淺析鋰電子電池化成分容中DC/DC變換器的應用

單位：浙江巨磁智能技術有限公司?? 作者：吳偉斌

一、引言

據(jù)市場研究機構預測，全球電池化成分容產線市場規(guī)模在未來幾年將繼續(xù)保持增長態(tài)勢。其中，亞洲市場增長速度最快，尤其是中國市場。中國政府對于新能源汽車和儲能領域的支持力度不斷加大，推動了電池化成分容產線的市場需求不斷增長。

圖1 ?中國新能源汽車近三年銷量

根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)顯示，2022年全國新能源汽車產銷達到705.8萬/688.7萬輛，同比增長96.9%/93.4%，市場占有率達到25.6%。2022年國內汽車行業(yè)受到了較大的考驗，不過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，整體車市有所回暖，其中比亞迪更是以186.8萬輛的銷量佳績領先一眾車企。中汽協(xié)預計2023年我國新能源汽車銷量將達到900萬輛，同比增長35%。

圖2 ?中國近5年新型儲能市場裝機量及預測

根據(jù)CNESA 預測，我國未來5 年的新型儲能市場將獲得高速發(fā)展，復合增速將維持在50%以上，預計到2026年樂觀狀態(tài)下儲能市場的累計裝機將達到79.5GW，帶動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電壓級別轉換到另一個電壓級別。這種轉換在許多領域都是必要的，在電池化成分容中也占據(jù)著重要地位。

二、發(fā)展歷程

DC/DC轉換器的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，主要包括線性穩(wěn)壓器、開關穩(wěn)壓器和多級變換器等。

線性穩(wěn)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，會將多余的能量以熱量的形式消耗掉。為了提高效率，開關穩(wěn)壓器開始被引入。開關穩(wěn)壓器通過控制功率開關器件的開關，將輸入電壓轉換為高頻脈沖信號，然后通過濾波器進行平滑，輸出所需電壓。開關穩(wěn)壓器的效率可以達到90%以上，提高了能量利用率。

為了滿足不同的電壓要求，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，如太陽能系統(tǒng)、電動車等。降壓變換器可以將高電壓降低到低電壓，適用于大多數(shù)電子設備。而升降壓變換器則可以實現(xiàn)電壓的雙向轉換，適用于需要電源切換的場景。

隨著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的增長速度也比較快，主要用于Service醫(yī)療和實驗室設備、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變換器有多種類型，包括升壓型（Boost）、降壓型（BUCK）和升降壓型（Buck-Boost）。選擇哪種類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：

通過控制開關管的通斷時間來調節(jié)輸出電壓的大小。當開關管導通時，輸入電壓加在電感上，電流通過電感逐漸增加，同時電感儲存能量；

當開關管截止時，電感通過負載放電，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關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；

輸出電壓可以通過改變開關管的通斷時間來調節(jié)。當開關管導通時間越長，電感儲存的能量越多，輸出電壓越高。相反，當開關管導通時間越短，輸出電壓越低。

圖3 ?boost電路拓撲圖

BUCK電路：

當開關管導通時，電流從輸入電源流過開關管和儲能元件，儲能元件開始儲存能量。此時，輸出整流器上的電壓為零，因此沒有電流流過負載。

當開關管截止時，儲能元件通過輸出整流器和負載釋放能量。由于開關管的截止，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。

通過控制開關管的通斷時間（占空比），可以調節(jié)輸出電壓的大小。在開關管截止期間，電感器的電流和電容器的電荷量必須連續(xù)，因此在開關管通斷的過渡期間，會出現(xiàn)短暫的電壓過沖或電流過沖。這些過沖可以通過適當?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1459602.html">緩沖電路進行抑制。

圖4 ?buck電路拓撲圖

Buck-Boost DC-DC變換器：

通過采用一個LC并聯(lián)諧振電路，把負載端的電感和電容串聯(lián)起來，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，變換器工作在降壓模式（buck mode）下，輸出電壓低于輸入電壓時，變換器工作在升壓模式（boost mode）下，同時，將轉化出的過剩能量通過電容器和電感儲存，以備后續(xù)使用。

四、化成產線電源架構

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”方式進行化成，通過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)過多年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟，由于是一個單體一個回路，所以整體安全性能高，受客戶認可度高，但是由于其多回路特性，導致搭建成本較高，產品的一致性也會受到影響。

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(jié)省20%~30%的生產成本，同時運維效率也能大大提高；然而，由于串聯(lián)技術需要眾多電芯串聯(lián)在一起進行測試，對前道制造的電芯的一致性要求更高；同時，若串聯(lián)中的某個電芯出現(xiàn)短路，可能會影響全盤電芯效果。

兩級式轉換拓撲是化成中運用較廣的變換技術，它采用兩級結構來實現(xiàn)高效的電能轉換是由兩個獨立的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現(xiàn)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(jù)輸入電壓和輸出電壓的關系，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的DC-DC轉換技術，通過兩級結構的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了高效率、寬輸入電壓范圍、高輸出功率和高可靠性的特點。它在各種需要高效電源管理的場景中具有廣泛的應用前景。

五、前景展望

化成分容電源系統(tǒng)為直流系統(tǒng)，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(tǒng)，能有效減少由于電能變換帶來的損耗，同時也可以響應國家削峰填谷的戰(zhàn)略發(fā)展，推動產業(yè)綠色化發(fā)展。

圖7 ?化成分容電源系統(tǒng)

六、化成分容MAGTRON電流檢測方案

1、MCSD-200D/NP--采用雙電源閉環(huán)磁通門原理，0.1%的精度，配合化成分容廠家產線的校準，能達到0.05%的精度，滿足化成分容的高精度檢測需求。

2、MIT-200S--采用多閉環(huán)磁通門技術，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線及實驗室環(huán)境使用。

產品采用隔離式測量，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(wěn)定運行，無論是高溫還是低溫，干燥還是潮濕。此外，由于其較長的使用壽命和較低的故障率，使得電流傳感器成為需要長時間運行和高度可靠的理想選擇。

浙江巨磁智能技術有限公司是一家充滿活力和創(chuàng)新精神的企業(yè)，擁有一支高素質的研發(fā)團隊和管理團隊，秉承“創(chuàng)新、品質、服務”的經(jīng)營理念，不斷推陳出新，產品和技術服務得到了廣泛的應用和認可。公司通過不斷的技術創(chuàng)新和市場拓展，贏得了客戶的信任和好評，建立了良好的品牌形象和市場口碑。

圖8? MAGTRON 電流檢測解決方案

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參考文獻：

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5. 四電平浮動交錯Boost DC/DC變換器研究。鄭征、安江偉。
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