【導(dǎo)讀】從電動(dòng)汽車、摩托艇到光伏裝置和數(shù)據(jù)中心，電池供電系統(tǒng)正蓬勃發(fā)展。目前的趨勢(shì)主要是增加系統(tǒng)的運(yùn)行電壓以縮減系統(tǒng)尺寸、重量或增加負(fù)載的可用功率。在寬輸入功率器件的不斷進(jìn)步下，處在這股潮流最前線的是從 12V 轉(zhuǎn)換到 24V 的應(yīng)用。
所有電動(dòng)汽車 (EV)，包括純電動(dòng)汽車 (BEV)，都使用傳統(tǒng)的 12V 鉛酸電池來(lái)作為無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和警報(bào)系統(tǒng)的獨(dú)立電源，因?yàn)樵谥鳡恳姵睾谋M時(shí)這些系統(tǒng)仍要持續(xù)運(yùn)作。除此之外，電池還為安全氣囊系統(tǒng)、安全帶張緊器和儀表板供電，因?yàn)槿羰褂貌煌碾妷哼€需要重新認(rèn)證，不但費(fèi)時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。
在 ICE（內(nèi)燃機(jī)）汽車中，鉛酸電池也用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。輕型摩托車和摩托車的電池為 6 伏，大多數(shù)汽車是 12 伏，重型卡車通常是 24 伏。可以發(fā)現(xiàn)這些是6V的倍數(shù)但這并非巧合。在電池的世界里有許多不同的化學(xué)類型（即鉛酸、鋰離子、磷酸鐵鋰等），而最基本的單元是單電池，可以具有 1-4V 范圍內(nèi)的浮動(dòng)開(kāi)路電壓（標(biāo)稱）。因此，將許多電池組合在一起會(huì)產(chǎn)生更高的電壓并稱為電池組（尤其與保護(hù)電路組合時(shí)），但更常簡(jiǎn)稱為電池。串聯(lián)電池可以獲得所需的輸出電壓，也可以并聯(lián)來(lái)加大輸出電流。
鉛酸電池的電壓為 2V，因此串聯(lián)三個(gè)電池將提供 6V，六個(gè)電池提供 12V，十二個(gè)電池提供 24V。軍用車輛和飛機(jī)上的鉛酸電池使用 14 節(jié)電池來(lái)提供28V軍用標(biāo)準(zhǔn)電源。鋰離子電池的電壓為 2.4至3V，因此六組鋰離子電池可為便攜式電鉆和其他車間設(shè)備提供 18V 典型電池電壓。
一般來(lái)說(shuō)，重型應(yīng)用（大電流）通常采用鉛酸電池因?yàn)橹亓繘](méi)有價(jià)格來(lái)得重要，而注重快速充電和輕量化的應(yīng)用更傾向鋰離子化學(xué)物質(zhì)，但電池化學(xué) （以及概括的儲(chǔ)能）可能比這種過(guò)于簡(jiǎn)化的解釋來(lái)得更加微妙且「多變」，因此建議參考更詳細(xì)的信息，可從此 RECOM 博客[1] 開(kāi)始。
雖然電池供電應(yīng)用最常見(jiàn)的電壓是 6、12 和 18V，但其他的領(lǐng)域越來(lái)越將總線電壓向上推到 24 和 48V。下一節(jié)將詳細(xì)介紹會(huì)在各種使用案例看到這種趨勢(shì)的背后原因。
既然12V 電池更常見(jiàn)，為何不繼續(xù)使用？
12V 的鉛酸電池確實(shí)比 24V 或 48V普遍，因此也比電壓更高的替代方案來(lái)得便宜也更容易取得。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)重型電池可提供數(shù)百安培的電流，但由于線束的載流能力有限，最大持續(xù)電流被限制在 100A 左右，進(jìn)而將最大可用功率限制在 1,200W 上下。
如下方的方程所示，功率與電流和電壓成正比，但與電阻路徑（例如電線）中的電流呈指數(shù)比例。
方程 1 – 瓦特定律，其中 P 為功率，I 為電流，V 為電壓
方程 2 – 歐姆定律，其中 V 為電壓，I 為電流，R 為電阻
當(dāng)瓦特定律與歐姆定律結(jié)合在一起時(shí)，電流對(duì)功耗的指數(shù)效應(yīng)變得更加明顯。在到達(dá)端負(fù)載之前，電線的電阻會(huì)導(dǎo)致功耗和電壓降。
方程 3 – 計(jì)算功率損耗，其中 P 為功率，I 為電流，R 為電阻
從中可以得出以下結(jié)論：
● 功率不變的情況下，電壓加倍能使電流減半。
● 將電流減半意味著系統(tǒng)僅需一半的電流處理能力，因此減小導(dǎo)體尺寸也能維持相同的功率。
● 將同一導(dǎo)體中的電流減半會(huì)使沿路的電壓降減半，從而向端負(fù)載提供更高的電壓（提高系統(tǒng)效率）。
● 電流減半能讓導(dǎo)體長(zhǎng)度加倍并維持相同的電壓降。
● 將同一導(dǎo)體中的電流減半能讓配電網(wǎng)功耗只有四分之一。
雖然世界正迅速轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，但內(nèi)燃機(jī)汽車至少在接下來(lái)的 20 年內(nèi)持續(xù)投入生產(chǎn)，因此在 2050 年以后仍會(huì)在大馬路上，而在這個(gè)期間創(chuàng)新會(huì)持續(xù)前進(jìn)。隨著電動(dòng)調(diào)整、自適應(yīng)懸掛等技術(shù)的發(fā)展，汽車將繼續(xù)以技術(shù)為主以實(shí)現(xiàn)在所有道路條件下提供完美的駕駛體驗(yàn)。更復(fù)雜的空調(diào)控制、機(jī)械泵將被電動(dòng)和渦輪增壓器取代，以及即時(shí)怠速啟停系統(tǒng)等，這些都非常耗電而且超出標(biāo)準(zhǔn) 12 V 電池的供電能力。
ICE 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的 48V 電池系統(tǒng)能提供 5kW 功率，但仍被歸類為安全特低電壓 (SELV)，意思是傳統(tǒng)的布線絕緣和技師的安全培訓(xùn)足以降低觸電風(fēng)險(xiǎn)（在大多數(shù)使用情況下，所有低于 60V 的直流電壓都可被視為「安全的」）。大型車輛和其他形式的電池供電交通工具也可能有非常大量的電線而導(dǎo)致總重量增加，但應(yīng)該注意的是電線重量對(duì)燃油車和電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)一樣重要。有時(shí)候使用高電壓的理由是能減少銅用量。將這些重量和成本上的節(jié)省，以及使用更高電壓電池組實(shí)現(xiàn)的節(jié)省加在一起，可以在持久度方面發(fā)生顯著的變化（無(wú)論是指燃料還是電池壽命）。
這些因素都顯現(xiàn)在本文列出實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值主張。無(wú)論是增加功率處理、縮減系統(tǒng)尺寸、提高能效、縮小電線尺寸、支持更長(zhǎng)走線，或是可靠性等因素，更高的總線電壓都具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。
那么24V 或 48V 電池通常會(huì)應(yīng)用在哪些地方呢？不同類型的電動(dòng)機(jī)都是很好的選擇。小型電機(jī)，例如手動(dòng)工具、漁船、高爾夫球車、輪椅或踏板車，往往著重在整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量，由于大多是非連接的因此支撐電池和相關(guān)功率器件或電源線的重量就會(huì)消耗大量的電池電量。在另一端，工業(yè)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往是任何行業(yè)總能源足跡的最大消費(fèi)者[2]，因此要強(qiáng)調(diào)的是在這個(gè)領(lǐng)域還有很多改善空間和提高能源效率的機(jī)會(huì)。
除了電機(jī)之外還有多種電氣系統(tǒng)受益于高電壓電池。光伏 (PV) 就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)樘?yáng)能電池陣列可以模塊化，像電池一樣可以為陣列和應(yīng)用提供大小合適的能量存儲(chǔ)。24 或 48V 離網(wǎng)方案可以提供足夠的峰值功率來(lái)為山間小屋、偏遠(yuǎn)的氣象站或手機(jī)基站供電，同時(shí)有足夠的電池容量在陰天時(shí)為關(guān)鍵系統(tǒng)供電數(shù)天。
將上述幾種應(yīng)用融合起來(lái)的現(xiàn)象已越來(lái)越普遍。更大的船只不僅受益于更高的電池電壓，采用 PV 也會(huì)帶來(lái)更多的好處。同樣的概念也適用于休閑車 (RV)，由于 COVID-19 疫情，休閑車的銷量出現(xiàn)了驚人的大幅增長(zhǎng)。使用大量冗余和電池電源的軍事和高可靠性應(yīng)用從12V 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成 24 或 48V 系統(tǒng)的情況會(huì)越來(lái)越普遍。RECOM 也提供適合船舶應(yīng)用的 48V 電池供電交流逆變器，可產(chǎn)生三相 115VAC，輸出功率為 1,200VA。
當(dāng)電池要為敏感的電子設(shè)備或無(wú)線電發(fā)射器供電時(shí)，是否能夠提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源就變得十分重要。電壓調(diào)節(jié)器必須高效以最大限度地利用存儲(chǔ)能量，也要具有較寬的輸入電壓范圍以應(yīng)對(duì)充滿電的電池和完全放電的電池的差異，并且在許多情況下，需要具有電流隔離的輸出以避免接地環(huán)路干擾，或保護(hù)設(shè)備免受負(fù)載突降電壓浪涌以及雷擊或外部電磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電壓瞬變的影響。一般來(lái)說(shuō)，在環(huán)境中暴露越多，所需的隔離等級(jí)就要越高。
更寬的輸入電壓范圍 = 更寬的應(yīng)用范圍
RECOM 為板級(jí)電源提供多種低成本、超小型的非隔離穩(wěn)壓器如 RPM 和 RPX 系列，特別適合具有寬輸入電壓范圍、極高效率和超低待機(jī)功耗的電池供電設(shè)備。RECOM 也提供具有 4:1 輸入電壓范圍的隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，適用于 12 / 24V 系統(tǒng)（9 – 36V）或 24 / 48V 系統(tǒng)（18 – 75V）。如果需要通用解決方案，RPA150E 系列采用八分之一磚封裝，在 9-60VDC 的輸入電壓范圍提供 150W 穩(wěn)壓隔離輸出，涵蓋 12 / 18 / 24 和 48V 電池組電壓。它是隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器并帶有內(nèi)部平面變壓器，所以還能當(dāng)作 24V或48V總線穩(wěn)壓器，無(wú)論輸入電壓比輸出更高、更低或者一樣，都能提供恒壓和防短路輸出。
更高的總線電壓和功能豐富的功率器件結(jié)合起來(lái)可以進(jìn)一步讓更多不同種類的應(yīng)用受益。計(jì)算應(yīng)用也可以享有上述好處（連接和非連接皆是，即數(shù)據(jù)中心和筆記本電腦）。舉例來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)服務(wù)器可能會(huì)耗盡備用電池的電量，因此面對(duì)一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)下降的高恒定負(fù)載，能量存儲(chǔ)越靠近負(fù)載的位置（無(wú)論是物理還是電壓水平）對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化和減輕能量 OPEX 就越有利，因?yàn)?OPEX 通常是影響數(shù)據(jù)中心總擁有成本 (TCO) 的原因。這可以透過(guò)系統(tǒng)前端的備用電池單元 (BBU) 實(shí)現(xiàn)，無(wú)須轉(zhuǎn)換時(shí)間以儲(chǔ)能的形式為負(fù)載供應(yīng)重要的備用電源。
結(jié)論
正如 12V 電池提供了通往 24V 解決方案的途徑一樣，24V 電池也會(huì)為48V 開(kāi)辟一條道路。一般來(lái)說(shuō)，將電池整合到更高電壓的電池組中應(yīng)該會(huì)減少包裝開(kāi)銷并只增加價(jià)值主張；而現(xiàn)在24V 電池正好處在 12V 和 48V 總線之間的最佳位置。
就如公用電網(wǎng)一樣，幾乎所有的大型系統(tǒng)都可以在不斷被推得更高的配電電壓中獲得好處。
文獻(xiàn)
[1] RECOM, “What is energy storage?” RECOM Blog, Nov 4, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-what-is-energy-storage--233.html
[2] IEA, “Motor-driven system electricity use as a share of electricity use by industry subsector,” IEA, Paris,https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/motor-driven-system-electricity-use-as-a-share-of-electricity-use-by-industry-subsector (accessed January 3, 2023).
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