幾十年來，可充電電池一直被用來儲存電能。根據(jù)加斯頓?普蘭特 （Gaston Planté） 于 1859 年發(fā)明的維基百科，許多應(yīng)用都配備了鉛酸電池。它們很重，但使用簡單。免維護的 AGM 或 EFP 電池不僅使使用更輕松、更安全，而且提高了電流和存儲性能以及使用壽命。

充電相對簡單，現(xiàn)代設(shè)備在開始充電過程之前使用微處理器檢查電池的類型和狀態(tài)。通過使用多相溫控充電算法，可以最大限度地延長電池的使用壽命（圖 1）。

圖 1：多相充電算法可避免電池過載或過熱。充電器可以隨時連接到電池

干電池用于許多行動和掌上型裝置，但工具等應(yīng)用需要更多的能量和更輕的解決方案。鎳鎘電池具有更高的功率密度和電流能力，并且已經(jīng)以現(xiàn)有的干電池形式提供。但充電電流被限制在 C/5 或 C/10 左右（C = 標稱容量，單位為 Ah），需要 10 小時或更長時間。從理論上講，它們提供了更多的充電周期，但記憶效應(yīng)往往會縮短使用壽命。自放電率為每月10-20%。

鎘是有毒的，多年前在許多國家被禁止，并被鎳氫電池取代。它們堅固耐用，更能抵抗過度充電或深度放電。記憶效應(yīng)和自放電明顯較低，但對于行動裝置來說仍然不理想。幾個小時內(nèi)的快速充電需要更復雜的充電器。

鋰離子電池提供更高的能量密度，每月自放電率僅為1-2%，并且沒有記憶效應(yīng)。它們還可以承受更寬的環(huán)境溫度范圍，是手機和筆記本電腦的理想解決方案。如今，它們已成為許多應(yīng)用的首選。

可以以 0.5C 到 1C 的速率進行快速充電，但相位不同（圖 2）。

圖 2：鋰離子電池的典型充電階段

鋰會著火，開采起來有問題。研究了基于其他危險性較小且易于開采的材料的電池拓撲結(jié)構(gòu)，并提供不同的能量密度、更快的充電速度或更低的成本。它們都有一個共同點，即管理充電過程和監(jiān)控每個電池的狀態(tài)對于安全和長壽命至關(guān)重要。

幾十年來，測量電池的充電狀態(tài)（SoC）一直是一項重大挑戰(zhàn)。對于鉛酸電池，使用電壓與充電曲線在某種程度上是準確的，但對于其他電池材料，放電曲線相當平坦（圖3）。數(shù)值還取決于技術(shù)、充電循環(huán)次數(shù)和電池使用年限。

圖 3：不同電池拓撲的典型電壓與放電曲線

使用模擬電路測量充電和放電階段的電流很復雜，但使用微控制器和電流傳感器則很容易。通過這種稱為庫侖計數(shù)的過程，可以計算SoC，并且方程可以包括電池損耗、老化、自放電和溫度。

電池管理系統(tǒng)（BMS）監(jiān)控電池狀態(tài)，避免在安全操作區(qū)域之外進行任何操作。它們控制充電過程，平衡每個電池中存儲的能量，監(jiān)控充電狀態(tài)和溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并報告任何異常情況。圖 4 顯示了 BMS 系統(tǒng)的簡化框圖

圖 4：數(shù)組中的每個電池或電池塊都受到監(jiān)控和控制，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央電池管理系統(tǒng)

在低功耗應(yīng)用中監(jiān)測幾個電池很容易，但在具有數(shù)百kWh或數(shù)MWh的大型數(shù)組以及大量串聯(lián)和并聯(lián)的電池中，這是一個真正的挑戰(zhàn)。這些裝置（圖 5）用于儲存可再生能源園區(qū)的盈余，平衡交流電網(wǎng)，或充當關(guān)鍵裝置的 UPS（不間斷電源）。

圖5：帶電池管理系統(tǒng)的大型儲能系統(tǒng)

如圖4所示，必須對每個電池進行監(jiān)控，并且電路需要由12V或24V總線產(chǎn)生的單獨隔離電源電壓。聽起來像是一個簡單的設(shè)計挑戰(zhàn)，可以通過低功耗、標準轉(zhuǎn)換器模塊來解決。

但對于數(shù)百個串聯(lián)電池的大功率應(yīng)用，整個電池組的電壓可以達到 600 - 800 伏，需要加強隔離。大多數(shù) 24Vin DC/DC電源轉(zhuǎn)換器專為需要 500V 或 1600V 隔離電壓的典型工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計。

為避免隔離材料的退化和失效，允許連續(xù)施加的工作電壓遠低于隔離電壓，并由安全標準定義（圖 6）。這些值還取決于應(yīng)用類型和環(huán)境條件。

圖 6：工業(yè)應(yīng)用的典型隔離電壓

600 - 800Vdc 的電池組需要在DC/DC電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)設(shè)置3000Vac（或4243Vdc）的增強隔離柵，這對于許多只有1600V隔離的標準轉(zhuǎn)換器來說太高了。但是，具有 3kVac 隔離的轉(zhuǎn)換器真的滿足要求嗎？

這些大型電池系統(tǒng)連接到交流電網(wǎng)，靠近風力渦輪機、太陽能公園或變電站。它們暴露在高瞬態(tài)下，應(yīng)符合 OVC III（過電壓類別 III）的要求，要求 400Vac 三相電源具有 4kV 隔離電壓。

雖然這些OVC類別是針對交流應(yīng)用而設(shè)計的，但有助于找到直流電池的解決方案。遺憾的是，在制造商網(wǎng)站上搜索具有 4kVac 隔離的工業(yè)DC/DC電源轉(zhuǎn)換器時，通常沒有匹配項

但是，在有些市場中，最高的隔離屏障至關(guān)重要。連接到醫(yī)療設(shè)備的患者必須受到保護，免受任何電擊，因此該市場對隔離和泄漏電流的要求非常嚴格。

醫(yī)療標準定義了不同的患者保護手段（MOP）和操作員（MOOP）。連接到患者和侵入性系統(tǒng)的設(shè)備必須滿足2 MOPP（兩種患者保護手段），隔離電壓為4kVac。為本標準指定的轉(zhuǎn)換器可用于上述BMS系統(tǒng)。

P-DUKE 擁有各種DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，可滿足這些2MOPP要求，并提供更高的 5kVac 隔離電壓。功率等級從1W到60W的全套產(chǎn)品系列提供單路和雙路輸出。憑借5V至75V的各種輸入電壓范圍，它們可以部署在所有不同的應(yīng)用中。使用P-DUKE網(wǎng)站上的產(chǎn)品搜索功能可以很容易地找到合適的解決方案。

圖 7：P-DUKE 擁有一套非常全面的醫(yī)療級DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，具有單路和雙路輸出，功率水平從1W到60W不等

例如，MPD30-24S12W是一款具有9 -36輸入和12V輸出的30W轉(zhuǎn)換器，可以從12V或24V總線為連接到電池或電池數(shù)組的BMS電路創(chuàng)建單獨的隔離電源電壓。

醫(yī)療標準還要求泄漏電流在微安范圍內(nèi)，爬電距離為8mm。這是轉(zhuǎn)換器內(nèi)部輸入和輸出之間沿隔離材料的最短距離。與電容器類似，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部隔離的材料（ε0）和厚度（d）定義了輸入到輸出的電容：

材料越厚，距離越寬，輸入和輸出之間的電容就越低。雖然在系統(tǒng)中使用一個或兩個轉(zhuǎn)換器并不重要，但在大型 BMS 系統(tǒng)中組合數(shù)百個不同電壓等級的轉(zhuǎn)換器時，它成為一個重要因素。交流電壓、瞬態(tài)和噪聲可以跨越這些隔離柵進行耦合。它不僅會干擾高度敏感的測量或通信設(shè)備，還會導致高壓交流電源產(chǎn)生高而危險的泄漏電流。

讓我們比較一個實際的例子。P-DUKE 的醫(yī)療轉(zhuǎn)換器 MPD30 的隔離電容僅為 20pF。即使對于1MHz的傳感器信號，這也意味著8kΩ的高阻抗。標準工業(yè)轉(zhuǎn)換器的隔離電容可以超過1500pf。這高出 75 倍，1Mhz 信號的阻抗降至僅 107Ω。當許多轉(zhuǎn)換器并聯(lián)時，總電容和阻抗可以達到噪聲耦合的臨界值，也可以達到這些柵極跨越的交流漏電流的臨界值。

在一個應(yīng)用中有 100 個醫(yī)療級轉(zhuǎn)換器，總電容僅為 2nF，根據(jù)公式 I = U*2*π*f*C，400V/50Hz 應(yīng)用中的泄漏電流僅為0.25μA。

使用工業(yè)級轉(zhuǎn)換器時，總電容為150nF，漏電流將增加到19mA左右。雖然還不是致命的，但它會引起嚴重的電擊。與系統(tǒng)中其他設(shè)備的漏電流一起，可以跳閘 35mA RCD 斷路器（剩余電流斷路器）。

與醫(yī)療應(yīng)用一樣，可靠性是電池存儲系統(tǒng)的另一個重要因素。P-DUKE 的 MPD30 電源轉(zhuǎn)換器系列專為實現(xiàn)最高可靠性而設(shè)計，MTBF 值大于 100 萬小時（滿載時為 MIL-HDBK-217F）。P-DUKE 還為這些醫(yī)療設(shè)備提供 5 年產(chǎn)品保修，比許多其他轉(zhuǎn)換器制造商的 2 年保修要長得多。

你有沒有想過我們?yōu)槭裁凑f：健康電池的醫(yī)療電源轉(zhuǎn)換器？需要高度復雜的BMS系統(tǒng)來保證如此大型電池組的安全和持久運行。這些應(yīng)用具有挑戰(zhàn)性，但憑借 P-DUKE 的醫(yī)療電源轉(zhuǎn)換器和強大的技術(shù)支持，可以解決這些應(yīng)用，以確保健康的運行和長的使用壽命。

原文鏈接：https://www.pduke.com.cn/sc/news_detail5_137.htm

MPD30產(chǎn)品資料: https://www.pduke.com.cn/sc/product_list322.htm

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