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

2 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

3 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

4 Модуль 60ЭК406 Параметры конденсаторного элемента ЭК406 Рабочее напряжение, В1,5 Ёмкость, Ф8 800 Запасаемая энергия в окне U-U/2, кДж7,4 Внутреннее сопротивление, мОм0,4 Масса, кг1,0 Габаритные размеры, мм 83,5 31,5 210 Рабочая температура, 0 С–50…+65 ЭлектролитВодный щелочной

5 Основные характеристики модуля 60ЭК406 Рабочее напряжение, В90-45 Ёмкость, Ф147 Запасаемая энергия в окне U-U/2, кДж447 Внутреннее сопротивление, мОм24 Масса, кг82 Габаритные размеры, мм ЭлектролитВодный щелочной Система выравнивания конденсаторов по напряжению Не требуется Материал корпусаПластмасса Рабочая температура, 0 С–50…+60 ОхлаждениеВоздушное, автономное, вентилятор 24 В

6 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

7 Зависимость расхода охлаждающего воздуха от мощности вентилятора Модуль оснащен воздушным вентилятором (24 В) немецкой компании Еbmpapst с гарантированным сроком службы 36 тыс. часов.

8 Разрядная энергия и КПД модуля 60ЭК406 в цикле заряд-разряд в зависимости от тока КПД в цикле заряд- разряд: η = E d /E c, E d – энергия разряда, E c – энергия заряда

9 Эффективное (полное) сопротивление модуля 60ЭК406 в зависимости от тока Внутреннее сопротивление конденсатора (эффективное внутреннее сопротивление) складывается из омического, и поляризационного, учитывающего кинетические возможности электродов: R ef = R ESR + R pol (I,t) Величина R pol (I,t) падает с ростом тока (R ef стремиться к R ESR ). R ESR R ef = (E c – E d )/I 2 t, t – длительность цикла, I – ток разряда-заряда

10 Тепловая мощность для модуля 60ЭК406 в зависимости от тока P Q = (E c – E d )/t

11 Разогрев различных конденсаторов в модуле 60ЭК406, расположенных вдоль потока охлаждающего воздуха 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 Направление потока охлаждающего воздуха

12 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

13 НРЦ конденсаторов в модуле после испытаний в течение 5 тыс. циклов Максимальный разброс НРЦ конденсаторов не превышает 3 %. Во время работы происходит самобалансировка элементов по напряжению за счет протекания электрохимических процессов с участием водного электролита Модули не требуют внешней (активной либо пассивной) системы выравнивания элементов по напряжению Направление потока охлаждающего воздуха

14 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

15 Конденсаторный накопитель энергии для привода городского гибридного автобуса (18 т), троллейбуса и трамвая Модель накопителя7×60ЭК406 Рабочее напряжение, В630 Ёмкость, Ф21 Запасаемая энергия в окне U-U/2, МДж3,1 Внутреннее сопротивление, мОм168 Объем, л511 Масса, кг574 Номинальная мощность, кВт Максимальная мощность, кВт590 Пробег с использованием энергии накопителя, км - автобуса, троллейбуса - трамвая 0,5-1,0 1,0-1,5

16 Конденсаторный накопитель энергии для гибридного привода маневрового локомотива Накопитель разработан в рамках проекта, осуществляемого совместно с российской компанией «Трансмашхолдинг» Модель накопителя60×60ЭК406 Рабочее напряжение, В900 Ёмкость, Ф88,2 Запасаемая энергия в окне U-U/2, МДж26,8 Внутреннее сопротивление, мОм40 Объем, м 3 4,5 Масса, т5,0 Номинальная мощность, кВт500 Максимальная мощность, кВт5,1 Накопитель состоит из 6 параллельных цепей по 10 последовательно соединенных модулей 60ЭК406 Масса тепловоза – 120 т, электродвигатель – 1 МВт, дизель – кВт

17 Бортовой конденсаторный накопитель энергии для электропоезда метро Накопитель разработан в рамках проекта, осуществляемого совместно с российской компанией «Трансмашхолдинг» Модель накопителя40×60ЭК406 Рабочее напряжение, В900 Ёмкость, Ф58,8 Запасаемая энергия в окне U-U/2, МДж17,9 Внутреннее сопротивление, мОм60 Объем, м 3 3,0 Масса, т3,5 Номинальная мощность, кВт400 Максимальная мощность, кВт3,4 Накопитель состоит из 4-х параллельных цепей по 10 последовательно соединенных модулей 60ЭК406, размещается в прицепном вагоне Моторный вагон Прицепной вагон Моторный вагон Три вагона с полной массой примерно по т