技術干貨丨Power On-the-Go：瑞薩電子的先進便攜式電源系統

Aakash Kamal Nihalani

Product Marketing Engineer Intern

在當今移動性日益增強的世界中，對高效、多功能和便攜式電源解決方案的需求不斷增長。無論是用于戶外活動、遠程工作設置還是緊急備用系統，用戶都需要能夠處理多種設備和能源輸入的可靠電源。瑞薩電子開發了一套先進的便攜式電源系統，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電站、儲能系統（ESS）、不間斷電源（UPS）甚至電動汽車（EV）充電等應用。此外，瑞薩電子的R-BMS F固定固件解決方案簡化了這些便攜式電源系統中的電池電量計量功能。

設計挑戰

設計滿足現代需求的便攜式電源系統存在一些挑戰。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，以適應各種設備和電源。隨著現代設備對輸出的要求越來越高，例如筆記本電腦的功耗高達 240W，USB Power Delivery（USB PD）3.1擴展功率范圍（EPR）等高級充電功能變得至關重要。瑞薩通過集成多種電源輸入和輸出（包括USB-C、AC/DC以及通過智能太陽能電池充電器的太陽能輸入）來應對這一挑戰，確保系統能夠處理各種電源，同時在不同用例中保持效率。

另一個關鍵挑戰是能源效率。最大化電源轉換效率對于延長電池壽命和減少能源浪費至關重要，尤其是在功耗敏感的便攜式應用中。

瑞薩的解決方案通過整合基于RA6T2 Arm ^? 內核MCU和650V SuperGaN FET的高效雙向數字AC/DC轉換器來應對這一挑戰。無論系統是充電還是放電，這些組件都能確保最佳功率轉換，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揮著關鍵作用。管理多串電池并集成太陽能等可再生能源是一個復雜的過程，必須對充電周期和電池平衡進行精確控制。

瑞薩電子電量計IC（FGIC）通過高精度監測電池健康狀態以及管理電池的荷電狀態（SOC）和健康狀態（SOH）估算，實現這一控制。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系統的設計時間。適用于該應用的R-BMS F固定固件解決方案套件為采用 RAJ240100GFP的RTK0EF0136DK0002BU。

智能太陽能電池充電器的集成進一步簡化了太陽能集成到系統中的過程，而不會影響整體性能。

最后，必須仔細平衡重量和便攜性，以確保系統在各種應用中對用戶保持實用性。雖然該系統集成了多個組件來處理雙向充電和太陽能集成等復雜任務，但瑞薩電子的模塊化設計確保其保持輕量化，而不會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重量，同時為管理系統內的各種任務提供必要的處理能力。

系統設置和解決方案

瑞薩電子的便攜式電源系統通過將幾個關鍵組件集成到一個有凝聚力的系統中來應對這些挑戰。該綜合系統協同工作，創建了一個多功能且高效的電源管理系統。

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

該解決方案還具有數字功率因數校正+雙有源橋（PFC+DAB）充電器系統，能夠提供高達3.6KW的功率。該系統使用雙向數字AC/DC轉換器，基于瑞薩電子的高性能RA6T2 Arm內核MCU和650V SuperGaN FET。該設計采用圖騰柱無橋功率因數校正（PFC）拓撲，后跟DAB 隔離式DC/DC轉換器，可實現高效的雙向數字AC/DC電源轉換。該系統支持3至10節串聯鋰離子電池，可靈活應用于各種場景。電池組由電量計IC （FGIC）管理，該IC將MCU設備和模擬前端（AFE）設備集成在一個封裝中。該組件可確保全面的電池監測和控制。該系統還包括一個太陽能充電器板，允許用戶利用太陽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能輸入，確保在離網時太陽能電池板實現最佳充電。此功能使該解決方案成為戶外運動愛好者或可能無法使用傳統電源的偏遠地區的理想選擇。

高級電池管理

瑞薩電子便攜式電源系統的一個突出特點是其先進的電池管理系統，該系統以電量計IC（FGIC）為中心。該IC通過其15位Delta-Sigma A/D轉換器（電壓測量精度為±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量功能，提供對電池性能的精確監控和控制。這些精確的測量對于準確估算電池的荷電狀態和健康狀態至關重要，而這些估算又是確保高效電池管理和延長電池壽命的關鍵因素。

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。該系統會自動測量電池特性，例如容量和阻抗，以幫助根據劣化模式確定更換時間。此外，它通過分析電池組中電池單元之間的整體電壓差異來增強電池平衡，確保每個電池單元容量的最佳利用。

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

系統集成

由于其模塊化和可擴展性，該系統旨在無縫集成到各種應用程序中。無論您構建的是小型個人設備還是大型工業設備，該解決方案都能憑借其靈活的架構輕松適應。該系統支持多種輸入/輸出類型：交流（110V）、直流（高達28V）、USB-C（240W）和 USB-A（12W），以及通過其專用智能太陽能電池充電器進行太陽能輸入。這種多功能性使制造商能夠根據不同的用戶需求創建便攜式發電站，而無需重新設計核心組件。集成額外的輔助電路，如冷卻風扇（用于熱管理）、LED驅動器（用于照明）和DC/DC轉換器，進一步增強了在不同環境中的可用性，而不會影響性能或安全標準。

實際應用

瑞薩電子的便攜式電源系統在各個行業具有廣泛的適用性：

• 便攜式發電站： 非常適合戶外活動，如露營或遠足，在這些活動中，使用傳統電網的機會可能受到限制。

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

• 電動汽車充電： 可用作移動EV充電解決方案的一部分。

• 工業設備： 為沒有傳統電力的偏遠地區的工具/機械供電。

• 可再生能源系統： 與太陽能電池板無縫集成，非常適合離網生活環境，如專注于可持續發展計劃的小屋或生態度假村。

每種情況下，高效數字轉換器與穩健的電池管理系統的結合，確保了無論環境條件或負載需求如何，都能提供不間斷的服務。

結論

該系統代表了便攜式能源技術的創新飛躍——將高功率傳輸能力與先進的電池管理技術相結合——所有這些都位于可擴展的模塊化架構中，能夠支持從消費電子產品到工業級應用的各種用例！通過利用雙向數字轉換器等尖端技術，再加上能夠監控與電池性能相關的各個方面的智能電量計IC，您可以放心，因為無論下一步生活將您帶到哪里，您的設備都將始終保持供電狀態！