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淺析鋰電子電池化成分容中DC/DC變換器的應用

02/20 15:44
2044
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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)市場研究機構(gòu)預測,全球電池化成分容產(chǎn)線市場規(guī)模在未來幾年將繼續(xù)保持增長態(tài)勢。其中,亞洲市場增長速度最快,尤其是中國市場。中國政府對于新能源汽車和儲能領域的支持力度不斷加大,推動了電池化成分容產(chǎn)線的市場需求不斷增長。

圖1 ?中國新能源汽車近三年銷量

根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示,2022年全國新能源汽車產(chǎn)銷達到705.8萬/688.7萬輛,同比增長96.9%/93.4%,市場占有率達到25.6%。2022年國內(nèi)汽車行業(yè)受到了較大的考驗,不過好在下半年國家出臺了購置稅減半優(yōu)惠以及“新十條”出臺疫情管控放開,整體車市有所回暖,其中比亞迪更是以186.8萬輛的銷量佳績領先一眾車企。中汽協(xié)預計2023年我國新能源汽車銷量將達到900萬輛,同比增長35%。

圖2 ?中國近5年新型儲能市場裝機量及預測

根據(jù)CNESA 預測,我國未來5 年的新型儲能市場將獲得高速發(fā)展,復合增速將維持在50%以上,預計到2026年樂觀狀態(tài)下儲能市場的累計裝機將達到79.5GW,帶動儲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電壓級別轉(zhuǎn)換到另一個電壓級別。這種轉(zhuǎn)換在許多領域都是必要的,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)歷了多個階段,主要包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器和多級變換器等。

線性穩(wěn)壓器在早期被廣泛使用,但效率較低,因為它將輸入電壓降低到所需電壓時,會將多余的能量以熱量的形式消耗掉。為了提高效率,開關(guān)穩(wěn)壓器開始被引入。開關(guān)穩(wěn)壓器通過控制功率開關(guān)器件的開關(guān),將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號,然后通過濾波器進行平滑,輸出所需電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器的效率可以達到90%以上,提高了能量利用率。

為了滿足不同的電壓要求,多級變換器逐漸興起。多級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用,如太陽能系統(tǒng)、電動車等。降壓變換器可以將高電壓降低到低電壓,適用于大多數(shù)電子設備。而升降壓變換器則可以實現(xiàn)電壓的雙向轉(zhuǎn)換,適用于需要電源切換的場景。

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。因此,DC/DC轉(zhuǎn)換器從251W到750W的增長速度也比較快,主要用于Service醫(yī)療和實驗室設備、工業(yè)控制設備、遠程通信設備、多路通信和傳輸設備等。

三、基礎原理解析

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

通過控制開關(guān)管的通斷時間來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。當開關(guān)管導通時,輸入電壓加在電感上,電流通過電感逐漸增加,同時電感儲存能量;

當開關(guān)管截止時,電感通過負載放電,放電電流逐漸減小,電感釋放之前儲存的能量。由于電感的磁通量在開關(guān)管導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;

輸出電壓可以通過改變開關(guān)管的通斷時間來調(diào)節(jié)。當開關(guān)管導通時間越長,電感儲存的能量越多,輸出電壓越高。相反,當開關(guān)管導通時間越短,輸出電壓越低。

圖3 ?boost電路拓撲

BUCK電路:

當開關(guān)管導通時,電流從輸入電源流過開關(guān)管和儲能元件,儲能元件開始儲存能量。此時,輸出整流器上的電壓為零,因此沒有電流流過負載。

當開關(guān)管截止時,儲能元件通過輸出整流器和負載釋放能量。由于開關(guān)管的截止,輸入電源不再為儲能元件提供能量,因此輸出電壓的幅度將低于輸入電壓。

通過控制開關(guān)管的通斷時間(占空比),可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。在開關(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),因此在開關(guān)管通斷的過渡期間,會出現(xiàn)短暫的電壓過沖或電流過沖。這些過沖可以通過適當?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1459602.html">緩沖電路進行抑制。

圖4 ?buck電路拓撲圖

Buck-Boost DC-DC變換器:

通過采用一個LC并聯(lián)諧振電路,把負載端的電感和電容串聯(lián)起來,以達到雙向功率轉(zhuǎn)換的目的。當輸出端電壓高于輸入端電壓時,變換器工作在降壓模式(buck mode)下,輸出電壓低于輸入電壓時,變換器工作在升壓模式(boost mode)下,同時,將轉(zhuǎn)化出的過剩能量通過電容器和電感儲存,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“一對一”方式進行化成,通過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)過多年的發(fā)展,已經(jīng)非常成熟,由于是一個單體一個回路,所以整體安全性能高,受客戶認可度高,但是由于其多回路特性,導致搭建成本較高,產(chǎn)品的一致性也會受到影響。

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“一對多”方式進行化成,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,同時運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)在一起進行測試,對前道制造的電芯的一致性要求更高;同時,若串聯(lián)中的某個電芯出現(xiàn)短路,可能會影響全盤電芯效果。

兩級式轉(zhuǎn)換拓撲是化成中運用較廣的變換技術(shù),它采用兩級結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換是由兩個獨立的DC-DC轉(zhuǎn)換器組成,第一級轉(zhuǎn)換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓,第二級轉(zhuǎn)換器則將中間電壓轉(zhuǎn)換為最終的輸出電壓。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更高的電壓轉(zhuǎn)換效率和更寬的輸入電壓范圍。

在兩級式轉(zhuǎn)換中,第一級轉(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。第二級轉(zhuǎn)換器則采用隔離型拓撲結(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,兩級式轉(zhuǎn)換是一種先進的DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù),通過兩級結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計,實現(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。它在各種需要高效電源管理的場景中具有廣泛的應用前景。

五、前景展望

化成分容電源系統(tǒng)為直流系統(tǒng),結(jié)合國家大力發(fā)展新能源,許多行業(yè)配套均引入光伏、儲能系統(tǒng),能有效減少由于電能變換帶來的損耗,同時也可以響應國家削峰填谷的戰(zhàn)略發(fā)展,推動產(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,能達到0.05%的精度,滿足化成分容的高精度檢測需求。

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

產(chǎn)品采用隔離式測量,適用于高壓、大電流等環(huán)境,可靠性高,由于其堅固和耐用的設計,電流傳感器可以在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定運行,無論是高溫還是低溫,干燥還是潮濕。此外,由于其較長的使用壽命和較低的故障率,使得電流傳感器成為需要長時間運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)團隊和管理團隊,秉承“創(chuàng)新、品質(zhì)、服務”的經(jīng)營理念,不斷推陳出新,產(chǎn)品和技術(shù)服務得到了廣泛的應用和認可。公司通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和市場拓展,贏得了客戶的信任和好評,建立了良好的品牌形象和市場口碑。

圖8? MAGTRON 電流檢測解決方案

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參考文獻:

  1. 動力電池化成分容用雙向?qū)挿秶芰孔儞Q拓撲架構(gòu)及其控制。作者:許國。
  2. Class-D CMOS Oscillators。IEEE Journal of Solid-State Circuits。2013,48(12):3105-3119。
  3. 17.3 A 1.25GHz Fully Integrated DC-DC Converter Using Electromagnetically Coupled Class-D LC Oscillators。IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC)。2021。
  4. 基于LLC諧振變換器的雙向DC/DC變換器。期刊:《電力電子技術(shù)》。2020年第007期。
  5. 電平浮動交錯Boost DC/DC變換器研究。鄭征、安江偉。
  6. 儲能雙向DC/DC變換器自適應充放電無縫切換策略。張勤進,牛淼,劉彥呈,曾宇基,陳龍。

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