【導讀】茨維考應用技術大學電子技術系和研究合作方RUTRONIK合作開發了全新的混合能源存儲系統（HESS）。通過電池和雙層式電容器（UltraCaps）的結合，改善了電能存儲設備的峰值電流特性，并極大延長了電池使用壽命，同時基于數字式控制，可實現接近于任意形式的適應性匹配。由此可在各類應用中，尤其是高負荷的電動工具驅動裝置，實現更高的可靠性，且研發成本低。
通常情況下高質量的技術型工具，例如當今已有數百萬次應用的電池驅動電動工具，所應用的能源存儲設備經常被稱為“技術性唯一致命要害”。因此，通常可達到的電池使用壽命遠不及此類設備的額定使用年限。
通過此次實施的研發項目，合作方茨維考應用技術大學和RUTRONIK證實了現今市場上常見的電池系統可在實踐中和超級電容結合使用。因為通過此項結合可實現最佳的工作分配：在電池為連續運行提供穩定能量的同時，超級電容將接收短時間內出現的峰值電流和電壓。電池放電電流將限于其額定電流，因此電池在任何情況下均不會離開其最優運行范圍。通過采用這種“保護運行”方式，其使用壽命最高可延長1倍。此外，電池內部溫度上升較小或沒有升溫現象，從而可再次提高使用壽命。
此項研究的成果主要得益于一個新型的、可對單個能源存儲元件進行智能連接的電路拓撲結構。而該電路現在也可通過在此次研究項目中研發的數字化電源管理系統進行最優化的控制。由此可不受充電狀態影響，對電池超級電容組合隨時進行充電，并在數秒內完成，且不會對電池造成損壞。此外通過此系統還可在整個使用期限內實現全負荷使用。已充電的電池超級電容組合即使在閑置數月后，也能立即投入使用，因為超級電容的自放電極小。電量已空的超級電容可在數秒之內再次充滿電量。此外，其結構十分堅固，即便在零攝氏度以下的溫度使用，也不會出現性能損失。這意味著系統可靠性將明顯提高。因此，此類混合能源存儲系統還可用于具有高安全性要求的應用，例如除顫器等醫療器械。此裝置對于必須具有保證使用期限的租賃和租用設備也完全適用。其中包括從電池驅動的電動螺絲刀到圓鋸的所有類型的電動工具、通道搬運車輛、電動自行車和其他電池驅動車輛。
超級電容：堅固、使用壽命長
超級電容的能量儲存在雙層電解質，即赫爾姆霍爾茨層中進行。此類電容器極大的容量一方面是基于赫爾姆霍爾茨層厚度薄的特性，其厚度僅為數微米（1微米=10-10 米），另一方面是由于采用了表面面積極大的電極材料。這里原則上建議以下三種合適的材料：
-金屬氧化物 (RuO2)
-活性炭
-具有傳導性的聚合物
圖1.超級電容原理構造示意圖[9]
在允許的典型額定電壓(2.7… 3) V條件下，根據以下基本關系公式，
此類型的電容器每個單元現在可達到數千法拉的電容值。
和電池不同的是，超級電容可在數秒時間內加載和卸載大量的能量。其10年的使用壽命以及至少50萬次充電循環次數，比鋰電池或含鉛電池高出數倍。此外，其擴展工作溫度范圍為-40°C 至70°C，對于溫度的敏感性明顯低于電池。超級電容可能具有的唯一不足之處，就是其相對較低的能量密度[13]。雙層電容器更好的低位放電特性甚至更為出色。如鋰電池放電深度（DOD）為25%，則超級電容為75%。即便低于此數值，也不會像電池那樣產生持續性損壞，而只是減少了充電循環次數而已。
為了能將兩個能源存儲設備的最佳特性融合到一個系統中，必須對電池和超級電容的充電和電流特性進行測量，并通過混合型降壓/升壓轉換器進行均衡。其原理基礎是依據相應特性曲線為兩個能源存儲設備進行闕值定義。
針對此類系統設計，已有多種不同的基礎性拓撲結構，如采用并行電路的電池和超級電容，或雙向變壓器，其中超級電容位于初級，電池位于次級，或采用單向和雙向變壓器組合。所有這些拓撲結構的共同點是復雜程度較高，因此研發周期較長、成本壓力較大。
使用升壓轉換器均衡設計
為了降低復雜性，研發合作雙方在選定的目標應用中采用了單向直流-直流轉換器的拓撲設計[2]。由此可實現相對緊湊和高效的電路結構[4] [5]。研發時間和成本以及所需元器件數量可由此得以減少。通過數字化解決方案，此系統在許多方面均可進行簡單自由的參數設置。
其它優勢還包括，逆變器電壓可在很大的可定義電壓范圍內變化。超級電容可根據需要也可直接和逆變器進行動態耦合，使其能接收峰值電流。直流-直流轉換器僅有的局限性是，必須通過受控二極管（MOSFET）輸送峰值電流。為了實現最優化的電壓匹配，可在中間電路內根據2:1的比例分配較高的電壓，即超級電容的電壓值是電池的一倍。這樣可對超級電容的能量進行最優化利用，在50%的電壓條件下最高可實現75%的能量利用率。
演示裝置拓撲結構
在很多應用領域，對于電池驅動的專業電動工具，生產商必須面對在保障、甚至提高電池使用壽命方面的相應挑戰。為了應對工業領域的實際需求，我們對待研發的演示裝置（專業電池驅動的螺絲刀）進行了基于應用的定義與設計。
圖2.演示裝置- 基本結構
演示裝置拓撲結構基于在此領域首次應用的組合式降壓或 MOS升壓結構[6]，其中配備完整數字化可執行的電源管理和相關控制裝置，并可通過軟件任意配置參數。由此，這個具有較高阻抗的電池系統可表現較低阻抗的特性。結果如下：
-更長的電池使用壽命
-可調節的電流限制
-出色的最大電流特性
-可預測電池使用壽命和健康狀況（SOH）
除超級電容和連接到主電源的鋰電池外，新型的功率電路控制器構成了拓撲結構的關鍵部分。另外還有速度超快的電流方向邏輯電平電路作為補充，該電路在超級電容輸出的能量流導入時啟用。此外還對鋰電池和超級電容的模擬電流和功率信號進行監控，以便能根據經濟性能量利用率的要求對其進行處理。通過高性能微控制器或信號處理器，對信號要求進行定義，同時此裝置將相應地生成用于功率場效應管（Power-MOSFET）的脈沖寬度調制（PWM）時序，這里的場效應管制造商是Infineon，并由此實現定時電源供給。如無需峰值電流，則通過一個特殊開關將電流直接從鋰電池導入電機。超級電容經過適當的比例放大后，可在運行間歇階段隨時通過電池進行再次充電。
圖3.電路拓撲結構和設計流
控制裝置
相應的控制算法[3]的最終開發是在經過廣泛全面的系統理論預測試[7]基礎上完成的。由此可對控制技術行程模型進行合成，從而根據目標硬件特性，在相應的模擬裝置預測試基礎上，開發出所需的時間離散式算法。
圖4.基于EVANS的根軌跡曲線方法進行全面系統分析和控制器綜合分析；原則性處理方法
控制軟件采用了先進的基于模型的設計方法。包括對整個電源管理在VHDL-AMS中進行建模[8]。通過經IEEE標準化處理的模型描述語言，也可根據硬件特性對控制系統進行建模和模擬，以及通過自動編碼將控制系統以自動化方式轉移到目標硬件[9]。
為了始終保持穩定的運行狀態，需要具有一個額外的速度超快的邏輯電路。原因是這里的安全性和實時性要求無法通過高性能快速微處理器得以滿足。因此在此應用中購入了硬件組件，例如應用具有最高動態性能的比較裝置。
建模和模擬的難度在于，需要對控制器、電池、超級電容和性能等級的實際特性進行極其精準的描述和繪圖。
智能、精巧、平價
通過其它模擬過程可看出，此應用中的單個超級電容電量平衡僅在極少情形下被采用，通常是對整體電容組進行監控。由此使電路的復雜性降低，外形變窄，成本低廉且同時具有智能性。在最終應用到合適的電子硬件設備前，已通過自動化快速樣品過程對該系統進行了完整的系統理論和數學方面的分析和建模。
圖5顯示了測量得出的電鉆及電動螺絲刀工作循環。帶有短時脈沖和極具波動特點的工作電流（圖中的Imax約25A，根據電鉆及電動螺絲刀具體情況也可最高達到85A）可與電池輸出電流完全隔離，以便電池始終能在其定義的舒適區域運行（典型的穩定電池電流2-3A）。同時這也會對其使用壽命產生持續性積極影響。
圖5.經測量的電鉆及電動螺絲刀完整工作循環的信號時間走勢圖
演示裝置完成安裝和成功調試后，最后對其進行了熱分析。結果是即便不帶散熱裝置，溫度也從未超過40°C。這表明，無論是硬件還是控制參數，都已經過最優化的定義，因此實際上僅產生極小的電路損耗。僅在安全的工作溫度范圍內運行，且沒有任何熱應力，也將對維持系統使用壽命產生積極影響。而這一點只有通過我們研發的降壓或 MOS升壓拓撲設計才能得以實現。
圖6.具有熱損耗優化的電源管理裝置：即便不帶主動式冷卻裝置，其自身發熱量也不大
混合能量存儲系統在長時間的實際應用中也能發揮作用，并由此實現此項研究的目的，這已經通過電池驅動的電鉆及電動螺絲刀的可靠運行得以體現。
作者：碩士工程師Ringo Lehmann、教授博士工程師 Lutz Zacharias、 教授博士工程師 Mirko Bodach、碩士工程師Sven Slawinski、 茨維考應用技術大學電子技術系全體成員；Rutronik電子元器件有限公司戰略營銷和傳播總監、碩士工程師Andreas Mangler
