Fornire energia per le applicazioni di trasporto presenta diverse sfide tecniche. Le batterie sono state a lungo la fonte di energia scelta per l’avvio del motore. Anche se le batterie convenzionali al piombo-acido erano l’unico tipo disponibile, le recenti innovazioni che comprendono le varie combinazioni chimiche nonché i metodi di costruzione hanno migliorato significativamente la densità di potenza e ridotto il loro peso.
I moderni tram e treni per il trasporto pubblico hanno ulteriormente aumentato i requisiti di alimentazione a causa della crescente varietà di informazioni a bordo e dei sistemi di connettività Wi-Fi. Poiché molti veicoli ferroviari stanno passando a una trasmissione completamente elettrica, le esigenze si espandono ulteriormente. Anche l’ambiente operativo presenta molte sfide, coinvolgendo i motori o l’avvio dei motori in condizioni di bassa temperatura, una sfida per la maggior parte delle tecnologie a batteria.
Questo articolo indaga su come gli ultracapacitori presentino una fonte di energia valida e complementare per le applicazioni di trasporto.
Diversità dei sistemi di trasporto di massa
La nostra società è sempre più consapevole dell’uso dell’energia e del modo in cui ci spostiamo da A a B. Le nuove reti metropolitane di trasporto leggero, di autobus e di trasporto di massa, così come le infrastrutture ferroviarie esistenti, stanno sperimentando investimenti significativi poiché i consumatori cercano un’alternativa alle strade congestionate.
La maggior parte delle grandi conurbazioni ha implementato o pianificato nuovi sistemi di trasporto pubblico che aiutano a ridurre la congestione della città e l’inquinamento.
La progettazione di veicoli per il trasporto pubblico efficienti dal punto di vista energetico, eleganti e scattanti impone di bilanciare il peso complessivo e la capacità di carico dei componenti di trazione e di stoccaggio dell’energia.
Sfide per la fornitura di energia
Le batterie forniscono una fonte ideale di mobilità energetica; tuttavia, per le moderne ed esigenti applicazioni di trasporto, non sempre soddisfano tutti i requisiti. Accogliere carichi di corrente di picco elevati richiede più batterie rispetto alle normali condizioni di carico di esercizio, aggiungendo più peso e aumentando il tempo di ricarica. I banchi di batterie sono ingombranti e necessitano di un tempo di ricarica considerevole, con un impatto sulla disponibilità operativa. Inoltre, le batterie sono limitate dalle temperature ambientali, in particolare con gli estremi di basse e alte temperature.
Alcune tecnologie di batterie si scaricano lentamente anche in loco a causa della loro resistenza in serie equivalente interna (ESR). La VES è anche un fattore che limita la quantità massima di corrente che possono erogare e provoca un riscaldamento all’interno della batteria.
Un altro aspetto delle batterie è il loro ciclo di vita. Nel corso della loro vita attiva, esse hanno anche bisogno di controlli e di manutenzione ordinaria. Di solito hanno una vita in servizio finita, dopo la quale la loro capacità di immagazzinare una carica completa e di fornire un carico completo si riduce significativamente.
Un’ulteriore considerazione quando si lavora con le batterie è la loro limitazione nelle applicazioni a bassa temperatura. Perdono la loro capacità al diminuire della temperatura e non possono essere usate in condizioni di freddo estremo.
Per un autobus o un tram alimentato elettricamente, la capacità della batteria determina l’autonomia di funzionamento. Questa autonomia può essere estesa da concetti di frenata rigenerativa, raccogliendo energia dai motori di trazione quando il veicolo sta decelerando. Una notevole quantità di energia viene generata, anche se per un periodo relativamente breve. Per trarre pieno vantaggio da questo metodo di generazione di energia è necessario un metodo per immagazzinarla rapidamente.
La figura 1 evidenzia le prestazioni delle caratteristiche delle batterie al piombo e agli ioni di litio rispetto a un ultracapacitore.
Le recenti innovazioni nella tecnologia dei condensatori hanno portato alla progettazione di condensatori relativamente compatti con alti valori di capacità, chiamati supercondensatori e ultracondensatori. Questi condensatori offrono caratteristiche eccezionali di energia-peso – vedi Figura 1 – e stanno diventando un’opzione emergente per le applicazioni di stoccaggio dell’energia nei trasporti. Con le loro caratteristiche di alta densità di potenza, carica rapida e alta corrente di scarica, gli ultracondensatori soddisfano la domanda per l’avvio del motore, una capacità di carico di picco e lo stoccaggio di energia rigenerativa.
Gli ultracapacitori e la loro idoneità per i sistemi di trasporto
I supercondensatori e gli ultracondensatori sono condensatori ad alta capacità con valori di capacità di decine e centinaia di Farad. Una gamma di capacità degli ultracondensatori si estende tipicamente fino a migliaia di Farad. Si comportano come qualsiasi condensatore elettrolitico ordinario, come la capacità di caricare e scaricare rapidamente. Tuttavia, la loro bassa resistenza interna e la capacità di immagazzinare energia li rendono più simili a una batteria ricaricabile. Per questo motivo, gli ultracapacitori stanno diventando rapidamente un mezzo di immagazzinamento di energia praticabile, potenzialmente in grado di sostituire le batterie convenzionali in alcuni casi d’uso.
Gli ultracondensatori del fornitore specializzato Supreme Power Solutions (SPSCAP) utilizzano un rivestimento in carbonio attivo e un elettrolita organico.
Questo approccio produce un condensatore con alta capacità, bassa resistenza interna, basse perdite e caratteristiche di alta affidabilità. L’alta superficie di un elettrodo di carbone attivo poroso e la separazione della carica da un sottile strato di elettrolita creano un condensatore elettrico a doppio strato.
I casi di utilizzo degli ultracapacitori nel settore dei trasporti includono:
- Sistemi di recupero dell’energia di frenata per treni della metropolitana e tram leggeri.
- Integrazione con le batterie per alte prestazioni.
- Avvio a bassa temperatura delle locomotive diesel.
- Bilanciamento del carico per unità di azionamento di più vagoni durante l’accelerazione rapida.
Per l’avvio del motore, gli ultracapacitori possono fornire la capacità di carico di picco istantaneo necessaria per avviare un motore diesel, prolungando la durata della batteria e riducendo i costi di manutenzione e sostituzione.
Esempi di ultracondensatori di SPSCAP includono le serie SCE e SCP di componenti cilindrici a bassa ESR e ad alto duty cycle.
La serie SCE – vedi Figura 2 – presenta capacità nella gamma da 100 F a 800 F, con opzioni di terminazioni saldabili o filettate su un’estremità. Con le loro dimensioni compatte, i progettisti di sistemi di alimentazione possono combinarli in configurazioni in serie e in parallelo per formare alimentatori di backup per fornire potenza istantanea.
Un esempio è dato daSCE0360C0, un ultracapacitore da 360 F, 2,7 V che misura 35 mm x 62 mm e ha una ESR di max. 3,2 mOhm.
Un esempio della serie SCP – vedi Figura 3 – è dato da SCP2000C0, un ultracapacitore da 2000 F, 2,7 V. Con terminazioni saldabili ad entrambe le estremità e un ciclo di lavoro di oltre 1.000.000, è adatto a soluzioni di recupero dell’energia, all’avviamento del motore della locomotiva e ai treni a trazione ibrida. L’SCP2000 misura 60,8 mm x 108,4 mm e pesa 402 g. Può funzionare nell’intervallo di temperatura da -40 °C a + 65 °C. La corrente di picco massima è di oltre 2000 A, e la massima capacità di corrente continua a ∆40 °C (aumento di temperatura 40 °C) è di 208 A.
Le recenti aggiunte alla linea di ultracapacitori SPSCAP includono gli ultracapacitori CDCL e CDCM. I nuovi prodotti comprendono una gamma di diversi valori di capacità, una tensione di lavoro di 2,85 VDC e dimensioni compatte. Per esempio, la famiglia CDCL consiste di cinque ultracondensatori con valori di 650 F, 1200 F, 1500 F e 3000 F.
Per le applicazioni più diffuse, come l’avviamento del motore a bassa temperatura, un modulo ultracapacitore già assemblato fornisce un metodo di implementazione rapido e semplice. Un esempio è l’MDLC0300C0, un 300F 24 V costruito in un robusto profilo stile batteria IP65. Questa unità può funzionare fino a -40 gradi C e può fornire una potenza massima di avvio di picco di 45 kW.
Ultracapacitori; fornire scelte compatte di stoccaggio di energia ad alta densità per il trasporto
Mentre il futuro del nostro ecosistema di mobilità e trasporto diventa più diversificato, la necessità di una lunga durata, di una ricarica rapida e di uno stoccaggio ad alta densità di energia non è mai stata così grande.
Gli ultracapacitori sono diventati rapidamente un valido metodo di immagazzinamento dell’energia per la fornitura istantanea di energia per il controllo della trazione, il recupero dell’energia e le applicazioni di avvio del motore. Possono integrare le installazioni di batterie esistenti per il carico di picco e i casi d’uso di bilanciamento del carico multiplo o diventare la fonte di alimentazione primaria per una serie di sistemi di bordo.
