用于智能電池驅動設備的數(shù)字控制混合能源存儲系統(tǒng)

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系全體成員；Rutronik電子元器件有限公司戰(zhàn)略營銷和傳播總監(jiān)、碩士工程師Andreas Mangler
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茨維考應用技術大學電子技術系和研究合作方RUTRONIK合作開發(fā)了全新的混合能源存儲系統(tǒng)（HESS）。通過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，并極大延長了電池使用壽命，同時基于數(shù)字式控制，可實現(xiàn)接近于任意形式的適應性匹配。由此可在各類應用中，尤其是高負荷的電動工具驅動裝置，實現(xiàn)更高的可靠性，且研發(fā)成本低。
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通常情況下高質量的技術型工具，例如當今已有數(shù)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?？蛇_到的電池使用壽命遠不及此類設備的額定使用年限。
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通過此次實施的研發(fā)項目，合作方茨維考應用技術大學和RUTRONIK證實了現(xiàn)今市場上常見的電池系統(tǒng)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(xiàn)最佳的工作分配：在電池為連續(xù)運行提供穩(wěn)定能量的同時，超級電容將接收短時間內出現(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離開其最優(yōu)運行范圍。通過采用這種“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(xiàn)象，從而可再次提高使用壽命。
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此項研究的成果主要得益于一個新型的、可對單個能源存儲元件進行智能連接的電路拓撲結構。而該電路現(xiàn)在也可通過在此次研究項目中研發(fā)的數(shù)字化電源管理系統(tǒng)進行最優(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進行充電，并在數(shù)秒內完成，且不會對電池造成損壞。此外通過此系統(tǒng)還可在整個使用期限內實現(xiàn)全負荷使用。已充電的電池超級電容組合即使在閑置數(shù)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(shù)秒之內再次充滿電量。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，此類混合能源存儲系統(tǒng)還可用于具有高安全性要求的應用，例如除顫器等醫(yī)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的電動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。
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超級電容：堅固、使用壽命長
超級電容的能量儲存在雙層電解質，即赫爾姆霍爾茨層中進行。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：
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-金屬氧化物 (RuO2)
-活性炭
-具有傳導性的聚合物
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圖1 超級電容原理構造示意圖[9]
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