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OBC(车载充电器)是EV(电动汽车)的接口部件之一,必须通过与公用电网或专用电动汽车供电设备的连接来与外部交互,这些设备与交流电网接口,其额定值和要求超出了制造商的控制范围。因此,任何占用内置充电器的车辆都必须遵守某些规定才能在市场上销售。
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电源质量
对于低压设备,应遵循IEC61000-3-2标准,其中电池充电器被归类为A类,其范围涵盖所有电气设备(单相和三相)额定不超过16A(充电模式1)并连接到低压电网侧。对于更大的电流水平,参考标准是IEC61000-3-12,适用于额定大于16A且不超过75A的电气设备,从而涵盖其他两种充电模式:模式2和模式3。由OBC充电器互连引起的电压谐波和闪烁根据IEC61000 3.3和IEC610003-11进行调节。上述的IEC 电力质量标准主要关注低至 40 次的低频谐波。然而,具有高开关频率和低频率失真的先进电力电子转换器将频率范围从典型的40次谐波以上扩展到2kHz-150kHz,即超过一般谐波范围。尽管这种现象在当前的IEC61851-1版本(2019 年)中并未提及,但它引起了业界的关注,例如IEC61000-2-2:2017。
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电池组要求
由于对电池组系统的评估,在车辆充电期间对OBC施加了严格的尺寸限制。此外,基于GaN高频开关设计的OBC会在电池组系统上产生叠加高频纹波电流。研究表明,在具有电流纹波的充电和放电循环下,电池会更快地退化。有学者研究使用18650型号的电池,从55Hz到20KHz的叠加电流纹波对电池老化的长期影响。结果表明,在相同的循环次数和相同的纹波电流大小下,最高频率纹波的电池温度升高比其他样品高。此外,BMS保护范围在10-1mS之间,在频率高于100Hz-1 kHz时阻止瞬态过充和过放时,无法及时激活电压保护。尽管未有文献提出具体要求,从研究报告中列出了一些提高电池组系统的适当可靠性的方式:
(a)高于1kHz频率的纹波电流<5%;
(b)独立的AC/DC转换,以降低直流充电和放电的纹波含量;
(c)如图1a和b所示,对于由96个电池组成的电池堆,在各种CC/CV充电/放电模式下纹波电流的叠加。由于锂离子电池(LIB)容易发生“锂析出”,因此重要的是要降低充电电流和纹波,特别是在高荷电状态(SoC)下。
图1.典型的电池电流和电压波形(a)G2V,(b)V2G
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电磁兼容(EMC)
由于开关电源的使用特性是开关电流大、电压高,工作中会产生电磁辐射,这些电磁辐射通过导体(传导发射频率范围:150kHz-30MHz)或空气(辐射发射频率范围:30 MHz-1 GHz)传播,并可能引起与周围设备的电磁干扰(EMI)。标准IEC61851-21-1定义了电动汽车车载充电器对交流或直流电源的导电连接所需的电磁兼容性要求,采用国际无线电干扰特别委员会(CISPR)标准,该标准适用于车辆和用于车辆的电子/电气组件。
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传导发射
IEC61851-21-1定义了交流或直流电源线上的测量技术和传导发射限值。这些指南区分了A类(住宅)和B类(轻工业)环境,并设定了传导发射的峰值和准峰值限值。作为汽车电子产品,CISPR25和IEC61000-6-3定义的限值,构成了OBC设计应用的基础。传导发射的一致性测试也依赖于CISPR12、CISPR16和CISPR36取代中描述的测试方法、测试装置和修正因子。尽管通过调制方案和软开关技术可以尽量减少传导发射。但EMI滤波电路仍然是必要的。
3.2
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辐射发射
除了CISPR 12的基本定义要求外,CISPR36的开发是基于需要制定一个涵盖150kHz至30 MHz频率范围的车辆辐射发射标准(不含轻度混动车辆)。电车往往在CISPR 12未涵盖的低频段产生辐射发射(CISPR12还用于保护10米距离外的外部接收器,但频率范围为30 MHz至1000 MHz)。为了符合辐射干扰的要求,要求基于GaN的OBC设计需要在布局尽可能的优化,以减少由开关瞬间高dv/dt引起的辐射发射。
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V2G功能及其安全
虽然双向充电技术已经有,但当前涉及双向OBC的标准仍比较少。
IEC61851-1描述了充电设备必须满足额定供电电压在1kV以下的电动汽车供电设备的最低安全要求。包括接入保护(IP)、漏电和间隙距离、温升、触电保护、保护电路完整性、连接协议以及过载和短路保护。其中,对于接触电流和剩余电流限制的要求,OBC也需要严格执行,相应的限值根据IEC61140定义。任何交流接口与车辆底盘之间通过的触摸电流的限值为50Hz时为3.5mA(rms)。UL2202规定的限制比IEC61851更严格,IEC61851对1类电气设备的泄漏电流限制为0.75mA(rms)。最后,文献中还介绍了非隔离充电器拓扑结构。然而,它们的实施存在许多问题,主要是漏电流的产生以及对人类和周围设备的威胁。
IEC标准将漏电流或剩余电流限制为30mA,由EV供电设备进行监测。不可避免地,大多数先进的0BC设计采用隔离转换器拓扑结构,因为它提供了一种不那么具有挑战性的方式来实现标准的严格要求。并减轻由共模电流引起的误跳。
2024年由国际标准化组织发布的《ISO 5474-2 Electrically propelled road vehicles - Functional and safety requirements for power transfer between vehicle and external electric circuit-Part 2:AC power transfer》。该标准规定了电动道路车辆与外部电路之间使用交流电(AC)进行导电功率传输的要求,电压最高可达1000VAC。并根据IEC61851-1对模式2、3的导电充电和逆向功率传输提出了要求。
其中对于单一故障条件下的保护要求:车辆如果连接负载作业时,至少应适用下列保护规定之一
a) 应提供单独的剩余电流保护功能,针对每个车载标准电源插座或者车端充电口需要提供单独的漏电流保护。--同时对于漏电流检测的要求寄出要求满足不小于30mA/AC,如果系统中有直流,则必须要检测直流漏电。
b) 应提供绝缘电阻监测系统,该系统在车辆负都操作间定期或连续监测车辆电源电路的绝缘电阻。
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可靠性
电动汽车转型的主要关注点包括用户体验、续航里程、安全性、电池寿命、充电时间、控制稳健性和老化,其中主要根据汽车行业的汽车电子委员会(AEC)Q100-Q200标准对组件应力和寿命进行考核AEC-Q100(ICs)和Q200(被动元件)包括四个等级,定义了环境条件,如温度和湿度,取决于设备在车辆内的位置。
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Magtron采用自主研发的的专利iFluxgate技术打造的高性价比、低零飘、高带宽电流传感器,可满足实现高精度的电流采集。由公司自主研发的SoC芯片也可以为客户提供专有的技术解决方案,基于市场实时的最新需求,不断升级完善,致力于解决工业、电动汽车、储能行业等各项电流、漏电流采集问题,为各行业电力设备保驾护航。