【導讀】從電動(dòng)汽車(chē)、摩托艇到光伏裝置和數據中心，電池供電系統正蓬勃發(fā)展。目前的趨勢主要是增加系統的運行電壓以縮減系統尺寸、重量或增加負載的可用功率。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 轉換到 24V 的應用。
所有電動(dòng)汽車(chē) (EV)，包括純電動(dòng)汽車(chē) (BEV)，都使用傳統的 12V 鉛酸電池來(lái)作為無(wú)鑰匙進(jìn)入系統和警報系統的獨立電源，因為在主牽引電池耗盡時(shí)這些系統仍要持續運作。除此之外，電池還為安全氣囊系統、安全帶張緊器和儀表板供電，因為若使用不同的電壓還需要重新認證，不但費時(shí)也不經(jīng)濟。
在 ICE（內燃機）汽車(chē)中，鉛酸電池也用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。輕型摩托車(chē)和摩托車(chē)的電池為 6 伏，大多數汽車(chē)是 12 伏，重型卡車(chē)通常是 24 伏?？梢园l(fā)現這些是6V的倍數但這并非巧合。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 范圍內的浮動(dòng)開(kāi)路電壓（標稱(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)輛和飛機上的鉛酸電池使用 14 節電池來(lái)提供28V軍用標準電源。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)間設備提供 18V 典型電池電壓。
一般來(lái)說(shuō)，重型應用（大電流）通常采用鉛酸電池因為重量沒(méi)有價(jià)格來(lái)得重要，而注重快速充電和輕量化的應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的信息，可從此 RECOM 博客[1] 開(kāi)始。
雖然電池供電應用最常見(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。下一節將詳細介紹會(huì )在各種使用案例看到這種趨勢的背后原因。
既然12V 電池更常見(jiàn)，為何不繼續使用？
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。電機啟動(dòng)時(shí)重型電池可提供數百安培的電流，但由于線(xiàn)束的載流能力有限，最大持續電流被限制在 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
當瓦特定律與歐姆定律結合在一起時(shí)，電流對功耗的指數效應變得更加明顯。在到達端負載之前，電線(xiàn)的電阻會(huì )導致功耗和電壓降。
方程 3 – 計算功率損耗，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(zhù)系統僅需一半的電流處理能力，因此減小導體尺寸也能維持相同的功率。
● 將同一導體中的電流減半會(huì )使沿路的電壓降減半，從而向端負載提供更高的電壓（提高系統效率）。
● 電流減半能讓導體長(cháng)度加倍并維持相同的電壓降。
● 將同一導體中的電流減半能讓配電網(wǎng)功耗只有四分之一。
雖然世界正迅速轉向電動(dòng)汽車(chē)，但內燃機汽車(chē)至少在接下來(lái)的 20 年內持續投入生產(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 )持續前進(jìn)。隨著(zhù)電動(dòng)調整、自適應懸掛等技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)將繼續以技術(shù)為主以實(shí)現在所有道路條件下提供完美的駕駛體驗。更復雜的空調控制、機械泵將被電動(dòng)和渦輪增壓器取代，以及即時(shí)怠速啟停系統等，這些都非常耗電而且超出標準 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)，意思是傳統的布線(xiàn)絕緣和技師的安全培訓足以降低觸電風(fēng)險（在大多數使用情況下，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)而導致總重量增加，但應該注意的是電線(xiàn)重量對燃油車(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省，以及使用更高電壓電池組實(shí)現的節省加在一起，可以在持久度方面發(fā)生顯著(zhù)的變化（無(wú)論是指燃料還是電池壽命）。
這些因素都顯現在本文列出實(shí)際應用中的價(jià)值主張。無(wú)論是增加功率處理、縮減系統尺寸、提高能效、縮小電線(xiàn)尺寸、支持更長(cháng)走線(xiàn)，或是可靠性等因素，更高的總線(xiàn)電壓都具有相當大的優(yōu)勢。
那么24V 或 48V 電池通常會(huì )應用在哪些地方呢？不同類(lèi)型的電動(dòng)機都是很好的選擇。小型電機，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(zhù)重在整個(gè)系統的尺寸和重量，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)電機和電機驅動(dòng)系統往往是任何行業(yè)總能源足跡的最大消費者[2]，因此要強調的是在這個(gè)領(lǐng)域還有很多改善空間和提高能源效率的機會(huì )。
除了電機之外還有多種電氣系統受益于高電壓電池。光伏 (PV) 就是一個(gè)很好的例子，因為太陽(yáng)能電池陣列可以模塊化，像電池一樣可以為陣列和應用提供大小合適的能量存儲。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、偏遠的氣象站或手機基站供電，同時(shí)有足夠的電池容量在陰天時(shí)為關(guān)鍵系統供電數天。
將上述幾種應用融合起來(lái)的現象已越來(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)量出現了驚人的大幅增長(cháng)。使用大量冗余和電池電源的軍事和高可靠性應用從12V 系統轉換成 24 或 48V 系統的情況會(huì )越來(lái)越普遍。RECOM 也提供適合船舶應用的 48V 電池供電交流逆變器，可產(chǎn)生三相 115VAC，輸出功率為 1,200VA。
當電池要為敏感的電子設備或無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器供電時(shí)，是否能夠提供穩定的穩壓電源就變得十分重要。電壓調節器必須高效以最大限度地利用存儲能量，也要具有較寬的輸入電壓范圍以應對充滿(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，或保護設備免受負載突降電壓浪涌以及雷擊或外部電磁場(chǎng)引起的感應電壓瞬變的影響。一般來(lái)說(shuō)，在環(huán)境中暴露越多，所需的隔離等級就要越高。
更寬的輸入電壓范圍 = 更寬的應用范圍
RECOM 為板級電源提供多種低成本、超小型的非隔離穩壓器如 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功耗的電池供電設備。RECOM 也提供具有 4:1 輸入電壓范圍的隔離 DC/DC 轉換器，適用于 12 / 24V 系統（9 – 36V）或 24 / 48V 系統（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 穩壓隔離輸出，涵蓋 12 / 18 / 24 和 48V 電池組電壓。它是隔離DC/DC轉換器并帶有內部平面變壓器，所以還能當作 24V或48V總線(xiàn)穩壓器，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合起來(lái)可以進(jìn)一步讓更多不同種類(lèi)的應用受益。計算應用也可以享有上述好處（連接和非連接皆是，即數據中心和筆記本電腦）。舉例來(lái)說(shuō)，計算機服務(wù)器可能會(huì )耗盡備用電池的電量，因此面對一個(gè)永遠不會(huì )下降的高恒定負載，能量存儲越靠近負載的位置（無(wú)論是物理還是電壓水平）對設計優(yōu)化和減輕能量 OPEX 就越有利，因為 OPEX 通常是影響數據中心總擁有成本 (TCO) 的原因。這可以透過(guò)系統前端的備用電池單元 (BBU) 實(shí)現，無(wú)須轉換時(shí)間以?xún)δ艿男问綖樨撦d供應重要的備用電源。
結論
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該會(huì )減少包裝開(kāi)銷(xiāo)并只增加價(jià)值主張；而現在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都可以在不斷被推得更高的配電電壓中獲得好處。
文獻
[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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