Bộ sạc trên xe (On-Board Charger - OBC) là một trong những hệ thống con điện tử công suất quan trọng nhất trong xe điện. Nó chuyển đổi nguồn AC từ lưới điện thành điện áp DC cần thiết để sạc pin kéo của xe, và phải thực hiện điều này một cách hiệu quả, an toàn, đồng thời tuân thủ các ràng buộc nghiêm ngặt về kích thước và trọng lượng. Tại EVSELab, chúng tôi đã phát triển chuyên môn sâu về thiết kế OBC thông qua nền tảng Ladybug, module sạc trên xe 3.3 kW thể hiện cách tiếp cận chuyển đổi công suất hiệu suất cao, mật độ cao của chúng tôi.
Tổng quan kiến trúc OBC
Bộ sạc trên xe thông thường gồm hai tầng chuyển đổi công suất chính nối tiếp:
Tầng 1: Chuyển đổi AC/DC với Hiệu chỉnh Hệ số Công suất (PFC)
Tầng PFC chuyển đổi đầu vào AC từ lưới thành điện áp DC bus trung gian được điều chỉnh. Các chức năng chính bao gồm:
- Hiệu chỉnh hệ số công suất: Định hình dòng điện đầu vào dạng hình sin và đồng pha với điện áp đầu vào, đạt hệ số công suất gần đơn vị (thường > 0.99)
- Giảm méo hài tổng (THD): Đảm bảo THD dòng đầu vào đáp ứng giới hạn quy chuẩn (thường < 5% theo IEC 61000-3-2)
- Điều chỉnh điện áp bus DC: Duy trì điện áp bus DC trung gian ổn định (thường 380–420 V cho hệ thống một pha)
Tầng 2: Chuyển đổi DC/DC cách ly
Tầng DC/DC chuyển đổi điện áp bus DC trung gian sang điện áp sạc pin. Các yêu cầu chính bao gồm:
- Cách ly galvanic: Cung cấp cách ly an toàn giữa lưới AC và hệ thống pin cao áp của xe
- Điều chỉnh điện áp đầu ra: Hỗ trợ toàn dải điện áp pin (thường 250–450 V cho hệ thống pin 400 V, hoặc 500–850 V cho hệ thống 800 V)
- Điều chỉnh dòng điện: Thực hiện hồ sơ sạc dòng không đổi / áp không đổi (CC/CV) theo yêu cầu của hệ thống quản lý pin (BMS)
Kiến trúc hai tầng cung cấp điều khiển độc lập hệ số công suất và điều chỉnh đầu ra, cho phép tối ưu hóa từng tầng cho chức năng cụ thể.
Lựa chọn topology PFC
Lựa chọn topology PFC có tác động đáng kể đến hiệu suất, chi phí và độ phức tạp. Dưới đây là các tùy chọn phổ biến nhất cho ứng dụng OBC:
PFC Boost truyền thống
PFC boost một pha là topology đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất:
- Ưu điểm: Điều khiển đơn giản, được hiểu rõ, số lượng linh kiện ít
- Nhược điểm: Cầu chỉnh lưu diode gây tổn hao hiệu suất ~1%; giới hạn ở chế độ dẫn liên tục (CCM) hoặc chế độ dẫn ranh giới (BCM)
- Hiệu suất thông thường: 96–97%
- Phù hợp nhất cho: Ứng dụng nhạy cảm chi phí, hiệu suất tối đa không phải mục tiêu chính
PFC Totem-Pole không cầu chỉnh lưu
PFC totem-pole không cầu loại bỏ cầu diode đầu vào bằng cách sử dụng switch chủ động cho chỉnh lưu:
- Ưu điểm: Loại bỏ tổn hao cầu diode, đạt hiệu suất PFC cao nhất, số linh kiện ít hơn
- Nhược điểm: Yêu cầu linh kiện WBG (SiC hoặc GaN) cho hoạt động tần số cao; điều khiển phức tạp hơn quanh điểm qua không AC
- Hiệu suất thông thường: 98.5–99.5%
- Phù hợp nhất cho: Thiết kế OBC cao cấp nhắm hiệu suất và mật độ công suất tối đa
PFC xen kẽ
Xen kẽ nhiều pha PFC mang lại một số lợi ích:
- Giảm ripple dòng đầu vào và bộ lọc EMI đầu vào nhỏ hơn
- Giảm kích thước cuộn cảm mỗi pha
- Cải thiện đáp ứng quá độ
- Phân bố nhiệt tốt hơn
Tại EVSELab, nền tảng Ladybug sử dụng PFC totem-pole không cầu với SiC MOSFET, đạt hiệu suất tầng PFC trên 99% ở điều kiện hoạt động danh định.
Lựa chọn topology DC/DC
Cầu đầy đủ lệch pha (PSFB)
Topology PSFB sử dụng bốn switch trong cấu hình H-bridge với điều khiển PWM lệch pha:
- Ưu điểm: Đạt chuyển mạch không điện áp (ZVS) trên dải tải rộng; phù hợp cho công suất cao
- Nhược điểm: Dòng tuần hoàn trong khoảng freewheeling; mất duty cycle ở tải nhẹ; ứng suất điện áp chỉnh lưu đầu ra
- Ứng dụng thông thường: Thiết kế OBC trên 3.3 kW; nguồn công nghiệp
Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC
Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC đã trở thành topology ưu tiên cho thiết kế OBC hiện đại:
- Ưu điểm: Chuyển mạch không điện áp (ZVS) cho switch sơ cấp và chuyển mạch không dòng (ZCS) cho chỉnh lưu thứ cấp; không có tổn hao phục hồi ngược; EMI thấp; hiệu suất cao trên dải tải rộng
- Nhược điểm: Quy trình thiết kế phức tạp hơn; điều khiển điều chế tần số; thiết kế biến áp đòi hỏi chú ý cẩn thận đến cảm kháng từ hóa và cảm kháng rò
- Hiệu suất thông thường: 97–98.5%
- Ứng dụng thông thường: Thiết kế OBC cao cấp, nguồn máy chủ, bộ chỉnh lưu viễn thông
Bộ chuyển đổi cộng hưởng CLLC (Hai chiều)
Cho ứng dụng xe-đến-lưới (V2G) và xe-đến-nhà (V2H), topology CLLC mở rộng bộ chuyển đổi LLC sang hoạt động hai chiều:
- Tank cộng hưởng đối xứng cho phép truyền công suất hiệu quả cả hai chiều
- Cùng lợi ích ZVS/ZCS như LLC
- Cho phép xe xuất công suất ngược lại lưới hoặc nhà trong giờ cao điểm
Lựa chọn topology của EVSELab
Nền tảng Ladybug sử dụng bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC cho tầng DC/DC, tận dụng SiC MOSFET phía sơ cấp và diode Schottky SiC phía thứ cấp. Sự kết hợp này đạt hiệu suất tầng DC/DC 97.5% ở tải đầy đủ.
Hiệu suất tổng thể hệ thống Ladybug (PFC + DC/DC) đạt đỉnh 96.5%, cạnh tranh với các module OBC tốt nhất thế giới.
Cân nhắc thiết kế nhiệt
Quản lý nhiệt được cho là khía cạnh thách thức nhất của thiết kế OBC do các ràng buộc nghiêm ngặt:
Môi trường hoạt động
- Nhiệt độ môi trường: OBC ô tô phải hoạt động từ -40 độ C đến +85 độ C
- Nhiệt độ chất làm mát: OBC làm mát chất lỏng thường kết nối với vòng làm mát glycol của xe ở nhiệt độ chất làm mát tối đa 65 độ C
- Độ cao: Mật độ không khí giảm ở độ cao lớn làm suy giảm hiệu suất tản nhiệt cho thiết kế làm mát không khí
Nguồn sinh nhiệt
Các nguồn nhiệt chính trong OBC bao gồm:
- Bán dẫn công suất: SiC/GaN MOSFET và diode (tổn hao dẫn + chuyển mạch)
- Linh kiện từ tính: Tổn hao lõi cuộn cảm và biến áp (từ trễ + dòng xoáy) và tổn hao cuộn dây (điện trở DC + hiệu ứng tiệm cận AC)
- Tụ điện: Tổn hao ESR trong tụ điện phân và tụ film
- Trace PCB: Tổn hao I2R trong các trace đồng dòng cao
Phương pháp tản nhiệt
Thiết kế làm mát không khí (thông thường cho OBC aftermarket và công suất thấp):
- Tản nhiệt nhôm với đối lưu cưỡng bức
- Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) giữa linh kiện và tản nhiệt
- Lựa chọn quạt dựa trên lưu lượng yêu cầu ở mức tiếng ồn chấp nhận được
- Mật độ công suất thông thường: 1.5–2.5 kW/L
Thiết kế làm mát chất lỏng (thông thường cho ứng dụng OEM ô tô):
- Tấm làm mát với kênh dẫn chất lỏng bên trong
- Gắn trực tiếp bán dẫn công suất lên tấm làm mát
- Tối ưu hóa vật liệu giao diện nhiệt cho điện trở nhiệt tối thiểu
- Mật độ công suất thông thường: 3–5 kW/L
Quy trình mô phỏng nhiệt
Tại EVSELab, quy trình thiết kế nhiệt tuân theo cách tiếp cận dẫn dắt bởi mô phỏng:
- Tính toán ngân sách tổn hao: Tính toán chi tiết tổn hao cho mọi linh kiện ở điều kiện hoạt động xấu nhất
- Mô phỏng CFD: Mô hình hóa động lực học chất lưu tính toán để dự đoán phân bố nhiệt độ
- Xác nhận mẫu thử nhiệt: Chụp ảnh nhiệt hồng ngoại và đo thermocouple trên phần cứng mẫu thử
- Lặp thiết kế: Tinh chỉnh hình học tản nhiệt, lựa chọn TIM và bố trí linh kiện dựa trên dữ liệu đo
Thiết kế và tuân thủ EMC
Tương thích điện từ (EMC) là cân nhắc thiết kế quan trọng phải được giải quyết từ giai đoạn sớm nhất của phát triển OBC.
Phát xạ dẫn
OBC phải đáp ứng giới hạn phát xạ dẫn theo CISPR 11 (công nghiệp) hoặc CISPR 25 (ô tô). Các kỹ thuật thiết kế chính bao gồm:
- Bộ lọc EMI đầu vào: Thường là bộ lọc LC hai tầng với lọc chế độ chung và chế độ vi sai
- Layout PCB: Tối thiểu hóa diện tích vòng tần số cao, thiết kế mặt đất đúng cách và bố trí chiến lược tụ tách ghép
- Tối ưu hành vi chuyển mạch: Kiểm soát dV/dt và dI/dt thông qua lựa chọn điện trở driver cổng và kỹ thuật driver cổng chủ động
Phát xạ bức xạ
EMI bức xạ trở nên ngày càng quan trọng ở tần số chuyển mạch cao hơn. Chiến lược giảm thiểu bao gồm:
- Thiết kế vỏ che chắn với gioăng kín đúng cách
- Lọc cáp và bố trí ferrite trên dây harness đầu vào và đầu ra
- Tối thiểu hóa cấu trúc anten ký sinh trong layout PCB
Yêu cầu miễn nhiễm
OBC ô tô phải chịu được các nhiễu điện từ khác nhau:
- ESD: IEC 61000-4-2 (phóng tiếp xúc và qua không khí đến 8 kV / 15 kV)
- Miễn nhiễm bức xạ: ISO 11452-2 (tiêm dòng khối) và ISO 11452-4 (RF bức xạ)
- Miễn nhiễm dẫn: ISO 7637-2 (xung quá độ trên đường nguồn)
- Tiêm dòng khối: ISO 11452-4
Cách tiếp cận EMC của EVSELab
Chúng tôi tích hợp cân nhắc EMC xuyên suốt quy trình thiết kế thay vì coi tuân thủ là kiểm tra giai đoạn cuối:
- Yêu cầu EMC được nắm bắt trong Giai đoạn 1 (Lập kế hoạch và Xác định) của quy trình APQP
- Mô phỏng tiền tuân thủ được thực hiện trong Giai đoạn 2 (Thiết kế Sản phẩm)
- Layout PCB được đánh giá theo hướng dẫn thiết kế EMC trước khi sản xuất
- Đo tiền tuân thủ được thực hiện trên mẫu thử đầu tiên trước khi kiểm tra chính thức
Thiết kế hệ thống điều khiển
Nền tảng điều khiển số
OBC hiện đại sử dụng điều khiển số triển khai trên vi điều khiển (MCU) hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP). Nền tảng điều khiển tiêu chuẩn của EVSELab dựa trên:
- TI C2000 series DSP (TMS320F28xxx) cho các ngoại vi PWM chuyên dụng và hiệu suất ADC
- Thay thế, ST STM32G4 series cho thiết kế tối ưu chi phí với hiệu suất đầy đủ
Kiến trúc vòng điều khiển
Cấu trúc điều khiển OBC thông thường bao gồm:
- Vòng điện áp PFC: Điều chỉnh điện áp bus DC với băng thông 10–30 Hz
- Vòng dòng PFC: Định hình dòng đầu vào với băng thông 1–5 kHz
- Vòng điện áp đầu ra DC/DC: Điều chỉnh điện áp pin trong chế độ CV
- Vòng dòng đầu ra DC/DC: Điều chỉnh dòng sạc trong chế độ CC
- Giao diện truyền thông: CAN bus hoặc giao diện LIN đến BMS và VCU của xe
Chức năng an toàn quan trọng
Firmware OBC phải triển khai một số chức năng an toàn:
- Bảo vệ quá áp (đầu vào và đầu ra)
- Bảo vệ quá dòng
- Bảo vệ quá nhiệt (tiếp giáp bán dẫn, môi trường, chất làm mát)
- Phát hiện lỗi nối đất
- Giám sát cách ly
- Bộ đếm watchdog và chương trình tự chẩn đoán
Nền tảng Ladybug: Nghiên cứu trường hợp
Nền tảng Ladybug của EVSELab thể hiện năng lực thiết kế OBC:
Thông số kỹ thuật chính
- Công suất định mức: 3.3 kW
- Điện áp đầu vào: 85–265 VAC, 47–63 Hz
- Điện áp đầu ra: 200–450 VDC (có thể cấu hình cho hệ thống pin 400 V hoặc 800 V)
- Hiệu suất đỉnh: 96.5%
- Hệ số công suất: > 0.99 ở tải định mức
- Kích thước: 260 x 180 x 65 mm
- Trọng lượng: < 2.5 kg
- Tản nhiệt: Không khí cưỡng bức (phiên bản làm mát chất lỏng có sẵn)
- Cấp bảo vệ: IP67 (với vỏ ngoài)
Điểm nổi bật thiết kế
- PFC totem-pole không cầu với SiC MOSFET
- DC/DC cộng hưởng LLC với switch sơ cấp SiC và chỉnh lưu thứ cấp Schottky SiC
- Điều khiển số TI C2000 với truyền thông CAN bus
- Thiết kế tuân thủ IEC 61851 và IEC 62368
- Quy trình phát triển được xác nhận APQP từ ý tưởng đến sản xuất
Kết luận
Thiết kế bộ sạc trên xe hiệu suất cao đòi hỏi cách tiếp cận đa ngành kết hợp chuyên môn điện tử công suất, kỹ thuật nhiệt, thiết kế EMC, kỹ thuật hệ thống điều khiển và quy trình chất lượng nghiêm ngặt. Tại EVSELab, chúng tôi hội tụ tất cả các lĩnh vực này dưới quy trình APQP để cung cấp giải pháp OBC đáp ứng yêu cầu khắt khe của ngành xe điện.
Dù bạn cần module OBC tiêu chuẩn hay thiết kế tùy chỉnh phù hợp với nền tảng xe của bạn, đội ngũ kỹ sư tại TP. Hồ Chí Minh sẵn sàng hỗ trợ.
Quan tâm đến nền tảng OBC Ladybug hoặc dịch vụ thiết kế OBC tùy chỉnh? Liên hệ EVSELab để bắt đầu cuộc trò chuyện.
