簡(jiǎn)介
延長(zhǎng)電池的使用壽命,意味著儲(chǔ)能系統(tǒng)性能更強(qiáng)、運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)、成本更低。通常有三種方法可以延長(zhǎng)電池壽命:改進(jìn)電池技術(shù),設(shè)計(jì)更優(yōu)良的器件,以及提供創(chuàng)新的能源管理系統(tǒng)。改進(jìn)電池技術(shù)包括:為特定應(yīng)用選擇合適的電池,以及設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硐到y(tǒng)來(lái)控制充電、調(diào)節(jié)溫度并充分降低功耗。設(shè)計(jì)更優(yōu)良的器件需要考慮高效的硬件元件和穩(wěn)健的固件,這兩者對(duì)于更好地兼顧功能和壽命指標(biāo)都是必不可少的。為了以智能方式實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化,可以利用最新的電源管理系統(tǒng),這些系統(tǒng)采用基于AI的算法、新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高效的轉(zhuǎn)換器控制方法,例如PassThru模式和省電模式。
了解超級(jí)電容
將超級(jí)電容等儲(chǔ)能器件與電池一起使用,可以使多種不同的應(yīng)用場(chǎng)景受益3。超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)包括:支持短時(shí)突發(fā)功率的快速充電和放電,更長(zhǎng)的使用壽命,以及更高的整體系統(tǒng)效率。例如,超級(jí)電容非常適合快速儲(chǔ)存能量和提供備用電源。超級(jí)電容可以承受極端溫度環(huán)境條件。與電池配合使用時(shí)(例如在電動(dòng)汽車(chē)中),超級(jí)電容有助于提高性能并延長(zhǎng)電池壽命。此外,超級(jí)電容對(duì)環(huán)境更友好4。
圖1.24 V超級(jí)電容和鋰聚合物電池在0.5 A負(fù)載下的典型放電特性比較。
圖1顯示了超級(jí)電容與電池的不同之處。在相同額定電壓下,6芯0.1Ah鋰聚合物電池表現(xiàn)出電壓源的特性,在整個(gè)運(yùn)行期間能提供更穩(wěn)定的電壓。相比之下,當(dāng)電流從2F超級(jí)電容流向負(fù)載時(shí),電壓線性下降。超級(jí)電容的這種線性放電特性需要更高效的系統(tǒng)來(lái)轉(zhuǎn)換其能量。在這種場(chǎng)景下更適合使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器功能,因?yàn)闊o(wú)論輸入電壓是低于還是高于設(shè)定好的輸出電壓,該轉(zhuǎn)換器都能適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)并維持輸出電壓穩(wěn)定。
什么是PassThru模式?
PassThru技術(shù)是寬輸入供電器件的基本特性。與采用傳統(tǒng)控制方式(標(biāo)準(zhǔn)降壓-升壓控制器)的系統(tǒng)相比,它可以提高效率并延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。直通(Passthrough)是指在預(yù)定義的電壓窗口,輸入直接傳遞到輸出,好像發(fā)生了短路一樣。PassThru技術(shù)充當(dāng)電源(例如超級(jí)電容)與負(fù)載之間的網(wǎng)絡(luò),確保電壓在指定的可接受范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。它提供從電源到負(fù)載的直通路徑,以確保器件盡可能高效地運(yùn)行。PassThru模式是確保超級(jí)電容供電的器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化效率的重要手段,因?yàn)樗軠p少超級(jí)電容的加載/卸載循環(huán),并改善器件的EMI和整體性能。
PassThru模式如何延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命
四開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的直通模式根據(jù)指定的窗口設(shè)置,提供從電源到輸出負(fù)載的直通路徑,如圖2所示。輸入直接傳遞到輸出。這樣可消除開(kāi)關(guān)損耗,從而提高指定PassThru窗口的效率,并且它還提高了電磁兼容性,因?yàn)樵赑assThru模式下不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的直通模式可提供靈活性,因?yàn)樗试S設(shè)置與升壓輸出電壓不同的降壓輸出電壓。這與只提供一個(gè)標(biāo)稱輸出電壓的典型降壓-升壓IC相反。當(dāng)輸入電壓表現(xiàn)異常時(shí),此特性還能保護(hù)負(fù)載,具體說(shuō)明參見(jiàn)文章“為汽車(chē)電子系統(tǒng)提供保護(hù)和供電,無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲,效率高達(dá)99.9%”1。PassThru技術(shù)是LT8210的一種工作模式,該器件是市場(chǎng)上唯一具有此功能的降壓-升壓控制器IC。有關(guān)PassThru模式功能的更多詳細(xì)信息,參見(jiàn)文章“具有PassThru功能的四開(kāi)關(guān)降壓-升壓控制器可消除開(kāi)關(guān)噪聲”。
圖2.具有PassThru模式的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路圖。
欲了解LT8210的PassThru工作模式,可以參閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)或演示板的效率曲線。圖3顯示了DC2814A-A演示板在4 V至24 V輸入電壓和10%至80%負(fù)載下的效率曲線。該演示板采用LT8210,輸入電壓范圍為4 V至40 V,滿載電流為3 A,輸出電壓為8 V至16 V。相對(duì)于降壓-升壓操作,在PassThru模式下工作會(huì)使較高負(fù)載下的效率提升多達(dá)5%,較輕負(fù)載(例如10%電流負(fù)載)下的效率提升多達(dá)17%。因此,在輕負(fù)載運(yùn)行條件下,PassThru模式實(shí)現(xiàn)了顯著的性能改進(jìn)。
值得注意的是,雖然LT8210的直通模式允許設(shè)置與降壓輸出電壓不同的升壓輸出電壓,但當(dāng)輸入電壓在輸出電壓設(shè)置值附近時(shí),仍會(huì)出現(xiàn)降壓-升壓區(qū)域。LT8210中出現(xiàn)該降壓-升壓區(qū)域的原因在于,相對(duì)于一個(gè)電感電流調(diào)節(jié)的降壓和升壓控制區(qū)域存在交集。
圖3.DC2814A-A效率曲線。
為了解PassThru模式的應(yīng)用效果,我們來(lái)看圖4中的系統(tǒng)。四開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用作負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的前置穩(wěn)壓器,負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器也用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。雖然電源是24 V超級(jí)電容,但直流電機(jī)需要9 V輸入電壓和0.3 A輸入電流。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將采用PassThru模式,或采用傳統(tǒng)四開(kāi)關(guān)降壓-升壓控制器在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下運(yùn)行。請(qǐng)注意,傳統(tǒng)降壓-升壓控制沒(méi)有PassThru模式。它只有降壓、升壓和降壓-升壓操作,如圖3所示。
使用PassThru模式的系統(tǒng)將其升壓輸出電壓設(shè)置為12 V,降壓輸出電壓設(shè)置為27 V。這樣,超級(jí)電容的啟動(dòng)電壓就可以在通帶限值以內(nèi)5。因此,從24 V到12 V超級(jí)電容電壓,系統(tǒng)將經(jīng)歷PassThru模式。在此期間,效率達(dá)到99.9%。請(qǐng)注意,轉(zhuǎn)換器將經(jīng)歷降壓-升壓模式,導(dǎo)致效率驟降,然后進(jìn)入升壓模式。另一方面,在傳統(tǒng)降壓-升壓控制方式下運(yùn)行的系統(tǒng)則設(shè)置為以16 V的恒定輸出電壓運(yùn)行。這樣做是為了將輸出電壓設(shè)置在通帶限值設(shè)置的中點(diǎn)附近。
圖4.超級(jí)電容供電的電機(jī)框圖。
圖5.支持PassThru模式的系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCM模式下運(yùn)行的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較。
圖5顯示了兩個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較,電壓從4 V到24 V,功率為2.7 W。與傳統(tǒng)控制方式的系統(tǒng)相比,PassThru模式使效率提升了22%至27%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩個(gè)系統(tǒng)的差異,利用ITECH IT6010C-80-300的電池仿真器功能對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。使用以下設(shè)置來(lái)仿真超級(jí)電容響應(yīng),運(yùn)行時(shí)間至少120秒:起始電壓為24 V,結(jié)束電壓為0 V,電荷為0.005 Ah,內(nèi)阻為0.01 mΩ。圖6顯示了兩個(gè)系統(tǒng)的波形。通道1指示電池仿真器電壓,通道2指示電機(jī)電壓,通道3指示電機(jī)電流。PassThru模式控制的系統(tǒng)運(yùn)行了224秒,而傳統(tǒng)控制方式的系統(tǒng)僅運(yùn)行了150秒。因此,我們觀察到采用PassThru模式的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加了49%。
圖6.超級(jí)電容供電電機(jī)的總運(yùn)行時(shí)間。
以下是使PassThru模式控制的系統(tǒng)效率更高的一些原因:
?PassThru模式消除了降壓操作;
?電池電壓在文章“兩級(jí)多輸出汽車(chē)LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)”5所推薦的通帶以內(nèi);以及
?它設(shè)計(jì)為在輕負(fù)載下運(yùn)行,側(cè)重于降低開(kāi)關(guān)損耗。
結(jié)論
PassThru技術(shù)是超級(jí)電容供電的器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能的重要手段。與傳統(tǒng)(CCM模式下降壓-升壓)控制方式的系統(tǒng)相比,采用具有PassThru模式的LT8210同步降壓-升壓控制器可以大大優(yōu)化超級(jí)電容供電器件的效率。在本文的示例中,PassThru模式使效率提高了27%,并增加了整個(gè)系統(tǒng)的總運(yùn)行時(shí)間,從而將儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)了49%。
原標(biāo)題:為什么使用PassThru技術(shù)有助于延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命