Емкостные накопители энергии в энергетических установках автономного электропривода

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 можно в этом случае выразить как

 

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

(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

 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

 К0A , 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)

При этом можно оценить среднее эквивалентное внутреннее сопротивление накопителя по

формуле:

 2R t  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

  1. Кузнецов В.И. и др. Конденсаторы с двойным электрическим слоем: разработка и производство //Компоненты и технологии. № 6. 2005.
  2. 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.
  3. 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
Год: 2011
Город: Алматы