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艾睿電子全方面的電池應(yīng)用解決方案

發(fā)布時(shí)間:2023-07-11 來源:Arrow 責(zé)任編輯:wenwei

【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(dòng)汽車(EV)與太陽能儲(chǔ)能系統(tǒng)等應(yīng)用,如何對電池進(jìn)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(chǔ)能模塊系統(tǒng)等解決方案,使您全面性地進(jìn)一步了解電池應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。


當(dāng)前電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展趨勢,進(jìn)一步推動(dòng)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(chǔ)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(gè)生產(chǎn)過程中提高效率,并滿足所需體積的挑戰(zhàn)。每個(gè)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(jìn)行充電和放電,目的是激活電池材料?;裳h(huán)對電池壽命、質(zhì)量和成本有很大影響,但成本高、耗時(shí)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(dá)0.01%),具有高功率密度、高效率,可在運(yùn)行期間提供最佳的熱管理,并可以達(dá)到24/7的運(yùn)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(dòng)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(shí)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。


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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(chǔ)存電池管理應(yīng)用需求,艾睿電子針對電動(dòng)汽車與能源儲(chǔ)存應(yīng)用推出了電池管理系統(tǒng)(BMS)參考設(shè)計(jì),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(jì)由Infineon功能強(qiáng)大的汽車級Traveo II MCU CYT2B97、AFE TLE9012D和收發(fā)器TLE9015D所組成。TLE9012DQU實(shí)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(jì)具有低成本和優(yōu)化尺寸、減少軟件工作量、縮短上市時(shí)間等優(yōu)點(diǎn),可均衡和監(jiān)控多達(dá)12個(gè)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(dá)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)。


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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(chǔ)能應(yīng)用。該參考設(shè)計(jì)提供了一套完整采用數(shù)字平臺(tái)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)近99%的效率,同時(shí)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(biāo)稱直流電壓,支持400 VAC @ 50 Hz的額定標(biāo)稱交流電壓,標(biāo)稱功率可達(dá)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(dòng),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(jì)采用了SiC MOSFET的功率器件,可在高頻運(yùn)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(gè)整合的高性能運(yùn)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(hù)。


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(chǔ)能應(yīng)用。這款6.6kW雙向儲(chǔ)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(dá)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(chǔ)能太陽能逆變器、叉車充電器、交直流加載設(shè)備等。


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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。


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GaN在電池應(yīng)用上的設(shè)計(jì)方案與核心優(yōu)勢


鋰化合物電池都有電池保護(hù)的要求,電池保護(hù)芯片會(huì)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(dú)特的內(nèi)在特性(漏極和源極之間沒有寄生體二極管),實(shí)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(gè)頂兩個(gè)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?fù)渖瞎鐼OSFET(100V 2.7mΩ)需要采用2個(gè)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(gè),而EPC的GaN方案(EPC2302 (100V 1.8mΩ))只需要采用1個(gè)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(gè),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?yàn)樗鼈冊谛省⒊叽?、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(jìn)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(shí)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(dú)立的MPPT/優(yōu)化器。EPC 200 V和350 V器件還可用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)或串式逆變器的多級拓?fù)浣Y(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(gè)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(yàn)證的使用壽命。此外,GaN FET還可用于200 V和350 V的多級拓?fù)鋬?chǔ)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。


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GaN的工業(yè)應(yīng)用包括60~150V的儲(chǔ)能系統(tǒng)、小于60V的儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)工具、無人機(jī)、掃地機(jī)、智能手機(jī)、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(fù)極材料和超級電容一樣,把正極進(jìn)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(shí)現(xiàn)高能量密度,具有高倍率充放電,高安全、長壽命、免維護(hù)等特點(diǎn)。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(shí)還可能會(huì)爆炸,而LCC的安全性能很高,直接短路都不會(huì)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(shí)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(shí)可達(dá)50倍,在持續(xù)時(shí)可達(dá)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(jìn)行充電與放電,LCC的充放電次數(shù)可達(dá)50,000次,時(shí)間可達(dá)5年以上,電池壽命非常的長,所以實(shí)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(huì)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(dá)到用電節(jié)能減排的目標(biāo),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(chǔ)能模塊系統(tǒng)


風(fēng)能/重工業(yè)應(yīng)用儲(chǔ)能模塊系統(tǒng)可作為各種風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的輔助儲(chǔ)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(hù)的特性,并可依不同電壓或容量需求進(jìn)行積木式組合使用。


萬裕科技推出的(ANGA 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(jiān)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(biāo)準(zhǔn)充/放電電流為32A,可在-40°C~+60°C的工作/儲(chǔ)存溫度范圍下工作,尺寸為644*465*285mm,支持IP41防護(hù)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(chǔ)能系統(tǒng)。


結(jié)語


隨著電動(dòng)汽車與儲(chǔ)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(yùn)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(jìn)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(jì)上的參考,若有進(jìn)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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