幾十年來，可充電電池一直被用來儲(chǔ)存電能。根據(jù)加斯頓?普蘭特 （Gaston Planté） 于 1859 年發(fā)明的維基百科，許多應(yīng)用都配備了鉛酸電池。它們很重，但使用簡單。免維護(hù)的 AGM 或 EFP 電池不僅使使用更輕松、更安全，而且提高了電流和存儲(chǔ)性能以及使用壽命。

充電相對(duì)簡單，現(xiàn)代設(shè)備在開始充電過程之前使用微處理器檢查電池的類型和狀態(tài)。通過使用多相溫控充電算法，可以最大限度地延長電池的使用壽命（圖 1）。

圖 1：多相充電算法可避免電池過載或過熱。充電器可以隨時(shí)連接到電池

干電池用于許多行動(dòng)和掌上型裝置，但工具等應(yīng)用需要更多的能量和更輕的解決方案。鎳鎘電池具有更高的功率密度和電流能力，并且已經(jīng)以現(xiàn)有的干電池形式提供。但充電電流被限制在 C/5 或 C/10 左右（C = 標(biāo)稱容量，單位為 Ah），需要 10 小時(shí)或更長時(shí)間。從理論上講，它們提供了更多的充電周期，但記憶效應(yīng)往往會(huì)縮短使用壽命。自放電率為每月10-20%。

鎘是有毒的，多年前在許多國家被禁止，并被鎳氫電池取代。它們堅(jiān)固耐用，更能抵抗過度充電或深度放電。記憶效應(yīng)和自放電明顯較低，但對(duì)于行動(dòng)裝置來說仍然不理想。幾個(gè)小時(shí)內(nèi)的快速充電需要更復(fù)雜的充電器。

鋰離子電池提供更高的能量密度，每月自放電率僅為1-2%，并且沒有記憶效應(yīng)。它們還可以承受更寬的環(huán)境溫度范圍，是手機(jī)和筆記本電腦的理想解決方案。如今，它們已成為許多應(yīng)用的首選。

可以以 0.5C 到 1C 的速率進(jìn)行快速充電，但相位不同（圖 2）。

圖 2：鋰離子電池的典型充電階段

鋰會(huì)著火，開采起來有問題。研究了基于其他危險(xiǎn)性較小且易于開采的材料的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供不同的能量密度、更快的充電速度或更低的成本。它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，即管理充電過程和監(jiān)控每個(gè)電池的狀態(tài)對(duì)于安全和長壽命至關(guān)重要。

幾十年來，測(cè)量電池的充電狀態(tài)（SoC）一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。對(duì)于鉛酸電池，使用電壓與充電曲線在某種程度上是準(zhǔn)確的，但對(duì)于其他電池材料，放電曲線相當(dāng)平坦（圖3）。數(shù)值還取決于技術(shù)、充電循環(huán)次數(shù)和電池使用年限。

圖 3：不同電池拓?fù)涞牡湫碗妷号c放電曲線

使用模擬電路測(cè)量充電和放電階段的電流很復(fù)雜，但使用微控制器和電流傳感器則很容易。通過這種稱為庫侖計(jì)數(shù)的過程，可以計(jì)算SoC，并且方程可以包括電池?fù)p耗、老化、自放電和溫度。

電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)控電池狀態(tài)，避免在安全操作區(qū)域之外進(jìn)行任何操作。它們控制充電過程，平衡每個(gè)電池中存儲(chǔ)的能量，監(jiān)控充電狀態(tài)和溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并報(bào)告任何異常情況。圖 4 顯示了 BMS 系統(tǒng)的簡化框圖

圖 4：數(shù)組中的每個(gè)電池或電池塊都受到監(jiān)控和控制，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央電池管理系統(tǒng)

在低功耗應(yīng)用中監(jiān)測(cè)幾個(gè)電池很容易，但在具有數(shù)百kWh或數(shù)MWh的大型數(shù)組以及大量串聯(lián)和并聯(lián)的電池中，這是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。這些裝置（圖 5）用于儲(chǔ)存可再生能源園區(qū)的盈余，平衡交流電網(wǎng)，或充當(dāng)關(guān)鍵裝置的 UPS（不間斷電源）。

圖5：帶電池管理系統(tǒng)的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)

如圖4所示，必須對(duì)每個(gè)電池進(jìn)行監(jiān)控，并且電路需要由12V或24V總線產(chǎn)生的單獨(dú)隔離電源電壓。聽起來像是一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，可以通過低功耗、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器模塊來解決。

但對(duì)于數(shù)百個(gè)串聯(lián)電池的大功率應(yīng)用，整個(gè)電池組的電壓可以達(dá)到 600 - 800 伏，需要加強(qiáng)隔離。大多數(shù) 24Vin DC/DC電源轉(zhuǎn)換器專為需要 500V 或 1600V 隔離電壓的典型工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

為避免隔離材料的退化和失效，允許連續(xù)施加的工作電壓遠(yuǎn)低于隔離電壓，并由安全標(biāo)準(zhǔn)定義（圖 6）。這些值還取決于應(yīng)用類型和環(huán)境條件。

圖 6：工業(yè)應(yīng)用的典型隔離電壓

600 - 800Vdc 的電池組需要在DC/DC電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)設(shè)置3000Vac（或4243Vdc）的增強(qiáng)隔離柵，這對(duì)于許多只有1600V隔離的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器來說太高了。但是，具有 3kVac 隔離的轉(zhuǎn)換器真的滿足要求嗎？

這些大型電池系統(tǒng)連接到交流電網(wǎng)，靠近風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽能公園或變電站。它們暴露在高瞬態(tài)下，應(yīng)符合 OVC III（過電壓類別 III）的要求，要求 400Vac 三相電源具有 4kV 隔離電壓。

雖然這些OVC類別是針對(duì)交流應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但有助于找到直流電池的解決方案。遺憾的是，在制造商網(wǎng)站上搜索具有 4kVac 隔離的工業(yè)DC/DC電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常沒有匹配項(xiàng)

但是，在有些市場中，最高的隔離屏障至關(guān)重要。連接到醫(yī)療設(shè)備的患者必須受到保護(hù)，免受任何電擊，因此該市場對(duì)隔離和泄漏電流的要求非常嚴(yán)格。

醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)定義了不同的患者保護(hù)手段（MOP）和操作員（MOOP）。連接到患者和侵入性系統(tǒng)的設(shè)備必須滿足2 MOPP（兩種患者保護(hù)手段），隔離電壓為4kVac。為本標(biāo)準(zhǔn)指定的轉(zhuǎn)換器可用于上述BMS系統(tǒng)。

P-DUKE 擁有各種DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，可滿足這些2MOPP要求，并提供更高的 5kVac 隔離電壓。功率等級(jí)從1W到60W的全套產(chǎn)品系列提供單路和雙路輸出。憑借5V至75V的各種輸入電壓范圍，它們可以部署在所有不同的應(yīng)用中。使用P-DUKE網(wǎng)站上的產(chǎn)品搜索功能可以很容易地找到合適的解決方案。

圖 7：P-DUKE 擁有一套非常全面的醫(yī)療級(jí)DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，具有單路和雙路輸出，功率水平從1W到60W不等

例如，MPD30-24S12W是一款具有9 -36輸入和12V輸出的30W轉(zhuǎn)換器，可以從12V或24V總線為連接到電池或電池?cái)?shù)組的BMS電路創(chuàng)建單獨(dú)的隔離電源電壓。

醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)還要求泄漏電流在微安范圍內(nèi)，爬電距離為8mm。這是轉(zhuǎn)換器內(nèi)部輸入和輸出之間沿隔離材料的最短距離。與電容器類似，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部隔離的材料（ε0）和厚度（d）定義了輸入到輸出的電容：

材料越厚，距離越寬，輸入和輸出之間的電容就越低。雖然在系統(tǒng)中使用一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)換器并不重要，但在大型 BMS 系統(tǒng)中組合數(shù)百個(gè)不同電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換器時(shí)，它成為一個(gè)重要因素。交流電壓、瞬態(tài)和噪聲可以跨越這些隔離柵進(jìn)行耦合。它不僅會(huì)干擾高度敏感的測(cè)量或通信設(shè)備，還會(huì)導(dǎo)致高壓交流電源產(chǎn)生高而危險(xiǎn)的泄漏電流。

讓我們比較一個(gè)實(shí)際的例子。P-DUKE 的醫(yī)療轉(zhuǎn)換器 MPD30 的隔離電容僅為 20pF。即使對(duì)于1MHz的傳感器信號(hào)，這也意味著8kΩ的高阻抗。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)轉(zhuǎn)換器的隔離電容可以超過1500pf。這高出 75 倍，1Mhz 信號(hào)的阻抗降至僅 107Ω。當(dāng)許多轉(zhuǎn)換器并聯(lián)時(shí)，總電容和阻抗可以達(dá)到噪聲耦合的臨界值，也可以達(dá)到這些柵極跨越的交流漏電流的臨界值。

在一個(gè)應(yīng)用中有 100 個(gè)醫(yī)療級(jí)轉(zhuǎn)換器，總電容僅為 2nF，根據(jù)公式 I = U*2*π*f*C，400V/50Hz 應(yīng)用中的泄漏電流僅為0.25μA。

使用工業(yè)級(jí)轉(zhuǎn)換器時(shí)，總電容為150nF，漏電流將增加到19mA左右。雖然還不是致命的，但它會(huì)引起嚴(yán)重的電擊。與系統(tǒng)中其他設(shè)備的漏電流一起，可以跳閘 35mA RCD 斷路器（剩余電流斷路器）。

與醫(yī)療應(yīng)用一樣，可靠性是電池存儲(chǔ)系統(tǒng)的另一個(gè)重要因素。P-DUKE 的 MPD30 電源轉(zhuǎn)換器系列專為實(shí)現(xiàn)最高可靠性而設(shè)計(jì)，MTBF 值大于 100 萬小時(shí)（滿載時(shí)為 MIL-HDBK-217F）。P-DUKE 還為這些醫(yī)療設(shè)備提供 5 年產(chǎn)品保修，比許多其他轉(zhuǎn)換器制造商的 2 年保修要長得多。

你有沒有想過我們?yōu)槭裁凑f：健康電池的醫(yī)療電源轉(zhuǎn)換器？需要高度復(fù)雜的BMS系統(tǒng)來保證如此大型電池組的安全和持久運(yùn)行。這些應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性，但憑借 P-DUKE 的醫(yī)療電源轉(zhuǎn)換器和強(qiáng)大的技術(shù)支持，可以解決這些應(yīng)用，以確保健康的運(yùn)行和長的使用壽命。

原文鏈接：https://www.pduke.com.cn/sc/news_detail5_137.htm

MPD30產(chǎn)品資料: https://www.pduke.com.cn/sc/product_list322.htm

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