Ультраконденсаторы для ответственных транспортных приложений

13.06.2022

Обеспечение электроэнергией современных транспортных средств сопряжено с рядом технических проблем. Батареи уже давно являются предпочтительным источником питания для запуска двигателя. Хотя обычные свинцово-кислотные батареи были до недавнего времени единственным доступным типом пусковых аккумуляторов, недавние инновации, включающие новые химические элементы и их комбинации, а также конструктивные решения, значительно улучшили их удельную мощность и уменьшили вес.

Современный общественный транспорт с использованием электрической тяги еще больше увеличил требования к подаче электроэнергии из-за растущего разнообразия бортовых информационных систем и систем подключения к Wi-Fi. По мере того, как многие железнодорожные транспортные средства переходят на полностью электрический привод, потребности в них расширяются. Условия эксплуатации также представляют множество проблем, связанных с запуском двигателей или моторов в условиях низких температур, что является проблемой для большинства аккумуляторных технологий.

В этой статье рассматриваются, почему ультраконденсаторы представляют собой жизнеспособный и дополнительный источник энергии для транспортных приложений.

Разнообразие систем общественного транспорта.

Мировое сообщество все больше осознает ответственность при использование энергии когда мы добираемся из точки А в точку Б. Новые городские сети легкорельсового транспорта, автобусов и прочего общественного транспорта, а также существующая железнодорожная инфраструктура требуют значительных инвестиций, поскольку потребители ищут альтернативу перегруженным дорогам. Большинство крупных городских агломераций либо внедрили, либо запланировали внедрение новых систем общественного транспорта, которые помогают уменьшить заторы на дорогах в городе и, тем самым, уменьшить загрязнение окружающей среды.

Проектирование современных, элегантных и маневренных, а главное энергоэффективных транспортных средств требует сбалансированного подхода к их общему весу, грузоподъемности, тяговому усилию и накоплению энергии.

Проблемы с подачей энергии

Батареи являются идеальным источником мобильной энергии; однако для современных требовательных транспортных приложений они не всегда соответствуют всем требованиям. Для работы с нагрузками, имеющими высокие пиковые токи, требуется больше батарей, чем при нормальной рабочей нагрузке, что увеличивает вес и время зарядки. Банки аккумуляторов громоздки и требуют значительного времени зарядки, что влияет на эксплуатационную готовность. Кроме того, эффективность работы аккумуляторов ограничена температурой окружающей среды, особенно при экстремально низких и высоких температурах.

Некоторые технологии аккумуляторов также медленно разряжаются на месте из-за их внутреннего эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). ESR также является фактором, который ограничивает максимальный ток, который они могут отдавать, что также может приводить к нагреву батареи.

Еще одним аспектом аккумуляторов является их жизненный цикл. В течение своей активной жизни они также требуют проверки и регламентного обслуживания. Как правило, такие батареи имеют ограниченный срок службы, после чего их способность хранить полный заряд и обеспечивать полную нагрузку значительно снижается.

Еще одним соображением при работе с аккумуляторными батареями является ограничение их использования при низких температурах. Они теряют свою емкость при понижении температуры и не могут использоваться в экстремально холодных условиях.

Для троллейбуса или трамвая с электрическим приводом емкость аккумулятора определяет дальность автономного хода. Этот параметр может быть расширен за счет концепции рекуперативного торможения, за счет сбора энергии от приводных двигателей при замедлении транспортного средства. При рекуперации вырабатывается значительное количество энергии, хотя и за относительно короткий период. Чтобы в полной мере воспользоваться этим методом производства энергии, требуется метод ее быстрого хранения.

Рис. 1 Характеристики свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов по сравнению с ультраконденсаторами.

Недавние инновации в технологии конденсаторов привели к разработке относительно компактных конденсаторов с высокими значениями емкости, называемых суперконденсаторами или ультраконденсаторами. Эти конденсаторы обладают исключительными характеристиками отношения энергии к весу (см. рис. 1) и становятся новым вариантом для транспортных приложений хранения энергии. Обладая высокой плотностью мощности, быстрой зарядкой и высоким током разряда, ультраконденсаторы удовлетворяют потребности в запуске двигателя, способности выдерживать пиковые нагрузки и рекуперативном накоплении энергии.

Ультраконденсаторы и их пригодность для транспортных систем

Ультраконденсаторы представляют собой конденсаторы со значениями емкости в десятки, сотни и даже тысячи фарад. Они ведут себя как обычные электролитические конденсаторы, например, способны быстро заряжаться и разряжаться. Однако их низкое внутреннее сопротивление и способность накапливать энергию делают их более похожими на перезаряжаемые батареи. Из-за этого ультраконденсаторы быстро становятся жизнеспособным носителем энергии, потенциально заменяя обычные батареи в некоторых случаях их использования.

Ультраконденсаторы от Supreme Power Solutions (SPSCAP) используют покрытие электрода из активированного угля, а в качестве наполнителя - органический электролит.

Такой подход позволяет получить конденсатор с высокой емкостью, низким внутренним сопротивлением, малой утечкой и высокой надежностью. Большая площадь поверхности пористого электрода из активированного угля и разделение заряда тонким слоем электролита создают двухслойный электрический конденсатор.

Транспортные варианты использования ультраконденсаторов включают:

• Системы рекуперации энергии торможения для поездов метро и легкорельсового трамвая.
  
• Интеграция с батареями для более высокой производительности.
• Низкотемпературный пуск тепловозов.
• Балансировка нагрузки для нескольких приводов вагонов при быстром ускорении.

Ультраконденсаторы могут обеспечить мгновенную пиковую нагрузку, необходимую для запуска дизельного двигателя, продлевая срок службы батареи и снижая затраты на техническое обслуживание и замену.

Примеры ультраконденсаторов от SPSCAP включают серии SCE и SCP цилиндрической формы с низким ESR и высоким рабочим ресурсом. Серия SCE — см. рис. 2 — имеет емкости в диапазоне от 100 до 800 F с вариантами приварных или резьбовых соединений в качестве выводов. Благодаря компактным размерам разработчики энергосистем могут комбинировать их в последовательные и параллельные конфигурации для формирования резервных источников питания, обеспечивающих мгновенную подачу электроэнергии.

Рис. 2 – Серия ультраконденсаторов SCE от SPSCAP

Примером может служить SCE0360C0, ультраконденсатор 360 Ф, 2,7 В, размеры которого составляют 35 x 62 мм, а ESR - 3,2 мОм макс.

Рис. 3 – Ультраконденсаторы серии SCP от SPSCAP

Примером серии SCP — см. рис. 3 — является SCP2000C0, ультраконденсатор 2000 F, 2,7 В. Благодаря винтовым выводам на обеих сторонах конденсатора и количеству рабочих циклов более 1 000 000, он подходит для решений по рекуперации энергии, запуска двигателей локомотивов и гибридных трансмиссий. SCP2000 имеет размеры 60,8 мм x 108,4 мм и весит 402 г. Он может работать в диапазоне температур от -40 °C до + 65 °C. Максимальный пиковый ток превышает 2000 А, а максимальный непрерывный ток при ∆T = 40 °C составляет 208 А.

Недавние дополнения к линейке ультраконденсаторов SPSCAP включают ультраконденсаторы CDCL и CDCM. Новые продукты имеют различный диапазон значений емкости, рабочее напряжение 2,85 В постоянного тока и компактные размеры. Например, семейство CDCL состоит из пяти ультраконденсаторов со значениями 650 Ф, 1200 Ф, 1500 Ф и 3000 Ф.

Для популярных приложений, таких как низкотемпературный запуск двигателя, готовый модуль ультраконденсатора обеспечивает быстрый и простой способ реализации. Примером может служить MDLC0300C0, 300F, 24 В, выполненный в прочном корпусе типа батареи с IP65. Этот блок может работать при температуре до -40 градусов по Цельсию и может обеспечить максимальную пиковую пусковую мощность 45 кВт.

Ультраконденсаторы: компактные накопители энергии высокой плотности для транспорта

По мере того, как будущее нашей экосистемы мобильных и транспортных систем становится все более разнообразным, потребность в долговечности, быстрой зарядке и хранении с высокой плотностью энергии никогда не была так высока.

Ультраконденсаторы быстро стали жизнеспособным методом хранения энергии для мгновенной подачи энергии в приложениях контроля тяги, рекуперации энергии и запуска двигателя. Они могут дополнять существующие аккумуляторные батареи для пиковых нагрузок и нескольких сценариев использования с балансировкой нагрузки или стать основным источником питания для множества бортовых систем.

Супер и ультраконденсаторы вы найдете на нашем сайте, перейдя по данной ссылке.