منبع تغذیه PUMBAA برای وسایل نقلیه الکتریکی PPS550

یکپارچه‌سازی الکتریکی بسیار یکپارچه

طراحی درجه خودرو، سازگار با ASIL

پشتیبانی از V2L، V2G، V2V و سایر الزامات چند صحنه‌ای

طراحی کوچک‌تر و سبک‌تر، عملکرد فنی پایدار و راندمان بالا

روش خنک‌کننده مایع، اتلاف حرارت سریع، ضد گرد و غبار و کم صدا

توابع حفاظتی چندگانه مانند EMC، مقاومت ولتاژ، عایق، ارتعاش و حفاظت الکتریکی

تخصیص و کنترل دستگاه‌های ولتاژ بالای کل خودرو از طریق کل واحد کنترل خودرو برای اطمینان از عملکرد ایمنی هر سیستم

● پیکربندی سخت‌افزاری قدرتمند
اجزای اصلی از قطعات خودرو برای بهبود قابلیت اطمینان محصول استفاده می‌کنند.

● عملکرد کارآمد
راندمان کنترلر می‌تواند تا ۹۸٪، چگالی توان بالا، و کاربردها انعطاف‌پذیرتر باشد؛

● طراحی محافظ قابل اعتماد
سطح حفاظت کلی بالا و محدوده دمای کاری وسیع است، بنابراین می‌تواند با انواع محیط‌های کاربردی سخت سازگارتر باشد.

مقدمه: وقتی یک وسیله نقلیه الکتریکی (EV) را به یک شمع شارژ وصل می‌کنید، جریان متناوب (AC) چگونه به جریان مستقیم (DC) مورد نیاز باتری تبدیل می‌شود؟ "قهرمان گمنام" پشت این فرآیند تبدیل حیاتی، شارژر داخلی خودرو (OBC) است. به عنوان "پل" اتصال زیرساخت شارژ خارجی و باتری، عملکرد OBC مستقیماً راندمان شارژ، ایمنی رانندگی و برد را تعیین می‌کند. این مقاله با بررسی تعریف، عملکردها، اصول کار و روندهای فناوری آن، اسرار فنی این "هسته شارژ" را به طور کامل رمزگشایی خواهد کرد.

I. تعریف OBC: "مترجم شارژ" خودروهای برقی

شارژر OBC (شارژر روی برد) که به معنای واقعی کلمه "شارژر روی برد" است، یک جزء اصلی در سیستم محرک الکتریکی یک خودروی برقی است که وظیفه تبدیل AC به DC را بر عهده دارد. در اصل، این یک "مبدل برق اختصاصی" است که خروجی AC (مثلاً شارژرهای خانگی ۲۲۰ ولت یا شارژرهای سریع تجاری ۳۸۰ ولت) را با شارژ کردن پیل‌ها به DC ولتاژ بالا (مثلاً ۴۰۰ ولت/۸۰۰ ولت) مورد نیاز باتری از طریق یکسوسازی، فیلتر کردن و تبدیل ولتاژ، پردازش می‌کند. همچنین به صورت پویا پارامترهای شارژ را بر اساس شرایط باتری (مثلاً وضعیت شارژ (SOC)، دما) تنظیم می‌کند تا شارژ ایمن و کارآمد تضمین شود.

به زبان ساده، OBC مانند یک "مترجم" عمل می‌کند:

ورودی: جریان متناوب از شمع‌های شارژ خارجی؛

پردازش آی: تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم با ولتاژ بالا از طریق الکترونیک قدرت؛

خروجی I: جریان مستقیم پایدار متناسب با نیازهای شارژ باتری، که امکان "شارژ دقیق" را فراهم می‌کند.

(شارژ AC)

دوم. وظایف اصلی OBC: حفاظت‌های دوگانه برای کارایی و ایمنی شارژ

کارکردهای OBC را می‌توان به صورت «سه قابلیت اصلی + دو سیستم پشتیبانی» خلاصه کرد که کل فرآیند شارژ را از ابتدا تا انتها پوشش می‌دهد (شکل ۱ را ببینید).

۲.۱ تابع ۱: تبدیل توان - «تبدیل دقیق» از AC به DC

وظیفه اصلی OBC تبدیل AC به DC است که شامل سه مرحله است: یکسوسازی → فیلتر کردن → تبدیل ولتاژ.

یکسوسازی: با استفاده از یک پل یکسوساز دیودی، جریان متناوب (مثلاً ۲۲۰ ولت/۵۰ هرتز) را به جریان مستقیم ضربان‌دار (با هارمونیک‌های قابل توجه) تبدیل می‌کند.

​·فیلترینگ IF: هارمونیک‌ها را از طریق سلف‌ها (L) و خازن‌ها (C) حذف می‌کند تا خروجی DC هموار (ریپل ≤5%) داشته باشد.

تبدیل ولتاژ: ولتاژ را از طریق یک مبدل DC-DC (مثلاً توپولوژی رزونانس LLC) تنظیم می‌کند تا با الزامات شارژ سلول‌های باتری منفرد مطابقت داشته باشد (مثلاً ۴.۲ ولت بر سلول).

جزئیات فنی: به عنوان مثال، OBC تسلا مدل ۳ را در نظر بگیرید. با استفاده از توپولوژی رزونانس SiC MOSFET + LLC، این قطعه ۳۸۰ ولت AC را به ۴۰۰ ولت DC با راندمان تبدیل تا ۹۷٪ تبدیل می‌کند (در مقایسه با ۸۵٪-۹۰٪ برای راه‌حل‌های سنتی IGBT مبتنی بر سیلیکون).

۲.۲ عملکرد ۲: کنترل شارژ - «مدیر هوشمند» برای تنظیم پویا

OBC به صورت پویا جریان و ولتاژ شارژ را بر اساس شرایط باتری (SOC، دما) و نیازهای کاربر (شارژ سریع/آهسته) تنظیم می‌کند تا از شارژ بیش از حد، گرمای بیش از حد یا شارژ ناکافی جلوگیری کند. منطق کنترل آن شامل موارد زیر است:

شارژ با جریان ثابت (CC): در SOC پایین (

شارژ با ولتاژ ثابت (CV): با نزدیک شدن SOC به پر شدن کامل (>80%)، جریان کاهش می‌یابد (مثلاً 20 آمپر) تا ولتاژ ثابتی (مثلاً 4.2 ولت بر سلول) حفظ شود.

جبران دما: جریان شارژ در دماهای بالا (بالای ۴۵ درجه سانتیگراد) کاهش می‌یابد تا از هدررفت حرارتی جلوگیری شود؛ در دماهای پایین (کمتر از ۱۰- درجه سانتیگراد)، باتری قبل از شارژ گرم می‌شود تا راندمان بهبود یابد.

۲.۳ عملکرد ۳: حفاظت ایمنی - «محافظ» فرآیند شارژ

OBC برای تضمین ایمنی به چندین مکانیزم حفاظتی مجهز شده است:

محافظت در برابر افزایش/کاهش ولتاژ: اگر ولتاژ ورودی از ۴۸۰ ولت (شارژ سریع تجاری) یا از ۹۰ ولت (شارژرهای خانگی) کمتر شود، به طور خودکار خروجی را قطع می‌کند.

محافظت در برابر اضافه جریان: اگر جریان شارژ از مقدار نامی (مثلاً ۲۰۰ آمپر) بیشتر شود، فیوز (۱۵۰۰ آمپر سریع‌العمل) را فعال می‌کند.

محافظت در برابر اتصال کوتاه: در صورت تشخیص اتصال کوتاه در خروجی (افزایش 10 برابری جریان)، برق ظرف 1 میلی‌ثانیه قطع می‌شود.

نظارت بر عایق‌بندی: به طور مداوم مقاومت عایق مدار ولتاژ بالا (باید ≥100MΩ باشد) را بررسی می‌کند تا از خطرات نشتی جلوگیری شود.

(شارژ DC)

III. اصل کار OBC: تبدیل چهار مرحله‌ای از AC به DC

اصول کار OBC را می‌توان به یک فرآیند حلقه بسته ساده کرد: ورودی → یکسوسازی → فیلتر کردن → تبدیل ولتاژ → خروجی.

۳.۱ ورودی: دریافت جریان متناوب خارجی

OBC از طریق رابط‌های شارژ (مثلاً CCS، GB/T) به شمع‌های شارژ متصل می‌شود تا جریان متناوب (AC) را دریافت کند. ولتاژ و فرکانس بر اساس منطقه متفاوت است (مثلاً 220 ولت/50 هرتز برای خانه‌های چینی، 230 ولت/50 هرتز برای خانه‌های اروپایی، 380 ولت/50 هرتز برای شارژرهای سریع تجاری).

۳.۲ یکسوسازی: تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم ضربان‌دار

یک پل یکسوساز دیودی (مثلاً یکسوساز تمام پل سه فاز) جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم ضربان‌دار (با شکل موج‌های نامنظم و هارمونیک‌های قابل توجه) تبدیل می‌کند. برای مثال، جریان متناوب سه فاز ۳۸۰ ولت پس از یکسوسازی به جریان مستقیم ضربان‌دار تقریباً ۵۱۳ ولت تبدیل می‌شود (ولتاژ_DC = ۱.۳۵ × ولتاژ خط).

۳.۳ فیلتر کردن: حذف هارمونیک‌ها برای جریان مستقیم هموار

یک فیلتر LC (سلف + خازن) هارمونیک‌های فرکانس بالا (مثلاً 10 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز) را از جریان مستقیم ضربان‌دار حذف می‌کند و جریان مستقیم نرمی با ریپل ≤5٪ (مثلاً 510 ولت) در خروجی تولید می‌کند.

۳.۴ تبدیل ولتاژ: تنظیم ولتاژ برای مطابقت با نیازهای باتری

یک مبدل DC-DC (مثلاً توپولوژی رزونانس LLC، توپولوژی تمام پل با تغییر فاز) جریان مستقیم یکنواخت را تا ولتاژ مورد نیاز باتری (مثلاً ۴۰۰ ولت/۸۰۰ ولت) افزایش یا کاهش می‌دهد. برای مثال:

باتری OBC مدل ۳ تسلا، ولتاژ ۵۱۰ ولت DC را به ۴۰۰ ولت کاهش می‌دهد تا سیستم باتری ۴۰۰ ولتی آن را شارژ کند.

باتری OBC پورشه تایکان از ولتاژ بالای ۸۰۰ ولت پشتیبانی می‌کند و مستقیماً باتری ۸۰۰ ولتی آن را شارژ می‌کند.

خروجی ۳.۵: منبع تغذیه پایدار با تنظیم پویا

جریان مستقیم نهایی از طریق یک باس ولتاژ بالا به باتری منتقل می‌شود. در همین حال، OBC به طور مداوم وضعیت باتری را از طریق سیستم مدیریت باتری (BMS) رصد می‌کند و جریان/ولتاژ خروجی را به صورت پویا تنظیم می‌کند (مثلاً ۱۰۰ آمپر در طول شارژ سریع، ۲۰ آمپر در طول شارژ آهسته).

(ایستگاه شارژ خودروهای برقی/ایستگاه شارژ خودروهای برقی)

چهارم. تکامل تکنولوژیکی OBC: از انقلاب «ناکارآمد» تا «شارژ فوق‌العاده سریع»

مدارهای مجتمع سلولی اولیه (OBC) که توسط قطعات مبتنی بر سیلیکون (مثل IGBT) محدود شده بودند، تنها ۸۵ تا ۹۰ درصد بازده داشتند و از شارژ سریع (توان ≤۷.۲ کیلووات) پشتیبانی نمی‌کردند. با پذیرش قطعات با شکاف باند وسیع (مثلاً MOSFETهای SiC) و توپولوژی‌های فرکانس بالا، عملکرد OBC به "پیشرفت‌های جهشی" دست یافته است:

۴.۱ بهبود بهره‌وری: از ۸۵٪ به بیش از ۹۷٪

ماسفت‌های SiC در مقایسه با IGBTهای سیلیکونی، ۵۰٪ تلفات هدایت کمتر و فرکانس سوئیچینگ بالاتری (تا ۱۰۰ کیلوهرتز) دارند که باعث می‌شود راندمان OBC به بیش از ۹۷٪ برسد (به عنوان مثال، OBC تسلا مدل ۳ به راندمان ۹۷.۵٪ دست می‌یابد).

۴.۲ ارتقاء توان: از ۷.۲ کیلووات به بیش از ۳۵۰ کیلووات

توپولوژی‌های فرکانس بالا (مثلاً رزونانس LLC) اندازه اجزای مغناطیسی را کاهش می‌دهند و توان بالاتری را ممکن می‌سازند. مثال‌ها عبارتند از: [مثال‌های خاص برای اختصار حذف شده‌اند]

۴.۳ بهینه‌سازی حجم و هزینه: طراحی یکپارچه

از طریق «یکپارچه‌سازی در سطح تراشه» (مثلاً ادغام OBC با مبدل‌های DC-DC در یک ماژول واحد)، حجم OBC تا 30٪ و هزینه آن تا 20٪ کاهش می‌یابد (مثلاً OBC شرکت BYD Han EV فقط 0.05 متر مکعب فضا اشغال می‌کند).

(سناریوی کار شارژر داخلی)

V. روندهای آینده: «هوشمندسازی» و «یکپارچه‌سازی» OBC

همزمان با تکامل خودروهای برقی به «پایانه‌های هوشمند حمل و نقل»، عملکرد و قابلیت‌های OBC نیز به روز خواهد شد. سه روند کلیدی شایسته توجه هستند:

(قاب شارژر روی برد)

VI: ادغام: طراحی یکپارچه "ادغام چند دامنه‌ای"

۶.۱ OBC های سنتی اجزای مستقلی هستند (حجیم و پرهزینه). OBC های آینده از طریق موارد زیر به ادغام دست خواهند یافت:

ادغام OBC + DC-DC: ادغام شارژر داخلی با مبدل DC-DC در یک ماژول واحد (به عنوان مثال، ماژول شارژ "دو در یک" تسلا مدل 3)، که حجم را 30٪ و هزینه را 20٪ کاهش می‌دهد.

​· یکپارچه‌سازی OBC + BMS: تعبیه نظارت بر وضعیت باتری (مثلاً SOC، دما) برای کاهش تأخیر ارتباط با BMS (از ۱۰۰ میلی‌ثانیه به ۱۰ میلی‌ثانیه).

۶.۲ راندمان بالا: رواج پلتفرم‌های ولتاژ بالای ۸۰۰ ولت و دستگاه‌های با شکاف باند وسیع

پلتفرم‌های ولتاژ بالای ۸۰۰ ولتی (مثل پورشه تایکان، XPeng G9) به جریان اصلی تبدیل خواهند شد و به OBCهایی نیاز دارند که از ولتاژهای بالاتر (۸۰۰ تا ۱۰۰۰ ولت) پشتیبانی کنند. در همین حال، دستگاه‌های با شکاف باند وسیع (SiC/GaN) راندمان را فراتر از ۹۸٪ افزایش خواهند داد (مثلاً Huawei DriveONE OBC به حداکثر راندمان ۹۸.۵٪ دست می‌یابد).

۶.۳ هوش: تکامل مشترک با رانندگی خودران

خودروهای بدون راننده (OBC) عمیقاً با سیستم‌های رانندگی خودران (ADS) ادغام خواهند شد تا «شارژ پیش‌بینی‌کننده» را امکان‌پذیر سازند:

پیش‌بینی وضعیت جاده: استفاده از داده‌های ناوبری ADS (مثلاً شارژر سریع ۳ کیلومتر جلوتر) برای گرم کردن اولیه باتری (بهبود راندمان شارژ).

هماهنگی بار: تنظیم پویای توان شارژ بر اساس نیازهای رانندگی خودران (مثلاً کاهش موقت جریان برای اولویت‌بندی توان موتور در هنگام سبقت گرفتن).

​· ارتقاء OTA: به‌روزرسانی الگوریتم‌های کنترل OBC از طریق فضای ابری (مثلاً بهینه‌سازی استراتژی‌های شارژ سریع) برای افزایش مداوم عملکرد.

نتیجه‌گیری

ترمینال OBC خودروهای برقی، «مرکز اصلی» اتصال شارژ خارجی به باتری است. پیشرفت‌های تکنولوژیکی آن مستقیماً راندمان شارژ، ایمنی رانندگی و برد را تعیین می‌کند. از «مبدل‌های ناکارآمد» اولیه تا «ترمینال‌های هوشمند شارژ فوق‌العاده سریع» امروزی، تکامل OBC نه تنها پذیرش خودروهای برقی را تسریع کرده، بلکه به یک عامل کلیدی در استفاده بهینه از انرژی تحت اهداف «کربن دوگانه» تبدیل شده است.

در آینده، با ادغام عمیق فناوری‌های یکپارچه‌سازی، راندمان بالا و هوشمند، OBC پتانسیل خودروهای برقی را بیشتر آشکار خواهد کرد و «شارژ به سرعت سوخت‌گیری» را به واقعیت تبدیل خواهد کرد.