固定比率转换器可提高整个电池寿命周期的充电效率

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-24 16:18:18

  固定比率转换器技术
  在高压电池系统中,DC-DC 电源转换是电源传输架构的基础。
  DC-DC 转换通常通过开关模式电源转换器(如降压或升压拓扑或低压差稳压器 (LDO))实现。虽然这些电源转换器可能很有效,但它们的输出刚性和低于标准的转换效率限制了电力输送网络 (PDN) 的灵活性和性能。在处理与当今电池系统相关的高电压时尤其如此。

  为了克服这些缺点,Vicor 开发了固定比率转换器,这种转换器可在小型封装中为高压至低压负载(通常称为安全超低压)提供高效、隔离的转换。固定比率转换器类似于 AC-AC 解决方案中的变压器,可执行 DC-DC 转换,输出电压是 DC 输入电压的固定比例(图 1)。

  图 1. 双向固定比率转换器用作降压转换器(K = 1/12),也可用作升压转换器(K 为 12/1)。单个模块中的这种双向性为电池行业带来了多种前所未有的用例。图片由 Bodo's Power Systems  [PDF]提供
  与由线圈匝数比定义的变压器的降压或升压能力类似,固定比率转换器的能力由其 K 因子定义,该因子以相对于其电压降压能力的分数表示(图 2)。
  与调节输出电压的传统 DC-DC 转换器不同,固定比率转换器不提供输出调节。这些设备也是自主的,不需要反馈回路或外部控制机制。
  固定比率转换器比传统转换器有几个显著的优势。
  双向性
  这些设备本质上是双向的,因为固定比率转换器独立于外部主机或控制器运行。这意味着,根据电流流动的方向,相同的固定比率转换器模块将使电压升高或降低。通过用一个模块实现升压和降压,固定比率转换器为依赖双向电流的 PDN 带来了前所未有的灵活性和简便性。
  灵活性和可扩展性

  固定比率转换器非常容易并联,以满足更高的功率需求。设计人员可以轻松并联多个固定比率转换器模块,以将系统扩展到所需的任何输出功率需求。同样,设计人员可以将多个固定比率转换器串联起来,以根据其级联 K 因子实现独特的电压比。在这些情况下,转换器必须功率匹配,以确保安全可靠的运行。

  图 2.  Vicor BCM 固定比率转换器支持多种不同的 K 系数和输出功率配置,可满足大多数应用的需求。图片由 Bodo's Power Systems提供 [PDF]
  ,固定比率转换器体积小,但功率效率无与伦比。传统的降压或升压转换器的功率效率在 90% 以下,而固定比率转换器的转换效率高达近 98%,从而降低了热管理开销的需求,实现了更可持续的应用。
  电池单元化成
  电池生命周期的阶段是电池形成阶段。
  在此阶段,新制造的电池必须经历化成循环过程,即首次对电池进行充电和放电。在此过程中,电池反复循环,逐渐形成电池的固体电解质界面 (SEI) 层。此过程的速度由电池化学性质决定,因此电池化成延迟大多是一个固定速率的过程。
  电池的形成循环需要一个可以支持重复充电和放电循环的底层电源传输网络 (PDN)。
  此类系统的标准 PDN 从电网获取三相交流输入,将其整流为高压直流,然后使用多相直流-直流转换达到为电池单元充电所需的标称电压(例如 4.2 V)(图 3)。电池充电所需的终电压因工厂而异,具体取决于特定的电池化学性质,但从交流到较低直流总线电压(例如 12 V)的几个中间电压降是整个行业的标准。
  分立元件解决方案设计起来非常困难,需要大量的内部电源知识,BOM 庞大,带来成本和供应链挑战,并增加上市时间。分立解决方案限制了灵活性,因为它们提供预定义的输出电压。当不同的电池化学成分需要不同的电压时,设计人员创建一种可以根据电池化学成分进行修改的灵活解决方案更具成本效益。分立解决方案不允许灵活的电池形成系统,该系统可以动态修改以兼容多种电池类型。
  PDN 在电池化成过程中面临两大挑战:产量和效率。
  从产量角度来看,电池化学固有地限制了制造商形成电池 SEI 层的速度。因此,提高电池形成过程的成本效益需要可扩展的系统,以便能够并行形成许多电池。然而,对于现有的 PDN,缺乏模块化中间 DC-DC 相限制了在不进行重大设计改造的情况下轻松扩展系统的能力。
  从效率角度来看,电池的持续充电和放电成本很高。为了优化效率,电池制造商会重复利用电池充电周期中消耗的能量,要么将其存储在本地,要么在放电周期将其送回电网。这需要一个支持双向电流流动并执行高效电源转换的 PDN。
  在这两种情况下,固定比率转换器都是理想的解决方案。通过将固定比率转换器集成到 PDN,设计人员可以将架构重新定义为三个不同的阶段:交流整流、低压转换和恒流转换(总线转换器)。
  在恒流转换阶段,设计人员可以实施固定比率转换器,轻松将较高的直流电平降至更安全、更低的电平,而无需分立或单模块解决方案。只需并联集成一个或多个固定比率转换器,设计人员就可以创建一个模块化且易于扩展的供电网络。
  这样,设计人员就可以设计出同时循环多个电池的系统,从而实现更高的吞吐量、更大的功率密度和更高的效率。此外,这种架构允许设计人员轻松更改 PDN,以适应电池独特标称电压所需的 DCDC 转换。借助无需分立元件的更灵活解决方案,设计可以更快地进入市场,并且不易出现故障。
  固定比率转换器固有的双向特性非常适合电池化成过程中的节能。使用固定比率转换器,电池制造商可以轻松地在充电和放电循环之间切换,因为他们知道固定比率转换器将在放电时自动升压到预定义的更高电压,并在充电循环中同样将其降压。这一独特功能提高了工艺能源效率,从而可以在化成循环期间重复使用能源。

  此外,固定比率转换器效率为 97.9%,转换周期中任一方向的功率损耗都。如果没有固定比率转换器,这种双向性将需要多个组件(一个用于降压,一个用于升压)。这会因效率降低和组件数量增加而消耗更多功率。

  图 3.电池制造商可以使用固定比率转换器将双向性和效率集成到电池化成电力输送网络中。图片由Bodo's Power Systems 提供
  电池测试
  电池生命周期的下一个阶段是电池测试,制造商将电池单元组合成更大的电池组。电池组生产不受与电池充电和放电相关的化学相关时间要求的限制,但仍面临类似的产量挑战。
  例如,必须对每个电池进行适当的测试和测量,以便将多个电池组合成更大的电池组。然后,更大的电池组也需要经过严格的测试。这不是一个增值步骤,因此制造商完成此过程的速度越快,电池组的整体成本就越低。
  PDN 需要具有灵活性和可扩展性,以适应各种电池电压和功率水平,并且需要高吞吐量,以便在相同的物理空间和更短的时间内测试更多的电池。因此,电池组测试人员需要模块化且可扩展的电力输送网络,以满足其测试要求和容量的特定需求。与电池形成阶段一样,电池测试设施的标准 PDN 需要将电源从交流三相转换为电池的标称电压(图 4)。
  通过在 PDN 的恒流转换阶段使用固定比率转换器,电池测试设计人员可以避力地设计中间转换阶段。相反,他们可以相信他们的恒流转换是由固定比率转换器管理的。设计人员现在可以专注于转换过程的阶段,其中电压需要与电池的标称电压相匹配才能进行测试。这种简化的架构创建了模块化和灵活的系统,设计人员可以根据不同的测试要求轻松修改这些系统。

  固定比率转换器的另一个重要优势是功率密度。固定比率转换器具有极高的功率效率和小尺寸,能够以业界的尺寸支持千瓦功率和数百伏电压。这有助于支持更高的吞吐量测试仪,因为可以在相同的面积限制内安装更多测试设备,从而有机会同时测试更多电池单元。

  图 4. 固定比率转换器为电池测试电力输送网络解锁高功率密度水平,通过在同一区域安装更多测试设备实现更高的测试吞吐量。图片由 Bodo's Power Systems提供
  现实世界的 PDN 电池挑战
  当电池终走出工厂并投入实际应用时,PDN 面临的挑战仍未结束。
  许多新兴的电池供电应用对极高压电力输送的需求日益增长,例如系留机器人或 ROV、太阳能和风能等可再生能源的储能系统以及电动汽车(图 5)。例如,电动汽车的电力输送架构正在从 400 V 转变为 800 V,以实现更高的功率和效率。
  电压越高,在输出相同功率时电流越小。因此,高压供电的一个好处是效率更高,因为电流越小,I 2 R 损耗越小。这样可以实现更高效的应用,同时减少热管理开销。
  此外,高压电力输送可减少车辆线束中的线规。由于电流输送要求较低,设计人员可以使用直径较小的电缆,从而降低系统重量、材料要求和成本。
  当然,这种高压系统的成功运行依赖于将输送中使用的高压转换为负载使用的较低电压的能力。在电池生命周期的这个阶段,固定比率转换器通过提供简单而有效的直流电源转换方式??来提供价值。

  以系留机器人为例。使用 1/16 K 因数固定比率转换器,设计人员可以利用 97.9% 的效率将电压从用于配电的高压(例如 800 V DC)降至较低电压,例如 48 V DC。从 48 V DC开始,设计人员可以使用传统的 90% 效率降压转换器达到用于微控制器单元 (MCU) 的终 3.3 V 电压。如果没有固定比率转换器,从 800 V 到 3.3 V 的整个转换将以 90% 的效率进行,从而产生比固定比率转换器架构更大的损耗。

  图 5. 系留机器人等应用可以使用固定比率转换器来实现高压电力输送,而不会在转换为较低电压时产生显着的功率损耗。 图片由 Bodo's Power Systems  [PDF]提供
  电池回收挑战
  一旦电池达到了其使用寿命,其生命周期的阶段就是回收。
  电池回收需要高功率电化学过程,其中电池中的原材料和元素通过化学方法从电池中分离出来,以便将来回收和再利用。与电池生命周期的其他工业阶段一样,PDN 包括将三相交流输入电压转换为高功率??直流,终降至较低电压以操作回收设备(图 6)。

  从 PDN 的角度来看,一个挑战是电池回收过程会产生大量热量。因此,PDN 内的组件必须能够在高温下可靠运行。同样,功率密度在 PDN 的设计中变得越来越重要,需要小尺寸和高效率的电源转换。

 固定比率转换器为 DC-DC 转换提供了功率密度极高的解决方案,能够以极小的尺寸支持数百伏的千瓦功率。

  图 6. BCM 固定比率总线转换器可在电池回收厂的高温限制内实现可靠的高功率电压转换。图片由 Bodo's Power Systems提供 
  例如,Vicor BCM6123 固定比率总线转换器的功率密度为 2352W/in3 (图 7)。凭借这种功率密度,设计人员可以轻松满足电池回收厂的温度和性能要求。随着功率要求和需求不断增长,通过固定比率转换器实现的模块化电源架构允许系统以的开销进行相应扩展。
  电池生态系统中的固定比率转换器

  人们越来越需要高效、高功率密度且可扩展的高压电力传输网络,这些网络在电池生命周期的每个阶段都应如此。电池生命周期的成功需要每个阶段的成功,无论是电池单元的形成、测试、应用内使用还是回收。固定比率转换器有益于整个电池生命周期。与传统的电源转换解决方案相比,固定比率电压转换器提供了前所未有的效率和小尺寸,同时具有双向操作等独特功能。

  图 7.  Vicor BCM6123 固定比率总线转换器模块采用 61.0 x 25.14 x 7.26mm ChiP 封装,提供 24V 输出电压和 62.5A 输出电流。图片由 Bodo's Power Systems提供 [PDF]
  Vicor BCM 产品采用正弦振幅转换器拓扑,允许比基于 PWM 的解决方案更高的频率运行。BCM 系列固定比率转换器具有各种外形尺寸和额定功率,可满足各种高压和其他应用的需求。
  BCM 固定比率转换器有望在电池制造业(当今增长快的市场之一)的发展中发挥重要作用。它们支持更高的吞吐量、提高效率,并可随任何应用扩展。无论应用或生命周期阶段如何,固定比率电源转换器都是蓬勃发展的现代电池行业的解决方案,而传统的电源转换方法可能会限制这一行业的发展。
关键词:固定比率转换器

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