交通電氣化建立在創新發展的基礎上，不僅在電池技術和快速充電器方面，而且在車載充電器 （OBC） 方面，這些充電器 （OBC） 支持通過更小、更輕、更冷、更便宜的解決方案進行高達 2 級充電。

在 Wolfspeed 的引擎蓋下是什么系列的這一章中，了解 OBC 功能、架構，并了解它們對保持電池健康的重要性。

OBC的工作

當電動汽車使用合適的電纜連接到 1 級或 1 級墻壁插座或電動汽車供電設備 （EVSE） 時，OBC處理從基礎設施電網為高壓 （HV） 直流電池組充電的關鍵功能。盡管看起來很簡單，但此功能還有更多功能：

功率轉換：OBC 接受 1 級或 2 級交流輸入，將其轉換為直流并輸出適當的電壓和電流。根據電動汽車電池組架構，直流輸出可能在 200 VDC 和超過 900 VDC 之間。OBC 為單相交流家用充電提供 1.3-19.2 kW 的功率，為多相交流電（如商業充電）提供 11-22 kW 的功率。此外，還有一種雙向OBC，因此電動汽車可以充當家庭儲能系統（ESS）或為電網提供備用電源。

通信：OBC 負責通信電池的剩余充電狀態、系統中的任何故障以及插入/持續充電狀態。例如，這種通信對于在車輛插入電源時禁用電動汽車牽引力非常重要。

鋰離子充電曲線：充電器處理電池組的充電曲線，可能包括 3-4 個階段。OBC 通過測量流向電池組的電流或在雙向功能的情況向電網的電流來監控輸送的電荷。

鋰離子電荷曲線

OBC 控制電池充電的電流和電壓，以延長電池壽命。這是通過提供恒流或恒壓充電來完成的，具體取決于電池的充電狀態。

典型的鋰離子充電曲線1包括對應于充電狀態的模式：

預充電：這種偽修復模式允許恢復鈍化層，當電池長時間處于深度放電狀態時，鈍化層可能會溶解。在這種模式下，OBC 以低 C 速率（通常在 IPRE 的指定電流下為 0.1C）為電池充電，直到電池電壓達到 2.5-3 V 的閾值V PRE。

恒流：這種快速充電模式使用恒流調節，通常在0.5C至1C（ICHG）下，并有助于大部分電池充電。

恒壓：為避免過度充電的風險，這會縮短電池壽命，OBC 進入接近 4.2 V 峰值電池電壓的恒壓調節階段。此時電池通常充電65-70%，電流在固定電壓下開始逐漸減少。

充電終止：當充電進入完成模式時，輸送到電池組（IEND）的電流降低到額定容量（Ah）的3-5%或0.02C，最終停止充電輸送以避免過度充電。

再充電：當電池電壓因系統使用或長時間不使用而下降并達到充電閾值電壓VRECHG時，開始“充值”充電。

落后建筑

OBC 的關鍵組件包括一個 AC-DC 整流器，該整流器可與單相或三相功率因數校正 （PFC） 級集成，確保將有功功率（而不是無功功率）傳遞到電池。在此之后，隔離式DC-DC轉換器（通常使用諧振架構和軟開關以降低損耗）提供隔離和可控電壓源。微型滾壓儀提供了處理充電曲線、故障和通信等復雜要求所需的控制。

讓我們仔細看看這些組件。

功率因數校正器

PFC級通常集成到輸入級中，輸入級包括EMI濾波器、全橋、無橋或圖騰柱整流器以及一個或多個電容器;并聯電容器是處理PFC的主要部件。 但為什么它很重要？

交流電壓和電流是正弦的，在幅度和方向上連續變化。任何時刻的交流功率都是由該時刻的電壓和電流的乘積給出的。交流電路中的電抗元件會導致電壓和電流“不同步”。

這意味著在每個交流周期的低壓部分輸送的電流明顯更多。因此，即使傳輸低“實際”功率，電路也必須承載大電流以提供無功功率，該無功功率在下一個周期中由負載返回。例如，一個 120 V 插座在 12% 無功功率 （PFC = 50.0） 下提供 5 A 電流，實際功率僅為 720 W，而不是 1.44 kW。這種無功功率還會導致系統中的過熱，這是可以避免的，并可能導致熱問題。

全橋整流器、平滑電容器以及直流輸出上的容性和感性負載引起高無功功率。有源PFC使用升壓轉換器在電感器的幫助下對齊電流和電壓波形。設計人員可從多種拓撲結構中選擇一種 – 全橋升壓、通過避免輸入二極管橋來降低損耗的無橋、帶或不帶二極管的圖騰柱，以及交錯以適應多相以獲得更高功率。

控制電流的操作模式包括：

連續導通模式 （CCM）：它是大功率應用最常見的，如 OBC。它連續地將電流傳遞到開關電抗器，即電感器。

過渡模式 （TM）：也稱為臨界導通模式（CrCM 或 CRM），它允許電感電流達到 0 A。它采用零電流開關 （ZCS）。

非連續導通模式 （DCM）：電流降至 0 A，并在一定時間間隔內保持關斷狀態。但是，它需要更高的峰值電流。

雙向直流-直流

DC-DC 轉換器為高壓電池提供受控輸出。其拓撲結構通常為諧振轉換器，具有軟開關功能，可降低損耗。雙向性通常使用 CLLC 拓撲實現。輸出電壓和電流會隨開關頻率而變化，因為后者會影響增益。高頻變壓器在 DC-DC 輸出和交流壁源之間提供電氣隔離，以防止故障事件期間的電壓尖峰。設計人員更喜歡使用更高的開關頻率，以便他們可以使用更小、更輕的高頻變壓器。

與硬開關相比，通過軟開關，可以實現零電壓 （ZVS） 和零電流開關 （ZCS），以確保 MOSFET 兩端的電壓或電流在打開或關閉時為零。這減少了開關期間的功率損耗。

在圖5所示的增益曲線中，電流引線電壓和ZCS在區域1中實現。區域 2 和 3 提供 ZVS 操作。直流增益隨這些區域的品質因數 Q 而變化，具體取決于負載水平。在ZVS下工作可能優于ZCS，因為在非常高的輸入電壓下，導通損耗會降低效率并限制開關頻率。阿拉伯數字

數字控制器

控制器模塊使用反饋環路為 PFC 和 DC-DC 轉換器實現控制算法。典型的控制器卡或子系統包括處理器、其自己的電源單元、放大器、傳感器以及電壓和電流反饋電路。

微控制器本身通常包括高精度模數轉換器（ADC），用于精確的電流和電壓檢測以及故障測量。它具有可配置的高分辨率脈寬調制 （PWM） 輸出，用于開關 MOSFET。它可能有多個處理內核來處理復雜的數學運算和其他功能，如故障觸發器，以及安全功能，如冗余內核。

結論

即使這里描述的基本功能成立，這種關鍵的電動汽車系統也在不斷向更高的功率和三相性能發展，以保持尺寸、重量和成本的降低。

審核編輯：郭婷