So funktioniert eine bidirektionale Stromversorgung
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Stromversorgungen, die Energie ausschließlich in einer Richtung liefern, ist eine bidirektionale Stromversorgung so konstruiert, dass sie elektrische Energie gleichzeitig in beiden Richtungen steuern kann. Intern integriert sie sowohl Wechselstrom-Gleichstrom- als auch Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltungen und verfügt daher über die doppelte Funktionalität, entweder Leistung an eine Last abzugeben oder Energie von der Last aufzunehmen und wieder an die Quelle zurückzuführen.
Diese Fähigkeit zur Energie-Rückführung – allgemein als Rekuperation bezeichnet – ist wohl das charakteristischste Merkmal dieser Geräte. Da überschüssige Energie nicht in Abwärme umgewandelt, sondern ins Stromnetz zurückgespeist wird, werden bidirektionale Stromversorgungen häufig als „rekuperative Stromversorgungen“ bezeichnet; beide Begriffe gelten in der technischen Praxis weitgehend als synonym.
Das Blockschaltbild einer typischen bidirektionalen Stromversorgung zeigt eine dreistufige interne Architektur:
AC/DC-Bidirektionalwandler – Wandelt in beiden Richtungen zwischen dem Wechselstrom-Versorgungsnetz und dem internen Gleichstrom-Zwischenkreis um und ermöglicht so den bidirektionalen Energieaustausch mit der Stromleitung. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit bidirektionaler Leistungsübertragung und galvanischer Trennung – bietet eine galvanische Trennung zwischen der netzseitigen und der abgabeseitigen Schaltung und regelt gleichzeitig den Gleichstromleistungsfluss in beide Richtungen. Aufwärtswandler/Abwärtswandler (DC/DC-Wandler) – passt die Ausgangsspannung präzise an das für einen bestimmten Prüfprozess erforderliche Niveau an und bietet so eine flexible Spannungsversorgung für das zu prüfende Gerät (DUT). Durch diese Architektur kann die Stromversorgung nahtlos sowohl mit dem öffentlichen Versorgungsnetz als auch mit der angeschlossenen Prüfbelastung interagieren und so einen dynamischen, bidirektionalen Energieaustausch ermöglichen.
Warum sollten Sie eine bidirektionale Stromversorgung wählen?
Hochwertige Batteriesimulation
Eine der wertvollsten Anwendungen bidirektionaler Stromversorgungen liegt in ihrer Fähigkeit, das Verhalten realer Batterien nachzubilden. Das rasche Wachstum tragbarer Unterhaltungselektronik und elektrischer Fahrzeuge (EVs) hat die Batteriesimulation zu einer zunehmend entscheidenden Funktion bei der Produktentwicklung gemacht. In der Praxis halten Batterien keine konstante Ausgangsspannung auf: Die Klemmenspannung sinkt mit steigendem Laststrom, und das elektrische Profil einer Batterie verändert sich erheblich je nach Ladezustand, Alter und Zustand.
Die Nachbildung dieser komplexen Eigenschaften mit einer herkömmlichen Gleichstromversorgung ist grundsätzlich begrenzt – solche Geräte können lediglich Leistung abgeben, jedoch nicht aufnehmen. Eine programmierbare bidirektionale Stromversorgung hingegen kann eine breite Palette von Batteriezuständen exakt reproduzieren und stellt damit ein unverzichtbares Werkzeug sowohl für Forschung und Entwicklung als auch für die Qualitätssicherung dar.
Nahtlose Quell-/Senken-Übergänge für Hochleistungstests In anspruchsvollen Anwendungen wie der Prüfung von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge sind reibungslose Übergänge zwischen Leistungsabgabe (Sourcing) und Energieaufnahme (Sinking) unerlässlich. Bidirektionale Stromversorgungen ermöglichen dies, ohne Spannungseinbrüche am Umschaltzeitpunkt hervorzurufen oder Stromspitzen (Overshoot) und -einbrüche (Undershoot) zu verursachen – Störgrößen, die echte Batteriepacks beschädigen oder die Messgenauigkeit beeinträchtigen können. Dadurch werden stabile und reproduzierbare Prüfbedingungen während des gesamten Prüfzyklus gewährleistet.
Praktische Anwendungsbeispiele
Anwendungsfall 1: Betrieb mit konstanter Spannung / konstantem Strom (CV/CC) Eine einfache Anwendung besteht darin, die bidirektionale Stromversorgung im herkömmlichen CV/CC-Modus (konstante Spannung/konstanter Strom) zu nutzen – also eine stabile, programmierbare Spannung oder einen stabilen, programmierbaren Strom an das Prüfobjekt (DUT) bereitzustellen. Dies ist insbesondere bei Zuverlässigkeitsprüfungen besonders effektiv, bei denen Ingenieure überprüfen müssen, wie ein Gerät auf unterschiedliche Versorgungsspannungen unter realen Bedingungen reagiert.
Während eine Standard-Stromversorgung diese Aufgabe bei primären (nicht wiederaufladbaren) Batterien durchaus adäquat erfüllen kann, erfordert die Prüfung geräte, die mit wiederaufladbaren Batterien betrieben werden, eine bidirektionale Einheit. Die Stromversorgung kann die Lade- und Entladespannungsprofile verschiedener Batteriechemien präzise nachbilden – von Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Akkus bis hin zu Mehrzellenkonfigurationen, die von 12-V-Autobatterien bis zu den Hochspannungspacks moderner Elektrofahrzeuge reichen.
Anwendungsfall 2: Simulation des Innenwiderstands und der Alterung von Batterien Reale Batterien sind keine idealen Spannungsquellen – sie weisen einen inneren Widerstand auf, der sich dynamisch mit dem Ladezustand (SOC), der Temperatur und dem Alter ändert. Dieser Widerstand beeinflusst, welche Spannung unter verschiedenen Stromentnahmen tatsächlich an der Last anliegt.
Durch die Programmierung des Parameters für den internen Widerstand (dargestellt als r) innerhalb der bidirektionalen Stromversorgung können Ingenieure diese nichtidealen Eigenschaften nachbilden. Wenn r auf null gesetzt wird, arbeitet das Gerät als reine Konstantspannungsquelle (CV-Quelle). Durch Erhöhung von r sinkt die simulierte Ausgangsspannung unter Last ab – genau wie bei einer realen Batterie.
Neben der von SOC abhängigen Innenwiderstandszunahme altern Batterien im Laufe der Zeit. Diese Alterung manifestiert sich in zwei Formen: einem permanenten Kapazitätsverlust aufgrund des Alterungsprozesses sowie einer vorübergehenden Leistungseinbuße, die beispielsweise durch niedrige Temperaturen verursacht wird. Der Zustand der Batterie (State of Health, SOH) fasst beide dieser langfristigen Veränderungen zusammen.
Durch die Nutzung der variablen Widerstandsfähigkeit einer bidirektionalen Stromversorgung können Testingenieure den Verschlechterungszustand (State of Degradation, SOD) einer gealterten oder beschädigten Batterie simulieren. Dadurch lässt sich das Produkt unter „Extrembedingungen“ bezüglich der Stromversorgung bewerten – beispielsweise um zu verifizieren, dass ein Gerät entweder weiterhin korrekt funktioniert oder bei einer degradierten Stromquelle ordnungsgemäß eine Warnung vor niedrigem Batteriestand ausgibt. Solche Tests sind entscheidend, um die Zuverlässigkeit des Produkts über dessen gesamte Einsatzdauer sicherzustellen.
Anwendungsfall 3: Prüfung von Automobil- und elektrifizierten Fahrzeugsystemen Über den Bereich der Unterhaltungselektronik hinaus spielen bidirektionale Stromversorgungen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung und Validierung von Automobilsystemen – insbesondere von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
Ein anschauliches Beispiel ist die 48-V-Mild-Hybrid-Architektur, die Funktionen wie Rekuperation und Drehmomentunterstützung umfasst. Diese Systeme beinhalten komplexe Energieströme zwischen einem 48-V-Riemen-integrierten Starter-Generator und dem konventionellen 12-V-Fahrzeug-Bordnetz, das über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler verbunden ist.
Eine bidirektionale Stromversorgung eignet sich hervorragend als Simulator sowohl für den Generator als auch für den Wechselrichter in dieser Topologie. Ingenieure können die Logik des Energiemanagements unter einer Vielzahl simulierter Fahrbedingungen – Beschleunigung, Bremsen und Leerlauf – validieren, ohne ein physisches Antriebsstrangsystem benötigen zu müssen. Dadurch verkürzen sich die Entwicklungszeiten, und es lassen sich kontrolliertere sowie reproduzierbarere Testumgebungen realisieren als bei reinen Fahrzeugtests.
Bidirektionale Stromversorgungen stellen eine bedeutende Weiterentwicklung gegenüber herkömmlichen Prüfstromversorgungen dar und bieten Funktionen, die zunehmend unverzichtbar werden, da die Elektrifizierung in immer mehr Branchen voranschreitet.