Die Nutzung von PassThru-Technologie hilft, die Lebensdauer von Energiespeichersystemen zu verlängern.

Möglichkeiten zur Verlängerung der Akkulaufzeit und Verbesserung der Leistung von Energiespeichersystemen

Batterien sind die entscheidenden Komponenten von Energiespeichersystemen. Die Verlängerung der Batterielebensdauer bedeutet eine stärkere Systemleistung, längere Betriebszeit und niedrigere Kosten. Typischerweise gibt es drei Möglichkeiten, die Batterielebensdauer zu verlängern: Verbesserung der Batterietechnologie, Entwicklung besserer Geräte und Bereitstellung innovativer Energiemanagementsysteme.

Die Verbesserung der Batterietechnologie beinhaltet die Auswahl geeigneter Batterien für spezielle Anwendungen und die Gestaltung entsprechender Batteriemanagementsysteme, um das Laden zu steuern, die Temperatur zu regulieren und den Stromverbrauch zu minimieren. Das Design besserer Geräte erfordert die Berücksichtigung effizienter Hardwarekomponenten und robuster Firmware, die beide unerlässlich sind, um Funktionalität und Lebensdauerkriterien auszugleichen. Um die Energieoptimierung intelligent zu erreichen, können die neuesten Energiemanagementsysteme genutzt werden. Diese Systeme verwenden AI-basierte Algorithmen, neuartige Topologiestrukturen und effiziente Konverter-Steuerungsmethoden, wie etwa den PassThru-Modus und den Energiesparmodus.

Darüber hinaus kann die Verwendung von Energiespeichergeräten wie Superkondensatoren neben Batterien in verschiedenen Anwendungsszenarien von Vorteil sein. Superkondensatoren bieten Vorteile wie Unterstützung beim schnellen Laden und Entladen von kurzzeitigen Leistungsimpulsen, längere Lebensdauer und höhere Gesamtsystemeffizienz. Beispielsweise sind Superkondensatoren gut geeignet für die schnelle Energiespeicherung und zur Bereitstellung von Notstrom. Sie können extremen Temperaturbedingungen standhalten. Wenn sie in Kombination mit Batterien verwendet werden, beispielsweise in Elektrofahrzeugen, tragen Superkondensatoren dazu bei, die Leistung zu verbessern und die Batterielebensdauer zu verlängern. Darüber hinaus sind Superkondensatoren umweltfreundlicher.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Superkondensatoren und Batterien besteht darin, dass eine 6-Zellen-0.1Ah-Lithium-Polymer-Batterie bei gleicher Nennspannung die Eigenschaften einer Spannungsquelle aufweist und während des Betriebs eine stabilere Spannung liefert. Im Gegensatz dazu sinkt die Spannung bei einem 2F-Superkondensator linear ab, wenn Strom zum Verbraucher fließt. Die lineare Entladecharakteristik von Superkondensatoren erfordert ein effizienteres System zur Energiewandlung. In diesem Szenario ist es geeigneter, eine Buck-Boost-Wandlerfunktion zu verwenden, da dieser Wandler die Ausgangsspannungsstabilität unabhängig davon, ob die Eingangsspannung niedriger oder höher als die eingestellte Ausgangsspannung ist, angemessen anpassen und regeln kann.

Der PassThru-Modus ist ein wichtiges Mittel zur Optimierung der Effizienz

Die PassThru-Technologie ist ein grundlegendes Merkmal von Geräten mit weitem Eingangsspannungsbereich. Im Vergleich zu Systemen, die konventionelle Regelmethoden (standardmäßiger Abwärts-/Aufwärtsregler) verwenden, kann sie die Effizienz verbessern und die Lebensdauer von Energiespeichersystemen verlängern. "Durchleitung" bezieht sich auf die direkte Übertragung des Eingangs innerhalb eines vordefinierten Spannungsfensters zum Ausgang, als ob ein Kurzschluss vorläge. Die PassThru-Technologie fungiert als Netz zwischen der Energiequelle (z.B. Superkondensator) und der Last und stellt sicher, dass die Spannungsregelung innerhalb festgelegter akzeptabler Bereiche erfolgt. Sie bietet einen direkten Pfad von der Energiequelle zur Last, um sicherzustellen, dass das Gerät so effizient wie möglich arbeitet. Der PassThru-Modus ist ein wichtiges Mittel, um die Effizienz von Geräten, die von Superkondensatoren betrieben werden, zu optimieren, da er die Lade-/Entladezyklen von Superkondensatoren reduziert und die EMI und die Gesamtleistung des Geräts verbessert.

In einem Vier-Schalter-Abwärts-Aufwärts-Wandler bietet der PassThru-Modus einen direkten Pfad von der Energiequelle zur Ausgangslast basierend auf den festgelegten Fenstereinstellungen. Der Eingang wird direkt an den Ausgang durchgeschaltet, wodurch Schaltverluste eliminiert werden und die Effizienz innerhalb des festgelegten PassThru-Fensters verbessert wird. Darüber hinaus wird die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht, da es im PassThru-Modus keine Schaltfrequenz gibt. Der PassThru-Modus in Abwärts-Aufwärts-Wandlern bietet Flexibilität, indem er unterschiedliche Ausgangsspannungen für den Abwärts- und den Aufwärts-Ausgang ermöglicht. Dies steht im Gegensatz zu typischen Abwärts-Aufwärts-ICs, die nur eine nominale Ausgangsspannung bereitstellen. Diese Funktion schützt auch die Last, wenn sich die Eingangsspannung ungewöhnlich verhält.

PassThru-Modussteuerung verbessert die Betriebseffizienz des Systems

Der PassThru-Modus ist ein Betriebsmodus des LT8210, welcher der einzige Buck-Boost-Controller-IC auf dem Markt mit dieser Fähigkeit ist. Die Verwendung des DC2814A-A-Demoboards als Beispiel: Dieses Demoboard nutzt den LT8210 mit einem Eingangsspannungsbereich von 4 V bis 40 V, einem Volllaststrom von 3 A und einer Ausgangsspannung von 8 V bis 16 V. Im PassThru-Modus kann der Wirkungsgrad im Vergleich zum Buck-Boost-Betrieb bei schweren Lasten um bis zu 5 % und bei leichteren Lasten (wie einer 10%igen Stromlast) um bis zu 17 % verbessert werden. Daher erreicht der PassThru-Modus unter Bedingungen leichter Lasten signifikante Leistungsverbesserungen.

Es ist erwähnenswert, dass, obwohl der PassThru-Modus des LT8210 eine Ausgangsspannung ermöglicht, die sich von der Buck-Ausgangsspannung unterscheidet, immer noch ein Buck-Boost-Bereich vorhanden ist, wenn die Eingangsspannung nahe der Ausgangsspannungseinstellung liegt. Der Grund für diesen Buck-Boost-Bereich im LT8210 ist, dass es eine Überlappung zwischen den Stromregelungsbereichen des Induktors im Buck- und Boost-Modus gibt.

Um die Anwendungswirksamkeit des PassThru-Modus zu bewerten, wird ein Vier-Schalter-Buck-Boost-Konverter als Vorregler für den Point-of-Load-Konverter verwendet, der auch als Motorsteuerung dient. Obwohl die Stromquelle ein 24V-Superkondensator ist, erfordert der Gleichstrommotor eine Eingangsspannung von 9V und einen Eingangsstrom von 0,3A. Der Buck-Boost-Konverter wird im PassThru-Modus oder im konventionellen Vier-Schalter-Buck-Boost-Controller betrieben, der im kontinuierlichen Leitungsmodus (Continuous Conduction Mode, CCM) arbeitet. Beachten Sie, dass die konventionelle Buck-Boost-Steuerung keinen PassThru-Modus hat; sie verfügt nur über Buck-, Boost- und Buck-Boost-Operationen.

Das System im PassThru-Modus stellt seine Boost-Ausgangsspannung auf 12 V und seine Buck-Ausgangsspannung auf 27 V ein. Auf diese Weise kann die Startspannung des Superkondensators innerhalb der Sperrbandgrenze liegen. Daher wird das System den PassThru-Modus von der 24V- bis zur 12V-Superkondensatorspannung durchlaufen. Während dieser Zeit erreicht die Effizienz 99,9%. Im Vergleich zum herkömmlichen Steuerverfahren verbessert der PassThru-Modus die Effizienz um 22 % bis 27 %.

Einige der Hauptgründe für die höhere Effizienz von Systemen, die im PassThru-Modus gesteuert werden, sind die Eliminierung des Buck-Betriebs, die Sicherstellung, dass die Batteriespannung innerhalb des empfohlenen Durchlassbereichs bleibt, und das Design, um unter leichten Lasten zu arbeiten, mit dem Fokus auf der Reduzierung von Schaltverlusten. Die PassThru-Technologie ist ein entscheidendes Mittel zur Optimierung der Leistung von Geräten, die durch Superkondensatoren betrieben werden. Im Vergleich zu konventionellen Systemen, die durch CCM (Continuous Conduction Mode) Buck-Boost-Betrieb gesteuert werden, kann die Einführung des LT8210 synchronen Buck-Boost-Controllers mit PassThru-Modus die Effizienz von Geräten, die durch Superkondensatoren betrieben werden, erheblich verbessern.

Unterstützt synchrone 4-Schalter Buck-Boost-DC/DC-Controller

ADI hat den LT8210 eingeführt, einen 100V VIN und VOUT synchronen 4-Schalter Buck-Boost DC/DC-Controller mit Pass-Thru-Fähigkeit. Er arbeitet im PassThru-, erzwungenen kontinuierlichen, Puls-Überspringungs- und Burst®-Modus. Im PassThru-Modus, wenn die Eingangsspannung im benutzerprogrammierbaren Fenster liegt, wird der Eingang direkt an den Ausgang durchgeleitet. Der PassThru-Modus eliminiert Schaltverluste und EMI, während er die Effizienz maximiert. Für Eingangsspannungen über oder unter dem Pass-Thru-Fenster hält die Buck- oder Boost-Regelschleife den Ausgang jeweils auf den festgelegten Maximal- oder Minimalwerten.

Der GATEVCC-Treiber des LT8210 ist auf 10,6 V geregelt, um die Verwendung von Standard-Level-MOSFETs zu ermöglichen, und kann über den EXTVCC-Pin betrieben werden, um die Effizienz zu steigern. Der GATEVCC-Regler verfügt über Schutz gegen Rückwärtsführung, welcher die Regelung im Falle von Eingangsspannungseinbrüchen aufrecht erhält. Durch Hinzufügen eines einzelnen N-Kanal-MOSFETs kann ein optionaler Rückwärts-Eingangsschutz bis zu -40 V erreicht werden. Der LT8210 beinhaltet auch einen Präzisionsstrommessverstärker, der eine genaue Überwachung und Begrenzung des Ausgangs- oder Eingangs-Mittelstroms ermöglicht.

Der LT8210 bietet pin-wählbare PassThru- oder festgelegte Ausgangs-CCM-, DCM-, Burst®-Betriebsmodi und ein programmierbares Nicht-Schalt-PassThru-Fenster. Er verfügt über einen 18μA PassThru-Modus-IQ mit 99,9 % Effizienz, einen VIN-Bereich von 2,8V bis 100V (4,5V beim Start), einen VOUT-Bereich von 1V bis 100V, Rückwärts-Eingangsschutz bis -40V, ±1,25 % Ausgangsspannungsgenauigkeit (-40°C bis 125°C) und ±3 % genaue Stromüberwachung, ±5 % genaue Stromregelung. Er unterstützt 10V Quad-N-Kanal-MOSFET-Treiber, und EXTVCC LDO kann von VOUT/externen Stromschienen gespeist werden. Er hat ±20 % Zyklus-für-Zyklus-Induktorstromgrenze, kein oberes MOSFET-Auffrischungsrauschen im Buck- oder Boost-Modus, feste/phasensperrbare Frequenz von 80kHz bis 400kHz, geeignet für Low-EMI-Spread-Spectrum-Frequenzmodulation (SSFM). Er verfügt über einen Power-Good-Ausgangsspannungs-/Überstrom-Monitor und ist in 38-poligen TSSOP- und 40-poligen (6mm x 6mm) QFN-Gehäusen erhältlich. Der LT8210 kann in Automobil-, Industrie-, Telekommunikations-, Luftfahrtanwendungen, Automobil-Start-Stopp-Systemen, Notrufanwendungen und Anwendungen, die mit ISO 7637, ISO 16750, MIL-1275, DO-160 konform sind, eingesetzt werden.

Der LT8210 bietet ebenfalls mehrere Evaluierungskits, einschließlich des DC2814A-B Demo-Boards, das ein Hochspannungs- und hocheffizienter synchroner Buck-Boost DC/DC-Wandler ist, mit einem Eingangsspannungsbereich von 9V bis 80V, der in der Lage ist, einen maximalen Laststrom von 2,5A bereitzustellen und einen Ausgangsbereich von 24V bis 34V aufweist. Ein weiterer Demonstrationskreis, der DC2814A-C, hat einen Eingangsspannungsbereich von 26V bis 80V, liefert einen maximalen Laststrom von 2A und verfügt über einen Ausgangsbereich von 36V bis 56V. Zusätzlich hat der DC2814A-A Demokreis einen Eingangsspannungsbereich von 8V bis 80V, der nach dem Gerätestart bis auf 3,5V heruntergehen kann, bietet einen maximalen Laststrom von 3A und verfügt über einen Ausgangsbereich von 8V bis 16V.

Diese Demoboards integrieren alle den LT8210EUJ-Controller, der eine konstante Frequenz im Current-Mode-Architektur verwendet, die eine phasenverriegelbare Frequenz von bis zu 400kHz ermöglicht. Optionale Eingangs- oder Ausgangsstrom-Rückkopplungsschleifen bieten Unterstützung für das Laden von Batterien und andere Anwendungen. Zusätzlich bietet ADI LTspice®, eine leistungsstarke und effiziente kostenlose Simulationssoftware, Schaltplanerfassung und Wellenformbetrachter, die die Fähigkeiten und Modelle zur Verbesserung der Simulation von Analogschaltungen erweitern.

Fazit

Der von ADI eingeführte LT8210, ein 4-Schalter synchroner Buck-Boost DC/DC-Controller, arbeitet in den Modi PassThru, Zwangskontinuierlich, Pulsspringen und Burst® und optimiert die Effizienz von superkondensatorbetriebenen Geräten erheblich. Dieser Buck-Boost DC/DC-Controller, der die PassThru-Technologie unterstützt, wird die Batterieleistung verbessern und die Lebensdauer von Energiespeichersystemen verlängern, was ihn zu einem idealen Begleiter für Anwendungen wie Automobil-, Industrie-, Telekommunikations- und Luft- und Raumfahrtelektroniksysteme macht.