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單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：吳偉斌 一、引言 據市場研究機構預測，全球電池化成分容產線市場規模在未來幾年將繼續保持增長態勢。其中，亞洲市場增長速度最快，尤其是中國市場。中國政府對于新能源汽車和儲能領域的支持力度不斷加大，推動了電池化成分容產線的市場需求不斷增長。 
圖1 中國新能源汽車近三年銷量 根據中汽協數據顯示，2022年全國新能源汽車產銷達到705.8萬/688.7萬輛，同比增長96.9%/93.4%，市場占有率達到25.6%。2022年國內汽車行業受到了較大的考驗，不過好在下半年國家出臺了購置稅減半優惠以及“新十條”出臺疫情管控放開，整體車市有所回暖，其中比亞迪更是以186.8萬輛的銷量佳績領先一眾車企。中汽協預計2023年我國新能源汽車銷量將達到900萬輛，同比增長35%。
圖2 中國近5年新型儲能市場裝機量及預測 根據CNESA 預測，我國未來5 年的新型儲能市場將獲得高速發展，復合增速將維持在50%以上，預計到2026年樂觀狀態下儲能市場的累計裝機將達到79.5GW，帶動儲能電池材料獲得高速發展。 DC/DC變換器是將直流電源從一個電壓級別轉換到另一個電壓級別。這種轉換在許多領域都是必要的，在電池化成分容中也占據著重要地位。 二、發展歷程 DC/DC轉換器的發展經歷了多個階段，主要包括線性穩壓器、開關穩壓器和多級變換器等。 線性穩壓器在早期被廣泛使用，但效率較低，因為它將輸入電壓降低到所需電壓時，會將多余的能量以熱量的形式消耗掉。為了提高效率，開關穩壓器開始被引入。開關穩壓器通過控制功率開關器件的開關，將輸入電壓轉換為高頻脈沖信號，然后通過濾波器進行平滑，輸出所需電壓。開關穩壓器的效率可以達到90%以上，提高了能量利用率。 為了滿足不同的電壓要求，多級變換器逐漸興起。多級變換器包括升壓變換器、降壓變換器和升降壓變換器。升壓變換器可以將低電壓提升到高電壓，適用于一些特定的應用，如太陽能系統、電動車等。降壓變換器可以將高電壓降低到低電壓，適用于大多數電子設備。而升降壓變換器則可以實現電壓的雙向轉換，適用于需要電源切換的場景。 隨著微處理器的高速化發展，DC/DC轉換器從低功率向中功率發展是必然趨勢。因此，DC/DC轉換器從251W到750W的增長速度也比較快，主要用于Service醫療和實驗室設備、工業控制設備、遠程通信設備、多路通信和傳輸設備等。 三、基礎原理解析 DC/DC變換器有多種類型，包括升壓型（Boost）、降壓型（BUCK）和升降壓型（Buck-Boost）。選擇哪種類型的轉換器取決于所需的輸出電壓和電流，以及輸入電壓的范圍。 Boost電路： 通過控制開關管的通斷時間來調節輸出電壓的大小。當開關管導通時，輸入電壓加在電感上，電流通過電感逐漸增加，同時電感儲存能量； 當開關管截止時，電感通過負載放電，放電電流逐漸減小，電感釋放之前儲存的能量。由于電感的磁通量在開關管導通和截止期間保持不變，因此輸出電壓的幅度高于輸入電壓； 輸出電壓可以通過改變開關管的通斷時間來調節。當開關管導通時間越長，電感儲存的能量越多，輸出電壓越高。相反，當開關管導通時間越短，輸出電壓越低。
圖3 boost電路拓撲圖 BUCK電路： 當開關管導通時，電流從輸入電源流過開關管和儲能元件，儲能元件開始儲存能量。此時，輸出整流器上的電壓為零，因此沒有電流流過負載。 當開關管截止時，儲能元件通過輸出整流器和負載釋放能量。由于開關管的截止，輸入電源不再為儲能元件提供能量，因此輸出電壓的幅度將低于輸入電壓。 通過控制開關管的通斷時間（占空比），可以調節輸出電壓的大小。在開關管截止期間，電感器的電流和電容器的電荷量必須連續，因此在開關管通斷的過渡期間，會出現短暫的電壓過沖或電流過沖。這些過沖可以通過適當的緩沖電路進行抑制。
圖4 buck電路拓撲圖 Buck-Boost DC-DC變換器： 通過采用一個LC并聯諧振電路，把負載端的電感和電容串聯起來，以達到雙向功率轉換的目的。當輸出端電壓高于輸入端電壓時，變換器工作在降壓模式（buck mode）下，輸出電壓低于輸入電壓時，變換器工作在升壓模式（boost mode）下，同時，將轉化出的過剩能量通過電容器和電感儲存，以備后續使用。 四、化成產線電源架構 1、并聯型化成分容電源架構
圖5 并聯型化成分容電源架構 采用“一對一”方式進行化成，通過AC/DC-DC/DC-Buck變換，轉換為單體電池電壓化成。并聯架構經過多年的發展，已經非常成熟，由于是一個單體一個回路，所以整體安全性能高，受客戶認可度高，但是由于其多回路特性，導致搭建成本較高，產品的一致性也會受到影響。 2、串聯型化成分容電源構架
圖6 串聯型化成分容電源架構 串聯型采用“一對多”方式進行化成，由于串聯的電流大小相等，因此電芯化成一致性好，還可以節省20%~30%的生產成本，同時運維效率也能大大提高；然而，由于串聯技術需要眾多電芯串聯在一起進行測試，對前道制造的電芯的一致性要求更高；同時，若串聯中的某個電芯出現短路，可能會影響全盤電芯效果。 兩級式轉換拓撲是化成中運用較廣的變換技術，它采用兩級結構來實現高效的電能轉換是由兩個獨立的DC-DC轉換器組成，第一級轉換器將輸入電壓轉換為中間電壓，第二級轉換器則將中間電壓轉換為最終的輸出電壓。這種拓撲結構可以實現更高的電壓轉換效率和更寬的輸入電壓范圍。 在兩級式轉換中，第一級轉換器通常采用Boost電路或Buck電路，根據輸入電壓和輸出電壓的關系，將輸入電壓轉換為中間電壓。第二級轉換器則采用隔離型拓撲結構，如Flyback、Push-Pull等，將中間電壓轉換為最終的輸出電壓。 總之，兩級式轉換是一種先進的DC-DC轉換技術，通過兩級結構的優化設計，實現了高效率、寬輸入電壓范圍、高輸出功率和高可靠性的特點。它在各種需要高效電源管理的場景中具有廣泛的應用前景。 五、前景展望 化成分容電源系統為直流系統，結合國家大力發展新能源，許多行業配套均引入光伏、儲能系統，能有效減少由于電能變換帶來的損耗，同時也可以響應國家削峰填谷的戰略發展，推動產業綠色化發展。
圖7 化成分容電源系統 六、化成分容MAGTRON電流檢測方案 1、MCSD-200D/NP--采用雙電源閉環磁通門原理，0.1%的精度，配合化成分容廠家產線的校準，能達到0.05%的精度，滿足化成分容的高精度檢測需求。 2、MIT-200S--采用多閉環磁通門技術，在全溫環境下達到0.05%的精度，適用于對精度要求更高的產線及實驗室環境使用。 產品采用隔離式測量，適用于高壓、大電流等環境，可靠性高，由于其堅固和耐用的設計，電流傳感器可以在各種環境條件下穩定運行，無論是高溫還是低溫，干燥還是潮濕。此外，由于其較長的使用壽命和較低的故障率，使得電流傳感器成為需要長時間運行和高度可靠的理想選擇。 浙江巨磁智能技術有限公司是一家充滿活力和創新精神的企業，擁有一支高素質的研發團隊和管理團隊，秉承“創新、品質、服務”的經營理念，不斷推陳出新，產品和技術服務得到了廣泛的應用和認可。公司通過不斷的技術創新和市場拓展，贏得了客戶的信任和好評，建立了良好的品牌形象和市場口碑。
圖8 MAGTRON 電流檢測解決方案 參考文獻： 1. 動力電池化成分容用雙向寬范圍能量變換拓撲架構及其控制。作者：許國。 2. Class-D CMOS Oscillators。IEEE Journal of Solid-State Circuits。2013，48（12）：3105-3119。 3. 17.3 A 1.25GHz Fully Integrated DC-DC Converter Using Electromagnetically Coupled Class-D LC Oscillators。IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC)。2021。 4. 基于LLC諧振變換器的雙向DC/DC變換器。期刊：《電力電子技術》。2020年第007期。 5. 四電平浮動交錯Boost DC/DC變換器研究。鄭征、安江偉。 6. 儲能雙向DC/DC變換器自適應充放電無縫切換策略。張勤進，牛淼，劉彥呈，曾宇基，陳龍。 |
