车载充电器：为电动充电

交通电气化建立在创新发展的基础上，不仅在电池技术和快速充电器方面，而且在车载充电器 （OBC） 方面，这些充电器 （OBC） 支持通过更小、更轻、更冷、更便宜的解决方案进行高达 2 级充电。

在 Wolfspeed 的引擎盖下是什么系列的这一章中，了解 OBC 功能、架构，并了解它们对保持电池健康的重要性。

OBC的工作

当电动汽车使用合适的电缆连接到 1 级或 1 级墙壁插座或电动汽车供电设备 （EVSE） 时，OBC处理从基础设施电网为高压 （HV） 直流电池组充电的关键功能。尽管看起来很简单，但此功能还有更多功能：

功率转换：OBC 接受 1 级或 2 级交流输入，将其转换为直流并输出适当的电压和电流。根据电动汽车电池组架构，直流输出可能在 200 VDC 和超过 900 VDC 之间。OBC 为单相交流家用充电提供 1.3-19.2 kW 的功率，为多相交流电（如商业充电）提供 11-22 kW 的功率。此外，还有一种双向OBC，因此电动汽车可以充当家庭储能系统（ESS）或为电网提供备用电源。

通信：OBC 负责通信电池的剩余充电状态、系统中的任何故障以及插入/持续充电状态。例如，这种通信对于在车辆插入电源时禁用电动汽车牵引力非常重要。

锂离子充电曲线：充电器处理电池组的充电曲线，可能包括 3-4 个阶段。OBC 通过测量流向电池组的电流或在双向功能的情况向电网的电流来监控输送的电荷。

锂离子电荷曲线

OBC 控制电池充电的电流和电压，以延长电池寿命。这是通过提供恒流或恒压充电来完成的，具体取决于电池的充电状态。

典型的锂离子充电曲线1包括对应于充电状态的模式：

预充电：这种伪修复模式允许恢复钝化层，当电池长时间处于深度放电状态时，钝化层可能会溶解。在这种模式下，OBC 以低 C 速率（通常在 IPRE 的指定电流下为 0.1C）为电池充电，直到电池电压达到 2.5-3 V 的阈值V PRE。

恒流：这种快速充电模式使用恒流调节，通常在0.5C至1C（ICHG）下，并有助于大部分电池充电。

恒压：为避免过度充电的风险，这会缩短电池寿命，OBC 进入接近 4.2 V 峰值电池电压的恒压调节阶段。此时电池通常充电65-70%，电流在固定电压下开始逐渐减少。

充电终止：当充电进入完成模式时，输送到电池组（IEND）的电流降低到额定容量（Ah）的3-5%或0.02C，最终停止充电输送以避免过度充电。

再充电：当电池电压因系统使用或长时间不使用而下降并达到充电阈值电压VRECHG时，开始“充值”充电。

落后建筑

OBC 的关键组件包括一个 AC-DC 整流器，该整流器可与单相或三相功率因数校正 （PFC） 级集成，确保将有功功率（而不是无功功率）传递到电池。在此之后，隔离式DC-DC转换器（通常使用谐振架构和软开关以降低损耗）提供隔离和可控电压源。微型滚压仪提供了处理充电曲线、故障和通信等复杂要求所需的控制。

让我们仔细看看这些组件。

功率因数校正器

PFC级通常集成到输入级中，输入级包括EMI滤波器、全桥、无桥或图腾柱整流器以及一个或多个电容器;并联电容器是处理PFC的主要部件。 但为什么它很重要？

交流电压和电流是正弦的，在幅度和方向上连续变化。任何时刻的交流功率都是由该时刻的电压和电流的乘积给出的。交流电路中的电抗元件会导致电压和电流“不同步”。

这意味着在每个交流周期的低压部分输送的电流明显更多。因此，即使传输低“实际”功率，电路也必须承载大电流以提供无功功率，该无功功率在下一个周期中由负载返回。例如，一个 120 V 插座在 12% 无功功率 （PFC = 50.0） 下提供 5 A 电流，实际功率仅为 720 W，而不是 1.44 kW。这种无功功率还会导致系统中的过热，这是可以避免的，并可能导致热问题。

全桥整流器、平滑电容器以及直流输出上的容性和感性负载引起高无功功率。有源PFC使用升压转换器在电感器的帮助下对齐电流和电压波形。设计人员可从多种拓扑结构中选择一种 – 全桥升压、通过避免输入二极管桥来降低损耗的无桥、带或不带二极管的图腾柱，以及交错以适应多相以获得更高功率。

控制电流的操作模式包括：

连续导通模式 （CCM）：它是大功率应用最常见的，如 OBC。它连续地将电流传递到开关电抗器，即电感器。

过渡模式 （TM）：也称为临界导通模式（CrCM 或 CRM），它允许电感电流达到 0 A。它采用零电流开关 （ZCS）。

非连续导通模式 （DCM）：电流降至 0 A，并在一定时间间隔内保持关断状态。但是，它需要更高的峰值电流。

双向直流-直流

DC-DC 转换器为高压电池提供受控输出。其拓扑结构通常为谐振转换器，具有软开关功能，可降低损耗。双向性通常使用 CLLC 拓扑实现。输出电压和电流会随开关频率而变化，因为后者会影响增益。高频变压器在 DC-DC 输出和交流壁源之间提供电气隔离，以防止故障事件期间的电压尖峰。设计人员更喜欢使用更高的开关频率，以便他们可以使用更小、更轻的高频变压器。

与硬开关相比，通过软开关，可以实现零电压 （ZVS） 和零电流开关 （ZCS），以确保 MOSFET 两端的电压或电流在打开或关闭时为零。这减少了开关期间的功率损耗。

在图5所示的增益曲线中，电流引线电压和ZCS在区域1中实现。区域 2 和 3 提供 ZVS 操作。直流增益随这些区域的品质因数 Q 而变化，具体取决于负载水平。在ZVS下工作可能优于ZCS，因为在非常高的输入电压下，导通损耗会降低效率并限制开关频率。阿拉伯数字

数字控制器

控制器模块使用反馈环路为 PFC 和 DC-DC 转换器实现控制算法。典型的控制器卡或子系统包括处理器、其自己的电源单元、放大器、传感器以及电压和电流反馈电路。

微控制器本身通常包括高精度模数转换器（ADC），用于精确的电流和电压检测以及故障测量。它具有可配置的高分辨率脉宽调制 （PWM） 输出，用于开关 MOSFET。它可能有多个处理内核来处理复杂的数学运算和其他功能，如故障触发器，以及安全功能，如冗余内核。

结论

即使这里描述的基本功能成立，这种关键的电动汽车系统也在不断向更高的功率和三相性能发展，以保持尺寸、重量和成本的降低。