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

發(fā)布時(shí)間:2024-09-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電氣化在眾多行業(yè)持續(xù)普及,不僅提升了生產(chǎn)力,還帶來了環(huán)境優(yōu)勢(shì),而電池生產(chǎn)是這一趨勢(shì)的核心技術(shù)推動(dòng)力。受電動(dòng)汽車(EV)和可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的推動(dòng),電池行業(yè)已成為全球增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。


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



電氣化在眾多行業(yè)持續(xù)普及,不僅提升了生產(chǎn)力,還帶來了環(huán)境優(yōu)勢(shì),而電池生產(chǎn)是這一趨勢(shì)的核心技術(shù)推動(dòng)力。受電動(dòng)汽車(EV)和可再生能源儲(chǔ)能系統(tǒng)的推動(dòng),電池行業(yè)已成為全球增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一。


國(guó)際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)顯示,全球電池需求從 2016 年的每年 43.8GWh 激增至 2022 年的每年 550.5GWh,增長(zhǎng)了十倍。隨著需求的不斷增長(zhǎng),電池生命周期的每個(gè)階段都值得我們深入探究。整個(gè)電池生命周期分為四個(gè)主要階段:電池化成、電池測(cè)試、應(yīng)用和回收。任何階段的短板都可能阻礙電池行業(yè)的發(fā)展和電氣化的普及。現(xiàn)有的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)不利于電池生命周期的發(fā)展,成了阻礙市場(chǎng)前進(jìn)的障礙。Vicor 開發(fā)的高功率密度固定比率轉(zhuǎn)換器技術(shù),帶來了一種創(chuàng)新的方法,可以在電池生命周期的各個(gè)階段提升可持續(xù)性和成本效益。



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)。


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


圖 1:雙向固定比率轉(zhuǎn)換器既可作為降壓轉(zhuǎn)換器(K=1/12)運(yùn)行,也可以作為升壓轉(zhuǎn)換器(K=12/1)使用。這種單一模塊中的雙向轉(zhuǎn)換功能為電池行業(yè)創(chuàng)造了前所未有的應(yīng)用場(chǎng)景。




變壓器的降壓或升壓能力由線圈匝數(shù)比定義;同樣,固定比率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換能力取決于其 K 因數(shù)——K 因數(shù)為相對(duì)于其降壓能力的比例(見圖 2)。


傳統(tǒng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓,而固定比率轉(zhuǎn)換器則不同,它不提供輸出調(diào)節(jié)。這些設(shè)備還可以自主運(yùn)行,不需要環(huán)路反饋或外部控制機(jī)制。


與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比,固定比率轉(zhuǎn)換器具有幾方面的明顯優(yōu)勢(shì)。


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



圖 2:Vicor 的 BCM 固定比率轉(zhuǎn)換器支持多種不同的 K 因數(shù)和輸出功率配置,可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。




雙向轉(zhuǎn)換




固定比率轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行獨(dú)立于外部主機(jī)或控制器,因此本身具有雙向轉(zhuǎn)換功能。也就是說,根據(jù)電流流動(dòng)方向,只需一個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊即可完成升壓和降壓。因此,固定比率轉(zhuǎn)換器可以為依賴雙向電流流動(dòng)的供電網(wǎng)絡(luò)(PDN)帶來前所未有的靈活性和簡(jiǎn)便性。




靈活性和可擴(kuò)展性




固定比率轉(zhuǎn)換器易于并聯(lián),可以滿足更高的功率需求。設(shè)計(jì)人員可以輕松添加多個(gè)固定比率轉(zhuǎn)換器模塊,將它們并聯(lián)起來,擴(kuò)展系統(tǒng)以滿足所需的輸出功率需求。同樣,設(shè)計(jì)人員可以串聯(lián)多個(gè)固定比率轉(zhuǎn)換器,根據(jù)其級(jí)聯(lián) K 因數(shù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的電壓轉(zhuǎn)換比。在這些情況下,轉(zhuǎn)換器需要功率匹配以確保安全可靠的運(yùn)行。


最后,固定比率轉(zhuǎn)換器在小巧的封裝中實(shí)現(xiàn)了卓越的電源轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換效率只有 90% 左右,而 Vicor BCM? 系列的固定比率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率接近 98%。這不僅提升了應(yīng)用的可持續(xù)性,還大幅降低了熱管理開銷。




電池化成



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(duì)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(jí) 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(zhǎng),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。


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


圖 3:電池制造商可以使用固定比率轉(zhuǎn)換器,將雙向轉(zhuǎn)換功能集成到電池化成供電網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)提高效率。




電池測(cè)試



電池生命周期的第二個(gè)階段是電池測(cè)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(cè)試并進(jìn)行精確的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試要求和測(cè)試量。與電池化成階段一樣,電池測(cè)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(cè)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(cè)試。這種簡(jiǎn)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(cè)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(shì)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(cè)試儀,在相同的空間內(nèi)安裝更多測(cè)試設(shè)備,從而為同步測(cè)試更多電芯創(chuàng)造機(jī)會(huì)。


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


圖 4:固定比率轉(zhuǎn)換器為電池測(cè)試供電網(wǎng)絡(luò)帶來高功率密度,通過在相同空間內(nèi)安裝更多測(cè)試設(shè)備來提高測(cè)試吞吐量。




實(shí)際電池供電網(wǎng)絡(luò)中的挑戰(zhàn)



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(yáng)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(duì)極高電壓供電的需求不斷增長(zhǎng)(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(shì)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(jiǎn)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)。


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


圖 5:系留機(jī)器人等應(yīng)用可以使用固定比率轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高壓供電,而不會(huì)在轉(zhuǎn)換為低壓的過程中產(chǎn)生顯著的功率損耗。




電池回收過程中的挑戰(zhàn)



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。


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


圖 6:BCM 固定比率母線轉(zhuǎn)換器在電池回收廠的高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可靠的高功率電壓轉(zhuǎn)換。




例如,Vicor BCM6123 固定比率母線轉(zhuǎn)換器的功率密度高達(dá) 2352 W/in3(見圖 7)。憑借這種功率密度,設(shè)計(jì)人員就可以輕松滿足電池回收廠的溫度和性能要求。隨著功率需求的不斷增長(zhǎng),采用固定比率轉(zhuǎn)換器的模塊化電源架構(gòu)使系統(tǒng)能以最小的開銷進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展。




利用固定比率轉(zhuǎn)換器增強(qiáng)電池生態(tài)系統(tǒng)



在電池生命周期的每個(gè)階段,對(duì)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(zhǎng)。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(cè)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。


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


圖 7:Vicor BCM6123 固定比率母線轉(zhuǎn)換器模塊在 61.0 x 25.14 x 7.26mm 的 ChiP? 封裝中提供 24V 的輸出電壓和 62.5A 的輸出電流。




Vicor BCM? 產(chǎn)品采用正弦振幅轉(zhuǎn)換器(SAC?)拓?fù)浼軜?gòu),比基于 PWM 的解決方案工作頻率更高。BCM 系列固定比率轉(zhuǎn)換器還提供多種外形尺寸和功率等級(jí),可以滿足各種高壓應(yīng)用的需求。除了 BCM 系列,Vicor 還提供多種固定比率轉(zhuǎn)換器來滿足許多其他應(yīng)用的需求。


BCM 固定比率轉(zhuǎn)換器將在目前快速增長(zhǎng)的電池制造市場(chǎng)上扮演重要角色。它支持更高的吞吐量,效率更高,并且可以根據(jù)任何應(yīng)用的需求進(jìn)行擴(kuò)展。無論在應(yīng)用或生命周期的哪個(gè)階段,固定比率電源轉(zhuǎn)換器都是蓬勃發(fā)展的當(dāng)代電池行業(yè)的理想解決方案,而傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換方法目前已無法滿足需求。


文章來源:Vicor


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