用于智能电池驱动设备的数字控制混合能源存储系统-电子技术方案|电路图讲解
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]
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[13]。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。
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[2]。由此可实现相对紧凑和高效的电路结构[4] [5]。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。
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。
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。
图3 电路拓扑结构和设计流
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一 前置知识 拉格朗日乘子法是一种寻找多元函数在一组约束下的极值方法，通过引入拉格朗日乘子，可将有m个变量和n个约束条件的最优化问题转化为具有m+n个变量的无约束优化问题。在介绍拉格朗日乘子法之前，先简要的介绍一些前置知识,然后就拉格朗日乘子法谈一下自己的理解。
1.梯度 梯度是一个与方向导数有关的概念，它是一个向量。在二元函数的情形，设函数f(x,y)在平面区域D内具有一阶连续偏导，则对于每一点P(x0,y0)∈D，都可以定义出一个向量:fx(x0,y0)i+fy(x0,y0)j ,称该向量为函数f(x,y)在点P(x0,y0) 的梯度。并记作grad f(x0,y0) 或者∇f(x0,y0),即 grad f(x0,y0) = ∇f(x0,y0) = fx(x0,y0)i+fy(x0,y0)j=(fx(x0,y0),fy(x0,y0)) 。 再来看看梯度和方向导数的关系：如果函数f(x,y)在P(x0,y0)点可微，el = (cosα,cosβ)是与方向L同向的单位向量，则∂f/∂L|(x0,y0) = fx(x0,y0)cosα+fy(x0,y0)cosβ = grad f(x0,y0).el = |grad f(x0,y0)|.cosθ ，其中θ表示的梯度与el 的夹角。由此可知，当θ = 0时,el 与梯度的方向相同时，此时方向导数最大，函数f(x,y)增长最快;当θ = π时,el 与梯度的方向相反时，此时方向导数最小且为负,函数f(x,y)减小最快。
2.等高线(等值线)
通常来说，二元函数 z = f(x,y)在几何上表示一个曲面，这个曲面被平面 z = c(c为常数)所截得的曲线L的方程为:
这是一条空间曲线，这条曲线L在xOy平面上的投影是一条平面曲线L*，它在xOy平面直角坐标系中的方程为：f(x,y) = c .对于曲线L*上的一切点，已给函数的函数值都是c，所以我们称平面曲线L*为函数z = f(x,y)的等值线(等高线)。再来看看等高线的一些性质：
若fx，fy不同时为零，则等高线 f(x,y) = c上任一点P(x0,y0)处的一个单位法向量为:
这表明函数f(x,y)在一点(x0,y0)的梯度∇f(x0,y0)的方向就是等高线f(x,y) = c在这点的法向量的方向，而梯度的模|∇f(x0,y0)|就是沿这个法线方向的方向导数∂f/∂n,于是有： 
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