Ultrakondensatorer erbjuder flexibilitet för kraftleverans för krävande transportapplikationer

Att tillhandahålla kraft för transportapplikationer innebär flera tekniska utmaningar. Batterier har länge varit den valda kraftkällan för motorstart. Även om konventionella blybatterier en gång var den enda tillgängliga typen, har nya innovationer som omfattar olika kemiska kombinationer och konstruktionsmetoder avsevärt förbättrat effekttätheten och minskat deras vikt.

Moderna spårvagnar och tåg för kollektivtrafik har ytterligare ökat kraven på kraftleverans på grund av det ökande utbudet av information ombord och Wi-Fi-anslutningssystem. Då många spårfordon övergår till en helelektrisk drivlina ökar behoven ytterligare. Driftsmiljön erbjuder också många utmaningar, som involverar motorer som startas vid låga temperaturer, en utmaning för de flesta batteriteknologier.

Den här artikeln undersöker hur ultrakondensatorer utgör en livskraftig och kompletterande energikälla för transporttillämpningar.

Mångfald av masstransportsystem

Vårt samhälle blir allt mer medvetet om energianvändning och hur vi tar oss från A till B. Nya nät för spårväg, bussar och kollektivtrafik samt befintlig järnvägsinfrastruktur upplever betydande investeringar när konsumenter letar efter ett alternativ till överbelastade vägar.

De flesta större tätorter har antingen implementerat eller planerat nya kollektivtrafiksystem som hjälper till att lindra trafikstockningar och minska föroreningarna.

Att designa energieffektiva, eleganta och snabba kollektivtrafikfordon kräver balansering av dragkraft och energilagringskomponenternas totala vikt samt lastkapacitet.

Kraftleveransutmaningar

Batterier ger en idealisk källa för energirörlighet; Men för moderna och krävande transportapplikationer uppfyller de inte alltid alla krav. För att klara hög toppströmsbelastning krävs fler batterier än under normala driftsbelastningsförhållanden, vilket tillför mer vikt och ökad laddningstid. Banker med batterier är skrymmande och behöver avsevärd laddningstid, vilket påverkar drifttillgängligheten. Batterier är också begränsade av omgivningstemperatur, särskilt vid extrema låg och hög temperatur.

Vissa batteritekniker laddas också långsamt ur på plats på grund av deras interna ekvivalenta serieresistans (ESR). ESR är även en faktor som begränsar den maximala mängden ström de kan leverera och resulterar i uppvärmning i batteriet.

En ytterligare aspekt av batterier är deras livscykel. Under sitt aktiva liv kräver de också kontroll och rutinunderhåll. De har vanligtvis en begränsad livslängd, varefter deras förmåga att lagra full laddning och leverera full last minskar avsevärt.

Ett ytterligare övervägande när du arbetar med batterier är deras begränsning vid låga temperaturer. De förlorar sin kapacitet när temperaturen sjunker och blir obrukbara vid extremt kalla förhållanden.

För en eldriven buss eller spårvagn är det batterikapaciteten som avgör drifträckvidden. Den räckvidden kan utökas med regenerativa bromskoncept genom att ta energi från drivmotorerna när fordonet retarderar. En betydande mängd energi genereras, om än under en relativt kort period. För att dra full nytta av denna metod för energigenerering krävs en metod för att snabbt lagra den.

Figur 1 visar prestandan hos egenskaper hos bly respektive litiumjonbatterier jämfört med en ultrakondensator.

Figur 1 – Jämförelse av två populära transportbatteriteknologier och en ultrakondensator (källa Supreme Power Solutions)

Nya innovationer inom kondensatorteknologi har lett till utformningen av relativt kompakta kondensatorer med höga kapacitansvärden, kallade superkondensatorer och ultrakondensatorer. Dessa kondensatorer erbjuder exceptionella energi-vikt-egenskaper – se figur 1 – och håller på att bli ett framväxande alternativ för lagring av energi inom transport. Med sin höga effekttäthet, snabba laddning och höga urladdningsströmegenskaper möter ultrakondensatorer kraven på motorstart, toppbelastningskapacitet och regenerativ energilagring.

Ultrakondensatorer och deras lämplighet för transportsystem

Superkondensatorer och ultrakondensatorer är högkapacitetskondensatorer med kapacitansvärden på tiotals eller hundratals Farad. Kapacitansområdet för ultrakondensatorer sträcker sig vanligtvis längre, till tusentals Farad. De uppför sig som vilken vanlig elektrolytkondensator som helst, till exempel förmågan att snabbt ladda upp och ladda ur. Men deras låga interna resistans och energilagringsförmåga gör dem mer likt ett uppladdningsbart batteri. På grund av detta håller ultrakondensatorer snabbt på att bli ett livskraftigt energilagringsmedium, som potentiellt kan ersätta konventionella batterier i vissa användningsfall.

Ultrakondensatorer från specialistleverantören Supreme Power Solutions (SPSCAP) använder en beläggning av aktivt kol och organisk elektrolyt.

Detta tillvägagångssätt ger en kondensator med hög kapacitet, låg intern resistans, lågt läckage och hög tillförlitlighet. En porös elektrod med aktivt kol har stor yta och hög laddningsseparation genom ett tunt elektrolytskikt och skapar en elektrisk dubbelskiktskondensator.

Transportanvändningsfall för ultrakondensatorer inkluderar:

  • System för återvinning av bromsenergi för tunnelbanetåg och spårvagnar.
  • Integrering med batterier för hög prestanda.
  • Lågtemperaturstart för diesellok.
  • Lastbalansering för flera vagnsdrivenheter under snabb acceleration.

För motorstart kan ultrakondensatorer leverera den omedelbara toppbelastningskapacitet som krävs för att starta en dieselmotor, vilket förlänger batteriets livslängd och minskar kostnaderna för underhåll och utbyte.

Exempel på ultrakondensatorer från SPSCAP inkluderar SCE- och SCP-serierna med lågt ESR, cylindriska delar med hög driftcykel.

SCE-serien – se figur 2 – har kapacitans i intervallet 100 F till 800 F, med varianter för svetsbara eller gängade avslutningar i ena änden. Med sina kompakta dimensioner kan formgivare av kraftsystem kombinera dem i seriella och parallella konfigurationer för att bilda reservströmförsörjning för att leverera omedelbar ström.

Figur 2 – SCE-serien ultrakondensatorer från SPSCAP (källa SPSCAP)

Ett exempel är SCE0360C0, en 360 F, 2.7 V-ultrakondensator som mäter 35 x 62 mm och har ESR på max. 3.2 mOhm.

Figur 3 – SCP-serien ultrakondensatorer från SPSCAP (källa SPSCAP)

Ett exempel från SCP-serien – se figur 3 – är SCP2000C0, en 2000 F, 2.7 V-ultrakondensator. Med svetsbar terminering i bägge ändar och en arbetscykel på över 1 000 000, passar den energiåtervinningslösningar, lokmotorstart och hybriddrivlinor. SCP2000 mäter 60.8 mm x 108.4 mm och väger 402 g. Den har arbetstemperaturintervall från -40 °C till +65 °C. Maximal toppström är över 2000 A, och den maximala kontinuerliga strömkapaciteten vid ∆40 °C (temperaturökning 40 °C) är 208 A.

Nya utökningar till SPSCAP-serien ultrakondensatorer inkluderar CDCL– och CDCM-ultrakondensatorer. De nya produkterna omfattar en rad olika kapacitansvärden, 2.85 VDC arbetsspänning och kompakta dimensioner. Till exempel består CDCL-familjen av fem ultrakondensatorer med värdena 650 F, 1200 F, 1500 F och 3000 F.

För populära applikationer, såsom lågtemperaturmotorstart, ger en färdigmonterad ultrakondensatormodul en snabb och enkel metod för implementering. Ett exempel är MDLC0300C0, 300 F, 24 V konstruerad i en robust IP65 batteriliknande profil. Denna enhet kan arbeta ner till -40 grader C och kan leverera en maximal starteffekt på 45 kW.

Ultrakondensatorer; levererar kompakta energilagringsalternativ med hög densitet för transport

När framtiden för vårt ekosystem för mobilitet och transportsystem blir mer mångsidig, har behovet av lång livslängd, snabb laddning, lagring med hög energitäthet aldrig varit större.

Ultrakondensatorer har snabbt blivit en användbar energilagringsmetod för omedelbar kraftleverans för dragkontroll, energiåtervinning och motorstartapplikationer. De kan komplettera befintliga batteriinstallationer för toppbelastning och multipel lastbalansering, eller bli den primära strömkällan för en mängd system ombord.

Total
0
Shares
Tidigare inlägg

FESTO Lösningar för automation inom biltillverkning

Nästa inlägg
Industry 4.0. Industrirobotarm som håller 4.0-konceptet.

Hur flyttar Eaton gränserna i industri 4.0 med sina kontrolllösningar?

Relaterade inlägg