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24V 电池供电应用

时间：2023-04-27 15:39来源：

摘要：RECOM为板级电源提供多种低成本、超小型的非隔离稳压器，如RPM和RPX系列，特别适合具有宽输入电压范围、极高效率和超低待机功耗的电池供电设备。

常见的24V电池供电应用有哪些？

所有电动汽车 (EV)，包括纯电动汽车 (BEV)，都使用传统的 12V 铅酸电池来作为无钥匙进入系统和警报系统的独立电源。在内燃机（ICE）汽车中，铅酸电池也用来启动发动机。因为在主牵引电池耗尽时，这些系统仍要持续运作。除此之外，电池还为安全气囊系统、安全带张紧器和仪表板供电，因为若使用不同的电压需要重新认证，不但费时也不经济。

轻型摩托车和摩托车电池是 6V，大多数汽车是 12V，重型卡车通常是 24 V。可以发现这些都是6V的倍数，但这并非巧合。在电池的世界里有许多不同的化学类型（即铅酸、锂离子、磷酸铁锂等），而最基本的单元是单电池，具有 1-4V 范围内的浮动开路电压（标称）。因此，将许多电池组合在一起，会产生更高的电压并称为电池组（尤其与保护电路组合时），通常简称为电池。串联电池可以获得所需的输出电压，也可以并联起来加大输出电流。

铅酸电池的电压是2V，因此串联三节电池是 6V，六节电池是 12V，十二节电池是 24V。军用车辆和飞机上的铅酸电池是串联十四节电池来获得28V军用标准电压。锂离子电池的电压范围是 2.4-3V，因此六组锂离子电池，可为便携式电钻或其他车间设备提供 18V 典型电池电压。

一般来说，重型应用大电流通常采用铅酸电池，因为重量没有价格来得重要。而注重快速充电和轻量化应用，则更倾向锂离子化学电池，但这种化学电池的储能可能比铅酸电池解释起来更加微妙且多变。若需要参考更详细的信息，可从 RECOM 网站的博客文章开始了解。

虽然电池供电应用最常见的电压是 6V、12V和 18V，但其他领域越来越将总线电压向上推至24V 和 48V。各种应用案例趋势背后的原因如下。
 
既然12V 电池更常见，为何不继续使用？

12V 的铅酸电池确实比 24V 和 48V普遍，也比电压更高的替代方案来得便宜且容易获得。当电机启动时，重型电池可提供数百安培的电流，但由于线束的载流能力有限，最大持续电流被限制在 100A 左右，进而将最大可用功率限制在 1,200W 上下。
 
如下方的方程所示，功率与电流和电压成正比，但与电阻路径（例如电线）中的电流呈指数比例。

Equation 1 – Watt’s Law, where P is power, I is current, V is voltage
方程 1 – 瓦特定律，其中 P 为功率，I 为电流，V 为电压
 

Equation 2 – Ohm’s Law, where V is voltage, I is current, R is resistance
方程 2 – 欧姆定律，其中 V 为电压，I 为电流，R 为电阻

 

 当瓦特定律与欧姆定律结合在一起时，电流对功耗的指数效应变得更加明显。在到达端负载之前，电线的电阻会导致功耗和电压降。

 


Equation 3 – Power Loss, where P is power, I is current, R is resistance
方程 3 – 计算功率损耗，其中 P 为功率，I 为电流，R 为电阻
 

从中可以得出以下结论：

- 功率不变的情况下，电压加倍能使电流减半。
- 将电流减半意味着系统仅需一半的电流处理能力，因此减小导体尺寸也能维持相同的功率。
- 将同一导体中的电流减半会使沿路的电压降减半，从而向端负载提供更高的电压（提高系统效率）。
- 电流减半能使导体长度加倍，并维持相同的电压降。
- 将同一导体中的电流减半，能让配电网功耗只有四分之一。
 
目前世界正迅速朝电动汽车发展，但内燃机汽车在接下来的 20 年内仍持续投入生产，在此期间电池创新会驱动发展。随着电动调整、自适应悬挂等技术的发展，汽车将继续以技术为主，以实现在所有道路条件下完美驾驶体验。更复杂的空调控制、机械泵，以及怠速启停系统等，将被电动和涡轮增压器取代，这些都非常耗电而且超出标准 12 V 电池的供电能力。
 
内燃机汽车和混合动力电动汽车的 48V 电池系统能提供 5kW 功率，但仍被归类为安全特低电压 (SELV)，意思是传统的布线绝缘和技师的安全培训足以降低触电风险（在大多数使用情况下，所有低于 60V 的直流电压都可被视为安全电压）。大型车辆和其他形式的电池供电交通工具也可能有大量电线而导致总重量增加，但应该注意的是电线重量对燃油车和电动汽车来说非常重要。有时候使用高电压的理由是减少铜用量，这些重量可节约成本，也可增加电池使用寿命。
 
这些因素都体现在本文列出的实际应用中，无论是增加功率处理、缩减系统尺寸、提高能效、缩小电线尺寸、支持更长走线，或是可靠性等因素，更高的总线电压都具有更大的优势。
 
那么24V 或 48V 电池通常会应用在哪些地方呢？

不同类型的电动机都是优先选择。一方面小型电机（如：手动工具、渔船、高尔夫球车、轮椅或踏板车等），往往着重整个系统的尺寸和重量，由于大多数是非连接，因此支撑电池和相关功率器件或电源线的重量就会消耗大量的电池电量。另一方面，工业电机和电机驱动系统往往是任何行业总能源的最大消费者，因此在这个领域还有很多改善空间和提高能源效率的机会。
 
除了电机之外还有多种电气系统受益于高电压电池。光伏 (PV) 就是一个很好的例子，因为太阳能电池阵列可以模块化，像电池一样可以为阵列和应用提供大小合适的能量存储。24 V或 48V 离网储能系统方案可以提供足够的峰值功率来为山间小屋、偏远的气象站或手机基站供电。同时也有足够的电池容量在阴天时为关键系统供电数天。
 
The convergence of several of the aforementioned application spaces is becoming more prevalent.  Bigger boats will not only benefit from higher battery voltages for traditional marine use but also from the incorporation of PV.
将上述几种应用融合起来的现象已越来越普遍。更大的船舶不仅受益于传统船用电池电压的提升，还将受益于光伏的引入。同样的概念也适用于休闲车 (RV)，由于 COVID-19 疫情，休闲车的销量出现了大幅增长。使用大量冗余和电池电源的军事和高可靠性应用从12V 系统转换成 24 或 48V 系统的情况会越来越普遍。RECOM 也提供适合船舶应用的 48V 电池供电交流逆变器，可产生三相 115VAC，输出功率为 1,200VA。
 
当电池要为敏感的电子设备或无线电发射器供电时，是否能够提供稳定的电压电源就变得十分重要。电压调节器必须高效，以最大限度地利用存储能量；也要具有较宽的输入电压范围，以应对充满电的电池和完全放电的电池差异；并且在多数情况下，需要具有电流隔离输出，以避免接地环路干扰；或保护设备免受负载突降电压浪涌，雷击或外部电磁场引起的感应电压瞬变的影响。一般来说，在环境中暴露越多，所需的隔离等级就越高。
 
更宽的输入电压范围 = 更宽的应用范围

RECOM 为板级电源提供多种低成本、超小型的非隔离稳压器，如 RPM 和 RPX 系列，特别适合具有宽输入电压范围、极高效率和超低待机功耗的电池供电设备。RECOM 也提供具有 4:1 输入电压范围的隔离 DC/DC 转换器，适用于 12 / 24V 系统（9 – 36V）或 24 / 48V 系统（18 – 75V）。如果需要通用解决方案，RPA150E 系列采用八分之一砖封装，在 9-60VDC 的输入电压范围提供 150W 稳压隔离输出，涵盖 12V / 18V / 24V 和 48V 电池组电压。它是隔离DC/DC转换器并带有内部平面变压器，所以还能当作 24V或48V总线稳压器，无论输入电压比输出更高、更低或者一样，都能提供恒压和防短路输出。
 
更高的总线电压和不同的功率器件相结合，可进一步让更多不同种类的应用受益。计算机应用也可享有上述好处，连接和非连接皆是，即数据中心和笔记本电脑。举例来说，计算机服务器可能会耗尽备用电池的电量，因此面对一个永远不会下降的高恒定负载，能量存储越靠近负载的位置，无论是物理还是电压水平，对设计优化和减轻能量 OPEX 就越有利。因为 OPEX 通常是影响数据中心总体拥有成本 (TCO) 的原因。这可以透过系统前端的备用电池单元 (BBU) 实现，无须以储能的形式转换时间为负载供应重要的备用电源。
 
结论
正如 12V 电池提供了通往 24V 解决方案的途径一样，24V 电池也会为48V 开辟一条新道路。一般来说，将电池整合到更高电压的电池组中，可以增加使用价值并减少包装开销。现在24V 电池正好处在 12V 和 48V 总线之间的最佳位置。就如公用电网一样，几乎所有的大型系统都可以在不断被推得更高的配电电压中获得好处。
 
从电动汽车、摩托艇到光伏装置和数据中心，电池供电系统正蓬勃发展。目前的趋势主要是增加系统的运行电压以缩减系统尺寸、重量和增加负载的可用功率。在宽输入功率器件的不断进步下，处在这股潮流最前线的是从 12V 转换到 24V 的应用。
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