Evaluación del rendimiento de un convertidor parcial elevador/reductor en serie para aplicaciones de almacenamiento de energía en baterías

Por qué importan los cargadores de batería más inteligentes

A medida que viviendas, coches y centros de datos dependen cada vez más de grandes paquetes de baterías, incluso pequeñas mejoras en la electrónica que carga y descarga esas baterías pueden ahorrar dinero y energía. Los circuitos tradicionales que conectan una batería a una red de corriente continua (CC) deben manejar toda la potencia todo el tiempo, lo que los hace voluminosos y poco eficientes. Este artículo explora un nuevo tipo de convertidor de "potencia parcial" que permite que la mayor parte de la energía bypassée el convertidor por completo, reduciendo pérdidas y miniaturizando el hardware, mientras mantiene un control preciso sobre cómo se carga y descarga la batería.

Una nueva forma de encaminar la energía de la batería

En un convertidor de potencia plena convencional, cada vatio que fluye entre una batería y un bus CC debe pasar por el hardware del convertidor. Eso implica que los interruptores, bobinas y condensadores se dimensionan para la potencia total del sistema, y todos se calientan siempre que la energía entra o sale de la batería. Los autores, en cambio, se centran en un convertidor de potencia parcial conectado en serie con la batería. En esta disposición, la mayor parte de la potencia viaja directamente entre la batería y el bus CC por una ruta de bajas pérdidas, mientras que solo una pequeña porción pasa por el convertidor, que añade o sustrae una tensión de "ajuste" sobre la tensión de la batería. Dado que el convertidor ve solo una fracción de la potencia total, sus componentes pueden ser más pequeños y más eficientes.

Hacer que el elevador y el reductor funcionen en una sola caja

Los sistemas reales de baterías deben tanto elevar como reducir su tensión a medida que cambian el estado de carga de la batería y las condiciones de la red. Muchos diseños parciales anteriores manejaban bien solo una dirección: o bien aumentar o bien disminuir la tensión. El equipo propone un convertidor parcial elevador/reductor que puede cubrir ambos casos de forma continua. Combina dos bloques dentro de una misma caja: una etapa resonante LLC que actúa como un "transformador CC" aislado y de alta eficiencia, y una etapa en puente completo que ajusta finamente la tensión en serie que ve la batería. Al elegir cuidadosamente la relación del transformador y los patrones de conmutación, el convertidor puede generar un pequeño voltaje de offset positivo o negativo, de modo que pueda ayudar tanto a cargar como a descargar la batería en todo su rango de 40–56 V manteniendo el bus CC principal en 48 V.

Juzgar el rendimiento por lo que sienten los componentes

Contar simplemente cuánta potencia activa pasa por el convertidor no cuenta toda la historia. La energía interna que oscila de ida y vuelta en inductores y condensadores —llamada potencia no activa— sigue calentando los componentes y desperdiciando energía. Por eso los autores evalúan tanto la potencia activa como la no activa, y definen un "factor de estrés del componente" que combina la tensión y la corriente en una única cifra de mérito. Usando simulaciones de circuito, comparan su nueva topología con un convertidor buck‑boost de cuatro interruptores estándar que procesa la potencia completa, y con un diseño parcial previamente estudiado basado en un puente completo con desplazamiento de fase. Para las mismas tensiones de batería y bus, el nuevo convertidor parcial elevador/reductor muestra la menor energía circulante y el menor estrés total en sus interruptores, bobinas y condensadores.

De las reglas de diseño al hardware real

Para que el enfoque sea usable en la práctica, el artículo establece reglas generales de conexión sobre cuándo y cómo colocar convertidores parciales en serie con baterías, según si el sistema necesita principalmente elevar la tensión, reducirla o hacer ambas cosas. También proporciona un método de dimensionamiento paso a paso para el transformador, las inductancias, los condensadores y los interruptores de potencia para que el circuito mantenga conmutación suave y bajo rizado en todo el rango de operación. Los autores construyen luego un prototipo de laboratorio de 1,1 kilovatios controlado por un procesador digital de señal y lo prueban con un modelo realista de batería de ion‑litio de 50 amperio‑hora. Las medidas durante carga y descarga muestran que, a plena carga, solo alrededor del 14,3% de la potencia total fluye realmente a través del hardware del convertidor; el resto va directamente entre el bus CC y la batería.

Qué significa esto para los sistemas de baterías del futuro

Para un no especialista, el resultado central es que, al permitir que la mayor parte de la energía tome un "atajo" alrededor del convertidor y forzar solo una pequeña porción correctiva a través de la electrónica, el sistema se vuelve tanto más pequeño como más eficiente. El prototipo alcanza una eficiencia pico de alrededor del 98,15% y una eficiencia media del 98,6% durante un ciclo de carga completo, superiores a las de diseños comparables de potencia plena y a anteriores diseños de potencia parcial. Esto sugiere que futuras unidades de almacenamiento doméstico, cargadores de vehículos eléctricos y sistemas de respaldo para centros de datos podrían entregar la misma potencia con menos hardware, menor calor y, potencialmente, menor coste adoptando convertidores parciales elevadores/reductores cuidadosamente diseñados.

Cita: 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

Palabras clave: almacenamiento de energía en baterías, convertidor de potencia, procesamiento parcial de potencia, carga de alta eficiencia, microred DC