Valutazione delle prestazioni di un convertitore di potenza parziale elevatore/abbassatore collegato in serie per applicazioni di accumulo su batteria

Perché i caricabatterie più intelligenti sono importanti

Con case, auto e data center che fanno sempre più affidamento su grandi pacchi batteria, anche piccoli miglioramenti nell’elettronica di carica e scarica possono far risparmiare denaro ed energia. I circuiti tradizionali che collegano una batteria a una rete in corrente continua (DC) devono gestire tutta la potenza in ogni momento, rendendoli ingombranti e inefficienti. Questo articolo esplora un nuovo tipo di convertitore di potenza “parziale” che permette alla maggior parte dell’energia di bypassare completamente il convertitore, riducendo le perdite e le dimensioni dell’hardware—pur mantenendo un controllo preciso sul modo in cui la batteria viene caricata e scaricata.

Un nuovo modo di instradare la potenza della batteria

In un convertitore a piena potenza convenzionale, ogni watt che fluisce tra una batteria e un bus DC deve passare attraverso l’hardware del convertitore. Ciò significa che interruttori, induttanze e condensatori sono dimensionati per la potenza totale del sistema e si riscaldano ogni volta che l’energia entra o esce dalla batteria. Gli autori si concentrano invece su un convertitore a potenza parziale collegato in serie con la batteria. In questa configurazione, la maggior parte della potenza viaggia direttamente tra la batteria e il bus DC lungo un percorso a basse perdite, mentre solo una piccola porzione passa attraverso il convertitore, che aggiunge o sottrae una tensione di “trim” rispetto alla tensione della batteria. Poiché il convertitore vede solo una frazione della potenza totale, i suoi componenti possono essere più piccoli ed efficienti.

Far funzionare elevazione e riduzione in un unico involucro

I sistemi reali devono sia aumentare sia ridurre la tensione man mano che cambia lo stato di carica della batteria e le condizioni della rete. Molti progetti parziali precedenti gestivano bene solo una direzione: o il boost o il buck. Il gruppo propone un convertitore parziale elevatore/abbassatore che può coprire entrambe le situazioni in modo continuo. Unisce due blocchi fondamentali all’interno dello stesso involucro: uno stadio risonante LLC che funge da “trasformatore DC” isolato e altamente efficiente, e uno stadio full‑bridge che regola finemente la tensione in serie vista dalla batteria. Scegliendo attentamente il rapporto del trasformatore e gli schemi di commutazione, il convertitore può generare un piccolo offset di tensione positivo o negativo, quindi può contribuire sia alla carica sia alla scarica della batteria sull’intera gamma da 40 a 56 V mantenendo il bus DC principale a 48 V.

Valutare le prestazioni in base a ciò che i componenti “sentono”

Contare semplicemente quanta potenza attiva passa attraverso il convertitore non racconta tutta la storia. L’energia interna che oscilla avanti e indietro in induttanze e condensatori—detta potenza non attiva—riscalda comunque i componenti e provoca sprechi. Gli autori valutano quindi sia la potenza attiva sia quella non attiva, e definiscono un “fattore di stress del componente” che combina lo stress di tensione e corrente in un unico indice. Usando simulazioni di circuito, confrontano la loro nuova topologia con un tipico convertitore buck‑boost a quattro interruttori che elabora la potenza totale e con un progetto parziale precedentemente studiato basato su un full bridge a sfasamento di fase. Per le stesse tensioni di batteria e bus, il nuovo convertitore parziale elevatore/abbassatore mostra la minore energia circolante e il minore stress complessivo su interruttori, induttanze e condensatori.

Dalle regole di progetto all’hardware reale

Per rendere l’approccio utilizzabile in pratica, l’articolo definisce regole generali di connessione per quando e come posizionare convertitori parziali in serie con le batterie, a seconda che il sistema debba principalmente aumentare la tensione, diminuirla o fare entrambe le cose. Fornisce inoltre un metodo di dimensionamento passo‑passo per trasformatore, induttanze, condensatori e interruttori di potenza in modo che il circuito mantenga commutazione morbida e basso ripple su tutta la gamma operativa. Gli autori costruiscono poi un prototipo da laboratorio da 1,1 kilowatt controllato da un processore di segnali digitale e lo testano con un modello realistico di batteria agli ioni di litio da 50 ampere‑ora. Le misure durante carica e scarica mostrano che, a pieno carico, solo circa il 14,3% della potenza totale scorre effettivamente attraverso l’hardware del convertitore; il resto va direttamente tra il bus DC e la batteria.

Cosa significa per i futuri sistemi a batteria

Per un non specialista, il risultato principale è che permettendo alla maggior parte dell’energia di prendere una “scorciatoia” attorno al convertitore e forzando solo una piccola porzione correttiva attraverso l’elettronica, il sistema diventa sia più compatto sia più efficiente. Il prototipo raggiunge una efficienza di picco di circa il 98,15% e un’efficienza media del 98,6% su un ciclo completo di carica—superiore rispetto a convertitori a piena potenza e a progetti parziali precedenti. Questo suggerisce che le future unità di accumulo domestico, i caricabatterie per veicoli elettrici e i sistemi di backup per data center potrebbero erogare la stessa potenza con meno hardware, minore calore e potenzialmente costi inferiori adottando convertitori parziali elevatore/abbassatore progettati con cura.

Citazione: 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

Parole chiave: accumulo di energia su batteria, convertitore di potenza, elaborazione parziale della potenza, ricarica ad alta efficienza, microrete DC