儲能技術(shù)與能效優(yōu)化問題

儲能是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域最具增長價(jià)值的業(yè)務(wù)方向之一，全行業(yè)的技術(shù)人員都致力于構(gòu)建更優(yōu)質(zhì)的儲能方案。在電池儲能方式中，提高電池的能效、讓其續(xù)航更長久是最直接的能效優(yōu)化手段。儲能電池的能效高低取決于其儲存和釋放電能的效率：從電池本身材料來看，能效越高，儲能電池儲存的電能損失越少，可使用的電能就越充足。一般儲能電池的能效在70%以上被認(rèn)為是高效的，當(dāng)然這也取決于具體的儲能電池類型和使用環(huán)境。

除此之外，降低電池充放電過程的轉(zhuǎn)換損失，也是有效提升儲能能效的方法之一。儲能電池的充放電一般需要設(shè)計(jì)精良的電路系統(tǒng)，包括電池管理、電壓轉(zhuǎn)換、溫度控制等環(huán)節(jié)。為了更好地進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換效率優(yōu)化，就需要更高效的轉(zhuǎn)換器方案、更新的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和更先進(jìn)的軟件控制算法，ADI 提供的直通模式(PassThru)電源轉(zhuǎn)換方案具有顯著的效率提升效果，并且駿龍科技也可為工程師進(jìn)行需求分析，以提供最先進(jìn)的方案選型。

鋰電池與超級電容協(xié)同儲能

得益于超級電容的優(yōu)質(zhì)特性，目前我們已將鋰離子電池與超級電容協(xié)同并用于儲能，這種前沿的方式具有三種明顯優(yōu)勢：(1)能實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式快速充放電；(2)整體儲能系統(tǒng)使用壽命更長；(3)高系統(tǒng)能效比。它是一種快速充放電的器件，并且環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，能在極端高低溫下工作。超級電容與鋰電池結(jié)合，已成功應(yīng)用于電動汽車、大規(guī)模工業(yè)儲能領(lǐng)域中，以提升儲能系統(tǒng)的整體環(huán)境適應(yīng)性。

下圖(圖1)顯示了鋰電池與超級電容放電特性的區(qū)別。圖中兩者使用了相同的工作電壓，進(jìn)行0.5A電流放電。可以觀察到，鋰電池表現(xiàn)出較強(qiáng)的電壓穩(wěn)定特性，而超級電容表現(xiàn)出電壓線性下降。因此將超級電容應(yīng)用于儲能場景時(shí)，就需要高效率的電壓變換電路，讓系統(tǒng)在超級電容電壓大范圍變化時(shí)，持續(xù)輸出穩(wěn)定的電壓。
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圖1 24V 的鋰電池與超級電容間放電特性對比

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直通模式帶來革命性效率提升

直通模式（PassThru）是ADI最新的電源技術(shù)，它專門為寬輸入電壓范圍的系統(tǒng)而生。與傳統(tǒng)的升降壓（buck-boost）方案相比，它的綜合轉(zhuǎn)換效率大大提升。直通模式的電路通常會設(shè)置一個(gè)窗口電壓范圍，當(dāng)輸入電壓進(jìn)入窗口范圍時(shí)，電路會控制將輸入與輸出端直接連通。PassThru技術(shù)是超級電容與儲能輸出之間的電源網(wǎng)絡(luò)，得益于直通帶來的“零”損耗，超級電容的充放電反應(yīng)速度更快、電路系統(tǒng)的EMI表現(xiàn)也更好。

圖2 buck-boost電路的直通模式

直通模式（PassThru）最經(jīng)典出現(xiàn)在升降壓（buck-boost）電路中，如上圖 (圖2) 所示，PassThru是指電流分別直接流經(jīng)buck電路上管、功率電感、boost電路上管，然后達(dá)到輸出端負(fù)載。由于沒有任何開關(guān)能量變換過程，整條鏈路的損耗基本上只有mos管導(dǎo)通電阻、電感直流阻抗等，一般而言這個(gè)效率能夠達(dá)到99.9%。LT8210是ADI推出的一款具備PassThru模式的buck-boost電源控制器，如下圖(圖3)所示，它具備非常寬的輸入電壓范圍，具體工作原理可查閱LT8210數(shù)據(jù)手冊。

圖3 LT8210典型應(yīng)用電路

LT8210的ADI官方演示板型號為DC2814A-A，其演示板的工作效率圖形如下圖 (圖4) 所示?？梢杂^察到，測試輸入電壓范圍是4V-24V，直通模式窗口電壓設(shè)定在8V-16V，試驗(yàn)是在10%-80%不同帶載強(qiáng)度情況下進(jìn)行的。演示板的直通模式電流能力約為 3A，直通模式下隨著負(fù)載電流增大，效率也會有 5% 的提升。在10%輕載情況下，電路一旦進(jìn)入直通模式，能帶來17%的效率提升，因此證明越是輕載情況，PassThru技術(shù)帶來的效率提升越明顯。

圖4 LT8210演示板的效率表現(xiàn)

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輕載續(xù)航表現(xiàn)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證PassThru技術(shù)帶來的儲能續(xù)航持久性優(yōu)點(diǎn)，本文以9V輕載直流電機(jī)作為24V超級電容負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)。如下圖(圖5)所示是該測試的電源樹圖，對24V超級電容的后端使用 LT8210 方案，設(shè)定輸出窗口電壓為 12V-24V，而后連接一個(gè) 9V 輸出的降壓電路，最終的 9V 負(fù)載電機(jī)的工作電流為 0.3A，相對而言是較輕負(fù)載。

圖5 直流電機(jī)續(xù)航測試電源樹

下圖(圖6)為LT8210電路分別打開、關(guān)閉PassThru功能情況下的效率對比，從圖可以看出，當(dāng)關(guān)閉PassThru時(shí)，LT8210始終在常規(guī)CCM模式下工作，當(dāng)輸入電壓高于12V時(shí)PassThru模式的效率要比 CCM模式提高至多27%。

圖6 LT8210分別開閉PassThru的效率對比

接下來可以從電參數(shù)的時(shí)間軸波形角度看兩種情況的效率表現(xiàn)，如下圖(圖7)所示。其中橫軸是時(shí)間軸，縱軸波形分別為超級電容電壓、電機(jī)工作電壓、電機(jī)工作電流。首先從波形的持續(xù)時(shí)間看，在打開PassThru功能情況下，有明顯更久的續(xù)航時(shí)間，提高了約49%。雖然超級電容電壓持續(xù)下降并最終歸零，但電機(jī)的工作電壓始終穩(wěn)定在9V，這得益于LT8210的升壓功能，它能夠最大程度利用超級電容最后的能量。

圖7 LT8210分別開閉PassThru的系統(tǒng)續(xù)航表現(xiàn)

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更多直通模式電源方案

除了前文所述的LT8210方案，ADI還提供了其他支持PassThru的電源芯片，如LTC7804，其電路圖如下圖(圖8)所示。它是一款外置MOS的boost控制器，它的展頻功能可以讓電源的EMI表現(xiàn)更加優(yōu)異，已成功應(yīng)用于汽車電子等領(lǐng)域。

圖8 LTC7804典型應(yīng)用電路

下圖(圖9)是另一款支持PassThru的LT8337，它是集成MOS的boost芯片，適合小空間低電流的產(chǎn)品。目前ADI還在不斷推出具備PassThru技術(shù)的電源芯片，工程師將擁有豐富的方案選擇空間，更多方案選型可以瀏覽ADI官方網(wǎng)站，或咨詢駿龍科技技術(shù)人員以為您推薦合適選型。

圖9 LT8337典型應(yīng)用電路

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總結(jié)與展望

PassThru技術(shù)能夠提升超級電容器供電設(shè)備的能效表現(xiàn)，顯著增加續(xù)航時(shí)間，非常適合超級電容鋰電池協(xié)同型的儲能設(shè)備。與傳統(tǒng)的buck-boost電路相比，具有PassThru模式的LT8210方案可以極大地優(yōu)化超級電容的續(xù)航能力。此外，由于PassThru避免了功率電路開關(guān)控制過程，系統(tǒng)的整體EMI表現(xiàn)也會非常出色。如需了解更多LT8210等PassThru技術(shù)的電源方案信息，請聯(lián)系駿龍科技當(dāng)?shù)剞k事處。
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參考文獻(xiàn)
[1] Why Using PassThru Technology Can Help Extend an Energy Storage System’s Life：https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/why-using-pass-thru-technology-can-help-extend-an-energy-storage.html
[2]LT8210產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/cn/products/lt8210.html
[3]LTC7804產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/cn/products/ltc7804.htmll
[4]LT8337產(chǎn)品頁面：https://www.analog.com/en/products/lt8337.html