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运用PassThru技术延长储能系统寿命
 

【作者: ADI】2024年01月30日 星期二

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PassThru模式是一种控制器工作模式,能够让电源直接连接到负载。PassThru模式用於降压-升压或升压转换器中,以提升效率和电磁相容性。本文介绍采用PassThru技术的控制器相较於其他控制器的优势,以及PassThru模式如何延长储能系统的使用寿命,特别是超级电容的总执行时间。



延长电池的使用寿命,表示储能系统性能更强、执行时间更长、成本更低。通常有三种方法可以延长电池寿命:改良电池技术,设计更优良的元件,以及提供创新的能源管理系统。改善电池技术包括:为特定应用选择合适的电池,以及设计适当的电池管理系统来控制充电、调节温度并充分降低功耗。


设计更优良的元件需要考虑高效的硬体元件和稳健的韧体,这两者对於兼顾功能和寿命指标都是必不可少的。为了以智慧方式实现能耗优化,可以利用最新的电源管理系统,这些系统采用基於AI的演算法、新型拓扑结构和高效的转换器控制方法,例如PassThru模式和省电模式。


了解超级电容

将超级电容等储能元件与电池一起使用,可以使多种不同的应用场景受益。超级电容的优势包括:支援短时突发功率的快速充电和放电,更长的使用寿命,以及更高的整体系统效率。例如,超级电容非常适合快速储存能量和提供备用电源。超级电容可以承受极端温度环境条件,与电池配合使用时(例如在电动车中),超级电容有助於提高性能并延长电池寿命。此外,超级电容对环境更友好。



图一 : 24 V超级电容和锂聚合物电池在0.5 A负载下的典型放电特性比较。
图一 : 24 V超级电容和锂聚合物电池在0.5 A负载下的典型放电特性比较。

图一显示了超级电容与电池的不同之处。在相同额定电压下,6芯0.1Ah锂聚合物电池表现出电压源的特性,在整个运行期间能提供更稳定的电压。相较之下,当电流从2F超级电容流向负载时,电压线性下降。超级电容的此种线性放电特性需要更高效的系统来转换其能量。在如此场景下更适合使用降压-升压转换器功能,因为无论输入电压是低於还是高於设定的输出电压,该转换器都能适当调节并维持输出电压稳定。


什麽是PassThru模式?

PassThru技术是宽广输入供电元件的基本特性。相较於采用传统控制方式(标准降压-升压控制器)的系统,其可以提升效率并延长储能系统的使用寿命。直通(Passthrough)是指在预定义的电压视窗,输入直接传递到输出,好像发生了短路一样。


PassThru技术充当电源(例如超级电容)与负载之间的网路,确保电压在指定的可接受范围内调节。其提供从电源到负载的直通路径,以确保元件尽可能高效运行。PassThru模式是确保超级电容供电的元件实现优化效率的重要手段,因为其能减少超级电容的载入/卸载??圈,并改善元件的EMI和整体性能。


以PassThru模式延长储能系统寿命

四开关降压-升压转换器中的直通模式根据指定的视窗设定,提供从电源到输出负载的直通路径,如图二所示。输入直接传递到输出。如此可消除开关损耗,从而提升指定PassThru视窗的效率,并且还提高了电磁相容性,因为在PassThru模式下不会出现开关频率。


降压-升压转换器中的直通模式可提供弹性,因为其允许设定与升压输出电压不同的降压输出电压。这与只提供一个标称输出电压的典型降压-升压IC相反。当输入电压表现异常时,此特性还能保护负载。PassThru技术是LT8210的一种工作模式,该元件是市面上唯一具有此功能的降压-升压控制器IC。



图二 : 具有PassThru模式的降压-升压转换器电路图
图二 : 具有PassThru模式的降压-升压转换器电路图

图三显示DC2814A-A展示板在4 V至24 V输入电压和10%至80%负载下的效率曲线。该展示板采用LT8210,输入电压范围为4 V至40 V,满载电流为3 A,输出电压为8 V至16 V。相对於降压-升压操作,在PassThru模式下工作会使较高负载下的效率提升多达5%,较轻负载(例如10%电流负载)下的效率提升多达17%。因此,在轻负载运行条件下,PassThru模式实现了明显的性能改善。


值得注意的是,虽然LT8210的直通模式允许设定与降压输出电压不同的升压输出电压,但当输入电压在输出电压设定值附近时,仍会出现降压-升压区域。LT8210中出现该降压-升压区域的原因,在於相对於一个电感电流调节的降压和升压控制区域存在交集。



图三 : DC2814A-A效率曲线
图三 : DC2814A-A效率曲线

为了解PassThru模式的应用效果,我们可检视图四的系统。四开关降压-升压转换器用作负载点转换器的前置稳压器,负载点转换器也用於马达驱动器。虽然电源是24 V超级电容,但直流马达需要9 V输入电压和0.3 A输入电流。降压-升压转换器将采用PassThru模式,或采用传统四开关降压-升压控制器在连续导通模式(CCM)下运行。请注意,传统降压-升压控制没有PassThru模式,其只有降压、升压和降压-升压操作,如图三所示。


使用PassThru模式的系统将其升压输出电压设定为12 V,降压输出电压设定为27 V。如此,超级电容的启动电压就可以在通带限值以内。因此,从24 V到12 V超级电容电压,系统将经历PassThru模式。在此期间,效率达到99.9%。


请注意,转换器将经历降压-升压模式,导致效率骤降,然後进入升压模式。另一方面,在传统降压-升压控制方式下运行的系统则设定为以16 V的恒定输出电压运行。如此做法是为了将输出电压设定在通带限值设定的中点附近。



图四 : 超级电容供电的电机架构图
图四 : 超级电容供电的电机架构图

图五 : 支援PassThru模式的系统与传统CCM模式下运行的降压-升压转换器的效率比较。
图五 : 支援PassThru模式的系统与传统CCM模式下运行的降压-升压转换器的效率比较。

图五显示了两个降压-升压转换器的效率比较,电压从4 V到24 V,功率为2.7 W。相较於传统控制方式的系统,PassThru模式使效率提升了22%至27%。为了进一步验证两个系统的差异,利用ITECH IT6010C-80-300的电池模拟器功能对其进行了测试。使用以下设定来模拟超级电容回应,执行时间至少120秒:起始电压为24 V,结束电压为0 V,电荷为0.005 Ah,内阻为0.01 mΩ。


图六显示了两个系统的波形。通道1指示电池模拟器电压,通道2指示电机电压,通道3指示电机电流。PassThru模式控制的系统运行了224秒,而传统控制方式的系统仅运行了150秒。因此,我们观察到采用PassThru模式的系统执行时间增加了49%。



图六 : 超级电容供电电机的总执行时间
图六 : 超级电容供电电机的总执行时间

以下是使PassThru模式控制的系统效率更高的一些原因:


· PassThru模式消除了降压操作;


· 电池电压在特定的通带以内;


· 其设计为在轻负载下运行,侧重於降低开关损耗。


结论

PassThru技术是超级电容供电的元件实现优化性能的重要手段。相较於传统(CCM模式下降压-升压)控制方式的系统,采用具有PassThru模式的LT8210同步降压-升压控制器可以大幅优化超级电容供电元件的效率。


在本文的范例中,PassThru模式使效率提升了27%,并增加整个系统的总运行时间,从而将储能系统的执行时间延长了49%。


(本文作者Bryan Borres、Anthony Serquiña为ADI产品应用工程师)


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