Aakash Kamal Nihalani

Product Marketing Engineer Intern

在當(dāng)今移動(dòng)性日益增強(qiáng)的世界中，對(duì)高效、多功能和便攜式電源解決方案的需求不斷增長(zhǎng)。無(wú)論是用于戶外活動(dòng)、遠(yuǎn)程工作設(shè)置還是緊急備用系統(tǒng)，用戶都需要能夠處理多種設(shè)備和能源輸入的可靠電源。瑞薩電子開(kāi)發(fā)了一套先進(jìn)的便攜式電源系統(tǒng)，旨在提供高性能和靈活性的全面解決方案，以滿足這些需求。該解決方案特別適用于便攜式發(fā)電站、儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）、不間斷電源（UPS）甚至電動(dòng)汽車(chē)（EV）充電等應(yīng)用。此外，瑞薩電子的R-BMS F固定固件解決方案簡(jiǎn)化了這些便攜式電源系統(tǒng)中的電池電量計(jì)量功能。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)代需求的便攜式電源系統(tǒng)存在一些挑戰(zhàn)。主要障礙之一是電源多功能性——能夠支持多種輸入和輸出選項(xiàng)，以適應(yīng)各種設(shè)備和電源。隨著現(xiàn)代設(shè)備對(duì)輸出的要求越來(lái)越高，例如筆記本電腦的功耗高達(dá) 240W，USB Power Delivery（USB PD）3.1擴(kuò)展功率范圍（EPR）等高級(jí)充電功能變得至關(guān)重要。瑞薩通過(guò)集成多種電源輸入和輸出（包括USB-C、AC/DC以及通過(guò)智能太陽(yáng)能電池充電器的太陽(yáng)能輸入）來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，確保系統(tǒng)能夠處理各種電源，同時(shí)在不同用例中保持效率。

另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是能源效率。最大化電源轉(zhuǎn)換效率對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命和減少能源浪費(fèi)至關(guān)重要，尤其是在功耗敏感的便攜式應(yīng)用中。

瑞薩的解決方案通過(guò)整合基于RA6T2 Arm ^? 內(nèi)核MCU和650V SuperGaN FET的高效雙向數(shù)字AC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。無(wú)論系統(tǒng)是充電還是放電，這些組件都能確保最佳功率轉(zhuǎn)換，從而最大限度地減少能量損失。

此外，電池管理在確保安全性、使用壽命和最佳性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。管理多串電池并集成太陽(yáng)能等可再生能源是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，必須對(duì)充電周期和電池平衡進(jìn)行精確控制。

瑞薩電子電量計(jì)IC（FGIC）通過(guò)高精度監(jiān)測(cè)電池健康狀態(tài)以及管理電池的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）估算，實(shí)現(xiàn)這一控制。瑞薩電子近期推出了 R-BMS F 固定固件解決方案套件，大幅縮短了電池管理和電量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間。適用于該應(yīng)用的R-BMS F固定固件解決方案套件為采用 RAJ240100GFP的RTK0EF0136DK0002BU。

智能太陽(yáng)能電池充電器的集成進(jìn)一步簡(jiǎn)化了太陽(yáng)能集成到系統(tǒng)中的過(guò)程，而不會(huì)影響整體性能。

最后，必須仔細(xì)平衡重量和便攜性，以確保系統(tǒng)在各種應(yīng)用中對(duì)用戶保持實(shí)用性。雖然該系統(tǒng)集成了多個(gè)組件來(lái)處理雙向充電和太陽(yáng)能集成等復(fù)雜任務(wù)，但瑞薩電子的模塊化設(shè)計(jì)確保其保持輕量化，而不會(huì)犧牲功能或功率輸出。此外，RA2E1 MCU以其超低功耗和緊湊的尺寸而聞名，有助于減輕整體系統(tǒng)重量，同時(shí)為管理系統(tǒng)內(nèi)的各種任務(wù)提供必要的處理能力。

系統(tǒng)設(shè)置和解決方案

瑞薩電子的便攜式電源系統(tǒng)通過(guò)將幾個(gè)關(guān)鍵組件集成到一個(gè)有凝聚力的系統(tǒng)中來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。該綜合系統(tǒng)協(xié)同工作，創(chuàng)建了一個(gè)多功能且高效的電源管理系統(tǒng)。

該解決方案的核心是多輸入U(xiǎn)SB PD充電器，能夠從各種電源提供高達(dá)240W的功率，包括車(chē)輛電源、市電交流輸入（110V）和太陽(yáng)能。該充電器支持具有雙向功能的USB PD 3.1 EPR，使其既可以為設(shè)備充電，也可以從外部接收電源。

該解決方案還具有數(shù)字功率因數(shù)校正+雙有源橋（PFC+DAB）充電器系統(tǒng)，能夠提供高達(dá)3.6KW的功率。該系統(tǒng)使用雙向數(shù)字AC/DC轉(zhuǎn)換器，基于瑞薩電子的高性能RA6T2 Arm內(nèi)核MCU和650V SuperGaN FET。該設(shè)計(jì)采用圖騰柱無(wú)橋功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)洌蟾鶧AB 隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高效的雙向數(shù)字AC/DC電源轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)支持3至10節(jié)串聯(lián)鋰離子電池，可靈活應(yīng)用于各種場(chǎng)景。電池組由電量計(jì)IC （FGIC）管理，該IC將MCU設(shè)備和模擬前端（AFE）設(shè)備集成在一個(gè)封裝中。該組件可確保全面的電池監(jiān)測(cè)和控制。該系統(tǒng)還包括一個(gè)太陽(yáng)能充電器板，允許用戶利用太陽(yáng)能電池板等可再生能源。ISL95338降壓-升壓控制器可有效管理太陽(yáng)能輸入，確保在離網(wǎng)時(shí)太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)最佳充電。此功能使該解決方案成為戶外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者或可能無(wú)法使用傳統(tǒng)電源的偏遠(yuǎn)地區(qū)的理想選擇。

高級(jí)電池管理

瑞薩電子便攜式電源系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)是其先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以電量計(jì)IC（FGIC）為中心。該IC通過(guò)其15位Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器（電壓測(cè)量精度為±5mV）和18位Delta-Sigma A/D電流積分電路（精度為±10mA）集成高精度電壓和電流測(cè)量功能，提供對(duì)電池性能的精確監(jiān)控和控制。這些精確的測(cè)量對(duì)于準(zhǔn)確估算電池的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)至關(guān)重要，而這些估算又是確保高效電池管理和延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵因素。

FGIC還支持自診斷功能和功能安全功能，從而提高了整體可靠性。該系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)測(cè)量電池特性，例如容量和阻抗，以幫助根據(jù)劣化模式確定更換時(shí)間。此外，它通過(guò)分析電池組中電池單元之間的整體電壓差異來(lái)增強(qiáng)電池平衡，確保每個(gè)電池單元容量的最佳利用。

在“Sink”模式下，系統(tǒng)可以通過(guò)USB PD為外部設(shè)備（如筆記本電腦）充電，同時(shí)通過(guò)直流輸出為其他設(shè)備供電，或通過(guò)墻壁插座或太陽(yáng)能電池板的交流輸入為自己充電。在“移動(dòng)電源”模式下，它可以從AC/DC電源或太陽(yáng)能電池板接收電荷，同時(shí)將電力分配到USB-C或DC插孔等多個(gè)輸出，非常適合多個(gè)設(shè)備需要同時(shí)充電的情況。

系統(tǒng)集成

由于其模塊化和可擴(kuò)展性，該系統(tǒng)旨在無(wú)縫集成到各種應(yīng)用程序中。無(wú)論您構(gòu)建的是小型個(gè)人設(shè)備還是大型工業(yè)設(shè)備，該解決方案都能憑借其靈活的架構(gòu)輕松適應(yīng)。該系統(tǒng)支持多種輸入/輸出類(lèi)型：交流（110V）、直流（高達(dá)28V）、USB-C（240W）和 USB-A（12W），以及通過(guò)其專(zhuān)用智能太陽(yáng)能電池充電器進(jìn)行太陽(yáng)能輸入。這種多功能性使制造商能夠根據(jù)不同的用戶需求創(chuàng)建便攜式發(fā)電站，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)核心組件。集成額外的輔助電路，如冷卻風(fēng)扇（用于熱管理）、LED驅(qū)動(dòng)器（用于照明）和DC/DC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步增強(qiáng)了在不同環(huán)境中的可用性，而不會(huì)影響性能或安全標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際應(yīng)用

瑞薩電子的便攜式電源系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)具有廣泛的適用性：

• 便攜式發(fā)電站： 非常適合戶外活動(dòng)，如露營(yíng)或遠(yuǎn)足，在這些活動(dòng)中，使用傳統(tǒng)電網(wǎng)的機(jī)會(huì)可能受到限制。

• 儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）和不間斷電源（UPS）： 在停電或緊急情況下提供可靠的備份。

• 電動(dòng)汽車(chē)充電： 可用作移動(dòng)EV充電解決方案的一部分。

• 工業(yè)設(shè)備： 為沒(méi)有傳統(tǒng)電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)的工具/機(jī)械供電。

• 可再生能源系統(tǒng)： 與太陽(yáng)能電池板無(wú)縫集成，非常適合離網(wǎng)生活環(huán)境，如專(zhuān)注于可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃的小屋或生態(tài)度假村。

每種情況下，高效數(shù)字轉(zhuǎn)換器與穩(wěn)健的電池管理系統(tǒng)的結(jié)合，確保了無(wú)論環(huán)境條件或負(fù)載需求如何，都能提供不間斷的服務(wù)。

結(jié)論

該系統(tǒng)代表了便攜式能源技術(shù)的創(chuàng)新飛躍——將高功率傳輸能力與先進(jìn)的電池管理技術(shù)相結(jié)合——所有這些都位于可擴(kuò)展的模塊化架構(gòu)中，能夠支持從消費(fèi)電子產(chǎn)品到工業(yè)級(jí)應(yīng)用的各種用例！通過(guò)利用雙向數(shù)字轉(zhuǎn)換器等尖端技術(shù)，再加上能夠監(jiān)控與電池性能相關(guān)的各個(gè)方面的智能電量計(jì)IC，您可以放心，因?yàn)闊o(wú)論下一步生活將您帶到哪里，您的設(shè)備都將始終保持供電狀態(tài)！