【技術干貨】全方面的電池應用解決方案

隨著市場對電池的需求日益增加，電池制造商發現自己面臨著在整個生產過程中提高效率，并滿足所需體積的挑戰。每個電池在制造過程中需要經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行充電和放電，目的是激活電池材料?；裳h對電池壽命、質量和成本有很大影響，但成本高、耗時長，是目前生產過程中的瓶頸。

英飛凌憑借其全面的成本和效率優化產品組合，提供全系列電源系統解決方案，充分滿足高精度、高效率和功率密度的應用需求。英飛凌的解決方案在充電和放電循環期間可提供高電壓和電流精度（高達0.01%），具有高功率密度、高效率，可在運行期間提供最佳的熱管理，并可以達到24/7的運行周期，系統可靠性高。

英飛凌在電池化成應用的主要產品包括OptiMOS?和StrongIRFET?低壓功率MOSFET，以及CoolMOS?高壓功率MOSFET，還有EiceDRIVER?柵極驅動器芯片、TRENCHSTOP?分立式IGBT與XMC?微控制器。這些產品是具有高效、創新且具有成本吸引力的解決方案，可節省整體BOM，高功率密度半導體可縮小尺寸，并具有完整的生態系統可加快上市時間，包括仿真、文件、演示板，英飛凌的質量提高了產品使用壽命和可靠性，并提供一站式服務組合。

為了滿足汽車與能源儲存電池管理應用需求，艾睿電子針對電動汽車與能源儲存應用推出了電池管理系統（BMS）參考設計，BMS是監控和調節電池充電和放電的電子控制電路。該參考設計由Infineon功能強大的汽車級Traveo II MCU CYT2B97、AFE TLE9012D和收發器TLE9015D所組成。TLE9012DQU實現了電池電壓測量、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以及系統電壓和電流傳感功能。

此BMS參考設計具有低成本和優化尺寸、減少軟件工作量、縮短上市時間等優點，可均衡和監控多達12個串聯電池，具有12通道專用16位delta-sigma ADC電池電壓監視器，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200mA的內部電流均衡和5通道溫度傳感器，可保留壓力傳感器和外部RTC，支持系統電壓和電流感應。

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合作開發雙向AC-DC轉換器解決方案，它可用于15kW電池化成或儲能應用。該參考設計提供了一套完整采用數字平臺的三相AC/DC和DC/AC（800 V_DC到400 V_AC）功率轉換解決方案。它非常適合高功率充電站、工業電池充電器，以及UPS的有源前端（AFE）階段。SiC MOSFET的高頻應用和多電平拓撲結構，可實現近99%的效率，同時優化無源器件尺寸和成本。

這是一款三相三電平雙向AC/DC轉換器，支持800 V_DC的額定標稱直流電壓，支持400 V_AC @ 50 Hz的額定標稱交流電壓，標稱功率可達15 kW。在交流轉直流整流模式下，功率因子（PF）控制大于0.99，具有浪涌電流控制及軟啟動，在直流轉交流逆變模式下，可支持有功及無功功率控制，具有集成的并網方案。這款參考設計采用了SiC MOSFET的功率器件，可在高頻運行（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換器，具有4個整合的高性能運算放大器，以及SWIM、UART、I2C、DAC控制和監測接口，支持64針的數字電源連接器、過流過壓保護。

在功率級的單相交流輸入應用，艾睿電子與ST提供雙向AC-DC轉換器解決方案，專注在6.6kW電池化成與儲能應用。這款6.6kW雙向儲能系統可支持AC/DC雙向電源轉換，最大充電功率為6.6kW，支持180-265 V_AC交流輸入電壓，直流輸出功率為60-90V_DC，最大逆變功率可達6.6kW，逆變額定輸入為80V_DC，逆變額定輸出為220V_AC 50Hz，效率大于95%，支持圖騰柱PFC 100 kHz、CLLLC 200kHz。該解決方案也可應用于儲能太陽能逆變器、叉車充電器、交直流加載設備等。

此外，艾睿電子與ST還推出6.6kW雙向CLLC電源轉換器，可支持雙對稱式CLLC DCDC轉換器，最大可支持6.6kW雙向電源轉換，效率將可超過98%，輸入電壓為550V_DC，輸出電壓為60-90V_DC，逆變額定輸入為80V_DC，逆變額定輸出為550V_DC，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。

鋰化合物電池都有電池保護的要求，電池保護芯片會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獨特的內在特性（漏極和源極之間沒有寄生體二極管），實現在一顆晶粒（die）中獲得雙向電壓關斷功能。GaN具有一個頂兩個的優勢，在大電流應用中，系統成本優勢明顯，其封裝小，能有效縮小PCB尺寸，有利于高密度PCB布局，且內阻小，可有效減少系統導通損耗，提高系統整體續航能力。

對比硅MOS方案，在拓撲上硅MOSFET（100V 2.7mΩ）需要采用2個背靠背共漏極，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，而EPC的GaN方案（EPC2302 (100V 1.8mΩ)）只需要采用1個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，具有更小的封裝、更低的系統成本的優勢。

GaN器件目前也正被廣泛用于太陽能應用，因為它們在效率、尺寸、重量和長壽命方面具有顯著優勢。太陽能應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致冷卻系統非常昂貴，最先進的硅MOSFET解決方案無法再滿足所需的功率密度。因此，領先的太陽能公司正在采用GaN。

GaN FET非常小，開關損耗非常低。這允許更高的開關頻率來增加功率密度，同時仍然提供比硅MOSFET解決方案更高的效率，以應對熱挑戰并節省冷卻成本，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立的MPPT/優化器。EPC 200 V和350 V器件還可用于電池儲能系統或串式逆變器的多級拓撲結構。

GaN FET還可用在太陽能電池板優化器，可優化每個太陽能電池板的功率，在微型逆變器應用中，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、出色的可靠性和經過驗證的使用壽命。此外，GaN FET還可用于200 V和350 V的多級拓撲儲能系統，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力以延長使用壽命。

風能／重工業應用儲能模塊系統可作為各種風力發電設施的輔助儲能系統，可顯著改善微電網的電能質量，提供微電網系統無功支持，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的特性，并可依不同電壓或容量需求進行積木式組合使用。

萬?？萍纪瞥龅模ˋNGA POW^?）模塊具有超低內阻、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（CMS），支持單體間電壓均衡、過電壓和溫度監控信號輸出、RS或CAN輸出接口，模塊結構堅固和緊湊、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，直流內阻≦20mΩ，最大充／放電電流為640A，標準充／放電電流為32A，可在-40°C~+60°C的工作／儲存溫度范圍下工作，尺寸為644*465*285mm，支持IP41防護等級，重量約為51kgs，是各種風能／重工業應用的理想輔助儲能系統。

隨著電動汽車與儲能系統市場的快速發展，電池的應用需求也在日益提高，如何提升電池的運作效率與安全性，便成為電池應用的重大課題。本文介紹了各種電池應用所需的各種解決方案，將可讓您進一步了解電池應用在充放電、管理上所需的各種器件與模塊，便于在產品設計上的參考，若有進一步的需求，請與艾睿電子聯絡，以獲得更多的信息。