作者：碩士工程師Ringo Lehmann、教授博士工程師 Lutz Zacharias、 教授博士工程師 Mirko Bodach、碩士工程師Sven Slawinski、 茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)系全體成員；Rutronik電子元器件有限公司戰(zhàn)略營銷和傳播總監(jiān)、碩士工程師Andreas Mangler
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茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)系和研究合作方RUTRONIK合作開發(fā)了全新的混合能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（HESS）。通過電池和雙層式電容器（UltraCaps）的結(jié)合，改善了電能存儲(chǔ)設(shè)備的峰值電流特性，并極大延長(zhǎng)了電池使用壽命，同時(shí)基于數(shù)字式控制，可實(shí)現(xiàn)接近于任意形式的適應(yīng)性匹配。由此可在各類應(yīng)用中，尤其是高負(fù)荷的電動(dòng)工具驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性，且研發(fā)成本低。
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通常情況下高質(zhì)量的技術(shù)型工具，例如當(dāng)今已有數(shù)百萬次應(yīng)用的電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)工具，所應(yīng)用的能源存儲(chǔ)設(shè)備經(jīng)常被稱為“技術(shù)性唯一致命要害”。因此，通常可達(dá)到的電池使用壽命遠(yuǎn)不及此類設(shè)備的額定使用年限。
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通過此次實(shí)施的研發(fā)項(xiàng)目，合作方茨維考應(yīng)用技術(shù)大學(xué)和RUTRONIK證實(shí)了現(xiàn)今市場(chǎng)上常見的電池系統(tǒng)可在實(shí)踐中和超級(jí)電容結(jié)合使用。因?yàn)橥ㄟ^此項(xiàng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)最佳的工作分配：在電池為連續(xù)運(yùn)行提供穩(wěn)定能量的同時(shí)，超級(jí)電容將接收短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的峰值電流和電壓。電池放電電流將限于其額定電流，因此電池在任何情況下均不會(huì)離開其最優(yōu)運(yùn)行范圍。通過采用這種“保護(hù)運(yùn)行”方式，其使用壽命最高可延長(zhǎng)1倍。此外，電池內(nèi)部溫度上升較小或沒有升溫現(xiàn)象，從而可再次提高使用壽命。
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此項(xiàng)研究的成果主要得益于一個(gè)新型的、可對(duì)單個(gè)能源存儲(chǔ)元件進(jìn)行智能連接的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而該電路現(xiàn)在也可通過在此次研究項(xiàng)目中研發(fā)的數(shù)字化電源管理系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化的控制。由此可不受充電狀態(tài)影響，對(duì)電池超級(jí)電容組合隨時(shí)進(jìn)行充電，并在數(shù)秒內(nèi)完成，且不會(huì)對(duì)電池造成損壞。此外通過此系統(tǒng)還可在整個(gè)使用期限內(nèi)實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷使用。已充電的電池超級(jí)電容組合即使在閑置數(shù)月后，也能立即投入使用，因?yàn)槌?jí)電容的自放電極小。電量已空的超級(jí)電容可在數(shù)秒之內(nèi)再次充滿電量。此外，其結(jié)構(gòu)十分堅(jiān)固，即便在零攝氏度以下的溫度使用，也不會(huì)出現(xiàn)性能損失。這意味著系統(tǒng)可靠性將明顯提高。因此，此類混合能源存儲(chǔ)系統(tǒng)還可用于具有高安全性要求的應(yīng)用，例如除顫器等醫(yī)療器械。此裝置對(duì)于必須具有保證使用期限的租賃和租用設(shè)備也完全適用。其中包括從電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)螺絲刀到圓鋸的所有類型的電動(dòng)工具、通道搬運(yùn)車輛、電動(dòng)自行車和其他電池驅(qū)動(dòng)車輛。
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超級(jí)電容：堅(jiān)固、使用壽命長(zhǎng)
超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)存在雙層電解質(zhì)，即赫爾姆霍爾茨層中進(jìn)行。此類電容器極大的容量一方面是基于赫爾姆霍爾茨層厚度薄的特性，其厚度僅為數(shù)微米（1微米=10-10 米），另一方面是由于采用了表面面積極大的電極材料。這里原則上建議以下三種合適的材料：
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-金屬氧化物 (RuO2)
-活性炭
-具有傳導(dǎo)性的聚合物
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圖1 超級(jí)電容原理構(gòu)造示意圖[9]
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