淺析鋰電子電池化成分容中DC/DC變換器的應(yīng)用

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司?? 作者：吳偉斌

一、引言

據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，全球電池化成分容產(chǎn)線市場(chǎng)規(guī)模在未來(lái)幾年將繼續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中，亞洲市場(chǎng)增長(zhǎng)速度最快，尤其是中國(guó)市場(chǎng)。中國(guó)政府對(duì)于新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域的支持力度不斷加大，推動(dòng)了電池化成分容產(chǎn)線的市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。

圖1 ?中國(guó)新能源汽車近三年銷量

根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2022年全國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷達(dá)到705.8萬(wàn)/688.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)96.9%/93.4%，市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6%。2022年國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)受到了較大的考驗(yàn)，不過(guò)好在下半年國(guó)家出臺(tái)了購(gòu)置稅減半優(yōu)惠以及“新十條”出臺(tái)疫情管控放開(kāi)，整體車市有所回暖，其中比亞迪更是以186.8萬(wàn)輛的銷量佳績(jī)領(lǐng)先一眾車企。中汽協(xié)預(yù)計(jì)2023年我國(guó)新能源汽車銷量將達(dá)到900萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)35%。

圖2 ?中國(guó)近5年新型儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)量及預(yù)測(cè)

根據(jù)CNESA 預(yù)測(cè)，我國(guó)未來(lái)5 年的新型儲(chǔ)能市場(chǎng)將獲得高速發(fā)展，復(fù)合增速將維持在50%以上，預(yù)計(jì)到2026年樂(lè)觀狀態(tài)下儲(chǔ)能市場(chǎng)的累計(jì)裝機(jī)將達(dá)到79.5GW，帶動(dòng)儲(chǔ)能電池材料獲得高速發(fā)展。

DC/DC變換器是將直流電源從一個(gè)電壓級(jí)別轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電壓級(jí)別。這種轉(zhuǎn)換在許多領(lǐng)域都是必要的，在電池化成分容中也占據(jù)著重要地位。

二、發(fā)展歷程

DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，主要包括線性穩(wěn)壓器、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和多級(jí)變換器等。

線性穩(wěn)壓器在早期被廣泛使用，但效率較低，因?yàn)樗鼘?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%BE%93%E5%85%A5%E7%94%B5%E5%8E%8B/">輸入電壓降低到所需電壓時(shí)，會(huì)將多余的能量以熱量的形式消耗掉。為了提高效率，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器開(kāi)始被引入。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào)，然后通過(guò)濾波器進(jìn)行平滑，輸出所需電壓。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率可以達(dá)到90%以上，提高了能量利用率。

為了滿足不同的電壓要求，多級(jí)變換器逐漸興起。多級(jí)變換器包括升壓變換器、降壓變換器和升降壓變換器。升壓變換器可以將低電壓提升到高電壓，適用于一些特定的應(yīng)用，如太陽(yáng)能系統(tǒng)、電動(dòng)車等。降壓變換器可以將高電壓降低到低電壓，適用于大多數(shù)電子設(shè)備。而升降壓變換器則可以實(shí)現(xiàn)電壓的雙向轉(zhuǎn)換，適用于需要電源切換的場(chǎng)景。

隨著微處理器的高速化發(fā)展，DC/DC轉(zhuǎn)換器從低功率向中功率發(fā)展是必然趨勢(shì)。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器從251W到750W的增長(zhǎng)速度也比較快，主要用于Service醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠(yuǎn)程通信設(shè)備、多路通信和傳輸設(shè)備等。

三、基礎(chǔ)原理解析

DC/DC變換器有多種類型，包括升壓型（Boost）、降壓型（BUCK）和升降壓型（Buck-Boost）。選擇哪種類型的轉(zhuǎn)換器取決于所需的輸出電壓和電流，以及輸入電壓的范圍。

Boost電路：

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感上，電流通過(guò)電感逐漸增加，同時(shí)電感儲(chǔ)存能量；

當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感通過(guò)負(fù)載放電，放電電流逐漸減小，電感釋放之前儲(chǔ)存的能量。由于電感的磁通量在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和截止期間保持不變，因此輸出電壓的幅度高于輸入電壓；

輸出電壓可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，電感儲(chǔ)存的能量越多，輸出電壓越高。相反，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間越短，輸出電壓越低。

圖3 ?boost電路拓?fù)?/a>圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流從輸入電源流過(guò)開(kāi)關(guān)管和儲(chǔ)能元件，儲(chǔ)能元件開(kāi)始儲(chǔ)存能量。此時(shí)，輸出整流器上的電壓為零，因此沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，儲(chǔ)能元件通過(guò)輸出整流器和負(fù)載釋放能量。由于開(kāi)關(guān)管的截止，輸入電源不再為儲(chǔ)能元件提供能量，因此輸出電壓的幅度將低于輸入電壓。

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間（占空比），可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。在開(kāi)關(guān)管截止期間，電感器的電流和電容器的電荷量必須連續(xù)，因此在開(kāi)關(guān)管通斷的過(guò)渡期間，會(huì)出現(xiàn)短暫的電壓過(guò)沖或電流過(guò)沖。這些過(guò)沖可以通過(guò)適當(dāng)?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1459602.html">緩沖電路進(jìn)行抑制。

圖4 ?buck電路拓?fù)鋱D

Buck-Boost DC-DC變換器：

通過(guò)采用一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，把負(fù)載端的電感和電容串聯(lián)起來(lái)，以達(dá)到雙向功率轉(zhuǎn)換的目的。當(dāng)輸出端電壓高于輸入端電壓時(shí)，變換器工作在降壓模式（buck mode）下，輸出電壓低于輸入電壓時(shí)，變換器工作在升壓模式（boost mode）下，同時(shí)，將轉(zhuǎn)化出的過(guò)剩能量通過(guò)電容器和電感儲(chǔ)存，以備后續(xù)使用。

四、化成產(chǎn)線電源架構(gòu)

1、并聯(lián)型化成分容電源架構(gòu)

圖5 ?并聯(lián)型化成分容電源架構(gòu)

采用“一對(duì)一”方式進(jìn)行化成，通過(guò)AC/DC-DC/DC-Buck變換，轉(zhuǎn)換為單體電池電壓化成。并聯(lián)架構(gòu)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟，由于是一個(gè)單體一個(gè)回路，所以整體安全性能高，受客戶認(rèn)可度高，但是由于其多回路特性，導(dǎo)致搭建成本較高，產(chǎn)品的一致性也會(huì)受到影響。

2、串聯(lián)型化成分容電源構(gòu)架

圖6 ?串聯(lián)型化成分容電源架構(gòu)

串聯(lián)型采用“一對(duì)多”方式進(jìn)行化成，由于串聯(lián)的電流大小相等，因此電芯化成一致性好，還可以節(jié)省20%~30%的生產(chǎn)成本，同時(shí)運(yùn)維效率也能大大提高；然而，由于串聯(lián)技術(shù)需要眾多電芯串聯(lián)在一起進(jìn)行測(cè)試，對(duì)前道制造的電芯的一致性要求更高；同時(shí)，若串聯(lián)中的某個(gè)電芯出現(xiàn)短路，可能會(huì)影響全盤電芯效果。

兩級(jí)式轉(zhuǎn)換拓?fù)涫腔芍羞\(yùn)用較廣的變換技術(shù)，它采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換是由兩個(gè)獨(dú)立的DC-DC轉(zhuǎn)換器組成，第一級(jí)轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級(jí)轉(zhuǎn)換器則將中間電壓轉(zhuǎn)換為最終的輸出電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓轉(zhuǎn)換效率和更寬的輸入電壓范圍。

在兩級(jí)式轉(zhuǎn)換中，第一級(jí)轉(zhuǎn)換器通常采用Boost電路或Buck電路，根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓。第二級(jí)轉(zhuǎn)換器則采用隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如Flyback、Push-Pull等，將中間電壓轉(zhuǎn)換為最終的輸出電壓。

總之，兩級(jí)式轉(zhuǎn)換是一種先進(jìn)的DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)兩級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效率、寬輸入電壓范圍、高輸出功率和高可靠性的特點(diǎn)。它在各種需要高效電源管理的場(chǎng)景中具有廣泛的應(yīng)用前景。

五、前景展望

化成分容電源系統(tǒng)為直流系統(tǒng)，結(jié)合國(guó)家大力發(fā)展新能源，許多行業(yè)配套均引入光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)，能有效減少由于電能變換帶來(lái)的損耗，同時(shí)也可以響應(yīng)國(guó)家削峰填谷的戰(zhàn)略發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展。

圖7 ?化成分容電源系統(tǒng)

六、化成分容MAGTRON電流檢測(cè)方案

1、MCSD-200D/NP--采用雙電源閉環(huán)磁通門原理，0.1%的精度，配合化成分容廠家產(chǎn)線的校準(zhǔn)，能達(dá)到0.05%的精度，滿足化成分容的高精度檢測(cè)需求。

2、MIT-200S--采用多閉環(huán)磁通門技術(shù)，在全溫環(huán)境下達(dá)到0.05%的精度，適用于對(duì)精度要求更高的產(chǎn)線及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用。

產(chǎn)品采用隔離式測(cè)量，適用于高壓、大電流等環(huán)境，可靠性高，由于其堅(jiān)固和耐用的設(shè)計(jì)，電流傳感器可以在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)論是高溫還是低溫，干燥還是潮濕。此外，由于其較長(zhǎng)的使用壽命和較低的故障率，使得電流傳感器成為需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和高度可靠的理想選擇。

浙江巨磁智能技術(shù)有限公司是一家充滿活力和創(chuàng)新精神的企業(yè)，擁有一支高素質(zhì)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和管理團(tuán)隊(duì)，秉承“創(chuàng)新、品質(zhì)、服務(wù)”的經(jīng)營(yíng)理念，不斷推陳出新，產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。公司通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)拓展，贏得了客戶的信任和好評(píng)，建立了良好的品牌形象和市場(chǎng)口碑。

圖8? MAGTRON 電流檢測(cè)解決方案

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參考文獻(xiàn)：

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