Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Det Rutronik har velat visa med forskningsprojektet är att varje batterisystem kan kombineras med ultrakondensatorer i en verklig arbetsmiljö. Faktum är att tekniken underlättar fördelning av arbetsbelastningen. Medan batteriet fungerar som en kontinuerlig energileverantör hanterar ultrakondensatorn tillfälliga toppströmmar och -spänningar. 

Batteriets urladdningsström är begränsad till sitt nominella värde, så den överstiger aldrig sitt nominella driftsområde. Detta bidrar till att systemets livslängd kan öka med upp till 100 procent. Samtidigt alstras mindre eller ingen värme i batteriet, vilket förlänger driftstiden.

Ett paket med batteri och ultrakondensator kan laddas upp när som helst, oberoende av laddningsstatus och utan att skada battericellerna, och det ger full effekt under hela livslängden. Ett uppladdat paket är alltid redo att användas – även om det inte har använts på flera månader – eftersom ­ultrakondensatorer har en extremt långsam självurladdning. Urladdade ultrakondensatorer kan dessutom laddas fullt inom några sekunder. Likaså har de en mycket robust konstruktion och bra prestanda även vid temperaturer under noll grader.

Slutsatsen är att lösningen ökar tillförlitligheten hos systemet. Denna typ av hybridlagring är därför intressant för säkerhetskritiska tillämpningar såsom defibrillatorer. Konstruktionen passar även väl för leasing eller uthyrning av utrustning som ska garantera en viss livslängd. Här ingår alla sorts verktyg för konsumenter, från trådlösa skruvdragare till cirkelsågar.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen. Prenumerera kostnadsfritt!

Ultrakondensator har flera attraktiva egenskaper. De laddar och laddar ur väldigt höga energinivåer inom några sekunder. I skarp kontrast till batterier når de en livslängd på upp till 10 år. Likaså tål de extremt många laddcykler (minst 500 000 cykler). De är också mindre temperaturkänsliga med ett arbetsområde som sträcker sig från –40 °C till 70 °C.

En ultrakondensator kan inte lagra stora mängder energi. Däremot klarar den många så djupa urladdningar. Konventionella litiumjonbatterier har ett urladdningsdjup (Depth of Discharge, DOD) på cirka 25 procent, medan motsvarande för ultrakondensatorer är cirka 75 procent. 

För att optimera egenskaperna i ett hybridsystem enligt ovan måste en specialutvecklad buck-boost-omvandlare användas för att balansera laddningen av batteriet och kondensatorn. Då utgår man från tröskelvärdena för de båda energilagringsenheterna, samtidigt som hänsyn tas till respektive karaktäristiska kurva.

Det finns redan flera grundläggande topologier för denna typ av systemkonstruktion, exempelvis kan batteri och ultrakondensator placeras parallellt. Ett annat alternativ är att använda en dubbelriktad omvandlare med en ultrakondensator på primärsidan och batteriet på sekundärsidan eller så används både en enkel och en dubbelriktad omvandlare. Gemensamt för de nämnda topologierna är att de är relativt komplexa och därmed tidskrävande och dyra.

För att minimera svårighetsgraden beslutade sig parterna i detta projekt för att använda en topologi baserad på en enkelriktad DC/DC-omvandlare, som blir relativt kompakt och effektiv. Den kräver färre komponenter, kortare utvecklingstid och kostar mindre än andra alternativ. Den digitala styrningen gör också att konstruktionen i många avseenden även blir snabbare och lättare att anpassa.

En annan fördel är att spänningen vid inverteraren kan variera inom ett mycket brett område. Om det är nödvändigt kan ultrakondensatorn kopplas direkt till inverteraren för att hantera toppströmmar. DC/DC-omvandlaren är bara begränsad av att toppströmmen måste gå via en styrd diod (MOSFET). För att garantera optimal spänningsanpassning kan den högre spänningen i konstruktionen ges förhållandet 2:1. Det betyder att spänningen vid ultrakondensatorn är dubbelt så hög som vid batteriet. Med andra ord utnyttjas kondensatorns energi fullt ut – den kan leverera 75 procent av sin tillgängliga energi vid 50 procent av spänningen.

Tillverkare av batteridrivna verktyg av hög kvalitet letar alltid efter sätt att garantera, eller öka, batteriets livslängd. Uppmuntrade av industrin beslutade sig därför projektets konstruktörer för att definiera en demo-plattform i form av en batteridriven skruvdragare. 

Demonstratorn kombinerar en buck-boost-konfiguration som aldrig tidigare tillämpats inom detta sammanhang. Likaså ingår digital effekthantering och tillhörande styrenheter som kan konfigureras mjukvarumässigt. 

Resultatet är: 
• Längre batterilivslängd
• Justerbar strömbegränsning
• Utmärkta högeffektsegenskaper
• Att batteriets livslängd och hälsotillstånd (SOH) kan beräknas

Förutom ultrakondensatorern och batteriet är den switchade regulatorn en centrala del i denna topologi. Den kompletteras av en mycket snabb diod som agerar så fort ­energi börjar strömma från kondensatorn.

För att säkerställa optimal energianvändning monitoreras strömmen och spänningen från batteri och kondensator. Styrkretsen definierar signalspecifikationerna och skapar de pulsbreddsmodulerade (PWM) signalerna till power-MOSFET:arna – i detta fall från Infineon – hos den switchade regulatorn. En speciell switch styr strömmen direkt från batteriet till motorn, när den inte kräver toppströmmar. Om konstruktionen är lämpligt dimensionerad kan batteriet ladda ultrakondensatorn så fort det uppstår en paus i motordriften. 

Algoritmerna för styrningen har utvecklats av professor Lutz Zacharias samt Ringo Lehmann och Sven Slawinski, alla på University of Applied Sciences Zwickau.

Efter en fördjupad systemanalys och en syntes av styrenheten gjordes preliminära inspektioner/kontroller baserade på simuleringar. Därefter togs tidsdiskreta algoritmer anpassade till hårdvarans begränsningar fram.

De senaste metoderna för modellbaserad mjukvaruutveckling användes för att utveckla mjukvaran för styrningen. Som ett resultat kunde hela effekthanteringen modelleras i VHDL-AMS. Genom att använda ett standardiserat modellbeskrivningsspråk kunde styrsystemet modelleras och simuleras i linje med hårdvaran och – en gång automatiserad via Auto-kodning – överföras till målhårdvaran.

För att säkerställa säker drift krävdes det att en extremt snabb logikkrets adderades, eftersom det inte går att uppnå nödvändiga säkerhets- och realtidskrav med en snabb mikroprocessorer. Likaså investerade projektet i andra komponenter, såsom ultrasnabba komparatorer. 

Den största utmaningen under modellerings- och simuleringsfasen var att så noggrant som möjligt beskriva och kartlägga de verkliga egenskaperna hos styrenheten, batteriet, ultrakondensatorn och effekt­stegen.

Ytterligare simulering visade att ultrakondensatorerna – med undantag för några specifika situationer – inte kräver balansering i denna typ av tillämpning. Det bidrar till att minska kretsens komplexitet.

När modelleringen var klar, simulerades hela systemet och analyserades matematiskt innan det godkändes och implementerades. 

Efter installation var det dags för termisk analys – den visade att även utan kylfläns överskred temperaturen aldrig 50 °C. Resultatet indikerar att både hårdvara och styralgoritmer har definierats på ett korrekt sätt. Faktum är att avsaknaden av termisk belastning också bidrar till en ökad livslängd hos systemet, något som inte hade varit möjligt utan den egenutvecklade buck-boost-topologin.