I convertitori ad alta densità di potenza permettono ai produttori di soddisfare la crescente domanda di batterie
La crescente adozione dell'elettrificazione in diversi settori ha favorito la produttività e l'ambiente, e la produzione di batterie è stata un elemento tecnologico chiave di questa tendenza. Spinta in parte da veicoli elettrici (EV) e sistemi di accumulo di energia per le energie rinnovabili, l'industria delle batterie è tra le più in rapida crescita a livello globale. Secondo l'International Energy Agency (AIE), la domanda globale di batterie è aumentata di dieci volte, passando da 43,8 GWh/anno nel 2016 a 550,5 GWh/anno nel 2022.
Considerando la domanda in continua crescita, ogni fase del ciclo di vita della batteria deve essere analizzata. Il ciclo di vita delle batterie si compone di quattro fasi principali: formazione delle celle, test della batteria, utilizzo dell'applicazione e riciclaggio della batteria. Un problema in una qualsiasi di queste fasi compromette l'industria delle batterie e lo sviluppo dell'elettrificazione. Oggi, il ciclo di vita delle batterie è limitato dalle attuali tecnologie di conversione di potenza, che ne ostacolano la crescita.
L'innovativa tecnologia di conversione a rapporto fisso ad alta densità di potenza di Vicor offre un nuovo approccio per migliorare sostenibilità ed efficienza in tutte le fasi del ciclo di vita delle batterie.
Sbloccare nuove possibilità con la tecnologia dei convertitori a rapporto fisso
Nei sistemi di batterie ad alta tensione, la conversione di potenza DC-DC è un aspetto fondamentale dell'architettura di erogazione di potenza.
La conversione DC-DC viene comunemente realizzata con convertitori di potenza a commutazione come una topologia buck o boost, oppure con regolatori a bassa caduta di tensione (LDO). Sebbene questi convertitori di potenza possano essere efficaci, limitano la flessibilità e le prestazioni della rete di erogazione di potenza (PDN - Power Delivery Network) con la rigidità delle loro uscite e la loro efficienza di conversione non ottimale. Ciò è particolarmente vero quando si lavora con le alte tensioni associate ai sistemi di batterie odierni.
Per superare queste carenze, Vicor ha sviluppato convertitori a rapporto fisso che forniscono una conversione isolata ad alta efficienza in un piccolo package per carichi da alta a bassa tensione, comunemente indicati come bassissima tensione di sicurezza o SELV.
Analogamente a un trasformatore in una soluzione AC-AC, un convertitore a rapporto fisso esegue la conversione DC-DC con la tensione di uscita che è una frazione fissa della tensione di ingresso DC (Figura 1). Similmente alle caratteristiche di step-down o step-up di un trasformatore definite dal rapporto spire dell'avvolgimento, la proprietà di un convertitore a rapporto fisso è definite dal suo fattore K, che è espresso come una frazione relativa alla sua caratteristica di step-down di tensione (Figura 2).
A differenza dei tradizionali convertitori DC-DC che regolano la tensione di uscita, un convertitore a rapporto fisso non fornisce alcuna regolazione dell'uscita. Questi dispositivi sono anche autonomi e non richiedono anello di feedback o meccanismo di controllo esterno.
I convertitori a rapporto fisso offrono diversi vantaggi notevoli rispetto ai convertitori tradizionali.
Bidirezionalità
Dato che i convertitori a rapporto fisso operano indipendentemente da un host o controller esterno, questi dispositivi sono intrinsecamente bidirezionali. Ciò significa che, a seconda della direzione del flusso di corrente, lo stesso modulo convertitore a rapporto fisso aumenterà o diminuirà la tensione. Ottenendo l'aumento e la diminuzione della tensione con un singolo modulo, i convertitori a rapporto fisso sbloccano una flessibilità e una semplicità senza precedenti per PDN che si basano sul flusso bidirezionale di corrente.
Flessibilità e scalabilità
I convertitori a rapporto fisso sono eccezionalmente facili da parallelare per esigenze di potenza più elevate. I progettisti possono facilmente aggiungere più moduli convertitori a rapporto fisso in parallelo per scalare un sistema a qualsiasi esigenza di potenza di uscita richiesta. Allo stesso modo, i progettisti possono posizionare più convertitori a rapporto fisso in serie per ottenere rapporti di tensione univoci basati sui loro fattori K a cascata. In questi casi, i convertitori devono essere abbinati in potenza per garantire un funzionamento sicuro e affidabile.
Alta efficienza in un piccolo package
Infine, i convertitori a rapporto fisso sono imbattibili in termini di efficienza di potenza da un ingombro molto ridotto. Mentre un convertitore buck o boost convenzionale raggiunge la massima efficienza di potenza nell'intervallo del 90% inferiore, i convertitori a rapporto fisso come la linea Vicor BCM® dimostrano efficienze di conversione fino a quasi il 98%. Ciò si traduce in applicazioni più sostenibili con una minore richiesta di gestione termica.
L'importanza della rete di alimentazione nella formatura delle celle
La prima fase del ciclo di vita della batteria è la fase di formatura delle celle.
In questa fase, le batterie appena prodotte devono passare attraverso il processo di cicli di formatura, che consiste nel caricare e scaricare una cella per la prima volta. Durante questo processo, una cella viene ciclata ripetutamente per costruire gradualmente lo strato di interfase elettrolitica solida (SEI - solid-electrolyte interphase) della cella. La velocità di questo processo è determinata dalla chimica della cella; quindi, la latenza di formatura della cella è per lo più un processo a velocità fissa.
Il ciclo di formatura nella batteria richiede una rete di alimentazione (PDN) sottostante in grado di supportare i ripetitivi cicli di carica e scarica.
La PDN standard per un tale sistema prende un ingresso AC trifase dalla rete, lo rettifica in DC ad alta tensione e quindi utilizza più fasi di conversione DC-DC per raggiungere la tensione nominale richiesta per caricare una cella di batteria (ad esempio, 4,2 V) (Figura 3). Questa tensione finale richiesta per la ricarica della batteria varierà da impianto a impianto a seconda della specifica chimica della cella, ma le diverse cadute di tensione intermedie da AC a una tensione del bus DC inferiore, come 12 V, sono standard in tutto il settore.
Le soluzioni con componenti discreti sono estremamente difficili da progettare, richiedono una significativa competenza interna sull'alimentazione, hanno una grande distinta base che presenta sfide di costo e catena di fornitura e aumentano il time to market. Le soluzioni discrete limitano la flessibilità in quanto offrono tensioni di uscita predefinite. Laddove diverse chimiche di cella richiedono tensioni diverse, è più conveniente per i progettisti creare una soluzione flessibile che possano modificare in base alla chimica della cella. Le soluzioni discrete non consentono sistemi di formatura delle celle flessibili che possano essere modificati dinamicamente per la compatibilità con più tipi di celle.
La formatura delle celle richiede elevata produttività ed efficienza del sistema
Ci sono due sfide principali con le PDN esistenti nella formatura delle batterie: produttività ed efficienza.
Dal punto di vista della produttività, la velocità con cui i produttori possono formare lo strato SEI di una batteria è intrinsecamente limitata dalla chimica della cella. Quindi, migliorare l'efficienza in termini di costi del processo di formatura delle celle richiede sistemi scalabili in grado di formare molte batterie in parallelo. Tuttavia, con le PDN esistenti, la mancanza di una fase DC-DC intermedia modulare limita la capacità di scalare facilmente un sistema senza importanti revisioni del progetto.
Dal punto di vista dell'efficienza, la carica e scarica costante delle celle è molto costosa. Per ottimizzare l'efficienza, i produttori di batterie riutilizzano l'energia spesa durante i cicli di carica delle celle immagazzinandola localmente o rimandandola alla rete durante i cicli di scarica. Ciò richiede una PDN che supporti il flusso bidirezionale di corrente ed esegua una conversione di potenza ad alta efficienza.
In entrambi i casi, i convertitori a rapporto fisso sono una soluzione ideale. Integrando un convertitore a rapporto fisso nella PDN, i progettisti possono ridefinire l'architettura in tre fasi distinte: rettificazione AC, trasformazione a bassa tensione e conversione a corrente costante (convertitore di bus).
Nella fase di conversione a corrente costante, i progettisti possono implementare convertitori a rapporto fisso per ridurre facilmente il livello DC più alto a un livello inferiore più sicuro, senza la necessità di soluzioni discrete o soluzioni a modulo singolo. Semplicemente integrando uno o più convertitori a rapporto fisso in parallelo, i progettisti possono creare una rete di alimentazione modulare e facilmente scalabile.
In questo modo, i progettisti possono realizzare sistemi che ciclano molte batterie contemporaneamente, consentendo una maggiore produttività, una maggiore densità di potenza e una migliore efficienza. Inoltre, questa architettura consente ai progettisti di modificare facilmente la PDN per adattarsi alla conversione DC-DC richiesta per la tensione nominale univoca di una cella. Con una soluzione più flessibile che non richiede componenti discreti, i progetti raggiungono il mercato più velocemente e sono meno soggetti a guasti.
Per la conservazione dell'energia, la natura intrinsecamente bidirezionale di un convertitore a rapporto fisso è ideale nel processo di formatura delle celle. Con i convertitori a rapporto fisso, i produttori di celle possono passare facilmente dai cicli di carica a quelli di scarica, sapendo che il convertitore a rapporto fisso aumenterà automaticamente a una tensione più alta predefinita durante la scarica e allo stesso modo la ridurrà durante i cicli di carica. Questa caratteristica unica migliora l'efficienza energetica del processo, consentendo il riutilizzo dell'energia durante il ciclo di formatura.
Inoltre, con un'efficienza del convertitore a rapporto fisso del 97,9%, vi è una perdita di potenza minima nel ciclo di conversione in entrambe le direzioni. Senza convertitori a rapporto fisso, tale bidirezionalità richiederebbe più componenti (uno per buck e uno per boost). Ciò consumerebbe più energia a causa delle minori efficienze e aumenterebbe il numero di componenti.
Collaudo delle batterie: una rete di erogazione di potenza flessibile e scalabile
La fase successiva del ciclo di vita della batteria è il collaudo, durante il quale i produttori assemblano le singole celle in pacchi batteria più grandi. La produzione di pacchi batteria non è vincolata dalle stesse tempistiche dipendenti dalla chimica relative alla carica e scarica delle celle, ma deve comunque affrontare sfide simili in termini di produttività
Ad esempio, ogni cella deve essere adeguatamente testata e misurata con precisione affinché più celle possano essere combinate per formare un pacco batteria più grande. Anche quest'ultimo deve essere sottoposto a test rigorosi. Poiché questa fase non aggiunge valore al prodotto, più velocemente i produttori la completano, minore sarà il costo complessivo del pacco batteria.
Per gestire l'ampia varietà di livelli di tensione e potenza delle batterie, e per garantire un'elevata produttività che consenta di testare più batterie nello stesso spazio e in meno tempo, è necessaria una rete di erogazione di potenza (PDN) flessibile e scalabile. I sistemi di collaudo dei pacchi batteria necessitano quindi di reti di erogazione di potenza modulari e scalabili in base alle specifiche esigenze e volumi di collaudo. Come nella fase di formazione delle celle, la PDN standard di un impianto di collaudo batterie prevede la conversione della potenza dalla corrente alternata trifase alla tensione nominale della cella (Figura 4).
Utilizzando convertitori a rapporto fisso nella fase di conversione a corrente costante della PDN, i progettisti dei sistemi di collaudo delle batterie possono evitare la progettazione complessa degli stadi di conversione intermedi. Possono invece fare affidamento sul fatto che la loro conversione a corrente costante sia gestita dal convertitore a rapporto fisso. I progettisti possono ora concentrarsi sulla fase finale del processo di conversione, in cui le tensioni devono corrispondere alla tensione nominale della cella per il collaudo. Questa architettura semplificata consente la creazione di sistemi modulari e flessibili che i progettisti possono facilmente modificare per diverse esigenze di collaudo.
Un altro importante vantaggio dei convertitori a rapporto fisso è la densità di potenza. Grazie all'elevata efficienza energetica e alle dimensioni ridotte, questi convertitori possono supportare kilowatt di potenza e centinaia di volt in formati leader del settore. Ciò contribuisce a supportare tester con maggiore produttività, consentendo l'installazione di più apparecchiature di collaudo all'interno degli stessi vincoli di spazio, creando quindi l'opportunità di testare più celle di batteria contemporaneamente.
I convertitori a rapporto fisso riducono le perdite I2R nelle applicazioni a batteria
Quando la batteria esce dalla fabbrica e viene utilizzata in un'applicazione reale, le sfide relative alla rete di erogazione di potenza (PDN) non finiscono.
In molte applicazioni emergenti alimentate a batteria, come la robotica vincolata (tethered), i sistemi di accumulo di energia per fonti rinnovabili come l'energia solare ed eolica e i veicoli elettrici, si registra una crescente domanda di erogazione di potenza ad altissima tensione (Figura 5). Ad esempio, i veicoli elettrici stanno passando da un'architettura di erogazione di potenza a 400 V a 800 V per una maggiore potenza ed efficienza.
A parità di potenza, livelli di tensione più elevati consentono l'erogazione di potenza a correnti inferiori. Pertanto, uno dei vantaggi dell'erogazione di potenza ad alta tensione è una maggiore efficienza, poiché correnti inferiori comportano minori perdite I²R. Ciò consente applicazioni più efficienti che richiedono anche minori risorse per la gestione termica.
Inoltre, l'erogazione di potenza ad alta tensione riduce la sezione dei cavi nei cablaggi dei veicoli. Con minori requisiti di erogazione di corrente, i progettisti possono utilizzare cavi di diametro inferiore, con conseguente diminuzione del peso del sistema, del fabbisogno di materiale e dei costi.
Naturalmente, il funzionamento corretto di tali sistemi ad alta tensione si basa sulla capacità di convertire queste alte tensioni utilizzate per l'erogazione alle tensioni inferiori utilizzate al carico. In questa fase del ciclo di vita della batteria, i convertitori a rapporto fisso offrono valore fornendo un mezzo semplice ed efficiente di conversione di potenza DC.
Si consideri l'esempio di un robot vincolato. Con un convertitore a rapporto fisso con fattore K di 1/16, i progettisti possono sfruttare l'efficienza del 97,9% per ridurre le tensioni dall'alta tensione per la distribuzione di potenza (ad esempio, 800 V CC) a una tensione inferiore, come 48 V DC. Dai 48 V DC, i progettisti possono utilizzare un convertitore buck convenzionale con un'efficienza del 90% per raggiungere i 3,3 V finali utilizzati per una centralina di controllo (MCU). Senza un convertitore a rapporto fisso, l'intera conversione da 800 V a 3,3 V avverrebbe con un'efficienza ben più bassa, causando perdite significativamente maggiori rispetto all'architettura con convertitore a rapporto fisso.
Sfide termiche nel riclicaggio delle batterie
Una volta che una batteria ha raggiunto la fine della sua vita utile, l'ultima fase del suo ciclo di vita è il riciclaggio.
Il riciclaggio delle batterie prevede un processo elettrochimico ad alta potenza in cui le materie prime e i componenti della batteria vengono separati chimicamente dalla cella per essere recuperati e riutilizzati in futuro. Come altre fasi industriali del ciclo di vita della batteria, la rete di erogazione di potenza (PDN) consiste nel convertire le tensioni di ingresso CA trifase in CC ad alta potenza e quindi, in ultima analisi, ridotte a tensioni inferiori per alimentare le apparecchiature di riciclaggio (Figura 6).
Una sfida dal punto di vista della PDN è che il processo di riciclaggio delle batterie genera una quantità significativa di calore. Pertanto, i componenti all'interno della PDN devono essere in grado di funzionare in modo affidabile a temperature elevate. Allo stesso modo, la densità di potenza diventa sempre più importante nella progettazione della PDN, richiedendo fattori di forma ridotti e una conversione di potenza ad alta efficienza.
I convertitori a rapporto fisso offrono una soluzione di potenza estremamente densa per la conversione CC-CC, in grado di supportare kilowatt di potenza a centinaia di volt in fattori di forma estremamente piccoli. Ad esempio, il bus converter a rapporto fisso BCM6123 di Vicor vanta una densità di potenza di 2352 W/in³ (Figura 7). Con questo livello di densità di potenza, i progettisti possono facilmente soddisfare i requisiti di temperatura e prestazioni degli impianti di riciclaggio delle batterie. E, poiché i requisiti di potenza e la domanda continuano a crescere, l'architettura di potenza modulare abilitata tramite convertitori a rapporto fisso consente al sistema di scalare di conseguenza con un sovraccarico minimo necessario.
Convertitori a rapporto fisso per l'ottimizzazione del ciclo di vita delle batterie
In ogni fase del ciclo di vita della batteria, si riscontra una crescente necessità di reti di erogazione di potenza ad alta tensione che siano efficienti, con elevata densità di potenza e scalabili. Il successo del ciclo di vita della batteria dipende dal successo di ogni singola fase. Che si tratti della formazione, del collaudo, dell'uso in applicazione o del riciclo delle celle di batteria, l'intero ciclo di vita beneficia dei convertitori a rapporto fisso. Rispetto alle soluzioni di conversione di potenza tradizionali, i convertitori di tensione a rapporto fisso offrono livelli di efficienza e dimensioni ridotte senza precedenti, presentando al contempo caratteristiche uniche come il funzionamento bidirezionale.
Vicor è l'unica azienda a offrire convertitori a rapporto fisso ad alta densità. I prodotti Vicor BCM utilizzano una topologia Sine Amplitude Converter che consente un funzionamento a frequenza più elevata rispetto alle soluzioni basate su PWM. La famiglia BCM di convertitori a rapporto fisso è disponibile in una varietà di formati e potenze nominali per soddisfare le esigenze di un'ampia gamma di applicazioni ad alta tensione. Oltre alla famiglia BCM, Vicor offre convertitori a rapporto fisso per soddisfare le esigenze di molte altre applicazioni.
Il convertitore a rapporto fisso BCM è destinato a svolgere un ruolo significativo nella crescita della produzione di batterie, uno dei mercati in più rapida crescita oggi. Supporta una maggiore produttività, migliora l'efficienza e può essere scalato con qualsiasi applicazione. Indipendentemente dall'applicazione o dalla fase del ciclo di vita, i convertitori di potenza a rapporto fisso sono una soluzione eccezionale per la fiorente industria moderna delle batterie, oggi limitata dagli approcci tradizionali di conversione di potenza.
Vicor e BCM sono marchi registrati di Vicor Corporation; ChiP e Sine Amplitude Converter sono marchi di Vicor Corporation
