【導(dǎo)讀】越來越多的無線和電池供電設(shè)備越來越多地滲透到日常生活中，其中包括電動汽車（EV）與太陽能儲能系統(tǒng)等應(yīng)用，如何對電池進行高效率的管理將是重要課題。本文將為您介紹電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池化成、GaN FET、鋰碳電容器（LCC）、儲能模塊系統(tǒng)等解決方案，使您全面性地進一步了解電池應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。
當(dāng)前電動汽車與儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展趨勢，進一步推動了對生產(chǎn)具有不同充電容量的電池需求穩(wěn)步上升，其中的電池化成在各種采用電池存儲能源的應(yīng)用中，扮演著相當(dāng)重要的角色。
完整的電池化成電源系統(tǒng)解決方案
隨著市場對電池的需求日益增加，電池制造商發(fā)現(xiàn)自己面臨著在整個生產(chǎn)過程中提高效率，并滿足所需體積的挑戰(zhàn)。每個電池在制造過程中需要經(jīng)歷的基本階段是電池化成。在其中，新組裝的電池首先以高電壓和電流精度進行充電和放電，目的是激活電池材料。化成循環(huán)對電池壽命、質(zhì)量和成本有很大影響，但成本高、耗時長，是目前生產(chǎn)過程中的瓶頸。
英飛凌憑借其全面的成本和效率優(yōu)化產(chǎn)品組合，提供全系列電源系統(tǒng)解決方案，充分滿足高精度、高效率和功率密度的應(yīng)用需求。英飛凌的解決方案在充電和放電循環(huán)期間可提供高電壓和電流精度（高達0.01%），具有高功率密度、高效率，可在運行期間提供最佳的熱管理，并可以達到24/7的運行周期，系統(tǒng)可靠性高。
英飛凌在電池化成應(yīng)用的主要產(chǎn)品包括OptiMOS?和StrongIRFET?低壓功率MOSFET，以及CoolMOS?高壓功率MOSFET，還有EiceDRIVER?柵極驅(qū)動器芯片、TRENCHSTOP?分立式IGBT與XMC?微控制器。這些產(chǎn)品是具有高效、創(chuàng)新且具有成本吸引力的解決方案，可節(jié)省整體BOM，高功率密度半導(dǎo)體可縮小尺寸，并具有完整的生態(tài)系統(tǒng)可加快上市時間，包括仿真、文件、演示板，英飛凌的質(zhì)量提高了產(chǎn)品使用壽命和可靠性，并提供一站式服務(wù)組合。
提供汽車電池管理應(yīng)用的高集成度解決方案
為了滿足汽車與能源儲存電池管理應(yīng)用需求，艾睿電子針對電動汽車與能源儲存應(yīng)用推出了電池管理系統(tǒng)（BMS）參考設(shè)計，BMS是監(jiān)控和調(diào)節(jié)電池充電和放電的電子控制電路。該參考設(shè)計由Infineon功能強大的汽車級Traveo II MCU CYT2B97、AFE TLE9012D和收發(fā)器TLE9015D所組成。TLE9012DQU實現(xiàn)了電池電壓測量、溫度測量、電池均衡和隔離通信四大功能，TLE9015D則作為收發(fā)器連接TLE9012DQU和MCU主電池控制器。此外，該解決方案還集成了壓力檢測、RTC以及系統(tǒng)電壓和電流傳感功能。
此BMS參考設(shè)計具有低成本和優(yōu)化尺寸、減少軟件工作量、縮短上市時間等優(yōu)點，可均衡和監(jiān)控多達12個串聯(lián)電池，具有12通道專用16位delta-sigma ADC電池電壓監(jiān)視器，精度約為5.8mV，采用2Mbit/s iso-UART的7μS快速同步電池電壓采樣，具備高達200mA的內(nèi)部電流均衡和5通道溫度傳感器，可保留壓力傳感器和外部RTC，支持系統(tǒng)電壓和電流感應(yīng)。
功能完整的電流轉(zhuǎn)換解決方案
在市場上，交流電源要么是三相，要么就是單相。在功率級的三相交流輸入方面，艾睿電子與ST合作開發(fā)雙向AC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，它可用于15kW電池化成或儲能應(yīng)用。該參考設(shè)計提供了一套完整采用數(shù)字平臺的三相AC/DC和DC/AC（800 VDC到400 VAC）功率轉(zhuǎn)換解決方案。它非常適合高功率充電站、工業(yè)電池充電器，以及UPS的有源前端（AFE）階段。SiC MOSFET的高頻應(yīng)用和多電平拓撲結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近99%的效率，同時優(yōu)化無源器件尺寸和成本。
這是一款三相三電平雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器，支持800 VDC的額定標稱直流電壓，支持400 VAC @ 50 Hz的額定標稱交流電壓，標稱功率可達15 kW。在交流轉(zhuǎn)直流整流模式下，功率因子（PF）控制大于0.99，具有浪涌電流控制及軟啟動，在直流轉(zhuǎn)交流逆變模式下，可支持有功及無功功率控制，具有集成的并網(wǎng)方案。這款參考設(shè)計采用了SiC MOSFET的功率器件，可在高頻運行（70 kHz），擁有大于98%的高效率，可減少無源器件的重量和尺寸。
在采用STM32G474微控制器系列的控制部分，可P2P相容于不同的電源轉(zhuǎn)換器，具有4個整合的高性能運算放大器，以及SWIM、UART、I2C、DAC控制和監(jiān)測接口，支持64針的數(shù)字電源連接器、過流過壓保護。
在功率級的單相交流輸入應(yīng)用，艾睿電子與ST提供雙向AC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案，專注在6.6kW電池化成與儲能應(yīng)用。這款6.6kW雙向儲能系統(tǒng)可支持AC/DC雙向電源轉(zhuǎn)換，最大充電功率為6.6kW，支持180-265 VAC交流輸入電壓，直流輸出功率為60-90VDC，最大逆變功率可達6.6kW，逆變額定輸入為80VDC，逆變額定輸出為220VAC 50Hz，效率大于95%，支持圖騰柱PFC 100 kHz、CLLLC 200kHz。該解決方案也可應(yīng)用于儲能太陽能逆變器、叉車充電器、交直流加載設(shè)備等。
此外，艾睿電子與ST還推出6.6kW雙向CLLC電源轉(zhuǎn)換器，可支持雙對稱式CLLC DCDC轉(zhuǎn)換器，最大可支持6.6kW雙向電源轉(zhuǎn)換，效率將可超過98%，輸入電壓為550VDC，輸出電壓為60-90VDC，逆變額定輸入為80VDC，逆變額定輸出為550VDC，電路板尺寸為450mm x 330mm x 100mm（LxWxH）。以上解決方案基于STM32G474微控制器系列和最新的ST模擬和功率器件。
GaN在電池應(yīng)用上的設(shè)計方案與核心優(yōu)勢
鋰化合物電池都有電池保護的要求，電池保護芯片會檢測各種電池異常情況，包括過壓、欠壓、放電過流、短路等。EPC的GaN是基于GaN FET獨特的內(nèi)在特性（漏極和源極之間沒有寄生體二極管），實現(xiàn)在一顆晶粒（die）中獲得雙向電壓關(guān)斷功能。GaN具有一個頂兩個的優(yōu)勢，在大電流應(yīng)用中，系統(tǒng)成本優(yōu)勢明顯，其封裝小，能有效縮小PCB尺寸，有利于高密度PCB布局，且內(nèi)阻小，可有效減少系統(tǒng)導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)整體續(xù)航能力。
對比硅MOS方案，在拓撲上硅MOSFET（100V 2.7mΩ）需要采用2個背靠背共漏極，封裝為SO8 (6.15 x 5.15mm)，Vds為100V，Vgs_max為+10V，Ron_max為2.7x2=5.4mΩ，Id為194A，須采用16個，而EPC的GaN方案（EPC2302 (100V 1.8mΩ)）只需要采用1個GaN，封裝采用QFN 3x5mm，Vds為100V，Vgs_max為+5V，Ron_max為1.8mΩ，Id為408A，僅須采用6個，具有更小的封裝、更低的系統(tǒng)成本的優(yōu)勢。
GaN器件目前也正被廣泛用于太陽能應(yīng)用，因為它們在效率、尺寸、重量和長壽命方面具有顯著優(yōu)勢。太陽能應(yīng)用需要保證使用超過20年的壽命，并具有出色的熱性能，以及高功率密度，以增加相同外形尺寸的功率或與面板集成。更高功率密度的趨勢導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)非常昂貴，最先進的硅MOSFET解決方案無法再滿足所需的功率密度。因此，領(lǐng)先的太陽能公司正在采用GaN。
GaN FET非常小，開關(guān)損耗非常低。這允許更高的開關(guān)頻率來增加功率密度，同時仍然提供比硅MOSFET解決方案更高的效率，以應(yīng)對熱挑戰(zhàn)并節(jié)省冷卻成本，GaN出色的可靠性可支持25年的使用壽命。
EPC的100 V、150 V、170 V和200 V GaN器件非常適用于微型逆變器的初級或獨立的MPPT/優(yōu)化器。EPC 200 V和350 V器件還可用于電池儲能系統(tǒng)或串式逆變器的多級拓撲結(jié)構(gòu)。
GaN FET還可用在太陽能電池板優(yōu)化器，可優(yōu)化每個太陽能電池板的功率，在微型逆變器應(yīng)用中，GaN能提供更高的功率密度、更易于冷卻或增加功率的出色熱性能、出色的可靠性和經(jīng)過驗證的使用壽命。此外，GaN FET還可用于200 V和350 V的多級拓撲儲能系統(tǒng)，允許使用具有更小外形尺寸的更小電壓器件，降低dV/dt并增加等效輸出頻率，從而提高效率和密度，簡化冷卻并限制組件中的應(yīng)力以延長使用壽命。
GaN的工業(yè)應(yīng)用包括60~150V的儲能系統(tǒng)、小于60V的儲能系統(tǒng)、電動汽車／混合動力電動汽車、電動自行車、電動工具、無人機、掃地機、智能手機、平板、筆電等。
鋰碳電容器具有比傳統(tǒng)電池更多優(yōu)越特性
LCC（Lithium Carbon Capacitor）的中文名稱為鋰碳電容器，是一種不對稱超級電容器，屬于超級電容的一種，負極材料和超級電容一樣，把正極進行了改造，大大提高了能量密度，是傳統(tǒng)超級電容的15-20倍；通過離子吸附結(jié)合鋰離子的淺嵌入脫出，實現(xiàn)高能量密度，具有高倍率充放電，高安全、長壽命、免維護等特點。由于傳統(tǒng)電池的安全性參差不齊，不管是鉛酸電池還是鋰電池，都存在安全問題，鋰電池當(dāng)短路時還可能會爆炸，而LCC的安全性能很高，直接短路都不會出現(xiàn)爆炸、起火。
傳統(tǒng)的電池一般為鎳鉻／鉛酸電池和鋰電池，在充電效率方面，LCC的充電倍率是鋰電的50倍，鉛酸／鎳鉻的250倍，這意味著充電時間將非常短，LCC屬于超級快充，充電僅需1分鐘，再也不用等待充電了。LCC的放電倍率也更大，在瞬態(tài)時可達50倍，在持續(xù)時可達20-30倍，因此可以提供更大的功率輸出，工作的溫度范圍也非常寬，可以-40-65℃的環(huán)境下進行充電與放電，LCC的充放電次數(shù)可達50,000次，時間可達5年以上，電池壽命非常的長，所以實際應(yīng)用中可說完全不需要再更換電池，可以終身使用。
近年來，隨著社會發(fā)展，白天與黑夜的電力需求之間的峰谷差不斷加大。目前許多大多數(shù)城市每天的晝夜平均電力需求峰谷差超過60%。想要真正達到用電節(jié)能減排的目標，應(yīng)該著力解決白天與黑夜的電力需求之間的巨大峰谷差這一主要矛盾，這正是LCC模組重要的應(yīng)用領(lǐng)域。
支持高電壓與大電流的儲能模塊系統(tǒng)
風(fēng)能／重工業(yè)應(yīng)用儲能模塊系統(tǒng)可作為各種風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的輔助儲能系統(tǒng)，可顯著改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提供微電網(wǎng)系統(tǒng)無功支持，輸出功率大，支持高電壓（≧500V）、大電流（~1000A）工作情況，具備超長使用壽命及免維護的特性，并可依不同電壓或容量需求進行積木式組合使用。
萬?？萍纪瞥龅模ˋNGA POW?）模塊具有超低內(nèi)阻、超高功率（≧200KW），支持超過500,000次充放電，集成了超級電容器管理系統(tǒng)（CMS），支持單體間電壓均衡、過電壓和溫度監(jiān)控信號輸出、RS或CAN輸出接口，模塊結(jié)構(gòu)堅固和緊湊、全密封及防濺。
ANGA POW?模塊支持的額定電壓為129V，額定容量為62F，浪涌電壓為134.4V，漏電流≦10mA，直流內(nèi)阻≦20mΩ，最大充／放電電流為640A，標準充／放電電流為32A，可在-40°C~+60°C的工作／儲存溫度范圍下工作，尺寸為644*465*285mm，支持IP41防護等級，重量約為51kgs，是各種風(fēng)能／重工業(yè)應(yīng)用的理想輔助儲能系統(tǒng)。
結(jié)語
隨著電動汽車與儲能系統(tǒng)市場的快速發(fā)展，電池的應(yīng)用需求也在日益提高，如何提升電池的運作效率與安全性，便成為電池應(yīng)用的重大課題。本文介紹了各種電池應(yīng)用所需的各種解決方案，將可讓您進一步了解電池應(yīng)用在充放電、管理上所需的各種器件與模塊，便于在產(chǎn)品設(shè)計上的參考，若有進一步的需求，請與艾睿電子聯(lián)絡(luò)，以獲得更多的信息。
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