車載充電器：為電動充電

交通電氣化建立在創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)上，不僅在電池技術(shù)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(jìn)行高達(dá) 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(gòu)，并了解它們對保持電池健康的重要性。

OBC的工作

當(dāng)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(shè)備 （EVSE） 時，OBC處理從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)為高壓 （HV） 直流電池組充電的關(guān)鍵功能。盡管看起來很簡單，但此功能還有更多功能：

功率轉(zhuǎn)換：OBC 接受 1 級或 2 級交流輸入，將其轉(zhuǎn)換為直流并輸出適當(dāng)?shù)碾妷汉?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流。根據(jù)電動汽車電池組架構(gòu)，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(yè)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(dāng)家庭儲能系統(tǒng)（ESS）或為電網(wǎng)提供備用電源。

通信：OBC 負(fù)責(zé)通信電池的剩余充電狀態(tài)、系統(tǒng)中的任何故障以及插入/持續(xù)充電狀態(tài)。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(wǎng)的電流來監(jiān)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(tài)。

典型的鋰離子充電曲線1包括對應(yīng)于充電狀態(tài)的模式：

預(yù)充電：這種偽修復(fù)模式允許恢復(fù)鈍化層，當(dāng)電池長時間處于深度放電狀態(tài)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(dá)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(diào)節(jié)，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(fēng)險，這會縮短電池壽命，OBC 進(jìn)入接近 4.2 V 峰值電池電壓的恒壓調(diào)節(jié)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(dāng)充電進(jìn)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(dāng)電池電壓因系統(tǒng)使用或長時間不使用而下降并達(dá)到充電閾值電壓VRECHG時，開始“充值”充電。

落后建筑

OBC 的關(guān)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(shù)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(zhuǎn)換器（通常使用諧振架構(gòu)和軟開關(guān)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(fù)雜要求所需的控制。

讓我們仔細(xì)看看這些組件。

功率因數(shù)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(lián)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(xù)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(dǎo)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?shù)汀皩嶋H”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(fù)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(dǎo)致系統(tǒng)中的過熱，這是可以避免的，并可能導(dǎo)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(fù)載引起高無功功率。有源PFC使用升壓轉(zhuǎn)換器在電感器的幫助下對齊電流和電壓波形。設(shè)計人員可從多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)多相以獲得更高功率。

控制電流的操作模式包括：

連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM）：它是大功率應(yīng)用最常見的，如 OBC。它連續(xù)地將電流傳遞到開關(guān)電抗器，即電感器。

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

非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM）：電流降至 0 A，并在一定時間間隔內(nèi)保持關(guān)斷狀態(tài)。但是，它需要更高的峰值電流。

雙向直流-直流

DC-DC 轉(zhuǎn)換器為高壓電池提供受控輸出。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常為諧振轉(zhuǎn)換器，具有軟開關(guān)功能，可降低損耗。雙向性通常使用 CLLC 拓?fù)鋵崿F(xiàn)。輸出電壓和電流會隨開關(guān)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(shè)計人員更喜歡使用更高的開關(guān)頻率，以便他們可以使用更小、更輕的高頻變壓器。

與硬開關(guān)相比，通過軟開關(guān)，可以實現(xiàn)零電壓 （ZVS） 和零電流開關(guān) （ZCS），以確保 MOSFET 兩端的電壓或電流在打開或關(guān)閉時為零。這減少了開關(guān)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(qū)域1中實現(xiàn)。區(qū)域 2 和 3 提供 ZVS 操作。直流增益隨這些區(qū)域的品質(zhì)因數(shù) Q 而變化，具體取決于負(fù)載水平。在ZVS下工作可能優(yōu)于ZCS，因為在非常高的輸入電壓下，導(dǎo)通損耗會降低效率并限制開關(guān)頻率。阿拉伯?dāng)?shù)字

數(shù)字控制器

控制器模塊使用反饋環(huán)路為 PFC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)控制算法。典型的控制器卡或子系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)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(diào)制 （PWM） 輸出，用于開關(guān) MOSFET。它可能有多個處理內(nèi)核來處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和其他功能，如故障觸發(fā)器，以及安全功能，如冗余內(nèi)核。

結(jié)論

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

審核編輯：郭婷