【导读】茨维考应用技术大学电子技术系和研究合作方RUTRONIK合作开发了全新的混合能源存储系统（HESS）。通过电池和双层式电容器（UltraCaps）的结合，改善了电能存储设备的峰值电流特性，并极大延长了电池使用寿命，同时基于数字式控制，可实现接近于任意形式的适应性匹配。由此可在各类应用中，尤其是高负荷的电动工具驱动装置，实现更高的可靠性，且研发成本低。
通常情况下高质量的技术型工具，例如当今已有数百万次应用的电池驱动电动工具，所应用的能源存储设备经常被称为“技术性唯一致命要害”。因此，通常可达到的电池使用寿命远不及此类设备的额定使用年限。
通过此次实施的研发项目，合作方茨维考应用技术大学和RUTRONIK证实了现今市场上常见的电池系统可在实践中和超级电容结合使用。因为通过此项结合可实现最佳的工作分配：在电池为连续运行提供稳定能量的同时，超级电容将接收短时间内出现的峰值电流和电压。电池放电电流将限于其额定电流，因此电池在任何情况下均不会离开其最优运行范围。通过采用这种“保护运行”方式，其使用寿命最高可延长1倍。此外，电池内部温度上升较小或没有升温现象，从而可再次提高使用寿命。
此项研究的成果主要得益于一个新型的、可对单个能源存储元件进行智能连接的电路拓扑结构。而该电路现在也可通过在此次研究项目中研发的数字化电源管理系统进行最优化的控制。由此可不受充电状态影响，对电池超级电容组合随时进行充电，并在数秒内完成，且不会对电池造成损坏。此外通过此系统还可在整个使用期限内实现全负荷使用。已充电的电池超级电容组合即使在闲置数月后，也能立即投入使用，因为超级电容的自放电极小。电量已空的超级电容可在数秒之内再次充满电量。此外，其结构十分坚固，即便在零摄氏度以下的温度使用，也不会出现性能损失。这意味着系统可靠性将明显提高。因此，此类混合能源存储系统还可用于具有高安全性要求的应用，例如除颤器等医疗器械。此装置对于必须具有保证使用期限的租赁和租用设备也完全适用。其中包括从电池驱动的电动螺丝刀到圆锯的所有类型的电动工具、通道搬运车辆、电动自行车和其他电池驱动车辆。
超级电容：坚固、使用寿命长
超级电容的能量储存在双层电解质，即赫尔姆霍尔茨层中进行。此类电容器极大的容量一方面是基于赫尔姆霍尔茨层厚度薄的特性，其厚度仅为数微米（1微米=10-10 米），另一方面是由于采用了表面面积极大的电极材料。这里原则上建议以下三种合适的材料：
-金属氧化物 (RuO2)
-活性炭
-具有传导性的聚合物
图1.超级电容原理构造示意图[9]
在允许的典型额定电压(2.7… 3) V条件下，根据以下基本关系公式，
此类型的电容器每个单元现在可达到数千法拉的电容值。
和电池不同的是，超级电容可在数秒时间内加载和卸载大量的能量。其10年的使用寿命以及至少50万次充电循环次数，比锂电池或含铅电池高出数倍。此外，其扩展工作温度范围为-40°C 至70°C，对于温度的敏感性明显低于电池。超级电容可能具有的唯一不足之处，就是其相对较低的能量密度[13]。双层电容器更好的低位放电特性甚至更为出色。如锂电池放电深度（DOD）为25%，则超级电容为75%。即便低于此数值，也不会像电池那样产生持续性损坏，而只是减少了充电循环次数而已。
为了能将两个能源存储设备的最佳特性融合到一个系统中，必须对电池和超级电容的充电和电流特性进行测量，并通过混合型降压/升压转换器进行均衡。其原理基础是依据相应特性曲线为两个能源存储设备进行阙值定义。
针对此类系统设计，已有多种不同的基础性拓扑结构，如采用并行电路的电池和超级电容，或双向变压器，其中超级电容位于初级，电池位于次级，或采用单向和双向变压器组合。所有这些拓扑结构的共同点是复杂程度较高，因此研发周期较长、成本压力较大。
使用升压转换器均衡设计
为了降低复杂性，研发合作双方在选定的目标应用中采用了单向直流-直流转换器的拓扑设计[2]。由此可实现相对紧凑和高效的电路结构[4] [5]。研发时间和成本以及所需元器件数量可由此得以减少。通过数字化解决方案，此系统在许多方面均可进行简单自由的参数设置。
其它优势还包括，逆变器电压可在很大的可定义电压范围内变化。超级电容可根据需要也可直接和逆变器进行动态耦合，使其能接收峰值电流。直流-直流转换器仅有的局限性是，必须通过受控二极管（MOSFET）输送峰值电流。为了实现最优化的电压匹配，可在中间电路内根据2:1的比例分配较高的电压，即超级电容的电压值是电池的一倍。这样可对超级电容的能量进行最优化利用，在50%的电压条件下最高可实现75%的能量利用率。
演示装置拓扑结构
在很多应用领域，对于电池驱动的专业电动工具，生产商必须面对在保障、甚至提高电池使用寿命方面的相应挑战。为了应对工业领域的实际需求，我们对待研发的演示装置（专业电池驱动的螺丝刀）进行了基于应用的定义与设计。
图2.演示装置- 基本结构
演示装置拓扑结构基于在此领域首次应用的组合式降压或 MOS升压结构[6]，其中配备完整数字化可执行的电源管理和相关控制装置，并可通过软件任意配置参数。由此，这个具有较高阻抗的电池系统可表现较低阻抗的特性。结果如下：
-更长的电池使用寿命
-可调节的电流限制
-出色的最大电流特性
-可预测电池使用寿命和健康状况（SOH）
除超级电容和连接到主电源的锂电池外，新型的功率电路控制器构成了拓扑结构的关键部分。另外还有速度超快的电流方向逻辑电平电路作为补充，该电路在超级电容输出的能量流导入时启用。此外还对锂电池和超级电容的模拟电流和功率信号进行监控，以便能根据经济性能量利用率的要求对其进行处理。通过高性能微控制器或信号处理器，对信号要求进行定义，同时此装置将相应地生成用于功率场效应管（Power-MOSFET）的脉冲宽度调制（PWM）时序，这里的场效应管制造商是Infineon，并由此实现定时电源供给。如无需峰值电流，则通过一个特殊开关将电流直接从锂电池导入电机。超级电容经过适当的比例放大后，可在运行间歇阶段随时通过电池进行再次充电。
图3.电路拓扑结构和设计流
控制装置
相应的控制算法[3]的最终开发是在经过广泛全面的系统理论预测试[7]基础上完成的。由此可对控制技术行程模型进行合成，从而根据目标硬件特性，在相应的模拟装置预测试基础上，开发出所需的时间离散式算法。
图4.基于EVANS的根轨迹曲线方法进行全面系统分析和控制器综合分析；原则性处理方法
控制软件采用了先进的基于模型的设计方法。包括对整个电源管理在VHDL-AMS中进行建模[8]。通过经IEEE标准化处理的模型描述语言，也可根据硬件特性对控制系统进行建模和模拟，以及通过自动编码将控制系统以自动化方式转移到目标硬件[9]。
为了始终保持稳定的运行状态，需要具有一个额外的速度超快的逻辑电路。原因是这里的安全性和实时性要求无法通过高性能快速微处理器得以满足。因此在此应用中购入了硬件组件，例如应用具有最高动态性能的比较装置。
建模和模拟的难度在于，需要对控制器、电池、超级电容和性能等级的实际特性进行极其精准的描述和绘图。
智能、精巧、平价
通过其它模拟过程可看出，此应用中的单个超级电容电量平衡仅在极少情形下被采用，通常是对整体电容组进行监控。由此使电路的复杂性降低，外形变窄，成本低廉且同时具有智能性。在最终应用到合适的电子硬件设备前，已通过自动化快速样品过程对该系统进行了完整的系统理论和数学方面的分析和建模。
图5显示了测量得出的电钻及电动螺丝刀工作循环。带有短时脉冲和极具波动特点的工作电流（图中的Imax约25A，根据电钻及电动螺丝刀具体情况也可最高达到85A）可与电池输出电流完全隔离，以便电池始终能在其定义的舒适区域运行（典型的稳定电池电流2-3A）。同时这也会对其使用寿命产生持续性积极影响。
图5.经测量的电钻及电动螺丝刀完整工作循环的信号时间走势图
演示装置完成安装和成功调试后，最后对其进行了热分析。结果是即便不带散热装置，温度也从未超过40°C。这表明，无论是硬件还是控制参数，都已经过最优化的定义，因此实际上仅产生极小的电路损耗。仅在安全的工作温度范围内运行，且没有任何热应力，也将对维持系统使用寿命产生积极影响。而这一点只有通过我们研发的降压或 MOS升压拓扑设计才能得以实现。
图6.具有热损耗优化的电源管理装置：即便不带主动式冷却装置，其自身发热量也不大
混合能量存储系统在长时间的实际应用中也能发挥作用，并由此实现此项研究的目的，这已经通过电池驱动的电钻及电动螺丝刀的可靠运行得以体现。
作者：硕士工程师Ringo Lehmann、教授博士工程师 Lutz Zacharias、 教授博士工程师 Mirko Bodach、硕士工程师Sven Slawinski、 茨维考应用技术大学电子技术系全体成员；Rutronik电子元器件有限公司战略营销和传播总监、硕士工程师Andreas Mangler
