为什么使用直通技术可以帮助延长储能系统的使用寿命

Bryan Borres 和 Anthony Serquiña

直通™ mode 是一种控制器操作，使电源能够直接连接到负载。直通模式用于降压-升压或升压转换器，以提高效率和电磁兼容性。1,2本文介绍了配备直通技术的控制器相对于其他控制器的优势，以及直通模式如何延长储能系统的使用寿命，特别是超级电容器的总工作时间。

介绍

延长电池寿命意味着提高系统性能、延长工作时间和降低成本。通常，实现这一目标的三种方法是改进电池技术、设计更好的设备和创新能源管理系统。改进电池技术包括为特定应用选择合适的电池，并设计适当的电池管理系统来控制充电、调节温度并最大限度地减少损耗。设计更好的设备涉及考虑高效的硬件组件和强大的固件，这两者都是实现功能和寿命的最佳平衡所必需的。为了智能地优化能耗，可以利用最新的电源管理系统，该系统采用基于AI的算法、更新的拓扑结构和高效的转换器控制方法，如直通模式和节能模式。

了解超级电容器

将超级电容器等储能设备与电池一起使用可以使不同的用例受益。3优点包括快速充电和放电，以实现短时间的功率爆发、更长的使用寿命和更高的整体系统效率。例如，超级电容器非常适合快速存储能量和提供备用电源。它们可以承受极端的温度和条件。当与电池结合使用时，如电动汽车，超级电容器有助于提高性能并延长电池寿命。此外，超级电容器对环境更好。4

图1.24 V超级电容器和锂聚合物电池在0.5 A负载下的典型放电特性比较。

图1显示了超级电容器与电池的区别。在相同的额定电压下，6芯0.1 Ah锂聚合物电池具有电压源的特性，因为它为其整个运行提供了更稳定的电压。相反，当电流从2法拉超级电容器流向负载时，电压线性下降。超级电容器的这种线性放电特性需要更高效的系统来转换其能量。此时最好使用降压-升压转换器的功能，因为它可以正确调节输出电压，无论输入电压是低于还是高于输出电压设置。

什么是直通模式？

直通技术是 宽输入供电设备的基本 功能。与采用传统控制（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。当在预定义的电压窗口下，输入直接传递到输出时，就会发生直通，就好像它像短路线一样。直通技术 充当电源（如超级电容器） 和负载之间的 网络，确保电压调节在指定的可接受范围内。它通过提供从电源到负载的直接路径来确保设备尽可能高效地运行。直通模式是确保任何超级电容器供电设备的最佳效率的重要组成部分，因为它减少了超级电容器的加载/卸载周期，并改善了EMI和器件的整体性能。

直通模式如何延长储能系统的使用寿命

4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接路径，如图2所示。输入直接传递到输出。这通过消除开关损耗提高了指定直通窗口的效率，并且还提高了电磁兼容性，因为在直通模式下不会出现开关频率。降压-升压转换器中的直通模式提供了灵活性，因为它提供了设置与升压输出电压不同的降压输出电压的选项。这与只有一个标称输出电压的典型降压-升压IC相反。当输入电压异常时，此功能还可以保护负载，如文章“以无开关噪声和99.9%的效率保护和供电汽车电子系统”中所述。1直通技术是LT8210的一种工作模式，LT4是市场上唯一具有此功能的降压-升压控制器IC。有关直通模式功能的更多详细信息，请参阅具有直通功能的<>开关降压-升压控制器消除开关噪声一文。

图2.具有直通模式的降压-升压转换器电路图。

要了解LT8210的直通模式操作，可以参考其数据手册或演示板的效率曲线。图3显示了DC2814A-A演示板从4 V至24 V输入电压和10%至80%负载扫描时的效率曲线。该演示板利用LT8210，采用4 V至40 V输入电压供电，满载电流为3 A，输出电压为8 V至16 V。 在直通模式下工作将在较重负载下将效率提高多达5%，在较轻负载（例如以降压-升压操作为基准时为17%电流负载时）的效率将提高10%。因此，在轻负载工作条件下，直通模式提供了显着的改进。

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，但当输入电压接近输出电压设置时，会出现降压-升压区域。LT8210 中存在的这种降压-升压区域是由于降压和升压控制区域相对于一个电感电流调节的交集。

图3.DC2814A-A 效率曲线。

要了解直通模式的应用效果，请考虑图 4 中的系统。4开关降压-升压转换器用作负载点转换器的前置稳压器，该转换器也用作电机驱动器。虽然电源是24 V超级电容器，但直流电机需要9 V和0.3 A的输入规格。降压-升压转换器将利用直通模式或传统的4开关降压-升压控制，工作在连续导通模式（CCM）。请注意，传统的降压-升压控制没有直通模式。它仅具有降压、升压和降压-升压操作，如图3所示。

使用直通模式的系统将其升压输出电压设置为12 V，而降压输出电压设置为27 V。这允许超级电容器的启动电压在通带限制内。5因此，系统将经历24 V至12 V超级电容器电压的直通模式。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，导致效率下降，然后进入升压模式。另一方面，在传统降压-升压控制下运行的系统已设置为在16 V的恒定输出电压下工作。这样做是为了将输出电压设置在通带限制设置的中点附近。

图5.直通系统与传统CCM操作的降压-升压转换器的效率比较。

图5显示了两个降压-升压转换器在4.24 W时从2 V扫描至7 V时的效率比较，与传统控制系统相比，直通模式将效率提高了22%至27%。为了进一步验证这两个系统的差异，使用ITECH的IT6010C-80-300的电池仿真器功能对其进行了测试。以下设置用于模拟运行时间至少为120秒的超级电容器响应：启动电压为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 是指电池仿真器电压，通道 2 是指电机电压，通道 3 是指电机电流。PassThru控制系统运行224秒，而传统控制系统仅运行150秒。因此，观察到使用直通模式的系统工作时间增加了49%。

图6.超级电容器供电电机的总运行时间。

以下是使直通控制系统更高效的一些要点：

直通模式消除了降压操作;

电池电压在通带内，如文章“两级多输出汽车LED驱动器架构”中所建议的5;和

它设计为在轻负载下工作，重点是开关损耗。

结论

直通技术是任何超级电容器供电设备中实现最佳性能的重要组件。与传统（CCM 操作的降压-升压）控制系统相比，利用配备直通模式的 LT8210 同步降压-升压控制器可以极大地优化超级电容器供电型器件的效率。在我们的示例中，直通模式的效率提高了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%。

审核编辑：郭婷