【導(dǎo)讀】從電動(dòng)汽車(chē)、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(xiàn)的是從 12V 轉(zhuǎn)換到 24V 的應(yīng)用。
所有電動(dòng)汽車(chē) (EV)，包括純電動(dòng)汽車(chē) (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(chē)中，鉛酸電池也用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。輕型摩托車(chē)和摩托車(chē)的電池為 6 伏，大多數(shù)汽車(chē)是 12 伏，重型卡車(chē)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(lèi)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(chēng)）。因此，將許多電池組合在一起會(huì)產(chǎn)生更高的電壓并稱(chēng)為電池組（尤其與保護(hù)電路組合時(shí)），但更常簡(jiǎn)稱(chēng)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)）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(xiàn)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(chē)，但內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)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(chē)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(chē)的 48V 電池系統(tǒng)能提供 5kW 功率，但仍被歸類(lèi)為安全特低電壓 (SELV)，意思是傳統(tǒng)的布線(xiàn)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(chē)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(xiàn)而導(dǎo)致總重量增加，但應(yīng)該注意的是電線(xiàn)重量對(duì)燃油車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)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(xiàn)尺寸、支持更長(zhǎng)走線(xiàn)，或是可靠性等因素，更高的總線(xiàn)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(lèi)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(chē)、輪椅或踏板車(chē)，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(xiàn)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(chē) (RV)，由于 COVID-19 疫情，休閑車(chē)的銷(xiāo)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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?xún)?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(xiāo)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(xiàn)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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