Superkondensatory w samochodzie

Rys. 1 Rozmieszczenie ładunków w superkondensatorze

Pojazdy elektryczne i hybrydowe są rozwijane od lat, jak dotąd nie są jednak powszechnie używane – co najwyżej wspomnieć tu można Toyotę Prius. Napotkano bowiem na fundamentalne problemy związane z magazynowaniem i odzyskiwaniem energii, których nie udało się dotąd pomyślnie i opłacalnie pokonać. Główną tego przyczyną są ograniczenia narzucane przez akumulatory, które są duże, ciężkie, mają ograniczoną szybkość ładowania i wymagają konserwacji.

Ostatnio pojawiły się nowsze konstrukcje, wykorzystujące zalety nowych komponentów, superkondensatorów. Łączenie superkondensatorów z innymi podzespołami energetycznymi pozwala skutecznie przezwyciężyć dotychczas napotykane trudności. Na przykład zintegrowanie akumulatorów ołowiowych o dużej pojemności z superkondensatorami umożliwia stworzenie lekkiego, taniego systemu napędowego o dużej energii, wielkiej wydajności prądowej, wysokiej sprawności, stabilnym cyklu i doskonałych właściwościach w niskiej temperaturze.

Budowa superkondensatorów

Rys. 2. Obwód dwuwarstwowego kondensatora elektrolitycznego

Zasada działania superkondensatora, opartego na podwójnej warstwie elektrolitu, jest znana od ponad stu lat. Pomimo że superkondensator jest urządzeniem elektrochemicznym, w jego mechanizmie magazynowania energii elektrycznej nie biorą udziału żadne reakcje chemiczne. Mechanizm ten jest w wysokim stopniu odwracalny i pozwala ładować i rozładowywać superkondensator setki tysięcy razy. Najnowsze superkondensatory nominalnie wytrzymują milion cykli ładowania.

Superkondensator składa się z dwóch niereaktywnych porowatych elektrod z elektrolitem, pomiędzy które jest przyłożone napięcie (rys. 1). Do dodatniej płyty przyciąga ono jony ujemne, a do ujemnej jony dodatnie. Powstają w ten sposób dwie warstwy oddzielonych od siebie ładunków, jedna w płycie dodatniej, a druga w ujemnej. Pojemność jest proporcjonalna do powierzchni elektrod, a odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi. Porowate płyty superkondensatora są wykonane z węgla, a ich powierzchnia dochodzi do 3000m²/g, znacznie przewyższając powierzchnię kondensatora konwencjonalnego. Odległość oddzielającą ładunki wyznacza rozmiar znajdujących się w elektrolicie jonów, przyciągniętych przez elektrodę. Nie przekracza ona kilku nanometrów i jest znacznie mniejsza od osiągalnej przy użyciu konwencjonalnych materiałów dielektrycznych. Z łączenia ogromnej powierzchni z niezwykle małą odległością otrzymuje się olbrzymią pojemność nawet tysięcy faradów w objętości szklanki. Superkondensatory mają niewielkie rozmiary, mogą magazynować znacznie więcej energii niż kondensatory konwencjonalne i uwalniać ją ze znacznie większą mocą niż akumulatory.

Podstawowe właściwości superkondensatorów

Rys. 3. Struktura superkondensatora

Przedrostek „super” przyznano superkondensatorom z powodu ich ogromnej pojemności, o której decyduje zbieżność wielkiej skutecznej powierzchni elektrod z bardzo małą dzielącą je odległością. Na rys. 2 przedstawiono strukturę dwuwarstwowego kondensatora elektrolitycznego (DKE). W elektrolicie jony równoważą się wzajemnie, ale po przyłożeniu pola elektrycznego dyfundują do przeciwnych elektrod (rys. 3). Porowate elektrody węglowe są bardzo wydajnymi zasobnikami elektronów i jonów. Elektrony związane z jonami elektrolitu zbierają się w węglowej warstwie elektrody ujemnej. Natomiast w dodatniej elektrodzie węglowej (z prawej strony rysunku) gromadzą się wakansy elektroniczne, związane z anionami elektrolitu. Elektrolit cały czas zachowuje przewodnictwo, umożliwiając przepływ prądu pomiędzy elektrodami tego dwuwarstwowego kondensatora w czasie jego ładowania i rozładowywania.

Każde ogniwo superkondensatora jest w istocie szeregowym połączeniem dwóch DKE. Jego równoważna rezystancja szeregowa (ESR) składa się z objętościowej rezystancji foliowych aluminiowych elektrod zbierających, rezystancji adhezyjnej pomiędzy tymi elektrodami a elektrodami węglowymi, rezystancji objętościowej samego węgla i rezystancji przewodnictwa jonowego elektrolitu, zaabsorbowanego w elektrodach i w separatorze.

ESR superkondensatorów firmy Maxwell jest bardzo niska, a konstrukcja ogniw zapewnia zminimalizowanie składników pasożytniczych ESR, dzięki czemu osiągnięto bardzo wysoką gęstość mocy. W zastosowaniach superkondensatorów trzeba rozróżnić dwie odmienne wielkości gęstości mocy, grawimetryczną P_G (w W/kg) i wolumetryczną P_V (w W/litr). Zarówno P_G jak i P_V oblicza się w warunkach dopasowania do obciążenia, czyli gdy rozpraszanie mocy na zewnątrz i wewnątrz jest jednakowe.

Rys. 4. Budowa superkondensatora

W zastosowaniach motoryzacyjnych superkondensator jest, w odróżnieniu od akumulatora, podzespołem o wielkiej gęstości mocy. Nie magazynuje on tak wielkiej energii jak akumulator elektrochemiczny, lecz jest zdolny do bardzo szybkiego akumulowania i uwalniania tej energii.

Aby to w pełni zrozumieć, trzeba zająć się czasem, przez który superkondensator może zasilać obciążenie, na przykład układ elektrycznego wspomaganie układu kierowniczego podczas manewru parkowania, hamulce elektromechaniczne podczas zatrzymywania samochodu, czy system audio. Czas ten to po prostu stosunek gęstości energii E_G (w Wh/kg) do gęstości mocy P_G (w W/kg). Biorąc za przykład ogniwo Maxwell MC650 (BCAP0650P) o pojemności C=650F, napięciu znamionowym U=2,7V, masie M=0,2kg, objętości V=0,123 litra i ESR=0,8mΩ, otrzymuje się:

Samochodowe systemy elektryczne wymagają zwykle bardzo wysokiego stosunku mocy chwilowej do mocy średniej, zatem podzespoły samochodowe magazynujące energię powinny się charakteryzować wysokim stosunkiem (P/E), mocy (P) do energii (E). Superkondensatory konkurują w tym względzie z różnego rodzaju akumulatorami, jak kwasowe ołowiowe (Pb), niklowo wodorkowo metalowe (NiMH), czy litowo jonowe (Li-jon). W tabeli 1 zestawiono ich parametry w porównaniu do dwuwarstwowego kondensatora elektrolitycznego MC650 firmy Maxwell.

Tabela wykazuje, że pod względem stosunku mocy do energii i liczby cykli pracy, superkondensator znacznie przewyższa wszystkie akumulatory elektrochemiczne. W miarę obniżania się kosztów stosowanie tych podzespołów w motoryzacji staje się coraz bardziej opłacalne. Koszt pół centa za farad, przyjęty w tej tabeli według producenta (Maxwell), będzie osiągalny przy wielkoseryjnej produkcji (ponad 5 milionów ogniw) pod koniec dekady. Obecnie duże ogniwa superkondensatorów kosztują około 1 centa za farad. Konstrukcję superkondensatora pokazano na rys. 4, a fotografię przykładowych kondensatorów na rys. 5.

Parametry czasowe superkondensatorów

Jak widać z przytoczonych wyżej obliczeń parametrów, dwa z nich są ważnymi parametrami czasowymi. Stosunek E/P wyznacza czas (T), przez który dany superkondensator może podtrzymywać zasilanie dopasowanego obciążenia. W przypadku ogniwa MCP650P wynosi on nieco więcej niż 2 sekundy. Drugim parametrem czasowym jest (szeregowa) stała czasowa τ, będąca iloczynem ESR i pojemności ogniwa, wynosi ona 0,52s.

Czas T jest nieduży w porównaniu do akumulatorów, których liczy się on od ułamka godziny do kilku godzin. Można więc przedstawić akumulatory jako komponenty zasobne w energię, a superkondensatory zasobne w moc.

Stała czasowa τ wyraża gotowość superkondensatora do uwalniania (lub akumulacji) zmagazynowanej w nim energii. W aplikacjach, w których jest wymagana bardzo szybka reakcja na zapotrzebowanie, jak w układach zapłonowych i wtrysku paliwa w silnikach spalinowych, wraz z superkondenasatorami należy używać szybkich kondensatorów z folii polimerowej lub ceramicznych. W zastosowaniach dużej mocy, jak rozruch zimnego silnika, elektryczne wspomaganie układu kierowniczego, hamowanie, wspomaganie systemu zawieszenia, czy audio, wystarcza sam superkondensator, który może dostarczać mocy 1 do 3kW. Jednak przy większych mocach, jak w układach napędowych, zalecane jest użycie superkondensatorów wespół z akumulatorami.

Ale te dwa parametry czasowe ujawniają jeszcze i inne informacje o superkondensatorach. Za pomocą obliczeń z uwzględnieniem magazynowanej energii, energii rozpraszanej w trakcie ładowania i rozładowywania oraz energii uwalnianej (zmagazynowanej minus rozproszonej) w obu trybach, można wykazać, że całkowita sprawność superkondensatora zależy od stosunku jego stałej czasowej &tau do czasu trwania impulsu mocy T.

Z obliczeń tych wynika także, że sprawność ładowania i sprawność wyładowania superkondensatora, pracującego w warunkach bliskich dopasowaniu do obciążenia (a zatem przy sprawności 50%), jest bliska 50%. Jeśli czas wyładowania T będzie przedłużany, co będzie zmniejszało moc impulsu, to sprawność ta będzie dążyła do 100%. Unaocznia to wpływ stałej czasowej superkondensatora (a zatem ESR, czyli strat) na całkowitą sprawność systemu magazynowania energii. Sprawność zaś operowania zasilaniem ma w samochodzie wielkie znaczenie. Ogniwo MC650P o gęstości energii 5,7kW/kg, przy obciążeniu 2,5kW (na przykład turbo-wspomagania układu kierowniczego) będzie miało sprawność 87%. A przy mniejszej mocy sprawność ta bez trudu może przekroczyć 90%.

Zastosowanie w zespołach napędowych

Superkondensatory mogą służyć do oszczędzania energii w pojazdach, pozwalając wyłączać silnik po zatrzymaniu samochodu i błyskawicznie go następnie uruchamiać zaledwie „dotknięciem” pedału. Pozwalają także hamować regeneracyjnie, odbierając do przechowania energię hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i redukuje zanieczyszczanie powietrza. Ocenia się, że zatrzymywanie silnika i hamowanie regeneracyjne zmniejsza zużycie paliwa o 7-15%, a zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza przekracza 90%, w tym tlenków azotu 50%.

Użycie superkondensatorów w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi jest również bardzo korzystne. Ogniwa te, o ile są wystarczająco duże (a więc kosztowne), dynamicznie radzą sobie z obciążeniami impulsowymi. W hybrydowym połączeniu ogniw paliwowych z superkondensatorami, dzięki zdolności do szybkiego rozruchu i odzysku energii hamowania, system staje się znacznie bardziej opłacalny.

Silnik elektryczny charakteryzuje się wielkim momentem przy niskich obrotach – to jest jego główną zaletą w zastosowaniach trakcyjnych – idealnie więc nadaje się do silnego przyspieszania przy rozruchu. Ale przy wyższych obrotach, gdy pojazd już przyspieszył, silnik spalinowy doskonale wypełnia swoje zadanie. Taka hybryda w optymalny sposób wykorzystuje charakterystyki obu silników. A superkondensatory doskonale nadają się do zastosowań, wymagających krótkich impulsów dużej mocy, przedzielanych dłuższymi okresami małej mocy. Często używa się dwóch napędów optymalnie zespolonych z punktu widzenia mocy i energii. Takim modelem jest „magazynowanie mocy”, w którym superkondensator jest dobierany do maksymalnej mocy szczytowej, a podstawowe źródło energii do maksymalnej mocy ciągłej. Źródłem tym może być silnik spalinowy, akumulatory o dużej pojemności, lub ogniwa paliwowe. Przy optymalnym wykorzystaniu obu składników superkondensator ma dostarczać różnicę mocy szczytowej i mocy ciągłej.

Superkondensatory w pojazdach hybrydowych

Prace nad stosowaniem superkondensatorów w zespołach napędowych pojazdów są prowadzone przez wielu producentów samochodów. Obejmują one różne modele hybrydowe, od koncepcyjnych do przeznaczonych do produkcji, od samochodów osobowych, do ciężarówek i autobusów. Warto przyjrzeć się hybrydowemu pojazdowi elektrycznego (HPE), w której łączy się najlepsze cechy silnika spalinowego, silnika elektrycznego i komponentów magazynujących energię (tabela 2).

W pojazdach w pełni lub średnio hybrydowych główne zadania spełnia silnik spalinowy, a silnik elektryczny wraz z systemem magazynowania energii służy jako napęd pomocniczy. Projektant, dzięki istnieniu służącego do przyspieszania silnika dodatkowego, może ograniczyć moc silnika spalinowego tylko do podtrzymywania szybkości podróżnej pojazdu. Energia odzyskiwana w systemie hamowania regeneracyjnego jest zachowywana do powtórnego wykorzystania.

W samochodach minihybrydowych źródło energii elektrycznej obsługuje rozruch silnika do obrotów jałowych i jego zatrzymywanie. Wreszcie w pojazdach mikrohybrydowych źródło i zasobnik energii elektrycznej pracują na potrzeby rozruchu silnika do obrotów jałowych i jego zatrzymywania, co redukuje zużycia paliwa i do zasilania dodatkowych urządzeń samochodu, jak na przykład szybkie ogrzewanie szyby przedniej.

Koszty superkondensatorów stale maleją wraz z udoskonalaniem produkcji i w niedługim czasie można się spodziewać ich spadku do 1,40 dolara/kJ (4,93 dolara/Wh). W połączeniu z trwałością rzędu 1 miliona cykli koszt ten, w odniesieniu do Wh i liczby cykli, wyniesie 4,93*10^-6 dolara/Wh-cykl. Dla akumulatora NiMH koszt taki wynosi 3,3*10^-4 dol./Wh-cykl, a więc jest 67 razy wyższy niż dla superkondensatora.

Koncepcja zasilania rozłożonego zapewnia elastyczność

Współczesne samochody w coraz większym stopniu stają się uzależnione od podsystemów elektrycznych, związanych z rosnącą liczbą dodatkowych funkcji. Sterowanie X-by-Wire do wspomagania układu kierowniczego, elektrycznego hamowania, szybkiego podgrzewania szyby, modułów sterowanych komputerowo, elektrycznej regulacji siedzeń z podgrzewaniem i wentylacją, klimatyzacji, systemu nawigacyjnego i służących rozrywce urządzeń audio i wideo, silnie obciążają samochodowy system zasilania. Współczesna architektura elektryczna pojazdów z trudem daje sobie radę z licznymi w takich warunkach obciążeniami impulsowymi. W nowych rozwiązaniach musi zostać zapewniona zdolność do solidnego i niezawodnego zasilania wszystkich podzespołów, także w razie uszkodzenia czy w trakcie wypadku. Szczególnie jest ważne niezawodne zasilanie komputerowych systemów przetwarzania, których niesprawność może doprowadzić do unieruchomienia samochodu.

Architektura rozłożonego zasilania sprzyja zwiększeniu jego niezawodności i solidności, redukując równocześnie koszt, a także ciężar i złożoność systemu. Przy sterowaniu zasilaniem z centralnego stanowiska kontrolnego (zawierającego bezpieczniki i przełączniki) do każdego z odbiorników zasilania musi prowadzić osobny przewód. Przez każdy z nich przepływa całkowity prąd obciążenia, a musi być prowadzony przez cały pojazd, czasem długą i krętą drogą.

W przypadku architektury rozłożonej zasilanie bierze początek w jednym miejscu i jest rozprowadzane niewielką liczbą wspólnych przewodów łączących. Zasilanie i sygnały dochodzą do lokalnych węzłów rozdzielczych, zawierających inteligentne sterowniki elektroniczne i w miarę potrzeby i możliwości magazynują energię. Lokalne procesory sterują zużyciem energii bez konieczności prowadzenia wielu długich przewodów do każdego zasilanego punktu.

Jeśli lokalny pobór prądu jest przerywany, to energia magazynowana w węźle lokalnym, na przykład przez superkondensator, może zapewniać lokalne zasilanie impulsowe, podczas gdy magistrala centralnego zasilania samochodu zaspokaja średnie zapotrzebowanie energii. Takie użytkowanie lokalnego bufora znacznie redukuje przekrój głównej magistrali. Zmniejszenie przekroju poszczególnych przewodów, długości głównych przewodów prądowych i całkowitej liczby przewodów w pojeździe, prowadzi do uproszczenie systemu, czyni go odporniejszym i bardziej niezawodnym. Ceny procesorów maleją szybciej niż ceny przewodów, zatem koszt systemu maleje. Lokalne magazynowanie energii jest sprawdzonym sposobem zwiększania odporności sterowników na problemy zasilania. Łączenie rezerwowego źródła energii z zespołem elektronicznym łagodzi awarie i zapewnia bezpieczniejsze wyłączanie. Taki sposób awaryjnego zasilania jest rozpowszechniony w przemysłowych systemach komputerowych.

Innym zastosowaniem jest lokalne zasilanie, w którym mechaniczne rygle drzwi, pokrywy bagażnika i silnika, mogą być uruchamiane elektromagnesem. Potrzeba takiego zasilania wynika zwykle z braku miejsca na mechaniczne połączenie rękojeści z ryglem. Umieszczenie modułu zasilania w drzwiach eliminuje grube okablowanie, niezbędne w architekturze centralnego zasilania, a dodatkowo przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa, gdyż umożliwia otwarcie drzwi nawet w razie wypadku, gdy zasilanie centralne zostanie odcięte lub uszkodzone.

Typowym przykładem zastosowania zasilania rozłożonego jest wspomaganie układu kierowniczego. Podsystemy zasilane mechanicznie lub hydraulicznie łatwo można zastąpić zasilanymi elektrycznie, zwłaszcza gdy pracują w sposób przerywany. Napęd mechaniczny pobiera energię, niezależnie od tego, czy jest wykorzystywany, przyczyniając niepotrzebnych strat. Napęd elektryczny jest od tych strat wolny. Przez większość czasu wspomaganie to nie pobiera energii. Jedynie czasem wymaga krótkich, jedno czy dwusekundowych impulsów dużej mocy. Przebieg typowego impulsu elektrycznego sterowania to dwu lub trzysekundowe narastanie do około 2000W na kilkaset milisekund i szybki powrót do zera. W architekturze scentralizowanego zasilania potrzebna energia jest dostarczana ze źródła centralnego, wymaga to jednak kosztownego kabla o dużym przekroju i ciężarze, co wynika z konieczności ograniczenia spadku napięcia.

Rys. 6. Przebieg akcji wspomagania kierownicy. Przebieg zmian mocy: dwukrotny impuls 270W do 1900W, a następnie przerwa 15W

Na rys. 6 pokazano przebieg typowej akcji wspomagania kierownicy. System obejmuje 350W przetwornik napięcia 12V/42V i urządzenie magazynujące energię (w tym przypadku superkondensator), wyrównujące napięcie. Bez niego przetwornik musiałby błyskawicznie dostarczać mocy szczytowej 2000W.

Zakończenie

Superkondensatory w zastosowaniach samochodowych są długowieczne i odporne i mogą dostarczać dużej mocy w szerokim zakresie temperatury przy małych wymaganiach serwisowych, zarówno w systemie napędowym jak i w systemie zasilania rozłożonego. Z uwagi na ich małą dostępność i wysoki koszt superkondensatory nie były dotychczas używane w przemyśle motoryzacyjnym. Dzięki ich coraz szerszemu zastosowaniu w elektronice i przemyśle ich dostępność wzrasta. Są obecnie produkowane przez wielu producentów z Azji, Europy i USA. (KKP)