艾睿电子全方面的电池应用解决方案
【导读】越来越多的无线和电池供电设备越来越多地渗透到日常生活中，其中包括电动汽车（EV）与太阳能储能系统等应用，如何对电池进行高效率的管理将是重要课题。本文将为您介绍电池管理系统（BMS）、电池化成、GaN FET、锂碳电容器（LCC）、储能模块系统等解决方案，使您全面性地进一步了解电池应用相关技术。
当前电动汽车与储能系统的快速发展趋势，进一步推动了对生产具有不同充电容量的电池需求稳步上升，其中的电池化成在各种采用电池存储能源的应用中，扮演着相当重要的角色。
完整的电池化成电源系统解决方案
随着市场对电池的需求日益增加，电池制造商发现自己面临着在整个生产过程中提高效率，并满足所需体积的挑战。每个电池在制造过程中需要经历的基本阶段是电池化成。在其中，新组装的电池首先以高电压和电流精度进行充电和放电，目的是激活电池材料。化成循环对电池寿命、质量和成本有很大影响，但成本高、耗时长，是目前生产过程中的瓶颈。
英飞凌凭借其全面的成本和效率优化产品组合，提供全系列电源系统解决方案，充分满足高精度、高效率和功率密度的应用需求。英飞凌的解决方案在充电和放电循环期间可提供高电压和电流精度（高达0.01%），具有高功率密度、高效率，可在运行期间提供最佳的热管理，并可以达到24/7的运行周期，系统可靠性高。
英飞凌在电池化成应用的主要产品包括OptiMOS?和StrongIRFET?低压功率MOSFET，以及CoolMOS?高压功率MOSFET，还有EiceDRIVER?栅极驱动器芯片、TRENCHSTOP?分立式IGBT与XMC?微控制器。这些产品是具有高效、创新且具有成本吸引力的解决方案，可节省整体BOM，高功率密度半导体可缩小尺寸，并具有完整的生态系统可加快上市时间，包括仿真、文件、演示板，英飞凌的质量提高了产品使用寿命和可靠性，并提供一站式服务组合。
提供汽车电池管理应用的高集成度解决方案
为了满足汽车与能源储存电池管理应用需求，艾睿电子针对电动汽车与能源储存应用推出了电池管理系统（BMS）参考设计，BMS是监控和调节电池充电和放电的电子控制电路。该参考设计由Infineon功能强大的汽车级Traveo II MCU CYT2B97、AFE TLE9012D和收发器TLE9015D所组成。TLE9012DQU实现了电池电压测量、温度测量、电池均衡和隔离通信四大功能，TLE9015D则作为收发器连接TLE9012DQU和MCU主电池控制器。此外，该解决方案还集成了压力检测、RTC以及系统电压和电流传感功能。
此BMS参考设计具有低成本和优化尺寸、减少软件工作量、缩短上市时间等优点，可均衡和监控多达12个串联电池，具有12通道专用16位delta-sigma ADC电池电压监视器，精度约为5.8mV，采用2Mbit/s iso-UART的7μS快速同步电池电压采样，具备高达200mA的内部电流均衡和5通道温度传感器，可保留压力传感器和外部RTC，支持系统电压和电流感应。
功能完整的电流转换解决方案
在市场上，交流电源要么是三相，要么就是单相。在功率级的三相交流输入方面，艾睿电子与ST合作开发双向AC-DC转换器解决方案，它可用于15kW电池化成或储能应用。该参考设计提供了一套完整采用数字平台的三相AC/DC和DC/AC（800 VDC到400 VAC）功率转换解决方案。它非常适合高功率充电站、工业电池充电器，以及UPS的有源前端（AFE）阶段。SiC MOSFET的高频应用和多电平拓扑结构，可实现近99%的效率，同时优化无源器件尺寸和成本。
这是一款三相三电平双向AC/DC转换器，支持800 VDC的额定标称直流电压，支持400 VAC @ 50 Hz的额定标称交流电压，标称功率可达15 kW。在交流转直流整流模式下，功率因子（PF）控制大于0.99，具有浪涌电流控制及软启动，在直流转交流逆变模式下，可支持有功及无功功率控制，具有集成的并网方案。这款参考设计采用了SiC MOSFET的功率器件，可在高频运行（70 kHz），拥有大于98%的高效率，可减少无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相容于不同的电源转换器，具有4个整合的高性能运算放大器，以及SWIM、UART、I2C、DAC控制和监测接口，支持64针的数字电源连接器、过流过压保护。
在功率级的单相交流输入应用，艾睿电子与ST提供双向AC-DC转换器解决方案，专注在6.6kW电池化成与储能应用。这款6.6kW双向储能系统可支持AC/DC双向电源转换，最大充电功率为6.6kW，支持180-265 VAC交流输入电压，直流输出功率为60-90VDC，最大逆变功率可达6.6kW，逆变额定输入为80VDC，逆变额定输出为220VAC 50Hz，效率大于95%，支持图腾柱PFC 100 kHz、CLLLC 200kHz。该解决方案也可应用于储能太阳能逆变器、叉车充电器、交直流加载设备等。
此外，艾睿电子与ST还推出6.6kW双向CLLC电源转换器，可支持双对称式CLLC DCDC转换器，最大可支持6.6kW双向电源转换，效率将可超过98%，输入电压为550VDC，输出电压为60-90VDC，逆变额定输入为80VDC，逆变额定输出为550VDC，电路板尺寸为450mm x 330mm x 100mm（LxWxH）。以上解决方案基于STM32G474微控制器系列和最新的ST模拟和功率器件。
GaN在电池应用上的设计方案与核心优势
锂化合物电池都有电池保护的要求，电池保护芯片会检测各种电池异常情况，包括过压、欠压、放电过流、短路等。EPC的GaN是基于GaN FET独特的内在特性（漏极和源极之间没有寄生体二极管），实现在一颗晶粒（die）中获得双向电压关断功能。GaN具有一个顶两个的优势，在大电流应用中，系统成本优势明显，其封装小，能有效缩小PCB尺寸，有利于高密度PCB布局，且内阻小，可有效减少系统导通损耗，提高系统整体续航能力。
对比硅MOS方案，在拓扑上硅MOSFET（100V 2.7mΩ）需要采用2个背靠背共漏极，封装为SO8 (6.15 x 5.15mm)，Vds为100V，Vgs_max为+10V，Ron_max为2.7x2=5.4mΩ，Id为194A，须采用16个，而EPC的GaN方案（EPC2302 (100V 1.8mΩ)）只需要采用1个GaN，封装采用QFN 3x5mm，Vds为100V，Vgs_max为+5V，Ron_max为1.8mΩ，Id为408A，仅须采用6个，具有更小的封装、更低的系统成本的优势。
GaN器件目前也正被广泛用于太阳能应用，因为它们在效率、尺寸、重量和长寿命方面具有显著优势。太阳能应用需要保证使用超过20年的寿命，并具有出色的热性能，以及高功率密度，以增加相同外形尺寸的功率或与面板集成。更高功率密度的趋势导致冷却系统非常昂贵，最先进的硅MOSFET解决方案无法再满足所需的功率密度。因此，领先的太阳能公司正在采用GaN。
GaN FET非常小，开关损耗非常低。这允许更高的开关频率来增加功率密度，同时仍然提供比硅MOSFET解决方案更高的效率，以应对热挑战并节省冷却成本，GaN出色的可靠性可支持25年的使用寿命。
EPC的100 V、150 V、170 V和200 V GaN器件非常适用于微型逆变器的初级或独立的MPPT/优化器。EPC 200 V和350 V器件还可用于电池储能系统或串式逆变器的多级拓扑结构。
GaN FET还可用在太阳能电池板优化器，可优化每个太阳能电池板的功率，在微型逆变器应用中，GaN能提供更高的功率密度、更易于冷却或增加功率的出色热性能、出色的可靠性和经过验证的使用寿命。此外，GaN FET还可用于200 V和350 V的多级拓扑储能系统，允许使用具有更小外形尺寸的更小电压器件，降低dV/dt并增加等效输出频率，从而提高效率和密度，简化冷却并限制组件中的应力以延长使用寿命。
GaN的工业应用包括60~150V的储能系统、小于60V的储能系统、电动汽车／混合动力电动汽车、电动自行车、电动工具、无人机、扫地机、智能手机、平板、笔电等。
锂碳电容器具有比传统电池更多优越特性
LCC（Lithium Carbon Capacitor）的中文名称为锂碳电容器，是一种不对称超级电容器，属于超级电容的一种，负极材料和超级电容一样，把正极进行了改造，大大提高了能量密度，是传统超级电容的15-20倍；通过离子吸附结合锂离子的浅嵌入脱出，实现高能量密度，具有高倍率充放电，高安全、长寿命、免维护等特点。由于传统电池的安全性参差不齐，不管是铅酸电池还是锂电池，都存在安全问题，锂电池当短路时还可能会爆炸，而LCC的安全性能很高，直接短路都不会出现爆炸、起火。
传统的电池一般为镍铬／铅酸电池和锂电池，在充电效率方面，LCC的充电倍率是锂电的50倍，铅酸／镍铬的250倍，这意味着充电时间将非常短，LCC属于超级快充，充电仅需1分钟，再也不用等待充电了。LCC的放电倍率也更大，在瞬态时可达50倍，在持续时可达20-30倍，因此可以提供更大的功率输出，工作的温度范围也非常宽，可以-40-65℃的环境下进行充电与放电，LCC的充放电次数可达50,000次，时间可达5年以上，电池寿命非常的长，所以实际应用中可说完全不需要再更换电池，可以终身使用。
近年来，随着社会发展，白天与黑夜的电力需求之间的峰谷差不断加大。目前许多大多数城市每天的昼夜平均电力需求峰谷差超过60%。想要真正达到用电节能减排的目标，应该着力解决白天与黑夜的电力需求之间的巨大峰谷差这一主要矛盾，这正是LCC模组重要的应用领域。
支持高电压与大电流的储能模块系统
风能／重工业应用储能模块系统可作为各种风力发电设施的辅助储能系统，可显著改善微电网的电能质量，提供微电网系统无功支持，输出功率大，支持高电压（≧500V）、大电流（~1000A）工作情况，具备超长使用寿命及免维护的特性，并可依不同电压或容量需求进行积木式组合使用。
万裕科技推出的（ANGA POW?）模块具有超低内阻、超高功率（≧200KW），支持超过500,000次充放电，集成了超级电容器管理系统（CMS），支持单体间电压均衡、过电压和温度监控信号输出、RS或CAN输出接口，模块结构坚固和紧凑、全密封及防溅。
ANGA POW?模块支持的额定电压为129V，额定容量为62F，浪涌电压为134.4V，漏电流≦10mA，直流内阻≦20mΩ，最大充／放电电流为640A，标准充／放电电流为32A，可在-40°C~+60°C的工作／储存温度范围下工作，尺寸为644*465*285mm，支持IP41防护等级，重量约为51kgs，是各种风能／重工业应用的理想辅助储能系统。
结语
随着电动汽车与储能系统市场的快速发展，电池的应用需求也在日益提高，如何提升电池的运作效率与安全性，便成为电池应用的重大课题。本文介绍了各种电池应用所需的各种解决方案，将可让您进一步了解电池应用在充放电、管理上所需的各种器件与模块，便于在产品设计上的参考，若有进一步的需求，请与艾睿电子联络，以获得更多的信息。
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