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)換是電源傳輸架構(gòu)的基礎(chǔ)。

DC-DC 轉(zhuǎn)換通常通過開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器（如降壓或升壓拓撲或低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)）實現(xiàn)。雖然這些電源轉(zhuǎn)換器可能很有效，但它們的輸出剛性和低于標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換效率限制了電力輸送網(wǎng)絡(luò) (PDN) 的靈活性和性能。在處理與當(dāng)今電池系統(tǒng)相關(guān)的高電壓時尤其如此。

為了克服這些缺點，Vicor 開發(fā)了固定比率轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器可在小型封裝中為高壓至低壓負載（通常稱為安全超低壓）提供高效、隔離的轉(zhuǎn)換。固定比率轉(zhuǎn)換器類似于 AC-AC 解決方案中的變壓器，可執(zhí)行 DC-DC 轉(zhuǎn)換，輸出電壓是 DC 輸入電壓的固定比例（圖 1）。

圖 1. 雙向固定比率轉(zhuǎn)換器用作降壓轉(zhuǎn)換器（K = 1/12），也可用作升壓轉(zhuǎn)換器（K 為 12/1）。單個模塊中的這種雙向性為電池行業(yè)帶來了多種前所未有的用例。

與由線圈匝數(shù)比定義的變壓器的降壓或升壓能力類似，固定比率轉(zhuǎn)換器的能力由其 K 因子定義，該因子以相對于其電壓降壓能力的分數(shù)表示（圖 2）。

與調(diào)節(jié)輸出電壓的傳統(tǒng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器不同，固定比率轉(zhuǎn)換器不提供輸出調(diào)節(jié)。這些設(shè)備也是自主的，不需要反饋回路或外部控制機制。

固定比率轉(zhuǎn)換器比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器有幾個顯著的優(yōu)勢。

雙向性

這些設(shè)備本質(zhì)上是雙向的，因為固定比率轉(zhuǎn)換器獨立于外部主機或控制器運行。這意味著，根據(jù)電流流動的方向，相同的固定比率轉(zhuǎn)換器模塊將使電壓升高或降低。通過用一個模塊實現(xiàn)升壓和降壓，固定比率轉(zhuǎn)換器為依賴雙向電流的 PDN 帶來了前所未有的靈活性和簡便性。

靈活性和可擴展性

固定比率轉(zhuǎn)換器非常容易并聯(lián)，以滿足更高的功率需求。設(shè)計人員可以輕松并聯(lián)多個固定比率轉(zhuǎn)換器模塊，以將系統(tǒng)擴展到所需的任何輸出功率需求。同樣，設(shè)計人員可以將多個固定比率轉(zhuǎn)換器串聯(lián)起來，以根據(jù)其級聯(lián) K 因子實現(xiàn)獨特的電壓比。在這些情況下，轉(zhuǎn)換器必須功率匹配，以確保安全可靠的運行。

圖 2. Vicor BCM 固定比率轉(zhuǎn)換器支持多種不同的 K 系數(shù)和輸出功率配置，可滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。圖片由 Bodo's Power Systems提供 [PDF]

，固定比率轉(zhuǎn)換器體積小，但功率效率無與倫比。傳統(tǒng)的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器的功率效率在 90% 以下，而固定比率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率高達近 98%，從而降低了熱管理開銷的需求，實現(xiàn)了更可持續(xù)的應(yīng)用。

電池單元化成

電池生命周期的階段是電池形成階段。

在此階段，新制造的電池必須經(jīng)歷化成循環(huán)過程，即首次對電池進行充電和放電。在此過程中，電池反復(fù)循環(huán)，逐漸形成電池的固體電解質(zhì)界面 (SEI) 層。此過程的速度由電池化學(xué)性質(zhì)決定，因此電池化成延遲大多是一個固定速率的過程。

電池的形成循環(huán)需要一個可以支持重復(fù)充電和放電循環(huán)的底層電源傳輸網(wǎng)絡(luò) (PDN)。

此類系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) PDN 從電網(wǎng)獲取三相交流輸入，將其整流為高壓直流，然后使用多相直流-直流轉(zhuǎn)換達到為電池單元充電所需的標(biāo)稱電壓（例如 4.2 V）（圖 3）。電池充電所需的終電壓因工廠而異，具體取決于特定的電池化學(xué)性質(zhì)，但從交流到較低直流總線電壓（例如 12 V）的幾個中間電壓降是整個行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

分立元件解決方案設(shè)計起來非常困難，需要大量的內(nèi)部電源知識，BOM 龐大，帶來成本和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)，并增加上市時間。分立解決方案限制了靈活性，因為它們提供預(yù)定義的輸出電壓。當(dāng)不同的電池化學(xué)成分需要不同的電壓時，設(shè)計人員創(chuàng)建一種可以根據(jù)電池化學(xué)成分進行修改的靈活解決方案更具成本效益。分立解決方案不允許靈活的電池形成系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以動態(tài)修改以兼容多種電池類型。

PDN 在電池化成過程中面臨兩大挑戰(zhàn)：產(chǎn)量和效率。

從產(chǎn)量角度來看，電池化學(xué)固有地限制了制造商形成電池 SEI 層的速度。因此，提高電池形成過程的成本效益需要可擴展的系統(tǒng)，以便能夠并行形成許多電池。然而，對于現(xiàn)有的 PDN，缺乏模塊化中間 DC-DC 相限制了在不進行重大設(shè)計改造的情況下輕松擴展系統(tǒng)的能力。

從效率角度來看，電池的持續(xù)充電和放電成本很高。為了優(yōu)化效率，電池制造商會重復(fù)利用電池充電周期中消耗的能量，要么將其存儲在本地，要么在放電周期將其送回電網(wǎng)。這需要一個支持雙向電流流動并執(zhí)行高效電源轉(zhuǎn)換的 PDN。

在這兩種情況下，固定比率轉(zhuǎn)換器都是理想的解決方案。通過將固定比率轉(zhuǎn)換器集成到 PDN，設(shè)計人員可以將架構(gòu)重新定義為三個不同的階段：交流整流、低壓轉(zhuǎn)換和恒流轉(zhuǎn)換（總線轉(zhuǎn)換器）。

在恒流轉(zhuǎn)換階段，設(shè)計人員可以實施固定比率轉(zhuǎn)換器，輕松將較高的直流電平降至更安全、更低的電平，而無需分立或單模塊解決方案。只需并聯(lián)集成一個或多個固定比率轉(zhuǎn)換器，設(shè)計人員就可以創(chuàng)建一個模塊化且易于擴展的供電網(wǎng)絡(luò)。

這樣，設(shè)計人員就可以設(shè)計出同時循環(huán)多個電池的系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更高的吞吐量、更大的功率密度和更高的效率。此外，這種架構(gòu)允許設(shè)計人員輕松更改 PDN，以適應(yīng)電池獨特標(biāo)稱電壓所需的 DCDC 轉(zhuǎn)換。借助無需分立元件的更靈活解決方案，設(shè)計可以更快地進入市場，并且不易出現(xiàn)故障。

固定比率轉(zhuǎn)換器固有的雙向特性非常適合電池化成過程中的節(jié)能。使用固定比率轉(zhuǎn)換器，電池制造商可以輕松地在充電和放電循環(huán)之間切換，因為他們知道固定比率轉(zhuǎn)換器將在放電時自動升壓到預(yù)定義的更高電壓，并在充電循環(huán)中同樣將其降壓。這一獨特功能提高了工藝能源效率，從而可以在化成循環(huán)期間重復(fù)使用能源。

此外，固定比率轉(zhuǎn)換器效率為 97.9%，轉(zhuǎn)換周期中任一方向的功率損耗都。如果沒有固定比率轉(zhuǎn)換器，這種雙向性將需要多個組件（一個用于降壓，一個用于升壓）。這會因效率降低和組件數(shù)量增加而消耗更多功率。

圖 3.電池制造商可以使用固定比率轉(zhuǎn)換器將雙向性和效率集成到電池化成電力輸送網(wǎng)絡(luò)中。圖片由Bodo's Power Systems 提供

電池測試

電池生命周期的下一個階段是電池測試，制造商將電池單元組合成更大的電池組。電池組生產(chǎn)不受與電池充電和放電相關(guān)的化學(xué)相關(guān)時間要求的限制，但仍面臨類似的產(chǎn)量挑戰(zhàn)。

例如，必須對每個電池進行適當(dāng)?shù)臏y試和測量，以便將多個電池組合成更大的電池組。然后，更大的電池組也需要經(jīng)過嚴格的測試。這不是一個增值步驟，因此制造商完成此過程的速度越快，電池組的整體成本就越低。

PDN 需要具有靈活性和可擴展性，以適應(yīng)各種電池電壓和功率水平，并且需要高吞吐量，以便在相同的物理空間和更短的時間內(nèi)測試更多的電池。因此，電池組測試人員需要模塊化且可擴展的電力輸送網(wǎng)絡(luò)，以滿足其測試要求和容量的特定需求。與電池形成階段一樣，電池測試設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn) PDN 需要將電源從交流三相轉(zhuǎn)換為電池的標(biāo)稱電壓（圖 4）。

通過在 PDN 的恒流轉(zhuǎn)換階段使用固定比率轉(zhuǎn)換器，電池測試設(shè)計人員可以避力地設(shè)計中間轉(zhuǎn)換階段。相反，他們可以相信他們的恒流轉(zhuǎn)換是由固定比率轉(zhuǎn)換器管理的。設(shè)計人員現(xiàn)在可以專注于轉(zhuǎn)換過程的階段，其中電壓需要與電池的標(biāo)稱電壓相匹配才能進行測試。這種簡化的架構(gòu)創(chuàng)建了模塊化和靈活的系統(tǒng)，設(shè)計人員可以根據(jù)不同的測試要求輕松修改這些系統(tǒng)。

固定比率轉(zhuǎn)換器的另一個重要優(yōu)勢是功率密度。固定比率轉(zhuǎn)換器具有極高的功率效率和小尺寸，能夠以業(yè)界的尺寸支持千瓦功率和數(shù)百伏電壓。這有助于支持更高的吞吐量測試儀，因為可以在相同的面積限制內(nèi)安裝更多測試設(shè)備，從而有機會同時測試更多電池單元。

圖 4. 固定比率轉(zhuǎn)換器為電池測試電力輸送網(wǎng)絡(luò)解鎖高功率密度水平，通過在同一區(qū)域安裝更多測試設(shè)備實現(xiàn)更高的測試吞吐量。圖片由 Bodo's Power Systems提供

現(xiàn)實世界的 PDN 電池挑戰(zhàn)

當(dāng)電池終走出工廠并投入實際應(yīng)用時，PDN 面臨的挑戰(zhàn)仍未結(jié)束。

許多新興的電池供電應(yīng)用對極高壓電力輸送的需求日益增長，例如系留機器人或 ROV、太陽能和風(fēng)能等可再生能源的儲能系統(tǒng)以及電動汽車（圖 5）。例如，電動汽車的電力輸送架構(gòu)正在從 400 V 轉(zhuǎn)變?yōu)?800 V，以實現(xiàn)更高的功率和效率。

電壓越高，在輸出相同功率時電流越小。因此，高壓供電的一個好處是效率更高，因為電流越小，I 2 R 損耗越小。這樣可以實現(xiàn)更高效的應(yīng)用，同時減少熱管理開銷。

此外，高壓電力輸送可減少車輛線束中的線規(guī)。由于電流輸送要求較低，設(shè)計人員可以使用直徑較小的電纜，從而降低系統(tǒng)重量、材料要求和成本。

當(dāng)然，這種高壓系統(tǒng)的成功運行依賴于將輸送中使用的高壓轉(zhuǎn)換為負載使用的較低電壓的能力。在電池生命周期的這個階段，固定比率轉(zhuǎn)換器通過提供簡單而有效的直流電源轉(zhuǎn)換方式??來提供價值。

以系留機器人為例。使用 1/16 K 因數(shù)固定比率轉(zhuǎn)換器，設(shè)計人員可以利用 97.9% 的效率將電壓從用于配電的高壓（例如 800 V DC）降至較低電壓，例如 48 V DC。從 48 V DC開始，設(shè)計人員可以使用傳統(tǒng)的 90% 效率降壓轉(zhuǎn)換器達到用于微控制器單元 (MCU) 的終 3.3 V 電壓。如果沒有固定比率轉(zhuǎn)換器，從 800 V 到 3.3 V 的整個轉(zhuǎn)換將以 90% 的效率進行，從而產(chǎn)生比固定比率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)更大的損耗。

圖 5. 系留機器人等應(yīng)用可以使用固定比率轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)高壓電力輸送，而不會在轉(zhuǎn)換為較低電壓時產(chǎn)生顯著的功率損耗。 圖片由 Bodo's Power Systems [PDF]提供

電池回收挑戰(zhàn)

一旦電池達到了其使用壽命，其生命周期的階段就是回收。

電池回收需要高功率電化學(xué)過程，其中電池中的原材料和元素通過化學(xué)方法從電池中分離出來，以便將來回收和再利用。與電池生命周期的其他工業(yè)階段一樣，PDN 包括將三相交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為高功率??直流，終降至較低電壓以操作回收設(shè)備（圖 6）。

從 PDN 的角度來看，一個挑戰(zhàn)是電池回收過程會產(chǎn)生大量熱量。因此，PDN 內(nèi)的組件必須能夠在高溫下可靠運行。同樣，功率密度在 PDN 的設(shè)計中變得越來越重要，需要小尺寸和高效率的電源轉(zhuǎn)換。

固定比率轉(zhuǎn)換器為 DC-DC 轉(zhuǎn)換提供了功率密度極高的解決方案，能夠以極小的尺寸支持數(shù)百伏的千瓦功率。

圖 6. BCM 固定比率總線轉(zhuǎn)換器可在電池回收廠的高溫限制內(nèi)實現(xiàn)可靠的高功率電壓轉(zhuǎn)換。圖片由 Bodo's Power Systems提供

電池生態(tài)系統(tǒng)中的固定比率轉(zhuǎn)換器

人們越來越需要高效、高功率密度且可擴展的高壓電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在電池生命周期的每個階段都應(yīng)如此。電池生命周期的成功需要每個階段的成功，無論是電池單元的形成、測試、應(yīng)用內(nèi)使用還是回收。固定比率轉(zhuǎn)換器有益于整個電池生命周期。與傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換解決方案相比，固定比率電壓轉(zhuǎn)換器提供了前所未有的效率和小尺寸，同時具有雙向操作等獨特功能。

BCM 固定比率轉(zhuǎn)換器有望在電池制造業(yè)（當(dāng)今增長快的市場之一）的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。它們支持更高的吞吐量、提高效率，并可隨任何應(yīng)用擴展。無論應(yīng)用或生命周期階段如何，固定比率電源轉(zhuǎn)換器都是蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代電池行業(yè)的解決方案，而傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換方法可能會限制這一行業(yè)的發(fā)展。