Емкостные накопители энергии в энергетических установках автономного электропривода
Потребность современной техники в новых источниках тока привела к появлению нового класса устройств – ЕН (емкостные накопители) или по другому суперконденсаторов. При проектировании энергетических установок для автономного электропривода особое внимание уделяется расчету и выбору вида накопителей энергии энергоустановки. Параметрами для энергетической установки являются ее выходная мощность и удельные показатели по энергоемкости. В настоящее время накопителем энергии для автономного электропривода применяют электрохимические конденсаторы. Предпочтение отдают суперконденсаторам. Лучшие характеристики из представленных промышленных образцов суперконденсаторов были заявлены российскими компаниями ЭСМА и ИНКАР.
Основным преимуществом ЕН по сравнению с ТАБ (тяговыми аккумуляторными батареями) является экологическая чистота , высокая динамичность , большой срок службы, а также возможность использования энергии рекуперации при режиме торможения электропривода.
Активно прорабатываются вопросы применения ЕН в различных системах автономного электропривода разработчиками электромобилей учеными МАМИ и НАМИ.
В настоящий момент можно выделить несколько типов суперконденсаторных батарей по области применения для автономного электропривода :
- пусковые - подключаются параллельно стартерной аккумуляторной батареи для улучшения пусковых качеств и длительности жизни последней
- буфферные - для использования в гибридных автомобилях, отличаются относительно низкой емкостью и большой выходной мощностью
- тяговые - для применения в качестве основного источника питания электромобиля.
Функциональная электрическая схема рис. 1 с применением суперконденсаторов в качестве основного накопителя энергии в энергетических установках автономного электропривода.
Рис. 1. Функциональная электрическая схема автономного электропривода
Преимущества при использовании емкостных накопителей энергии :
- наибольшая плотность мощности из всех разновидностей аккумуляторов - как объемная, так и весовая
- долговечность - свыше 10 лет и 100000 циклов заряда/разряда (уже подтвеждена практическим использованием суперконденсаторов)
- очень быстрый процесс заряда батарей - до 100% емкости от 15 до 40 мин (зависит, в основном, от возможностей зарядного устройства)
- необслуживаемость - суперконденсаторы герметичны
- относительно низкий показатель саморазряда - до 10% в месяц.
Суперконденсаторы относятся к устройствам, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя [1]. Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Двойной слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Конструкция и эквивалентная схема суперконденсатора приведена на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция и эквивалентная схема суперконденсатора
В суперконденсаторах энергия накапливается в процессе зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела анод-электролит и катод-электролит. Электрохимический процесс в суперконденсаторе можно представить следующим образом:
положительный электрод ЕS + A– ↔ ES + // A– + e – отрицательный электрод ЕS + К + + e – ↔ ES – // К + суммарная реакция ЕS + ЕS + К + + A– ↔ ES + // A– + ES – // К +
где ЕS представляет поверхность электрода; // - двойной электрический слой, где заряд аккумулируется на обеих его сторонах; A– и К + - анионы и катионы электролита.
Во время заряда электроны переносятся от положительного электрода к отрицательному через наружный источник тока. Ионы из объема электролита двигаются к электродам. Во время разряда электроны перемещаются от отрицательного электрода к положительному через нагрузку и ионы возвращаются с поверхности в объем электролита. Во время заряда и разряда изменяются плотность заряда на границе раздела электрод/электролит и концентрация электролита.
Если в обычных конденсаторах заряды разделены диэлектриком, то в ДЭС разделение зарядов на межфазной границе обусловлено термодинамической невозможностью или кинетической затрудненностью переноса зарядов в рабочем интервале электродных потенциалов 
. Сопротивление переносу R можно в этом случае выразить как
R
Ióòå÷êè
(1)
В реальных системах ток утечки ( Iутечки ) отличается от нуля из-за наличия примесей в электролите или электродах с более низким потенциалом разложения.Электрическую прочность ДЭС можно определить по формуле
E= 
(2)
В различных типах суперконденсаторов используются ДЭС с интервалом потенциалов от 0,5 до
1,5В . Если принять 1,0 , a δ = 2 · 10-10 м, то электрическая прочность ДЭС составит E= 0,5 · 1010В /м = 5000 МВ /м = 5 ГВ/м.
В качестве электродов в суперконденсаторах чаще всего используют микропористые электронные проводники с высокой удельной поверхностью, например, различные активированные углеродные материалы. Такие материалы содержат большое количество пор с размерами порядка 10 - 9м и имеют удельную поверхность более 106 м2/ кг. Расчеты показывают, что углеродные элементы, разделяющие поры, имеют размеры такого же порядка. При таком развитии площади поверхности и
удельной емкости ДЭС 0,2 Ф/м2 возможно получение удельной емкости Суд = 0,2 Ф/м2·106 м2/ кг = 200
кФ в 1кг электрода.
Если рабочий интервал потенциалов электрода составляет, например, 1,0 В, то в электроде массой (т) в 1 кг возможно накопить
Еуд = Суд · 2/ 2m = 200 · 12 / 2 · 1 = 100 кДж /кг энергии. (3)
Благодаря сочетанию высокой электрической прочности ДЭС с высокой удельной емкостью электродов возможно создание суперконденсаторов с удельной энергией в десятки кДж/кг.
В отличие от аккумуляторов, заряд и разряд которых ограничен протекающими электрохимическими реакциями на электродах, суперконденсаторы можно заряжать и разряжать
«накоротко», так как ДЭС образно можно сравнить с пружиной, которая сжимается в процессе зарядки и отдает накопленную энергию в процессе разрядки. При заряде и разряде суперконденсатор ведет себя как идеальный конденсатор, заряжаемый или разряжаемый через ограничительный резистор – внутреннее сопротивление. В случае использования электролитов с высоким напряжением разложения (1-3 В) и низким удельным сопротивлением возможно создание суперконденсаторов с удельной мощностью порядка 10кВт/кг.
Как известно, емкость суперконденсатора определяется как
С q U max
(4)
где Umax - максимальное значение разрядного напряжения на клеммах суперконденсатора; q – максимальный заряд суперконденсатора. Аккумулированная в суперконденсаторе максимальная электростатическая энергия Amax равна
q q
Amax Umax dq q / Cdq
0 0 (5)
max
или
Amax
CU 2 / 2
(6)
Из последнего уравнения следует, что реализуемая в суперконденсаторах энергия определяется квадратом напряжения.
В процессе проектирования энергоустановки возникает необходимость научного обоснования их базовых параметров и характеристик. Для решения данной проблемы используются различные методики основанные на проведении экспериментов с соответствующими математическими вычислениями и моделями
В процессе испытаний измеряемыми величинами являются токи и напряжения , а вычисления ведутся по следующим формулам:
1 t 3
I t
Uен
i3dt 3 3 ;
(7)
запасаемая энергия заряда:
U
2;
2
Сен 0
Cен
отдаваемая энергия разряда:
w3 Cен ен 
(8)
t p t p
где
pp -мощность разряда;
wp ip U pdt ppdt , (9)
0 0
величина КПД: емкость накопителя:
Cен
nен wp
К0A , d
w3;
(10)
(11)
где К – диэлектрическая постоянная; 0
- диэлектрическая проницаемость вакуума; А –
площадь пластины; d – толщина диэлектрического слоя.
Из приведенных соотношений видно, что увеличение емкости
Cен
или напряженности
электрического поля энергии.
Eсм
является единственно возможным способом увеличения удельной запасаемой
В отличие от тяговых аккумуляторов, внутреннее сопротивление ЕНЭ с изменением степени
разряженности почти не имеется. Наклон вольт - амперных характеристик остаётся постоянным.
Поэтому напряжение на зажимах батареи емкостных накопителей может быть представлено уравнением [ 2, 3 ]:
Uен Еен Iен Rен ,
(12)
где
Еен
- э.д.с. ЕН;
Uен
- напряжение ЕН на зажимах;
Iен
- ток батареи ЕНЭ;
Rен Re 
ne -
сопротивление батареи ЕН; m – количество последовательно включенных ЕНЭ в батарее; ne -
количество параллельно включенных ЕНЭ в батарее;
Råí
- внутреннее сопротивление элемента.
Для оценки КПД заряд-разрядного процесса накопителя можно сравнить сообщенную и отданную им энергию в определенном диапазоне изменения напряжения на нем:
Wенm 
Wенз . (13)
eн
При этом можно оценить среднее эквивалентное внутреннее сопротивление накопителя по
формуле:
w I 2R t I 2 R t ,
(14)
з ен з p ен p
где
Rен
I2t
w
I2t
;w
- потери энергии в накопителе при заряд-разрядном процессе;
tз ,
tp -
з з p p
зарядное и разрядное время соответственно.
Рассмотренные вышеприведенные формулы, применимые к емкостным накопителям электроэнергии , позволяют производить расчетные исследования с целью выбора данных для оптимального сочетания параметров энергоустановки и автономного электропривода с заданными эксплуатационными характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
- Кузнецов В.И. и др. Конденсаторы с двойным электрическим слоем: разработка и производство //Компоненты и технологии. № 6. 2005.
- Петленко Б.И., Листвинский М.С. и др. Исследование тяговых систем автотранспортных средств с бортовыми источниками энергии различной физической природы.Отчет ОНИР // М.: МАМИ, 1993, №5 г.р. 114900.
- Гурьянов Д.И., Листвинский М.С., Эйдинов А.А. Алгоритм управления тяговым электроприводом электромобиля с комбинированной энергетической установкой с емкостным накопителем энергии // Электротехнические системы автотранспортных средств и их производств.- М.:МАМИ 1994