АльтИнфоЮг

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта


Расчёт суперконденсаторов ё-мобиля

Рейтинг пользователей: / 26
ХудшийЛучший 

суперконденсаторы ё-мобиля В прессе была информация, что роторно-поршневой двигатель ё-мобиля через генератор будет подзаряжать суперконденсаторы, от которых будут подпитываться ходовые электродвигатели. Супеконденсаторы для ё-мобиля должны будут иметь следующие характеристики: ёмкость 4,8 фарады, вес 100 кг и обеспечат запас энергии для пробега на расстояние в 2 км. Попробуем сделать расчёт для проверки правдоподобности этого утверждения.

Суперконденсаторы, которые предполагается использовать для ё-мобиля правильно называются ионисторами, действительно могут иметь большую ёмкость при относительно небольшом весе и объёме. Но основная причина большой ёмкости суперкоденсаторов в том, что у них очень тонкий слой диэлектрика, разделяющего заряды. По этой причине суперконденсаторы являются низковольтными изделиями и выходят из строя при небольшом напряжении. По последним данным максимальное пробивное напряжение суперконденсаторов составляет 20 вольт.

Количество запасённой в суперконденсаторе энергии зависит не только от ёмкости, но и от напряжения заряда и определяется по формуле:
формула емкости конденсатора

Для расчётов возьмём заявленную ёмкость конденсатора 4,8 Ф и максимальное возможное для ионисторов напряжение 20 В.

Количество запасённой энергии в суперконденсаторе будет равно:

 

По затратам энергии принимаем, что электродвигатели потребляющие мощность 30 кВт будут работать в течение минуты. Тогда необходимую затраченную энергию найдём по формуле:

 

Как сразу видно, разница между накопленной и необходимой энергией очень существенная.

Теперь попробуем посчитать, какое минимальное напряжение необходимо подать на суперконденсаторы, чтобы при полном их разряде получить достаточно энергии для движения ё-мобиля в течение минуты при мощности отдаваемой мощности 30 кВт.

Реально ни один электродвигатель не может стабильно работать сколько ни будь длительное время при очень большой разнице питающего напряжения. А у суперкрнденсаторов при разряде напряжение снижается не постепенно и медленно как у аккумуляторов, а быстро по мере разряда. Поэтому питать электродвигатели хода ё-мобиля можно только через регулируемый преобразователь. Диапазон рабочих напряжений такого преобразователя тоже ограничен. Кроме того, преобразователь часть энергии тратит на свою работу, что снижает КПД системы. Поэтому, чтобы запасти необходимое количество энергии для ё-мобиля при ёмкости конденсаторов 4,8 Ф, необходимо напряжение не меньше 1000 В. Принцип работы ионисторов не позволяет изготавливать суперконденсаторы на такое высокое напряжение, а обычные конденсаторы для того, чтобы запасти необходимое количество энергии, должны иметь большой вес и объём.

За последние десятилетия не смотря на перстройку, приватизацию, модернизацию, нацпректы и тезисы, российская наука, техника и производство заметно деградировали. В результате Россия не в состоянии выпускать даже небольшие импульсные сварочные аппараты с преобразователями. Чтобы обеспечить необходимый запас энергии для двигателя ё-мобиля нужны не только малогабаритные высоковольтные конденсаторы большой ёмкости, но и высоковольные импульсные преобразователи большой мощности.

При необходимости увеличить допустимое напряжение и ёмкость, можно собрать конденсаторы в батарею. Предположим, что нам из конденсаторов ёмкостью 10 фарад напряжением 20 вольт, необходимо собрать батарею ёмкостью 30 фарад и напряжением 400 вольт. Для того, чтобы повысить напряжение, необходимо соединить конденсаторы последовательно. Общую ёмкость последовательно соединённых конденсаторов можно определить по формуле:

При таком соединении общая ёмкость конденсаторов будет меньше наименьшего значения ёмкости каждого из конденсаторов. При последовательном соединении конденсаторов, их максимальное напряжение складывается:

Чтобы поднять допустимое напряжение при последовательном соединении конденсаторов в 20 раз, нам понадобится 20 конденсаторов. Но их общая ёмкость будет составлять всего 0,5 фарады. Для получения прежней ёмкости равной 10 фарадам, нам придётся параллельно подключить 20 веток по 20 конденсаторов в каждой, всего 400 конденсаторов. А чтобы получить ёмкость в три раза больше прежней, надо будет параллельно соединить три группы по 400 конденсаторов, общим числом 1200 суперконденсаторов.

Как считать запасённую в конденсаторах энергию было написано выше, поэтому для сравнения посчитаем энергоёмкость самого маленького из автомобильных аккумуляторов на 55 Ач. Принимаем, что напряжение заряженного аккумулятора было 14 В, а разряженного 12 В. Тогда среднее напряжение для расчётов принимаем равным 13 В. Считаем также разрядный ток равным 55 А в течение часа (3600 с). Энергию аккумулятора найдём по формуле:

Если первести энергоёмкость аккумулятора в киловатчасы, то получается, что аккумулятор на 55 А·ч может после полного заряда отдатью электроэнергии на 0,715 кВт·ч. Получается, что запас энергии у самого маленького автомобильного аккумулятора намного больше, чем у самого крутого и дорогого суперконденсатора.

 
Комментарии (4)
теория теорией, а практика покажет... Точно, всё меняет...
4 23.01.2014 21:59
Сергей

Расчёты конечно хороши, но на практике если подключить к полностью заряженному автомобильному аккумулятору ёмкостью 55Ач электропотребитель 55А 13В (т.е. согласно закону Омма 715Вт. нагрузки). Это эквивалентно 12-ти подключенным к нему лампам накаливания дальнего света стандартной мощностью 60Вт, (для понимания) то данный аккумулятор пересечет отметку в 12 Вольт минуты через 2-3 не более. Да и вообще проектная мощность стартера для данного аккумулятора 800 - 900Вт что соизмеримо (жигули, лада). А теперь сами представьте сможет ли этот АКБ покрутить стартер хотя бы минут 10-12 без перерыва(только не экспериментируйте спалите стартер). Конечно же нет, а всё дело в том что ток 55А который он смог бы выдавать в течении часа если его разрядить до "О" ВОЛЬТ, а не до 12-ти, как у автора статьи выше, да и разряжается он далеко не по линейному закону, а ближе к экспоненциальному (виной тому снижение плотности электролита и как следствие уменьшение выходного напряжения АКБ). Короче говоря с МЕГА Джоулями исходящими от автомобильного АКБ вы явно переборщили... Мне бы такой ИДЕАЛЬНЫЙ аккумулятор в наши РЕАЛЬНЫЕ морозы...!

Уточнение, которое всё меняет...
3 07.01.2014 19:46
Сергей

В принципе, расчёт верный, НО не учтён ключевой параметр - масса: Реальный модельный экземпляр ионистора имеет ёмкость 3 Ф (три Фарады !) и весит менее 3,5 г - лабораторная сборка, не самая оптимальная по весу. Рабочее напряжение ~ 3В (это действительно критический, проблемный параметр). Но с учётом 100 кг допустимого веса изделия запас по ёмкости значительный, можно и собирать в стопки для увеличения напряжения. Несложный расчёт показывает, что собранная такая вот батарея при m=100 кг имеет запас энергии 390 кДж, чего достаточно для разгона авто массой 1000 кг до скорости 100 км/ч (без учёта потерь на трение и пр. потери), что и нужно от ионистора, не более.

Ещё о применении суперконденсаторов
2 06.06.2013 16:41
Сергей

Суперконденсаторы действительно имеют большую скорость заряда и разряда по сравнению с любыми аккумуляторами. Но, большая скорость не всегда нужна, если оборудование не предназначено специально для работы в импульсном режиме. Необходимо учитывать зарядные и разрядные характеристики для конкретного варианта их использования. Для работы электротранспорта скорость разряда кислотных аккумуляторов вполне достаточна. Небольшой аккумулятор при запуске двигателя стартером способен выдавать большой ток и быстро отдать накопленную энергию. Полный заряд для большинства аккумуляторов длится несколько часов. Учитывая, что аккумуляторы для электротранспорта имеют большую емкость, а обычный ток заряда составляет примерно десятую часть емкости батареи в амперах, то допустимый ток заряда будет довольно большим. Если мощность и количество вырабатываемой при торможении электрической энергии существенно больше, то тогда действительно может быть целесообразно использовать суперконденсаторы. Но, по мере заряда конденсатора его напряжение существенно повышается, а напряжение вырабатываемое в процессе торможения быстро снижается. Следовательно, использовать можно только часть этой энергии. Поэтому, чтобы использовать энергию торможения с помощью суперконденсатора, нужно, чтобы генератор выдавал большое напряжение или использовать дополнительный повышающий преобразователь. По моему мнению в электротранспорте технически можно использовать комбинированную систему с использованием обычных тяговых аккумуляторов и небольшого количества конденсаторов большой ёмкости для использования энергии торможения. Но, я сомневаюсь в экономической целесообразности такого варианта из-за высокой стоимости дополнительного оборудования и некоторого уменьшения надежности.

время и скорость заряда и разряда !
1 21.05.2013 14:44
Сергей

Надо учитывать специфику применения, а не просто так считать. Аккумулятор невозможно зарядить через генератор при достаточно быстром торможении, и свинцовый невозможно разрядить большим током. cc-by-nc

Пожалуйста, зарегистрируйтесь или войдите в систему для добавления комментариев к этой статье.

Поделись с друзьями


Облако тегов




   

Copyright © 2012 Сергей Горенко | «Копирование и иное использование материалов без разрешения запрещено»