【導讀】電氣化在眾多行業持續普及，不僅提升了生產力，還帶來了環境優勢，而電池生產是這一趨勢的核心技術推動力。受電動汽車（EV）和可再生能源儲能係統的推動，電池行業已成為全球增長最快的行業之一。

整個電池生命周期受限於當前電力轉換技術的局限性
，但固定比率轉換器技術或可改變這一現狀

固定比率轉換器技術

在高壓電池係統中
，DC-DC 電源轉換是供電架構的一個基本方麵。

DC-DC 轉換通常通過開關模式電源轉換器（如降壓或升壓拓撲）或低壓差穩壓器（LDO）實現。這些電源轉換器可能有效，但它們的輸出剛性和較低的轉換效率限製了供電網絡（PDN）的靈活性和性能。目前
，電池係統的高電壓凸顯了這一不足。

為了克服這些缺點，Vicor 開發了固定比率轉換器
，在小巧的封裝中實現了高效的隔離轉換
，適用於從高壓到低壓（通常稱為安全特低電壓）的負載轉換。類似於 AC-AC 解決方案中的變壓器，固定比率轉換器用於執行 DC-DC 轉換
，其輸出電壓為輸入電壓的固定分數（見圖 1）。

dianchishengmingzhouqidediyigejieduanshidianchihuacheng。zaigaijieduan

，xinshengchandedianchibixujinglihuachengxunhuanguocheng，jishouciduidianchidianxinjinxingchongdianhefangdiancaozuo。zaiciguochengzhong
，dianchijinxingduocixunhuan，zhujianxingchenggutidianjiezhijiemian（SEI）層。該過程的速度取決於電池電芯的化學性質，因此電池化成的用時大多是固定的。

電池化成循環需要一個能夠支持重複充放電循環的底層供電網絡（PDN）。

在這種情況下
，普通 PDN 從電網獲取三相交流輸入
，將其整流為高壓直流電
，然後通過多級 DC-DC 轉換達到為電池電芯充電所需的標稱電壓（例如 4.2V）（見圖 3）。為電池充電所需的最終電壓因電池而異，具體取決於電池電芯的化學性質，但在將交流電轉換為較低直流母線電壓（例如 12V）時，使用幾個中間電壓降是全行業的標準做法。

fenlishizujianjiejuefangandeshejifeichangkunnan
，xuyaoqiyejubeiquanmiandeneibudianyuanjishuzhuanchang
，erqiewuliaoxuqiuda。zhebujinhuizengjiachengben

，dailaigongyingliantiaozhan，haihuiyanhuanchanpinshangshishijian。fenlishijiejuefanganhuixianzhilinghuoxing

，yinweitamenzhinengtigongyudingyideshuchudianya。youyudianchidehuaxuexingzhibutongerxuyaobutongdedianyashi，ruguoshejirenyuannenggouchuangjianyizhongkeyigenjudianchidejutihuaxuexingzhijinxingxiugaidelinghuojiejuefangan，zegengjiajingjigaoxiao。shiyongfenlishijiejuefanganshi，dianchihuachengxitongquefalinghuoxing，wufadongtaixiugaiyijianrongduozhongdianchileixing。

在恒流轉換階段
，設計人員可以利用固定比率轉換器，輕鬆地將較高的直流電壓降至更安全、更(geng)低(di)的(de)電(dian)壓(ya)，而(er)無(wu)需(xu)分(fen)立(li)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)或(huo)單(dan)模(mo)塊(kuai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。通(tong)過(guo)並(bing)聯(lian)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，他(ta)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)創(chuang)建(jian)易(yi)於(yu)擴(kuo)展(zhan)的(de)模(mo)塊(kuai)化(hua)供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)。

這樣

，設計人員就可以設計出同時循環多個電池的係統
，從而實現更高的吞吐量、功率密度和效率。此外，這種架構還允許設計人員輕鬆更改 PDN，根據電池的獨特標稱電壓完成所需的 DC-DC 轉換。無需分立式組件，解決方案更加靈活，就可以加快產品上市速度並降低故障率。

在zai節jie能neng方fang麵mian
，固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi固gu有you的de雙shuang向xiang轉zhuan換huan功gong能neng在zai電dian池chi化hua成cheng過guo程cheng中zhong尤you為wei有you效xiao。使shi用yong固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi
，電dian池chi製zhi造zao商shang就jiu可ke以yi在zai充chong電dian和he放fang電dian循xun環huan之zhi間jian自zi如ru切qie換huan，因yin為wei他ta們men知zhi道dao固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi將jiang在zai放fang電dian時shi自zi動dong升sheng壓ya到dao預yu定ding義yi的de較jiao高gao電dian壓ya，在zai充chong電dian時shi進jin行xing降jiang壓ya。這zhe一yi獨du特te功gong能neng可ke提ti高gao化hua成cheng過guo程cheng的de能neng效xiao，在zai化hua成cheng循xun環huan期qi間jian重zhong複fu利li用yong能neng源yuan。

此外
，固定比率轉換器的效率高達 97.9%，雙向轉換過程中的功率損耗微乎其微。如果沒有固定比率轉換器
，將需要多個組件（一個用於降壓
，一個用於升壓）才能實現這種雙向轉換功能。這樣就會因為效率低下而消耗更多功率並增加組件數量。

電池生命周期的第二個階段是電池測試。在此階段
，製造商將電池電芯組合成更大的電池組。電池電芯的充放電受限於一些時間要求（取決於化學性質），而電池組的生產則不受這些限製，但仍麵臨同樣的吞吐量挑戰。

例(li)如(ru)，每(mei)個(ge)電(dian)芯(xin)都(dou)必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)適(shi)當(dang)的(de)測(ce)試(shi)並(bing)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)的(de)測(ce)量(liang)，以(yi)確(que)保(bao)多(duo)個(ge)電(dian)芯(xin)能(neng)夠(gou)組(zu)成(cheng)更(geng)大(da)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)。然(ran)後(hou)，更(geng)大(da)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)也(ye)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)測(ce)試(shi)。這(zhe)不(bu)是(shi)一(yi)個(ge)增(zeng)值(zhi)步(bu)驟(zhou)，因(yin)此(ci)製(zhi)造(zao)商(shang)完(wan)成(cheng)這(zhe)一(yi)步(bu)驟(zhou)的(de)速(su)度(du)越(yue)快(kuai)，電(dian)池(chi)組(zu)的(de)整(zheng)體(ti)成(cheng)本(ben)就(jiu)越(yue)低(di)。

為wei了le適shi應ying各ge種zhong電dian池chi電dian壓ya和he功gong率lv水shui平ping，供gong電dian網wang絡luo必bi須xu靈ling活huo而er且qie可ke擴kuo展zhan。同tong時shi，為wei了le在zai相xiang同tong的de物wu理li空kong間jian內nei以yi更geng短duan的de時shi間jian測ce試shi更geng多duo電dian池chi，需xu要yao供gong電dian網wang絡luo提ti供gong高gao吞tun吐tu量liang。因yin此ci，電dian池chi組zu測ce試shi設she備bei需xu要yao模mo塊kuai化hua且qie可ke擴kuo展zhan的de供gong電dian網wang絡luo，以yi滿man足zu具ju體ti的de測ce試shi要yao求qiu和he測ce試shi量liang。與yu電dian池chi化hua成cheng階jie段duan一yi樣yang，電dian池chi測ce試shi設she備bei的de標biao準zhun供gong電dian網wang絡luo也ye需xu要yao將jiang三san相xiang交jiao流liu電dian轉zhuan換huan為wei電dian芯xin的de標biao稱cheng電dian壓ya（見圖 4）。

在zai供gong電dian網wang絡luo的de恒heng流liu轉zhuan換huan階jie段duan使shi用yong固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi
，電dian池chi測ce試shi設she計ji人ren員yuan就jiu不bu再zai需xu要yao費fei力li地di設she計ji中zhong間jian轉zhuan換huan階jie段duan。相xiang反fan，他ta們men可ke以yi放fang心xin地di利li用yong固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi來lai管guan理li恒heng流liu轉zhuan換huan。這zhe樣yang
，他ta們men就jiu可ke以yi專zhuan注zhu於yu轉zhuan換huan過guo程cheng的de最zui後hou階jie段duan，即ji將jiang電dian壓ya與yu電dian芯xin的de標biao稱cheng電dian壓ya相xiang匹pi配pei以yi進jin行xing測ce試shi。這zhe種zhong簡jian化hua的de架jia構gou使shi設she計ji人ren員yuan能neng夠gou創chuang建jian靈ling活huo的de模mo塊kuai化hua係xi統tong，並bing根gen據ju不bu同tong的de測ce試shi要yao求qiu輕qing鬆song進jin行xing修xiu改gai。

固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)勢(shi)是(shi)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)。憑(ping)借(jie)極(ji)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)效(xiao)率(lv)和(he)小(xiao)巧(qiao)的(de)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)

，固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)可(ke)以(yi)在(zai)行(xing)業(ye)領(ling)先(xian)的(de)小(xiao)巧(qiao)設(she)計(ji)中(zhong)支(zhi)持(chi)數(shu)千(qian)瓦(wa)的(de)功(gong)率(lv)和(he)數(shu)百(bai)伏(fu)的(de)電(dian)壓(ya)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)構(gou)建(jian)吞(tun)吐(tu)量(liang)更(geng)高(gao)的(de)測(ce)試(shi)儀(yi)

，在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)空(kong)間(jian)內(nei)安(an)裝(zhuang)更(geng)多(duo)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)，從(cong)而(er)為(wei)同(tong)步(bu)測(ce)試(shi)更(geng)多(duo)電(dian)芯(xin)創(chuang)造(zao)機(ji)會(hui)。

當電池最終出廠並投入實際應用時，供電網絡的挑戰並未結束。

在許多新興的電池供電應用中，如係留機器人或水下機器人（ROV）、太陽能和風能等可再生能源儲能係統以及電動汽車，對極高電壓供電的需求不斷增長（見圖 5）。例如
，為了增加功率，提高效率
，電動汽車的供電架構正從 400V 過渡到 800V。

在相同的功率下，電壓越高
，供電電流就越小。因此，高壓供電的一個優勢是效率更高，因為更小的電流可以減少 I2R 損耗。這使得應用更加高效
，同時也減少了熱管理開銷。

此ci外wai
，高gao壓ya供gong電dian可ke以yi減jian小xiao車che輛liang線xian束shu的de線xian規gui。由you於yu供gong電dian電dian流liu更geng小xiao，設she計ji人ren員yuan可ke以yi使shi用yong線xian徑jing更geng小xiao的de電dian纜lan，從cong而er減jian輕qing係xi統tong重zhong量liang，降jiang低di材cai料liao需xu求qiu和he成cheng本ben。

顯xian然ran，要yao使shi這zhe種zhong高gao壓ya係xi統tong成cheng功gong運yun行xing
，需xu要yao將jiang這zhe些xie用yong於yu供gong電dian的de高gao壓ya轉zhuan換huan為wei負fu載zai點dian上shang使shi用yong的de低di壓ya。在zai電dian池chi生sheng命ming周zhou期qi的de這zhe個ge階jie段duan，固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi通tong過guo提ti供gong一yi種zhong簡jian單dan而er高gao效xiao的de直zhi流liu電dian源yuan轉zhuan換huan手shou段duan來lai提ti高gao價jia值zhi。

以係留機器人為例
，利用 K 因數為 1/16 的固定比率轉換器，設計人員能以 97.9% 的效率

，將電壓從用於供電的高壓（例如 800VDC）降至較低的電壓，例如 48VDC。在 48VDC 的基礎上，設計人員可以使用效率為 90% 的常規降壓轉換器
，獲得微控製器單元（MCU）最終所需的 3.3V 電壓。如果沒有固定比率轉換器
，從 800V 到 3.3V 的整個轉換過程將以 90% 的效率進行
，產生的損耗將顯著高於固定比率轉換器架構。

電池生命周期的最後一個階段是回收。

電(dian)池(chi)回(hui)收(shou)是(shi)一(yi)個(ge)高(gao)功(gong)率(lv)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)過(guo)程(cheng)，通(tong)過(guo)化(hua)學(xue)手(shou)段(duan)將(jiang)電(dian)池(chi)中(zhong)的(de)原(yuan)材(cai)料(liao)和(he)元(yuan)素(su)分(fen)離(li)出(chu)來(lai)，以(yi)便(bian)將(jiang)來(lai)進(jin)行(xing)回(hui)收(shou)和(he)再(zai)利(li)用(yong)。與(yu)電(dian)池(chi)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)的(de)其(qi)他(ta)工(gong)業(ye)階(jie)段(duan)一(yi)樣(yang)

，供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)需(xu)要(yao)將(jiang)三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)高(gao)功(gong)率(lv)直(zhi)流(liu)電(dian)，最(zui)終(zhong)降(jiang)至(zhi)較(jiao)低(di)電(dian)壓(ya)，為(wei)回(hui)收(shou)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)（見圖 6）。

從(cong)供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，電(dian)池(chi)回(hui)收(shou)過(guo)程(cheng)會(hui)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)熱(re)量(liang)。因(yin)此(ci)，供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)的(de)組(zu)件(jian)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)。同(tong)樣(yang)，在(zai)供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)設(she)計(ji)中(zhong)

，功(gong)率(lv)密(mi)度(du)也(ye)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)，需(xu)要(yao)小(xiao)巧(qiao)的(de)外(wai)形(xing)設(she)計(ji)和(he)高(gao)效(xiao)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)。

固定比率轉換器提供了一種功率密度極高的 DC-DC 轉換解決方案，能夠在很小的外形設計中支持數千瓦的功率和數百伏的電壓。

在電池生命周期的每個階段，對高效
、高功率密度且可擴展的高壓供電網絡的需求都在不斷增長。整個電池生命周期的成功取決於每個階段的成功。無論是電池化成
、測試
、實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)還(hai)是(shi)回(hui)收(shou)
，整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)都(dou)可(ke)以(yi)受(shou)益(yi)於(yu)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相(xiang)比(bi)
，固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)有(you)著(zhe)前(qian)所(suo)未(wei)有(you)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)小(xiao)巧(qiao)的(de)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)，同(tong)時(shi)還(hai)具(ju)有(you)雙(shuang)向(xiang)轉(zhuan)換(huan)等(deng)獨(du)特(te)功(gong)能(neng)。

文章來源：Vicor

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片
、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

什麼是電抗？電路中電流流動的阻礙

如何打造“不一樣”的電源管理器件？

電化學感知技術的新時代

超高功率密度SiC模塊，助力電動車主逆變器小型化

聊聊低通濾波器這個迷人的研究點