【導(dǎo)讀】在節(jié)能減碳的大背景下,全球能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻的變化,其中一個重要的標(biāo)志就是,以鋰離子電池(以下簡稱鋰電池)為代表的儲能技術(shù),將在未來的能源基礎(chǔ)設(shè)施中扮演著重要的角色。
在節(jié)能減碳的大背景下,全球能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻的變化,其中一個重要的標(biāo)志就是,以鋰離子電池(以下簡稱鋰電池)為代表的儲能技術(shù),將在未來的能源基礎(chǔ)設(shè)施中扮演著重要的角色。
在可以預(yù)見的未來,無論是驅(qū)動新能源汽車的動力電池,還是方興未艾的能源儲存系統(tǒng)中的儲能電池,都將迎來一個令人興奮的“牛市”。根據(jù)波士頓咨詢公司與中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的聯(lián)合研究報告,預(yù)計到2030年,全球鋰電池的需求規(guī)模將達(dá)到4太瓦時(TWh)。
不可或缺的BMS系統(tǒng) 伴隨著鋰電池應(yīng)用的發(fā)展,另一個技術(shù)的重要性也越發(fā)凸顯出來,這就是電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS通常會與鋰電池包集成在一起,作為管理和監(jiān)控鋰電池的中樞,監(jiān)控電池的狀態(tài),防止電池出現(xiàn)過充電和過放電等情況,確保電池安全可靠地工作,并盡可能延長電池的使用壽命。具體來講,BMS的主要功能包括: 狀態(tài)監(jiān)測 對電池組的SOC(荷電狀態(tài))、SOP(功率狀態(tài))和SOH(健康狀態(tài))等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地測量和估算,為更優(yōu)的控制決策提供依據(jù)。 能量均衡 電池組中單個電池之間性能表現(xiàn)的差異,會對電池的壽命和系統(tǒng)的使用產(chǎn)生不良影響,能量均衡就是通過彌補(bǔ)電池個體之間的差異,確保其一致性,以延長電池組整體使用壽命。 保護(hù)功能 BMS通常會提供可靠的過充、過放、過流、過溫、低溫保護(hù),以及多級故障診斷保護(hù),以確保在發(fā)生故障時做出快速響應(yīng)。 數(shù)據(jù)通信 通過有線或者無線方式,BMS可以與主控單元以及其他車載設(shè)備,或者是云端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)更智能化的管理。
由此不難看出,BMS就是對鋰電池進(jìn)行監(jiān)測、分析、控制、反饋的一整套自動化控制系統(tǒng),是確保電池組高效和安全運(yùn)作不可或缺的一環(huán)。隨著鋰電池市場的快速發(fā)展,BMS的應(yīng)用版圖也在不斷擴(kuò)大,如何打造出適應(yīng)市場發(fā)展要求的BMS解決方案,也就成了一個核心課題。
圖1:通用汽車充電系統(tǒng)中,BMS是不可或缺的一環(huán)(圖源:Bourns)
BMS系統(tǒng)中的磁性元件 作為一個典型的功率電子系統(tǒng),BMS的開發(fā)中自然少不了磁性元件的支撐。 磁性元件雖然看上去不起眼,卻是功率電子系統(tǒng)重要的組成要素之一,它們通常由繞組和磁芯構(gòu)成,承擔(dān)著儲能、能量轉(zhuǎn)換及電氣隔離等工作。常見的磁性元件包括變壓器和電感器兩大類,前者主要扮演變壓、濾波、儲能的角色,后者則承擔(dān)著平滑電源信號、解決EMI噪聲等任務(wù)。 想要開發(fā)出一款優(yōu)秀的BMS方案,磁性元件的選型和應(yīng)用是少不了的功課。 結(jié)合BMS的典型應(yīng)用場景,比如車載動力電池組中BMS(如圖1)的設(shè)計需求,我們可以大體描畫出BMS設(shè)計中理想磁性元件的樣子:
高效率
通過先進(jìn)的材料、設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝,實現(xiàn)超低的DC電阻,提供更高的效率,這是衡量磁性元件性能優(yōu)劣的一個硬指標(biāo)。
小型化
更緊湊的外形,可滿足當(dāng)今功率電子系統(tǒng)更高頻率開關(guān)的要求,且能夠有效應(yīng)對系統(tǒng)復(fù)雜性增加、設(shè)計空間受限等挑戰(zhàn)。
低EMI噪聲
磁性元件(如功率電感)工作時,會產(chǎn)生EMI噪聲,如何有效防止電磁波的“外泄”,是磁性元件設(shè)計和應(yīng)用時的一個重要考量因素。
熱管理
一方面要通過提升效率減小熱應(yīng)力的影響,另一方面要求元件自身具有更佳的溫度穩(wěn)定性,這對于功率系統(tǒng)整體的熱管理優(yōu)化大有裨益。
穩(wěn)健性和可靠性
確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行,更大限度地延長產(chǎn)品壽命,這是鋰電池和BMS系統(tǒng)典型應(yīng)用場景的要求。
安全性
由于鋰電池系統(tǒng)會采用高壓電池,因此需要有更多安全性方面的考量(比如高壓和低壓域之間的可靠隔離),以避免人員或電路受到安全威脅。這就需要磁性元件在實現(xiàn)更緊湊設(shè)計的同時,還要符合UL和IEC隔離、爬電距離和間隙等安全標(biāo)準(zhǔn)。
作為全球知名的元器件廠商,Bourns擁有超過50年的磁性元件開發(fā)經(jīng)驗,可提供包括變壓器、功率電感、大電流共模扼流圈等在內(nèi)非常豐富的磁性產(chǎn)品組合,滿足BMS系統(tǒng)設(shè)計中電源轉(zhuǎn)換、隔離、EMC、信號完整性和功率密度等規(guī)格要求。
在下文中,我們將向大家介紹三款來自Bourns的產(chǎn)品,借此一起探究高效、安全、可靠的功率系統(tǒng)設(shè)計,該選擇什么樣的磁性元件。
SRP大電流功率電感器 功率電感器是穩(wěn)壓器拓?fù)渲械闹匾M件,在DC-DC轉(zhuǎn)換器中,每個調(diào)節(jié)電源的電路都需要一個電感器,以實現(xiàn)存儲能量、平順直流電源、濾除電路噪聲等作用。 具體到BMS的設(shè)計中,功率電感器的選型和應(yīng)用面臨著三方面的挑戰(zhàn):首先,它需要能夠滿足更大功率的要求,支持更大的電流;其次,還要有抑制EMI的能力,滿足汽車和工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中嚴(yán)苛的EMC設(shè)計要求;再有,在外形上也要更為緊湊,為有限空間應(yīng)用設(shè)計提供更大的靈活性。 按照上述的設(shè)計要求選型,Bourns SRP系列大電流功率電感器無疑是一個理想的選擇。歸納起來,SRP系列功率電感器的“過人之處”體現(xiàn)在: 具有獨(dú)特的磁屏蔽結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)低EMI輻射,因此無需在電路系統(tǒng)中使用額外的屏蔽罩,節(jié)省空間和成本。 采用了扁平導(dǎo)線結(jié)構(gòu),有助于降低DCR電阻,實現(xiàn)更高的效率。 采用金屬合金粉末磁芯,支持大飽和電流,非常適合于大電流、高功率應(yīng)用。 同時,扁平導(dǎo)線和粉末磁芯,也有利于實現(xiàn)更緊湊的外形,節(jié)省系統(tǒng)空間。 基于高溫分級材料制成,具有更出色的溫度穩(wěn)定性,支持高達(dá)150°C的工作溫度。 總而言之,SRP系列功率電感器采用了先進(jìn)的材料和結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)高效和超低DC電阻,以及緊湊高效的封裝(元件高度范圍從1mm至7mm),屏蔽式的設(shè)計還優(yōu)化了EMI特性——這對于BMS這種控制電路和功率電路毗鄰的設(shè)計,十分必要??梢哉f,SRP系列功率電感器集上述多種優(yōu)勢于一身,在BMS磁性元件選型時,是不可錯過的一顆料。
圖2:SRP大電流功率電感器(圖源:Bourns)
高效高安全性的隔離變壓器 在BMS設(shè)計中,推挽式隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器因其出色的特性——如更穩(wěn)定的輸入電流、更少的輸入線路噪聲,以及高功率應(yīng)用中的高效率——成為了一種常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。想要實現(xiàn)推挽式低壓隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,一款高效而安全的推挽式變壓器肯定少不了。 Bourns符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的HCT系列電源變壓器,就是為此應(yīng)用而生的。
圖3:HCT系列電源變壓器(圖源:Bourns)
HCT系列變壓器具有3.3V至5V的輸入范圍,并提供3.3V至15V、高達(dá)350mA的輸出,可配置為各種匝數(shù)比。該系列電源變壓器采用鐵氧體環(huán)形磁芯,具有高耦合系數(shù)和高效率。 特別值得一提的是,由于采用了創(chuàng)新的爬電距離路徑設(shè)計,在緊湊的封裝中增加了電流路徑長度,這種新型的電源變壓器雖然外形緊湊,外殼高度僅有6.5mm,卻可提供增強(qiáng)絕緣、至少8mm的電氣間隙/爬電距離,以及5kVAC的耐壓,能夠滿足高規(guī)格的高壓隔離要求。 圖4:HCT系列變壓器采用創(chuàng)新的爬電距離路徑設(shè)計,獲得了8mm的爬電距離(圖源:Bourns) 簡而言之,HCT系列高壓隔離推挽變壓器符合AEC-Q200、IEC 60950-1、IEC 62368-1以及IEC 60664-1等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為BMS中需要低直流功率與高壓隔離的場景提供了一種理想解決方案。
高性能BMS信號變壓器
從BMS的工作原理來看,它需要將電池狀態(tài)、數(shù)據(jù)和命令通過有線接口與主控CPU進(jìn)行通信,這些數(shù)據(jù)和信息的交互,是BMS實現(xiàn)高效、可靠閉環(huán)控制的關(guān)鍵。不幸的是,鋰電池組的高電壓,加上應(yīng)用環(huán)境(如電動汽車動力系統(tǒng))中存在的大量電磁干擾,都會對BMS數(shù)據(jù)通信造成不良影響。為了實現(xiàn)BMS與主控CPU之間的可靠通信,就需要能夠提供高壓隔離和EMI抑制的BMS信號變壓器登場了。 Bourns的SM91501AL BMS信號變壓器是一款雙通道隔離變壓器模塊,支持串行菊花鏈/isoSPI,具有1600VDC工作電壓,4300VDC隔離電壓和-40°C至+125°C的擴(kuò)展工作溫度范圍。該信號變壓器集成了用于噪聲抑制的共模扼流圈,能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的信號的完整性。 SM91501AL符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)和RoHS指令,并且已經(jīng)應(yīng)用在Analog Devices和NXP的多款BMS參考設(shè)計中,經(jīng)過了實際應(yīng)用的驗證,有助于節(jié)省開發(fā)時間并大幅降低設(shè)計風(fēng)險。
圖5:SM91501AL BMS信號變壓器(圖源:Bourns)
本文小結(jié) 在可以預(yù)見的未來,BMS市場將伴隨著鋰電池應(yīng)用的發(fā)展,進(jìn)入一個快速上升通道,這也為相關(guān)的元器件帶來新的商機(jī)。對于功率電子系統(tǒng)中不可或缺的磁性元件,更是如此。 當(dāng)然,能夠搭上BMS市場快車的磁性元件產(chǎn)品,需要滿足一系列特殊的設(shè)計要求,在效率、熱性能、EMI特性、小型化設(shè)計、可靠性和安全性等方面,必須有異于通用產(chǎn)品的突出優(yōu)勢。 Bourns依托數(shù)十年的專業(yè)積累,可以為BMS設(shè)計提供完整的磁性元件產(chǎn)品組合。通過本文的介紹,你應(yīng)該能夠體會到:想要開發(fā)出高效、安全、可靠,具有競爭力的BMS產(chǎn)品,從中選出你心儀的物料,就對了! 文章來源:貿(mào)澤電子
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
低壓MOS在光伏優(yōu)化器(MPPT)上的應(yīng)用
自動緊急制動系統(tǒng)(AEB) 提案已落后于最新的汽車解決方案嗎?
模數(shù)轉(zhuǎn)換 – 性能標(biāo)準(zhǔn)