Évaluation des performances d’un convertisseur partiel en série élévateur/abaisseur pour applications de stockage d’énergie par batterie

Pourquoi des chargeurs de batterie plus intelligents comptent

À mesure que les maisons, les véhicules et les centres de données s’appuient davantage sur de gros packs de batteries, même de petites améliorations dans l’électronique de charge et de décharge peuvent économiser de l’argent et de l’énergie. Les circuits traditionnels reliant une batterie à un réseau en courant continu (DC) doivent gérer toute la puissance tout le temps, ce qui les rend volumineux et peu efficaces. Cet article explore un nouveau type de convertisseur de puissance « partiel » qui permet à la majeure partie de l’énergie de contourner entièrement le convertisseur, réduisant les pertes et l’encombrement matériel — tout en conservant un contrôle précis de la charge et de la décharge de la batterie.

Une nouvelle manière d’acheminer la puissance de la batterie

Dans un convertisseur de pleine puissance conventionnel, chaque watt circulant entre une batterie et un bus DC doit traverser le convertisseur. Cela signifie que les interrupteurs, bobines et condensateurs sont dimensionnés pour la puissance totale du système, et ils chauffent dès que de l’énergie entre ou sort de la batterie. Les auteurs se concentrent plutôt sur un convertisseur partiel connecté en série avec la batterie. Dans cette configuration, la plupart de la puissance circule directement entre la batterie et le bus DC par un chemin à faibles pertes, tandis qu’une petite portion seulement passe par le convertisseur, qui ajoute ou soustrait une tension de « réglage » par rapport à la tension de la batterie. Comme le convertisseur ne voit qu’une fraction de la puissance totale, ses composants peuvent être plus petits et plus efficaces.

Faire fonctionner l’élévation et l’abaissement de tension dans un seul boîtier

Les systèmes de batterie réels doivent à la fois augmenter et diminuer leur tension selon l’état de charge de la batterie et les conditions du réseau. Beaucoup de conceptions partielles antérieures ne traitaient efficacement qu’un seul sens : soit l’élévation, soit la réduction de tension. L’équipe propose un convertisseur partiel élévateur/abaisseur capable de couvrir les deux cas de manière fluide. Il combine deux blocs de base dans un même boîtier : une étape résonnante LLC qui agit comme un « transformateur DC » isolé et très efficace, et une étape en pont complet qui ajuste finement la tension en série appliquée à la batterie. En choisissant soigneusement le rapport du transformateur et les schémas de commutation, le convertisseur peut générer un petit décalage de tension positif ou négatif, lui permettant d’aider soit à charger soit à décharger la batterie sur toute sa plage de 40–56 V tout en maintenant le bus DC principal à 48 V.

Évaluer les performances par ce que ressentent les composants

Compter simplement la puissance active qui traverse le convertisseur ne raconte pas toute l’histoire. L’énergie interne qui oscille d’avant en arrière dans les inductances et les condensateurs — appelée puissance non active — chauffe toujours les composants et gaspille de l’énergie. Les auteurs évaluent donc à la fois la puissance active et non active, et définissent un « facteur de contrainte des composants » qui combine la contrainte en tension et en courant en une seule métrique. À l’aide de simulations de circuit, ils comparent leur nouvelle topologie à un convertisseur abaisseur/élévateur classique à quatre interrupteurs qui traite la puissance totale, et à une conception partielle antérieure basée sur un pont complet à décalage de phase. Pour les mêmes tensions batterie et bus, le nouveau convertisseur partiel élévateur/abaisseur présente l’énergie de circulation la plus faible et la contrainte globale la plus faible sur ses interrupteurs, bobines et condensateurs.

Des règles de conception au matériel réel

Pour rendre l’approche utilisable en pratique, l’article expose des règles générales de connexion pour quand et comment placer des convertisseurs partiels en série avec des batteries, selon que le système doit principalement élever la tension, l’abaisser, ou les deux. Il fournit également une méthode de dimensionnement pas à pas pour le transformateur, les inductances, les condensateurs et les interrupteurs de puissance afin que le circuit conserve une commutation douce et une faible ondulation sur toute la plage de fonctionnement. Les auteurs construisent ensuite un prototype de laboratoire de 1,1 kilowatt contrôlé par un processeur de signal numérique et le testent avec un modèle réaliste de batterie lithium‑ion de 50 ampères‑heure. Les mesures pendant la charge et la décharge montrent qu’à pleine charge, seulement environ 14,3 % de la puissance totale circule réellement dans le matériel du convertisseur ; le reste va directement entre le bus DC et la batterie.

Ce que cela signifie pour les futurs systèmes de batteries

Pour un non‑spécialiste, le résultat central est que, en laissant la majorité de l’énergie emprunter un « raccourci » autour du convertisseur et en forçant seulement une petite portion corrective à travers l’électronique, le système devient à la fois plus compact et plus efficace. Le prototype atteint un rendement maximal d’environ 98,15 % et un rendement moyen de 98,6 % sur un cycle de charge complet — supérieur aux conceptions comparables de pleine puissance et aux précédentes conceptions partielles. Cela suggère que les futurs systèmes de stockage domestique, les chargeurs de véhicules électriques et les systèmes de secours pour centres de données pourraient délivrer la même puissance avec moins de matériel, moins de chaleur et un coût potentiellement réduit en adoptant des convertisseurs partiels élévateurs/abaisseurs soigneusement conçus.

Citation: 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

Mots-clés: stockage d’énergie par batterie, convertisseur de puissance, traitement partiel de puissance, charge à haute efficacité, micro-réseau DC