Гибридный автомобильный аккумулятор с суперконденсатором

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

УДК 621.311.6

И. М. Валеев, И. Н. Гаврилов ГИБРИДНЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ АККУМУЛЯТОР С СУПЕРКОНДЕНСАТОРОМ

Ключевые слова: ионистор, аккумуляторная батарея.

В статье приводятся особенности разработки и сокращения времени режима «подзарядки» гибридных источников тока с высокими энергетическими характеристиками, состоящих из ионисторов, аккумуляторных батарей и электронного блока управления. Представлена электрическая схема гибридного источника тока. Произведен выбор электрических параметров суперконденсаторов для параллельной работы с аккумуляторной батареей.

Keywords: ionistor, rechargeable battery.

The article presents features of development and reduction of time the recharge hybrid sources of current with high energy performance consisting of super condenser, batteries and electronic control package. Submitted an electrical diagram of a hybrid power source. Produced selection of electrical parameters of the super condenser to work in parallel with the battery.

Введение

Известно что, современные энергоемкие электрические и электронные системы выдвигают жесткие требования к источникам питания. В частности, электроустановки постоянного тока системы собственных нужд электрических станций и подстанций являются важнейшей составной частью системы обеспечения управляемости и живучести, от которых зависит надежная работа цепей управления, защиты, контроля и регулирования основного оборудования электростанций и подстанций [1 - 3].

В статье приводится особенности разработки и сокращения времени режима «подзарядки» гибридных источников тока с высокими энергетическими характеристиками, состоящих из ионисторов, аккумуляторных батарей и электронного блока управления [4].

Расчет электрических параметров суперконденсаторов

Процент энергии, выдаваемой суперконденсатором (СК) за время провала, можно получить из соотношения [1]:

W

нак

CU

W

отд

2

/С. 2

и2 - U2

где Wнак - накопленная энергия, Дж; ™оТд

отдаваемая энергия, Дж; С - электрическая емкость СК, Ф; и2 - конечное напряжение разряда, В; и -номинальное (начальное) напряжение, В. Например, при падении напряжения

и1

Wo

U2 _

2

можно получить: W,

нак

_ С. U2 . 8 _ 4

W

отд

2.3С.U2

3

Коэффициент 1/2 в (2) указывает на то, что конечное напряжение разряда соответствует 50 %

начального напряжения. Данное соотношение является наиболее рациональным.

Таким образом, согласно (3) СК способен отдать около 75 % накопленной энергии при разряде до уровня 50% от начального напряжения.

Требуемая емкость СК для выдачи такого количества накопленной энергии при разряде до 50% начального напряжения определяется из выражения

С _ 8 WQTq

3 и1

Так как СК работает в составе электрической цепи, то необходимо учесть падение напряжения на них в момент потребления энергии:

ди = 1Рвн ; I = Р/и .

где I - ток в цепи, А; Рвн - внутреннее сопротивление СК, Ом; и - напряжение в цепи, В; Р - мощность, Вт.

Тогда выражение для конечного напряжения можно записать в виде

U2 _

U1 - AU

2

Рис. 1 - Внешний вид проектируемого комбинированного источника

Допустим, используется аккумулятор емкостью 60 А ч. Это значит, что аккумулятор может давать ток 60 ампер в течении 1 часа, или ток в 1 ампер в течении 60 часов. Тогда мы можем использовать электрическую энергию с параметрами 60 А и 12 В

в течении 1 часа, то есть мы получим от акумулято-ра энергию, достаточную для совершения работы А = и• I • t = 12•60•3600 = = 2592000 Дж « 2,6 МДж. А для потребления стартера при пуске автомобиля в течении 2 секунд в среднем необходимо А = и • I • t = 12 • 200 • 2 = 4800 Дж.

Энергию, накопленную конденсатором, можем определить по формуле

,2

E :

C • U' 2

Т. е. энергия конденсатора емкостью 1 фарада, заряженного до напряжения 12 вольт составит

E = -

2

C • U2 1-12

2

= 72 Дж.

2 2

Соответственно, энергия конденсатора емкостью 16 фарад составит

22 С • и2 16 • 122 Е =- =- =1152 Дж.

22

Таким образом, потребитель (стартер) с параметрами 200 Ампер и 12 Вольт в течении 1 секунды будет потреблять

А = и • I • t = 12 • 200-1 = 2400 Дж.

А источник (конденсатор) емкостью 16 фарад, заряженный до напряжения 12 вольт может накопить 1152 Дж. Следовательно, конденсатора в 16 фарад теоретически должно хватать на 0,5 секунды работы стартера. Дальше можно легко соотнести время работы стартера с запасенной конденсатором емкостью.

На рис. 2 показан график стартовых токов.

-1SA

ЗА

139А

Минимум

В среднем

Максим™

400А

2Ö0A

0А

0с

5с

10с

Рис. 2 - График стартовых токов

Как видно из рис. 2, на начальном этапе имеет место резкое увеличение тока до максимума (ток короткого замыкания стартера, когда ротор еще неподвижен, в нагрузке присутствует лишь активное электрическое сопротивление статора), потом

где-то за 0,5 секунды потребляемый ток снижается вдвое (стартер начал проворачиваться, в нагрузке добавилось реактивное сопротивление) и дальше остается на этом устоявшемся значении, пока двигатель не заведется.

Задача конденсатора состоит в том, чтобы взять на себя питание стартера в эти первые 0,5 секунды, когда ток резко увеличился до 200 А. Ну а дальше, когда конденсатор разрядится, питать стартер будет уже аккумулятор, но уже вдвое меньшим током.

Так, емкость в 10 - 50 фарад можно использовать в качестве хорошего «помощника» для аккумулятора при запуске стартера, когда он потребляет максимальный, пиковый ток. Это позволит обеспечить более щадящий режим эксплуатации аккумулятора и продлевает срок его службы.

Емкость в 50 - 300 фарад позволяет завести двигатель автомобиля без аккумулятора, но нуждается в таковом для последующей быстрой подзарядки, например, в случае неудачного запуска. В течение нескольких минут эта емкость заряжается даже от очень слабого аккумулятора (который самостоятельно не смог бы запустить двигатель) и снова готова к очередному запуску.

Емкости более 400 фарад можно использовать вообще без аккумулятора, а для поддержки заряда и питания слабосильных потребителей во время стоянки, питать их от источников в 5 - 10 А ч.

Емкость в 1000 и более фарад, если таковые у кого-то появятся, могут хранить достаточный уровень заряда продолжительное время, сравнимое со стандартной аккумуляторной батареей и могут таковую заменить по всем параметрам. При том, что срок эксплуатации конденсаторов более 10 лет.

Литература

1. В. Е. Фортов, Э. Е. Сон, А. З. Жук, К. К. Деньщиков, Ю. Г. Шакарян, Н. Л. Новиков, В. А. Колесников, А. Н. Ворошилов, Т. Ю. Жораев, М. В. Голиков, А. Ф. Герасимов, С. П. Сергиенков, С. Н. Барзуков, Д. А. Шиганов, И. Г. Полников, Научно-техническая и проектная документация по теме «Разработка гибридного накопителя электроэнергии для ЕНЭС на базе аккумуляторов и суперконденсаторов».

2. И. М. Валеев, И. П. Константинов, Возможность создания ёмкостно-аккумулирующей электростанции на базе суперконденсаторов повышенной энергоемкости, Ресурсоэффективность в Республике Татарстан. 4, (2005).

3. В. И. Строганов, В. Н. Козловский, А. Г. Сорокин, Л. Н. Мифтахова, Математическое моделирование основных процессов электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой, Вестник Казанского технологического университета. 17. 7, 129 - 133 (2014).

4. И. М. Валеев, Разработка источника периодического тока для нестационарного электролиза, Информационные технологии в электротехнике и электронике. III Всерос. науч.-техн. конференция. Чебоксары, 2000. С. 69 - 71.

© И. М. Валеев - доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электротехники КНИТУ, electroprivod@list.ru; И. Н. Гаврилов - магистрант той же кафедры, electroprivod@list.ru.

© 1 M. Valeev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kazan National Research Technological University, Electric drive and Electrotechnics, electroprivod@list.ru; I N. Gavrilov - Master student of Electric drive and Electrotechnics Department KNRTU, electroprivod@list.ru.