Strømforsyning for transportapplikasjoner skaper mange teknologiske utfordringer. Batterier har lenge vært den eneste energikilden for motorstart. Blybatterier lenge har vært det eneste tilgjengelige alternativet, men vi ser nå nye variasjoner av ulike kjemiske kombinasjoner og produksjonsmetoder som har forbedret energitettheten og redusert vekten på disse.
Som en følge av økende ombordsinformasjon og Wi-Fi-tilkoblinger har moderne trikker og tog vært med på å øke kravene til strømkapasitet på disse batteriene. Ettersom flere tog blir hel-elektriske har dette behovet fortsatt og økt. Driftsmiljøet byr også på sine egne utfordringer, og disse er ofte knyttet til motoroppstart ved lave temperaturforhold – en utfordring for de fleste batteriteknologier.
I denne artikkelen ser vi nærmere på hvordan ultrakondensatorer kan være en bærekraftig og komplementær energikilde for ulike bruksområder innen transport.
UIike massetransportsystemer
I dag er vi mer og mer klar over vår energibruk og hvordan vi kommer oss fra A til B. Store investeringer blir pumpet inn i i nye lettbaner for jernbanestransport, busser og offentlig transportsystemer, samt i eksisterende jernebanestruktur, fordi kunder vil ha alternativer til trafikkaoset på veiene.
De fleste tettsteder har enten implementert eller planlagt nye offentlig transportsystem for å redusere trafikkaos i byene og for å redusere forurensing.
Design av slanke, raske, energibesparende transportkjøretøy bestemmer trekkraften, totalvekt og bæreevne til energilagringskomponentene.
Strømforsyningenes utfordringer
Batterier er en ideell kilde til energimobilitet, men de kan ikke alltid tilfredstille kravene som settes av krevende og moderne transportapplikasjoner. For å kunne passe toppstrømbelastninger kreves det ofte flere batterier enn normale belastningsforhold, noe som legger til mer vekt og øker ladetiden. Batteristrømbanker er ofte store og trenger betydelig lenger ladetid, noe som igjen påvirker den operasjonelle tilgjengeligheten. Batteriene er også begrenset av omgivelsestemperatur, spesielt ved lave og høye temperaturer.
Som en følge av batterienes interne ekvivalente serieresistans (ESR) kan noen av batteriene sakte selv-utlades. ESR er også med på å begrense maksimumsnivået en strøm kan levere, noe som resulterer i at batteriet varmes opp.
En annen ting å tenke på når det kommer til batteri er deres livssyklus. Sjekk og rutinevedlikehold er nødvendig. Typisk har de begrenset driftslivstid, og egenskapene for å lagre en fullstendig ladning og levere en full belastning blir etterhvert betydelig redusert.
Et annet viktig aspekt er begrensningene de har i lave temperaturområder. De mister kapasiteten sin når temperaturen synker og de kan ikke brukes i ekstrem kulde.
For elektriske busser og trikker vil batterikapasiteten bestemme operasjonsrekkevidden. Rekkevidden kan utvides med regenerative bremsekonsepter som henter energi fra drivemotorer når kjøretøyet bremser. En betydelig mengde energi produsereres over en relativt kort periode. For å kunne dra nytte av denne metoden trenger man en prosess som raskt lagrer energien som produseres.
Figur 1 viser ytelsen av blybatteri og litium ion-batterier sammenlignet med en ultrakondensator.
Nyere innovasjoner i kondensatorteknologi har ført til design av relativt kompakte kondensatorer med høy kapistansverdi, såkalte superkondensatorer eller ultrakondensatorer. Disse kondensatorene har eksepsjonelle energi-til-vekt-karakteristikker (se figur 1) og de har blitt et alternativ for energilagringssapplikasjoner innen transport. Med deres høye strømtetthet, rask ladning og høy strømutladningsegenskaper, kan ultrakondensatorer tilfredsstille behovet for motorstart, toppbelastningfunksjoner og regenerativ energiladning.
Ultrakondensatorer er godt egnet for transportystemer
Ultrakondensatorer er høyfunksjonskondensatorer med kapistanseverdier i flere titalls og hundretalls farad. En ultrakondensators kapistanserekkevidde er på flere tusen farad. De oppfører seg som vanlige elektrolyttkondensatorer, som har muligheten til å raskt lade og utlade. Men, med en lav intern resistans og energiladningsfunksjon kan de minne om et ladbart batteri. Dette er grunnen til at ultrakondensatorer raskt har utviklet seg til på bli et levedyktig enerilagrinsmedium som i noen tilfeller har potensiale til å erstatte tradisjonelle batterier.
Ultrakondensatorer, fra spesialistleverandøren Supreme Power Solutions (SPSCAP), har en aktivert karbonbekledning og en organiske elektrolytter.
Denne tilnærmingen gir en kondensator med høy ytelse, lav inter resistans, lav lekkasje og pålitelige karakteristikker. En porøs, aktivert karbonelektrolytts høye overflateområde og ladeoperasjon ved et tynt lag elektrolytter lager et elektrisk dobbeltlag for kondensatoren.
Ultrakondensatorens ulike bruksområder innen transport er:
- Gjenvinningssystem ved bremsing for undergrunnstog og lettjerntrikker.
- Integrering av batterier med høy ytelse.
- Motorstart i lave temperaturer for dieseltog.
- Lastbalanse for flere vogner ved høy akselerasjon.
Ved motorstart kan ultrakondensatoren bidra med umiddelbare belastningsfunksjoner for å kunne starte en dieselmotor, forlenge batteriets levetid og redusere vedlikeholds- og erstatningskostnader.
Eksempler på ultrakondensatorer fra SPSCAP inneholder SCE- og SCP-serien og har lav ESR, sylinderform og kraftige syklusdeler.
SCE-serien (se figur 2) har en kapsistansrekkevidde på mellom 100 F til 800 F, med muligheter for sveisebare eller gjengede terminaler på en ende. På grunn av deres kompake dimensjoner kan disse kombineres i serier eller parallelle konfigurasjoner for å danne reservestrømforsyninger som leverer umiddelbar strøm.
Et eksempel er SCE0360C0, en ultrakondensator med 360 F, 2.7 V, som måler 35 mm x 62 mm og har en ESR på maks. 3.2 mOhm.
Et eksempel fra SCP-serien (se figur 3) er SCP2000C0, en ultrakondensator med 2000 F og 2.7 V. Den har sveisebare terminaler ved begge ender og med en driftssyklus på over 1000000 passer den for energigjenvinningsløsninger, motorstart for tog og hybridtog. SCP2000 har mål på 60.8 mm x 108.4 mm, og veier 402 g. Den fungerer ved temperaturer fra – 40 °C til + 65 °C. Maksimal belastningsstrøm er på over 2000 A og maks. kontiunerlig strøm på ∆40 °C (temperaturøkning 40 °C) er 208 A.
Nyheter i SPSCAP-serien inneholder CDCL og CDCM-ultrakondensatorer. De nye produktene har utbredet rekkevidde for kapistansverdi, 2.85 VDC arbeidsspenning, og kompakte dimensjoner. For eksempel, CDCL-familien består av fem ultrakondensatorer med verdier på 650 F, 1200 F, 1500 F og 3000 F.
For vanlige applikasjoner, som motorstart i lave temperaturerr, kan en ferdigmontert ultrakondensatormodul bidra til rask og enkel oppstart. Et eksempel er MDLC0300C0, en 300 F, 24 V, designet i en robust IP65 batteriprofil. Enheten kan fungere i temperaturer ned til -40 °C og levere en maksimum oppstarteffektskapasitet på 45 kW.
Ultrakondensatorer; et naturlig valg for kompakt energilagring med høy tetthet for transport.
Ettersom mobilitet og transportsystemer stadig er i utvikling, vokser også behovet for høyenergilagring med langt liv og rask ladning.
Ultrakondensatorer har raskt blitt en bærekraftig energisparingsmetode for umiddelbar strømlevering for trekkraft, energigjenvinning og motorstartapplikasjoner. De kan være med på hjelpe eksisterende batterinnstallasjoner for toppbelastning og for bruk i flere belastningsbalanseringer, eller de kan være strømhovedkilden for flere ombordsystemer.
