Оценка характеристик последовательного повышающего/понижающего частичного силового преобразователя для систем накопления энергии в батареях

Почему умные зарядные устройства для батарей важны

По мере того как дома, автомобили и центры обработки данных всё активнее используют крупные аккумуляторные блоки, даже небольшие улучшения в электронике, которая заряжает и разряжает эти батареи, могут экономить деньги и энергию. Традиционные схемы, соединяющие батарею с сетью постоянного тока (DC), вынуждены обрабатывать всю мощность всё время, из‑за чего они громоздки и неэффективны. В этой статье исследуется новый тип «частичного» силового преобразователя, который позволяет большей части энергии обходить преобразователь полностью, снижая потери и уменьшая аппаратные габариты — при этом сохраняя точный контроль над процессами зарядки и разрядки батареи.

Новый способ маршрутизации энергии батареи

В классическом полном преобразователе каждый ватт, протекающий между батареей и шиной постоянного тока, должен проходить через силовую электронику. Это означает, что ключи, дроссели и конденсаторы рассчитаны на полную мощность системы и нагреваются при любом перемещении энергии в батарею или из неё. Авторы концентрируются на частичном преобразователе, включённом последовательно с батареей. В такой схеме большая часть мощности идет напрямую между батареей и шиной по низкопотерьному пути, а лишь небольшая доля проходит через преобразователь, который добавляет или вычитает «тримирующее» напряжение поверх напряжения батареи. Поскольку преобразователь видит лишь часть общей мощности, его компоненты могут быть меньшего размера и работать эффективнее.

Объединение повышающей и понижающей функций в одном блоке

Реальные батарейные системы должны и повышать, и понижать напряжение по мере изменения уровня заряда и условий в сети. Многие ранние частичные схемы хорошо работали только в одном направлении — либо повышали, либо понижали напряжение. Команда предлагает повыша‑юще/понижающий частичный преобразователь, который плавно охватывает оба режима. Он объединяет два узла в одном корпусе: резонансный каскад LLC, выполняющий роль высокоэффективного изолированного «DC‑трансформатора», и мостовой (full‑bridge) каскад, который тонко регулирует последовательное напряжение, подаваемое на батарею. Тщательный выбор коэффициента трансформатора и режимов коммутации позволяет преобразователю создавать небольшое положительное или отрицательное смещение напряжения, так что он может как заряжать, так и разряжать батарею в её рабочем диапазоне 40–56 В, удерживая при этом основную шину постоянного тока на 48 В.

Оценка по «ощущению» компонентов

Простое подсчитывание активной мощности, проходящей через преобразователь, не даёт полной картины. Внутренняя энергия, циркулирующая между индуктивностями и конденсаторами — так называемая неактивная мощность — также нагревает компоненты и приводит к потерям. Поэтому авторы оценивают и активную, и неактивную мощность и вводят «коэффициент напряжения на компонентах», объединяющий напряжение и токовую нагрузку в единую метрику. С помощью моделирования схем они сравнивают новую топологию с обычным четырёхключевым повышающе‑понижающим (buck‑boost) преобразователем, обрабатывающим полную мощность, а также с ранее изучавшейся частичной схемой на базе фазосмещённого full‑bridge. При тех же напряжениях батареи и шины новый повыша‑юще/понижающий частичный преобразователь показывает наименьшую циркулирующую энергию и наименьшую суммарную нагрузку на ключи, дроссели и конденсаторы.

От правил проектирования к реальному оборудованию

Чтобы подход был применим на практике, статья приводит общие правила подключения для случаев, когда и как располагать частичные преобразователи последовательно с батареями — в зависимости от того, нужно ли системе преимущественно повышать напряжение, понижать его или делать и то, и другое. Также приводится пошаговый метод подбора трансформатора, дросселей, конденсаторов и силовых ключей, чтобы поддерживать мягкую коммутацию и низкие пульсации во всём рабочем диапазоне. Авторы затем собирают лабораторный прототип на 1,1 кВт под управлением цифрового сигнального процессора и испытывают его с реалистичной моделью литий‑ионной батареи ёмкостью 50 А·ч. Измерения при зарядке и разрядке показывают, что при полной нагрузке через аппаратную часть преобразователя проходит лишь около 14,3% от общей мощности; остальное идёт напрямую между шиной DC и батареей.

Что это означает для будущих батарейных систем

Для неспециалиста основной вывод прост: позволяя большей части энергии пользоваться «коротким путём» вокруг преобразователя и пропуская через электронику лишь небольшую корректирующую долю, система становится одновременно компактнее и эффективнее. Прототип демонстрирует пик эффективности около 98,15% и среднюю эффективность 98,6% за полный цикл зарядки — выше, чем у сопоставимых полно‑мощных и ранних частичных решений. Это означает, что будущие домашние накопители, зарядные устройства для электромобилей и резервные системы для центров обработки данных могут обеспечивать ту же мощность при меньшем количестве аппаратной части, меньшем тепловыделении и, возможно, по более низкой цене при внедрении подобной тщательно разработанной повыша‑юще/понижающей частичной топологии преобразователя.

Цитирование: 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

Ключевые слова: накопление энергии в батареях, силовой преобразователь, частичная обработка мощности, высокоэффективная зарядка, постоянно‑токовая микроэнергосеть