5 Topologien für bidirektionale DC/DC-Wandler für Elektrofahrzeuge und Speichersysteme

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Isolationsanforderung bestimmt zunächst die Topologiefamilie, da sie bereits vor jedem weiteren Vergleich entweder die transformatorbasierten oder die nicht isolierten Kandidaten ausschließt.
• Der Spannungsbereich und die Betriebszeit bei geringer Last unterscheiden die Dual-Active-Brücke vom CLLC, wobei breite Bereiche für Ersteres sprechen und nahezu konstante Verhältnisse für Letzteres.
• Jede Topologie bringt ihren eigenen Regelungsaufwand mit sich, daher sollte die Bewertung Ihres Reglers ( Tests ) anhand von schaltgenauen Modellen der in Frage kommenden Topologien vor der Reihenfolge der Topologien ( hardware ) erfolgen.

Die von Ihnen gewählte Topologie des bidirektionalen DC/DC-Wandlers bestimmt den Wirkungsgrad, die Isolation und den Regelungsaufwand jedes darauf basierenden Ladegeräts oder Speichersystems.

Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler überträgt Energie zwischen zwei Gleichspannungen in beide Richtungen, sodass eine Leistungsstufe eine Batterie sowohl lädt als auch entlädt. Der Bedarf an Leistungselektronik, die diese Funktion erfüllt, ist groß. Die Netzbetreiber in den Vereinigten Staaten verfügten Ende 2025 über Batteriespeicher mit einer Gesamtleistung von 43,6 Gigawatt, und jede dieser Batterien ist an einen Wandler angeschlossen, der Strom in beide Richtungen leitet.

Fünf Topologien decken die meisten Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Speicherregale und Gleichstrom-Mikronetze ab. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Anzahl der Schalter, des Spannungsbereichs und des Schwierigkeitsgrads der Steuerung. Wenn Sie sie unter gleichen Bedingungen vergleichen, können Sie schneller eine Entscheidung treffen.

Wie die Isolierung bidirektionale DC/DC-Wandler in zwei Produktfamilien unterteilt

Der Hauptunterschied zwischen isolierten und nicht isolierten bidirektionalen Wandlern besteht in einem Hochfrequenztransformator. Bei isolierten Ausführungen ist ein solcher zwischen den beiden Seiten angeordnet, wodurch Fehlerströme unterbunden werden und ein großes Spannungsverhältnis erzielt wird. Nicht isolierte Ausführungen verfügen über eine gemeinsame Masse, benötigen weniger Bauteile und weisen bei gleicher Leistung einen geringeren Energieverlust auf.

Nehmen wir als Beispiel ein an Bord installiertes Ladegerät für Elektrofahrzeuge, das Strom in ein Haus einspeist. Der Akku muss galvanisch vom Netz getrennt bleiben, weshalb die DC/DC-Stufe einen Transformator benötigt. Ein Speicherrack, das an einen bereits vorgelagerten, isolierten Gleichstrombus angeschlossen ist, unterliegt dieser Anforderung nicht, und ein Transformator würde dort lediglich Kosten, Gewicht und Verluste verursachen. 

„Klär diese Frage zuerst, denn dadurch scheidet bereits die Hälfte der Kandidaten aus, noch bevor du irgendetwas anderes vergleichst.“

Vergleich von 5 Topologien bidirektionaler DC/DC-Wandler hinsichtlich ihrer jeweiligen Eignung

Drei dieser Topologien für Stromrichter sind nicht isoliert, zwei sind isoliert. In jedem Eintrag wird erläutert, wie die Schaltung Leistung überträgt, wo sie eingesetzt werden kann und welchen Aufwand die Steuerung erfordert.

1. Halbbrücken-Buck-Boost-Wandler

Der Halbbrücken-Buck-Boost-Wandler ist die einfachste bidirektionale Stufe und besteht aus zwei Schaltern und einer Induktivität. Er wandelt die Spannung vom Bus abwärts um, um die Batterie zu laden, und wandelt die Spannung von der Batterie aufwärts um, um sie zu entladen. In beiden Richtungen kommen dieselben zwei Schalter und dieselbe Induktivität zum Einsatz, sodass eine Stromschleife beide Richtungen abdeckt. Die Batteriespannung muss stets unterhalb der Busspannung bleiben.

Stellen Sie sich einen 350-V-Akku an einem 750-V-Gleichstrom-Bus vor. Die Stufe arbeitet mit einem Tastverhältnis von nahezu 47 %, die Anzahl der Bauteile ist minimal und der Wirkungsgrad hoch. Dies ist die Standardkonfiguration für Speicherbatteriebänke und Gleichstrom-Mikronetze mit einem festen Spannungsverhältnis. Probleme treten auf, wenn sich die beiden Spannungen einander annähern, da das Tastverhältnis an seine Grenze stößt und die Regelungsfähigkeit verloren geht.

2. Buck-Boost-Wandler mit vier Schaltern

Beim Vier-Schalter-Buck-Boost-Wandler wird an jedem Ende einer Induktivität eine Halbbrücke angeordnet, sodass jede Seite entweder oberhalb oder unterhalb der anderen liegen kann. Dadurch entfällt die Spannungsreihenfolge-Regel der einfacheren Stufe, ohne dass ein Transformator hinzugefügt werden muss.

Ein Akku, dessen Spannung zwischen 300 V und 500 V schwankt und an einen 400-V-Bus angeschlossen ist, entspricht dem Lehrbuchbeispiel, da der Akku in jedem Zyklus die Busspannung überquert. Der Preis dafür sind vier Schalter und ein Induktionsstrom, der stets durch zwei in Reihe geschaltete Bauelemente fließt, sodass die Leitungsverluste höher ausfallen als bei einer Zwei-Schalter-Stufe. Der Übergang zwischen Buck- und Boost-Betrieb erfordert eine sorgfältige Modulation, da der Strom sonst bei jedem Spannungskreuzung eine sichtbare Störung aufweist.

3. Interleaved-Buck-Boost-Wandler

Der Interleaved-Buck-Boost-Wandler betreibt mehrere Halbbrückenphasen parallel, die jeweils zeitlich versetzt sind, sodass sich die Phasen den Strom teilen. Die Welligkeit an den Batterieklemmen hebt sich teilweise gegenseitig auf, wodurch die Induktivitäten und Kondensatoren kleiner ausgelegt werden können.

Bei einer Dreiphasenausführung mit 300 A fließen etwa 100 A pro Phase, wobei die Phasen im Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet sind. Damit ist sie die praktische Wahl für Hochstrom-Speicherregale und Ausgangsstufen von Schnellladegeräten. Durch das Abschalten von Phasen bei geringer Last lässt sich ein Teil des Wirkungsgradverlusts ausgleichen, der durch die zusätzlichen Schalter entsteht. Der zusätzliche Aufwand besteht im Stromausgleich. Jede Phase benötigt eine eigene Messung, und ein Regler, der eine Phase driften lässt, führt zu einer Überhitzung dieses Induktors, lange bevor der Gesamtstrom als fehlerhaft erkannt wird.

4. Aktiver Doppelbrückenwandler

Der doppelt aktive Brückenwandler verbindet zwei Vollbrücken über einen Hochfrequenztransformator und steuert die Leistung mithilfe der Phasenverschiebung zwischen ihnen. Er bietet galvanische Trennung, symmetrischen Betrieb in beide Richtungen und einen breiten Spannungsbereich, der über eine einzige Regelgröße gesteuert wird.

Aufgrund dieses Bereichs ist es eine gängige Wahl für Ladegeräte, die sowohl 400-V- als auch 800-V-Batteriepacks versorgen. Seine Schwachstelle liegt bei geringer Last, wo die Brücken das Soft-Switching verlieren und der Zirkulationsstrom ansteigt. Um dies zu beheben, sind zusätzliche Modulationsmodi wie doppelte oder dreifache Phasenverschiebung sowie ein präzises Timing zwischen den beiden Brücken erforderlich. OPAL-RT führt in Echtzeit schaltgenaue Simulationen dieser Art von Stufe durch, sodass Ihr Controller diese Vorteil Fälle bereits vor der Wicklung eines Transformators berücksichtigt.

5. CLLC-Resonanzwandler

Der CLLC-Resonanzwandler verfügt auf jeder Seite des Transformators über einen angepassten Resonanzkreis und regelt mit der Schaltfrequenz. Die Bauelemente schalten über den gesamten Lastbereich hinweg sanft, sodass die Verluste nahe der Resonanz sehr gering bleiben.

Ein Prototyp einer Universität, eine 25-kW-Konstruktion aus Siliziumkarbid, erreichte beim Entladen einen Spitzenwirkungsgrad von 98,8 %. Dieselbe Studie ergab geringere Gesamtverluste des Bauelements als bei einer doppelten aktiven Brücke. Die Grenze liegt im Verstärkungsbereich. Eine Batterie mit starken Schwankungen verschiebt die Frequenz weit vom Resonanzpunkt weg, weshalb Entwickler häufig die Gleichstrom-Zwischenkreisspannung variieren, um den Schwingkreis an seinem optimalen Punkt zu halten. Dies eignet sich für Bordladegeräte und Speichermodule mit einem engen Batteriebereich.

So wählen Sie vor dem Kauf eine bidirektionale Topologie aus hardware

Wählen Sie die Topologie anhand Ihres Spannungsbereichs, Ihrer Isolationsanforderungen und Ihres Lastprofils aus – in dieser Reihenfolge. Die Isolationsanforderungen grenzen die Auswahl auf zwei oder drei Kandidaten ein. Der Spannungsbereich und der zeitliche Anteil der Leichtlast trennen dann die Dual-Active-Bridge vom CLLC. Fünf Fragen reichen aus, um die meisten Projekte zu klären.

• Schreibt eine Sicherheitsnorm eine galvanische Trennung vor?
• Überschreitet die Batteriespannung jemals die Busspannung?
• Wie viel Strom muss eine einzelne Stufe führen?
• Wie viele Stunden wird der Umrichter bei einer Auslastung unter 20 % laufen?
• Kann Ihr Steuer hardware , die für die einzelnen Optionen erforderlichen Zeitabläufe einhalten?

Ein Ladegerät für Elektrofahrzeuge in gemischten 400-V- und 800-V-Flotten verweist auf die Dual-Active-Brücke. Ein Batterie-Energiespeicherprodukt mit einem engen Pack-Fenster verweist auf den CLLC. Die letzte Frage ist die, die die Teams überspringen, und genau hier kommt es zu Verzögerungen im Zeitplan.

„Theoretische Vergleiche können nicht zeigen, wie sich Ihr eigener Steuerungscode auf den einzelnen Schaltkreisen verhält.“

Theoretische Vergleiche können nicht aufzeigen, wie sich Ihr eigener Regelcode auf den einzelnen Schaltkreisen verhält. OPAL-RT führt die in Frage kommenden Topologien als Echtzeitmodelle mit demselben Regler aus, sodass Sie das gemessene Verhalten vergleichen und sich einmalig für eine „ hardware “ entscheiden können.