儲能技術(shù)與能效優(yōu)化問題

儲能是當前工業(yè)領(lǐng)域最具增長價值的業(yè)務方向之一，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% 以上被認為是高效的，當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計精良的電路系統(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、更新的電源拓撲結(jié)構(gòu)和更先進的軟件控制算法，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。

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)境適應性較強，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，進行 0.5A 電流放電。可以觀察到，鋰電池表現(xiàn)出較強的電壓穩(wěn)定特性，而超級電容表現(xiàn)出電壓線性下降。因此將超級電容應用于儲能場景時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持續(xù)輸出穩(wěn)定的電壓。

圖1 24V 的鋰電池與超級電容間放電特性對比

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置一個窗口電壓范圍，當輸入電壓進入窗口范圍時，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，得益于直通帶來的 “零” 損耗，超級電容的充放電反應速度更快、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)常應用在升降壓 (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，然后達到輸出端負載。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 管導通電阻、電感直流阻抗等，一般而言這個效率能夠達到 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。

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圖3 LT8210 典型應用電路

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。可以觀察到，測試輸入電壓范圍是 4V-24V，直通模式窗口電壓設定在 8V-16V，試驗是在 10%-80% 不同帶載強度情況下進行的。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)

輕載續(xù)航表現(xiàn)試驗

為了驗證 PassThru 技術(shù)帶來的儲能續(xù)航持久性優(yōu)點，本文以 9V 輕載直流電機作為 24V 超級電容負載進行試驗。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，設定輸出窗口電壓為 12V-24V，而后連接一個 9V 輸出的降壓電路，最終的 9V 負載電機的工作電流為 0.3A，相對而言是較輕負載。

圖5 直流電機續(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，當關(guān)閉 PassThru 時，LT8210 始終在常規(guī) CCM 模式下工作，當輸入電壓高于 12V 時，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。其中橫軸是時間軸，縱軸波形分別為超級電容電壓、電機工作電壓、電機工作電流。首先從波形的持續(xù)時間看，在打開 PassThru 功能情況下，有明顯更久的續(xù)航時間，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)

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，已成功應用于汽車電子等領(lǐng)域。

圖8 LTC7804 典型應用電路

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。

圖9 LT8337 典型應用電路

總結(jié)與展望

PassThru 技術(shù)能夠提升超級電容器供電設備的能效表現(xiàn)，顯著增加續(xù)航時間，非常適合超級電容鋰電池協(xié)同型的儲能設備。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。