茨維考應用技術(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系統（HESS）。通過(guò)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(cháng)了電池使用壽命，同時(shí)基于數字式控制，可實(shí)現接近于任意形式的適應性匹配。由此可在各類(lèi)應用中，尤其是高負荷的電動(dòng)工具驅動(dòng)裝置，實(shí)現更高的可靠性，且研發(fā)成本低。

通常情況下高質(zhì)量的技術(shù)型工具，例如當今已有數百萬(wàn)次應用的電池驅動(dòng)電動(dòng)工具，所應用的能源存儲設備經(jīng)常被稱(chēng)為“技術(shù)性唯一致命要害”。因此，通�？蛇_到的電池使用壽命遠不及此類(lèi)設備的額定使用年限。

通過(guò)此次實(shí)施的研發(fā)項目，合作方茨維考應用技術(shù)大學(xué)和RUTRONIK證實(shí)了現今市場(chǎng)上常見(jiàn)的電池系統可在實(shí)踐中和超級電容結合使用。因為通過(guò)此項結合可實(shí)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(shí)，超級電容將接收短時(shí)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(huì )離開(kāi)其最優(yōu)運行范圍。通過(guò)采用這種“保護運行”方式，其使用壽命最高可延長(cháng)1倍。此外，電池內部溫度上升較小或沒(méi)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(gè)新型的、可對單個(gè)能源存儲元件進(jìn)行智能連接的電路拓撲結構。而該電路現在也可通過(guò)在此次研究項目中研發(fā)的數字化電源管理系統進(jìn)行最優(yōu)化的控制。由此可不受充電狀態(tài)影響，對電池超級電容組合隨時(shí)進(jìn)行充電，并在數秒內完成，且不會(huì )對電池造成損壞。此外通過(guò)此系統還可在整個(gè)使用期限內實(shí)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(mǎn)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(huì )出現性能損失。這意味著(zhù)系統可靠性將明顯提高。因此，此類(lèi)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(dòng)的電動(dòng)螺絲刀到圓鋸的所有類(lèi)型的電動(dòng)工具、通道搬運車(chē)輛、電動(dòng)自行車(chē)和其他電池驅動(dòng)車(chē)輛。

超級電容：堅固、使用壽命長(cháng)

超級電容的能量?jì)Υ嬖陔p層電解質(zhì)，即赫爾姆霍爾茨層中進(jìn)行。此類(lèi)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(guān)系公式，

此類(lèi)型的電容器每個(gè)單元現在可達到數千（�。┓ɡ�的電容值。

和電池不同的是，超級電容可在數秒時(shí)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(wàn)次充電循環(huán)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(huì )像電池那樣產(chǎn)生持續性損壞，而只是減少了充電循環(huán)次數而已。

為了能將兩個(gè)能源存儲設備的最佳特性融合到一個(gè)系統中，必須對電池和超級電容的充電和電流特性進(jìn)行測量，并通過(guò)混合型降壓/升壓轉換器進(jìn)行均衡。其原理基礎是依據相應特性曲線(xiàn)為兩個(gè)能源存儲設備進(jìn)行闕值定義。

針對此類(lèi)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(diǎn)是復雜程度較高，因此研發(fā)周期較長(cháng)、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(fā)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(shí)現相對緊湊和高效的電路結構[4] [5]。研發(fā)時(shí)間和成本以及所需元器件數量可由此得以減少。通過(guò)數字化解決方案，此系統在許多方面均可進(jìn)行簡(jiǎn)單自由的參數設置。

其它優(yōu)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(jìn)行動(dòng)態(tài)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(guò)受控二極管（MOSFET）輸送峰值電流。為了實(shí)現最優(yōu)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(jìn)行最優(yōu)化利用，在50%的電壓條件下最高可實(shí)現75%的能量利用率。

演示裝置拓撲結構

在很多應用領(lǐng)域，對于電池驅動(dòng)的專(zhuān)業(yè)電動(dòng)工具，生產(chǎn)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(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求，我們對待研發(fā)的演示裝置（專(zhuān)業(yè)電池驅動(dòng)的螺絲刀）進(jìn)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(lǐng)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(guān)控制裝置，并可通過(guò)軟件任意配置參數。由此，這個(gè)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(cháng)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(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充，該電路在超級電容輸出的能量流導入時(shí)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(jìn)行監控，以便能根據經(jīng)濟性能量利用率的要求對其進(jìn)行處理。通過(guò)高性能微控制器或信號處理器，對信號要求進(jìn)行定義，同時(shí)此裝置將相應地生成用于功率場(chǎng)效應管（Power-MOSFET）的脈沖寬度調制（PWM）時(shí)序，這里的場(chǎng)效應管制造商是Infineon，并由此實(shí)現定時(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入電機。超級電容經(jīng)過(guò)適當的比例放大后，可在運行間歇階段隨時(shí)通過(guò)電池進(jìn)行再次充電。

圖3 電路拓撲結構和設計流

控制裝置

相應的控制算法[3]的最終開(kāi)發(fā)是在經(jīng)過(guò)廣泛全面的系統理論預測試[7]基礎上完成的。由此可對控制技術(shù)行程模型進(jìn)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(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(xiàn)方法進(jìn)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(jìn)的基于模型的設計方法。包括對整個(gè)電源管理在VHDL-AMS中進(jìn)行建模[8]。通過(guò)經(jīng)IEEE標準化處理的模型描述語(yǔ)言，也可根據硬件特性對控制系統進(jìn)行建模和模擬，以及通過(guò)自動(dòng)編碼將控制系統以自動(dòng)化方式轉移到目標硬件[9]。

 為了始終保持穩定的運行狀態(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(mǎn)足。因此在此應用中購入了硬件組件，例如應用具有最高動(dòng)態(tài)性能的比較裝置。

建模和模擬的難度在于，需要對控制器、電池、超級電容和性能等級的實(shí)際特性進(jìn)行極其精準的描述和繪圖。

智能、精巧、平價(jià)

通過(guò)其它模擬過(guò)程可看出，此應用中的單個(gè)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(jìn)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(shí)具有智能性。在最終應用到合適的電子硬件設備前，已通過(guò)自動(dòng)化快速樣品過(guò)程對該系統進(jìn)行了完整的系統理論和數學(xué)方面的分析和建模。

圖5顯示了測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，根據電鉆及電動(dòng)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(shí)這也會(huì )對其使用壽命產(chǎn)生持續性積極影響。

圖5  經(jīng)測量的電鉆及電動(dòng)螺絲刀完整工作循環(huán)的信號時(shí)間走勢圖

演示裝置完成安裝和成功調試后，最后對其進(jìn)行了熱分析。結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，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運行，且沒(méi)有任何熱應力，也將對維持系統使用壽命產(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升壓拓撲設計才能得以實(shí)現。

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

混合能量存儲系統在長(cháng)時(shí)間的實(shí)際應用中也能發(fā)揮作用，并由此實(shí)現此項研究的目的，這已經(jīng)通過(guò)電池驅動(dòng)的電鉆及電動(dòng)螺絲刀的可靠運行得以體現。

圖7 多次成為展會(huì )訪(fǎng)客的關(guān)注焦點(diǎn)：在實(shí)際應用中實(shí)現的演示裝置，可采用不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的電動(dòng)工具運行。