大功率鋁空氣電池升壓電源的研制
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
一、 引言
1．1 鋁空氣電池的特點
文章[1]，及專利[2]，[3]中對鋁空電池都有過較為詳細的描述，特別是專利[2]，[3]對鋁空電池的特性及升壓電源原理等都有較為深入的表述。鋁空電池的靜態(tài)內阻特性在正常使用階段與普通的干電池相似，比優(yōu)質鋅錳電池差；但其動態(tài)特性卻比其它電池要差。由于其電解液----鹽水的導電性較其它化學電解液的導電性差，造成其動態(tài)內阻大的固有缺陷，使該電池的使用范圍大大減小。另外，由于鋁空電池自身的原因在許多場合都不能串聯(lián)或不能串聯(lián)太多的電池，因而在這些場合的使用都必須配備大功率升壓電源，本文所介紹的正是這類電源。
1．2 大功率升壓電源電路設計的難點
在文章[1]中較為詳細的介紹了小功率升壓電源的研制，小功率升壓電源的主要用途是為蓄電池提供涓流充電，由于負載特性較為簡單且輸出功率也較小，所以研制小功率升壓電源時考慮的相關因素要少些。相對于小功率升壓電源，開發(fā)大功率鋁空氣電池升壓電源要考慮的相關因素就要多些；首先是升壓電源的功耗，表現(xiàn)為能量的轉換效率。“低電壓（1.5V~5V）大功率（100W以上）”，一定會在升壓電源的輸入端形成“低電壓（1.5V~5V）大電流（100A以上）”的設計難題，以及由此帶來的一系列問題。這使得鋁空氣電池的大功率升壓電源無論是在電路設計、元器件選擇、印刷電路板設計還是在生產(chǎn)工藝上都要進行特別的處理。
二、 開發(fā)升壓電源的幾個關鍵技術點
2．1 限制沖擊電流的措施
由于鋁空氣電池的動態(tài)特性較差，開路電壓與逆變過程的動態(tài)波形最高電壓值之間的差值——“動態(tài)差值”，就是電路設計的第一個難點。實測一組串聯(lián)的鋁空電池組：開路電壓為9V（有效值），帶載后其電源端電壓就降為5V（有效值）左右。這樣的電池特性對電源變換電路的設計就提出了很高的要求：如何減少變換電路工作時對電池的沖擊，也就是盡可能的限制沖擊電流；用通俗的話講：如何使鋁空氣電池的化學能變化產(chǎn)生的能量能跟得上變換電路提取能量的速度。為了盡可能的使電池輸出能量與變換電路要求的輸入能量相匹配，必須在升壓電源的輸入端（鋁空氣電池的輸出端）加一“蓄能池”。
如下的電路為升壓電源的主變換電路：
圖1
大容量的電容C1~C3在MOS管導通期間向主電路供電，在MOS管截止期間由電源向大容量的電容C1~C3充電，這樣可從電路結構上改善鋁空氣電池動態(tài)特性造成的影響，減少對鋁空氣電池的沖擊電流。
6繞組的變壓器也可以在不減少整體電路轉換效率及不增加成本（高價且復雜的防沖擊電流控制電路）的基礎上達到減少沖擊電流。變壓器T1的原邊為并聯(lián)的3繞組，分別接電源輸入端VIN及MOS管的漏極；次極為串聯(lián)的3繞組，分別接電源的輸入端VIN及整流二極管D1。初級與次極的繞組比率N=1：4。
MOS管的導通，在變壓器T1的原邊內產(chǎn)生一較大的電流值I PRE，電流I PRE將在T1的原邊內產(chǎn)生磁場，當電流達到某一限定值時，控制電路將關斷MOS管。根據(jù)LENZ’S LEW，這電流的突然改變將產(chǎn)生一阻礙電流變化的磁場，該磁場的方向正好使整流二極管導通，在變壓器T1的次極產(chǎn)生電流ISEC= I PRE/N。這樣，變壓器將使流過整流二極管向電容C4充電的瞬間峰值電流減少75%，同時也使MOS管的漏極源極間的耐壓減少75%。通過以合適比例來減少升壓電源最大的平均輸出電流，以降低75%的瞬間變壓器次極電流來限制對鋁空氣電池輸出電流所造成的沖擊。
通過以上兩種特殊設計可以大大減小由于鋁空氣電池動態(tài)特性差而造成的對電路的影響。另外，輸出電容可用ESR較小的大容量的滌綸電容，這樣即可降低電路造價又可減小電路的體積。
2．2 變壓器設計
變壓器（T1）是升壓電源極為重要的組成部分，它對升壓電源的效率、工作可靠性以及輸出電氣性能都起著極為重要的作用，因此該變壓器的設計是非常重要的。高頻變壓器的合理設計對升壓電源的工作過程和輸出電壓、電流紋波都有重要影響，但高頻磁性器件的精確設計是不容易的，有時也沒有必要，在工程設計中，可以按照一定的原則、方法和步驟進行估算和核算，就可設計出基本合適的高頻變壓器。
首先要確定變壓器T1初極繞組的電感量，以下給出計算方法：
1． 單元升壓電路的輸入電流（有效值）；
單元升壓電源輸出功率為100W，假定單元升壓電源的轉換效率為90%，則單元升壓電源的輸入功率將為110W。若電池組的輸入電壓為1.5V~5.0V，則單元升壓電源將從電池組中提取25A~75A的電流。
即I PRE=25A~75A，也就是：IMAX=75A
2．變壓器原邊電感量的確定
在設計變壓器（T1）時，首先要計算變壓器（T1）初極電流的峰值，它等于MOS開關管電流的峰值。上面計算得到的單元升壓電路的最大輸入電流（有效值IMAX=75A）并不是MOS開關管電流的峰值，其電流峰值常?？筛鶕?jù)具體電路在原電流（有效值IMAX=75A）的基礎上再加上（10%~25%）。在求的原邊最大電流后，即可由下式求變壓器（T1）原邊大概的電感量值。
LP=
；
LP：變壓器初極電感量，單位是H；
：最低直流輸入電壓，單位是V；
：最大占空比；
：變壓器初極電流峰值，單位是A；
：開關頻率，單位是HZ；
值得一提的是：高頻變壓器的設計和試驗是要結合進行的，在設計的基礎上進行試驗，再在試驗的數(shù)據(jù)上修改設計，經(jīng)過幾個回合才能將具體的參數(shù)確定下來。
1．1 鋁空氣電池的特點
文章[1]，及專利[2]，[3]中對鋁空電池都有過較為詳細的描述，特別是專利[2]，[3]對鋁空電池的特性及升壓電源原理等都有較為深入的表述。鋁空電池的靜態(tài)內阻特性在正常使用階段與普通的干電池相似，比優(yōu)質鋅錳電池差；但其動態(tài)特性卻比其它電池要差。由于其電解液----鹽水的導電性較其它化學電解液的導電性差，造成其動態(tài)內阻大的固有缺陷，使該電池的使用范圍大大減小。另外，由于鋁空電池自身的原因在許多場合都不能串聯(lián)或不能串聯(lián)太多的電池，因而在這些場合的使用都必須配備大功率升壓電源，本文所介紹的正是這類電源。
1．2 大功率升壓電源電路設計的難點
在文章[1]中較為詳細的介紹了小功率升壓電源的研制，小功率升壓電源的主要用途是為蓄電池提供涓流充電，由于負載特性較為簡單且輸出功率也較小，所以研制小功率升壓電源時考慮的相關因素要少些。相對于小功率升壓電源，開發(fā)大功率鋁空氣電池升壓電源要考慮的相關因素就要多些；首先是升壓電源的功耗，表現(xiàn)為能量的轉換效率。“低電壓（1.5V~5V）大功率（100W以上）”，一定會在升壓電源的輸入端形成“低電壓（1.5V~5V）大電流（100A以上）”的設計難題，以及由此帶來的一系列問題。這使得鋁空氣電池的大功率升壓電源無論是在電路設計、元器件選擇、印刷電路板設計還是在生產(chǎn)工藝上都要進行特別的處理。
二、 開發(fā)升壓電源的幾個關鍵技術點
2．1 限制沖擊電流的措施
由于鋁空氣電池的動態(tài)特性較差，開路電壓與逆變過程的動態(tài)波形最高電壓值之間的差值——“動態(tài)差值”，就是電路設計的第一個難點。實測一組串聯(lián)的鋁空電池組：開路電壓為9V（有效值），帶載后其電源端電壓就降為5V（有效值）左右。這樣的電池特性對電源變換電路的設計就提出了很高的要求：如何減少變換電路工作時對電池的沖擊，也就是盡可能的限制沖擊電流；用通俗的話講：如何使鋁空氣電池的化學能變化產(chǎn)生的能量能跟得上變換電路提取能量的速度。為了盡可能的使電池輸出能量與變換電路要求的輸入能量相匹配，必須在升壓電源的輸入端（鋁空氣電池的輸出端）加一“蓄能池”。
如下的電路為升壓電源的主變換電路：
大容量的電容C1~C3在MOS管導通期間向主電路供電，在MOS管截止期間由電源向大容量的電容C1~C3充電，這樣可從電路結構上改善鋁空氣電池動態(tài)特性造成的影響，減少對鋁空氣電池的沖擊電流。
6繞組的變壓器也可以在不減少整體電路轉換效率及不增加成本（高價且復雜的防沖擊電流控制電路）的基礎上達到減少沖擊電流。變壓器T1的原邊為并聯(lián)的3繞組，分別接電源輸入端VIN及MOS管的漏極；次極為串聯(lián)的3繞組，分別接電源的輸入端VIN及整流二極管D1。初級與次極的繞組比率N=1：4。
MOS管的導通，在變壓器T1的原邊內產(chǎn)生一較大的電流值I PRE，電流I PRE將在T1的原邊內產(chǎn)生磁場，當電流達到某一限定值時，控制電路將關斷MOS管。根據(jù)LENZ’S LEW，這電流的突然改變將產(chǎn)生一阻礙電流變化的磁場，該磁場的方向正好使整流二極管導通，在變壓器T1的次極產(chǎn)生電流ISEC= I PRE/N。這樣，變壓器將使流過整流二極管向電容C4充電的瞬間峰值電流減少75%，同時也使MOS管的漏極源極間的耐壓減少75%。通過以合適比例來減少升壓電源最大的平均輸出電流，以降低75%的瞬間變壓器次極電流來限制對鋁空氣電池輸出電流所造成的沖擊。
通過以上兩種特殊設計可以大大減小由于鋁空氣電池動態(tài)特性差而造成的對電路的影響。另外，輸出電容可用ESR較小的大容量的滌綸電容，這樣即可降低電路造價又可減小電路的體積。
2．2 變壓器設計
變壓器（T1）是升壓電源極為重要的組成部分，它對升壓電源的效率、工作可靠性以及輸出電氣性能都起著極為重要的作用，因此該變壓器的設計是非常重要的。高頻變壓器的合理設計對升壓電源的工作過程和輸出電壓、電流紋波都有重要影響，但高頻磁性器件的精確設計是不容易的，有時也沒有必要，在工程設計中，可以按照一定的原則、方法和步驟進行估算和核算，就可設計出基本合適的高頻變壓器。
首先要確定變壓器T1初極繞組的電感量，以下給出計算方法：
1． 單元升壓電路的輸入電流（有效值）；
單元升壓電源輸出功率為100W，假定單元升壓電源的轉換效率為90%，則單元升壓電源的輸入功率將為110W。若電池組的輸入電壓為1.5V~5.0V，則單元升壓電源將從電池組中提取25A~75A的電流。
即I PRE=25A~75A，也就是：IMAX=75A
2．變壓器原邊電感量的確定
在設計變壓器（T1）時，首先要計算變壓器（T1）初極電流的峰值，它等于MOS開關管電流的峰值。上面計算得到的單元升壓電路的最大輸入電流（有效值IMAX=75A）并不是MOS開關管電流的峰值，其電流峰值常?？筛鶕?jù)具體電路在原電流（有效值IMAX=75A）的基礎上再加上（10%~25%）。在求的原邊最大電流后，即可由下式求變壓器（T1）原邊大概的電感量值。
LP=
LP：變壓器初極電感量，單位是H；
值得一提的是：高頻變壓器的設計和試驗是要結合進行的，在設計的基礎上進行試驗，再在試驗的數(shù)據(jù)上修改設計，經(jīng)過幾個回合才能將具體的參數(shù)確定下來。
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