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用于智能电池驱动设备的数字控制混合能源存储系统
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2017-12-06
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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
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]
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]
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