Конденсаторные пусковые устройства

В последние годы на современных легковых автомобилях стали устанавливаться конденсаторные пусковые устройства, работающие совместно с классической аккумуляторной системой пуска. Это стало возможным благодаря разработке электрохимических импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости, которые оказались удобным средством хранения электрической энергии на борту автомобиля и получили название суперконденсаторов.

Устройство, работа, характеристики

Главное преимущество суперконденсатора состоит в уникальной способности накапливать электрический заряд сверхвысокой плотности до 10 раз выше, чем в классических электролитических конденсаторах, и этим обеспечивать мощность импульсного разряда на стартерный электродвигатель с многократным превышением по сравнению с аккумуляторной батареей.
Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя у каждой электродной пластины конденсатора. Двойной слой образован поверхностью металлического электрода и слоем "прилипших" к нему ионов электролита (см. рис. 1) [1].

 

Рис. 1. Устройство суперконденсатора:

1 - отрицательный и положительный электроды, 2 - ионы электролита, 3 - область двойного электрического слоя

Такой электрический слой можно рассматривать как плоский конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Так как расстояние между заряженной поверхностью металлического электрода и слоем ионов измеряется ангстремами (10~10 м), а величина поверхности проводника электрода (например, активированного угля) достигает 1500...2000 м2/г, то емкость электрохимического конденсатора с угольными электродами массой 1 г может составлять 100...300 Ф.
Устойчивое(рабочее) напряжение отдельного элемента электрохимического конденсатора обычно лежит в пределах 1,2...3 В. Оно ограничено величиной, при которой на электродах возникает процесс электролиза, который зависит от природы электролита.
Типичная, наиболее часто применяющаяся конструкция электрохимического конденсатора с двойным электрическим слоем - это так называемый "симметричный" плоский суперконденсатор, в котором положительный и отрицательный электроды имеют одинаковые размеры, выполнены из одного и того же материала (в большинстве случаев из активированного пористого углерода), а прилегающие слои имеют одинаковую емкость (рис. 1).
Из рисунка очевидно, что электрохимический конденсатор представляет собой систему, состоящую из двух электродов, помещенных в электролит. В этом случае двойной электрический слой на поверхности каждого электрода является отдельным конденсатором. Между собой они соединены последовательно через электролит, который обладает ионной проводимостью. Упрощенная эквивалентная электрическая схема такого конденсатора выглядит так, как показано на рис. 2.

 

Рис. 2. Эквивалентная схема суперконденсатора

Здесь С, - емкость двойного электрического слоя отрицательного электрода; С2 - емкость двойного электрического слоя положительного электрода; RESR - эквивалентное последовательное сопротивление электролита и материалов электродов.
Принимая во внимание последовательное соединение емкостей, образованных двойными электрическими слоями на отрицательном и положительном электродах, емкость электрохимического конденсатора С определяется по формуле:

 

В случае симметричной конструкции, когда емкости, образованные двойными электрическими слоями обоих электродов, одинаковые, т.е. С1 = С2, суммарная емкость всего конденсатора будет равна 0,5 С.
Таким образом, при равных массах положительного и отрицательного электродов емкость симметричного конденсатора равна половине емкости двойного электрического слоя у одного электрода.
Разработан ряд асимметричных электрохимических конденсаторов, в которых один электрод (чаще всего отрицательный) выполнен из активированного углерод ного материала и является поляризуемым, а на другом электроде в процессе зарядно-разрядного цикла происходят фарадеевские накопительные процессы (неполя-ризуемый электрод). Обычно емкость такого положительного электрода более чем на порядок превышает емкость отрицательного электрода при одинаковых их размерах. Ясно, что в этом случае суммарная емкость конденсатора приближается к емкости поляризуемого электрода: С = С1, т.е. увеличивается почти в два раза по сравнению с конденсатором симметричной конструкции. Помимо этого, применение "асимметричной" конструкции позволяет несколько повысить рабочее напряжение, что с учетом квадратичной зависимости накопленной энергии от напряжения является важным.
В настоящее время в качестве электродов в суперконденсаторах используется большое количество различных металлов и их окислов с целью достижения максимальных энергетических показателей и ресурса.
В электрохимических конденсаторах используют водные и органические электролиты. Водные электролиты более дешевые, просты в обращении, не загрязняют окружающую среду. Органические электролиты позволяют увеличить рабочее напряжение конденсатооа и, соответственно, удельную запасаемую энергию, однако являются дорогими, сложными при использовании в процессе производства при повреждениях небезопасными в экологическом отношении.
При повышении напряжения выше допустимого в электрохимических конденсаторах электрического пробоя не происходит, что выгодно отличает их от классических конденсаторов, но начинается процесс разложения электролита, что также недопустимо. В случае применения органических электролитов работа при повышенном напряжении приводит к снижению накопительных свойств конденсатора.
Суперконденсаторы имеют бопьшой срок службы, обусловлен-ый отсутствием химических процессов, которые в обычных ак-"ум> л отарах приводят к постелен-чем. снижению их характеристик. В nccLecce эксплуатации и хранения электрохимические конденсаторы не требуют обслуживания, работоспособны в широком интервале температур. Большинство суперконденсаторов имеют низкий саморазряд, что позволяет применять их в буферных системах.

Рис. 3. Характеристики суперконденсаторов

Энергия, запасаемая суперконденсаторами, может достигать 50...60 Дж/г, а мощность - 3...5 кВт/кг.
На рис. 3 показано положение, занимаемое традиционными конденсаторами, аккумуляторами и суперконденсаторами в зависимости от их удельных характеристик по графику Ragony.
Графики Ragony показывают величину отдаваемой суперконденсатором энергии при различной мощности разряда и используются для сравнения характеристик различных суперконденсаторов.
Суперконденсаторы, обладая высокой отдачей по мощности и коротким временем заряда, наиболее эффективно используются в системах электростартерного пуска, в которых применяются высокоскоростные электродвигатели.
Конденсаторные модули могут использоваться для пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) совместно с аккумуляторной батареей или без нее. Они являются эффективным средством для надежного пуска двигателей при низких температурах, а также в случае значительно разряженной аккумуляторной батареи.
В табл. 1 приведены характеристики суперконденсаторов российского производителя ЗАО "ЭЛИТ" для 12 В пусковых систем.

Помимо бортовых пусковых устройств на суперконденсаторах разработаны и применяются подобные переносные пусковые устройства для использования на автопредприятиях. Они обычно подключаются к промышленной электросети, но могут заряжаться и от автомобильной аккумуляторной батареи. Благодаря малому времени заряда переносные пускатели позволяют осуществить за короткое время большое количество запусков холодных двигателей.
В табл. 2 приведены характеристики некоторых серийных переносных суперконденсаторных пусковых устройств российских фирм.

Все мировые автопроизводители, а также ряд специализированных компаний в настоящий момент ведут разработку и производство гибридного автотранспорта. В этой связи отметим, что из всех накопителей энергии, предлагаемых в настоящее время для систем рекуперации в энергоустановках для гибридного электромобиля, наиболее приемлемыми являются накопители на базе суперконденсаторов [2].
Упрощенная схема суперконденсаторного пускового устройства
Для суперконденсаторного пускового устройства легкового автомобиля с бортовой сетью напряжением 12 В (например, ВАЗ) может быть применен конденсатор 12ПП-15/0,002 емкостью 216 Ф (см. табл. 1).
Упрощенная схема пускового устройства с таким конденсатором показана на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная схема суперконденсаторного пускового устройства

Пусковое устройство имеет три клеммы для подключения к бортовой сети автомобиля - две силовых клеммы 1 и 2 и одну (клемма 3) - слаботочную, для управления. Клеммы 1 и 2 подключаются к "+" и•"-" аккумуляторной батареи. Клемма 3 подключается к замку зажигания Кс, и при включении зажигания на этой клемме появляется напряжение 12 В. При этом контактор К1 срабатывает и его управляющий ключ К1.1 замыкается. Когда же зажигание выключено ключ К1.1 разомкнут.
Тогда, при неработающем двигателе суперконденсатор С подключен к аккумуляторной батарее В1 посредством резистора Rc. Через этот резистор постоянно протекает незначительный ток подзаряда (единицы мА) конденсатора С, что поддерживает его в почти полностью заряженном состоянии. При включении зажигания контактор К1 замыкает ключ К1.1 и подключает конденсатор С непосредственно к батарее В1. Конденсатор полностью заряжается до напряжения батареи и через 3-5 секунд устройство готово к пуску двигателя. При запуске двигателя, вследствие того, что внутреннее сопротивление конденсатора С намного меньше, чем у АКБ, конденсатор берет на себя основную токовую нагрузку в первые 4-5 секунд пуска.
Наиболее эффективно конденсаторная система пуска работает совместно со стартерным электродвигателем, имеющим жесткую механическую характеристику. При этом первоначальный ток разряда пускового конденсатора может достигать нескольких сот ампер.
Очевидно, что управляющий ключ К1.1 должен пропускать огромный пусковой ток и поэтому он выполняется на мощном силовом транзисторе типа БТИЗ.

Заметим, что схема на рис. 4 не является принципиальной, и предназначена только для пояснения принципа действия конденсаторного пускового устройства.

Литература

1. Соснин Д.А. Автотроника. Учебное пособие. М.: СОЛОН-Р, 2005, 272 с.
2. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. Учебное пособие. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005, 240 с.

Автор: Вадим Яковлев, Дмитрий Соснин, Михаил Митин (г. Москва)

Источник: Ремонт и сервис