הערכת ביצועים של ממיר חלקי הסדרה בעל העלאה/הורדת מתח ליישומי אחסון אנרגיה בסוללה

מדוע מטענים חכמים חשובים

כאשר בתים, כלי רכב ומרכזי נתונים מסתמכים יותר על ארגזי סוללות גדולים, גם שיפורים קטנים באלקטרוניקה שמטענת ומפריקה את הסוללות יכולים לחסוך כסף ואנרגיה. מעגלים מסורתיים שמחברים סוללה לרשת זרם ישר (DC) חייבים להתמודד עם כל ההספק כל הזמן, מה שהופך אותם למגושמים ופסולים מבחינת יעילות. מאמר זה חוקר סוג חדש של ממיר "חלקי" שמאפשר לרוב האנרגיה לעקוף את הממיר לחלוטין, מקטין את ההפסדים ומצמצם את הציוד—ובאותה עת שומר על שליטה מדויקת על אופן טעינת וביצועי הפריקה של הסוללה.

דרך חדשה לנתב את כוח הסוללה

בממיר עוצמה מלא מסורתי, כל וואט הזורם בין סוללה ואוטובוס DC חייב לעבור דרך רכיבי הממיר. פירוש הדבר שהמתגים, הסלילים והקבלים ממודדים לעוצמה המערכתית המלאה, והם מתחממים בכל פעם שאנרגיה זזה פנימה או החוצה מהסוללה. המחברים מתמקדים במקום זאת בממיר חלקי המותקן בסדרה עם הסוללה. בסידור זה, רוב ההספק נע ישירות בין הסוללה לאוטובוס DC בדרך בעלת אובדן נמוך, בעוד שרק חלק קטן עובר דרך הממיר, שמוסיף או מחסר מתח "תיקון" מעל מתח הסוללה. משום שהממיר רואה רק שבר מההספק הכולל, הרכיבים שלו יכולים להיות קטנים ויעילים יותר.

להשיג העלאה והורדה באריזה אחת

מערכות סוללה אמיתיות צריכות גם להעלות וגם להוריד את המתח כשהמצב טעינה של הסוללה ותנאי הרשת משתנים. עיצובים חלקיים רבים קודמים טיפלו היטב בכיוון אחד בלבד: או ההגברה או ההחלשה של המתח. הצוות מציע ממיר חלקי בעל יכולת העלאה/הורדה שיכול לטפל בשתי המקרים בצורה חלקה. הוא משלב שני בלוקים באריזה אחת: שלב תהודה LLC המתפקד כ"טרנספורמטור DC" מבודד ויעיל מאוד, ושלב גשר מלא שמבצע כוונון עדין של המתח הסדרתי הנראה על הסוללה. בבחירה מדויקת של יחס הטרנספורמטור והתבניות ההחלפה אפשר לייצר סטיית מתח חיובית או שלילית קטנה, כך שהממיר יכול לתרום הן לטעינה והן לפריקה של הסוללה לאורך טווח של 40–56 V בעוד שהאוטובוס הראשי נשמר ב-48 V.

להעריך ביצועים לפי מה שהרכיבים חשים

ספירת הכוח הפעיל שעובר דרך הממיר אינה מספרת את כל הסיפור. אנרגיה פנימית הזזה הלוך ושוב בתוך סלילים וקבלים—הנקראת כוח לא פעיל—עדיין מחממת רכיבים ומבזבזת אנרגיה. לכן המחברים מעריכים גם כוח פעיל וגם כוח לא פעיל, ומגדירים "מקדם עומס רכיב" שמאחד מתח וזרם לשם מדד יחיד. באמצעות סימולציות מעגל הן משווים את הטופולוגיה החדשה שלהם מול ממיר באק‑בוסט בעל ארבעה מתגים המעבד הספק מלא, ומול עיצוב חלקי שנחקר קודם מבוסס על גשר מלא בהסטת פאזה. עבור אותן מתחים של סוללה ואוטובוס, הממיר החלקי החדש בעל ההעלאה/הורדה מציג את אנרגיית ההסובבות הנמוכה ביותר ואת העומס הכולל הנמוך ביותר על מתגיו, סליליו וקבליו.

מהנהלים לתהליך חומרים ממשי

כדי להפוך את הגישה לשימושית בפועל, המאמר מפרט כללי חיבור כלליים למתי וכיצד למקם ממירים חלקיים בסדרה עם סוללות, בהתאם לכך האם המערכת צריכה בעיקר להעלות מתח, להוריד אותו, או לשניהם. הוא גם מספק שיטת גודל צעד‑אחר‑צעד לטרנספורמטור, סלילים, קבלים ומתאי כוח כך שהמעגל ישמור על החלפת מעגל רכה (soft switching) וריפל נמוך לאורך טווח התפעול המלא. המחברים בונים לאחר מכן אב־טיפוס מעבדתית של 1.1 קילווט שנשלט על ידי מעבד אותות דיגיטלי ובוחנים אותו עם מודל מציאותי של סוללת ליתיום‑יון בנפח 50 אמפ״ש. מדידות במהלך טעינה ופריקה מראות שבמעמסה מלאה, רק כ-14.3% מההספק הכולל אכן זורם דרך ציוד הממיר; השאר עובר ישירות בין אוטובוס DC והסוללה.

מה משמעות הדבר למערכות סוללה עתידיות

ללא התמחות מיוחדת, הממצא המרכזי הוא שעל ידי מתן "קיצור דרך" לרוב האנרגיה לעקוף את הממיר והכפיית רק חלק קטן מתקנת דרך האלקטרוניקה, המערכת נהיית גם קטנה וגם יעילה יותר. האב־טיפוס משיג שיא יעילות של כ-98.15%, ויעילות ממוצעת של 98.6% על פני מחזור טעינה מלא—גבוה יותר מאשר עיצובים של עיבוד הספק מלא ועיצובים חלקיים מוקדמים. הדבר מרמז כי יחידות אחסון ביתיות עתידיות, מטעני כלי רכב חשמליים ומערכות גיבוי במרכזי נתונים יוכלו לספק אותה עוצמה עם פחות חומרה, פחות חום ובמידה מסוימת עלות נמוכה יותר אם יאמצו ממירים חלקיים בעלי העלאה/הורדה שעוצבו בקפידה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: אחסון אנרגיה בסוללה, ממיר כוח, עיבוד חלקי של כוח, טעינה ביעילות גבוהה, מיקרורשת DC