Transcript Применение ЭКЭ в системе ТМХ

Новый модуль компании ЭЛТОН,
предназначенный для работы
в составе электропривода транспорта
А.И. Варакин, И.Н. Варакин, А.Б. Степанов, В.В. Самитин В.В.
ЗАО «ЭЛТОН», Москва, Россия
E-mail: [email protected]
Компания ЭЛТОН

Доклад посвящен электрохимическим конденсаторам ЭЛТОН с более известным
на рынке брендом «ЭСМА»

Конденсаторы ЭЛТОН прошли большой объем эксплуатационных испытаний в
США и России, где уже более 12 лет применяются на грузовом и пассажирском
транспорте для запуска двигателей, на опытных образцах пассажирского и
грузового транспорта с гибридными силовыми установками
С 2008 года начато серийное производство электрохимических конденсаторов
ЭЛТОН в России
В 2009 году компания SAFT, приобрела лицензию на производство и продажу
конденсаторов ЭЛТОН в странах NAFT и в феврале 2010 года открыла серийное
производство конденсаторов в филиале SAFT в США (г. Вальдоста, Джорджия)
В 2011 году ЭЛТОН совместно с российской компанией «Трансмашхолдинг»
участвует в проектах по созданию нового маневрового тепловоза с гибридной
силовой установкой и вагонов метро с накопителями, предназначенными для
рекуперации энергии торможения




ЭЛТОН представляет одну из своих новых разработок – конденсаторный модуль,
предназначенный для работы в составе электропривода транспорта с рабочим
напряжением 90 В
2
Особенности электрохимических
конденсаторов ЭЛТОН (ЭКЭ)






В ЭКЭ поляризуемый электрод выполнен из активированного углеродного
материала, неполяризуемый (фарадеевский) содержит в качестве активного
материала гидроксид никеля, электролитом служит водный раствор щелочи
В ЭКЭ наряду с электростатической энергией используется энергия
электрохимических процессов
Удельные характеристики ЭКЭ близки к характеристикам конденсаторов, в
которых применяется органический электролит
ЭКЭ обладают рядом преимуществ:
- в отличие от конденсаторов с органическим электролитом внутреннее
сопротивления ЭКЭ при эксплуатации остается практически постоянным;
- системы ЭКЭ не требуют внешних устройств выравнивания конденсаторов
по напряжению (во время работы происходит самобалансировка элементов);
- водный электролит обеспечивает более высокую безопасность и
устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду
Накопитель на основе ЭКЭ представляется наиболее предпочтительным для
применения в составе электропривода транспорта
Накопленный опыт эксплуатации конденсаторных модулей на автобусах с
гибридным приводом позволил ЭЛТОН провести разработку и представить новую
серию конденсаторных модулей с напряжением 90 В, отвечающих всем нормам
безопасности, оснащенных автономной системой охлаждения и диагностики
3
Модуль 60ЭК406
Параметры конденсаторного элемента ЭК406
Рабочее напряжение, В
Ёмкость, Ф
1,5
8 800
Запасаемая энергия в окне U-U/2, кДж
7,4
Внутреннее сопротивление, мОм
0,4
Масса, кг
1,0
Габаритные размеры, мм
83,531,5210
Рабочая температура, 0С
–50…+65
Электролит
Водный
щелочной
4
Основные характеристики модуля
60ЭК406
Рабочее напряжение, В
90-45
Ёмкость, Ф
147
Запасаемая энергия в окне U-U/2, кДж
447
Внутреннее сопротивление, мОм
24
Масса, кг
82
Габаритные размеры, мм
Электролит
774423223
Водный
щелочной
Система выравнивания конденсаторов
по напряжению
Не требуется
Материал корпуса
Пластмасса
Рабочая температура, 0С
Охлаждение
–50…+60
Воздушное,
автономное,
вентилятор 24 В
5
Описание конструкции модуля





Корпус модуля выполнен из пожароустойчивого стеклопластика, при этом
обеспечивалась максимальная защищенность металлических частей
терминалов от случайного прикосновения обслуживающего персонала
Конструкция модуля обеспечивает две ступени изоляции высоковольтных цепей
от корпуса транспортного средства. Изоляция корпуса модуля и устройства
диагностики выдерживает без пробоя напряжение 4 кВ. Предусмотрена
гальванически развязка устройства диагностики от силовой цепи
Конденсаторы в модуле расположены в четыре ряда по 15 элементов. Между
стенками сжатых в ряду элементов размещены алюминиевые теплоотводящие
пластины-радиаторы
Устройство температурного контроля управляет вентилятором и определяет
наиболее нагретый конденсатор. Температурные датчики в модуле расположены
на электрических межэлементных перемычках
Модуль оборудован кронштейнами для крепления на транспортном средстве и
съемными ручками для транспортировки
Пластины-радиаторы
6
Зависимость расхода охлаждающего воздуха от
мощности вентилятора
Модуль оснащен воздушным вентилятором (24 В) немецкой компании
Еbmpapst с гарантированным сроком службы 36 тыс. часов.

140
120
Расход воздуха, л/с
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
Мошность, Вт
200
250
7
Разрядная энергия и КПД модуля 60ЭК406 в цикле
заряд-разряд в зависимости от тока
130
Энергия разряда, Втч
120
КПД, %
110
100
КПД в цикле зарядразряд: η = Ed/Ec,
Ed – энергия разряда,
Ec – энергия заряда
90
80
70
60
50
40
20
70
120
170
220
Ток, А
8
Эффективное (полное) сопротивление модуля 60ЭК406
в зависимости от тока
Внутреннее сопротивление, мОм
100
80
Ref = (Ec – Ed )/I2t,
t – длительность цикла,
I – ток разряда-заряда
60
40
20
RESR
0
0
50
100
150
200
250
Ток, А
Внутреннее сопротивление конденсатора (эффективное внутреннее
сопротивление) складывается из омического, и поляризационного, учитывающего
кинетические возможности электродов: Ref = RESR + Rpol(I,t)
Величина Rpol(I,t) падает с ростом тока (Ref стремиться к RESR ).
9
Тепловая мощность для модуля 60ЭК406
в зависимости от тока
1600
Тепловая мощность, Вт
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0
50
100
150
200
250
Ток, А
PQ = (Ec – Ed )/t
10
Разогрев различных конденсаторов в модуле
60ЭК406, расположенных вдоль
потока охлаждающего воздуха
25
Разогрев, град. С
20
15
10
Направление потока охлаждающего
воздуха
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Номер конденсатора в сборке
Ток заряда разряда –150 А, мощность вентилятора – 120 Вт, расход охлаждающего
воздуха –100 л/с. Температура конденсаторов измерялась с помощью термопары
расположенной внутри конденсатора непосредственно в электролите
11
16
Стационарный разогрев модуля 60ЭК406
в зависимости от тока
Модуль 60ЭК406 эффективно работает при постоянной мощности до 10
кВт (ток заряда-разряда 150 А), при этом мощность вентилятора не
превышает 1,2 % от мощности разряда-разряда, максимальный разогрев
конденсаторов составляет 21С, разность между максимальным и
минимальным разогревом не превышает 5С
45
Максимальный
40
Минимальный
35
Разогрев, град.
30
25
20
15
10
5
0
0
50
100
150
Ток, А
200
250
12
НРЦ конденсаторов в модуле после испытаний
в течение 5 тыс. циклов
1,4
1,2
НРЦ, В
1
Ряд1
Ряд2
Ряд3
Ряд4
0,8
0,6
0,4
Направление потока охлаждающего
воздуха
0,2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Номер конденсатора в ряду


Максимальный разброс НРЦ конденсаторов не превышает 3 %. Во время
работы происходит самобалансировка элементов по напряжению за счет
протекания электрохимических процессов с участием водного электролита
13
Модули не требуют внешней (активной либо пассивной) системы
выравнивания элементов по напряжению
Преимущества новой конструкции модуля типа 60ЭК400







Пластмассовый, пожароустойчивый корпус модуля
Защищенность металлических частей терминалов от случайного прикосновения
обслуживающего персонала
Наличие системы диагностики
Автономная система охлаждения модуля позволяет ему эффективно работать
при постоянной мощности до 10 кВт, при этом мощность вентилятора не
превышает 120 Вт, максимальный разогрев конденсаторов – 21С, перепад
температур внутри модуля не превышает 5С
Модуль оснащен вентилятором с гарантированным сроком службы 36 тыс. ч
Модуль не требуют внешней системы выравнивания элементов по напряжению
Модуль оборудован кронштейнами для крепления на транспортном средстве и
съемными ручками для транспортировки
Модули модели 60ЭК406 рассматриваются как фрагмент полной
конденсаторной системы, предназначенной для работы в составе
привода гибридного транспорта и электротранспорта, а также в
других применениях, где требуется непрерывное циклирование при
сравнительно высоких мощностях
14
Конденсаторный накопитель энергии для привода
городского гибридного автобуса (18 т), троллейбуса
и трамвая
Модель накопителя
7×60ЭК406
Рабочее напряжение, В
630
Ёмкость, Ф
21
Запасаемая энергия в окне U-U/2, МДж
3,1
Внутреннее сопротивление, мОм
168
Объем, л
511
Масса, кг
574
Номинальная мощность, кВт
90-100
Максимальная мощность, кВт
590
Пробег с использованием энергии
накопителя, км
- автобуса, троллейбуса
- трамвая
0,5-1,0
1,0-1,5
15
Конденсаторный накопитель энергии для гибридного
привода маневрового локомотива
Накопитель разработан в рамках проекта, осуществляемого совместно с
российской компанией «Трансмашхолдинг»
Модель накопителя
60×60ЭК406
Рабочее напряжение, В
900
Ёмкость, Ф
88,2
Запасаемая энергия в окне U-U/2, МДж
26,8
Внутреннее сопротивление, мОм
40
Объем, м3
4,5
Масса, т
5,0
Номинальная мощность, кВт
500
Максимальная мощность, кВт
5,1
Масса тепловоза – 120 т,
электродвигатель – 1 МВт,
дизель – 300-500 кВт
Накопитель состоит из 6 параллельных цепей
по 10 последовательно соединенных модулей 60ЭК406
16
Бортовой конденсаторный накопитель энергии для
электропоезда метро
Накопитель разработан в рамках проекта, осуществляемого совместно
с российской компанией «Трансмашхолдинг»
Модель накопителя
40×60ЭК406
Рабочее напряжение, В
900
Ёмкость, Ф
58,8
Запасаемая энергия в окне U-U/2, МДж
17,9
Внутреннее сопротивление, мОм
60
Объем, м3
3,0
Масса, т
3,5
Номинальная мощность, кВт
400
Максимальная мощность, кВт
3,4
Накопитель состоит из
4-х параллельных цепей
по 10 последовательно
соединенных
модулей
60ЭК406, размещается в
прицепном вагоне
Три вагона с полной массой примерно по 50-60 т
Моторный вагон
Прицепной вагон Моторный вагон
17