A projekttel a Rutronik bizonyítani szeretné, hogy a gyakorlatban bármelyik akkumulátorrendszer kombinálható az ultrakapacitás-tárolókkal. Ezzel a kombinációval ugyanis ideális munkateljesítmény érhető el: Míg az akkumulátor konstans módon biztosítja az energiát a folyamatos teljesítményhez, az ultrakapacitás átveszi a csúcsáramokat és csúcsfeszültségeket. Az akkumulátor kisülési áramerőssége a névleges áramerősségre korlátozódik, így mindig az optimális üzemelési tartományban marad, és a „kímélő üzemmód” segítségével akár 100%-ig is növelhető az élettartama. Ezenkívül kevésbé vagy egyáltalán nem melegszik fel, ami szintén hozzájárul élettartamának növeléséhez.
Az akkumulátor-ultrakapacitás-csomag a töltöttségi szinttől függetlenül, az akkumulátorcellák sérülése nélkül bármikor feltölthető, így a teljes használati idő alatt maximális teljesítményt képes biztosítani. A feltöltött akkumulátor-ultrakapacitás-csomag hónapokig tartó tárolás után is azonnal használatra kész, mivel az ultrakapacitás-tárolók önkisülése igen csekély mértékű. Az üres ultrakapacitás-tárolók pillanatok alatt teljes mértékben újratölthetők. Ezenkívül a felépítésük igen robusztus és 0 °C alatti hőmérséklet alatt is teljes kapacitásukon teljesítenek.
Ez az alábbiakat jelenti: a rendszer megbízhatósága határozottan növekszik. Ezáltal az ilyen hibrid energiatároló rendszer (HESS) a biztonsági szempontból kritikus alkalmazásoknál is, pl. az orvostechnikai készülékek (defibrillátorok) esetében is használhatók. Az összetétel használata a lízingelt vagy kölcsönzött eszközök számára is előnyös, ahol garantálni kell a minimális működési időt. Ide sorolhatók a különböző típusú elektromos készülékek, az akkumulátoros csavarhúzótól a körfűrészig.
Az ultrakapacitás-tárolók robusztus felépítésűek és tartósak
Mindezt az ultrakapacitás-tárolók jellemzői teszik lehetővé: néhány másodperc alatt képesek nagy mennyiségű energia feltöltésére és leadására. 10 éves és legalább 500 000 töltési ciklust garantáló élettartamuk a hagyományos akkumulátorok élettartamának sokszorosa. Ezenkívül a -40 °C és 70 °C közötti működési tartományuknak köszönhetően sokkal kevésbé érzékenyek a külső hőmérsékletre. Az ultrakapacitás-tárolók egyetlen hátránya a relatív csekély energiasűrűség. Ezzel szemben sokkal jelentősebb a mélykisülésnél jellemző tulajdonságuk: míg a lítiumion akkumulátorok mélykisülése (DOD) 25%, az ultrakapacitás-tárolóknál ez az érték 75%. A mélykisülés értéke alá merített ultrakapacitásoknál nem lép fel tartós sérülés, mint a hagyományos akkumulátoroknál, csupán a töltési ciklusok száma csökken.
A kétféle energiatároló legjobb tulajdonságainak szemléltetéséhez egyetlen rendszerben meg kell mérni és egy Buck/Boost-konverterrel ki kell egyenlíteni az akkumulátor és az ultrakapacitás töltését és áramerősségeit. Ennek alapját a két energiatároló küszöbértékeinek a definíciója képezi, az illető jelleggörbe figyelembevételével.
Az ilyen jellegű rendszer felépítéséhez már léteznek különböző alaptopológiák, pl. párhuzamosan összekapcsolt akkumulátorral és ultrakapacitással vagy kétirányú átalakítóval és ultrakapacitással az akkumulátor primer és szekunder oldalán, vagy egy egyirányú és kétirányú átalakító kombinációjával. Az összes topológiában az a közös, hogy relatív komplex, ami által fejlesztés- és költségigényes.
Átlagolókoncepció Boost-konverterrel
A komplexitás csökkentése érdekében mindkét kutatópartner az egyirányú DC/DC átalakító topológiájára helyezi a hangsúlyt. Ez egy relatív kompakt és hatékony kapcsolástechnikai struktúrát tesz lehetővé. Ezáltal lerövidíthető a fejlesztési idő és csökkenthetőek a költségek, valamint a szükséges komponensek száma. A digitális megoldásokon keresztül a rendszer sok tekintetben egyszerű és tetszőlegesen paraméterezhető.
További előnynek számít, hogy az inverternél a feszültség széles feszültségtartományban mozoghat. Az ultrakapacitás szükség esetén dinamikusan közvetlenül is csatlakoztatható az inverterhez, így csúcsáramokat vehet át. A DC/DC átalakító csak azáltal van korlátozva, hogy a csúcsáramot egy szabályozott diódán keresztül (MOSFET) kell szolgáltatnia. Az optimális feszültségbeállításhoz a magasabb feszültség a közbenső áramkörben 2:1 arányban méretezhető, vagyis az ultrakapacitásban a feszültség kétszer akkora, mint az akkumulátorban. Ily módon optimálisan kihasználható az ultrakapacitások energiája, lehetőség van 75%-os energiakinyerésre 50%-os feszültség mellett.
A demonstrátor topológiája
Az akkumulátorról működő, kiváló minőségű elektromos szerszámok esetében az akkumulátor élettartamának biztosításában vagy adott esetben növelésében a gyártók nagy kihívás előtt állnak. Ily módon az ipar által támasztott igényeket követve definiálták a fejlesztés előtt álló demonstrátor – egy akkumulátoros csavarhúzó – alapját.
A demonstrátortopológia egy, az ebben az összefüggésben először alkalmazott kombinált Buck OR MOS Boost struktúrán alapszik, teljesen digitálisan implementált energiamenedzsmenttel és az ehhez tartozó szabályzókkal, valamint a szoftverrel konfigurálható fokozatmentes paraméterekkel. Ezáltal a nagyobb impedanciájú akkumulátorrendszer alacsonyabb impedanciájú teljesítményt kap. Az eredmény:
- az akkumulátor hosszabb élettartama,
- állítható áramkorlátozás,
- kiváló nagyáramú tulajdonságok,
- az akkumulátor prognosztizálható élettartama és minőségi állapota (State-of-Health, SOH).
Az ultrakapacitások és a primer áramforráshoz csatlakoztatott lítiumion akkumulátorok mellett az újszerű teljesítményszabályozó képezi a topológia központi részét. Áramirányt szabályozó szupergyors logikával egészül ki, amely bekapcsol, ha az energiaáramlás az ultrakapacitásból érkezik. Ehhez társul a lítiumion akkumulátor és az ultrakapacitás analóg áram- és feszültségjeleinek a felügyelete az optimális energiakihasználásnak megfelelő kondicionálás céljából. A mikrovezérlőn keresztül kerülnek meghatározásra a jelekre vonatkozó normák, ennek megfelelően generálja a PWM-jeleket a Power-MOSFET-ek – ebben az esetben az Infineontól – és ezáltal az ütemezett áramellátás számára. Egy speciális kapcsoló vezérli az áramot közvetlenül a lítiumion akkumulátortól a motorhoz, amikor csúcsáramokra van szükség. Megfelelően méretezve, az ultrakapacitás az üzemszünetekben az akkumulátorról bármikor feltölthető.
Szabályozástechnika
A szabályozóalgoritmusokat Prof. Dr.-Ing. Lutz Zacharias, Dipl. Ing. (FH) Ringo Lehmann és Dipl. Ing. (FH) Sven Slawinski dolgozta ki, mindhárman a Zwickaui Nyugat-szászországi Főiskola munkatársai. Az átfogó rendszerelemzést és egy meghatározott szabályozószintézist követően, szimulációtechnikai elővizsgálatok kíséretében a célhardvernek megfelelően implementálták a szükséges diszkrét idejű algoritmusokat.
A vezérlőszoftver kidolgozásánál a modellen alapuló szoftverdizájn modern módszereit alkalmazták. Így a teljes energiamenedzsment VHDL-AMS-ben került modellezésre. Ezzel a szabványosított modell-leíró nyelvvel modellezhetők és szimulálhatók is a szabályozórendszerek, és ugyanakkor az Auto-Codingon keresztül automatizálva át is vihetők a célhardverre.
A biztonságos üzemállapot állandó biztosítása érdekében szükséges egy további, ultragyors logikai áramkör. Az itt megkövetelt biztonsági és valósidejű követelmények ugyanis nagy teljesítményű, gyors mikroprocesszorokkal sem biztosíthatók. Ezért ezen a helyen olyan hardverkomponensekbe fektettek, mint amilyenek pl. az ultragyors komparátoralkalmazások.
A modellezésnél és a szimulációnál a valódi kihívást a szabályozó, az akkumulátor, az ultrakapacitások és a teljesítményszintek valódi tulajdonságainak leírása és leképezése jelentette.
Intelligens, vékony és költséghatékony
Egy további szimuláció azt mutatta, hogy az ultrakapacitás kiegyensúlyozására ennél az alkalmazásnál csak ritkán lenne szükség, és így nem észszerű. A kapcsolás komplexitása nem utolsósorban emiatt is csökken – vékony, költséghatékony és egyben intelligens.
A modellezést követően a rendszert, mielőtt átvételre és kivitelezésre került volna, teljes egészében szimulálták, és matematikai számításokkal ellenőrizték.
Miután felépítették a demonstrátort, termikus elemzésnek vetették alá. Az eredmény: hűtőborda használata nélkül egyetlen esetben sem lépte túl a hőmérséklet az 50 °C-ot! Ez azt jelenti, hogy úgy a hardverparamétert, mint a szabályozóparamétert optimálisan határozták meg, és így gyakorlatilag csupán minimális kapcsolási veszteségek keletkeztek. A kizárólag biztonságos munkahőmérsékleti tartományban, mindenféle termikus stressztől mentes körülmények között történő üzemelés pozitív hatást gyakorol a rendszer élettartamára. Ez csak a kifejlesztett Buck OR MOS Boost topológián keresztül lehetséges.
Azt az eredményt, hogy a hibrid energiatároló rendszer a gyakorlatban is működik – és ezzel a kutatási projekt célja sikeresen teljesült –, az akkumulátoros csavarhúzó biztonságos működése igazolta.
