【導(dǎo)讀】茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)系和研究合作方RUTRONIK合作開(kāi)發(fā)了全新的混合能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（HESS）。通過(guò)電池和雙層式電容器（UltraCaps）的結(jié)合，改善了電能存儲(chǔ)設(shè)備的峰值電流特性，并極大延長(zhǎng)了電池使用壽命，同時(shí)基于數(shù)字式控制，可實(shí)現(xiàn)接近于任意形式的適應(yīng)性匹配。由此可在各類應(yīng)用中，尤其是高負(fù)荷的電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，且研發(fā)成本低。
通常情況下高質(zhì)量的技術(shù)型工具，例如當(dāng)今已有數(shù)百萬(wàn)次應(yīng)用的電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)工具，所應(yīng)用的能源存儲(chǔ)設(shè)備經(jīng)常被稱為“技術(shù)性唯一致命要害”。因此，通常可達(dá)到的電池使用壽命遠(yuǎn)不及此類設(shè)備的額定使用年限。
通過(guò)此次實(shí)施的研發(fā)項(xiàng)目，合作方茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)和RUTRONIK證實(shí)了現(xiàn)今市場(chǎng)上常見(jiàn)的電池系統(tǒng)可在實(shí)踐中和超級(jí)電容結(jié)合使用。因?yàn)橥ㄟ^(guò)此項(xiàng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)最佳的工作分配：在電池為連續(xù)運(yùn)行提供穩(wěn)定能量的同時(shí)，超級(jí)電容將接收短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)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(huì)離開(kāi)其最優(yōu)運(yùn)行范圍。通過(guò)采用這種“保護(hù)運(yùn)行”方式，其使用壽命最高可延長(zhǎng)1倍。此外，電池內(nèi)部溫度上升較小或沒(méi)有升溫現(xiàn)象，從而可再次提高使用壽命。
此項(xiàng)研究的成果主要得益于一個(gè)新型的、可對(duì)單個(gè)能源存儲(chǔ)元件進(jìn)行智能連接的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而該電路現(xiàn)在也可通過(guò)在此次研究項(xiàng)目中研發(fā)的數(shù)字化電源管理系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化的控制。由此可不受充電狀態(tài)影響，對(duì)電池超級(jí)電容組合隨時(shí)進(jìn)行充電，并在數(shù)秒內(nèi)完成，且不會(huì)對(duì)電池造成損壞。此外通過(guò)此系統(tǒng)還可在整個(gè)使用期限內(nèi)實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷使用。已充電的電池超級(jí)電容組合即使在閑置數(shù)月后，也能立即投入使用，因?yàn)槌?jí)電容的自放電極小。電量已空的超級(jí)電容可在數(shù)秒之內(nèi)再次充滿電量。此外，其結(jié)構(gòu)十分堅(jiān)固，即便在零攝氏度以下的溫度使用，也不會(huì)出現(xiàn)性能損失。這意味著系統(tǒng)可靠性將明顯提高。因此，此類混合能源存儲(chǔ)系統(tǒng)還可用于具有高安全性要求的應(yīng)用，例如除顫器等醫(yī)療器械。此裝置對(duì)于必須具有保證使用期限的租賃和租用設(shè)備也完全適用。其中包括從電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)螺絲刀到圓鋸的所有類型的電動(dòng)工具、通道搬運(yùn)車輛、電動(dòng)自行車和其他電池驅(qū)動(dòng)車輛。
超級(jí)電容：堅(jiān)固、使用壽命長(zhǎng)
超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存在雙層電解質(zhì)，即赫爾姆霍爾茨層中進(jìn)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(shù)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(dǎo)性的聚合物
圖1.超級(jí)電容原理構(gòu)造示意圖[9]
在允許的典型額定電壓(2.7… 3) V條件下，根據(jù)以下基本關(guān)系公式，
此類型的電容器每個(gè)單元現(xiàn)在可達(dá)到數(shù)千法拉的電容值。
和電池不同的是，超級(jí)電容可在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)加載和卸載大量的能量。其10年的使用壽命以及至少50萬(wàn)次充電循環(huán)次數(shù)，比鋰電池或含鉛電池高出數(shù)倍。此外，其擴(kuò)展工作溫度范圍為-40°C 至70°C，對(duì)于溫度的敏感性明顯低于電池。超級(jí)電容可能具有的唯一不足之處，就是其相對(duì)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(jí)電容為75%。即便低于此數(shù)值，也不會(huì)像電池那樣產(chǎn)生持續(xù)性損壞，而只是減少了充電循環(huán)次數(shù)而已。
為了能將兩個(gè)能源存儲(chǔ)設(shè)備的最佳特性融合到一個(gè)系統(tǒng)中，必須對(duì)電池和超級(jí)電容的充電和電流特性進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)混合型降壓/升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行均衡。其原理基礎(chǔ)是依據(jù)相應(yīng)特性曲線為兩個(gè)能源存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行闕值定義。
針對(duì)此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已有多種不同的基礎(chǔ)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如采用并行電路的電池和超級(jí)電容，或雙向變壓器，其中超級(jí)電容位于初級(jí)，電池位于次級(jí)，或采用單向和雙向變壓器組合。所有這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是復(fù)雜程度較高，因此研發(fā)周期較長(zhǎng)、成本壓力較大。
使用升壓轉(zhuǎn)換器均衡設(shè)計(jì)
為了降低復(fù)雜性，研發(fā)合作雙方在選定的目標(biāo)應(yīng)用中采用了單向直流-直流轉(zhuǎn)換器的拓?fù)湓O(shè)計(jì)[2]。由此可實(shí)現(xiàn)相對(duì)緊湊和高效的電路結(jié)構(gòu)[4] [5]。研發(fā)時(shí)間和成本以及所需元器件數(shù)量可由此得以減少。通過(guò)數(shù)字化解決方案，此系統(tǒng)在許多方面均可進(jìn)行簡(jiǎn)單自由的參數(shù)設(shè)置。
其它優(yōu)勢(shì)還包括，逆變器電壓可在很大的可定義電壓范圍內(nèi)變化。超級(jí)電容可根據(jù)需要也可直接和逆變器進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，使其能接收峰值電流。直流-直流轉(zhuǎn)換器僅有的局限性是，必須通過(guò)受控二極管（MOSFET）輸送峰值電流。為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的電壓匹配，可在中間電路內(nèi)根據(jù)2:1的比例分配較高的電壓，即超級(jí)電容的電壓值是電池的一倍。這樣可對(duì)超級(jí)電容的能量進(jìn)行最優(yōu)化利用，在50%的電壓條件下最高可實(shí)現(xiàn)75%的能量利用率。
演示裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在很多應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的專業(yè)電動(dòng)工具，生產(chǎn)商必須面對(duì)在保障、甚至提高電池使用壽命方面的相應(yīng)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求，我們對(duì)待研發(fā)的演示裝置（專業(yè)電池驅(qū)動(dòng)的螺絲刀）進(jìn)行了基于應(yīng)用的定義與設(shè)計(jì)。
圖2.演示裝置- 基本結(jié)構(gòu)
演示裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于在此領(lǐng)域首次應(yīng)用的組合式降壓或 MOS升壓結(jié)構(gòu)[6]，其中配備完整數(shù)字化可執(zhí)行的電源管理和相關(guān)控制裝置，并可通過(guò)軟件任意配置參數(shù)。由此，這個(gè)具有較高阻抗的電池系統(tǒng)可表現(xiàn)較低阻抗的特性。結(jié)果如下：
-更長(zhǎng)的電池使用壽命
-可調(diào)節(jié)的電流限制
-出色的最大電流特性
-可預(yù)測(cè)電池使用壽命和健康狀況（SOH）
除超級(jí)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(gòu)成了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)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(bǔ)充，該電路在超級(jí)電容輸出的能量流導(dǎo)入時(shí)啟用。此外還對(duì)鋰電池和超級(jí)電容的模擬電流和功率信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，以便能根據(jù)經(jīng)濟(jì)性能量利用率的要求對(duì)其進(jìn)行處理。通過(guò)高性能微控制器或信號(hào)處理器，對(duì)信號(hào)要求進(jìn)行定義，同時(shí)此裝置將相應(yīng)地生成用于功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power-MOSFET）的脈沖寬度調(diào)制（PWM）時(shí)序，這里的場(chǎng)效應(yīng)管制造商是Infineon，并由此實(shí)現(xiàn)定時(shí)電源供給。如無(wú)需峰值電流，則通過(guò)一個(gè)特殊開(kāi)關(guān)將電流直接從鋰電池導(dǎo)入電機(jī)。超級(jí)電容經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋壤糯蠛螅稍谶\(yùn)行間歇階段隨時(shí)通過(guò)電池進(jìn)行再次充電。
圖3.電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流
控制裝置
相應(yīng)的控制算法[3]的最終開(kāi)發(fā)是在經(jīng)過(guò)廣泛全面的系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)試[7]基礎(chǔ)上完成的。由此可對(duì)控制技術(shù)行程模型進(jìn)行合成，從而根據(jù)目標(biāo)硬件特性，在相應(yīng)的模擬裝置預(yù)測(cè)試基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出所需的時(shí)間離散式算法。
圖4.基于EVANS的根軌跡曲線方法進(jìn)行全面系統(tǒng)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(jìn)的基于模型的設(shè)計(jì)方法。包括對(duì)整個(gè)電源管理在VHDL-AMS中進(jìn)行建模[8]。通過(guò)經(jīng)IEEE標(biāo)準(zhǔn)化處理的模型描述語(yǔ)言，也可根據(jù)硬件特性對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和模擬，以及通過(guò)自動(dòng)編碼將控制系統(tǒng)以自動(dòng)化方式轉(zhuǎn)移到目標(biāo)硬件[9]。
為了始終保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，需要具有一個(gè)額外的速度超快的邏輯電路。原因是這里的安全性和實(shí)時(shí)性要求無(wú)法通過(guò)高性能快速微處理器得以滿足。因此在此應(yīng)用中購(gòu)入了硬件組件，例如應(yīng)用具有最高動(dòng)態(tài)性能的比較裝置。
建模和模擬的難度在于，需要對(duì)控制器、電池、超級(jí)電容和性能等級(jí)的實(shí)際特性進(jìn)行極其精準(zhǔn)的描述和繪圖。
智能、精巧、平價(jià)
通過(guò)其它模擬過(guò)程可看出，此應(yīng)用中的單個(gè)超級(jí)電容電量平衡僅在極少情形下被采用，通常是對(duì)整體電容組進(jìn)行監(jiān)控。由此使電路的復(fù)雜性降低，外形變窄，成本低廉且同時(shí)具有智能性。在最終應(yīng)用到合適的電子硬件設(shè)備前，已通過(guò)自動(dòng)化快速樣品過(guò)程對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了完整的系統(tǒng)理論和數(shù)學(xué)方面的分析和建模。
圖5顯示了測(cè)量得出的電鉆及電動(dòng)螺絲刀工作循環(huán)。帶有短時(shí)脈沖和極具波動(dòng)特點(diǎn)的工作電流（圖中的Imax約25A，根據(jù)電鉆及電動(dòng)螺絲刀具體情況也可最高達(dá)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(qū)域運(yùn)行（典型的穩(wěn)定電池電流2-3A）。同時(shí)這也會(huì)對(duì)其使用壽命產(chǎn)生持續(xù)性積極影響。
圖5.經(jīng)測(cè)量的電鉆及電動(dòng)螺絲刀完整工作循環(huán)的信號(hào)時(shí)間走勢(shì)圖
演示裝置完成安裝和成功調(diào)試后，最后對(duì)其進(jìn)行了熱分析。結(jié)果是即便不帶散熱裝置，溫度也從未超過(guò)40°C。這表明，無(wú)論是硬件還是控制參數(shù)，都已經(jīng)過(guò)最優(yōu)化的定義，因此實(shí)際上僅產(chǎn)生極小的電路損耗。僅在安全的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，且沒(méi)有任何熱應(yīng)力，也將對(duì)維持系統(tǒng)使用壽命產(chǎn)生積極影響。而這一點(diǎn)只有通過(guò)我們研發(fā)的降壓或 MOS升壓拓?fù)湓O(shè)計(jì)才能得以實(shí)現(xiàn)。
圖6.具有熱損耗優(yōu)化的電源管理裝置：即便不帶主動(dòng)式冷卻裝置，其自身發(fā)熱量也不大
混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用中也能發(fā)揮作用，并由此實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)研究的目的，這已經(jīng)通過(guò)電池驅(qū)動(dòng)的電鉆及電動(dòng)螺絲刀的可靠運(yùn)行得以體現(xiàn)。
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(yīng)用技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)系全體成員；Rutronik電子元器件有限公司戰(zhàn)略營(yíng)銷和傳播總監(jiān)、碩士工程師Andreas Mangler
