固定比率轉(zhuǎn)換器在電池生命周期中釋放創(chuàng)新動(dòng)力

整個(gè)電池生命周期受限于當(dāng)前電力轉(zhuǎn)換技術(shù)的局限性，但固定比率轉(zhuǎn)換器技術(shù)或可改變這一現(xiàn)狀

固定比率轉(zhuǎn)換器技術(shù)

在高壓電池系統(tǒng)中，DC-DC 電源轉(zhuǎn)換是供電架構(gòu)的一個(gè)基本方面。

DC-DC 轉(zhuǎn)換通常通過開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器（如降壓或升壓拓?fù)洌┗虻蛪翰罘€(wěn)壓器（LDO）實(shí)現(xiàn)。這些電源轉(zhuǎn)換器可能有效，但它們的輸出剛性和較低的轉(zhuǎn)換效率限制了供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）的靈活性和性能。目前，電池系統(tǒng)的高電壓凸顯了這一不足。

為了克服這些缺點(diǎn)，Vicor 開發(fā)了固定比率轉(zhuǎn)換器，在小巧的封裝中實(shí)現(xiàn)了高效的隔離轉(zhuǎn)換，適用于從高壓到低壓（通常稱為安全特低電壓）的負(fù)載轉(zhuǎn)換。類似于 AC-AC 解決方案中的變壓器，固定比率轉(zhuǎn)換器用于執(zhí)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換，其輸出電壓為輸入電壓的固定分?jǐn)?shù)（見圖 1）。

電池生命周期的第一個(gè)階段是電池化成。在該階段，新生產(chǎn)的電池必須經(jīng)歷化成循環(huán)過程，即首次對電池電芯進(jìn)行充電和放電操作。在此過程中，電池進(jìn)行多次循環(huán)，逐漸形成固體電解質(zhì)界面（SEI）層。該過程的速度取決于電池電芯的化學(xué)性質(zhì)，因此電池化成的用時(shí)大多是固定的。

電池化成循環(huán)需要一個(gè)能夠支持重復(fù)充放電循環(huán)的底層供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）。

在這種情況下，普通 PDN 從電網(wǎng)獲取三相交流輸入，將其整流為高壓直流電，然后通過多級 DC-DC 轉(zhuǎn)換達(dá)到為電池電芯充電所需的標(biāo)稱電壓（例如 4.2V）（見圖 3）。為電池充電所需的最終電壓因電池而異，具體取決于電池電芯的化學(xué)性質(zhì)，但在將交流電轉(zhuǎn)換為較低直流母線電壓（例如 12V）時(shí)，使用幾個(gè)中間電壓降是全行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)做法。

分立式組件解決方案的設(shè)計(jì)非常困難，需要企業(yè)具備全面的內(nèi)部電源技術(shù)專長，而且物料需求大。這不僅會(huì)增加成本，帶來供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，還會(huì)延緩產(chǎn)品上市時(shí)間。分立式解決方案會(huì)限制靈活性，因?yàn)樗鼈冎荒芴峁╊A(yù)定義的輸出電壓。由于電池的化學(xué)性質(zhì)不同而需要不同的電壓時(shí)，如果設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建一種可以根據(jù)電池的具體化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行修改的靈活解決方案，則更加經(jīng)濟(jì)高效。使用分立式解決方案時(shí)，電池化成系統(tǒng)缺乏靈活性，無法動(dòng)態(tài)修改以兼容多種電池類型。

在恒流轉(zhuǎn)換階段，設(shè)計(jì)人員可以利用固定比率轉(zhuǎn)換器，輕松地將較高的直流電壓降至更安全、更低的電壓，而無需分立式解決方案或單模塊解決方案。通過并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)固定比率轉(zhuǎn)換器，他們就可以創(chuàng)建易于擴(kuò)展的模塊化供電網(wǎng)絡(luò)。

這樣，設(shè)計(jì)人員就可以設(shè)計(jì)出同時(shí)循環(huán)多個(gè)電池的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量、功率密度和效率。此外，這種架構(gòu)還允許設(shè)計(jì)人員輕松更改 PDN，根據(jù)電池的獨(dú)特標(biāo)稱電壓完成所需的 DC-DC 轉(zhuǎn)換。無需分立式組件，解決方案更加靈活，就可以加快產(chǎn)品上市速度并降低故障率。

在節(jié)能方面，固定比率轉(zhuǎn)換器固有的雙向轉(zhuǎn)換功能在電池化成過程中尤為有效。使用固定比率轉(zhuǎn)換器，電池制造商就可以在充電和放電循環(huán)之間自如切換，因?yàn)樗麄冎拦潭ū嚷兽D(zhuǎn)換器將在放電時(shí)自動(dòng)升壓到預(yù)定義的較高電壓，在充電時(shí)進(jìn)行降壓。這一獨(dú)特功能可提高化成過程的能效，在化成循環(huán)期間重復(fù)利用能源。

此外，固定比率轉(zhuǎn)換器的效率高達(dá) 97.9%，雙向轉(zhuǎn)換過程中的功率損耗微乎其微。如果沒有固定比率轉(zhuǎn)換器，將需要多個(gè)組件（一個(gè)用于降壓，一個(gè)用于升壓）才能實(shí)現(xiàn)這種雙向轉(zhuǎn)換功能。這樣就會(huì)因?yàn)樾实拖露母喙β什⒃黾咏M件數(shù)量。

電池生命周期的第二個(gè)階段是電池測試。在此階段，制造商將電池電芯組合成更大的電池組。電池電芯的充放電受限于一些時(shí)間要求（取決于化學(xué)性質(zhì)），而電池組的生產(chǎn)則不受這些限制，但仍面臨同樣的吞吐量挑戰(zhàn)。

例如，每個(gè)電芯都必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏y試并進(jìn)行精確的測量，以確保多個(gè)電芯能夠組成更大的電池組。然后，更大的電池組也需要經(jīng)過嚴(yán)格的測試。這不是一個(gè)增值步驟，因此制造商完成這一步驟的速度越快，電池組的整體成本就越低。

為了適應(yīng)各種電池電壓和功率水平，供電網(wǎng)絡(luò)必須靈活而且可擴(kuò)展。同時(shí)，為了在相同的物理空間內(nèi)以更短的時(shí)間測試更多電池，需要供電網(wǎng)絡(luò)提供高吞吐量。因此，電池組測試設(shè)備需要模塊化且可擴(kuò)展的供電網(wǎng)絡(luò)，以滿足具體的測試要求和測試量。與電池化成階段一樣，電池測試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)供電網(wǎng)絡(luò)也需要將三相交流電轉(zhuǎn)換為電芯的標(biāo)稱電壓（見圖 4）。

在供電網(wǎng)絡(luò)的恒流轉(zhuǎn)換階段使用固定比率轉(zhuǎn)換器，電池測試設(shè)計(jì)人員就不再需要費(fèi)力地設(shè)計(jì)中間轉(zhuǎn)換階段。相反，他們可以放心地利用固定比率轉(zhuǎn)換器來管理恒流轉(zhuǎn)換。這樣，他們就可以專注于轉(zhuǎn)換過程的最后階段，即將電壓與電芯的標(biāo)稱電壓相匹配以進(jìn)行測試。這種簡化的架構(gòu)使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建靈活的模塊化系統(tǒng)，并根據(jù)不同的測試要求輕松進(jìn)行修改。

固定比率轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要優(yōu)勢是功率密度。憑借極高的功率效率和小巧的外形尺寸，固定比率轉(zhuǎn)換器可以在行業(yè)領(lǐng)先的小巧設(shè)計(jì)中支持?jǐn)?shù)千瓦的功率和數(shù)百伏的電壓。這樣就可以構(gòu)建吞吐量更高的測試儀，在相同的空間內(nèi)安裝更多測試設(shè)備，從而為同步測試更多電芯創(chuàng)造機(jī)會(huì)。

當(dāng)電池最終出廠并投入實(shí)際應(yīng)用時(shí)，供電網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)并未結(jié)束。

在許多新興的電池供電應(yīng)用中，如系留機(jī)器人或水下機(jī)器人（ROV）、太陽能和風(fēng)能等可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車，對極高電壓供電的需求不斷增長（見圖 5）。例如，為了增加功率，提高效率，電動(dòng)汽車的供電架構(gòu)正從 400V 過渡到 800V。

在相同的功率下，電壓越高，供電電流就越小。因此，高壓供電的一個(gè)優(yōu)勢是效率更高，因?yàn)楦〉碾娏骺梢詼p少 I2R 損耗。這使得應(yīng)用更加高效，同時(shí)也減少了熱管理開銷。

此外，高壓供電可以減小車輛線束的線規(guī)。由于供電電流更小，設(shè)計(jì)人員可以使用線徑更小的電纜，從而減輕系統(tǒng)重量，降低材料需求和成本。

顯然，要使這種高壓系統(tǒng)成功運(yùn)行，需要將這些用于供電的高壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載點(diǎn)上使用的低壓。在電池生命周期的這個(gè)階段，固定比率轉(zhuǎn)換器通過提供一種簡單而高效的直流電源轉(zhuǎn)換手段來提高價(jià)值。

以系留機(jī)器人為例，利用 K 因數(shù)為 1/16 的固定比率轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)人員能以 97.9% 的效率，將電壓從用于供電的高壓（例如 800VDC）降至較低的電壓，例如 48VDC。在 48VDC 的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以使用效率為 90% 的常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器，獲得微控制器單元（MCU）最終所需的 3.3V 電壓。如果沒有固定比率轉(zhuǎn)換器，從 800V 到 3.3V 的整個(gè)轉(zhuǎn)換過程將以 90% 的效率進(jìn)行，產(chǎn)生的損耗將顯著高于固定比率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

電池生命周期的最后一個(gè)階段是回收。

電池回收是一個(gè)高功率的電化學(xué)過程，通過化學(xué)手段將電池中的原材料和元素分離出來，以便將來進(jìn)行回收和再利用。與電池生命周期的其他工業(yè)階段一樣，供電網(wǎng)絡(luò)需要將三相交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為高功率直流電，最終降至較低電壓，為回收設(shè)備供電（見圖 6）。

從供電網(wǎng)絡(luò)的角度來看，電池回收過程會(huì)產(chǎn)生大量熱量。因此，供電網(wǎng)絡(luò)的組件必須能夠在高溫下可靠運(yùn)行。同樣，在供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，功率密度也變得越來越重要，需要小巧的外形設(shè)計(jì)和高效的電源轉(zhuǎn)換。

固定比率轉(zhuǎn)換器提供了一種功率密度極高的 DC-DC 轉(zhuǎn)換解決方案，能夠在很小的外形設(shè)計(jì)中支持?jǐn)?shù)千瓦的功率和數(shù)百伏的電壓。

在電池生命周期的每個(gè)階段，對高效、高功率密度且可擴(kuò)展的高壓供電網(wǎng)絡(luò)的需求都在不斷增長。整個(gè)電池生命周期的成功取決于每個(gè)階段的成功。無論是電池化成、測試、實(shí)際應(yīng)用還是回收，整個(gè)電池生命周期都可以受益于固定比率轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換解決方案相比，固定比率電壓轉(zhuǎn)換器有著前所未有的效率和小巧的外形尺寸，同時(shí)還具有雙向轉(zhuǎn)換等獨(dú)特功能。

文章來源：Vicor