Leistungsbewertung eines in Reihe geschalteten Auf-/Abwärts-Partial-Power-Wandlers für Batterie-Energiespeicheranwendungen

Warum intelligentere Batterieladegeräte wichtig sind

Da Haushalte, Fahrzeuge und Rechenzentren zunehmend auf große Batteriepacks setzen, können schon kleine Verbesserungen in der Elektronik zum Laden und Entladen dieser Batterien Geld und Energie sparen. Herkömmliche Schaltungen, die eine Batterie mit einem Gleichstrom(DC)-Netz verbinden, müssen jederzeit die gesamte Leistung handhaben, wodurch sie sperrig und ineffizient werden. Dieses Papier untersucht eine neue Art von „Partial“-Leistungswandler, die erlaubt, dass der Großteil der Energie den Wandler ganz umgeht, wodurch Verluste reduziert und die Hardware verkleinert werden — bei gleichzeitiger präziser Kontrolle darüber, wie die Batterie geladen und entladen wird.

Ein neuer Weg, Batterieleistung zu lenken

In einem konventionellen Vollleistungswandler muss jedes Watt, das zwischen Batterie und DC-Bus fließt, die Wandler-Hardware passieren. Das bedeutet, dass Schalter, Spulen und Kondensatoren für die volle Systemleistung dimensioniert werden und sich alle erwärmen, wann immer Energie in die Batterie hinein- oder herausfließt. Die Autoren konzentrieren sich stattdessen auf einen in Reihe mit der Batterie geschalteten Partial-Power-Wandler. In dieser Anordnung reist der Großteil der Leistung direkt zwischen Batterie und DC-Bus über einen niederverlustigen Pfad, während nur ein kleiner Teil durch den Wandler fließt, der eine „Trim“-Spannung auf die Batteriespannung auf- oder absetzt. Da der Wandler nur einen Bruchteil der Gesamtleistung sieht, können seine Bauteile kleiner und effizienter ausgelegt werden.

Auf- und Abwärtswandlung vereint in einem Gerät

Reale Batteriesysteme müssen sowohl ihre Spannung anheben als auch absenken, wenn sich der Ladezustand der Batterie und die Netzbedingungen ändern. Viele frühere Partial-Power-Entwürfe konnten nur eine Richtung gut beherrschen: entweder boosten oder bucken. Das Team schlägt einen Auf-/Abwärts-Partial-Power-Wandler vor, der beide Fälle nahtlos abdecken kann. Er kombiniert zwei Bausteine in einem Gehäuse: eine LLC-Resonanzstufe, die als hocheffizienter, galvanisch getrennter „DC-Transformator“ wirkt, und eine Full-Bridge-Stufe, die die in Reihe an der Batterie anliegende Spannung fein einstellt. Durch die sorgfältige Wahl des Transformatorverhältnisses und der Schaltmuster kann der Wandler eine kleine positive oder negative Offset-Spannung erzeugen und so beim Laden oder Entladen der Batterie über ihren vollen Bereich von 40–56 V helfen, während der Haupt-DC-Bus bei 48 V gehalten wird.

Leistungsbewertung anhand der Belastung von Bauteilen

Allein das Zählen der aktiven Leistung, die durch den Wandler fließt, sagt nicht die ganze Geschichte. Interne Energie, die in Induktivitäten und Kondensatoren hin- und herschwappt — sogenannte nicht-aktive Leistung — erwärmt weiterhin Bauteile und verschwendet Energie. Die Autoren bewerten daher sowohl aktive als auch nicht-aktive Leistung und definieren einen „Bauteilbelastungsfaktor“, der Spannungs- und Strombelastung zu einer einzigen Kennzahl zusammenfasst. Mit Schaltungssimulationen vergleichen sie ihre neue Topologie mit einem standardmäßigen Vier-Schalter-Buck-Boost-Wandler, der die Vollleistung verarbeitet, und mit einem zuvor untersuchten Partial-Power-Design, das auf einer phasenverschobenen Vollbrücke basiert. Bei gleichen Batterie- und Busspannungen zeigt der neue Auf-/Abwärts-Partialwandler die geringste zirkulierende Energie und die geringste Gesamtbelastung seiner Schalter, Spulen und Kondensatoren.

Von Designregeln zur realen Hardware

Um den Ansatz praktisch nutzbar zu machen, stellt das Papier allgemeine Anschlussregeln auf, wann und wie Partial-Wandler in Reihe mit Batterien platziert werden sollten, abhängig davon, ob das System hauptsächlich Spannung anheben, absenken oder beides tun muss. Es liefert außerdem eine schrittweise Dimensionierungsmethode für Transformator, Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungsschalter, damit die Schaltung über den gesamten Betriebsbereich weiche Schaltvorgänge und geringe Ripple beibehält. Die Autoren bauen anschließend einen 1,1‑Kilowatt-Laborprototyp, gesteuert von einem digitalen Signalprozessor, und testen ihn mit einem realistischen 50-Amperestunden-Lithium-Ionen-Batteriemodell. Messungen während Laden und Entladen zeigen, dass bei Volllast nur etwa 14,3 % der Gesamtleistung tatsächlich durch die Wandler-Hardware fließen; der Rest geht direkt zwischen DC-Bus und Batterie.

Was das für künftige Batteriesysteme bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten ist das Kernergebnis, dass das Zulassen eines „Kurzschlusses“ für den Großteil der Energie um den Wandler herum und das Durchleiten nur eines kleinen korrektiven Anteils durch die Elektronik das System sowohl kleiner als auch effizienter macht. Der Prototyp erzielt eine Spitzenwirkungsgrad von etwa 98,15 % und einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 98,6 % über einen vollständigen Ladezyklus — höher als vergleichbare Vollleistungs- und frühere Partial-Power-Designs. Das deutet darauf hin, dass künftige Heimspeicher, Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und Rechenzentrums-Backup-Systeme dieselbe Leistung mit weniger Hardware, weniger Abwärme und potenziell geringeren Kosten liefern könnten, wenn sorgfältig ausgelegte Auf-/Abwärts-Partial-Power-Wandler eingesetzt werden.

Zitation: Liu, Q., Jing, L., Xu, W. et al. Performance evaluation of a series-connected step-up/down partial power converter for battery energy storage applications. Sci Rep 16, 5577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35857-z

Schlüsselwörter: Batterie-Energiespeicher, Leistungswandler, Teilweise Leistungsverarbeitung, hoch effizientes Laden, DC-Mikronetz