【導讀】電氣化在眾多行業持續普及，不僅提升了生產力，還帶來了環境優勢，而電池生產是這一趨勢的核心技術推動力。受電動汽車（EV）和可再生能源儲能係統的推動
，電池行業已成為全球增長最快的行業之一。

整個電池生命周期受限於當前電力轉換技術的局限性，但固定比率轉換器技術或可改變這一現狀

固定比率轉換器技術

在高壓電池係統中，DC-DC 電源轉換是供電架構的一個基本方麵。

DC-DC 轉換通常通過開關模式電源轉換器（如降壓或升壓拓撲）或低壓差穩壓器（LDO）實現。這些電源轉換器可能有效，但它們的輸出剛性和較低的轉換效率限製了供電網絡（PDN）的靈活性和性能。目前，電池係統的高電壓凸顯了這一不足。

為了克服這些缺點，Vicor 開發了固定比率轉換器
，在小巧的封裝中實現了高效的隔離轉換，適用於從高壓到低壓（通常稱為安全特低電壓）的負載轉換。類似於 AC-AC 解決方案中的變壓器，固定比率轉換器用於執行 DC-DC 轉換，其輸出電壓為輸入電壓的固定分數（見圖 1）。

電dian池chi生sheng命ming周zhou期qi的de第di一yi個ge階jie段duan是shi電dian池chi化hua成cheng。在zai該gai階jie段duan
，新xin生sheng產chan的de電dian池chi必bi須xu經jing曆li化hua成cheng循xun環huan過guo程cheng，即ji首shou次ci對dui電dian池chi電dian芯xin進jin行xing充chong電dian和he放fang電dian操cao作zuo。在zai此ci過guo程cheng中zhong，電dian池chi進jin行xing多duo次ci循xun環huan，逐zhu漸jian形xing成cheng固gu體ti電dian解jie質zhi界jie麵mian（SEI）層。該過程的速度取決於電池電芯的化學性質，因此電池化成的用時大多是固定的。

電池化成循環需要一個能夠支持重複充放電循環的底層供電網絡（PDN）。

在這種情況下，普通 PDN 從電網獲取三相交流輸入，將其整流為高壓直流電
，然後通過多級 DC-DC 轉換達到為電池電芯充電所需的標稱電壓（例如 4.2V）（見圖 3）。為電池充電所需的最終電壓因電池而異
，具體取決於電池電芯的化學性質，但在將交流電轉換為較低直流母線電壓（例如 12V）時，使用幾個中間電壓降是全行業的標準做法。

分(fen)立(li)式(shi)組(zu)件(jian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)設(she)計(ji)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)，需(xu)要(yao)企(qi)業(ye)具(ju)備(bei)全(quan)麵(mian)的(de)內(nei)部(bu)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)專(zhuan)長(chang)，而(er)且(qie)物(wu)料(liao)需(xu)求(qiu)大(da)。這(zhe)不(bu)僅(jin)會(hui)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)，帶(dai)來(lai)供(gong)應(ying)鏈(lian)挑(tiao)戰(zhan)，還(hai)會(hui)延(yan)緩(huan)產(chan)品(pin)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)。分(fen)立(li)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)會(hui)限(xian)製(zhi)靈(ling)活(huo)性(xing)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)隻(zhi)能(neng)提(ti)供(gong)預(yu)定(ding)義(yi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。由(you)於(yu)電(dian)池(chi)的(de)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)不(bu)同(tong)而(er)需(xu)要(yao)不(bu)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)時(shi)，如(ru)果(guo)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)創(chuang)建(jian)一(yi)種(zhong)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)電(dian)池(chi)的(de)具(ju)體(ti)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)進(jin)行(xing)修(xiu)改(gai)的(de)靈(ling)活(huo)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，則(ze)更(geng)加(jia)經(jing)濟(ji)高(gao)效(xiao)。使(shi)用(yong)分(fen)立(li)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)時(shi)，電(dian)池(chi)化(hua)成(cheng)係(xi)統(tong)缺(que)乏(fa)靈(ling)活(huo)性(xing)，無(wu)法(fa)動(dong)態(tai)修(xiu)改(gai)以(yi)兼(jian)容(rong)多(duo)種(zhong)電(dian)池(chi)類(lei)型(xing)。

在恒流轉換階段，設計人員可以利用固定比率轉換器
，輕鬆地將較高的直流電壓降至更安全、更(geng)低(di)的(de)電(dian)壓(ya)
，而(er)無(wu)需(xu)分(fen)立(li)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)或(huo)單(dan)模(mo)塊(kuai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。通(tong)過(guo)並(bing)聯(lian)一(yi)個(ge)或(huo)多(duo)個(ge)固(gu)定(ding)比(bi)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，他(ta)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)創(chuang)建(jian)易(yi)於(yu)擴(kuo)展(zhan)的(de)模(mo)塊(kuai)化(hua)供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)。

這樣，設計人員就可以設計出同時循環多個電池的係統，從而實現更高的吞吐量、功率密度和效率。此外
，這種架構還允許設計人員輕鬆更改 PDN，根據電池的獨特標稱電壓完成所需的 DC-DC 轉換。無需分立式組件，解決方案更加靈活，就可以加快產品上市速度並降低故障率。

在zai節jie能neng方fang麵mian，固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi固gu有you的de雙shuang向xiang轉zhuan換huan功gong能neng在zai電dian池chi化hua成cheng過guo程cheng中zhong尤you為wei有you效xiao。使shi用yong固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi，電dian池chi製zhi造zao商shang就jiu可ke以yi在zai充chong電dian和he放fang電dian循xun環huan之zhi間jian自zi如ru切qie換huan，因yin為wei他ta們men知zhi道dao固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi將jiang在zai放fang電dian時shi自zi動dong升sheng壓ya到dao預yu定ding義yi的de較jiao高gao電dian壓ya，在zai充chong電dian時shi進jin行xing降jiang壓ya。這zhe一yi獨du特te功gong能neng可ke提ti高gao化hua成cheng過guo程cheng的de能neng效xiao

，在zai化hua成cheng循xun環huan期qi間jian重zhong複fu利li用yong能neng源yuan。

此外，固定比率轉換器的效率高達 97.9%，雙向轉換過程中的功率損耗微乎其微。如果沒有固定比率轉換器
，將需要多個組件（一個用於降壓
，一個用於升壓）才能實現這種雙向轉換功能。這樣就會因為效率低下而消耗更多功率並增加組件數量。

電池生命周期的第二個階段是電池測試。在此階段，製造商將電池電芯組合成更大的電池組。電池電芯的充放電受限於一些時間要求（取決於化學性質），而電池組的生產則不受這些限製，但仍麵臨同樣的吞吐量挑戰。

例(li)如(ru)，每(mei)個(ge)電(dian)芯(xin)都(dou)必(bi)須(xu)經(jing)過(guo)適(shi)當(dang)的(de)測(ce)試(shi)並(bing)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)的(de)測(ce)量(liang)

，以(yi)確(que)保(bao)多(duo)個(ge)電(dian)芯(xin)能(neng)夠(gou)組(zu)成(cheng)更(geng)大(da)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)。然(ran)後(hou)
，更(geng)大(da)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)也(ye)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)測(ce)試(shi)。這(zhe)不(bu)是(shi)一(yi)個(ge)增(zeng)值(zhi)步(bu)驟(zhou)
，因(yin)此(ci)製(zhi)造(zao)商(shang)完(wan)成(cheng)這(zhe)一(yi)步(bu)驟(zhou)的(de)速(su)度(du)越(yue)快(kuai)
，電(dian)池(chi)組(zu)的(de)整(zheng)體(ti)成(cheng)本(ben)就(jiu)越(yue)低(di)。

為wei了le適shi應ying各ge種zhong電dian池chi電dian壓ya和he功gong率lv水shui平ping，供gong電dian網wang絡luo必bi須xu靈ling活huo而er且qie可ke擴kuo展zhan。同tong時shi，為wei了le在zai相xiang同tong的de物wu理li空kong間jian內nei以yi更geng短duan的de時shi間jian測ce試shi更geng多duo電dian池chi，需xu要yao供gong電dian網wang絡luo提ti供gong高gao吞tun吐tu量liang。因yin此ci，電dian池chi組zu測ce試shi設she備bei需xu要yao模mo塊kuai化hua且qie可ke擴kuo展zhan的de供gong電dian網wang絡luo
，以yi滿man足zu具ju體ti的de測ce試shi要yao求qiu和he測ce試shi量liang。與yu電dian池chi化hua成cheng階jie段duan一yi樣yang，電dian池chi測ce試shi設she備bei的de標biao準zhun供gong電dian網wang絡luo也ye需xu要yao將jiang三san相xiang交jiao流liu電dian轉zhuan換huan為wei電dian芯xin的de標biao稱cheng電dian壓ya（見圖 4）。

在zai供gong電dian網wang絡luo的de恒heng流liu轉zhuan換huan階jie段duan使shi用yong固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi
，電dian池chi測ce試shi設she計ji人ren員yuan就jiu不bu再zai需xu要yao費fei力li地di設she計ji中zhong間jian轉zhuan換huan階jie段duan。相xiang反fan
，他ta們men可ke以yi放fang心xin地di利li用yong固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi來lai管guan理li恒heng流liu轉zhuan換huan。這zhe樣yang
，他ta們men就jiu可ke以yi專zhuan注zhu於yu轉zhuan換huan過guo程cheng的de最zui後hou階jie段duan
，即ji將jiang電dian壓ya與yu電dian芯xin的de標biao稱cheng電dian壓ya相xiang匹pi配pei以yi進jin行xing測ce試shi。這zhe種zhong簡jian化hua的de架jia構gou使shi設she計ji人ren員yuan能neng夠gou創chuang建jian靈ling活huo的de模mo塊kuai化hua係xi統tong，並bing根gen據ju不bu同tong的de測ce試shi要yao求qiu輕qing鬆song進jin行xing修xiu改gai。

固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi的de另ling一yi個ge重zhong要yao優you勢shi是shi功gong率lv密mi度du。憑ping借jie極ji高gao的de功gong率lv效xiao率lv和he小xiao巧qiao的de外wai形xing尺chi寸cun，固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi可ke以yi在zai行xing業ye領ling先xian的de小xiao巧qiao設she計ji中zhong支zhi持chi數shu千qian瓦wa的de功gong率lv和he數shu百bai伏fu的de電dian壓ya。這zhe樣yang就jiu可ke以yi構gou建jian吞tun吐tu量liang更geng高gao的de測ce試shi儀yi，在zai相xiang同tong的de空kong間jian內nei安an裝zhuang更geng多duo測ce試shi設she備bei
，從cong而er為wei同tong步bu測ce試shi更geng多duo電dian芯xin創chuang造zao機ji會hui。

當電池最終出廠並投入實際應用時，供電網絡的挑戰並未結束。

在許多新興的電池供電應用中，如係留機器人或水下機器人（ROV）、太陽能和風能等可再生能源儲能係統以及電動汽車，對極高電壓供電的需求不斷增長（見圖 5）。例如，為了增加功率，提高效率，電動汽車的供電架構正從 400V 過渡到 800V。

在相同的功率下，電壓越高，供電電流就越小。因此，高壓供電的一個優勢是效率更高，因為更小的電流可以減少 I2R 損耗。這使得應用更加高效，同時也減少了熱管理開銷。

ciwai，gaoyagongdiankeyijianxiaocheliangxianshudexiangui。youyugongdiandianliugengxiao，shejirenyuankeyishiyongxianjinggengxiaodedianlan，congerjianqingxitongzhongliang，jiangdicailiaoxuqiuhechengben。

顯xian然ran
，要yao使shi這zhe種zhong高gao壓ya係xi統tong成cheng功gong運yun行xing

，需xu要yao將jiang這zhe些xie用yong於yu供gong電dian的de高gao壓ya轉zhuan換huan為wei負fu載zai點dian上shang使shi用yong的de低di壓ya。在zai電dian池chi生sheng命ming周zhou期qi的de這zhe個ge階jie段duan
，固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi通tong過guo提ti供gong一yi種zhong簡jian單dan而er高gao效xiao的de直zhi流liu電dian源yuan轉zhuan換huan手shou段duan來lai提ti高gao價jia值zhi。

以係留機器人為例
，利用 K 因數為 1/16 的固定比率轉換器
，設計人員能以 97.9% 的效率，將電壓從用於供電的高壓（例如 800VDC）降至較低的電壓，例如 48VDC。在 48VDC 的基礎上，設計人員可以使用效率為 90% 的常規降壓轉換器，獲得微控製器單元（MCU）最終所需的 3.3V 電壓。如果沒有固定比率轉換器，從 800V 到 3.3V 的整個轉換過程將以 90% 的效率進行
，產生的損耗將顯著高於固定比率轉換器架構。

電池生命周期的最後一個階段是回收。

電dian池chi回hui收shou是shi一yi個ge高gao功gong率lv的de電dian化hua學xue過guo程cheng，通tong過guo化hua學xue手shou段duan將jiang電dian池chi中zhong的de原yuan材cai料liao和he元yuan素su分fen離li出chu來lai，以yi便bian將jiang來lai進jin行xing回hui收shou和he再zai利li用yong。與yu電dian池chi生sheng命ming周zhou期qi的de其qi他ta工gong業ye階jie段duan一yi樣yang，供gong電dian網wang絡luo需xu要yao將jiang三san相xiang交jiao流liu輸shu入ru電dian壓ya轉zhuan換huan為wei高gao功gong率lv直zhi流liu電dian，最zui終zhong降jiang至zhi較jiao低di電dian壓ya，為wei回hui收shou設she備bei供gong電dian（見圖 6）。

從(cong)供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，電(dian)池(chi)回(hui)收(shou)過(guo)程(cheng)會(hui)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)熱(re)量(liang)。因(yin)此(ci)
，供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)的(de)組(zu)件(jian)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)。同(tong)樣(yang)
，在(zai)供(gong)電(dian)網(wang)絡(luo)設(she)計(ji)中(zhong)
，功(gong)率(lv)密(mi)度(du)也(ye)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)，需(xu)要(yao)小(xiao)巧(qiao)的(de)外(wai)形(xing)設(she)計(ji)和(he)高(gao)效(xiao)的(de)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)。

固定比率轉換器提供了一種功率密度極高的 DC-DC 轉換解決方案，能夠在很小的外形設計中支持數千瓦的功率和數百伏的電壓。

在電池生命周期的每個階段
，對高效、高功率密度且可擴展的高壓供電網絡的需求都在不斷增長。整個電池生命周期的成功取決於每個階段的成功。無論是電池化成、測試、實shi際ji應ying用yong還hai是shi回hui收shou


，整zheng個ge電dian池chi生sheng命ming周zhou期qi都dou可ke以yi受shou益yi於yu固gu定ding比bi率lv轉zhuan換huan器qi。與yu傳chuan統tong的de電dian源yuan轉zhuan換huan解jie決jue方fang案an相xiang比bi
，固gu定ding比bi率lv電dian壓ya轉zhuan換huan器qi有you著zhe前qian所suo未wei有you的de效xiao率lv和he小xiao巧qiao的de外wai形xing尺chi寸cun
，同tong時shi還hai具ju有you雙shuang向xiang轉zhuan換huan等deng獨du特te功gong能neng。

文章來源：Vicor

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