2000V高壓儲(chǔ)能趨勢(shì)下，磁環(huán)如何實(shí)現(xiàn)高低溫衰減≤12%

儲(chǔ)能電壓將從1500V提升到2000V，儲(chǔ)能系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的絕緣耐壓水平需要提高，對(duì)其中的非晶納米晶材料提出什么要求？維愛(ài)普又是如何滿足的？

十五年前，600V 的系統(tǒng)電壓是組件的主流產(chǎn)品。五年前至今，1500V 的系統(tǒng)電壓成為了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)電壓標(biāo)準(zhǔn)。陽(yáng)光電源、上能電氣、華為等企業(yè)已經(jīng)相繼布局1500V高壓儲(chǔ)能系統(tǒng)，并且延續(xù)向更高壓（如2000V）演進(jìn)的態(tài)勢(shì)。

如何提高儲(chǔ)能銷(xiāo)量、確保儲(chǔ)能的安全性和可靠性是當(dāng)前儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)面臨的重要問(wèn)題。就材料選型而言，需要選擇耐高壓、低損耗、高可靠性、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料。

儲(chǔ)能集裝箱圖源：包圖網(wǎng)

一、非晶納米晶材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及難點(diǎn)

在高壓儲(chǔ)能領(lǐng)域，行業(yè)內(nèi)使用軟磁鐵氧體和金屬軟磁粉芯比較多，但鐵氧體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）僅0.4-0.5T，且溫度穩(wěn)定性差，在80℃以上時(shí)Bs值衰減超過(guò)30%，導(dǎo)致高溫工況下儲(chǔ)能器件體積需額外增大40%以上。金屬軟磁粉芯材料高頻損耗較大，且鐵芯繞線時(shí)容易碎裂。

而非晶納米晶材料在高頻低損耗、高功率密度（Bs高）、寬溫域等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，逐漸成為高壓儲(chǔ)能領(lǐng)域的新興材料。該材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用集中于電力電子轉(zhuǎn)換的核心環(huán)節(jié)，主要包括：

一是DC-DC 變換器的濾波電感與共模電感：用于抑制高頻噪聲，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性；

二是LLC 電路變壓器 / 電感：通過(guò)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）和低損耗特性，優(yōu)化能量傳輸效率；

三是輸入輸出端電感：在高壓化趨勢(shì)下，需承受更大電流應(yīng)力，非晶納米晶材料的抗飽和能力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料。

然而，非晶納米晶材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用仍存在多維度挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：

在高頻損耗與熱管理方面，高壓化導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率提升，材料需在高頻下保持低損耗，避免過(guò)熱失效。

在抗飽和與環(huán)境穩(wěn)定性方面，大功率場(chǎng)景下，材料易因不平衡電流進(jìn)入飽和狀態(tài)，需兼顧高Bs 與抗直流偏置能力。

在環(huán)境適應(yīng)性方面，需通過(guò)鹽霧腐蝕、溫濕度循環(huán)（-40℃~+85℃，濕度 95% RH）等測(cè)試，確保材料在復(fù)雜工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

在異形結(jié)構(gòu)適配方面，儲(chǔ)能模塊小型化要求磁芯結(jié)構(gòu)多樣化（如E-I 型、階梯式或組合型），非晶納米晶材料難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)需求。

在與新型器件的協(xié)同優(yōu)化方面，SiC/GaN 器件開(kāi)關(guān)速度達(dá) 100V/ns，需材料高頻響應(yīng)能力（截止頻率 > 1MHz）與之匹配。納米晶材料的高電阻率（1.2μΩ?cm）可有效降低渦流損耗。

“實(shí)際上，納米晶材料現(xiàn)在在很多場(chǎng)景的性能都是有冗余的，相較于性能能做得多么好，我們目前更關(guān)注如何提高材料穩(wěn)定性，降低客戶的生產(chǎn)成本。我們的優(yōu)勢(shì)是在高磁導(dǎo)率狀態(tài)下，依然保持良好的溫度穩(wěn)定性，并且繞線后的性能衰減明顯更小?！惫駛ケ硎尽?/p>

相比于材料本身的限制，非晶納米晶行業(yè)目前的主要痛點(diǎn)在于：納米晶材料的標(biāo)準(zhǔn)化難度較大，且客戶對(duì)納米晶材料的了解有限，許多仿真軟件中甚至未包含納米晶材料的選項(xiàng)。并且在設(shè)計(jì)端印象中納米晶材料價(jià)格比較高，設(shè)計(jì)的時(shí)候不會(huì)考慮。

實(shí)際上，盡管納米晶材料的初始成本相對(duì)較高，但由于其能夠有效減少元件體積、降低銅線用量，并減少散熱處理成本，綜合來(lái)看其成本可能更具優(yōu)勢(shì)。

他補(bǔ)充道：“因此，相較于單純追求性能的極致提升，當(dāng)前我們的戰(zhàn)略更傾向于拓寬材料的應(yīng)用范圍，提高材料的穩(wěn)定性，使其適用于更多場(chǎng)景，從而更好的發(fā)揮納米晶材料的優(yōu)勢(shì)，為客戶解決設(shè)計(jì)上的實(shí)際問(wèn)題?！?/p>

二、雙低納米晶儲(chǔ)能解決方案

維愛(ài)普作為一家專(zhuān)業(yè)電磁兼容服務(wù)商，儲(chǔ)能一直是其重點(diǎn)關(guān)注市場(chǎng)。在高壓儲(chǔ)能領(lǐng)域，維愛(ài)普的非晶納米晶產(chǎn)品主要應(yīng)用在以下幾個(gè)部位：

1.高頻LLC電感：軟磁材料Bs（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）越高，磁芯抗飽和能力越強(qiáng)；Hc（矯頑力）越低，磁滯損耗越小。納米晶環(huán)形磁芯（Bs=1.2T@25℃/1kHz）較Mn-Zn鐵氧體（Bs=0.4T）提升3倍，配合低矯頑力（Hc<0.5A/m），在 100kHz/0.2T工況下鐵損低于50kW/m3，實(shí)現(xiàn)體積減少40%、效率提升2.3%以上。通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粉末靜電涂裝提升絕緣強(qiáng)度（耐壓>5kV），適配1500V高壓系統(tǒng)。

2.抗飽和濾波電感：針對(duì)高壓化趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)μ=＜500低磁導(dǎo)率納米晶磁芯，通過(guò)恒溫、恒速度、恒張力退火工藝精準(zhǔn)調(diào)控磁導(dǎo)率，在 100A 直流偏置下電感量下降 < 10%，滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流紋波的要求。

3.EMI濾波共模電感/線束磁環(huán)：閉環(huán)磁芯結(jié)構(gòu)配合寬頻阻抗特性（10kHz-10MHz），有效濾除高頻噪聲，提升系統(tǒng)EMC性能。

針對(duì)前文提到的難題，維愛(ài)普有以下方案：

1.高頻低損耗磁環(huán)技術(shù)開(kāi)發(fā)

采用0.018mm以下厚度的納米晶薄帶化設(shè)計(jì)，降低渦流損耗。同時(shí)通過(guò)精確退火，將晶粒尺寸控制在10~15nm，可使磁滯損耗降低20%左右。

2.熱管理與應(yīng)力穩(wěn)定性

雖然納米晶的居里溫度比較高（550℃以上），但目前的納米晶磁環(huán)125℃以上時(shí)普遍會(huì)有20%左右的磁導(dǎo)率衰減，超過(guò)了材料本身磁導(dǎo)率溫度衰減（125℃衰減6%左右）。

3.耐高壓與環(huán)境穩(wěn)定性

傳統(tǒng)的非晶、納米晶磁環(huán)一般需要加外殼、噴漆或者是環(huán)氧樹(shù)脂粉末靜電噴涂來(lái)保護(hù)磁環(huán)和提供絕緣強(qiáng)度，近年來(lái)因?yàn)樾⌒突?、集成化的?wèn)題，裝盒的占比減少。而噴漆會(huì)有環(huán)保的問(wèn)題，所以噴涂的占比越來(lái)越高。

維愛(ài)普開(kāi)創(chuàng)性的使用了高分子鍍膜方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴漆和噴涂，在涂層厚度不超過(guò)0.1mm的情況下可達(dá)到6kV以上耐壓，并且膜層的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，已通過(guò)鹽霧腐蝕（ISO 9227）、溫濕度循環(huán)（-40℃~+85℃，濕度 95% RH）等測(cè)試，可確保磁環(huán)在復(fù)雜工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

從左到右依次是：未處理過(guò)磁環(huán)、鍍膜后磁環(huán)、裝外殼磁環(huán)

三、高低溫下感量變化≤12%

如何應(yīng)對(duì)高壓高頻挑戰(zhàn)

在高電壓趨勢(shì)下，儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)Ψ蔷Ъ{米晶的需求呈現(xiàn)出以下三種趨勢(shì)：

一是高頻化與小型化：隨著SiC/GaN器件的普及，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作頻率提升至MHz級(jí)別，要求材料具備更低損耗和更高磁導(dǎo)率。同時(shí)要配合元件集成的要求，縮小磁環(huán)體積。

二是低成本化：隨著規(guī)?；瘧?yīng)用，對(duì)磁元件和磁環(huán)廠家的成本控制要求也更嚴(yán)格。

三是環(huán)境穩(wěn)定性：極端環(huán)境下磁導(dǎo)率波動(dòng)需控制在±20%以內(nèi)；需要通過(guò)鹽霧試驗(yàn)。

目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)正朝高壓化趨勢(shì)發(fā)展（如2000V系統(tǒng)），這對(duì)非晶納米晶材料提出了新要求。

首先，2000V系統(tǒng)對(duì)磁芯絕緣層的耐壓要求顯著提升，2000V系統(tǒng)磁芯絕緣需通過(guò)6kV/1min工頻耐壓測(cè)試，并且需要通過(guò)濕熱循環(huán)測(cè)試（85℃/85% RH，持續(xù)1000小時(shí)）。

其次，由于2000V系統(tǒng)母線電流可高達(dá)數(shù)百安培，材料的抗飽和能力也需要進(jìn)一步強(qiáng)化，并且要求具備低磁致伸縮系數(shù)（小于2ppm），以有效減少振動(dòng)和噪聲。

此外，磁環(huán)的形狀不再局限于傳統(tǒng)的環(huán)形，還需要滿足更多樣化的適配性要求。

針對(duì)上述趨勢(shì)，通過(guò)材料創(chuàng)新、工藝革新及產(chǎn)業(yè)協(xié)同等方式，全面布局應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能高壓化、高頻化挑戰(zhàn)。

在材料創(chuàng)新方面，公司正著手開(kāi)發(fā)適用于3MHz以上高頻場(chǎng)景的超低損耗納米晶材料，同時(shí)持續(xù)改良工藝，推動(dòng)國(guó)內(nèi)納米晶磁環(huán)的高溫穩(wěn)定性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并規(guī)劃探索下一代復(fù)合磁材技術(shù)，包括探索Fe-Co基非晶/納米晶復(fù)合材料（Bs＞1.6T）、石墨烯復(fù)合技術(shù)以及其他軟磁材料復(fù)合技術(shù)等。

在工藝革新上，引入磁性能預(yù)測(cè)模型，優(yōu)化退火工藝參數(shù)，有效縮短研發(fā)周期。

此外，在標(biāo)準(zhǔn)化與生態(tài)協(xié)同方面，聯(lián)合頭部企業(yè)制定高壓儲(chǔ)能磁芯的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋耐壓等級(jí)、高頻損耗測(cè)試方法等，并與半導(dǎo)體廠商聯(lián)合開(kāi)發(fā)高頻磁-電協(xié)同設(shè)計(jì)方案，以提升系統(tǒng)能效。

四、結(jié)語(yǔ)

建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)峰谷套利，還能有效平抑電網(wǎng)供需波動(dòng)，該市場(chǎng)已成為眾多資本競(jìng)相布局的熱點(diǎn)領(lǐng)域。而我們的技術(shù)布局不僅著眼于滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，更致力于通過(guò)3-5年的前瞻性研發(fā)，為行業(yè)未來(lái)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。

展望未來(lái)，具備高頻低損耗、耐高壓、高穩(wěn)定性以及低成本特性的非晶納米晶材料企業(yè)，有望在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，贏得更多發(fā)展機(jī)遇。

審核編輯 黃宇