Суперконденсаторы

Суперконденсаторы являются дальнейшим развитием конденсаторов и АКБ. В обычных конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество. Внутри обычного конденсатора имеются две токопроводящие пластины с изолирующим материалом (сепаратором) из слюды, или керамики (рис. 3.43).

1 – сепаратор; 2 – пластины

Принцип работы конденсатора состоит в следующем. Если одну пластину подключить к плюсу источника электрического тока, а вторую – к минусу, то обе пластины зарядятся разноименными зарядами. Заряды будут продолжать удерживаться на обкладках даже после отсоединения источника питания. Это поясняется тем, что заряды разных знаков («+» и «-») стремятся притянуться друг к другу. Однако этому препятствует диэлектрик (материал, не проводящий заряды), расположенный на их пути. Поэтому заряды, распределенные по всей площади обкладок, остаются на своих местах и удерживаются силами взаимного притяжения.

Между обкладками создается электрическое магнитное поле, которое заставляет ориентироваться молекулы вдоль линий электрического поля, созданного зарядами, расположенными на обкладках в направлении противоположном полю. При этом отрицательный полюс молекулы направлен к положительной пластинке, а положительный – к отрицательной (рис. 3.44).

1 – положительная пластина; 2 – сепаратор; 3 – отрицательная пластина

Способность накапливать электрические заряды характеризуется емкостью конденсатора. Электроемкость обозначается буквой C и определяется по формуле:

C=q ⁄ U, где q — заряд конденсатора, U — напряжение между обкладками конденсатора.

Электроемкость конденсатора зависит от площади перекрытия пластин и расстояния между ними, а также от свойств используемого диэлектрика:

C ∼ S ⁄ d, где S — площадь каждой обкладки, d — расстояние между обкладками.

За единицу электроемкости в СИ принимается Фарад (Ф). 1 Фарад равен емкости конденсатора, при которой заряд 1 Кулон создает между его обкладками напряжение 1 Вольт: 1 Фарад = 1 Кулон ⁄ 1 Вольт.

Анализируя указанные формулы, можно отметить, что электроемкость можно увеличить зарядом конденсатора, увеличением поверхности пластин и снижением расстояния между пластинами.

Если увеличивать поверхности пластин обычного конденсатора, сам конденсатор получиться больших размеров и использование его на электромобилях становится нецелесообразным ввиду не только размеров, но и большой массы. Для хранения большого количества энергии (электроемкости) был разработан суперконденсатор. Такой конденсатор отличается от обычного двумя важными параметрами: значительной площадью пластин и минимальным расстоянием между ними. Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух обкладок (пластин) (рис. 3.45), покрытых пористым веществом – порошкообразным активированным углем, что во много раз увеличивает поверхность пластины, впитывающий заряд как губка. Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то суперконденсатор – это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см³ и больше.

Они погружены в электролит из положительных и отрицательных ионов, находящихся в растворителе. Одна пластина положительна, а другая отрицательна. Во время заряда ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием. Кроме того, суперконденсаторы хранят энергию также в электрическом поле, которое образуется между двумя противоположно заряженными электродами, поскольку имеется электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда (электрический двухслойный). Во время заряда суперконденсатора ионы из электролита накапливаются не только на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием, а также сохраняются в электрическом поле. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда.

Посредине пластин находится очень тонкий изолятор (сепаратор). Сепаратор нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью и для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

1 – положительная пластина; 2 – порошкообразным активированным уголь (пористый электрод); 3 – сепаратор; 3 – отрицательная пластина

Суперконденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита (рис. 5.46). В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться. Это связано с тем, что, если в обычных аккумуляторах ионы вставляются в атомную структуру электрода, а в суперконденсаторах они просто цепляются за него. Принцип хранения энергии — электричество сохраняется статически, за счет поляризации заряженных частиц электролита, при этом в процессе заряда-разряда отсутствуют электрохимические реакции.

Когда пластины суперконденсатора заряжаются по обе стороны от сепаратора образуются противоположные заряды в результате адсорбции ионов из электролитов, создавая двойной электрический слой толщиной в одну молекулу (рис. 3.46).

Суперконденсаторы способны запасать большое количество энергии в течении короткого отрезка времени. Это позволяет сократить время подзарядки до минимума. Кроме того, они характеризуются высокой эффективностью. Если современные литий-ионные аккумуляторы способны отдать лишь порядка 60% электроэнергии, затраченной на их зарядку, то у суперконденсаторов этот показатель превышает 90%.

Ещё одно важное преимущество — огромный ресурс. У литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов снижение ёмкости относительно первоначального значения наблюдается уже после нескольких сотен циклов заряда-разряда, в то же время суперконденсаторы способны выдержать до одного миллиона циклов без заметной деградации.

Суперкондесаторы устанавливаемые в настоящее время имеют пока еще относительную большую массу около 1300 кг (рис. 3.47).

В белорусских электробусах Е433 Белкоммунмаш установлен накопитель (система суперконденсаторов) S585V39-K7-В фирмы «AOWEI» (рис. 3.48). Накопитель является основным источником электроэнергии для всех силовых потребителей. Накопление электроэнергии осуществляется в процессе зарядки от внешней зарядной станции (600В/500А) посредством пантографа.

электробуса Е433 Белкоммунмаш

Технические данные модуля суперконденсатора :S585V39-K7-В

• номинальная емкость, Ф 1250;
• диапазон номинальных рабочих напряжений, В 400-585;
• запас энергии в диапазоне рабочих напряжений, кВт*ч 34;
• номинальный зарядный ток, А 450;
• номинальный разрядный ток, А< 450;
• габаритные размеры (длина*ширина*высота), мм 1810*760*1047;
• вес, кг 1390.

Модуль суперконденсатора состоит из ячеек конденсаторов, расположенных во взрывозащищенном корпусе. Внутри корпуса предусмотрена азотная защита. Если давление внутри корпуса <0,01 бар, необходимо заполнить корпус азотом до давления 0,3-0,4 бар.

Внутри корпуса модуля суперконденсатора установлена система кондиционирования.

Контрольный электрический блок управления BMS является неотъемлемой частью системы суперконденсатора. Его функции заключаются в постоянном контроле за параметрами суперконденсатора. К этим параметрам относятся значения:

— тока;

— напряжения;

— температуры;

— давления и т.д.

Блок управления BMS подключается к транспортной CAN шине электро­буса и обеспечивает полный контроль и управление системой суперконденсатора (параметров ячеек конденсаторов, управление процессом зарядки/разрядки, управление системой кондиционирования). Блок BMS имеет встроенный интерфейс для настройки (изменения) параметров системы суперконденсатора, просмотра кодов ошибок при помощи диагностиче­ского оборудования.

Для контроля работы суперконденсаторов предусмотрена специальная система (рис. 3.49).

Приведенная система применяется для проверки и измерения рабочего напряжения всех конденсаторов суперконденсатора, а также суммарного напряжения, суммарной силы тока группы конденсаторов и соединяется с приборной системой всего транспортного средства CAN-шиной по протоколу SAEJ1939.

Система состоит из одного главного узла системы мониторинга (Блок BMS), восьми контрольных дочерних узлов конденсаторов и CAN-шинной сети.

Каждый дочерний узел способен измерять напряжение 18 конденсаторов, диапазон измерения напряжения 0-5 В, погрешность <10 мВ. Узлы имеют одноканальный температурный вход для измерения температуры поверхности элемента, диапазон -40~+85°С, погрешность <1°С.

Главный узел имеет:

— интерфейс шины CAN, с использованием по протоколу SAEJ1939;

— 4-канальный выход для контроля сигналов, остановки зарядки, управления системой терморегулирования;

— интерфейс измерения суммарной силы тока, входная сила тока 0-120 мА, с возможностью внешнего подключения датчика силы тока NT300-S (номинальная сила тока 300 ± 3A, максимальный диапазон измерения ± 300 A), постоянный ток.

— поддерживает жидкокристаллические приборы диагностики для отображения рабочего состояния системы и ввода пороговых значений параметров.

В случае возникновения аномальных значений напряжений ячеек конденсатора, суммарного напряжения и силы тока модуля конденсатора, температуры внутри модуля конденсатора выдается сигнал тревоги. В таком случае электробус необходимо осмотреть и устранить проблему.

При необходимости остановки зарядки, в случае завершения процесса зарядки или неисправности конденсатора, выдается сигнал об остановке зарядки, необходимо отключить зарядное устройство или опустить токоприемное устройство предварительно разъединив его в сети питания с помощью контактора (устройства оборудованного дугогасительной камерой) и тем самым остановить зарядку.