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運用PassThru技術延長儲能系統壽命
 

【作者: ADI】   2024年01月30日 星期二

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PassThru模式是一種控制器工作模式,能夠讓電源直接連接到負載。PassThru模式用於降壓-升壓或升壓轉換器中,以提升效率和電磁相容性。本文介紹採用PassThru技術的控制器相較於其他控制器的優勢,以及PassThru模式如何延長儲能系統的使用壽命,特別是超級電容的總執行時間。



延長電池的使用壽命,表示儲能系統性能更強、執行時間更長、成本更低。通常有三種方法可以延長電池壽命:改良電池技術,設計更優良的元件,以及提供創新的能源管理系統。改善電池技術包括:為特定應用選擇合適的電池,以及設計適當的電池管理系統來控制充電、調節溫度並充分降低功耗。


設計更優良的元件需要考慮高效的硬體元件和穩健的韌體,這兩者對於兼顧功能和壽命指標都是必不可少的。為了以智慧方式實現能耗優化,可以利用最新的電源管理系統,這些系統採用基於AI的演算法、新型拓撲結構和高效的轉換器控制方法,例如PassThru模式和省電模式。


瞭解超級電容

將超級電容等儲能元件與電池一起使用,可以使多種不同的應用場景受益。超級電容的優勢包括:支援短時突發功率的快速充電和放電,更長的使用壽命,以及更高的整體系統效率。例如,超級電容非常適合快速儲存能量和提供備用電源。超級電容可以承受極端溫度環境條件,與電池配合使用時(例如在電動車中),超級電容有助於提高性能並延長電池壽命。此外,超級電容對環境更友好。



圖一 : 24 V超級電容和鋰聚合物電池在0.5 A負載下的典型放電特性比較。
圖一 : 24 V超級電容和鋰聚合物電池在0.5 A負載下的典型放電特性比較。

圖一顯示了超級電容與電池的不同之處。在相同額定電壓下,6芯0.1Ah鋰聚合物電池表現出電壓源的特性,在整個運行期間能提供更穩定的電壓。相較之下,當電流從2F超級電容流向負載時,電壓線性下降。超級電容的此種線性放電特性需要更高效的系統來轉換其能量。在如此場景下更適合使用降壓-升壓轉換器功能,因為無論輸入電壓是低於還是高於設定的輸出電壓,該轉換器都能適當調節並維持輸出電壓穩定。


什麼是PassThru模式?

PassThru技術是寬廣輸入供電元件的基本特性。相較於採用傳統控制方式(標準降壓-升壓控制器)的系統,其可以提升效率並延長儲能系統的使用壽命。直通(Passthrough)是指在預定義的電壓視窗,輸入直接傳遞到輸出,好像發生了短路一樣。


PassThru技術充當電源(例如超級電容)與負載之間的網路,確保電壓在指定的可接受範圍內調節。其提供從電源到負載的直通路徑,以確保元件盡可能高效運行。PassThru模式是確保超級電容供電的元件實現優化效率的重要手段,因為其能減少超級電容的載入/卸載迴圈,並改善元件的EMI和整體性能。


以PassThru模式延長儲能系統壽命

四開關降壓-升壓轉換器中的直通模式根據指定的視窗設定,提供從電源到輸出負載的直通路徑,如圖二所示。輸入直接傳遞到輸出。如此可消除開關損耗,從而提升指定PassThru視窗的效率,並且還提高了電磁相容性,因為在PassThru模式下不會出現開關頻率。


降壓-升壓轉換器中的直通模式可提供彈性,因為其允許設定與升壓輸出電壓不同的降壓輸出電壓。這與只提供一個標稱輸出電壓的典型降壓-升壓IC相反。當輸入電壓表現異常時,此特性還能保護負載。PassThru技術是LT8210的一種工作模式,該元件是市面上唯一具有此功能的降壓-升壓控制器IC。



圖二 : 具有PassThru模式的降壓-升壓轉換器電路圖
圖二 : 具有PassThru模式的降壓-升壓轉換器電路圖

圖三顯示DC2814A-A展示板在4 V至24 V輸入電壓和10%至80%負載下的效率曲線。該展示板採用LT8210,輸入電壓範圍為4 V至40 V,滿載電流為3 A,輸出電壓為8 V至16 V。相對於降壓-升壓操作,在PassThru模式下工作會使較高負載下的效率提升多達5%,較輕負載(例如10%電流負載)下的效率提升多達17%。因此,在輕負載運行條件下,PassThru模式實現了明顯的性能改善。


值得注意的是,雖然LT8210的直通模式允許設定與降壓輸出電壓不同的升壓輸出電壓,但當輸入電壓在輸出電壓設定值附近時,仍會出現降壓-升壓區域。LT8210中出現該降壓-升壓區域的原因,在於相對於一個電感電流調節的降壓和升壓控制區域存在交集。



圖三 : DC2814A-A效率曲線
圖三 : DC2814A-A效率曲線

為瞭解PassThru模式的應用效果,我們可檢視圖四的系統。四開關降壓-升壓轉換器用作負載點轉換器的前置穩壓器,負載點轉換器也用於馬達驅動器。雖然電源是24 V超級電容,但直流馬達需要9 V輸入電壓和0.3 A輸入電流。降壓-升壓轉換器將採用PassThru模式,或採用傳統四開關降壓-升壓控制器在連續導通模式(CCM)下運行。請注意,傳統降壓-升壓控制沒有PassThru模式,其只有降壓、升壓和降壓-升壓操作,如圖三所示。


使用PassThru模式的系統將其升壓輸出電壓設定為12 V,降壓輸出電壓設定為27 V。如此,超級電容的啟動電壓就可以在通帶限值以內。因此,從24 V到12 V超級電容電壓,系統將經歷PassThru模式。在此期間,效率達到99.9%。


請注意,轉換器將經歷降壓-升壓模式,導致效率驟降,然後進入升壓模式。另一方面,在傳統降壓-升壓控制方式下運行的系統則設定為以16 V的恆定輸出電壓運行。如此做法是為了將輸出電壓設定在通帶限值設定的中點附近。



圖四 : 超級電容供電的電機架構圖
圖四 : 超級電容供電的電機架構圖

圖五 : 支援PassThru模式的系統與傳統CCM模式下運行的降壓-升壓轉換器的效率比較。
圖五 : 支援PassThru模式的系統與傳統CCM模式下運行的降壓-升壓轉換器的效率比較。

圖五顯示了兩個降壓-升壓轉換器的效率比較,電壓從4 V到24 V,功率為2.7 W。相較於傳統控制方式的系統,PassThru模式使效率提升了22%至27%。為了進一步驗證兩個系統的差異,利用ITECH IT6010C-80-300的電池模擬器功能對其進行了測試。使用以下設定來模擬超級電容回應,執行時間至少120秒:起始電壓為24 V,結束電壓為0 V,電荷為0.005 Ah,內阻為0.01 mΩ。


圖六顯示了兩個系統的波形。通道1指示電池模擬器電壓,通道2指示電機電壓,通道3指示電機電流。PassThru模式控制的系統運行了224秒,而傳統控制方式的系統僅運行了150秒。因此,我們觀察到採用PassThru模式的系統執行時間增加了49%。



圖六 : 超級電容供電電機的總執行時間
圖六 : 超級電容供電電機的總執行時間

以下是使PassThru模式控制的系統效率更高的一些原因:


‧ PassThru模式消除了降壓操作;


‧ 電池電壓在特定的通帶以內;


‧ 其設計為在輕負載下運行,側重於降低開關損耗。


結論

PassThru技術是超級電容供電的元件實現優化性能的重要手段。相較於傳統(CCM模式下降壓-升壓)控制方式的系統,採用具有PassThru模式的LT8210同步降壓-升壓控制器可以大幅優化超級電容供電元件的效率。


在本文的範例中,PassThru模式使效率提升了27%,並增加整個系統的總運行時間,從而將儲能系統的執行時間延長了49%。


(本文作者Bryan Borres、Anthony Serquiña為ADI產品應用工程師)


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