【導讀】從電動汽車、摩托艇到光伏裝置和數據中心，電池供電系統正蓬勃發展。目前的趨勢主要是增加系統的運行電壓以縮減系統尺寸、重量或增加負載的可用功率。在寬輸入功率器件的不斷進步下，處在這股潮流最前線的是從 12V 轉換到 24V 的應用。
所有電動汽車 (EV)，包括純電動汽車 (BEV)，都使用傳統的 12V 鉛酸電池來作為無鑰匙進入系統和警報系統的獨立電源，因為在主牽引電池耗盡時這些系統仍要持續運作。除此之外，電池還為安全氣囊系統、安全帶張緊器和儀表板供電，因為若使用不同的電壓還需要重新認證，不但費時也不經濟。
在 ICE（內燃機）汽車中，鉛酸電池也用來啟動發動機。輕型摩托車和摩托車的電池為 6 伏，大多數汽車是 12 伏，重型卡車通常是 24 伏。可以發現這些是6V的倍數但這并非巧合。在電池的世界里有許多不同的化學類型（即鉛酸、鋰離子、磷酸鐵鋰等），而最基本的單元是單電池，可以具有 1-4V 范圍內的浮動開路電壓（標稱）。因此，將許多電池組合在一起會產生更高的電壓并稱為電池組（尤其與保護電路組合時），但更常簡稱為電池。串聯電池可以獲得所需的輸出電壓，也可以并聯來加大輸出電流。
鉛酸電池的電壓為 2V，因此串聯三個電池將提供 6V，六個電池提供 12V，十二個電池提供 24V。軍用車輛和飛機上的鉛酸電池使用 14 節電池來提供28V軍用標準電源。鋰離子電池的電壓為 2.4至3V，因此六組鋰離子電池可為便攜式電鉆和其他車間設備提供 18V 典型電池電壓。
一般來說，重型應用（大電流）通常采用鉛酸電池因為重量沒有價格來得重要，而注重快速充電和輕量化的應用更傾向鋰離子化學物質，但電池化學 （以及概括的儲能）可能比這種過于簡化的解釋來得更加微妙且「多變」，因此建議參考更詳細的信息，可從此 RECOM 博客[1] 開始。
雖然電池供電應用最常見的電壓是 6、12 和 18V，但其他的領域越來越將總線電壓向上推到 24 和 48V。下一節將詳細介紹會在各種使用案例看到這種趨勢的背后原因。
既然12V 電池更常見，為何不繼續使用？
12V 的鉛酸電池確實比 24V 或 48V普遍，因此也比電壓更高的替代方案來得便宜也更容易取得。電機啟動時重型電池可提供數百安培的電流，但由于線束的載流能力有限，最大持續電流被限制在 100A 左右，進而將最大可用功率限制在 1,200W 上下。
如下方的方程所示，功率與電流和電壓成正比，但與電阻路徑（例如電線）中的電流呈指數比例。
方程 1 – 瓦特定律，其中 P 為功率，I 為電流，V 為電壓
方程 2 – 歐姆定律，其中 V 為電壓，I 為電流，R 為電阻
當瓦特定律與歐姆定律結合在一起時，電流對功耗的指數效應變得更加明顯。在到達端負載之前，電線的電阻會導致功耗和電壓降。
方程 3 – 計算功率損耗，其中 P 為功率，I 為電流，R 為電阻
從中可以得出以下結論：
● 功率不變的情況下，電壓加倍能使電流減半。
● 將電流減半意味著系統僅需一半的電流處理能力，因此減小導體尺寸也能維持相同的功率。
● 將同一導體中的電流減半會使沿路的電壓降減半，從而向端負載提供更高的電壓（提高系統效率）。
● 電流減半能讓導體長度加倍并維持相同的電壓降。
● 將同一導體中的電流減半能讓配電網功耗只有四分之一。
雖然世界正迅速轉向電動汽車，但內燃機汽車至少在接下來的 20 年內持續投入生產，因此在 2050 年以后仍會在大馬路上，而在這個期間創新會持續前進。隨著電動調整、自適應懸掛等技術的發展，汽車將繼續以技術為主以實現在所有道路條件下提供完美的駕駛體驗。更復雜的空調控制、機械泵將被電動和渦輪增壓器取代，以及即時怠速啟停系統等，這些都非常耗電而且超出標準 12 V 電池的供電能力。
ICE 和混合動力電動汽車的 48V 電池系統能提供 5kW 功率，但仍被歸類為安全特低電壓 (SELV)，意思是傳統的布線絕緣和技師的安全培訓足以降低觸電風險（在大多數使用情況下，所有低于 60V 的直流電壓都可被視為「安全的」）。大型車輛和其他形式的電池供電交通工具也可能有非常大量的電線而導致總重量增加，但應該注意的是電線重量對燃油車和電動汽車來說一樣重要。有時候使用高電壓的理由是能減少銅用量。將這些重量和成本上的節省，以及使用更高電壓電池組實現的節省加在一起，可以在持久度方面發生顯著的變化（無論是指燃料還是電池壽命）。
這些因素都顯現在本文列出實際應用中的價值主張。無論是增加功率處理、縮減系統尺寸、提高能效、縮小電線尺寸、支持更長走線，或是可靠性等因素，更高的總線電壓都具有相當大的優勢。
那么24V 或 48V 電池通常會應用在哪些地方呢？不同類型的電動機都是很好的選擇。小型電機，例如手動工具、漁船、高爾夫球車、輪椅或踏板車，往往著重在整個系統的尺寸和重量，由于大多是非連接的因此支撐電池和相關功率器件或電源線的重量就會消耗大量的電池電量。在另一端，工業電機和電機驅動系統往往是任何行業總能源足跡的最大消費者[2]，因此要強調的是在這個領域還有很多改善空間和提高能源效率的機會。
除了電機之外還有多種電氣系統受益于高電壓電池。光伏 (PV) 就是一個很好的例子，因為太陽能電池陣列可以模塊化，像電池一樣可以為陣列和應用提供大小合適的能量存儲。24 或 48V 離網方案可以提供足夠的峰值功率來為山間小屋、偏遠的氣象站或手機基站供電，同時有足夠的電池容量在陰天時為關鍵系統供電數天。
將上述幾種應用融合起來的現象已越來越普遍。更大的船只不僅受益于更高的電池電壓，采用 PV 也會帶來更多的好處。同樣的概念也適用于休閑車 (RV)，由于 COVID-19 疫情，休閑車的銷量出現了驚人的大幅增長。使用大量冗余和電池電源的軍事和高可靠性應用從12V 系統轉換成 24 或 48V 系統的情況會越來越普遍。RECOM 也提供適合船舶應用的 48V 電池供電交流逆變器，可產生三相 115VAC，輸出功率為 1,200VA。
當電池要為敏感的電子設備或無線電發射器供電時，是否能夠提供穩定的穩壓電源就變得十分重要。電壓調節器必須高效以最大限度地利用存儲能量，也要具有較寬的輸入電壓范圍以應對充滿電的電池和完全放電的電池的差異，并且在許多情況下，需要具有電流隔離的輸出以避免接地環路干擾，或保護設備免受負載突降電壓浪涌以及雷擊或外部電磁場引起的感應電壓瞬變的影響。一般來說，在環境中暴露越多，所需的隔離等級就要越高。
更寬的輸入電壓范圍 = 更寬的應用范圍
RECOM 為板級電源提供多種低成本、超小型的非隔離穩壓器如 RPM 和 RPX 系列，特別適合具有寬輸入電壓范圍、極高效率和超低待機功耗的電池供電設備。RECOM 也提供具有 4:1 輸入電壓范圍的隔離 DC/DC 轉換器，適用于 12 / 24V 系統（9 – 36V）或 24 / 48V 系統（18 – 75V）。如果需要通用解決方案，RPA150E 系列采用八分之一磚封裝，在 9-60VDC 的輸入電壓范圍提供 150W 穩壓隔離輸出，涵蓋 12 / 18 / 24 和 48V 電池組電壓。它是隔離DC/DC轉換器并帶有內部平面變壓器，所以還能當作 24V或48V總線穩壓器，無論輸入電壓比輸出更高、更低或者一樣，都能提供恒壓和防短路輸出。
更高的總線電壓和功能豐富的功率器件結合起來可以進一步讓更多不同種類的應用受益。計算應用也可以享有上述好處（連接和非連接皆是，即數據中心和筆記本電腦）。舉例來說，計算機服務器可能會耗盡備用電池的電量，因此面對一個永遠不會下降的高恒定負載，能量存儲越靠近負載的位置（無論是物理還是電壓水平）對設計優化和減輕能量 OPEX 就越有利，因為 OPEX 通常是影響數據中心總擁有成本 (TCO) 的原因。這可以透過系統前端的備用電池單元 (BBU) 實現，無須轉換時間以儲能的形式為負載供應重要的備用電源。
結論
正如 12V 電池提供了通往 24V 解決方案的途徑一樣，24V 電池也會為48V 開辟一條道路。一般來說，將電池整合到更高電壓的電池組中應該會減少包裝開銷并只增加價值主張；而現在24V 電池正好處在 12V 和 48V 總線之間的最佳位置。
就如公用電網一樣，幾乎所有的大型系統都可以在不斷被推得更高的配電電壓中獲得好處。
文獻
[1] RECOM, “What is energy storage?” RECOM Blog, Nov 4, 2022, https://recom-power.com/en/rec-n-what-is-energy-storage--233.html
[2] IEA, “Motor-driven system electricity use as a share of electricity use by industry subsector,” IEA, Paris,https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/motor-driven-system-electricity-use-as-a-share-of-electricity-use-by-industry-subsector (accessed January 3, 2023).
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