バッテリー蓄電用途向け直列接続昇降圧部分電力コンバータの性能評価

より賢いバッテリー充電器が重要な理由

住宅、車両、データセンターが大容量バッテリーパックにますます依存する中で、充放電を担う電子回路がわずかに改善されるだけでも、コストとエネルギーの節約につながります。バッテリーを直流（DC）グリッドに接続する従来の回路は、常にすべての電力を処理しなければならないため、嵩張り無駄が多くなりがちです。本稿は、エネルギーの大部分をコンバータ自体を迂回させ損失を減らし機器を小型化できる新しい種類の「部分」電力コンバータを検討します。それと同時に、バッテリーの充放電を厳密に制御することも維持します。

バッテリー電力を流す新しい手法

従来の全電力コンバータでは、バッテリーとDCバス間を流れるすべてのワットがコンバータのハードウェアを経由します。つまりスイッチやコイル、コンデンサはシステム全体の電力に合わせて設計され、エネルギーの出入りがあるたびにそれらが発熱します。著者らは代わりにバッテリーと直列に配線された部分電力コンバータに注目します。この構成では、電力の大部分が低損失経路でバッテリーとDCバスの間を直接流れ、コンバータを通るのは電力のごく一部だけです。コンバータはバッテリー電圧に加えるか減じる“トリム”電圧を付加する役割を果たします。コンバータが総電力の一部しか扱わないため、部品は小型で高効率にできます。

1台で昇圧と降圧を両立させる

実際のバッテリーシステムは、充電状態やグリッドの条件に応じて電圧を上げたり下げたりする必要があります。従来の多くの部分電力設計は一方向だけをうまく扱っており、昇圧か降圧のどちらかに特化していました。著者らは昇降圧を滑らかにカバーできる直列接続の部分電力コンバータを提案します。これは1箱の中に2つの構成要素を組み合わせています：高効率で絶縁された「DCトランス」のように働くLLC共振段と、直列でバッテリーに見える電圧を精密に調整するフルブリッジ段です。トランス比とスイッチングパターンを慎重に選ぶことで、コンバータは小さな正または負のオフセット電圧を生成でき、40～56 Vのバッテリー全域にわたり充放電の補助を行いながら、主なDCバスを48 Vに保てます。

部品にかかる負荷で性能を評価する

コンバータを通る有効電力だけを数えるだけでは全体像は見えてきません。インダクタやコンデンサ内で前後に揺れる内部エネルギー（非有効電力）は部品を加熱しエネルギーを浪費します。そこで著者らは有効電力と非有効電力の両方を評価し、電圧と電流のストレスを一つの指標にまとめた「部品ストレス係数」を定義します。回路シミュレーションを用いて、新しいトポロジーを全電力を処理する標準的な4スイッチのバックブーストコンバータや、位相シフト型フルブリッジに基づく既往の部分電力設計と比較しました。同じバッテリー電圧とバス電圧の条件では、新しい昇降圧部分コンバータは巡回エネルギーが最も小さく、スイッチ、コイル、コンデンサにかかる総合的なストレスも最小でした。

設計規則から実機へ

実用化するために、本稿は部分コンバータをバッテリーと直列に配置する際の一般的な接続ルールを示します。システムが主に昇圧を必要とするのか、降圧を必要とするのか、あるいはその両方かによって配置方法が異なります。また、トランス、インダクタ、コンデンサ、パワースイッチを段階的に寸法決定する手順を示し、フル動作域にわたってソフトスイッチングと低リップルを維持するようにしています。著者らはデジタル信号プロセッサで制御する1.1 kWの実験プロトタイプを製作し、現実的な50 Ahのリチウムイオンバッテリーモデルで試験しました。充放電の測定結果では、定格負荷時にコンバータのハードウェアを実際に流れる電力は全体の約14.3%にすぎず、残りはDCバスとバッテリー間を直接流れていることが示されました。

今後のバッテリーシステムへの示唆

専門外の読者にとって主要な結果は、エネルギーの大部分をコンバータの“近道”に通し、電子機器にはごく小さな補正分だけを通すことで、システムが小型化かつ高効率になるという点です。プロトタイプはピーク効率で約98.15%を達成し、フル充電サイクルでの平均効率は98.6%でした。これは同等の全電力設計や従来の部分電力設計を上回る数値です。将来の家庭用蓄電ユニット、電気自動車充電器、データセンターのバックアップシステムは、こうした昇降圧部分電力コンバータを採用することで、同等の出力をより少ない機器で、発熱を抑え、コスト低減の可能性を得られることを示唆しています。

引用: 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

キーワード: バッテリー蓄電, パワーコンバータ, 部分電力処理, 高効率充電, DCマイクログリッド