СУПЕР-КОНДЕНСАТОРЫ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Шидловский А.К., Павлов В.Б., Попов А.В., Павленко В.Е
Институт электродинамики НАН Украины
пр. Победы, 56, г. Киев, 03680, Украина
Тел./факс: (044) 454-2696
Статья опубликована в трудах Международной научно-технической конференции "Силовая электроника и энергоэффективность 2010", которая проходила 20-25 сентября в Алуште и была посвящена 125-ти-летию Харьковского политехнического университета ХПИ
Annotation – The analysis of electromagnetic processes is carried out at parallel work of the supercapacitor with the traction storage battery of an electromobile.
Key words – Electromobile, the storage battery, super capacitor, inductance
В настоящее время во многих публикациях освещаются положительные качества суперконденсаторов, ионисторов и т.п., которые с большим успехом могут применяться для сглаживания пиковых токов, возникающих в системах энергопитания различных нагрузок. При этом большое влияние уделяется применению суперконденсаторов (СК) в системах с электрохимическими источниками питания (в частности с аккумуляторными батареями, АБ), используемыми в качестве основных в автономных транспортных средствах.
Главным положительным качеством в этом случае отмечается возможность снижения больших токовых нагрузок
аккумуляторной батареи (???), в результате чего возможно увеличить пробег электромобиля (ЭМ) и продлить срок службы АБ [1, 2, 3]. В то же время практически отсутствуют публикации, которые позволили бы оценить в количественных и качественных показателях энергетические характеристики такого комбинированного источника питания, что не дает возможность однозначно ответить на вопрос о целесообразности применения
СК в данном случае.
Отметим, что в ЭМ разряд АБ осуществляется импульсным способом на двигатели постоянного и переменного тока с частотой коммутации до 20 кГц [4].
Ниже приводятся результаты экспериментальных исследований параллельно соединенных АБ и СК при работе на R-L нагрузку с широтно-импульсным регулированием напряжения и тока.
Экспериментальные исследования проводились по схеме, представленной на рис. 1.
Параметры элементов схемы изменялись в пределах:
Емкость АБ = 45 - 800 А.ч.
Напряжение АБ – 6 и 14 В
R ≈ 0,1 Ом
L ≈ 5 мкг ─ 2 мГн
Частотный диапазон – 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц
Скважность импульсов – 0,25; 0,5; 0,75.
Экспериментальные исследования проводились с суперконденсаторами разработки НТУУ «КПИ»,
емкость одного СК – 360 Ф, напряжение 2,5 В.
Величина батареи СК варьировалась в пределах 60-240 Ф.
В процессе экспериментов производилось последовательно-параллельное включение элементов. Внешний вид показан на рис. 2.
Осцилограммы токов АБ (IАБ) и СК (IС) для различных значений частоты и скважности импульсов представлены на рис. 3 (а-д), для ключа
К(Iк) – на рис. 3,е.
При напряжении АБ равном 12 В емкость СК равнялась 60 Ф, при UАБ = 6В, С = 120 и 240 Ф.
 |  |
 |  |
 |  |
Анализ проведенных осцилограмм (рис.3) показывает, что качественная картина токов IБ и IС практически не меняется с изменением частоты и скважности следования импульсов.
Осциллограммы для различных значений L и C, представлены на рис. 4 (а, б).
 |  |
 |  |
Изменение индуктивности также не оказывает существенного влияния на характер изменения IБ и IС (рис.4), за исключением случая весьма низкого значения (10 мкГ) и высокой частоты (1 кГц и выше) (рис. 4,в).
В то же время количественный анализ токов, отбираемых от АБ и СК показывает, что величина тока IБ всегда больше значения IС (как в мгновенном, так и в среднем значениях). Кроме того во время паузы СК постоянно заряжается относительно большими токами от аккумуляторной батареи и эта закономерность проявляется на любой частоте и скважности. Более того, даже в импульсе наблюдается процесс подзаряда СК от АБ
(характерная картина на частотах 100 и 1 кГц при γ = 0,5 - 0,75).
 |  |
Соотношение токов IБ и IС составляет (IБ = 1,5 – 3,5 раза IС ) за исключением случаев с малой L (5 мкГ), где они практически равны (рис. 4,ж).
В то же время, как видно из осцилограммы (рис.4,ж) двойное увеличение емкости СК не дает адекватного увеличения тока IС.
Предыдущие эксперименты проводились во временном промежутке разряда СК и АБ, составляющем 5-10 сек. Естественно возникает вопрос как будут проходить процессы на более длительных участках разряда.
Ниже приведены осцилограммы (рис. 5 а,б) токов АБ и СК при разряде в течение 0,5 – 25 минут с аккумуляторной батареей 400 и 800 А.ч.
 |  |
Из приведенных осцилограмм видно, что характер и соотношение величины разрядных токов от АБ и СК не изменяется на всех временных промежутках, как и в начальный момент разряда (5 – 10 сек).
В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
- изменение частоты и скважности следования импульсов, а также индуктивности нагрузки не меняет характер процессов, протекающих в схеме параллельного соединения СК и АБ;
- величина тока, поступаемая на нагрузку от СК практически всегда меньше тока от АБ;
- аккумуляторная батарея остается нагруженной (т.е. разряжается) на всем периоде импульсного цикла, т.к. в паузе происходит заряд СК, в то время, как при отсутствии параллельно включенного СК аккумуляторная батарея в этот период импульсного цикла не разряжается;
- увеличение емкости СК не дает адекватного увеличения тока, поступающего от СК на нагрузку;
- длительный процесс разряда АБ и СК (рис. 5) показывает, что подобное перераспределение токовых нагрузок от АБ к СК остается практически неизменным на всем этапе регулирования, то есть отбор энергии от АБ происходит постоянно, что снижает ее емкость.
Таким образом, очевидно, что непосредственное соединение СК и АБ практически не решает проблему снижения нагрузки на АБ в нагруженных режимах работы, а если снижает, то очень незначительно. В то же время потери,возникающие при импульсном регулировании в цепи разряда и заряда СК могут оказаться весьма существенными.
Более целесообразно разнести во времени разряд СК и АБ. На первом этапе производить разряд СК, а затем, после окончания разряда СК подключать к нагрузке АБ. Однако при этом необходима установка дополнительных двух силовых ключей, отсекающих СК и АБ друг от друга, и дополнительного зарядного устройства, которое заряжало бы СК от АБ относительно небольшим током, чтобы не перегружать АБ при работе в установившемся режиме.
Такое схемное решение имеет право на существование, однако в каждом конкретном случае требуется более глубокий анализ целесообразности его применения с точки зрения потерь в дополнительных силовых элементах, стоимостных и надежностных показателей устанавливаемого оборудования, что может свести на нет те незначительные выгоды по улучшению эксплуатационных характеристик тяговой аккумуляторной батареи электромобиля.
1. Ultracapacitors and Batteries for Energy Storage in Heavy-Duty Hybrid-Electric Vehicles. THE 22ND
INTERNATIONAL BATTERY SEMINAR & EXHIBIT Broward County Convention Center. March 14-
17, 2005 Fort Lauderdale, Florida
2. Материалы симпозиума Advanced Energy Storage Technologies Symposium 2007 5 – 8 November
2007. Cologne, Germany.
3. Кавешников В.М., Аносов В.Н., Орел А.В. Применение электрических конденсаторов в качестве
буферных источников питания автономных транспортных средств//Электротехника.- № 9.- 2007 г.-
с. 44-47.
4. А.К. Шидловский, В.Б. Павлов, А.В. Попов Применение суперконденсаторов в автономном
аккумуляторном электротранспорте//Технічна електродинаміка, № 4, 2008, С. 43-47.
Сообщения
