基于锂离子电池和双层式电容器结合开发来解决成本以及可靠性、安全性等问题

发表于 2017-12-20 11:52:19 收藏 已收藏
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基于锂离子电池和双层式电容器结合开发来解决成本以及可靠性、安全性等问题

发表于 2017-12-20 11:52:19

电动车当下在发展过程中面临的一大问题就是电池技术的限制。随着技术进步,电池电量将会提高。几年之内,电池续航能力将不再是主要问题,而成本以及可靠性、安全性等问题将更加凸显。

为了解决这个问题,儒卓力和茨维考应用技术大学电子技术系合作开发了全新的混合能源存储系统(HESS)。基于锂离子电池和双层式电容器(UltraCaps)(也就是我们俗称的超级电容)结合开发而成。这个混合系统通过一个创新的拓扑结构,结合了较低阻抗EDLC和“较高”阻抗电池,以期获得最合适的系统解决方案。

这个拓扑使用超快速电源MOS开关,进行全数字式控制,可实现接近于任意形式的适应性匹配。通过这个系统,能够将锂离子电池的使用寿命增加一倍。这款电源管理系统还可以调节,以便用于轻型电动车(LEV),实现更高的可靠性,且研发成本低。

基于锂离子电池和双层式电容器结合开发来解决成本以及可靠性、安全性等问题

通过此次实施的研发项目,双方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。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。

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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。

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

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。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。

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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。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。

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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。

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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。

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图3:电路拓扑结构和设计流

控制装置

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,在相应的模拟装置预测试基础上,开发出所需的时间离散式算法。

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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。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。

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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。


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