艾睿電子全方面的電池應用解決方案

越來越多的無線和電池供電設備越來越多地滲透到日常生活中，其中包括電動汽車（EV）與太陽能儲能系統(tǒng)等應用，如何對電池進行高效率的管理將是重要課題。本文將為您介紹電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池化成、GaN FET、鋰碳電容器（LCC）、儲能模塊系統(tǒng)等解決方案，使您全面性地進一步了解電池應用相關技術。

當前電動汽車與儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展趨勢，進一步推動了對生產具有不同充電容量的電池需求穩(wěn)步上升，其中的電池化成在各種采用電池存儲能源的應用中，扮演著相當重要的角色。

完整的電池化成電源系統(tǒng)解決方案

隨著市場對電池的需求日益增加，電池制造商發(fā)現自己面臨著在整個生產過程中提高效率，并滿足所需體積的挑戰(zhàn)。每個電池在制造過程中需要經歷的基本階段是電池化成。在其中，新組裝的電池首先以高電壓和電流精度進行充電和放電，目的是激活電池材料?；裳h(huán)對電池壽命、質量和成本有很大影響，但成本高、耗時長，是目前生產過程中的瓶頸。

英飛凌憑借其全面的成本和效率優(yōu)化產品組合，提供全系列電源系統(tǒng)解決方案，充分滿足高精度、高效率和功率密度的應用需求。英飛凌的解決方案在充電和放電循環(huán)期間可提供高電壓和電流精度（高達0.01%），具有高功率密度、高效率，可在運行期間提供最佳的熱管理，并可以達到24/7的運行周期，系統(tǒng)可靠性高。

英飛凌在電池化成應用的主要產品包括OptiMOS?和StrongIRFET?低壓功率MOSFET，以及CoolMOS?高壓功率MOSFET，還有EiceDRIVER?柵極驅動器芯片、TRENCHSTOP?分立式IGBT與XMC?微控制器。這些產品是具有高效、創(chuàng)新且具有成本吸引力的解決方案，可節(jié)省整體BOM，高功率密度半導體可縮小尺寸，并具有完整的生態(tài)系統(tǒng)可加快上市時間，包括仿真、文件、演示板，英飛凌的質量提高了產品使用壽命和可靠性，并提供一站式服務組合。

提供汽車電池管理應用的高集成度解決方案

為了滿足汽車與能源儲存電池管理應用需求，艾睿電子針對電動汽車與能源儲存應用推出了電池管理系統(tǒng)（BMS）參考設計，BMS是監(jiān)控和調節(jié)電池充電和放電的電子控制電路。該參考設計由Infineon功能強大的汽車級Traveo II MCU CYT2B97、AFE TLE9012D和收發(fā)器TLE9015D所組成。TLE9012DQU實現了電池電壓測量、溫度測量、電池均衡和隔離通信四大功能，TLE9015D則作為收發(fā)器連接TLE9012DQU和MCU主電池控制器。此外，該解決方案還集成了壓力檢測、RTC以及系統(tǒng)電壓和電流傳感功能。

此BMS參考設計具有低成本和優(yōu)化尺寸、減少軟件工作量、縮短上市時間等優(yōu)點，可均衡和監(jiān)控多達12個串聯電池，具有12通道專用16位delta-sigma ADC電池電壓監(jiān)視器，精度約為5.8mV，采用2Mbit/s iso-UART的7μS快速同步電池電壓采樣，具備高達200mA的內部電流均衡和5通道溫度傳感器，可保留壓力傳感器和外部RTC，支持系統(tǒng)電壓和電流感應。

功能完整的電流轉換解決方案

在市場上，交流電源要么是三相，要么就是單相。在功率級的三相交流輸入方面，艾睿電子與ST合作開發(fā)雙向AC-DC轉換器解決方案，它可用于15kW電池化成或儲能應用。該參考設計提供了一套完整采用數字平臺的三相AC/DC和DC/AC（800 VDC到400 VAC）功率轉換解決方案。它非常適合高功率充電站、工業(yè)電池充電器，以及UPS的有源前端（AFE）階段。SiC MOSFET的高頻應用和多電平拓撲結構，可實現近99%的效率，同時優(yōu)化無源器件尺寸和成本。

這是一款三相三電平雙向AC/DC轉換器，支持800 VDC的額定標稱直流電壓，支持400 VAC @ 50 Hz的額定標稱交流電壓，標稱功率可達15 kW。在交流轉直流整流模式下，功率因子（PF）控制大于0.99，具有浪涌電流控制及軟啟動，在直流轉交流逆變模式下，可支持有功及無功功率控制，具有集成的并網方案。這款參考設計采用了SiC MOSFET的功率器件，可在高頻運行（70 kHz），擁有大于98%的高效率，可減少無源器件的重量和尺寸。

在采用STM32G474微控制器系列的控制部分，可P2P相容于不同的電源轉換器，具有4個整合的高性能運算放大器，以及SWIM、UART、I2C、DAC控制和監(jiān)測接口，支持64針的數字電源連接器、過流過壓保護。

在功率級的單相交流輸入應用，艾睿電子與ST提供雙向AC-DC轉換器解決方案，專注在6.6kW電池化成與儲能應用。這款6.6kW雙向儲能系統(tǒng)可支持AC/DC雙向電源轉換，最大充電功率為6.6kW，支持180-265 VAC交流輸入電壓，直流輸出功率為60-90VDC，最大逆變功率可達6.6kW，逆變額定輸入為80VDC，逆變額定輸出為220VAC 50Hz，效率大于95%，支持圖騰柱PFC 100 kHz、CLLLC 200kHz。該解決方案也可應用于儲能太陽能逆變器、叉車充電器、交直流加載設備等。

此外，艾睿電子與ST還推出6.6kW雙向CLLC電源轉換器，可支持雙對稱式CLLC DCDC轉換器，最大可支持6.6kW雙向電源轉換，效率將可超過98%，輸入電壓為550VDC，輸出電壓為60-90VDC，逆變額定輸入為80VDC，逆變額定輸出為550VDC，電路板尺寸為450mm x 330mm x 100mm（LxWxH）。以上解決方案基于STM32G474微控制器系列和最新的ST模擬和功率器件。

GaN在電池應用上的設計方案與核心優(yōu)勢

鋰化合物電池都有電池保護的要求，電池保護芯片會檢測各種電池異常情況，包括過壓、欠壓、放電過流、短路等。EPC的GaN是基于GaN FET獨特的內在特性（漏極和源極之間沒有寄生體二極管），實現在一顆晶粒（die）中獲得雙向電壓關斷功能。GaN具有一個頂兩個的優(yōu)勢，在大電流應用中，系統(tǒng)成本優(yōu)勢明顯，其封裝小，能有效縮小PCB尺寸，有利于高密度PCB布局，且內阻小，可有效減少系統(tǒng)導通損耗，提高系統(tǒng)整體續(xù)航能力。

對比硅MOS方案，在拓撲上硅MOSFET（100V 2.7mΩ）需要采用2個背靠背共漏極，封裝為SO8 (6.15 x 5.15mm)，Vds為100V，Vgs_max為+10V，Ron_max為2.7x2=5.4mΩ，Id為194A，須采用16個，而EPC的GaN方案（EPC2302 (100V 1.8mΩ)）只需要采用1個GaN，封裝采用QFN 3x5mm，Vds為100V，Vgs_max為+5V，Ron_max為1.8mΩ，Id為408A，僅須采用6個，具有更小的封裝、更低的系統(tǒng)成本的優(yōu)勢。

GaN器件目前也正被廣泛用于太陽能應用，因為它們在效率、尺寸、重量和長壽命方面具有顯著優(yōu)勢。太陽能應用需要保證使用超過20年的壽命，并具有出色的熱性能，以及高功率密度，以增加相同外形尺寸的功率或與面板集成。更高功率密度的趨勢導致冷卻系統(tǒng)非常昂貴，最先進的硅MOSFET解決方案無法再滿足所需的功率密度。因此，領先的太陽能公司正在采用GaN。

GaN FET非常小，開關損耗非常低。這允許更高的開關頻率來增加功率密度，同時仍然提供比硅MOSFET解決方案更高的效率，以應對熱挑戰(zhàn)并節(jié)省冷卻成本，GaN出色的可靠性可支持25年的使用壽命。

EPC的100 V、150 V、170 V和200 V GaN器件非常適用于微型逆變器的初級或獨立的MPPT/優(yōu)化器。EPC 200 V和350 V器件還可用于電池儲能系統(tǒng)或串式逆變器的多級拓撲結構。

GaN FET還可用在太陽能電池板優(yōu)化器，可優(yōu)化每個太陽能電池板的功率，在微型逆變器應用中，GaN能提供更高的功率密度、更易于冷卻或增加功率的出色熱性能、出色的可靠性和經過驗證的使用壽命。此外，GaN FET還可用于200 V和350 V的多級拓撲儲能系統(tǒng)，允許使用具有更小外形尺寸的更小電壓器件，降低dV/dt并增加等效輸出頻率，從而提高效率和密度，簡化冷卻并限制組件中的應力以延長使用壽命。

GaN的工業(yè)應用包括60~150V的儲能系統(tǒng)、小于60V的儲能系統(tǒng)、電動汽車／混合動力電動汽車、電動自行車、電動工具、無人機、掃地機、智能手機、平板、筆電等。

鋰碳電容器具有比傳統(tǒng)電池更多優(yōu)越特性

LCC（Lithium Carbon Capacitor）的中文名稱為鋰碳電容器，是一種不對稱超級電容器，屬于超級電容的一種，負極材料和超級電容一樣，把正極進行了改造，大大提高了能量密度，是傳統(tǒng)超級電容的15-20倍；通過離子吸附結合鋰離子的淺嵌入脫出，實現高能量密度，具有高倍率充放電，高安全、長壽命、免維護等特點。由于傳統(tǒng)電池的安全性參差不齊，不管是鉛酸電池還是鋰電池，都存在安全問題，鋰電池當短路時還可能會爆炸，而LCC的安全性能很高，直接短路都不會出現爆炸、起火。

傳統(tǒng)的電池一般為鎳鉻／鉛酸電池和鋰電池，在充電效率方面，LCC的充電倍率是鋰電的50倍，鉛酸／鎳鉻的250倍，這意味著充電時間將非常短，LCC屬于超級快充，充電僅需1分鐘，再也不用等待充電了。LCC的放電倍率也更大，在瞬態(tài)時可達50倍，在持續(xù)時可達20-30倍，因此可以提供更大的功率輸出，工作的溫度范圍也非常寬，可以-40-65℃的環(huán)境下進行充電與放電，LCC的充放電次數可達50,000次，時間可達5年以上，電池壽命非常的長，所以實際應用中可說完全不需要再更換電池，可以終身使用。

近年來，隨著社會發(fā)展，白天與黑夜的電力需求之間的峰谷差不斷加大。目前許多大多數城市每天的晝夜平均電力需求峰谷差超過60%。想要真正達到用電節(jié)能減排的目標，應該著力解決白天與黑夜的電力需求之間的巨大峰谷差這一主要矛盾，這正是LCC模組重要的應用領域。

支持高電壓與大電流的儲能模塊系統(tǒng)

風能／重工業(yè)應用儲能模塊系統(tǒng)可作為各種風力發(fā)電設施的輔助儲能系統(tǒng)，可顯著改善微電網的電能質量，提供微電網系統(tǒng)無功支持，輸出功率大，支持高電壓（≧500V）、大電流（~1000A）工作情況，具備超長使用壽命及免維護的特性，并可依不同電壓或容量需求進行積木式組合使用。

萬?？萍纪瞥龅模ˋNGA POW?）模塊具有超低內阻、超高功率（≧200KW），支持超過500,000次充放電，集成了超級電容器管理系統(tǒng)（CMS），支持單體間電壓均衡、過電壓和溫度監(jiān)控信號輸出、RS或CAN輸出接口，模塊結構堅固和緊湊、全密封及防濺。

ANGA POW?模塊支持的額定電壓為129V，額定容量為62F，浪涌電壓為134.4V，漏電流≦10mA，直流內阻≦20mΩ，最大充／放電電流為640A，標準充／放電電流為32A，可在-40°C~+60°C的工作／儲存溫度范圍下工作，尺寸為644*465*285mm，支持IP41防護等級，重量約為51kgs，是各種風能／重工業(yè)應用的理想輔助儲能系統(tǒng)。

結語

隨著電動汽車與儲能系統(tǒng)市場的快速發(fā)展，電池的應用需求也在日益提高，如何提升電池的運作效率與安全性，便成為電池應用的重大課題。本文介紹了各種電池應用所需的各種解決方案，將可讓您進一步了解電池應用在充放電、管理上所需的各種器件與模塊，便于在產品設計上的參考，若有進一步的需求，請與艾睿電子聯絡，以獲得更多的信息。