浅析锂电子电池化成分容中DC／DC变换器的应用
单位：浙江巨磁智能技术有限公司
作者：吴伟斌
一、引言
据市场研究机构预测，全球电池化成分容产线市场规模在未来几年将继续保持增长态势。其中，亚洲市场增长速度最快，尤其是中国市场。中国政府对于新能源汽车和储能领域的支持力度不断加大，推动了电池化成分容产线的市场需求不断增长。
图1 中国新能源汽车近三年销量
根据中汽协数据显示，2022年全国新能源汽车产销达到705.8万/688.7万辆，同比增长96.9%/93.4%，市场占有率达到25.6%。2022年国内汽车行业受到了较大的考验，不过好在下半年国家出台了购置税减半优惠以及“新十条”出台疫情管控放开，整体车市有所回暖，其中比亚迪更是以186.8万辆的销量佳绩领先一众车企。中汽协预计2023年我国新能源汽车销量将达到900万辆，同比增长35%。
图2 中国近5年新型储能市场装机量及预测
根据CNESA 预测，我国未来5 年的新型储能市场将获得高速发展，复合增速将维持在50%以上，预计到2026年乐观状态下储能市场的累计装机将达到79.5GW，带动储能电池材料获得高速发展。
DC/DC变换器是将直流电源从一个电压级别转换到另一个电压级别。这种转换在许多领域都是必要的，在电池化成分容中也占据着重要地位。
二、发展历程
DC/DC转换器的发展经历了多个阶段，主要包括线性稳压器、开关稳压器和多级变换器等。
线性稳压器在早期被广泛使用，但效率较低，因为它将输入电压降低到所需电压时，会将多余的能量以热量的形式消耗掉。为了提高效率，开关稳压器开始被引入。开关稳压器通过控制功率开关器件的开关，将输入电压转换为高频脉冲信号，然后通过滤波器进行平滑，输出所需电压。开关稳压器的效率可以达到90%以上，提高了能量利用率。
为了满足不同的电压要求，多级变换器逐渐兴起。多级变换器包括升压变换器、降压变换器和升降压变换器。升压变换器可以将低电压提升到高电压，适用于一些特定的应用，如太阳能系统、电动车等。降压变换器可以将高电压降低到低电压，适用于大多数电子设备。而升降压变换器则可以实现电压的双向转换，适用于需要电源切换的场景。
随着微处理器的高速化发展，DC/DC转换器从低功率向中功率发展是必然趋势。因此，DC/DC转换器从251W到750W的增长速度也比较快，主要用于Service医疗和实验室设备、工业控制设备、远程通信设备、多路通信和传输设备等。
三、基础原理解析
DC/DC变换器有多种类型，包括升压型（Boost）、降压型（BUCK）和升降压型（Buck-Boost）。选择哪种类型的转换器取决于所需的输出电压和电流，以及输入电压的范围。
Boost电路：
通过控制开关管的通断时间来调节输出电压的大小。当开关管导通时，输入电压加在电感上，电流通过电感逐渐增加，同时电感储存能量；
当开关管截止时，电感通过负载放电，放电电流逐渐减小，电感释放之前储存的能量。由于电感的磁通量在开关管导通和截止期间保持不变，因此输出电压的幅度高于输入电压；
输出电压可以通过改变开关管的通断时间来调节。当开关管导通时间越长，电感储存的能量越多，输出电压越高。相反，当开关管导通时间越短，输出电压越低。
图3 boost电路拓扑图
BUCK电路：
当开关管导通时，电流从输入电源流过开关管和储能元件，储能元件开始储存能量。此时，输出整流器上的电压为零，因此没有电流流过负载。
当开关管截止时，储能元件通过输出整流器和负载释放能量。由于开关管的截止，输入电源不再为储能元件提供能量，因此输出电压的幅度将低于输入电压。
通过控制开关管的通断时间（占空比），可以调节输出电压的大小。在开关管截止期间，电感器的电流和电容器的电荷量必须连续，因此在开关管通断的过渡期间，会出现短暂的电压过冲或电流过冲。这些过冲可以通过适当的缓冲电路进行抑制。
图4 buck电路拓扑图
Buck-Boost DC-DC变换器：
通过采用一个LC并联谐振电路，把负载端的电感和电容串联起来，以达到双向功率转换的目的。当输出端电压高于输入端电压时，变换器工作在降压模式（buck mode）下，输出电压低于输入电压时，变换器工作在升压模式（boost mode）下，同时，将转化出的过剩能量通过电容器和电感储存，以备后续使用。
四、化成产线电源架构
1、并联型化成分容电源架构
图5 并联型化成分容电源架构
采用“一对一”方式进行化成，通过AC/DC-DC/DC-Buck变换，转换为单体电池电压化成。并联架构经过多年的发展，已经非常成熟，由于是一个单体一个回路，所以整体安全性能高，受客户认可度高，但是由于其多回路特性，导致搭建成本较高，产品的一致性也会受到影响。
2、串联型化成分容电源构架
图6 串联型化成分容电源架构
串联型采用“一对多”方式进行化成，由于串联的电流大小相等，因此电芯化成一致性好，还可以节省20%~30%的生产成本，同时运维效率也能大大提高；然而，由于串联技术需要众多电芯串联在一起进行测试，对前道制造的电芯的一致性要求更高；同时，若串联中的某个电芯出现短路，可能会影响全盘电芯效果。
两级式转换拓扑是化成中运用较广的变换技术，它采用两级结构来实现高效的电能转换是由两个独立的DC-DC转换器组成，第一级转换器将输入电压转换为中间电压，第二级转换器则将中间电压转换为最终的输出电压。这种拓扑结构可以实现更高的电压转换效率和更宽的输入电压范围。
在两级式转换中，第一级转换器通常采用Boost电路或Buck电路，根据输入电压和输出电压的关系，将输入电压转换为中间电压。第二级转换器则采用隔离型拓扑结构，如Flyback、Push-Pull等，将中间电压转换为最终的输出电压。
总之，两级式转换是一种先进的DC-DC转换技术，通过两级结构的优化设计，实现了高效率、宽输入电压范围、高输出功率和高可靠性的特点。它在各种需要高效电源管理的场景中具有广泛的应用前景。
五、前景展望
化成分容电源系统为直流系统，结合国家大力发展新能源，许多行业配套均引入光伏、储能系统，能有效减少由于电能变换带来的损耗，同时也可以响应国家削峰填谷的战略发展，推动产业绿色化发展。
图7 化成分容电源系统
六、化成分容MAGTRON电流检测方案
1、MCSD-200D/NP--采用双电源闭环磁通门原理，0.1%的精度，配合化成分容厂家产线的校准，能达到0.05%的精度，满足化成分容的高精度检测需求。
2、MIT-200S--采用多闭环磁通门技术，在全温环境下达到0.05%的精度，适用于对精度要求更高的产线及实验室环境使用。
产品采用隔离式测量，适用于高压、大电流等环境，可靠性高，由于其坚固和耐用的设计，电流传感器可以在各种环境条件下稳定运行，无论是高温还是低温，干燥还是潮湿。此外，由于其较长的使用寿命和较低的故障率，使得电流传感器成为需要长时间运行和高度可靠的理想选择。
浙江巨磁智能技术有限公司是一家充满活力和创新精神的企业，拥有一支高素质的研发团队和管理团队，秉承“创新、品质、服务”的经营理念，不断推陈出新，产品和技术服务得到了广泛的应用和认可。公司通过不断的技术创新和市场拓展，赢得了客户的信任和好评，建立了良好的品牌形象和市场口碑。
图8 MAGTRON 电流检测解决方案
参考文献：
1. 动力电池化成分容用双向宽范围能量变换拓扑架构及其控制。作者：许国。
2. Class-D CMOS Oscillators。IEEE Journal of Solid-State Circuits。2013，48（12）：3105-3119。
3. 17.3 A 1.25GHz Fully Integrated DC-DC Converter Using Electromagnetically Coupled Class-D LC Oscillators。IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC)。2021。
4. 基于LLC谐振变换器的双向DC/DC变换器。期刊：《电力电子技术》。2020年第007期。
5. 四电平浮动交错Boost DC/DC变换器研究。郑征、安江伟。
6. 储能双向DC/DC变换器自适应充放电无缝切换策略。张勤进，牛淼，刘彦呈，曾宇基，陈龙。
