【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(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)的高功率密度固定比率轉(zhuǎn)換器技術(shù)，帶來(lái)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(guò)開(kāi)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(kāi)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(jiàn)圖 1）。
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(jiàn)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)。
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(shuō)，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(lái)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(lái)，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(kāi)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(guò)程，即首次對(duì)電池電芯進(jìn)行充電和放電操作。在此過(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(lái)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(wú)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(wú)需分立式解決方案或單模塊解決方案。通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)程中的功率損耗微乎其微。如果沒(méi)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。
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(guò)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(guò)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(jiàn)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(lái)管理恒流轉(zhuǎn)換。這樣，他們就可以專注于轉(zhuǎn)換過(guò)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)。
圖 4：固定比率轉(zhuǎn)換器為電池測(cè)試供電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)高功率密度，通過(guò)在相同空間內(nèi)安裝更多測(cè)試設(shè)備來(lái)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(jiàn)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(guò)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(kāi)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(guò)提供一種簡(jiǎn)單而高效的直流電源轉(zhuǎn)換手段來(lái)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(méi)有固定比率轉(zhuǎn)換器，從 800V 到 3.3V 的整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)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)。
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(guò)程中產(chǎn)生顯著的功率損耗。
電池回收過(guò)程中的挑戰(zhàn)
電池回收是一個(gè)高功率的電化學(xué)過(guò)程，通過(guò)化學(xué)手段將電池中的原材料和元素分離出來(lái)，以便將來(lái)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(jiàn)圖 6）。
從供電網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，電池回收過(guò)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(lái)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。
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(jiàn)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(kāi)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(wú)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。
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(lái)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(wú)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(wú)法滿足需求。
文章來(lái)源：Vicor
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