A közlekedési alkalmazások energiaellátása számos technikai kihívást jelent. A motorok indításához használt energiaforrásként már régóta akkumulátorokat használnak. Bár korábban csak hagyományos ólom-sav akkumulátorok álltak rendelkezésre, a különböző kémiai kombinációkat és építési módszereket tartalmazó legújabb innovációk jelentősen javították az energiasűrűséget és csökkentették a súlyukat.
A modern tömegközlekedési villamosok és vonatok tovább növelték az energiaellátási követelményeket a fedélzeti információs és Wi-Fi csatlakozási rendszerek növekvő száma miatt. Mivel számos vasúti jármű teljesen elektromos hajtásra vált, az igények tovább bővülnek. Az üzemeltetési környezet is számos kihívást jelent, beleértve a motorok alacsony hőmérsékleten történő indítását, ami a legtöbb akkumulátortechnológia számára kihívást jelent.
Jelen cikk azt vizsgálja, hogy az ultrakondenzátorok miként jelentenek életképes és kiegészítő energiaforrást a közlekedési alkalmazások számára.
A tömegközlekedési rendszerek sokfélesége
Társadalmunk egyre inkább tudatában van az energiafelhasználásnak és annak, hogy hogyan jutunk egyik pontból a másikba. Az új nagyvárosi villamospálya-, busz- és tömegközlekedési hálózatok, valamint a meglévő vasúti infrastruktúra jelentős beruházásokat élvez, mivel a fogyasztók a zsúfolt utak alternatíváját keresik.
A legtöbb nagy agglomerációban új tömegközlekedési rendszereket vezettek be vagy terveznek, amelyek segítenek a városok zsúfoltságának enyhítésében és a környezetszennyezés csökkentésében.
Az energiatakarékos és lendületes tömegközlekedési járművek tervezése megköveteli a vontatási és energiatároló alkatrészek össztömegének és teherbíró képességének kiegyensúlyozását.
Energiaellátási kihívások
Az akkumulátorok ideális energiaforrást jelentenek a mobilitáshoz, azonban a modern, igényes közlekedési alkalmazásokban nem mindig felelnek meg a követelményeknek. A nagy csúcsáramú terhelések befogadásához több akkumulátorra van szükség, mint a normál üzemi terhelési körülmények között, ami növeli a súlyt és a töltési időt. Az akkumulátorbankok terjedelmesek, és jelentős töltési időt igényelnek, ami befolyásolja az üzemkészséget. Az akkumulátorokat a környezeti hőmérséklet is korlátozza, különösen a szélsőségesen alacsony és magas hőmérsékletek esetén.
Egyes akkumulátortechnológiák a belső egyenértékű soros ellenállásuk (ESR) miatt idővel a helyszínen is lemerülnek. Az ESR szintén egy olyan tényező, amely korlátozza az általuk leadható maximális árammennyiséget, és az akkumulátoron belül felmelegedést eredményez.
Az akkumulátorok másik szempontja az életciklusuk. Aktív életük során ellenőrzésre és rendszeres karbantartásra is szükségük van. Ezen eszközök általában véges élettartamúak, amely után a teljes töltés tárolására és a teljes terhelés leadására való képességük jelentősen csökken.
Az akkumulátorokkal való munka során további szempont az alacsony hőmérsékleten történő alkalmazásuk korlátozása. A hőmérséklet csökkenésével veszítenek kapacitásukból, és szélsőségesen hideg körülmények között nem használhatók.
Elektromos meghajtású autóbuszok vagy villamosok esetében az akkumulátor kapacitása határozza meg a hatótávolságot. Ez a hatótávolság meghosszabbítható a regeneratív fékezési koncepciókkal, amelyek a jármű lassulásakor a hajtómotorokból származó energia felhasználásával valósulnak meg. Jelentős mennyiségű energia keletkezik, bár viszonylag rövid idő alatt. Az energiatermelés e módszerének teljes kihasználásához szükség van az energia gyors tárolására.
Az 1. ábra az ólom-sav és lítium-ion akkumulátorok teljesítményét mutatja be az ultrakondenzátorral összehasonlítva.
A kondenzátor-technológia legújabb innovációi viszonylag kompakt, nagy kapacitású kondenzátorok, úgynevezett szuperkondenzátorok és ultrakondenzátorok tervezéséhez vezettek. Ezek a kondenzátorok kivételes energia-tömeg arányos jellemzőkkel rendelkeznek (lásd az 1. ábrát), és egyre inkább a közlekedési energiatárolási alkalmazások egyik feltörekvő opciójává válnak. Nagy teljesítménysűrűségük, gyors tölthetőségük és nagy kisütési áramuk révén az ultrakondenzátorok kielégítik a motorindítás, a csúcsterhelhetőség és a regeneratív energiatárolás igényeit.
Ultrakondenzátorok és azok alkalmassága a közlekedési rendszerekben
A szuperkondenzátorok és ultrakondenzátorok nagy kapacitású kondenzátorok, amelyek kapacitásának értéke több tíz – több száz Farad. Az ultrakondenzátorok kapacitástartománya jellemzően több ezer Faradig terjed. Úgy viselkednek, mint bármelyik közönséges elektrolitkondenzátor, például képesek a gyors töltésre és kisütésre. Alacsony belső ellenállásuk és energiatároló képességük miatt azonban inkább hasonlítanak az újratölthető akkumulátorokhoz. Emiatt az ultrakondenzátorok gyorsan életképes energiatároló közeggé válnak, és egyes felhasználási esetekben potenciálisan felváltják a hagyományos akkumulátorokat.
A Supreme Power Solutions (SPSCAP) ultrakondenzátorai aktívszén bevonatot és szerves elektrolitot használnak.
Ez a megközelítés nagy kapacitású, alacsony belső ellenállású, alacsony szivárgási és nagy megbízhatóságú kondenzátort eredményez. A porózus aktívszén-elektróda nagy felülete és a vékony elektrolitréteggel történő töltésleválasztás egy elektromos kettősrétegű kondenzátort hoz létre.
Az ultrakondenzátorok közlekedési felhasználási területei a következők:
- Fékenergia-visszanyerő rendszerek metrószerelvények és villamosok számára.
- Integráció akkumulátorokkal a nagy teljesítmény érdekében.
- Dízelmozdonyok alacsony hőmérsékleten történő indítása.
- Terheléselosztás több kocsihajtási egység számára gyors gyorsításkor.
A motorok indítása esetén az ultrakondenzátorok képesek biztosítani a dízelmotorok indításához szükséges azonnali csúcsterhelési képességet, meghosszabbítva az akkumulátor élettartamát és csökkentve a karbantartási és csereköltségeket.
Az SPSCAP ultrakondenzátorai közé tartoznak például az alacsony ESR-rel rendelkező, hengeres, nagy teljesítményű, nagy üzemi ciklusú alkatrészekből álló SCE és SCP sorozatok.
Az SCE sorozat (2. ábra) 100 F és 800 F közötti kapacitásokkal rendelkezik, az egyik végén hegeszthető vagy menetes csatlakozókkal. Kompakt méreteiknek köszönhetően az energiarendszerek tervezői soros és párhuzamos konfigurációkban kombinálhatják őket, hogy tartalék tápegységeket alkossanak az azonnali energiaellátás érdekében.
Ilyen például az SCE0360C0 típus, amely egy 360 F, 2,7 V-os ultrakondenzátor, amely 35 mm x 62 mm méretű, az ESR értéke pedig max. 3.2 mOhm.
Az SCP sorozat egyik példája (3. ábra) az SCP2000C0, amely egy 2000 F, 2,7 V-os ultrakondenzátor. A mindkét végén hegeszthető csatlakozókkal és az 1 000 000-nál nagyobb üzemi ciklusával alkalmas energia-visszanyerő megoldásokra, mozdonyok motorindítására és hibrid hajtásláncokra. Az SCP2000 mérete 60,8 mm x 108,4 mm, súlya 402 g. A készülék –40 °C és +65 °C közötti hőmérséklet-tartományban működik. A maximális csúcsáram több mint 2000 A, a maximális folyamatos áramfelvételre alkalmas érték pedig ∆40 °C-on (40 °C-os hőmérséklet-emelkedés) 208 A.
Az SPSCAP ultrakondenzátorok termékcsaládjának legújabb tagjai közé tartoznak a CDCL és CDCM ultrakondenzátorok. Az új termékek különböző kapacitásértékek, 2,85 V DC üzemi feszültség és kompakt méretek jellemzik. A CDCL család például öt ultrakondenzátorból áll, 650 F, 1200 F, 1500 F és 3000 F értékekkel.
Az olyan népszerű alkalmazásokhoz, mint például az alacsony hőmérsékletű motorindítás, a készre szerelt ultrakondenzátor modul gyors és egyszerű megvalósítási módszert biztosít. Ilyen például az MDLC0300C0 típus, amely egy 300 F, 24 V-os, robusztus, IP65 védettségi besorolású, akkumulátoros profilban kialakított készülék. Az egység –40 °C-ig képes működni, és 45 kW maximális indítási csúcsteljesítményt képes leadni.
Ultrakondenzátorok; kompakt, nagy sűrűségű energiatárolási lehetőségek a közlekedésben
Mivel a mobilitási és közlekedési rendszerünk ökoszisztémájának jövője egyre sokszínűbbé válik, a hosszú élettartamú, gyors tölthetőségű, nagy energiasűrűségű tárolók iránti igény minden eddiginél nagyobb.
Az ultrakondenzátorok gyorsan életképes energiatárolási módszerré váltak a vontatásvezérlés, az energia-visszanyerés és a motorindítási alkalmazások azonnali energiaellátására. Kiegészíthetik a meglévő akkumulátor-berendezéseket a csúcsterhelés és a többszörös terheléskiegyenlítés felhasználási eseteiben, vagy számos fedélzeti rendszer elsődleges áramforrásává válhatnak.
