直通模式让储能续航更持久

2023年07月28日

作者

Boris Wang

文章来源

Cytech Engineer

直通模式让储能续航更持久

储能技术与能效优化问题

储能是当前工业领域最具增长价值的业务方向之一，全行业的技术人员都致力于构建更优质的储能方案。在电池储能方式中，提高电池的能效、让其续航更长久是最直接的能效优化手段。储能电池的能效高低取决于其储存和释放电能的效率：从电池本身材料来看，能效越高，储能电池储存的电能损失越少，可使用的电能就越充足。一般储能电池的能效在 70% 以上被认为是高效的，当然这也取决于具体的储能电池类型和使用环境。

除此之外，降低电池充放电过程的转换损失，也是有效提升储能能效的方法之一。储能电池的充放电一般需要设计精良的电路系统，包括电池管理、电压转换、温度控制等环节。为了更好地进行电路转换效率优化，就需要更高效的转换器方案、更新的电源拓扑结构和更先进的软件控制算法，ADI 提供的直通模式 (PassThru) 电源转换方案具有显著的效率提升效果。

锂电池与超级电容协同储能

得益于超级电容的优质特性，目前我们已将锂离子电池与超级电容协同并用于储能，这种前沿的方式具有三种明显优势：(1) 能实现爆发式快速充放电；(2) 整体储能系统使用寿命更长；(3) 高系统能效比。它是一种快速充放电的器件，并且环境适应性较强，能在极端高低温下工作。超级电容与锂电池结合，已成功应用于电动汽车、大规模工业储能领域中，以提升储能系统的整体环境适应性。

下图 (图1) 显示了锂电池与超级电容放电特性的区别。图中两者使用了相同的工作电压，进行 0.5A 电流放电。可以观察到，锂电池表现出较强的电压稳定特性，而超级电容表现出电压线性下降。因此将超级电容应用于储能场景时就需要高效率的电压变换电路，让系统在超级电容电压大范围变化时持续输出稳定的电压。

图1 24V的锂电池与超级电容间放电特性对比 — *图1 24V 的锂电池与超级电容间放电特性对比*

直通模式带来革命性效率提升

直通模式 (PassThru) 是 ADI 最新的电源技术，它专门为宽输入电压范围的系统而生。与传统的升降压 (buck-boost) 方案相比，它的综合转换效率大大提升。直通模式的电路通常会设置一个窗口电压范围，当输入电压进入窗口范围时，电路会控制将输入与输出端直接连通。PassThru 技术是超级电容与储能输出之间的电源网络，得益于直通带来的 “零” 损耗，超级电容的充放电反应速度更快、电路系统的 EMI 表现也更好。

图2 buck-boost电路的直通模式 — *图2 buck-boost 电路的直通模式*

直通模式 (PassThru) 最经常应用在升降压 (buck-boost) 电路中，如上图 (图2) 所示，PassThru 是指电流分别直接流经 buck 电路上管、功率电感、boost 电路上管，然后达到输出端负载。由于没有任何开关能量变换过程，整条链路的损耗基本上只有 mos 管导通电阻、电感直流阻抗等，一般而言这个效率能够达到 99.9%。LT8210 是 ADI 推出的一款具备 PassThru 模式的 buck-boost 电源控制器，如下图 (图3) 所示，它具备非常宽的输入电压范围，具体工作原理可查阅 LT8210 数据手册。

LT8210 的 ADI 官方演示板型号为 DC2814A-A，其演示板的工作效率图形如下图 (图4) 所示。可以观察到，测试输入电压范围是 4V-24V，直通模式窗口电压设定在 8V-16V，试验是在 10%-80% 不同带载强度情况下进行的。演示板的直通模式电流能力约为 3A，直通模式下随着负载电流增大，效率也会有 5% 的提升。在 10% 轻载情况下，电路一旦进入直通模式，能带来 17% 的效率提升，因此证明越是轻载情况，PassThru 技术带来的效率提升越明显。

图4 LT8210演示板的效率表现 — *图4 LT8210 演示板的效率表现*

轻载续航表现试验

为了验证 PassThru 技术带来的储能续航持久性优点，本文以 9V 轻载直流电机作为 24V 超级电容负载进行试验。如下图 (图5) 所示是该测试的电源树图，对 24V 超级电容的后端使用 LT8210 方案，设定输出窗口电压为 12V-24V，而后连接一个 9V 输出的降压电路，最终的 9V 负载电机的工作电流为 0.3A，相对而言是较轻负载。

下图 (图6) 为 LT8210 电路分别打开、关闭 PassThru 功能情况下的效率对比，从图可以看出，当关闭 PassThru 时，LT8210 始终在常规 CCM 模式下工作，当输入电压高于 12V 时，PassThru 模式的效率要比 CCM 模式提高至多 27%。

接下来可以从电参数的时间轴波形角度看两种情况的效率表现，如下图 (图7) 所示。其中横轴是时间轴，纵轴波形分别为超级电容电压、电机工作电压、电机工作电流。首先从波形的持续时间看，在打开 PassThru 功能情况下，有明显更久的续航时间，提高了约 49%。虽然超级电容电压持续下降并最终归零，但电机的工作电压始终稳定在 9V，这得益于 LT8210 的升压功能，它能够最大程度利用超级电容最后的能量。

图7 LT8210分别开闭PassThru的系统续航表现 — *图7 LT8210 分别开闭 PassThru 的系统续航表现*

总结与展望

PassThru 技术能够提升超级电容器供电设备的能效表现，显著增加续航时间，非常适合超级电容锂电池协同型的储能设备。与传统的 buck-boost 电路相比，具有 PassThru 模式的 LT8210 方案可以极大地优化超级电容的续航能力。此外，由于 PassThru 避免了功率电路开关控制过程，系统的整体 EMI 表现也会非常出色。若您对 LT8210 等 PassThru 技术的电源方案感兴趣或欲了解更多技术细节和咨询产品方案，请点击下方「联系我们」，提交您的需求，我们澳门人巴黎人1797公司愿意为您提供更深入的讲解与介绍。