浅析锂电子电池化成分容中DC/DC变换器的应用

2023-12-28 16:53:25 浙江巨磁智能技术有限公司 浏览次数 49

一、引言

 

据市场研究机构预测,全球电池化成分容产线市场规模在未来几年将继续保持增长态势。其中,亚洲市场增长速度最快,尤其是中国市场。中国政府对于新能源汽车和储能领域的支持力度不断加大,推动了电池化成分容产线的市场需求不断增长。

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图一 中国新能源汽车近三年销量

根据中汽协数据显示,2022年全国新能源汽车产销达到705.8万/688.7万,同比增长96.9%/93.4%,市场占有率达到25.6%。2022年国内汽车行业受到了较大的考验,不过好在下半年国家出台了购置税减半优惠以及“新十条”出台疫情管控放开,整体车市有所回暖,其中比亚迪更是以186.8万辆的销量佳绩领先一众车企。中汽协预计2023年我国新能源汽车销量将达900万辆,同比增长35%

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图二 中国近5年新型储能市场装机量及预测

根据CNESA 预测,我国未来5 年的新型储能市场将获得高速发展,复合增速将维持在50%以上,预计到2026年乐观状态下储能市场的累计装机将达到79.5GW,带动储能电池材料获得高速发展

DC/DC换器将直流电源从一个电压级别转换到另一个电压级别。这种转换在许多领域都是必要的,在电池化成分容中也占据着重要地位。 

 

二、发展历程

DC/DC转换器的发展经历了多个阶段,主要包括线性稳压器、开关稳压器和多级变换器等。

 

线性稳压器在早期被广泛使用,但效率较低,因为它将输入电压降低到所需电压时,会将多余的能量以热量的形式消耗掉。为了提高效率,开关稳压器开始被引入。开关稳压器通过控制功率开关器件的开关,将输入电压转换为高频脉冲信号,然后通过滤波器进行平滑,输出所需电压。开关稳压器的效率可以达到90%以上,提高了能量利用率。

 

为了满足不同的电压要求,多级变换器逐渐兴起。多级变换器包括升压变换器、降压变换器和升降压变换器。升压变换器可以将低电压提升到高电压,适用于一些特定的应用,如太阳能系统、电动车等。降压变换器可以将高电压降低到低电压,适用于大多数电子设备。而升降压变换器则可以实现电压的双向转换,适用于需要电源切换的场景。

 

随着微处理器的高速化发展,DC/DC转换器从低功率向中功率发展是必然趋势。因此,DC/DC转换器从251W到750W的增长速度也比较快,主要用于Service医疗和实验室设备、工业控制设备、远程通信设备、多路通信和传输设备等。

 

三、基础原理解析

DC/DC换器有多种类型,包括升压型Boost、降压型BUCK和升降压型Buck-Boost。选择哪种类型的转换器取决于所需的输出电压和电流,以及输入电压的范围。

 

Boost电路

通过控制开关管的通断时间来调节输出电压的大小。当开关管导通时,输入电压加在电感上,电流通过电感逐渐增加,同时电感储存能量

当开关管截止时,电感通过负载放电,放电电流逐渐减小,电感释放之前储存的能量。由于电感的磁通量在开关管导通和截止期间保持不变,因此输出电压的幅度高于输入电压

输出电压可以通过改变开关管的通断时间来调节。当开关管导通时间越长,电感储存的能量越多,输出电压越高。相反,当开关管导通时间越短,输出电压越低。

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图三 boost电路拓扑图

BUCK电路

当开关管导通时,电流从输入电源流过开关管和储能元件,储能元件开始储存能量。此时,输出整流器上的电压为零,因此没有电流流过负载。

当开关管截止时,储能元件通过输出整流器和负载释放能量。由于开关管的截止,输入电源不再为储能元件提供能量,因此输出电压的幅度将低于输入电压。

通过控制开关管的通断时间(占空比),可以调节输出电压的大小。在开关管截止期间,电感器的电流和电容器的电荷量必须连续,因此在开关管通断的过渡期间,会出现短暂的电压过冲或电流过冲。这些过冲可以通过适当的缓冲电路进行抑制。

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图四 buck电路拓扑图

 

Buck-Boost DC-DC换器

通过采用一个LC并联谐振电路,把负载端的电感和电容串联起来,以达到双向功率转换的目的。当输出端电压高于输入端电压时,变换器工作在降压模式(buck mode)下,输出电压低于输入电压时,变换器工作在升压模式(boost mode)下,同时,将转化出的过剩能量通过电容器和电感储存,以备后续使用。

 

四、化成产线电源架构

1、并联型化成分容电源架构

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图五 并联型化成分容电源架构

采用“一对一”方式进行化成,通过AC/DC-DC/DC-Buck变换,转换为单体电池电压化成。并联架构经过多年的发展,已经非常成熟,由于是一个单体一个回路,所以整体安全性能高,受客户认可度高,但是由于其多回路特性,导致搭建成本较高,产品的一致性也会受到影响。

2、串联型化成分容电源构架

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图六 串联型化成分容电源架构

串联型采用“一对多”方式进行化成,由于串联的电流大小相等,因此电芯化成一致性,还可以节省20%~30%的生产成本,同时运维效率也能大大提高;然而,由于串联技术需要众多电芯串联在一起进行测试,对前道制造的电芯的一致性要求更高;同时,若串联中的某个电芯出现短路,可能会影响全盘电芯效果。

两级式转换拓扑是化成中运用较广的变换技术,它采用两级结构来实现高效的电能转换由两个独立的DC-DC转换器组成,第一级转换器将输入电压转换为中间电压,第二级转换器则将中间电压转换为最终的输出电压。这种拓扑结构可以实现更高的电压转换效率和更宽的输入电压范围。

在两级式转换中,第一级转换器通常采用Boost电路或Buck电路,根据输入电压和输出电压的关系,将输入电压转换为中间电压。第二级转换器则采用隔离型拓扑结构,如Flyback、Push-Pull等,将中间电压转换为最终的输出电压。

总之,两级式转换是一种先进的DC-DC转换技术,通过两级结构的优化设计,实现了高效率、宽输入电压范围、高输出功率和高可靠性的特点。它在各种需要高效电源管理的场景中具有广泛的应用前景。

 

五、前景展望

化成分容电源系统为直流系统,结合国家大力发展新能源,许多行业配套均引入光伏、储能系统,能有效减少由于电能变换带来的损耗,同时也可以响应国家削峰填谷的战略发展,推动产业绿色化发展。

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六、化成分容MAGTRON电流检测方案

1、MCSD-200D/NP--采用双电源闭环磁通门原理,0.1%的精度,配合化成分容厂家产线的校准,能达到0.05%的精度,满足化成分容的高精度检测需求。

2MIT-200S--采用多闭环磁通门技术,在全温环境下达到0.05%的精度,适用于对精度要求更高的产线及实验室环境使用。

产品采用隔离式测量,适用于高压、大电流等环境,可靠性高,由于其坚固和耐用的设计,电流传感器可以在各种环境条件下稳定运行,无论是高温还是低温,干燥还是潮湿。此外,由于其较长的使用寿命和较低的故障率,使得电流传感器成为需要长时间运行和高度可靠的理想选择。

 

浙江巨磁智能技术有限公司是一家充满活力和创新精神的企业,拥有一支高素质的研发团队和管理团队,秉承“创新、品质、服务”的经营理念,不断推陈出新,产品和技术服务得到了广泛的应用和认可。公司通过不断的技术创新和市场拓展,赢得了客户的信任和好评,建立了良好的品牌形象和市场口碑。



参考文献:

1. 动力电池化成分容用双向宽范围能量变换拓扑架构及其控制作者:许国

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谐振变换器的双向DC/DC变换器。期刊:《电力电子技术》。2020年第007期。

5. 四电平浮动交错Boost DC/DC变换器研究。郑征、安江伟

6. 储能双向DC/DC变换器自适应充放电无缝切换策略。张勤进,牛淼,刘彦呈,曾宇基,陈龙。