上图展示了交流充电时的能量流动逻辑,分为“桩端”和“车端”两部分, OBC核心功能:把交电变成高压直流给电池充电。
为便于理解OBC在整车系统中的关联,下图给出了整车系统框图,呈现了OBC在整车里的关系网络。 慢充口是OBC与外部交流充电设备的接 口 。L(相线)、N(零线)引入交流电 源;PE(保护地)保障电气安全;CC(连 接确认)、CP(控制引导)实现连接状态 检测与充电控制信号交互。 12V辅助电源为OBC内部电路供电;高 压互锁进/出用于高压系统异常检测与保 护;充电请求信号由相关控制单元发出, 使OBC进入充电状态。 注:CC、CP信号输入给谁检测是由系统决定的,不同的的车会有不同的设计,看具体车型线路。 转换后的直流电经配电盒 输送至电池包。BMS实 时监测电池状态(电压、电流、温度、 SOC等),并通过CAN总线传递给OBC、VCU 和仪表。OBC根据 BMS反馈调整充电参数,实现智能充电管 理。 我们来详细介绍一下每个环节以及OBC内部的部分部件和零件:
EMI滤波电路: 开关电源中输入端都有EMI滤波电路,一般由 X电容 (下图蓝色零件)、 Y电容 (下图灰色零件)和 电感 (下图有铜线的零件)组成。
图- X电容
图- Y电容
图- 共模电感
共模电感 (Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用于 电脑 的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中,共模电感也是起EMI滤波的作用,用于抑制高速信号线产生的 电磁波 向外辐射发射。共模电感实质上是一个双向滤波器:一方面要滤除信号线上共模电磁干扰,另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰,避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。
我们来继续聊EMI滤波的工作过程。交流220V进线为两根,一根为火线和零线,这两根线上产生的高频干扰信号为差模干扰信号 (方向相同,大小相反) 和共模干扰信号( 方向相同,大小相等) 。
下面我们来看一下差模抑制的过程:接入X电容后,由于高频干扰信号频率高,电容的容量对高频干扰信号容抗小,这样差模干扰信号就通过了X电容构成回路,以 达到了抑制差模高频干扰信号的目的。这就是为什么可以看到有的开关电源有电感、X/Y安规电容组成的电路。如下图所示,X电容(安规电容)跨接在火零线之间,用于消除差模干扰及所谓的低通态噪音。
共模电感有两组线圈,分别与火线、零线串联,用于抑制外部与内部的共模干扰 。
下面黄色圆形的是压敏电阻,“压敏电阻"是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于在电路承受过压时进行电压钳位,吸收多余的电流以保护敏感器件。压敏电阻器的电阻体材料是半导体,它是一种限压型保护器件,利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。
一般情况下,压敏电阻器常常与被保护器件并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源波动情况最坏时,也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压,该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。
以下展示的分别是:保险丝、预充电阻和预充电路、电容、继电器。
PFC(Power Factor Correction) 功率因数校正: 车载充电机(OBC)中的PFC(功率因数校正模块)是核心部件,主要负责将输入的交流电转换为直流电,并确保输入电流与电压同相位,提升功率因数。其设计需满足高效性、稳定性及安全性要求。PFC模块通过高频开关电路将输入的交流电转换为直流电,同时抑制高次谐波。在电动汽车充电系统中,PFC可提高电网利用率,减少能源损耗,并降低谐波对电网的污染。 车载充电机的AC-DC转换环节通常分为两步,PFC是第一步(前级),第二步通常是DC-DC变换环节,一般由LLC谐振变换器实现。LLC谐振变换器可将PFC输出的高压直流电转化为适合动力电池充电所需的低压大电流。它利用变压器漏感、励磁电感与谐振电容构成的LC谐振网络实现零电压开通,能降低开关损耗,提高整体转换效率。同时,该环节还可实现电气隔离,保障充电系统安全可靠运行,并通过控制算法精准调控输出电压和电流,实现恒压或恒流充电模式切换。
整流控制器 是用于控制整流过程的设备,可将交流电转换为直流电,并对整流过程进行精确调控,在电力电子领域应用广泛。以下是具体介绍:精确整流控制:通过精确控制MOSFET的导通和关断时机,替代传统二极管整流器,降低导通功耗,提高电源系统效率。 多种保护功能:具备过压、欠压、过温等保护功能,实时监控器件状态,提升系统安全性和可靠性。 支持多种工作模式:通常支持DCM(不连续导通模式)、QR(准谐振模式)、CCM(连续导通模式)等多种工作模式,适配不同电源拓扑结构。 远程控制与监测:部分整流控制器带有通讯接口,可实现远程控制与监测,能将工作状态、电流、电压等参数传输到控制计算机,便于集中监控。 工作原理:整流控制器一般通过检测输入和输出电压、电流的差异,控制外部MOSFET的开关状态。在正向电压时,控制N通道MOSFET导通;在反向电压时,切换到P通道MOSFET导通,从而实现高效整流。
OBC(车载充电机)的 功率管 核心采用碳化硅(SiC)功率器件,主要用于实现高效电能转换并提升系统功率密度。功率管的关键绩效指标如下:
高效电能转换:碳化硅MOSFET凭借低导通电阻和高速开关特性,可将充电效率提升至98%以上,相比传统硅基器件减少约20%的能量损耗。
高功率密度设计:第四代SiC MOSFET采用沟槽结构,实现更紧凑的模块化设计,适用于高功率密度OBC(如22kW以上快充)。
双向充电功能:支持V2G(车辆到电网)和V2V(车辆到车辆)功能,通过双向拓扑结构实现电能双向流动。
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