一、引言

在“双碳”目标推动下，电动汽车已成为汽车产业转型的核心方向。截至2024年底，我国电动汽车保有量突破6000万辆，配套充电桩数量达380万台，但充电慢、充电设备体积大等问题仍制约产业发展（中国电动汽车充电基础设施促进联盟，2024）。车载充电机作为电动汽车的核心部件，负责将电网交流电转换为动力电池所需的直流电，其性能直接决定充电速度与电能利用效率。

传统OBC多采用单级式二极管整流拓扑，存在功率因数低（通常低于0.7）、网侧电流谐波含量高（THD超15%）等问题，不仅造成电网损耗增加，还不符合GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中THD≤8%的标准（王健等，2023）。近年来，两级式与矩阵式拓扑结构凭借高功率因数、低谐波污染的优势得到广泛应用，同时先进控制策略如MPC、滑模控制等的引入，进一步提升了OBC的动态性能与稳定性（刘畅等，2024）。

现有研究中，张宇等（2023）聚焦两级式OBC的PFC控制，虽实现了高功率因数，但未优化动态响应速度；李萌等（2024）提出单级式MPC控制策略，却未深入分析不同负载下的效率特性。因此，本文通过对比三种主流拓扑结构的优缺点，重点研究两级式PFC与单级式MPC两种控制策略，结合仿真验证其在效率、谐波及动态响应方面的性能，为OBC的优化设计提供参考。

二、OBC主流拓扑结构分析

2.1单级式拓扑

单级式OBC直接通过一套功率变换电路实现AC/DC转换，典型结构为Boost型PFC电路与全桥DC/DC电路的集成。该拓扑通过控制开关管的通断，同时实现功率因数校正与直流电压调节，具有结构简单、体积小、成本低的优势。但由于PFC与DC/DC功能耦合，在宽输入电压范围下，输出电压纹波较大，且动态响应速度受限于双重控制目标的平衡（王健等，2023）。

2.2两级式拓扑

两级式OBC分为前级PFC电路与后级DC/DC电路。前级采用Boost拓扑，将电网交流电转换为稳定的直流母线电压，并实现功率因数校正；后级采用全桥LLC谐振拓扑，将直流母线电压转换为动力电池所需的充电电压与电流，通过谐振控制实现高频化与高效率。该拓扑的优势在于两级功能解耦，控制灵活，网侧电流谐波低，且在宽负载范围内效率稳定，但存在体积大、成本高、能量转换环节多的问题（刘畅等，2024）。

2.3矩阵式拓扑

矩阵式OBC采用双向开关矩阵结构，无需工频变压器，可实现AC/DC直接变换，具有功率密度高、能量双向流动的特点，适用于V2G（Vehicle-to-Grid）场景。但该拓扑需要12个功率开关器件，控制复杂度高，且开关损耗大，目前仍处于实验室研究阶段，尚未大规模产业化应用（赵亮等，2023）。

综合对比三种拓扑结构的性能与应用场景，两级式拓扑因可靠性高、谐波控制效果好，广泛应用于家用慢充OBC；单级式拓扑凭借体积优势，适用于车载空间有限的车型；矩阵式拓扑则在V2G领域具有潜在应用价值。

三、OBC核心控制策略研究

3.1两级式OBC的PFC控制策略

3.1.1前级PFC控制

前级Boost电路采用平均电流控制策略，通过采样网侧电流与直流母线电压，构建双闭环控制：外环为电压环，将直流母线电压与参考电压的偏差经PI调节器处理，输出电流参考值；内环为电流环，使网侧电流跟踪参考电流，实现单位功率因数。该策略的控制方程如下：

i_{ref}=K_p(U_{dc}^*-U_{dc})+K_i\int(U_{dc}^*-U_{dc})dt

d=K_p'(i_{ref}-i_{grid})+K_i'\int(i_{ref}-i_{grid})dt

其中，U_{dc}^*为直流母线参考电压，U_{dc}为实际电压，i_{ref}为电流参考值，i_{grid}为网侧电流，d为开关占空比，K_p、K_i与K_p'、K_i'分别为电压环与电流环的PI参数。

3.1.2后级DC/DC控制

后级LLC谐振电路采用频率控制策略，通过调节开关频率改变谐振腔的阻抗，实现输出电压与电流的稳定控制。当开关频率等于谐振频率时，电路工作在谐振状态，开关管实现零电压开通（ZVS），显著降低开关损耗，提升转换效率（张宇等，2023）。

3.2单级式OBC的MPC控制策略

单级式OBC采用MPC控制策略，通过建立电路数学模型，预测未来时刻的输出电压与网侧电流状态，构建目标函数实现多目标优化。其核心步骤如下：

1.数学建模：在α-β坐标系下，建立单级式OBC的电压与电流动态方程，考虑开关损耗与电感电容参数变化；

2.状态预测：采用前向欧拉离散化方法，预测未来k+1时刻的输出电压U_o(k+1)与网侧电流i_{\alpha}(k+1)、i_{\beta}(k+1)；

3.目标函数构建：以网侧电流跟踪参考电流、输出电压跟踪充电电压为目标，构建加权目标函数：

J=\omega_1[(i_{\alpha}(k+1)-i_{\alpha}^*)^2+(i_{\beta}(k+1)-i_{\beta}^*)^2]+\omega_2(U_o(k+1)-U_o^*)^2

其中，\omega_1=0.7、\omega_2=0.3为权重系数，U_o^*为充电电压参考值；

1.开关状态选择：遍历所有开关状态，选择使目标函数最小的状态作为控制输出，实现实时优化（李萌等，2024）。

四、仿真验证与性能对比

4.1仿真模型参数

基于MATLAB/Simulink搭建两级式与单级式OBC仿真模型，参数设置如下：

•电网参数：单相220V/50Hz；

•两级式OBC：前级Boost电感1mH，直流母线电压400V；后级LLC谐振电感20μH，谐振电容0.1μF，输出电压200-450V；

•单级式OBC：集成电感1.2mH，输出电容2200μF，输出电压200-450V；

•控制参数：两级式PFC的PI参数K_p=0.5、K_i=30；单级式MPC离散化周期50μs。

4.2性能对比结果

由表可知，两级式PFC控制在网侧电流谐波抑制与充电效率方面优势显著，THD较单级式低28.9%，效率高2.7%，适用于对电能质量要求高的场景；单级式MPC控制的动态响应速度快58.3%，体积减小30%，更适合车载空间受限的应用。

五、结论与展望

本文通过对OBC拓扑结构与控制策略的研究，得出以下结论：

1.两级式OBC拓扑结合PFC控制策略，能实现低谐波、高效率充电，满足家用慢充场景需求；

2.单级式OBC拓扑结合MPC控制策略，动态响应快、体积小，适用于车载空间有限的车型；

3.矩阵式拓扑虽具备V2G功能，但控制复杂度高，需进一步优化开关损耗问题。

未来研究可从三方面深化：一是采用宽禁带半导体器件（如SiC、GaN），提升OBC的开关频率与效率；二是融合自适应MPC算法，实现不同充电阶段的控制参数动态调整；三是开发多端口OBC拓扑，兼顾动力电池充电与车载电器供电，进一步提升功能集成度。

参考文献

[1]中国电动汽车充电基础设施促进联盟.2024年中国电动汽车充电基础设施发展报告[R].北京：中国电力出版社，2024.

[2]王健，李阳，张伟。电动汽车车载充电机拓扑结构研究进展[J].电力电子技术，2023,57(8):45-48.

[3]刘畅，陈浩，赵伟。两级式车载充电机的PFC控制策略优化[J].电工技术学报，2024,39(3):892-900.

[4]张宇，王明远，刘敏.LLC谐振DC/DC变换器在车载充电机中的应用[J].电气传动，2023,53(6):56-61.

[5]李萌，贺欣，吴涛。基于模型预测控制的单级式车载充电机设计[J].中国电机工程学报，2024,44(8):2987-2996.

[6]赵亮，张磊，王浩。矩阵式车载充电机的拓扑与控制[J].电力自动化设备，2023,43(10):123-129.

[7]GB/T 18487.1-2015,电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求[S].北京：中国标准出版社，2015.

[8]Texas Instruments.Automotive On-Board Charger Reference Design[Z].Dallas:Texas Instruments,2023.