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係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：zaidianchiweilianxuyunxingtigongwendingnengliangdetongshi
，chaojidianrongjiangjieshouduanshijianneichuxiandefengzhidianliuhedianya。dianchifangdiandianliujiangxianyuqiedingdianliu，yincidianchizairenheqingkuangxiajunbuhuilikaiqizuiyouyunxingfanwei。tongguocaiyongzhezhong“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於一個新型的、可(ke)對(dui)單(dan)個(ge)能(neng)源(yuan)存(cun)儲(chu)元(yuan)件(jian)進(jin)行(xing)智(zhi)能(neng)連(lian)接(jie)的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)。而(er)該(gai)電(dian)路(lu)現(xian)在(zai)也(ye)可(ke)通(tong)過(guo)在(zai)此(ci)次(ci)研(yan)究(jiu)項(xiang)目(mu)中(zhong)研(yan)發(fa)的(de)數(shu)字(zi)化(hua)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)最(zui)優(you)化(hua)的(de)控(kong)製(zhi)。由(you)此(ci)可(ke)不(bu)受(shou)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)影(ying)響(xiang)，對(dui)電(dian)池(chi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)組(zu)合(he)隨(sui)時(shi)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)
，並(bing)在(zai)數(shu)秒(miao)內(nei)完(wan)成(cheng)，且(qie)不(bu)會(hui)對(dui)電(dian)池(chi)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)。此(ci)外(wai)通(tong)過(guo)此(ci)係(xi)統(tong)還(hai)可(ke)在(zai)整(zheng)個(ge)使(shi)用(yong)期(qi)限(xian)內(nei)實(shi)現(xian)全(quan)負(fu)荷(he)使(shi)用(yong)。已(yi)充(chong)電(dian)的(de)電(dian)池(chi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)組(zu)合(he)即(ji)使(shi)在(zai)閑(xian)置(zhi)數(shu)月(yue)後(hou)，也(ye)能(neng)立(li)即(ji)投(tou)入(ru)使(shi)用(yong)
，因(yin)為(wei)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)自(zi)放(fang)電(dian)極(ji)小(xiao)。電(dian)量(liang)已(yi)空(kong)的(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)可(ke)在(zai)數(shu)秒(miao)之(zhi)內(nei)再(zai)次(ci)充(chong)滿(man)電(dian)量(liang)。此(ci)外(wai)，其(qi)結(jie)構(gou)十(shi)分(fen)堅(jian)固(gu)
，即(ji)便(bian)在(zai)零(ling)攝(she)氏(shi)度(du)以(yi)下(xia)的(de)溫(wen)度(du)使(shi)用(yong)
，也(ye)不(bu)會(hui)出(chu)現(xian)性(xing)能(neng)損(sun)失(shi)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)將(jiang)明(ming)顯(xian)提(ti)高(gao)。因(yin)此(ci)，此(ci)類(lei)混(hun)合(he)能(neng)源(yuan)存(cun)儲(chu)係(xi)統(tong)還(hai)可(ke)用(yong)於(yu)具(ju)有(you)高(gao)安(an)全(quan)性(xing)要(yao)求(qiu)的(de)應(ying)用(yong)，例(li)如(ru)除(chu)顫(chan)器(qi)等(deng)醫(yi)療(liao)器(qi)械(xie)。此(ci)裝(zhuang)置(zhi)對(dui)於(yu)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)保(bao)證(zheng)使(shi)用(yong)期(qi)限(xian)的(de)租(zu)賃(lin)和(he)租(zu)用(yong)設(she)備(bei)也(ye)完(wan)全(quan)適(shi)用(yong)。其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)從(cong)電(dian)池(chi)驅(qu)動(dong)的(de)電(dian)動(dong)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chao級ji電dian容rong的de能neng量liang儲chu存cun在zai雙shuang層ceng電dian解jie質zhi，即ji赫he爾er姆mu霍huo爾er茨ci層ceng中zhong進jin行xing。此ci類lei電dian容rong器qi極ji大da的de容rong量liang一yi方fang麵mian是shi基ji於yu赫he爾er姆mu霍huo爾er茨ci層ceng厚hou度du薄bo的de特te性xing，其qi厚hou度du僅jin為wei數shu微wei米mi（1微米=10-10 米）
，另一方麵是由於采用了表麵麵積極大的電極材料。這裏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，根據以下基本關係公式，

 

 

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
，其擴展工作溫度範圍為-40°C 至70°C
，對於溫度的敏感性明顯低於電池。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%。即便低於此數值，也不會像電池那樣產生持續性損壞，而隻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係統中，必須對電池和超級電容的充電和電流特性進行測量，並通過混合型降壓/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(zhen)對(dui)此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)
，已(yi)有(you)多(duo)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)基(ji)礎(chu)性(xing)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，如(ru)采(cai)用(yong)並(bing)行(xing)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)池(chi)和(he)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)，或(huo)雙(shuang)向(xiang)變(bian)壓(ya)器(qi)
，其(qi)中(zhong)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)位(wei)於(yu)初(chu)級(ji)，電(dian)池(chi)位(wei)於(yu)次(ci)級(ji)
，或(huo)采(cai)用(yong)單(dan)向(xiang)和(he)雙(shuang)向(xiang)變(bian)壓(ya)器(qi)組(zu)合(he)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)的(de)共(gong)同(tong)點(dian)是(shi)複(fu)雜(za)程(cheng)度(du)較(jiao)高(gao)，因(yin)此(ci)研(yan)發(fa)周(zhou)期(qi)較(jiao)長(chang)、成本壓力較大。

 

 

為了降低複雜性，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，此係統在許多方麵均可進行簡單自由的參數設置。

 

qitayoushihaibaokuo，nibianqidianyakezaihendadekedingyidianyafanweineibianhua。chaojidianrongkegenjuxuyaoyekezhijiehenibianqijinxingdongtaiouhe，shiqinengjieshoufengzhidianliu。zhiliu-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。

 

 

在很多應用領域
，對於電池驅動的專業電動工具，生產商必須麵對在保障
、甚至提高電池使用壽命方麵的相應挑戰。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）進行了基於應用的定義與設計。

 

圖2.演示裝置- 基本結構

 

演示裝置拓撲結構基於在此領域首次應用的組合式降壓或 MOS升壓結構[6]
，qizhongpeibeiwanzhengshuzihuakezhixingdedianyuanguanlihexiangguankongzhizhuangzhi，bingketongguoruanjianrenyipeizhicanshu。youci，zhegejuyoujiaogaozukangdedianchixitongkebiaoxianjiaodizukangdetexing。jieguoruxia：

 

-更長的電池使用壽命

-可調節的電流限製

-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(chu)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)和(he)連(lian)接(jie)到(dao)主(zhu)電(dian)源(yuan)的(de)鋰(li)電(dian)池(chi)外(wai)，新(xin)型(xing)的(de)功(gong)率(lv)電(dian)路(lu)控(kong)製(zhi)器(qi)構(gou)成(cheng)了(le)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)的(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)分(fen)。另(ling)外(wai)還(hai)有(you)速(su)度(du)超(chao)快(kuai)的(de)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)邏(luo)輯(ji)電(dian)平(ping)電(dian)路(lu)作(zuo)為(wei)補(bu)充(chong)，該(gai)電(dian)路(lu)在(zai)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)輸(shu)出(chu)的(de)能(neng)量(liang)流(liu)導(dao)入(ru)時(shi)啟(qi)用(yong)。此(ci)外(wai)還(hai)對(dui)鋰(li)電(dian)池(chi)和(he)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)模(mo)擬(ni)電(dian)流(liu)和(he)功(gong)率(lv)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)，以(yi)便(bian)能(neng)根(gen)據(ju)經(jing)濟(ji)性(xing)能(neng)量(liang)利(li)用(yong)率(lv)的(de)要(yao)求(qiu)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)處(chu)理(li)。通(tong)過(guo)高(gao)性(xing)能(neng)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)或(huo)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)器(qi)

，對(dui)信(xin)號(hao)要(yao)求(qiu)進(jin)行(xing)定(ding)義(yi)，同(tong)時(shi)此(ci)裝(zhuang)置(zhi)將(jiang)相(xiang)應(ying)地(di)生(sheng)成(cheng)用(yong)於(yu)功(gong)率(lv)場(chang)效(xiao)應(ying)管(guan)（Power-MOSFET）的脈衝寬度調製（PWM）時序，這裏的場效應管製造商是Infineon
，bingyoucishixiandingshidianyuangonggei。ruwuxufengzhidianliu，zetongguoyigeteshukaiguanjiangdianliuzhijieconglidianchidaorudianji。chaojidianrongjingguoshidangdebilifangdahou，kezaiyunxingjianxiejieduansuishitongguodianchijinxingzaicichongdian。

 

圖3.電路拓撲結構和設計流

 

 

相應的控製算法[3]的最終開發是在經過廣泛全麵的係統理論預測試[7]基ji礎chu上shang完wan成cheng的de。由you此ci可ke對dui控kong製zhi技ji術shu行xing程cheng模mo型xing進jin行xing合he成cheng
，從cong而er根gen據ju目mu標biao硬ying件jian特te性xing，在zai相xiang應ying的de模mo擬ni裝zhuang置zhi預yu測ce試shi基ji礎chu上shang，開kai發fa出chu所suo需xu的de時shi間jian離li散san式shi算suan法fa。

 

圖4.基於EVANS的根軌跡曲線方法進行全麵係統分析和控製器綜合分析；原則性處理方法

 

控製軟件采用了先進的基於模型的設計方法。包括對整個電源管理在VHDL-AMS中進行建模[8]。通過經IEEEbiaozhunhuachulidemoxingmiaoshuyuyan，yekegenjuyingjiantexingduikongzhixitongjinxingjianmohemoni，yijitongguozidongbianmajiangkongzhixitongyizidonghuafangshizhuanyidaomubiaoyingjian[9]。

 

weileshizhongbaochiwendingdeyunxingzhuangtai，xuyaojuyouyigeewaidesuduchaokuaideluojidianlu。yuanyinshizhelideanquanxingheshishixingyaoqiuwufatongguogaoxingnengkuaisuweichuliqideyimanzu。yincizaiciyingyongzhonggouruleyingjianzujian，liruyingyongjuyouzuigaodongtaixingnengdebijiaozhuangzhi。

 

建模和模擬的難度在於，需要對控製器、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。

 

 

tongguoqitamoniguochengkekanchu
，ciyingyongzhongdedangechaojidianrongdianliangpinghengjinzaijishaoqingxingxiabeicaiyong
，tongchangshiduizhengtidianrongzujinxingjiankong。youcishidianludefuzaxingjiangdi
，waixingbianzhai
，chengbendilianqietongshijuyouzhinengxing。zaizuizhongyingyongdaoheshidedianziyingjianshebeiqian
，yitongguozidonghuakuaisuyangpinguochengduigaixitongjinxinglewanzhengdexitonglilunheshuxuefangmiandefenxihejianmo。

 

圖5顯示了測量得出的電鑽及電動螺絲刀工作循環。帶有短時脈衝和極具波動特點的工作電流（圖中的Imax約25A，根據電鑽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.經測量的電鑽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後，最後對其進行了熱分析。結果是即便不帶散熱裝置
，溫度也從未超過40°C。這(zhe)表(biao)明(ming)，無(wu)論(lun)是(shi)硬(ying)件(jian)還(hai)是(shi)控(kong)製(zhi)參(can)數(shu)，都(dou)已(yi)經(jing)過(guo)最(zui)優(you)化(hua)的(de)定(ding)義(yi)
，因(yin)此(ci)實(shi)際(ji)上(shang)僅(jin)產(chan)生(sheng)極(ji)小(xiao)的(de)電(dian)路(lu)損(sun)耗(hao)。僅(jin)在(zai)安(an)全(quan)的(de)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)運(yun)行(xing)，且(qie)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)熱(re)應(ying)力(li)
，也(ye)將(jiang)對(dui)維(wei)持(chi)係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)產(chan)生(sheng)積(ji)極(ji)影(ying)響(xiang)。而(er)這(zhe)一(yi)點(dian)隻(zhi)有(you)通(tong)過(guo)我(wo)們(men)研(yan)發(fa)的(de)降(jiang)壓(ya)或(huo) 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(hun)合(he)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)係(xi)統(tong)在(zai)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)也(ye)能(neng)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)，並(bing)由(you)此(ci)實(shi)現(xian)此(ci)項(xiang)研(yan)究(jiu)的(de)目(mu)的(de)，這(zhe)已(yi)經(jing)通(tong)過(guo)電(dian)池(chi)驅(qu)動(dong)的(de)電(dian)鑽(zuan)及(ji)電(dian)動(dong)螺(luo)絲(si)刀(dao)的(de)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)得(de)以(yi)體(ti)現(xian)。

 

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係全體成員
；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