解读瑞萨电子便携式电源系统解决方案

Author

Aakash Kamal Nihalani

在当今移动性日益增强的世界中，对高效、多功能和便携式电源解决方案的需求不断增长。无论是用于户外活动、远程工作设置还是紧急备用系统，用户都需要能够处理多种设备和能源输入的可靠电源。瑞萨电子开发了一套先进的便携式电源系统，旨在提供高性能和灵活性的全面解决方案，以满足这些需求。该解决方案特别适用于便携式发电站、储能系统（ESS）、不间断电源（UPS）甚至电动汽车（EV）充电等应用。此外，瑞萨电子的R-BMS F固定固件解决方案简化了这些便携式电源系统中的电池电量计量功能。

图 1：便携式电源系统（7节电池）框图

1设计挑战

设计满足现代需求的#便携式电源系统存在一些挑战。主要障碍之一是电源多功能性——能够支持多种输入和输出选项，以适应各种设备和电源。随着现代设备对输出的要求越来越高，例如笔记本电脑的功耗高达240W，USB Power Delivery（USB PD）3.1扩展功率范围（EPR）等高级充电功能变得至关重要。 瑞萨电子通过集成多种电源输入和输出（包括USB-C、AC/DC以及通过智能太阳能电池充电器的太阳能输入）来应对这一挑战，确保系统能够处理各种电源，同时在不同用例中保持效率。

图 2：智能太阳能电池充电器框图

另一个关键挑战是能源效率。最大化电源转换效率对于延长电池寿命和减少能源浪费至关重要，尤其是在功耗敏感的便携式应用中。

瑞萨电子的解决方案通过整合基于RA6T2 Arm内核MCU和650V SuperGaN FET的高效双向数字AC/DC转换器来应对这一挑战。无论系统是充电还是放电，这些组件都能确保最佳功率转换，从而最大限度地减少能量损失。

此外，电池管理在确保安全性、使用寿命和最佳性能方面发挥着关键作用。管理多串电池并集成太阳能等可再生能源是一个复杂的过程，必须对充电周期和电池平衡进行精确控制。

瑞萨电子电量计IC（FGIC）通过高精度监测电池健康状态以及管理电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）估算，实现这一控制。瑞萨电子近期推出了R-BMS F固定固件解决方案套件，大幅缩短了电池管理和电量检测系统的设计时间。适用于该应用的R-BMS F固定固件解决方案套件为采用RAJ240100GFP的RTK0EF0136DK0002BU。智能太阳能电池充电器的集成进一步简化了太阳能集成到系统中的过程，而不会影响整体性能。

最后，必须仔细平衡重量和便携性，以确保系统在各种应用中对用户保持实用性。虽然该系统集成了多个组件来处理双向充电和太阳能集成等复杂任务，但瑞萨电子的模块化设计确保其保持轻量化，而不会牺牲功能或功率输出。此外，RA2E1 MCU以其超低功耗和紧凑的尺寸而闻名，有助于减轻整体系统重量，同时为管理系统内的各种任务提供必要的处理能力。

2系统设置和解决方案

瑞萨电子的便携式电源系统通过将几个关键组件集成到一个有凝聚力的系统中来应对这些挑战。该综合系统协同工作，创建了一个多功能且高效的电源管理系统。

该解决方案的核心是多输入USB PD充电器，能够从各种电源提供高达240W的功率，包括车辆电源、市电交流输入（110V）和太阳能。该充电器支持具有双向功能的USB PD 3.1 EPR，使其既可以为设备充电，也可以从外部接收电源。

该解决方案还具有数字功率因数校正+双有源桥（PFC+DAB）充电器系统，能够提供高达3.6KW的功率。该系统使用双向数字AC/DC转换器，基于瑞萨电子的高性能#RA6T2Arm内核MCU和650V SuperGaN FET。该设计采用图腾柱无桥功率因数校正（PFC）拓扑，后跟DAB隔离式DC/DC转换器，可实现高效的双向数字AC/DC电源转换。该系统支持3至10节串联锂离子电池，可灵活应用于各种场景。电池组由#电量计IC（FGIC）管理，该IC将MCU设备和模拟前端（AFE）设备集成在一个封装中。该组件可确保全面的电池监测和控制。该系统还包括一个太阳能充电器板，允许用户利用太阳能电池板等可再生能源。ISL95338降压-升压控制器可有效管理太阳能输入，确保在离网时太阳能电池板实现最佳充电。此功能使该解决方案成为户外运动爱好者或可能无法使用传统电源的偏远地区的理想选择。

3高级电池管理

#瑞萨电子便携式电源系统的一个突出特点是其先进的电池管理系统，该系统以电量计IC（FGIC）为中心。该IC通过其15位Delta-SigmaA/D转换器（电压测量精度为±5mV）和18位Delta-Sigma A/D电流积分电路（精度为±10mA）集成高精度电压和电流测量功能，提供对电池性能的精确监控和控制。这些精确的测量对于准确估算电池的荷电状态和健康状态至关重要，而这些估算又是确保高效电池管理和延长电池寿命的关键因素。

FGIC还支持自诊断功能和功能安全功能，从而提高了整体可靠性。该系统会自动测量电池特性，例如容量和阻抗，以帮助根据劣化模式确定更换时间。此外，它通过分析电池组中电池单元之间的整体电压差异来增强电池平衡，确保每个电池单元容量的最佳利用。

在“Sink”模式下，系统可以通过USB PD为外部设备（如笔记本电脑）充电，同时通过直流输出为其他设备供电，或通过墙壁插座或太阳能电池板的交流输入为自己充电。在“移动电源”模式下，它可以从AC/DC电源或太阳能电池板接收电荷，同时将电力分配到USB-C或DC插孔等多个输出，非常适合多个设备需要同时充电的情况。

4系统集成

由于其模块化和可扩展性，该系统旨在无缝集成到各种应用程序中。无论您构建的是小型个人设备还是大型工业设备，该解决方案都能凭借其灵活的架构轻松适应。该系统支持多种输入/输出类型：交流（110V）、直流（高达28V）、USB-C（240W）和USB-A（12W），以及通过其专用智能太阳能电池充电器进行太阳能输入。这种多功能性使制造商能够根据不同的用户需求创建便携式发电站，而无需重新设计核心组件。集成额外的辅助电路，如冷却风扇（用于热管理）、LED驱动器（用于照明）和DC/DC转换器，进一步增强了在不同环境中的可用性，而不会影响性能或安全标准。

5实际应用

瑞萨电子的便携式电源系统在各个行业具有广泛的适用性

便携式发电站：非常适合户外活动，如露营或远足，在这些活动中，使用传统电网的机会可能受到限制。

储能系统（ESS）和不间断电源（UPS）：在停电或紧急情况下提供可靠的备份。

电动汽车充电：可用作移动EV充电解决方案的一部分。

工业设备：为没有传统电力的偏远地区的工具/机械供电。

可再生能源系统：与太阳能电池板无缝集成，非常适合离网生活环境，如专注于可持续发展计划的小屋或生态度假村。

每种情况下，高效数字转换器与稳健的电池管理系统的结合，确保了无论环境条件或负载需求如何，都能提供不间断的服务。

6结论

该系统代表了便携式能源技术的创新飞跃——将高功率传输能力与先进的电池管理技术相结合——所有这些都位于可扩展的模块化架构中，能够支持从消费电子产品到工业级应用的各种用例！

通过利用双向数字转换器等尖端技术，再加上能够监控与电池性能相关的各个方面的#智能电量计IC，您可以放心，因为无论下一步生活将您带到哪里，您的设备都将始终保持供电状态！