固定比率轉換器在電池生命周期中釋放創(chuàng)新動力
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
整個電池生命周期受限于當前電力轉換技術的局限性，但固定比率轉換器技術或可改變這一現狀
本文引用地址：http://2s4d.com/article/202409/462817.htm電氣化在眾多行業(yè)持續(xù)普及，不僅提升了生產力，還帶來了環(huán)境優(yōu)勢，而電池生產是這一趨勢的核心技術推動力。受電動汽車（EV）和可再生能源儲能系統(tǒng)的推動，電池行業(yè)已成為全球增長最快的行業(yè)之一。
國際能源署（IEA）的數據顯示，全球電池需求從 2016 年的每年 43.8GWh 激增至 2022 年的每年 550.5GWh，增長了十倍。隨著需求的不斷增長，電池生命周期的每個階段都值得我們深入探究。整個電池生命周期分為四個主要階段：電池化成、電池測試、應用和回收。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?，F有的電源轉換技術不利于電池生命周期的發(fā)展，成了阻礙市場前進的障礙。Vicor 開發(fā)的高功率密度固定比率轉換器技術，帶來了一種創(chuàng)新的方法，可以在電池生命周期的各個階段提升可持續(xù)性和成本效益。
固定比率轉換器技術
在高壓電池系統(tǒng)中，DC-DC 電源轉換是供電架構的一個基本方面。
DC-DC 轉換通常通過開關模式電源轉換器（如降壓或升壓拓撲）或低壓差穩(wěn)壓器（LDO）實現。這些電源轉換器可能有效，但它們的輸出剛性和較低的轉換效率限制了供電網絡（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，Vicor 開發(fā)了固定比率轉換器，在小巧的封裝中實現了高效的隔離轉換，適用于從高壓到低壓（通常稱為安全特低電壓）的負載轉換。類似于 AC-AC 解決方案中的變壓器，固定比率轉換器用于執(zhí)行 DC-DC 轉換，其輸出電壓為輸入電壓的固定分數（見圖 1）。
圖 1：雙向固定比率轉換器既可作為降壓轉換器（K=1/12）運行，也可以作為升壓轉換器（K=12/1）使用。這種單一模塊中的雙向轉換功能為電池行業(yè)創(chuàng)造了前所未有的應用場景。
變壓器的降壓或升壓能力由線圈匝數比定義；同樣，固定比率轉換器的轉換能力取決于其 K 因數——K 因數為相對于其降壓能力的比例（見圖 2）。
傳統(tǒng) DC-DC 轉換器調節(jié)輸出電壓，而固定比率轉換器則不同，它不提供輸出調節(jié)。這些設備還可以自主運行，不需要環(huán)路反饋或外部控制機制。
與傳統(tǒng)轉換器相比，固定比率轉換器具有幾方面的明顯優(yōu)勢。
圖 2：Vicor 的 BCM 固定比率轉換器支持多種不同的 K 因數和輸出功率配置，可以滿足大多數應用的需求。
雙向轉換
固定比率轉換器的運行獨立于外部主機或控制器，因此本身具有雙向轉換功能。也就是說，根據電流流動方向，只需一個轉換器模塊即可完成升壓和降壓。因此，固定比率轉換器可以為依賴雙向電流流動的供電網絡（PDN）帶來前所未有的靈活性和簡便性。
靈活性和可擴展性
固定比率轉換器易于并聯，可以滿足更高的功率需求。設計人員可以輕松添加多個固定比率轉換器模塊，將它們并聯起來，擴展系統(tǒng)以滿足所需的輸出功率需求。同樣，設計人員可以串聯多個固定比率轉換器，根據其級聯 K 因數實現獨特的電壓轉換比。在這些情況下，轉換器需要功率匹配以確保安全可靠的運行。
最后，固定比率轉換器在小巧的封裝中實現了卓越的電源轉換效率。傳統(tǒng)的降壓或升壓轉換器的最大轉換效率只有 90% 左右，而 Vicor BCM? 系列的固定比率轉換器的轉換效率接近 98%。這不僅提升了應用的可持續(xù)性，還大幅降低了熱管理開銷。
電池化成
電池生命周期的第一個階段是電池化成。在該階段，新生產的電池必須經歷化成循環(huán)過程，即首次對電池電芯進行充電和放電操作。在此過程中，電池進行多次循環(huán)，逐漸形成固體電解質界面（SEI）層。該過程的速度取決于電池電芯的化學性質，因此電池化成的用時大多是固定的。
電池化成循環(huán)需要一個能夠支持重復充放電循環(huán)的底層供電網絡（PDN）。
在這種情況下，普通 PDN 從電網獲取三相交流輸入，將其整流為高壓直流電，然后通過多級 DC-DC 轉換達到為電池電芯充電所需的標稱電壓（例如 4.2V）（見圖 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性質，但在將交流電轉換為較低直流母線電壓（例如 12V）時，使用幾個中間電壓降是全行業(yè)的標準做法。
分立式組件解決方案的設計非常困難，需要企業(yè)具備全面的內部電源技術專長，而且物料需求大。這不僅會增加成本，帶來供應鏈挑戰(zhàn)，還會延緩產品上市時間。分立式解決方案會限制靈活性，因為它們只能提供預定義的輸出電壓。由于電池的化學性質不同而需要不同的電壓時，如果設計人員能夠創(chuàng)建一種可以根據電池的具體化學性質進行修改的靈活解決方案，則更加經濟高效。使用分立式解決方案時，電池化成系統(tǒng)缺乏靈活性，無法動態(tài)修改以兼容多種電池類型。
在恒流轉換階段，設計人員可以利用固定比率轉換器，輕松地將較高的直流電壓降至更安全、更低的電壓，而無需分立式解決方案或單模塊解決方案。通過并聯一個或多個固定比率轉換器，他們就可以創(chuàng)建易于擴展的模塊化供電網絡。
這樣，設計人員就可以設計出同時循環(huán)多個電池的系統(tǒng)，從而實現更高的吞吐量、功率密度和效率。此外，這種架構還允許設計人員輕松更改 PDN，根據電池的獨特標稱電壓完成所需的 DC-DC 轉換。無需分立式組件，解決方案更加靈活，就可以加快產品上市速度并降低故障率。
在節(jié)能方面，固定比率轉換器固有的雙向轉換功能在電池化成過程中尤為有效。使用固定比率轉換器，電池制造商就可以在充電和放電循環(huán)之間自如切換，因為他們知道固定比率轉換器將在放電時自動升壓到預定義的較高電壓，在充電時進行降壓。這一獨特功能可提高化成過程的能效，在化成循環(huán)期間重復利用能源。
此外，固定比率轉換器的效率高達 97.9%，雙向轉換過程中的功率損耗微乎其微。如果沒有固定比率轉換器，將需要多個組件（一個用于降壓，一個用于升壓）才能實現這種雙向轉換功能。這樣就會因為效率低下而消耗更多功率并增加組件數量。
圖 3：電池制造商可以使用固定比率轉換器，將雙向轉換功能集成到電池化成供電網絡中，同時提高效率。
電池測試
電池生命周期的第二個階段是電池測試。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間要求（取決于化學性質），而電池組的生產則不受這些限制，但仍面臨同樣的吞吐量挑戰(zhàn)。
例如，每個電芯都必須經過適當的測試并進行精確的測量，以確保多個電芯能夠組成更大的電池組。然后，更大的電池組也需要經過嚴格的測試。這不是一個增值步驟，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。
為了適應各種電池電壓和功率水平，供電網絡必須靈活而且可擴展。同時，為了在相同的物理空間內以更短的時間測試更多電池，需要供電網絡提供高吞吐量。因此，電池組測試設備需要模塊化且可擴展的供電網絡，以滿足具體的測試要求和測試量。與電池化成階段一樣，電池測試設備的標準供電網絡也需要將三相交流電轉換為電芯的標稱電壓（見圖 4）。
在供電網絡的恒流轉換階段使用固定比率轉換器，電池測試設計人員就不再需要費力地設計中間轉換階段。相反，他們可以放心地利用固定比率轉換器來管理恒流轉換。這樣，他們就可以專注于轉換過程的最后階段，即將電壓與電芯的標稱電壓相匹配以進行測試。這種簡化的架構使設計人員能夠創(chuàng)建靈活的模塊化系統(tǒng)，并根據不同的測試要求輕松進行修改。
固定比率轉換器的另一個重要優(yōu)勢是功率密度。憑借極高的功率效率和小巧的外形尺寸，固定比率轉換器可以在行業(yè)領先的小巧設計中支持數千瓦的功率和數百伏的電壓。這樣就可以構建吞吐量更高的測試儀，在相同的空間內安裝更多測試設備，從而為同步測試更多電芯創(chuàng)造機會。
圖 4：固定比率轉換器為電池測試供電網絡帶來高功率密度，通過在相同空間內安裝更多測試設備來提高測試吞吐量。
實際電池供電網絡中的挑戰(zhàn)
當電池最終出廠并投入實際應用時，供電網絡的挑戰(zhàn)并未結束。
在許多新興的電池供電應用中，如系留機器人或水下機器人（ROV）、太陽能和風能等可再生能源儲能系統(tǒng)以及電動汽車，對極高電壓供電的需求不斷增長（見圖 5）。例如，為了增加功率，提高效率，電動汽車的供電架構正從 400V 過渡到 800V。
在相同的功率下，電壓越高，供電電流就越小。因此，高壓供電的一個優(yōu)勢是效率更高，因為更小的電流可以減少 I2R 損耗。這使得應用更加高效，同時也減少了熱管理開銷。
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，設計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)成功運行，需要將這些用于供電的高壓轉換為負載點上使用的低壓。在電池生命周期的這個階段，固定比率轉換器通過提供一種簡單而高效的直流電源轉換手段來提高價值。
以系留機器人為例，利用 K 因數為 1/16 的固定比率轉換器，設計人員能以 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 的基礎上，設計人員可以使用效率為 90% 的常規(guī)降壓轉換器，獲得微控制器單元（MCU）最終所需的 3.3V 電壓。如果沒有固定比率轉換器，從 800V 到 3.3V 的整個轉換過程將以 90% 的效率進行，產生的損耗將顯著高于固定比率轉換器架構。
圖 5：系留機器人等應用可以使用固定比率轉換器實現高壓供電，而不會在轉換為低壓的過程中產生顯著的功率損耗。
電池回收過程中的挑戰(zhàn)
電池生命周期的最后一個階段是回收。
電池回收是一個高功率的電化學過程，通過化學手段將電池中的原材料和元素分離出來，以便將來進行回收和再利用。與電池生命周期的其他工業(yè)階段一樣，供電網絡需要將三相交流輸入電壓轉換為高功率直流電，最終降至較低電壓，為回收設備供電（見圖 6）。
從供電網絡的角度來看，電池回收過程會產生大量熱量。因此，供電網絡的組件必須能夠在高溫下可靠運行。同樣，在供電網絡設計中，功率密度也變得越來越重要，需要小巧的外形設計和高效的電源轉換。
固定比率轉換器提供了一種功率密度極高的 DC-DC 轉換解決方案，能夠在很小的外形設計中支持數千瓦的功率和數百伏的電壓。
圖 6：BCM 固定比率母線轉換器在電池回收廠的高溫環(huán)境下實現可靠的高功率電壓轉換。
例如，Vicor BCM6123 固定比率母線轉換器的功率密度高達 2352 W/in3（見圖 7）。憑借這種功率密度，設計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，采用固定比率轉換器的模塊化電源架構使系統(tǒng)能以最小的開銷進行相應擴展。
利用固定比率轉換器增強電池生態(tài)系統(tǒng)
在電池生命周期的每個階段，對高效、高功率密度且可擴展的高壓供電網絡的需求都在不斷增長。整個電池生命周期的成功取決于每個階段的成功。無論是電池化成、測試、實際應用還是回收，整個電池生命周期都可以受益于固定比率轉換器。與傳統(tǒng)的電源轉換解決方案相比，固定比率電壓轉換器有著前所未有的效率和小巧的外形尺寸，同時還具有雙向轉換等獨特功能。
圖 7：Vicor BCM6123 固定比率母線轉換器模塊在 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? 產品采用正弦振幅轉換器（SAC?）拓撲架構，比基于 PWM 的解決方案工作頻率更高。BCM 系列固定比率轉換器還提供多種外形尺寸和功率等級，可以滿足各種高壓應用的需求。除了 BCM 系列，Vicor 還提供多種固定比率轉換器來滿足許多其他應用的需求。
BCM 固定比率轉換器將在目前快速增長的電池制造市場上扮演重要角色。它支持更高的吞吐量，效率更高，并且可以根據任何應用的需求進行擴展。無論在應用或生命周期的哪個階段，固定比率電源轉換器都是蓬勃發(fā)展的當代電池行業(yè)的理想解決方案，而傳統(tǒng)電源轉換方法目前已無法滿足需求。
文章來源：Vicor
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