電動(dòng)汽車沒電時(shí)需要充電，但是車輛動(dòng)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(shí)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(jī)，是一種為純電動(dòng)汽車 (BEV) 或插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 的高壓電池組充電的電子設(shè)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(jī)OBC同時(shí)還會(huì)提供相應(yīng)的保護(hù)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(huì)及時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景不同?，直流充電樁適用于需要快速充電的場(chǎng)景，如高速公路服務(wù)區(qū)等，而OBC適用于家庭或工作場(chǎng)所等需要慢充的場(chǎng)景?。

2.OBC的分類

車載充電機(jī)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(gè)方向流動(dòng)，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(yīng)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(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低，適用于不需要反向供電功能的經(jīng)濟(jì)型電動(dòng)車?。

2.2雙向OBC

雙向OBC的意思是電能可以按兩個(gè)方向流動(dòng)，不僅能從電網(wǎng)流向電池，還能反過來(lái)從電池流向電網(wǎng)。也就是說不僅能對(duì)車輛充電還能讓車輛對(duì)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(yīng)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(jī)、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(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車載OBC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般采用兩級(jí)架構(gòu)，前級(jí)PFC會(huì)把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ闹绷麟姡瑫r(shí)負(fù)責(zé)功率因數(shù)的校正；后級(jí)DC/DC電路從PFC母線取電，主要實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離功能。

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

首先前后兩級(jí)的服務(wù)方向不同，前級(jí)是為了服務(wù)外部電網(wǎng)，處理外部電網(wǎng)的轉(zhuǎn)換；后級(jí)是為了車輛的動(dòng)力電池服務(wù)，最終要轉(zhuǎn)換成適合動(dòng)力電池的功率。前級(jí)雖然可以進(jìn)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(dòng)力電池是分不同等級(jí)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(jìn)行充電，從而減少能源浪費(fèi)，提高充電效率?。

更寬的電壓輸出范圍也可以適應(yīng)不同的充電場(chǎng)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(dòng)汽車動(dòng)力電池的高壓電普遍在400V左右。

此外，動(dòng)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(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成干擾和損壞，這些都需要后級(jí)的DCDC來(lái)處理。

OBC的兩級(jí)架構(gòu)

前級(jí)和后級(jí)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(guān)的弱電電路進(jìn)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(jí)的AC-DC電路、后級(jí)的DC-DC電路。控制部分由檢測(cè)電路與參數(shù)反饋電路構(gòu)成，通過PWM信號(hào)控制調(diào)節(jié)高壓回路中開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出電流和電壓以及故障監(jiān)測(cè)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(duì)視在功率的比值。

交流電在純電阻負(fù)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(fù)載上就不一樣了，通常需要一定的無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)或電容場(chǎng)，從而影響功率因數(shù)。

?電容上的電流相位會(huì)超前電壓，而電感上的電壓相位會(huì)超前電流。電流和電壓之間的相位差會(huì)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(fù)載更接近一個(gè)純電阻的負(fù)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(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)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(huì)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(duì)輸入電流的波形進(jìn)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(shè)備的輸出功率等級(jí)不同而有所不同。

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

如果設(shè)計(jì)是雙向的，則 PFC 級(jí)將采用圖騰柱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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(gè)二極管組成的整流橋，由于二極管的單向?qū)щ娦?，?huì)把輸入的交流電轉(zhuǎn)變成直流電到C1，這個(gè)直流電壓變化緩慢，相對(duì)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(guān)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(dòng)簡(jiǎn)單，對(duì)外干擾小，應(yīng)用成熟，但是由于整流橋上的二極管會(huì)固定的存在損耗，再加上電感、開關(guān)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(huì)超過97%。

無(wú)橋單相升壓PFC

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

圖騰柱PFC

圖騰柱的拓?fù)潆娐菲骷伲m合高效率的設(shè)計(jì)，但是如果需要大功率設(shè)計(jì)，需要反向恢復(fù)特性好的MOSFET。

圖騰柱通道交錯(cuò)式PFC

圖騰柱通道交錯(cuò)式PFC中有兩個(gè)電感，產(chǎn)生通道交錯(cuò)，通過MOSFET軟開關(guān)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(diǎn)是控制采樣比較復(fù)雜。

對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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(wú)中性點(diǎn)的模塊；4 橋臂PFC則有3相輸入（3 組快管）和一個(gè)中性點(diǎn)（第4組“慢”管）。快管和慢管可在不同的頻率下相互切換。

Vienna整流器 PFC

三相ViennaPFC的輸出電壓受控，控制驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)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(diǎn)是工作狀態(tài)多，控制復(fù)雜，輸出電壓也比較高。

每級(jí)電路不管采用哪種方案，最終目標(biāo)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(gè)是實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，另外1個(gè)是實(shí)現(xiàn)電氣隔離。電氣隔離的功能是通過變壓器實(shí)現(xiàn)的。變壓器分為原邊和副邊，所以DCDC部分也可細(xì)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?fù)鋵?shí)現(xiàn)。還有一種拓?fù)涫请p有源電橋 (DAB)，但它實(shí)際上包括原邊和副邊整流，用于雙向設(shè)計(jì)。

對(duì)單向系統(tǒng)來(lái)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(lái)，將LC諧振電路中原邊的磁化電感減小,等效成并聯(lián)一個(gè)Lm,就成為L(zhǎng)LC諧振電路。

LC諧振轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)LC諧振

LC諧振電路的輸入調(diào)節(jié)頻率比較寬，所以對(duì)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(dá)到輸出調(diào)節(jié)的目標(biāo)，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(diǎn)后是降壓，在小于諧振頻率點(diǎn)時(shí)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(huì)使用CLLC，某些雙向設(shè)計(jì)可能使用PSFB或其他拓?fù)?。無(wú)論采用哪種方法（LLC、CLLC、PSFB、DAB），原邊整流幾乎都采用全橋開關(guān)，4開關(guān)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(gè)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(lì)磁電感Lm和諧振電容Cr組成，這個(gè)三個(gè)器件也是LLC名稱的由來(lái)。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(jiǎn)單的解決方案是使用二極管橋進(jìn)行整流。如上圖中是由4個(gè)二極管構(gòu)成的全波不控整流電路，與輸出電容C連接后接入負(fù)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(wú)反向恢復(fù)的特性，是800V電池或需要實(shí)現(xiàn)更高效率的系統(tǒng)的最佳選擇。在單向設(shè)計(jì)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(yùn)行成本較高。

副邊整流4開關(guān)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?yàn)镸OSFET可以雙向?qū)?。硅MOSFET可用于400V電池系統(tǒng)，但在低負(fù)載時(shí)會(huì)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(jié)

車載充電機(jī)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(dòng)車的動(dòng)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(dòng)力電池可以使用的直流電。

雙向OBC不僅可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)車輛充電，還可以實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)車內(nèi)的電器供電甚至對(duì)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(shù)的革新，需要提供輸出功率更大的OBC。未來(lái)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。