混合蓄电系统发挥长寿优势 电动工具/设备可用度提升

一般目前已有多种应用的高质量工具(如电池驱动电动工具)所用的能源存储设备，经常被称为「技术性唯一致命要害」，电池的使用寿命可能远不及设备本身的使用年限。

结合锂电池/超级电容 混合蓄电寿命更长

透过本文的研发项目，证实了现今市场上常见的电池系统可在实作中和超级电容结合使用。 透过此项结合，可实现最佳的工作分配：在电池提供稳定电能使得电动工具能够连续运行的同时，超级电容将接收短时间内出现的峰值电流和电压。 电池放电电流将受限于其额定电流，因此电池在任何情况下均不会离开其最佳运行范围。 采用这种「保护操作」方式，其使用寿命最高可延长一倍。 除此之外，电池内部温度上升较小或毫无升温现象，从而可进一步提高使用寿命。

此项研究的成果主要得益于一个新型的、可对单一能源储存组件进行智能连接的电路拓扑结构。 而该电路现在也可透过在此次研究项目中研发的数字化电源管理系统进行优化的控制。 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，而且不会对电池造成损坏。

此外，透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。 其结构十分坚固，即便在摄氏零度以下的温度环境中运行，也不会影响性能。 这意味着系统可靠性将明显提高。 因此，这类混合蓄电系统还可用于具有高安全性要求的应用，例如心脏去颤器等医疗仪器。 该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、信道搬运车辆、电动自行车和其他电池驱动车辆。

超级电容的电能储存在双层电解质，即赫尔姆霍茨层中进行。 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。 在这方面，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)。

图1 超级电容原理构造示意图

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，

此类型的电容器每一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除大量的电能。 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，其更广泛的工作温度范围为-40℃~70℃，对于温度的敏感性明显低于电池。 超级电容的唯一不足之处，或许就是其相对较低的电能密度。 双层电容器更佳的低位放电特性，甚至更为出色。 如锂电池的放电深度(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，而只是减少了充电次数而已。

为了能将两个蓄电装置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，并透过混合型降压/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蓄电装置进行阙值定义。

针对此类系统设计，已有多种不同的基础拓扑结构，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，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。 由此可实现相对紧凑和高效的电路结构。 研发时间和成本以及所需元器件数量因此减少。 透过数字化解决方案，此系统在许多方面均可进行简单自由的参数设置。

逆变器电压可在很大的可定义电压范围内变化，这是另一项优势。 根据需要，超级电容可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就是必须透过受控二极管(MOSFET)输送峰值电流。 为了实现优化的电压匹配，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优化利用，在50%的电压条件下最高可实现75%的能量利用率。

以组合式升降压结构满足混合蓄电需求

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，根据应用，本团队对研发的演示装置(专业电池驱动的螺丝刀)进行了定义与设计(图2)。

图2 演示装置的基本结构

演示装置拓扑结构的基础是在此领域首次应用的组合式降压或MOS升压结构，其中配备完整数字化可执行的电源管理和相关控制装置，并可透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仿真电流和功率讯号进行监控，以便能根据经济性能量利用率的要求对其进行处理。

透过高性能微控制器或讯号处理器，对讯号要求进行定义，同时此装置将相应地产生用于功率型场效晶体管(Power-MOSFET)的脉冲宽度调变(PWM)时序，这里的场效晶体管制造商是英飞凌(Infineon)， 并由此实现定时电源供给(图3)。 如无需峰值电流，则透过一个特殊开关将电流直接从锂电池导入马达。 超级电容经过适当的比例放大后，可在操作间歇阶段随时透过电池进行再次充电。

图3 电路拓扑结构和设计流程

完整控制仿真确保性能表现

相应的控制算法的最终开发是在经过广泛全面的系统理论预测试基础上完成的。 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，在相应的仿真装置预测试基础上，开发出所需的时间离散式算法(图4)。

图4 建基于伊凡思(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。

控制软件采用了建基于模型的先进设计方法。 包括对整个电源管理在VHDL-AMS中进行建模。 透过经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仿真，以及透过自动编码将控制系统以自动化方式转移到目标硬件。

为了始终保持稳定的运行状态，需要一个额外的超快速逻辑电路。 原因是这里的安全性和实时性要求无法透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。

建模和仿真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。

透过其他仿真过程可看出，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设备前，已透过自动化快速取样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。 具有短频率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)。 同时这也有利于其使用寿命。

图5 经测量的电钻及电动螺丝刀完整工作循环的讯号时间走势图

演示装置完成安装和成功调试后，最后进行了热分析。 结果是即便不带散热装置，温度也从未超过40℃。 这表明了无论是硬件还是控制参数，都已经过优化的定义，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，也有利于系统的使用寿命。 而这一点只有透过我们研发的降压或MOS升压拓扑设计才能实现(图6)。

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。

混合蓄电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，这已经透过电池驱动的电钻及电动螺丝刀的可靠运行得以体现(图7)。

图7 多次成为展会参观者的关注焦点：在实际应用中实现的演示装置，可采用不同厂商生产的电动工具操作。

(本文作者任职于茨维考应用技术大学电子技术系和Rutronik)