Die regenerative Revolution: Wie bidirektionale AC-DC-Wandler Energiekosten in Testanlagen senken können

Kernaussagen

• TPS-Module ermöglichen einen kontrollierten Energiefluss zwischen AC-Netzen und DC-Lasten und eignen sich als Kernkomponente moderner, regenerativer Testsysteme und Batterieformierungslinien.
• Hohe Wirkungsgrade (bis zu 96 % im AC-DC-Betrieb und bis zu 95 % im DC-AC-Betrieb, modell- und betriebspunktabhängig) sowie ein hoher Leistungsfaktor (bis zu 0,99) können den Nettostromverbrauch in energieintensiven Testanwendungen spürbar reduzieren.
• Soft-Switching-Technologie kann Schaltverluste und elektromagnetische Störungen (EMI) verringern und unterstützt die EMV-gerechte Auslegung nach Normen wie EN 55032 – insbesondere in Labor- und Produktionsumgebungen.
• Niedrige Stromoberschwingungen (THDi < 5 %) und automatischer Parallelbetrieb unterstützen netzfreundlichen Betrieb und skalierbare Systemarchitekturen.
• Modulares Design in Kombination mit erzwungener Luftkühlung erleichtert Systemkonfiguration, Wartung und den Einsatz im Dauerbetrieb.
• TPS-Module werden u. a. in Batterietests, Zellenformierung und regenerativen Power-Aging-(Burn-in)-Systemen eingesetzt, in denen Energierückspeisung zur Effizienzsteigerung beitragen kann.

Energieeinsatz in industriellen Tests neu denken

Industrielle Tests und die Batteriefertigung werden zunehmend von Effizienz- und Nachhaltigkeitsanforderungen geprägt. Konventionelle Testsysteme beziehen häufig große Energiemengen aus dem Netz und setzen einen erheblichen Anteil davon bei Entlade- oder Aging-Prozessen als Wärme frei. Dies erhöht Betriebskosten, verkompliziert das thermische Management und belastet die elektrische Infrastruktur.

Bidirektionale AC-DC-Wandler bieten hier einen alternativen Ansatz. Sie ermöglichen eine kontrollierte Energierückführung, indem DC-Energie aus Entladephasen in nutzbare AC-Leistung umgewandelt wird. In Anwendungen wie Zellenformierung, Power-Aging oder Inverter-Tests kann diese regenerative Architektur – abhängig von Prozess, Systemaufbau und Randbedingungen – den Nettenergiebedarf und die Wärmeabgabe reduzieren.

Entdecken Sie bidirektionale AC-DC-Leistungsmodule von TPS für regenerative Testsysteme, Batterieformierung und Power-Aging-Anwendungen. Modulare Bausteine für skalierbare Laboraufbauten bis hin zu industriellen Hochleistungsplattformen mit netzfreundlichem Betrieb.

❮

TPS-BM75053KTIT

Hochleistungsfähiges bidirektionales AC-DC-Leistungsmodul für zentralisierte regenerative Systeme und industrielle Testanlagen.

Produkt ansehen

TPS-BM142250SIR

Kompaktes bidirektionales Modul für F&E-Prüfstände und skalierbare regenerative Testkanäle.

Produkt ansehen

TPS-BM23013K5TIF

Modul mit mittlerer DC-Ausgangsspannung für String-Formierung und Modultest-Anwendungen.

Produkt ansehen

TPS-BM9016K5TIF

90 VDC-Klasse Modul für serielle Zellenformierung und Batterietestaufbauten.

Produkt ansehen

TPS-BM90053KTIT

Hochleistungsplattform für großskalige regenerative Lasten und zentrale Energierückspeisesysteme.

Produkt ansehen

TPS-BM157200UHIT

Dreiphasiges bidirektionales Modul für 480 VAC-Netze und industrielle Batterietestplattformen.

Produkt ansehen

TPS-BM143400SI

Einphasiges Modul für erweiterte Testkanäle mit erhöhter Leistungsdichte.

Produkt ansehen

TPS-BM152250SIF-U

Kompaktes bidirektionales Modul für regenerative Lasten und flexible Integration in Labor- oder Schaltschrankumgebungen.

Produkt ansehen

TPS-BM159000THIT

Dreiphasiges bidirektionales Modul für leistungsstarke regenerative Aging-Tests und industrielle Testsysteme.

Produkt ansehen

TPS-BM142650SIR

Variantenmodul für angepasste Luftstromführung in skalierbaren regenerativen Testracks.

Produkt ansehen

❯

Grenzen konventioneller Testsysteme

Klassische Testaufbauten in der Batteriefertigung und Leistungselektronik-Validierung arbeiten häufig mit Widerstands- oder elektronischen Lasten. Diese Lösungen sind funktional, bringen jedoch typische Einschränkungen mit sich:

• Hoher Energiebedarf: Ein großer Teil der elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt.
• Hohe thermische Last: Die Wärmeabfuhr erfordert entsprechende HLK- bzw. Kühlkapazitäten.
• Hohe Betriebskosten: Strom- und Kühlkosten stellen häufig einen wesentlichen Kostenfaktor dar.
• Begrenzte Skalierbarkeit: Erweiterungen sind durch Netzanschlussleistung und Kühlkonzept limitiert.
• Effizienz- und Nachhaltigkeitsziele: Dauerhafte Energiedissipation steht im Widerspruch zu vielen Effizienzvorgaben.

Bidirektionale Leistungsmodule setzen hier an, indem sie Energie nicht ausschließlich verbrauchen, sondern in geeigneten Szenarien rückspeisen oder weiterverwenden können.

Kerntechnologie: Bidirektionale AC-DC-Leistungswandlung

Ein TPS bidirektionales Leistungsmodul ist ein vierquadrantenfähiger Leistungswandler, der innerhalb eines Geräts sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter betrieben werden kann. Typische Funktionen sind:

• AC-DC-Betrieb (Gleichrichter): Bereitstellung einer stabilen, programmierbaren DC-Spannung zum Laden von Batterien oder zur Versorgung von DC-Lasten.
• DC-AC-Betrieb (Wechselrichter): Umwandlung von DC-Leistung (z. B. aus einer entladenden Batterie) in netzkompatible AC-Leistung zur Rückspeisung oder lokalen Nutzung.
• Netzqualität: Hoher Leistungsfaktor (typisch bis zu 0,99) und geringe Oberschwingungen (THDi < 5 %) unterstützen einen netzfreundlichen Betrieb.
• Dynamik: Schneller Wechsel zwischen Quellen- und Senkenbetrieb für dynamische Prüfprofile (z. B. im Millisekundenbereich, modellabhängig).

Damit eignen sich bidirektionale Module besonders für regenerative Testumgebungen mit häufig wechselnder Leistungsflussrichtung.

Technologische Vorteile im Detail

1) Soft-Switching-Technologie und Wirkungsgrad

Bei hart schaltenden Wandlern entstehen während der Transistorumschaltung höhere Verluste, Wärme und Störanteile. Soft-Switching-Verfahren (z. B. Zero-Voltage oder Zero-Current Switching) können diese Effekte reduzieren.

• Wirkungsgrad: Typische Werte liegen – je nach Modell und Betriebspunkt – bei ca. 91,5 % bis 96 % im AC-DC-Betrieb und ca. 86 % bis 95 % im DC-AC-Betrieb.
• Thermisches Verhalten: Geringere Verluste bedeuten weniger Abwärme und können kompakte Designs sowie die Lebensdauer der Komponenten begünstigen.
• EMV-Aspekte: Sanftere Schaltflanken können EMV-Emissionen reduzieren und die Auslegung nach EN 55032 unterstützen.

2) Leistungsfaktor und Oberschwingungen

In Anlagen mit vielen parallelen Testkanälen ist die Netzqualität ein wichtiger Faktor.

• Hoher Leistungsfaktor: Ein Leistungsfaktor nahe 1 ermöglicht eine effiziente Nutzung der vorhandenen Infrastruktur (z. B. Transformatoren und Leitungen).
• Niedrige THDi: Geringe Oberschwingungen können die Netzbelastung reduzieren und Anschlussanforderungen unterstützen.

3) Modulares Design und Parallelbetrieb

TPS-Module sind modular konzipiert und unterstützen skalierbare Systeme.

• Skalierung: Systeme lassen sich durch zusätzliche Module von wenigen Kilowatt bis in höhere Leistungsbereiche erweitern.
• Automatischer Parallelbetrieb: Integrierte Stromaufteilung erleichtert den Zusammenschluss mehrerer Module (Anzahl und Parameter serienabhängig).
• Redundanz und Service: Konzepte wie N+1-Redundanz und austauschbare Module können die Verfügbarkeit im Dauerbetrieb erhöhen.

4) Thermisches Management im Industriebetrieb

Für 24/7-Anwendungen ist ein robustes Kühlkonzept entscheidend. TPS-Module verwenden erzwungene Luftkühlung mit intelligenter Lüftersteuerung sowie wahlweise unterschiedliche Luftstromrichtungen, um verschiedene Schaltschranklayouts zu unterstützen. Volllastfähigkeit und Derating hängen vom jeweiligen Modell, der Umgebungstemperatur und der Einbausituation ab.

Typische Anwendungen

Batteriezellen-Formierung und -Test

Bei der Formierung wird Energie zyklisch gespeichert und wieder abgegeben. In regenerativen Konzepten kann während der Entladephase ein Teil der Energie zurückgespeist werden. Abhängig von Linie, Prozessparametern und Gesamtwirkungsgrad kann dies den Nettenergiebedarf gegenüber rein dissipativen Entladeverfahren deutlich senken.

Präzise Spannungs- und Stromregelung, geringe Restwelligkeit sowie geeignete DC-Spannungsbereiche unterstützen Anwendungen von Einzelzellen bis zu Hochvolt-Batteriemodulen.

Regeneratives Power-Aging (Burn-in)

Bei Aging-Tests kann die Ausgangsleistung des Prüflings (DUT) über eine regenerative Last in netzkompatible AC-Leistung umgewandelt werden. In solchen Konfigurationen wird der Nettoenergieverbrauch in der Regel durch die Systemverluste bestimmt – nicht durch die volle Nennleistung des Prüflings.

Prüfung bidirektionaler Leistungsgeräte (z. B. Wechselrichter, OBC)

Für Inverter, Onboard-Lader oder bidirektionale Wandler sind Quellen erforderlich, die sowohl Leistung liefern als auch aufnehmen können. Bidirektionale Module können Netz- und Batterieszenarien abbilden und damit vierquadrantenfähige Tests unterstützen.

Mittel- und Hochspannungs-DC-Systeme

Für Hochvolt-Batteriepacks oder den Betrieb an 480 VAC Drehstrom stehen – je nach Serie – passende Lösungen zur Verfügung, einschließlich Varianten mit höheren DC-Ausgangsspannungen für String-Formierung und Modultests.

Produktportfolio im Überblick

Die TPS bidirektionale Produktfamilie deckt unterschiedliche Leistungsbereiche und Topologien ab, darunter:

• Einphasig, niedrigere Leistung: Für F&E-Labore und modulare Testsysteme
• Einphasig, mittlere Leistung: Für höhere Kanaldichte und erweiterte Testaufbauten
• Dreiphasig, Standardleistung: Für industrielle Formierungslinien und Aging-Racks
• Dreiphasig, hohe Leistung: Für zentralisierte regenerative Systeme mit hoher Gesamtleistung
• Serien mit mittlerer/hoher DC-Ausgangsspannung: Für String-Formierung und Hochvolt-Anwendungen

(Die konkrete Auswahl hängt u. a. von Netzform, Leistungsbedarf, DC-Spannungsbereich und Integrationsanforderungen ab.)

Konformität und Integration

TPS bidirektionale Leistungsmodule sind für den industriellen Einsatz ausgelegt und unterstützen – je nach Modell – relevante Anforderungen wie CE-Konformität, RoHS sowie ausgewählte UL-/IEC-Normen. Schnittstellen wie CAN und RS-485 erleichtern die Integration in Teststeuerungen und Automatisierungssysteme.

Fazit

Bidirektionale AC-DC-Wandler gewinnen in Test- und Batterieproduktionsumgebungen zunehmend an Bedeutung. Durch Energierückspeisung statt rein dissipativer Entladung können regenerative Architekturen Betriebskosten reduzieren, die thermische Last senken und die Gesamteffizienz verbessern – abhängig von Anwendung und Systemauslegung.

TPS bidirektionale Leistungsmodule bieten dafür eine modulare und skalierbare Basis, von Laboraufbauten bis zu industriellen Hochleistungssystemen. Mit der wachsenden Bedeutung von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist zu erwarten, dass regenerative Testkonzepte künftig eine noch größere Rolle spielen.