为什么使用PassThru技术有助于延长储能系统寿命

摘要

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模式用于降压-升压或升压转换器中,以提高效率和电磁兼容性1,2。本文介绍了采用PassThru技术的控制器相比其他控制器的优势,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运行时间。

简介

延长电池的使用寿命,意味着储能系统性能更强、运行时间更长、成本更低。通常有三种方法可以延长电池寿命:改进电池技术,设计更优良的器件,以及提供创新的能源管理系统。改进电池技术包括: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。设计更优良的器件需要考虑高效的硬件元件和稳健的固件,这两者对于更好地兼顾功能和寿命指标都是必不可少的。为了以智能方式实现能耗优化,可以利用最新的电源管理系统,这些系统采用基于AI的算法、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

将超级电容等储能器件与电池一起使用,可以使多种不同的应用场景受益3。超级电容的优势包括:支持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(例如在电动汽车中),超级电容有助于提高性能并延长电池寿命。此外,超级电容对环境更友好4

图1.24 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1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。相比之下,当电流从2F超级电容流向负载时,电压线性下降。超级电容的这种线性放电特性需要更高效的系统来转换其能量。在这种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于还是高于设定好的输出电压,该转换器都能适当地调节并维持输出电压稳定。

什么是PassThru模式?

PassThru技术是宽输入供电器件的基本特性。与采用传统控制方式(标准降压-升压控制器)的系统相比,它可以提高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窗口,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)与负载之间的网络,确保电压在指定的可接受范围内调节。它提供从电源到负载的直通路径,以确保器件尽可能高效地运行。PassThru模式是确保超级电容供电的器件实现优化效率的重要手段,因为它能减少超级电容的加载/卸载循环,并改善器件的EMI和整体性能。

PassThru模式如何延长储能系统寿命

四开关降压-升压转换器中的直通模式根据指定的窗口设置,提供从电源到输出负载的直通路径,如图2所示。输入直接传递到输出。这样可消除开关损耗,从而提高指定PassThru窗口的效率,并且它还提高了电磁兼容性,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灵活性,因为它允许设置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,具体说明参见文章 "为汽车电子系统提供保护和供电,无开关噪声,效率高达99.9%"1 。PassThru技术是 LT8210的一种工作模式,该器件是市场上唯一具有此功能的降压-升压控制器IC。有关PassThru模式功能的更多详细信息,参见文章 具有PassThru功能的四开关降压-升压控制器可消除开关噪声"。

图2.具有PassThru模式的降压-升压转换器电路图。

欲了解LT8210的PassThru工作模式,可以参阅其 数据手册 或演示板的效率曲线。图3显示了DC2814A-A演示板在4 V至24 V输入电压和10%至80%负载下的效率曲线。该演示板采用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。相对于降压-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模式实现了显著的性能改进。

值得注意的是,虽然LT8210的直通模式允许设置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置值附近时,仍会出现降压-升压区域。LT8210中出现该降压-升压区域的原因在于,相对于一个电感电流调节的降压和升压控制区域存在交集。

图3.DC2814A-A效率曲线。

为了解PassThru模式的应用效果,我们来看图4中的系统。四开关降压-升压转换器用作负载点转换器的前置稳压器,负载点转换器也用作电机驱动器。虽然电源是24 V超级电容,但直流电机需要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。它只有降压、升压和降压-升压操作,如图3所示。

使用PassThru模式的系统将其升压输出电压设置为12 V,降压输出电压设置为27 V。这样,超级电容的启动电压就可以在通带限值以内5。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,然后进入升压模式。另一方面,在传统降压-升压控制方式下运行的系统则设置为以16 V的恒定输出电压运行。这样做是为了将输出电压设置在通带限值设置的中点附近。

图4.超级电容供电的电机框图。
图5.支持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5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。与传统控制方式的系统相比,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的电池仿真器功能对其进行了测试。使用以下设置来仿真超级电容响应,运行时间至少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6显示了两个系统的波形。通道1指示电池仿真器电压,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模式的系统运行时间增加了49%。

图6.超级电容供电电机的总运行时间。

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;
  • 电池电压在文章 "两级多输出汽车LED驱动器架构"5 推荐的通带以内;以及
  • 它设计为在轻负载下运行,侧重于降低开关损耗。

结论

PassThru技术是超级电容供电的器件实现优化性能的重要手段。与传统(CCM模式下降压-升压)控制方式的系统相比,采用具有PassThru模式的LT8210同步降压-升压控制器可以大大优化超级电容供电器件的效率。在本文的示例中,PassThru模式使效率提高了27%,并增加了整个系统的总运行时间,从而将储能系统的运行时间延长了49%。

参考电路

1David Megaw。 “为汽车电子系统提供保护和供电,无开关噪声,效率高达99.9%”。《模拟对话》,第54卷第1期,2020年2月。

2Frederik Dostal。 “使用降压-升压稳压器实现直通操作”。ADI公司,2021年11月。

3Srdjan M. Lukic、Jian Cao、Ramesh C. Bansal、Fernando Rodriguez和Ali Emadi。 “Energy Storage Systems for Automotive Applications(面向汽车应用的储能系统)”。《IEEE工业电子会刊》,第55卷,第6期,2008年6月。

4Supercapacitors Could Be Key to a Green Energy Future(超级电容可能是绿色能源未来的关键)”。国家科学基金会,2008年7月。

5Satyaki Mukherjee、Alihossein Sepahvand、Vahid Yousefzadeh、Montu Doshi和Dragon Maksimović。 “A Two-Stage Multiple-Output Automotive LED Driver Architecture(两级多输出汽车LED驱动器架构)”。2020年IEEE能源转换大会暨博览会(ECCE),2020年10月。

作者

Bryan Borres

Bryan Borres

Bryan Angelo Borres于2022年10月加入ADI公司,担任MMP-East的产品应用工程师。他拥有马普阿大学电力电子研究生学位。Bryan在开关电源设计研发领域拥有超过四年的工作经验。

Anthony Serquina

Anthony Serquiña

Anthony Serquiña是ADI菲律宾公司的高级应用开发工程师。他毕业于菲律宾碧瑶市圣路易斯大学,获电子和通信工程学士学位。他在电力电子领域拥有超过14年的经验,包括电源管理IC开发以及AC-DC和DC-DC前端电源转换。他于2018年11月加入ADI公司,目前负责支持工业应用的电源管理需求。他在ADI信号链电源(SCP)硬件和软件平台的开发中发挥了重要作用。