【技术干货】全方面的电池应用解决方案

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。

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。

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 V_DC到400 V_AC）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 V_DC的额定标称直流电压，支持400 V_AC @ 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 V_AC交流输入电压，直流输出功率为60-90V_DC，最大逆变功率可达6.6kW，逆变额定输入为80V_DC，逆变额定输出为220V_AC 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550V_DC，输出电压为60-90V_DC，逆变额定输入为80V_DC，逆变额定输出为550V_DC，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。

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。

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。

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。