一文看懂車載充電機OBC的重要性

電動汽車沒電時需要充電，但是車輛動力電池中的高壓電是直流電，而我們的生活和商業(yè)用電是交流電，交流電是不能給汽車直接充電的，那么汽車是如何將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的呢？這時就需要用到OBC控制器。

1.OBC的基本概念

OBC是On-Board Charger的縮寫，表示車載充電機，是一種為純電動汽車 (BEV) 或插電式混合動力汽車 (PHEV) 的高壓電池組充電的電子設備。可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為適合車輛電池組的直流電。

車內(nèi)集成了OBC模塊的車輛可以在家中或公共的交流充電站上充電。

車輛通過AC交流電充電

車載充電機OBC同時還會提供相應的保護功能，包括過壓、欠壓、過流、欠流等措施，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常會及時切斷供電。

這里要注意的是，OBC只是用于交流充電樁，直流充電樁是不使用OBC的。它們的應用場景不同?，直流充電樁適用于需要快速充電的場景，如高速公路服務區(qū)等，而OBC適用于家庭或工作場所等需要慢充的場景?。

2.OBC的分類

車載充電機OBC按功能和開發(fā)方案可分為單向OBC、雙向OBC和集成式OBC。

2.1單向OBC

單向OBC的意思是電能按1個方向流動，只能從電網(wǎng)流向電池，也就是說只能利用電網(wǎng)給車輛充電。

單向OBC的應用-交流充電

單向OBC將外部電源的交流電轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電，不具備電能逆變功能。這類OBC結構較為簡單，成本低，適用于不需要反向供電功能的經(jīng)濟型電動車?。

2.2雙向OBC

雙向OBC的意思是電能可以按兩個方向流動，不僅能從電網(wǎng)流向電池，還能反過來從電池流向電網(wǎng)。也就是說不僅能對車輛充電還能讓車輛對外供電。

雙向OBC可以將直流電變?yōu)榻涣麟姷哪嫦蜣D(zhuǎn)變功能叫做逆變功能，有了逆變功能，人們可以在車內(nèi)使用各種家用電器，比如車載電熱杯、車載冰箱、車載吸塵器等。

雙向OBC的應用-車載冰箱

2.3集成式OBC

集成式OBC是指OBC模塊采用與其它高電壓、大功率模塊集成的方式開發(fā)，比如OBC與DCDC的二合一集成、OBC與DCDC、PDU的三合一集成。OBC與電機、電控、減速器、DCDC、BMS等多合一的集成。

集成式OBC不僅僅是硬件結構上的簡單集合，在電路和控制原理等方案上也有所不同。

多合一產(chǎn)品通常體積比較大

3.OBC的基本原理

3.1 OBC的拓撲結構

車載OBC拓撲結構一般采用兩級架構，前級PFC會把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ闹绷麟?，同時負責功率因數(shù)的校正；后級DC/DC電路從PFC母線取電，主要實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能，同時實現(xiàn)隔離功能。

為什么要采用兩級架構？為什么前級已經(jīng)做了交直流轉(zhuǎn)換，還需要后級呢？

首先前后兩級的服務方向不同，前級是為了服務外部電網(wǎng)，處理外部電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換；后級是為了車輛的動力電池服務，最終要轉(zhuǎn)換成適合動力電池的功率。前級雖然可以進行交流直流轉(zhuǎn)換，但是它輸出的是恒定不變的電壓值，比如輸出恒定的400V或700V的直流電。

而動力電池是分不同等級和大小的，通過調(diào)節(jié)輸出電壓，確保電池能夠以最優(yōu)的電壓進行充電，從而減少能源浪費，提高充電效率?。

更寬的電壓輸出范圍也可以適應不同的充電場景?，能在不同的充電環(huán)境下，確保輸出電壓的穩(wěn)定性，保證充電安全。

所以DC/DC的輸出電壓范圍要比較寬，比如輸出200-500V的高壓直流電。目前純電動汽車動力電池的高壓電普遍在400V左右。

此外，動力電池與外部電網(wǎng)間還需要做電氣上的隔離，防止電池異常時會對電網(wǎng)造成干擾和損壞，這些都需要后級的DCDC來處理。

OBC的兩級架構

前級和后級電路中主要是用于電能轉(zhuǎn)換的大功率器件，這兩部分都需要MCU相關的弱電電路進行控制，因此OBC的硬件電路主要由功率部分和控制部分組成。

功率部分就是指前級的AC-DC電路、后級的DC-DC電路?？刂撇糠钟?a target="_blank">檢測電路與參數(shù)反饋電路構成，通過PWM信號控制調(diào)節(jié)高壓回路中開關管的開關時間，實現(xiàn)目標輸出電流和電壓以及故障監(jiān)測等功能。

3.2 PFC功率因數(shù)校正

??功率因數(shù)PF（Power Factor）是指?交流電路中有功功率對視在功率的比值。

交流電在純電阻負載上電流和電壓是同相位的，即純電阻是消耗功率器件，其功率因數(shù)是1；但是交流電在純電容和純電感負載上就不一樣了，通常需要一定的無功功率來建立磁場或電容場，從而影響功率因數(shù)。

?電容上的電流相位會超前電壓，而電感上的電壓相位會超前電流。電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，而PFC功率因數(shù)校正的目的就是使負載更接近一個純電阻的負載，提升電網(wǎng)質(zhì)量。

所以功率因數(shù)小說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，電力的利用率低，而功率因數(shù)大說明電力的利用率高。

既然電流和電壓間的相位差會造成功率損失，那么功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction）的基本原理就是對輸入電流的波形進行控制，使其與輸入電壓波形同步，這樣就可以提高功率因數(shù)。

典型的PFC解決方案因電網(wǎng)輸入交流相數(shù)和OBC設備的輸出功率等級不同而有所不同。

對于單相交流輸入OBC模塊，可采用傳統(tǒng)有橋升壓、無橋升壓或圖騰柱方案，這幾個方案都可選配多通道交錯式方式，最可行的交錯式解決方案是雙通道。

如果設計是雙向的，則 PFC 級將采用圖騰柱拓撲結構。

傳統(tǒng)有橋升壓PFC

傳統(tǒng)有橋升壓PFC電路中的橋是指由4個二極管組成的整流橋，由于二極管的單向?qū)щ娦?，會把輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電到C1，這個直流電壓變化緩慢，相對穩(wěn)定；但是其中的電流卻是脈沖變化，兩者的相位差很大，所以功率因數(shù)低。

PFC處理前電流電壓不同步

通過增加電感L1和相關控制電路，就可以把電流從脈沖的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電壓同頻同相的變化，這樣就可以提高功率因數(shù)。

PFC處理后電流電壓基本同步

傳統(tǒng)的PFC電路控制和驅(qū)動簡單，對外干擾小，應用成熟，但是由于整流橋上的二極管會固定的存在損耗，再加上電感、開關管和續(xù)流二極管的損耗，PFC的效率很難提高，一般最高不會超過97%。

無橋單相升壓PFC

無橋單相升壓PFC中將部分二極管改為可控開關，由于少了整流橋，可以提高效率。但是在輸入電壓的負半周內(nèi)，存在高頻跳動，會產(chǎn)生EMC的問題。

圖騰柱PFC

圖騰柱的拓撲電路器件少，適合高效率的設計，但是如果需要大功率設計，需要反向恢復特性好的MOSFET。

圖騰柱通道交錯式PFC

圖騰柱通道交錯式PFC中有兩個電感，產(chǎn)生通道交錯，通過MOSFET軟開關的三角波的控制方式，可以降低損耗，提升效率。多相并聯(lián)又利于減少電感紋波電流。缺點是控制采樣比較復雜。

對于 3 相 OBC 模塊，可采用3或4橋臂橋式圖騰柱PFC或Vienna整流器拓撲結構。

3 或 4 橋臂/圖騰柱 PFC

上圖中3相全橋PFC適用于有3相輸入但無中性點的模塊；4 橋臂PFC則有3相輸入（3 組快管）和一個中性點（第4組“慢”管）?？旃芎吐芸稍诓煌念l率下相互切換。

Vienna整流器 PFC

三相ViennaPFC的輸出電壓受控，控制驅(qū)動簡單，使用較小的電感，有利于提升功率密度，低頻電壓紋波少，可靠性高。缺點是工作狀態(tài)多，控制復雜，輸出電壓也比較高。

每級電路不管采用哪種方案，最終目標都是希望具有高頻率、高功率因數(shù)與高效率的參數(shù)特性。

3.3 DC/DC

前面提到過DC/DC電路的目的1個是實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，另外1個是實現(xiàn)電氣隔離。電氣隔離的功能是通過變壓器實現(xiàn)的。變壓器分為原邊和副邊，所以DCDC部分也可細為原邊部分和副邊部分。

原邊DCDC轉(zhuǎn)換通常采用LLC、CLLC或移相全橋 (PSFB)拓撲實現(xiàn)。還有一種拓撲是雙有源電橋 (DAB)，但它實際上包括原邊和副邊整流，用于雙向設計。

對單向系統(tǒng)來說最常見的解決方案是LLC，LLC是由傳統(tǒng)的LC諧振電路演變而來，將LC諧振電路中原邊的磁化電感減小,等效成并聯(lián)一個Lm,就成為LLC諧振電路。

LC諧振轉(zhuǎn)變?yōu)長LC諧振

LC諧振電路的輸入調(diào)節(jié)頻率比較寬，所以對控制端要求比較高，而LLC諧振電路的輸入調(diào)節(jié)頻率范圍比較窄，不需要很大的范圍就可以達到輸出調(diào)節(jié)的目標，所以調(diào)節(jié)方便。

另外，LC諧振電路的輸出輸入電壓增益是小于1的，也就是只能降壓。而LLC在大于諧振頻率點后是降壓，在小于諧振頻率點時可以升壓，也就是說它的輸出輸入電壓增益是可以大于1的，電壓輸出可升可降，更加方便。

雙向系統(tǒng)會使用CLLC，某些雙向設計可能使用PSFB或其他拓撲。無論采用哪種方法（LLC、CLLC、PSFB、DAB），原邊整流幾乎都采用全橋開關，4開關是原邊DCDC轉(zhuǎn)換中最常見的方法。

原邊整流-全橋LLC

全橋LLC由一個全橋逆變電路和諧振電路組成，其中的諧振電路中包括諧振電感Lr、勵磁電感Lm和諧振電容Cr組成，這個三個器件也是LLC名稱的由來。諧振電路后面與變壓器的原邊相連。

副邊整流二極管橋 -單向

在變壓器的副邊，最簡單的解決方案是使用二極管橋進行整流。如上圖中是由4個二極管構成的全波不控整流電路，與輸出電容C連接后接入負載，上圖中由于二極管的單向?qū)ㄐ?，所以電流方向是單向的，僅從電網(wǎng)流向到車輛電池。

根據(jù)所需的系統(tǒng)效率、輸出電壓和系統(tǒng)成本，這些二極管可以是硅二極管或碳化硅二極管。碳化硅二極管具有無反向恢復的特性，是800V電池或需要實現(xiàn)更高效率的系統(tǒng)的最佳選擇。在單向設計中，使用硅或碳化硅 MOSFET的全橋解決方案可提高系統(tǒng)效率，但運行成本較高。

副邊整流4開關全橋-雙向

雙向OBC的副邊整流就需要采用硅或碳化硅MOSFET全橋，因為MOSFET可以雙向?qū)?。硅MOSFET可用于400V電池系統(tǒng)，但在低負載時會出現(xiàn)效率下降的問題。碳化硅 MOSFET在400VDC和800VDC電池系統(tǒng)中均能提供優(yōu)越的效率。

4.小結

車載充電機OBC（On-BoardCharger）的主要功能是通過地面交流充電樁或家用交流電的接口給電動車的動力電池充電。

它的硬件部分主要由PFC電路和DC-DC電路組成，通過交直流轉(zhuǎn)換，可以將家用的單相交流電（220V）或工業(yè)用的三相交流電（380V）轉(zhuǎn)換為汽車動力電池可以使用的直流電。

雙向OBC不僅可以實現(xiàn)電網(wǎng)對車輛充電，還可以實現(xiàn)車輛對車內(nèi)的電器供電甚至對外部電網(wǎng)的反向充電。

隨著電池能量密度的提升和充電技術的革新，需要提供輸出功率更大的OBC。未來OBC除了要具備雙向充電的能力，還要具備高電壓、大電流、低損耗、高耐熱性和高密度的特性。