【導(dǎo)讀】市場上有越來越多采用電池供電的設(shè)備，如何提高電池的運(yùn)作效率，以及回收二次電池做更多的應(yīng)用，是當(dāng)前的重要發(fā)展方向。本文將為您介紹電池化成系統(tǒng)的運(yùn)作、二次電池的再利用，以及太陽能光伏系統(tǒng)等應(yīng)用發(fā)展，以及相關(guān)的解決方案。
具有能量回收能力的高效電池化成系統(tǒng)
由于越來越多采用電池供電的應(yīng)用，特別是電動汽車（EV）和智能手機(jī)、平板計算機(jī)和電動工具等便攜式設(shè)備，全球?qū)︿囯x子電池的需求不斷增加。電池形成過程通過精確控制的充電和放電循環(huán)來激活鋰化學(xué)物質(zhì)，將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用的形式。因此，電池化成系統(tǒng)需要高功率密度以增加充電和放電通道，以及具有能量回收能力的高效功率轉(zhuǎn)換，即雙向功率處理。
從交流電網(wǎng)到格式化電池的電源所形成的系統(tǒng)，將包括一個作為交流電網(wǎng)接口的功率因子校正（PFC）級、一個用于電流隔離和降壓的隔離式DC-DC級，以及一個用于提供緊密充電和放電電壓的非隔離式DC-DC級，以良好的控制充電和放電電流。所有階段都基于開關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)，而不是線性穩(wěn)壓器。開關(guān)轉(zhuǎn)換器方法允許化成系統(tǒng)提高能量效率、功率密度，并提供使用相同硬件進(jìn)行能量回收的可能性，從而降低電池制造成本。
為了滿足可靠電池化成系統(tǒng)的高功率密度、高效率和能量回收要求，英飛凌提供了多種產(chǎn)品，包括功率器件、驅(qū)動器IC和微控制器。形成電池化成系統(tǒng)的核心級，可分成PFC級、隔離式DC-DC和非隔離式DC-DC級。
英飛凌建議在這些PFC拓?fù)渲惺褂?00 V CoolMOS? C7和P7系列作為有源開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。CoolSiC?肖特基二極管650 V G6是推薦的無源開關(guān)，它僅提供1.25 V的正向壓降，降低了PFC級的傳導(dǎo)損耗。
與高效服務(wù)器開關(guān)模式電源（SMPS）設(shè)計類似，零電壓開關(guān)（ZVS）拓?fù)渫ǔ?yīng)用于電池化成系統(tǒng)的隔離DC-DC級，兩種典型的拓?fù)涫前霕騆LC和ZVS相移全橋轉(zhuǎn)換器，英飛凌建議根據(jù)控制器選擇，將600 V CoolMOS? CFD7、P7和C7作為LLC初級側(cè)MOSFET。
化成系統(tǒng)控制器會指示非隔離式轉(zhuǎn)換器對其各自的電池充電，并且通常與系統(tǒng)的其他非隔離式轉(zhuǎn)換器一起在相似的時間開始放電過程。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，設(shè)計人員可以選擇最適合的英飛凌系列，當(dāng)開關(guān)頻率等于或低于100 kHz時，建議使用StrongIRFET?，而OptiMOS? 5在高于100 kHz的開關(guān)頻率下提供更少的功率損耗。
儲能系統(tǒng)解決電動汽車二次電池難題
儲能一直是發(fā)電、輸電、配電和消費(fèi)不可或缺的組成部分，隨著可再生能源發(fā)電量的不斷增長，電力格局正在發(fā)生巨大變化。儲能系統(tǒng)（ESS）提供了廣泛的技術(shù)方法來管理供需情況，并創(chuàng)建更具彈性的能源基礎(chǔ)設(shè)施，并為公用事業(yè)和消費(fèi)者帶來成本節(jié)約。基于電池的ESS技術(shù)可以在不到一秒的時間內(nèi)對斷電做出反應(yīng)，利用來自并聯(lián)的太陽能或風(fēng)力發(fā)電廠的清潔能源。
英飛凌在能源產(chǎn)生、傳輸、功率轉(zhuǎn)換和電池管理方面的獨(dú)特專業(yè)知識，使英飛凌成為在效率、創(chuàng)新、性能和最優(yōu)成本方面，推進(jìn)ESS解決方案的完美合作伙伴。英飛凌獨(dú)特的專業(yè)知識和產(chǎn)品組合提供了最先進(jìn)的解決方案，可減少設(shè)計工作、提高系統(tǒng)性能、加快上市時間并優(yōu)化系統(tǒng)成本。
ESS的三大重點(diǎn)趨勢是碳化硅（SiC）、二次電池的多模塊方法與電池管理系統(tǒng)（BMS）的發(fā)展。英飛凌SiC產(chǎn)品組合的最新成員CoolSiC? MOSFET 650 V系列是最先進(jìn)、經(jīng)過優(yōu)化的溝槽半導(dǎo)體工藝的產(chǎn)品，在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中的最低損耗和最高運(yùn)行中的可靠性的這兩個方面毫不妥協(xié)。
在電動汽車解決方案日益普及的時代，可以預(yù)見，未來世界將不得不應(yīng)對大量使用過的電動汽車電池。模塊化級聯(lián)、多級架構(gòu)的一個主要優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)電池的第二次使用壽命，例如，適用于已達(dá)到其生命周期終點(diǎn)且不能再用于電動汽車的電池。為了解決電動汽車淘汰電池的問題，英飛凌開發(fā)了模塊化級聯(lián)、多級架構(gòu)，這些架構(gòu)利用了英飛凌市場領(lǐng)先的OptiMOS?系列等高效、低壓MOSFET的優(yōu)勢。
在ESS應(yīng)用中，電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個頂級功能，即電池保護(hù)與電池監(jiān)控，英飛凌的電池管理產(chǎn)品系列和參考設(shè)計，可協(xié)助成功開發(fā)更高效、更持久和更可靠的電池供電應(yīng)用。英飛凌的TLE9012AQU是一款多通道電池監(jiān)控和平衡系統(tǒng)IC，專為汽車、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中使用的鋰離子電池組而設(shè)計。TLE9012AQU實(shí)現(xiàn)四個主要功能，包括電池電壓測量、溫度測量、電池平衡和與主電池控制器的隔離通信。此外，TLE9012AQU提供必要的診斷工具，以確保受控電池的正常功能并檢測任何故障。
應(yīng)用于光伏儲能的雙向DC/DC變換器
在21世紀(jì)的現(xiàn)在，電能已經(jīng)是我們生活、工作中不可或缺的一部分，人類主要利用的傳統(tǒng)一次能源是石油、天然氣和煤炭等化石類能源，在這百多年人類社會和科技的飛速發(fā)展進(jìn)步中，化石能源已經(jīng)漸漸地消耗殆盡。
除了能源危機(jī)的影響，使用傳統(tǒng)一次能源發(fā)電會向大氣排放大量的C02以及S02和NOx等酸性氣體，使世界各地酸雨量增加，并造成溫室效應(yīng)。傳統(tǒng)能源的燃燒發(fā)電也會造成嚴(yán)重的霧霾，對植物和人體都存有嚴(yán)重的危害。
綠色能源中的太陽能是解決能源問題的重要關(guān)鍵，采用光伏儲能系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu)，分別為MPPT + 雙向Buckboost + PCS，MPPT + DC/DC + PCS組成；兩者的區(qū)別為雙向Buckboost后端連接高壓電池，雙向DC/DC后端連接低壓電池。
雙向DC/DC變換器是DC/DC變換器的雙象限運(yùn)行，它的輸入、輸出電壓極性不變，輸入、輸出電流的方向可以改變。一般來說，雙向DC/DC可分為隔離式和非隔離式兩種。其中隔離式雙向DC/DC變換器應(yīng)用較多，電路拓?fù)溆卸喾N變換形式。
目前光伏儲能部分的雙向DC/DC，采用的多為變換電路的CLLC和移相全橋拓?fù)?。DC/DC部分的功率器件的設(shè)計多為IGBT，開關(guān)頻率控制在20K左右。艾睿電子聯(lián)合芯片廠商開發(fā)了純SIC方案的DC/DC部分設(shè)計，已經(jīng)可以做到開關(guān)頻率達(dá)到200K，效率可以達(dá)到96%。
艾睿電子推出可用于儲能的雙向功率轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計，它包括圖騰柱PFC + CLLLC拓?fù)?。它工作在高開關(guān)頻率與SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)高效率和減小尺寸和重量。它可用于大功率充電系統(tǒng)，如UPS、太陽能系統(tǒng)等。該參考設(shè)計可幫助用戶加快SiC MOSFET系統(tǒng)設(shè)計，顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
將艾睿電子的雙向電源轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計與IGBT設(shè)計相比，尺寸減小了50%，具有高輸出功率（最大6.6kW）、高效率（>93%），支持?jǐn)?shù)字控制雙向輸出、增強(qiáng)隔離、可用固件已經(jīng)就緒，支持AC/DC雙向電源轉(zhuǎn)換，最大限度的充電功率可達(dá)6.6kW，支持交流輸入電壓為200Vac至265Vac 50Hz，直流輸出電壓為60Vdc至90Vdc，最大逆變功率可達(dá)6.6kW，逆變額定輸入為80Vdc，逆變額定輸出為220Vac 50Hz。
高效率的LLC電源模塊演示板
由宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）所推出的EPC9149演示板，是一款1 kW、48 V輸入至12 V輸出LLC轉(zhuǎn)換器，可用作具有4:1固定轉(zhuǎn)換比的直流變壓器。它具有100 V額定EPC2218和40 V額定EPC2024 GaN FET、uP1966A和LMG1020柵極驅(qū)動器，以及Microchip dsPIC33CK32MP102 16位數(shù)字控制器。EPC9149演示板的峰值效率在400 W時為97.5 %，滿載效率為96.7% @ 12 V，可提供83.3 A輸出，尺寸為22.9 × 58.4毫米（0.90 × 2.30英寸），薄型化設(shè)計，無散熱器時轉(zhuǎn)換器總厚度為10 mm，在安裝了散熱器套件時，最高溫升為70℃ @ 12 V，83.3 A輸出，固定開關(guān)頻率為1 MHz，支持軟啟動到全阻性負(fù)載，擁有1227 W/in3的高功率密度（不包括引腳）。
這個轉(zhuǎn)換器僅用于評估目的，并不是功能齊全的轉(zhuǎn)換器，不能用于最終產(chǎn)品。EPC9149具有基于EPC2218和EPC2024 eGaN FET的初級側(cè)全橋和雙次級側(cè)中心抽頭半橋配置。EPC9149板還包括邏輯和柵極驅(qū)動器的自制電源，由LLC板的主輸入電源電壓供電。EPC9149板的輸入和輸出電壓，由電阻分壓器測量，并反饋到微控制器以用于控制目的。該模塊使用定制的變壓器鐵芯，采用日立金屬的ML91S材料，在高頻運(yùn)行時鐵芯損耗低，兩個半磁芯部分從板的頂部和底部插入，中間還添加了適當(dāng)?shù)膲|片，以實(shí)現(xiàn)所需的磁化電感。
熱管理對于確保正確和可靠的運(yùn)行非常重要，EPC9149用于在正常環(huán)境溫度下進(jìn)行基準(zhǔn)評估。添加散熱器或散熱片與強(qiáng)制風(fēng)冷，可以顯著提高功率器件的額定電流，但必須注意不要超過150℃的絕對最高芯片溫度。
EPC9149 LLC電源模塊具有Microchip dsPIC33CK32MP102數(shù)字信號控制器DSC。這款100 MHz單核器件配備用于開關(guān)模式電源（SMPS）應(yīng)用的專用外圍模塊，例如功能豐富的4信道（8倍輸出）、250 ps分辨率脈寬調(diào)制（PWM）邏輯、三個3.5 Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、三個具有集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的15 ns傳播延遲模擬比較器，支持斜坡信號生成、三個運(yùn)算放大器，以及具有緊密耦合數(shù)據(jù)路徑的數(shù)字信號處理（DSP）內(nèi)核，適用于高性能實(shí)時控制應(yīng)用。使用的器件是dsPIC33CK單核和dsPIC33CH雙核DSC系列的最小衍生產(chǎn)品。此設(shè)計中使用的器件采用28引腳4x4 mm UQFN封裝，指定用于-40至+125℃的環(huán)境溫度。
結(jié)語
功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是所有電子設(shè)計的基礎(chǔ)，通過變換電流的類型、電壓的變化，來滿足各種應(yīng)用的需求。本文所介紹的多種解決方案，主要著重在電池系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)的建置，均是當(dāng)前最熱門的應(yīng)用方向，市場潛力極為驚人，值得您更進(jìn)一步深入了解。
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