HESS

HESS —— 混合能源存储系统

领先的全球电子分销商儒卓力 (Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH)与茨维考应用科学大学(WHZ)合作开发的混合能源存储系统(HESS),将为电源技术带来革命性突破。通过锂电池和双电层电容器(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。

这种新的混合能源存储方案对电动车(EV)开发商尤其有吸引力。随着国内最新出台的政策大力推行“新能源”车,这种混合能源系统将对中国的创新厂商大有裨益。跟全球市场一样,中国市场也首选锂离子电池作为电池驱动车(BEV)的电源技术,而全新的HESS方案将为电动车电池提供增强的可靠性和循环使用,从而使得电动车性能突飞猛进。不仅汽车行业,很多其它行业也将从中受益。

  

用于智能电池驱动设备的数字控制混合能源存储系统

茨维考应用技术大学和儒卓力合作的研发项目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超出其最优运行范围。通过采用这种“保护运行”方式,其使用寿命可延长1倍。此外,电池内部温度上升较小或没有升温现象,从而保证了高使用寿命。

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。

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,另一方面是由于采用了表面面积极大的电极材料。

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。

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。

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,开发出了所需的时间离散式算法。

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。

智能、精巧、平价

此应用中的单个超级电容电量平衡仅在极少情形下被采用,通常是对整体电容组进行监控。由此使电路的复杂性降低,外形变窄,成本低廉且同时具有智能性。在最终应用到合适的电子硬件设备前,已通过自动化快速样品过程对该系统进行了完整的系统理论和数学方面的分析和建模。

电池在现实情况中面临哪些挑战?

通常情况下高质量的技术工具,例如当今已被数百万次使用的电池驱动电动工具,其所应用的能源存储器经常被称为“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该设备的额定使用年限。

在现实当中,电池驱动电动工具比如电动脚踏车的电流曲线会出现以下状况:

  • 浪涌电流高
  • 恢复电流高
  • 放电电流超出电池规格
  • 充电电流超出电池规格

此外,无人机在空中飞行时的峰值电流也常大大超出其推荐电池电流额度。

 

 

HESS应用领域

HESS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运行。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,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。

关键特性
  • 新发明
  • 结合降压或MOS升压拓扑
  • 数字功率控制回路
  • 可配置控制参数
  • 为高阻抗电池系统带来低阻抗性能
  • 极高峰值电流性能,并且避免电池老化
  • 电池和超级电容之间超快di/dt控制负载开关 (正在申请专利)
优点
  • 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)

演示装置完成安装和成功调试后,最后对其进行了热分析。结果是即便不带散热装置,温度也从未超过40°C。这表明,无论是硬件还是控制参数,都已经过最优化的定义,因此实际上仅产生极小的电路损耗。仅在安全的工作温度范围内运行,且没有任何热应力,也将对维持系统使用寿命产生积极影响。而这一点只有通过我们研发的降压或MOS升压拓扑设计才能得以实现。

 

 

锂离子电池 + 超级电容混合性能

   

锂离子电池

超级电容

锂离子电池+超级电容组合

 
 

功率容量 (W/kg)

++

+++

+++

 
 

能量密度 (Wh/尺寸)

++

-

++

 
 

比能 (Wh/kg)

++

+

+

 
 

循环寿命

O

+++

+++

 
 

日历寿命

+

++

+++

 
 

价格

-

O

O

 
 

自放电

++

-

++

 
 

温度性能

O

++

++

 
 

可靠性

O

++

++

 
 

快速充电

O

+++

+++

 

评级:  +++ 非常好;++ 很好;+ 好;0 一般;- 差

演示装置拓扑结构设计

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。

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,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。

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。

HESS混合能源存储系统荣获《中国电子商情》杂志2017年编辑选择奖

全球电子元器件分销商兼亚洲电子供应链中的知名厂商儒卓力(Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH)宣布荣获《中国电子商情》杂志“2017编辑选择奖”。儒卓力赢得“中国最具竞争力的电源管理解决方案”奖项,以表彰其混合能源存储系统 (HESS)。颁奖典礼在CITE2018展会期间于4月10日在新产品发布中心 6号展厅举办,应用工程师主管刘云飞代表儒卓力在颁奖仪式上演讲并重点介绍了HESS。

儒卓力战略营销与传播总监Andreas Mangler表示:“我们很荣幸获得这个声名卓著的奖项,儒卓力在中国和全球各地的客户告诉我们,他们需要具备终极效率的电源存储和供应系统,而HESS则是一项能够实现该目标并改变游戏规则的技术。在中国市场,我们认为将会有一系列电动车(e-mobility) 应用,正在快速发展的电动汽车即是一个明显例证。”                

儒卓力与德国茨维考应用科技大学合作开发的HESS把电池和超级电容器整合在一起,以改善能源存储系统的峰值电流特性。由于采用数字控制,极大地减小了电池的性能下降并确保了更大的灵活性。此外,在众多应用中,数字控制技术还有助于实现极高的可靠性水平。

儒卓力在该项目中的目标是证实每个电池系统都可以在真实的工作环境中与超级电容器相结合,这种组合便于更加理想地实现工作负载的分配。尽管电池可以作为持续能源来满足持续的供电需求,而超级电容器则可管理临时峰值电流和电压。电池的放电电流限制在额定值,从而确保其永远不会超过额定工作范围。这种“温和的操作”有助于将系统寿命延长高达100%。此外,电池内部产生较少或根本不产生热量,这也延长了电池的使用寿命。

放电的超级电容器可以在几秒钟内充分充电,以获得最大便利和最高效率。电池超级电容器组合可以随时充电,且不会损坏电池组。此外,超级电容器具有非常牢固的设计,即使在0°C以下也能提供出色的性能,并且在整个使用寿命期间具有全功率性能。

儒卓力HESS解决方案的这些功能优势和益处符合2017年《中国电子商情》杂志编辑选择奖的评选标准,其中包括引人注目的技术特性和技术创新,及其展示的主要品牌影响力和市场份额。

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