|
單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：吳偉斌 一、引言 據市場(chǎng)研究機構預測，全球電池化成分容產(chǎn)線(xiàn)市場(chǎng)規模在未來(lái)幾年將繼續保持增長(cháng)態(tài)勢。其中，亞洲市場(chǎng)增長(cháng)速度最快，尤其是中國市場(chǎng)。中國政府對于新能源汽車(chē)和儲能領(lǐng)域的支持力度不斷加大，推動(dòng)了電池化成分容產(chǎn)線(xiàn)的市場(chǎng)需求不斷增長(cháng)。 
圖1 中國新能源汽車(chē)近三年銷(xiāo)量 根據中汽協(xié)數據顯示，2022年全國新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)達到705.8萬(wàn)/688.7萬(wàn)輛，同比增長(cháng)96.9%/93.4%，市場(chǎng)占有率達到25.6%。2022年國內汽車(chē)行業(yè)受到了較大的考驗，不過(guò)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(kāi)，整體車(chē)市有所回暖，其中比亞迪更是以186.8萬(wàn)輛的銷(xiāo)量佳績(jì)領(lǐng)先一眾車(chē)企。中汽協(xié)預計2023年我國新能源汽車(chē)銷(xiāo)量將達到900萬(wàn)輛，同比增長(cháng)35%。
圖2 中國近5年新型儲能市場(chǎng)裝機量及預測 根據CNESA 預測，我國未來(lái)5 年的新型儲能市場(chǎng)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(lè )觀(guān)狀態(tài)下儲能市場(chǎng)的累計裝機將達到79.5GW，帶動(dòng)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(gè)電壓級別轉換到另一個(gè)電壓級別。這種轉換在許多領(lǐng)域都是必要的，在電池化成分容中也占據著(zhù)重要地位。 二、發(fā)展歷程 DC/DC轉換器的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，主要包括線(xiàn)性穩壓器、開(kāi)關(guān)穩壓器和多級變換器等。 線(xiàn)性穩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(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)穩壓器開(kāi)始被引入。開(kāi)關(guān)穩壓器通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)，將輸入電壓轉換為高頻脈沖信號，然后通過(guò)濾波器進(jìn)行平滑，輸出所需電壓。開(kāi)關(guān)穩壓器的效率可以達到90%以上，提高了能量利用率。 為了滿(mǎn)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(yáng)能系統、電動(dòng)車(chē)等。降壓變換器可以將高電壓降低到低電壓，適用于大多數電子設備。而升降壓變換器則可以實(shí)現電壓的雙向轉換，適用于需要電源切換的場(chǎng)景。 隨著(zhù)微處理器的高速化發(fā)展，DC/DC轉換器從低功率向中功率發(fā)展是必然趨勢。因此，DC/DC轉換器從251W到750W的增長(cháng)速度也比較快，主要用于Service醫療和實(shí)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(lèi)型，包括升壓型（Boost）、降壓型（BUCK）和升降壓型（Buck-Boost）。選擇哪種類(lèi)型的轉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)調節輸出電壓的大小。當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，輸入電壓加在電感上，電流通過(guò)電感逐漸增加，同時(shí)電感儲存能量； 當開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感通過(guò)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(kāi)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(guò)改變開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間來(lái)調節。當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間越長(cháng)，電感儲存的能量越多，輸出電壓越高。相反，當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)間越短，輸出電壓越低。
圖3 boost電路拓撲圖 BUCK電路： 當開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，電流從輸入電源流過(guò)開(kāi)關(guān)管和儲能元件，儲能元件開(kāi)始儲存能量。此時(shí)，輸出整流器上的電壓為零，因此沒(méi)有電流流過(guò)負載。 當開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，儲能元件通過(guò)輸出整流器和負載釋放能量。由于開(kāi)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(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間（占空比），可以調節輸出電壓的大小。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，因此在開(kāi)關(guān)管通斷的過(guò)渡期間，會(huì )出現短暫的電壓過(guò)沖或電流過(guò)沖。這些過(guò)沖可以通過(guò)適當的緩沖電路進(jìn)行抑制。
圖4 buck電路拓撲圖 Buck-Boost DC-DC變換器： 通過(guò)采用一個(gè)LC并聯(lián)諧振電路，把負載端的電感和電容串聯(lián)起來(lái)，以達到雙向功率轉換的目的。當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)，將轉化出的過(guò)剩能量通過(guò)電容器和電感儲存，以備后續使用。 四、化成產(chǎn)線(xiàn)電源架構 1、并聯(lián)型化成分容電源架構
圖5 并聯(lián)型化成分容電源架構 采用“一對一”方式進(jìn)行化成，通過(guò)AC/DC-DC/DC-Buck變換，轉換為單體電池電壓化成。并聯(lián)架構經(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(hù)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(huì )受到影響。 2、串聯(lián)型化成分容電源構架
圖6 串聯(lián)型化成分容電源架構 串聯(lián)型采用“一對多”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，還可以節省20%~30%的生產(chǎn)成本，同時(shí)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(jìn)行測試，對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)電芯出現短路，可能會(huì )影響全盤(pán)電芯效果。 兩級式轉換拓撲是化成中運用較廣的變換技術(shù)，它采用兩級結構來(lái)實(shí)現高效的電能轉換是由兩個(gè)獨立的DC-DC轉換器組成，第一級轉換器將輸入電壓轉換為中間電壓，第二級轉換器則將中間電壓轉換為最終的輸出電壓。這種拓撲結構可以實(shí)現更高的電壓轉換效率和更寬的輸入電壓范圍。 在兩級式轉換中，第一級轉換器通常采用Boost電路或Buck電路，根據輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，將輸入電壓轉換為中間電壓。第二級轉換器則采用隔離型拓撲結構，如Flyback、Push-Pull等，將中間電壓轉換為最終的輸出電壓。 總之，兩級式轉換是一種先進(jìn)的DC-DC轉換技術(shù)，通過(guò)兩級結構的優(yōu)化設計，實(shí)現了高效率、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)景中具有廣泛的應用前景。 五、前景展望 化成分容電源系統為直流系統，結合國家大力發(fā)展新能源，許多行業(yè)配套均引入光伏、儲能系統，能有效減少由于電能變換帶來(lái)的損耗，同時(shí)也可以響應國家削峰填谷的戰略發(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 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(mén)原理，0.1%的精度，配合化成分容廠(chǎng)家產(chǎn)線(xiàn)的校準，能達到0.05%的精度，滿(mǎn)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(mén)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(xiàn)及實(shí)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)境條件下穩定運行，無(wú)論是高溫還是低溫，干燥還是潮濕。此外，由于其較長(cháng)的使用壽命和較低的故障率，使得電流傳感器成為需要長(cháng)時(shí)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(mǎn)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(wù)”的經(jīng)營(yíng)理念，不斷推陳出新，產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)得到了廣泛的應用和認可。公司通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng )新和市場(chǎng)拓展，贏(yíng)得了客戶(hù)的信任和好評，建立了良好的品牌形象和市場(chǎng)口碑。
圖8 MAGTRON 電流檢測解決方案 參考文獻： 1. 動(dòng)力電池化成分容用雙向寬范圍能量變換拓撲架構及其控制。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. 四電平浮動(dòng)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(wú)縫切換策略。張勤進(jìn)，牛淼，劉彥呈，曾宇基，陳龍。 |
