為什么使用直通技術(shù)可以幫助延長儲能系統(tǒng)的使用壽命

Bryan Borres 和 Anthony Serqui?a

直通? mode 是一種控制器操作，使電源能夠直接連接到負(fù)載。直通模式用于降壓-升壓或升壓轉(zhuǎn)換器，以提高效率和電磁兼容性。1,2本文介紹了配備直通技術(shù)的控制器相對于其他控制器的優(yōu)勢，以及直通模式如何延長儲能系統(tǒng)的使用壽命，特別是超級電容器的總工作時間。

介紹

延長電池壽命意味著提高系統(tǒng)性能、延長工作時間和降低成本。通常，實現(xiàn)這一目標(biāo)的三種方法是改進(jìn)電池技術(shù)、設(shè)計更好的設(shè)備和創(chuàng)新能源管理系統(tǒng)。改進(jìn)電池技術(shù)包括為特定應(yīng)用選擇合適的電池，并設(shè)計適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電池管理系統(tǒng)來控制充電、調(diào)節(jié)溫度并最大限度地減少損耗。設(shè)計更好的設(shè)備涉及考慮高效的硬件組件和強(qiáng)大的固件，這兩者都是實現(xiàn)功能和壽命的最佳平衡所必需的。為了智能地優(yōu)化能耗，可以利用最新的電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于AI的算法、更新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和高效的轉(zhuǎn)換器控制方法，如直通模式和節(jié)能模式。

了解超級電容器

將超級電容器等儲能設(shè)備與電池一起使用可以使不同的用例受益。3優(yōu)點包括快速充電和放電，以實現(xiàn)短時間的功率爆發(fā)、更長的使用壽命和更高的整體系統(tǒng)效率。例如，超級電容器非常適合快速存儲能量和提供備用電源。它們可以承受極端的溫度和條件。當(dāng)與電池結(jié)合使用時，如電動汽車，超級電容器有助于提高性能并延長電池壽命。此外，超級電容器對環(huán)境更好。4

圖1.24 V超級電容器和鋰聚合物電池在0.5 A負(fù)載下的典型放電特性比較。

圖1顯示了超級電容器與電池的區(qū)別。在相同的額定電壓下，6芯0.1 Ah鋰聚合物電池具有電壓源的特性，因為它為其整個運(yùn)行提供了更穩(wěn)定的電壓。相反，當(dāng)電流從2法拉超級電容器流向負(fù)載時，電壓線性下降。超級電容器的這種線性放電特性需要更高效的系統(tǒng)來轉(zhuǎn)換其能量。此時最好使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的功能，因為它可以正確調(diào)節(jié)輸出電壓，無論輸入電壓是低于還是高于輸出電壓設(shè)置。

什么是直通模式？

直通技術(shù)是 寬輸入供電設(shè)備的基本 功能。與采用傳統(tǒng)控制（標(biāo)準(zhǔn)降壓-升壓控制器）的系統(tǒng)相比，它可以提高效率并延長儲能系統(tǒng)的使用壽命。當(dāng)在預(yù)定義的電壓窗口下，輸入直接傳遞到輸出時，就會發(fā)生直通，就好像它像短路線一樣。直通技術(shù) 充當(dāng)電源（如超級電容器） 和負(fù)載之間的 網(wǎng)絡(luò)，確保電壓調(diào)節(jié)在指定的可接受范圍內(nèi)。它通過提供從電源到負(fù)載的直接路徑來確保設(shè)備盡可能高效地運(yùn)行。直通模式是確保任何超級電容器供電設(shè)備的最佳效率的重要組成部分，因為它減少了超級電容器的加載/卸載周期，并改善了EMI和器件的整體性能。

直通模式如何延長儲能系統(tǒng)的使用壽命

4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的直通模式根據(jù)指定的窗口設(shè)置提供從電源到輸出負(fù)載的直接路徑，如圖2所示。輸入直接傳遞到輸出。這通過消除開關(guān)損耗提高了指定直通窗口的效率，并且還提高了電磁兼容性，因為在直通模式下不會出現(xiàn)開關(guān)頻率。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的直通模式提供了靈活性，因為它提供了設(shè)置與升壓輸出電壓不同的降壓輸出電壓的選項。這與只有一個標(biāo)稱輸出電壓的典型降壓-升壓IC相反。當(dāng)輸入電壓異常時，此功能還可以保護(hù)負(fù)載，如文章“以無開關(guān)噪聲和99.9%的效率保護(hù)和供電汽車電子系統(tǒng)”中所述。1直通技術(shù)是LT8210的一種工作模式，LT4是市場上唯一具有此功能的降壓-升壓控制器IC。有關(guān)直通模式功能的更多詳細(xì)信息，請參閱具有直通功能的<>開關(guān)降壓-升壓控制器消除開關(guān)噪聲一文。

圖2.具有直通模式的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器電路圖。

要了解LT8210的直通模式操作，可以參考其數(shù)據(jù)手冊或演示板的效率曲線。圖3顯示了DC2814A-A演示板從4 V至24 V輸入電壓和10%至80%負(fù)載掃描時的效率曲線。該演示板利用LT8210，采用4 V至40 V輸入電壓供電，滿載電流為3 A，輸出電壓為8 V至16 V。 在直通模式下工作將在較重負(fù)載下將效率提高多達(dá)5%，在較輕負(fù)載（例如以降壓-升壓操作為基準(zhǔn)時為17%電流負(fù)載時）的效率將提高10%。因此，在輕負(fù)載工作條件下，直通模式提供了顯著的改進(jìn)。

值得注意的是，雖然LT8210的直通模式允許設(shè)置與降壓輸出電壓不同的升壓輸出電壓，但當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓設(shè)置時，會出現(xiàn)降壓-升壓區(qū)域。LT8210 中存在的這種降壓-升壓區(qū)域是由于降壓和升壓控制區(qū)域相對于一個電感電流調(diào)節(jié)的交集。

圖3.DC2814A-A 效率曲線。

要了解直通模式的應(yīng)用效果，請考慮圖 4 中的系統(tǒng)。4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用作負(fù)載點轉(zhuǎn)換器的前置穩(wěn)壓器，該轉(zhuǎn)換器也用作電機(jī)驅(qū)動器。雖然電源是24 V超級電容器，但直流電機(jī)需要9 V和0.3 A的輸入規(guī)格。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將利用直通模式或傳統(tǒng)的4開關(guān)降壓-升壓控制，工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。請注意，傳統(tǒng)的降壓-升壓控制沒有直通模式。它僅具有降壓、升壓和降壓-升壓操作，如圖3所示。

使用直通模式的系統(tǒng)將其升壓輸出電壓設(shè)置為12 V，而降壓輸出電壓設(shè)置為27 V。這允許超級電容器的啟動電壓在通帶限制內(nèi)。5因此，系統(tǒng)將經(jīng)歷24 V至12 V超級電容器電壓的直通模式。在此期間，效率達(dá)到99.9%。請注意，轉(zhuǎn)換器將經(jīng)歷降壓-升壓模式，導(dǎo)致效率下降，然后進(jìn)入升壓模式。另一方面，在傳統(tǒng)降壓-升壓控制下運(yùn)行的系統(tǒng)已設(shè)置為在16 V的恒定輸出電壓下工作。這樣做是為了將輸出電壓設(shè)置在通帶限制設(shè)置的中點附近。

圖5.直通系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCM操作的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率比較。

圖5顯示了兩個降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在4.24 W時從2 V掃描至7 V時的效率比較，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，直通模式將效率提高了22%至27%。為了進(jìn)一步驗證這兩個系統(tǒng)的差異，使用ITECH的IT6010C-80-300的電池仿真器功能對其進(jìn)行了測試。以下設(shè)置用于模擬運(yùn)行時間至少為120秒的超級電容器響應(yīng)：啟動電壓為24 V，結(jié)束電壓為0 V，電荷為0.005 Ah，內(nèi)阻為0.01 mΩ。圖6顯示了兩個系統(tǒng)的波形。通道 1 是指電池仿真器電壓，通道 2 是指電機(jī)電壓，通道 3 是指電機(jī)電流。PassThru控制系統(tǒng)運(yùn)行224秒，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)僅運(yùn)行150秒。因此，觀察到使用直通模式的系統(tǒng)工作時間增加了49%。

圖6.超級電容器供電電機(jī)的總運(yùn)行時間。

以下是使直通控制系統(tǒng)更高效的一些要點：

直通模式消除了降壓操作;

電池電壓在通帶內(nèi)，如文章“兩級多輸出汽車LED驅(qū)動器架構(gòu)”中所建議的5;和

它設(shè)計為在輕負(fù)載下工作，重點是開關(guān)損耗。

結(jié)論

直通技術(shù)是任何超級電容器供電設(shè)備中實現(xiàn)最佳性能的重要組件。與傳統(tǒng)（CCM 操作的降壓-升壓）控制系統(tǒng)相比，利用配備直通模式的 LT8210 同步降壓-升壓控制器可以極大地優(yōu)化超級電容器供電型器件的效率。在我們的示例中，直通模式的效率提高了27%，并增加了整個系統(tǒng)的總運(yùn)行時間，從而將儲能系統(tǒng)的運(yùn)行時間延長了49%。

審核編輯：郭婷