车载 OBC 全栈 — 双向 11kW + V2G + ISO 15118

OBC 是电网与电池之间的两级隔离桥 — AC 输入侧通过 EMI filter 滤掉 SiC 高 dv/dt 噪声,PFC 把三相 50Hz 整成稳定 DC link,再由 DAB 跨变压器把 DC link 调整到电池目标电压。下图把 7 个模块 + 双向能量流一次画清楚,作为后面所有 trade-off 讨论的基线。

电网侧的关键决策是单相还是三相:

• 单相 220V / 32A → 7.4 kW (家用墙插)
• 三相 380V / 16A → 11 kW (EU 标准 + 中国住宅停车场)
• 三相 380V / 32A → 22 kW (高端,Tesla Wall Connector / 充电站)

EMI filter 设计参考 topic-emc-filter-deep — CM choke + Y cap(共模) + X cap + DM 电感(差模),目标 CISPR 25 Class 4 + 6 dB margin。OBC 在功率密度有限制(车上),filter 体积 / 重量是设计硬约束。

PFC 阶段是 OBC 第一级,6-Switch (Active Front End) 是双向 OBC 的事实标准 — 简单、双向、ASIL B 易过。控制层走 topic-three-phase-pfc-deep 的 dq 解耦 + PLL + 双环 PI 结构。典型频率 12-20 kHz (SiC) → 母线 50Hz 整成 400-600V DC link,功率因数 1 + THD < 5%。

链接深页:三相 PFC 深度 / SVPWM 深度

6-Switch 选型:

• SiC MOSFET 1200V × 6 → Wolfspeed CAB011M12FM3 / Infineon AIMW120R030M1
• Si IGBT 1200V × 6 → 成本档,效率掉 2-3%
• 国产 SiC → 比亚迪自研 / 斯达 / 时代电气

DC link 是两级的"中介总线" — 由 PFC 输出维持,DAB 输入参考。典型电压 400-600V(单相)/ 500-800V(三相),容量 1-5 mF。

主流方案:薄膜电容 (X cap-grade) 替代电解 — 寿命 10 万小时 + 高纹波电流耐受,EV 标配。容值由 100Hz 二次纹波 + DAB 切换瞬态电流共同决定。

链接深页:DC link 设计

DAB 是 OBC 第二级,所有双向 OBC 都用 DAB — 隔离 + 双向天然支持。SPS 单移相是基础调制(11kW 普遍用),EPS 双移相用于轻载效率优化(高端 OBC 切)。详见 topic-dab-soft-switching-deep。

典型 11kW DAB:

• 一次电压 400-600V,二次电压 200-450V (电池)
• 变压器变比 1.0-1.3,漏感 10-30 μH
• 开关频率 100-200 kHz
• 满载效率 97-98%

OBC 与 BMS 是强协同关系 — BMS 通过 CAN 告诉 OBC 当前 SOC、目标电压、最大充电电流;OBC 实时调整功率;BMS 监视过充 / 过温 SG。

握手序列:

1. 充电桩接 OBC → CCS Plug & Play
2. 整车 VCU 命令 BMS 上电 → BMS 闭 K2 (预充) → 闭 K1
3. BMS 告诉 OBC 充电参数 (SOC, V_target, Imax)
4. OBC 跑 PFC + DAB 闭环输出
5. 接近满电 → BMS 降目标电流 → OBC 跟随 → CC → CV → 截止

链接深页:BMS overview / HV 预充电

OBC 控制器 + 安全层:

MCU 主流:

• Infineon Aurix TC397 — ASIL D,旗舰双向 OBC (比亚迪 / 蔚来)
• TI TMS320F28xxx — ASIL B,通用 OBC 主流
• NXP S32K3xx — ASIL B/D,经济款

功能安全等级:

• ASIL B(主流):防止充电过流 / 过压
• ASIL D(V2G 双向 + V2L 输出 230V 时):防止回灌触电

通讯:

• CCS / ISO 15118 — 充电桩握手 + PnC + V2G
• CAN-FD to VCU + BMS — 整车协同
• UDS over CAN — 诊断
• SecOC — 报文认证

V2G (Vehicle to Grid) 把电池能量回灌电网,典型 11kW 反向。需要:

• DAB 反向 SPS 控制 (φ 反号)
• PFC 反向变换为 Grid-Tied Inverter (4-Quadrant)
• ISO 15118-20 V2G 协议握手

V2L (Vehicle to Load) 给外部负载供 220V / 380V AC (野外用电、工地、家电):

• 内部独立 Inverter 输出 50Hz 正弦
• 比亚迪 e3.0 平台 / Tesla Cybertruck / 福特 F-150 Lightning 都支持
• 典型输出 3-6 kW

链接深页:V2G/V2L 实现 / Grid-Tied Inverter

OBC 合规由通讯协议层 + 安规层 + EMC 层三类标准联立约束,缺一项都过不了 PPAP。新工程师常把所有标准混成"一堆 ISO 数字",其实它们各管一段:握手在 ISO 15118 / CCS / IEC 61851,EMC 在 CISPR 25,安全在 UL 2202 / GB 18487。下面按功能层列出:

• ISO 15118 / SAE J2847 — Plug & Charge + V2G 协议 (2023 起强制)
• IEC 61851 — 基础充电规范 (Mode 2/3/4)
• CCS — DC 快充协议
• GB 18487 / GB 27930 — 中国市场充电
• UN R10 / CISPR 25 — EMC
• UL 2202 — 北美安全
• ISO 26262 — 功能安全开发流程

到 2026 年量产 OBC 已成熟分层,价位与功能档位明确:经济 7.4kW 单相 (BOM 300-500 美元) 走 7.4kW 单相单向、主流 11kW 三相 (600-900 美元) 占据中端、旗舰 22kW 双向 (1200 美元起) 同时承担 V2G/V2L。下表汇总 2026 真实量产 OBC 配置:

OBC 的 failure mode 围绕充电过流 / 过压 / 通讯失联 / 隔离失效 / 发热集中。下表把工程上 FMEDA 必覆盖的 7 类列出:

新主管 onboard 一个 OBC 项目,第一周必须钉死的 10 个决策列在下面 — 顺序大致是"从市场往下推"(功率档决定拓扑、拓扑决定器件、器件决定冷却),反着做会反复返工:

1. 功率档 → 7.4 / 11 / 22 kW(看车型 + 市场)
2. 单向 / 双向 → 决定 PFC 是 Vienna(单向)还是 6-Switch(双向)
3. DAB 调制 → SPS 基础 / EPS 优化轻载
4. SiC vs Si → SiC 主流,Si 仅在低功率经济款
5. DC link cap 选型 → 薄膜(EV 标配)
6. MCU 平台 → TC397 / S32K3 / TMS320F28
7. ASIL 等级 → B(单向)/ D(V2G)
8. 充电协议 → ISO 15118 + CCS + IEC 61851 全栈
9. V2G/V2L 支持 → 看 OEM 战略
10. 冷却 → 液冷 (旗舰) / 风冷 (经济)