3.2.1 车载充电器设计
车载充电器（OBC）是指安装在汽车上，将交流电变换为直流电为电池包充电的装置。在2017年之前，大多数车载充电器是结构独立、功能单一的产品，功率基本是3.3kW和6.6kW。
随着电动汽车轻量化要求的不断提高，车载充电器的设计逐渐向高集成度发展，现阶段有很多OBC、DC/DC二合一（图3-33）及OBC、DC/DC、PDU三合一的产品，个别企业甚至设计了OBC、DC/DC、PDU、MCU、Motor五合一产品。
除了高度集成化方向外，充放电一体式双向充电也是一个发展方向。这种充电方式不仅可以为电池包充电，也可以将电池包提供的直流电逆变成交流电为交流负载供电。同时，这样的发展方向可以满足未来整车实现V-L、V-V、V-G能量双向传输的要求。
图3-33 OBC、DC/DC二合一
图3-34所示为整车充电及驱动原理。
图3-34 整车充电及驱动原理
1.功能要求
为了保证整车能够正常交流充电，需要满足GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》的要求，此标准主要规定了交流充电控制导引电路与控制原理。
根据GB/T 18487.1—2015，整车可以做出各种高压电气架构，车载充电器根据整车要求做出相应的功能匹配，主要体现在唤醒方式、交流充电插座电子锁控制、交流充电插座温度检测、S2开关控制、休眠方式等。
（1）唤醒方式 车载充电器的唤醒源主要有CP唤醒、CC唤醒、CAN唤醒、硬线唤醒、交流输入电压唤醒。
1）CP唤醒。CP唤醒是车载充电器的常用唤醒方式，其优点是交流充电桩只有在接入市电时才有此信号输出，有了此信号后车载充电器开始唤醒并开始后续的常规工作，避免了一些无端能耗的损失。
2）CC唤醒。一般不采用CC唤醒方式，原因是：
①只要插上交流充电枪，车载充电器就会被唤醒，如果没有市电，那么整车还需要进入休眠状态，增加了能量损失。
②如果相关人员将特定电阻的一端接地，一端接入交流充电插座，此时就会唤醒充电器，存在一定的安全隐患。且整车由于检测到此电阻的存在而不能行驶，增加了各种不必要的麻烦。
3）CAN唤醒。CAN唤醒是目前主流的唤醒方式，原因是现在整车基本都有OTA（空中下载技术）升级要求，但部分低端车型还没有采用此种方式，原因是相比较其他唤醒方式，其需要增加CAN收发器，从而增加了成本。
4）硬线唤醒。目前有部分车企采用此种唤醒方式，其优点是简化了车载充电器充电流程，只需要执行BMS发出的电压、电流请求即可，不需要再对CP的占空比做判断。
5）交流输入电压唤醒。部分早期的电动汽车使用此种唤醒方式，但是现在已经被淘汰。原因是之前的交流充电桩不普遍，为方便充电，许多商用车企为用户提供了充电模式1（图3-35）给电动汽车充电。当接到电网时，充电枪上就已经有交流电了，这种充电方式有非常大的安全隐患。GB/T 18487.1—2015已经明确规定禁止使用此方式给电动汽车充电，标准中规定了交流电压必须是在整车闭合S2开关后才能输出，而此时整车早已经唤醒。
综上所述，唤醒方式基本采用的是CP唤醒、CAN唤醒、硬线唤醒，而CC唤醒、交流输入电压唤醒已经被淘汰。
（2）交流充电插座电子锁控制 交流充电电流大于16A时，车辆接口应具有锁止功能。其原因是在充电过程中电流很大，如果此时用户拔充电枪，会有拉弧的风险。图3-36所示为交流充电插座电子锁。
对于额定功率为6.6kW（额定充电电流为32A）的车载充电器来说，在交流插座上设计了一个电子锁，并且一般都由车载充电器控制。
（3）交流充电插座温度检测 额定充电电流大于16A时，车辆插座应设置温度监控装置，供电设备和电动汽车应具备温度检测和过温保护功能。其原因是在充电过程中电流很大，在某些特殊情况下，车辆插座内高压端子会有很高的温升，如果不对电流加以限制，会导致插座由于热失控而烧坏，进而会引起整车安全问题。
图3-35 充电模式1实物
图3-36 交流充电插座电子锁
一般在车辆插座上安装热敏电阻，并且由车载充电器负责检测。当高压端子的温度上升到一定值时，车载充电器会主动降低功率；如果温度升到了限值，则会关闭输出。
（4）S2开关控制 电动汽车在充电过程中，S2开关具有重要作用。交流充电桩只有检测到S2开关闭合才开始发送PWM波，这意味着整车充电即将开始；检测到S2开关断开，说明整车已经完成充电，进入结束停机状态。S2开关一般也是由车载充电器控制的。
（5）休眠方式 车载充电器的休眠方式一般分为软休眠、硬线休眠、强制休眠。
1）软休眠。车载充电器完成充电后，等待整车控制器或电池管理系统通过CAN信号发送休眠指令。
2）硬线休眠。车载充电器完成充电后，等待整车控制器或电池管理系统将硬线唤醒信号改为低电平。
3）强制休眠。本身定义的软休眠或硬线休眠失效后，整车不能使车载充电器持续耗电，会要求车载充电器自动休眠。
2.基础测试
车载充电器作为电动汽车的重要组成部件，设计合理与否对整车高压电气系统的安全有重要影响。产品设计出来后，首先需要做一些基础测试，其基础测试标准为QC/T 895—2011《电动汽车用传导式车载充电机》。此标准的测试主要分为高压电气性能、电气安全、环境适应性、谐波电流、耐久、电磁兼容等见表3-4。
表3-4 检验项目
（1）基本高压性能试验 高压电气性能主要包括起动冲击电流、输出电压误差、输出电流误差、电压纹波系数、功率因数和充电效率、输出响应时间等。
1）起动冲击电流测试。要求车载充电器的起动冲击电流（输入电流）不应大于输入电流最大值的150%，起动电流过大会对车载充电器的输入端电容、熔断器等器件造成一定程度的伤害，从而影响可靠性，严重时甚至会影响充电安全。
2）输出电压误差、输出电流误差。车载充电器的充电模式主要是恒压、恒流输出，对电压、电流的检测精度要有明确的要求。具体要求是输出电压与设定电压的误差应为±1%，输出电流与设定电流的误差应为±5%，只有精度满足要求，才能满足电池管理系统（BMS）发出的电压、电流请求，给电池包充电，否则有可能使电池包过充电，严重时可能发生起火爆炸事故。
3）电压纹波系数。要求车载充电器电压纹波系数应为±5%，车载充电器在输出的过程中，无论何种滤波电路都会存在电压纹波，纹波系数越大，充电电流波动越大，严重时产生浪涌电压，导致车载充电器硬件故障。
4）功率因数和充电效率。要求车载充电器在额定输入电压、额定负载的情况下，充电效率不小于90%、功率因数不小于0.92。功率因数和充电效率是开关电源的重要参数。
功率因数越高，对供电电源的利用率就越高，功率因数越低，则供电电源的损失就越大。目前车载充电器大多采用功率因数校正（PFC）电路来提高功率因数，一般可使功率因数达到0.98及以上。
车载充电器在输出的过程中会有功率损耗，原因是电池包内部存在电阻，通过热能的方式将其消耗。充电效率越高，说明有越多的电能转换成电池包需要的化学能，一般充电效率达到0.94及以上。
5）输出响应时间。输出响应时间可以分为起动响应时间、停机响应时间，要求车载充电器的输出电压时间小于5s，超调量小于10%；在收到关机命令后，300ms内电流降低到10%以下，500ms内降至0A。
起动响应时，车载充电器应立即响应，如果超过一定的时间没有输出，那么BMS会判定车载充电器已经损坏，按故障进行处理。同时响应后，还需要控制好超调量，如果超出BMS给出的电压/电流请求，那么会对动力蓄电池造成伤害，严重时会起火爆炸。
停机响应时，车载充电器应立即响应，如果超过一定的时间还在输出，会对动力蓄电池造成伤害，且BMS会报输入电流过大故障，按故障进行处理。
（2）保护功能试验 车载充电器的保护功能对整个充电过程的安全具有重要意义，主要包括输入欠电压/过电压保护、输出欠电压/过电压保护、短路保护、过温保护、反接保护。
1）输入欠电压/过电压保护。当电网电压偏低或偏高时，车载充电器应通过电压检测电路实现相应的保护，防止充电器内部过热导致损坏。目前，充电器对输入电压的保护阈值一般设置为90~270V，如果超出这个范围，则直接关闭输出。
2）输出欠电压/过电压保护。车载充电器输出电压过高不仅会使充电器内部的元器件损坏，同时也会对其他高压部件造成损害，如动力蓄电池。
充电器输出电压过低，对充电机内部本身不会造成损坏，但是对动力蓄电池会造成损害，原因是充电器在工作的过程中，还需实时检测电池包两端的高压。如果电池包两端的电压已经过低，电池已经不允许充电且在BMS已经失效的情况下，充电器仍强行给电池包充电，严重时会造成电池内短路从而起火爆炸。
3）短路保护。短路保护分为起动前保护、工作过程中保护。目前，车载充电器在起动前会检测电池包两端电压，如果存在短路情况，充电器禁止工作。工作过程中，检测到电池两端正、负极短路，充电器会以毫秒级别的速度关闭输出。
4）过温保护。电子元器件都有工作环境温度要求，如果温度过高，则会烧坏元器件。车载充电器在工作过程中，发热量比较大的是功率因数校正（PFC）控制器、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS管）和变压器，所以基本会在这几个模块布置温度采样点，只要有一处超过温度报警阈值，充电器就会主动降功率，如果温度持续升高，则断开输出。温度正常后，充电器正常工作。
5）反接保护。车载充电器在起动前会检测电池包两端电压，如果存在反接情况，充电器禁止工作。故障排除后，充电器正常工作。
其他检验项目属于常规性测试及要求，此处不做介绍。
3.故障诊断
电动汽车在充电过程中，可能会遇到充电中断或无法充电的问题，其原因有很多。在开发阶段，研发工程师可以使用CANalyzer、PCAN、CANoe等工具，通过连接整车的车载诊断系统（OBD）接口读取报文来分析原因。但一旦某款车型量产之后，会有很多车辆流入市场，此时再通过以上方式进行分析处理就不现实了。
为了方便解决售后问题，必须要开发故障诊断功能。当车辆不能正常充电时，通过诊断仪读取故障码（DTC），在第一时间内找到原因。车载充电器的DTC内容见表3-5。
表3-5 车载充电器的DTC内容
DTC产生条件、恢复条件、严重等级、起始字节、DTC码及对整车的影响需要与具体的项目相匹配。同时DTC尽量与通信矩阵中的故障定义一一对应，另外也需要将实现功能的控制点写到DTC中，如S2开关是否闭合，如果在规定时间内没有闭合则上报故障。