DC/DC Wandler in Lithium-Ionen-Energiespeicher für Roboter an ETH Zürich

Konstantstrom DC/DC-Batterie-Ladewandler mit Konstantspannungseingang

Im Rahmen einer Masterarbeit am Robotic Systems Lab (RSL) an der ETH Zürich wurde ein kundenspezifischer DC/DC-Wandler (Demke DC-Transformer) für die Verwendung in einem neuartigen Energiespeichersystem entwickelt und getestet.

Durch die hohe Leistung und die strengen Gewichtsanforderungen in dynamischen Laufrobotern wird die Leistungsdichte zu einer zentralen Grösse. Dies gilt in diesem Projekt insbesondere für den galvanisch nicht getrennten DC/DC-Buck-Boost Ladewandler und die Hochleistungsbatterie.

Das hybride Energiespeichersystem wurde spezifisch auf die Bedürfnisse des autonomen vierbeinigen Roboters ANYmal C des ETH Spinoffs ANYbotics optimiert. Dieses HESS vereint die hohe Leistungsdichte von Lithium-Polymer Akkus mit der hohen Energiedichte von modernsten Typ 18650 Lithium-Ionen Zellen.

Die Lastspitzen, welche bei dynamischen Manövern des vierbeinigen Roboters auftreten, werden durch eine Hochleistungsbatterie der Firma Swaytronic versorgt. Somit werden Entladeströme von bis zu 400 Ampere ermöglicht. Die Hochleistungsbatterie wird mit Hilfe des spezifisch entwickelten Demke DC-Transformers mit 48V Ausgangsspannung bei 11A und bis zu 520 Watt aus den hoch energiedichten Lithium-Ionen Batteriemodulen geladen. Dieses hybride Energiespeichersystem ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Li-Ionen Akkus eine mehr als fünfmal höhere Spitzenleistung bei vergleichbarem Gewicht und nur geringfügig reduzierter Kapazität.

Der DC-Transformer 258E1-27.5-ON (Buck-Boost DC/DC Wandler mit 27.5V-Ausgang speziell konzipiert für die Stabilisierung von 24V Systemen) konnte problemlos mit einem modifizierten Eingangsspannungsbereich von 30 bis 58 VDC und einer zusätzlichen Verdopplung der Leistung von 220 Watt auf die geforderte Ausgangsleistung von min. 500W bei 48V erweitert werden. Durch die tiefe minimale Eingangsspannung kann dieser neue Ladewandler DC-Transformer 258E-50 die Energie aus Supercaps effektiv nutzen.

Der neue Eingangsspannungsbereich von 30 bis 58 VDC ist ausserdem ideal für die Serienschaltung von zwölf Lithium-Ionenzellen.