用于电池储能应用的串联升降压部分功率变换器的性能评估

为何更智能的电池充电器很重要

随着住宅、汽车和数据中心越来越依赖大型电池组，即便是充放电电子装置上小幅的改进也能节省资金和能量。将电池连接到直流（DC）母线的传统电路必须始终处理全部功率，这使它们体积庞大且效率低下。本文探讨了一种新型“部分”功率变换器，它允许大部分能量完全绕过变换器，从而降低损耗并缩小硬件尺寸——同时仍能对电池的充放电进行严格控制。

一种新的电池能量分流方式

在传统的全功率变换器中，电池与直流母线之间流动的每一瓦特都必须通过变换器硬件。这意味着开关、电感和电容都必须按整套系统功率来设计，并且每当能量进出电池时这些元件都会发热。作者则关注一种与电池串联的部分功率变换器。在这种布置中，大部分功率沿低损耗路径直接在电池与直流母线之间传输，只有一小部分通过变换器，该变换器在电池电压上加上或减去一个“修正”电压。由于变换器仅承受总功率的一小部分，其元件可以更小且更高效。

在一个箱体内实现升压和降压

实际电池系统必须随着电池荷电状态和电网条件的变化既能升压又能降压。许多早期的部分功率设计只在一个方向上表现良好：要么升压要么降压。团队提出了一种可平滑覆盖两种情况的升降压部分功率变换器。它在一个箱体内组合了两个模块：作为高度高效、隔离“直流变压器”的 LLC 谐振级，以及用于精细调节电池串联电压的全桥级。通过仔细选择变压器匝比和开关模式，变换器可以产生小的正或负偏置电压，从而在保持主直流母线为 48 V 的同时，帮助在 40–56 V 的整个电池范围内实现充电或放电。

从组件感受到的负担来评判性能

仅仅统计通过变换器的有功功率并不能说明全部情况。电感与电容中来回摆动的内部能量——称为无功功率或非活动功率——仍会使元件发热并浪费能量。因此，作者同时评估有功和非活动功率，并定义了一个将电压与电流应力合并为单一评价指标的“组件应力因子”。利用电路仿真，他们将新拓扑与一种处理全功率的标准四开关降升压（buck‑boost）变换器以及先前研究的一种基于移相全桥的部分功率设计进行了比较。在相同电池与母线电压下，新的升降压部分变换器显示出最低的环流能量和对开关、电感与电容的整体应力。

从设计规则到实际硬件

为使该方法在实践中可用，论文列出了在何时以及如何将部分变换器与电池串联连接的一般准则，取决于系统主要是需要升压、降压还是两者兼顾。它还提供了变压器、电感、电容和功率开关的逐步定尺寸方法，以便在全工作范围内保持软开关和低纹波。作者随后构建了一个由数字信号处理器控制的 1.1 千瓦实验原型，并使用一个逼真的 50 安时锂离子电池模型进行了测试。在充放电测试中测得，在满载时只有约 14.3% 的总功率真正通过了变换器硬件；其余能量直接在直流母线与电池之间传输。

这对未来电池系统意味着什么

对非专业读者而言，核心结论是：通过让大部分能量绕过变换器走“捷径”，并仅让一小部分修正量经过电子装置，系统既变得更小又更高效。该原型在峰值处达到约 98.15% 的效率，并在一次完整充电周期内实现约 98.6% 的平均效率——高于可比的全功率和早期的部分功率设计。这表明未来的家用储能单元、电动汽车充电器和数据中心备用系统通过采用精心设计的升降压部分功率变换器，可能以更少的硬件、更低的热量并有可能更低的成本提供相同的功率。

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

关键词: 电池储能, 功率变换器, 部分功率处理, 高效充电, 直流微电网