【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）。

dianchishengmingzhouqidediyigejieduanshidianchihuacheng。zaigaijieduan，xinshengchandedianchibixujinglihuachengxunhuanguocheng
，jishouciduidianchidianxinjinxingchongdianhefangdiancaozuo。zaiciguochengzhong，dianchijinxingduocixunhuan，zhujianxingchenggutidianjiezhijiemian（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。

fenlishizujianjiejuefangandeshejifeichangkunnan，xuyaoqiyejubeiquanmiandeneibudianyuanjishuzhuanchang

，erqiewuliaoxuqiuda。zhebujinhuizengjiachengben，dailaigongyingliantiaozhan
，haihuiyanhuanchanpinshangshishijian。fenlishijiejuefanganhuixianzhilinghuoxing
，yinweitamenzhinengtigongyudingyideshuchudianya。youyudianchidehuaxuexingzhibutongerxuyaobutongdedianyashi
，ruguoshejirenyuannenggouchuangjianyizhongkeyigenjudianchidejutihuaxuexingzhijinxingxiugaidelinghuojiejuefangan，zegengjiajingjigaoxiao。shiyongfenlishijiejuefanganshi，dianchihuachengxitongquefalinghuoxing
，wufadongtaixiugaiyijianrongduozhongdianchileixing。

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。

liru，meigedianxindoubixujingguoshidangdeceshibingjinxingjingquedeceliang，yiquebaoduogedianxinnenggouzuchenggengdadedianchizu。ranhou
，gengdadedianchizuyexuyaojingguoyangedeceshi。zhebushiyigezengzhibuzhou，yincizhizaoshangwanchengzheyibuzhoudesuduyuekuai，dianchizudezhengtichengbenjiuyuedi。

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）。

conggongdianwangluodejiaodulaikan，dianchihuishouguochenghuichanshengdaliangreliang。yinci，gongdianwangluodezujianbixunenggouzaigaowenxiakekaoyunxing。tongyang
，zaigongdianwangluoshejizhong
，gonglvmiduyebiandeyuelaiyuezhongyao，xuyaoxiaoqiaodewaixingshejihegaoxiaodedianyuanzhuanhuan。

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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