電器設計方案，並導入國際標竿產品做分析參考，進而建立高壓高功率密度之車載充電器分析能量及電力系統驗證技術，期能後續符合美國US Drive 2025年之功率密度研究目標，以協助國內廠商建立關鍵電力技術。以上已初步介紹US Drive車載充電器技術目標、車載充電器效率、功率密度現況及車載充電器分類資訊。接著，以下內容將針對OBC的電路架構、相關標準與電路的設計實現做更進一步的探討介紹。
圖2 車載充電器效率和功率密度比較整理圖 [2-12]
圖3 車載充電器分類圖 [9-10]
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