автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение надежности транспортных электрохимических генераторов при использовании суперконденсаторов

На правах рукописи

НОВИКОВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

Повышение надежности транспортных электрохимических генераторов при использовании суперконденсаторов

Специальность 05.20.03 — Технологии и средства технического обслуживания

в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2006

Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Дидманидзе Отари Назирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Конкин Михаил Юрьевич

доктор технических наук, профессор Варнаков Валерий Валентинович

Ведущая организация:

Многопрофильное научно-техническое и производственно-коммерческое общество (МНПО) «Эконд»

Защита диссертации состоится 25 декабря 2006 г. в а часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.01 при ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, Москва, Тимирязевская, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина».

Автореферат разослан и размещен на сайте www.msau.ru «¿2 » ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

¡¡-■•'^ Левшин А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы - К источникам энергии в тяговО-транспортных средствах предъявляются требования, которые не все электрохимические генераторы (ЭХГ) могут удовлетворить. К ним следует отнести необходимость быстрого запуска системы, изменения мощности в широком интервале при относительно малом изменении напряжения. Такие требования способны удовлетворять суперконденсаторы, которые можно запустить мгновенно для восприятия больших перегрузок. Однако в отличие от ЭХГ суперконденсаторы имеют большую массу на единицу энергии и в режиме длительной работы существенно увеличивают массу всей системы.

Благодаря наличию батареи суперконденсаторов сужаются рабочие пределы мощности батареи топливных элементов (ТЭ), стабилизируется выходное напряжение энергоустановки, предотвращаются перегрузки батареи ТЭ и соответственно увеличивается ее ресурс.

Исходя из этого, исследования совместного функционирования суперконденсатора и ЭХГ на тягово-транспортных средствах являются актуальными.

Цель работы — повышение эффективности и надежности функционирования транспортных электрохимических генераторов при использовании суперконденсаторов в качестве преобразователя мощности.

Объект исследования — система тягового электропривода гибридных тягово-транспортных средств, электрохимический генератор, суперконденсатор.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались с использованием методов теории математического моделирования и статистики с использованием ПК. Основные теоретические результаты исследования сопоставлялись с данными сертифицированной компьютерной модели.

Научная новизна. Процесс совместного функционирования электрохимического генератора с суперконденсатором с разработкой математической модели электрохимического источника тока в различных режимах работы.

Практическая ценность. По результатам теоретических исследований разработана инженерная методика синтеза системы тягового электропривода с комбинированной энергоустановкой (КЭУ).

Полученные в результате исследования математические модели позволяют обосновать выбор мощности и энергоемкости элементов тягового электропривода с комбинированной энергоустановкой.

Полученные пределы устойчивости позволяют правильно выбрать параметры тягового привода при проектировании гибридных тягово-транспортных средств.

Создан макетный образец системы тягового электропривода с электрохимическим генератором и суперконденсатором.

Реализация результатов работы. Результаты исследований переданы проектирующим организациям в виде технической документации и макетного образца энергоустановки. Алгоритмы управления приняты к внедрению в опытно-конструкторских организациях.

Публикации. Результаты исследования опубликованы в 1 научной статье, получено 3 патента на полезные модели, издано руководство по диагностике и ремонту комбинированной энергоустановки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Изложена на 185 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков, 28 таблиц и библиографический список из 201 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность темы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» проведен анализ литературных источников из которых установлено, что:

Гибридная технология уменьшает расход топлива и количество вредных выбросов до 2-х и 10 раз соответственно и позволяет увеличить динамику транспортного средства.

Для компенсации динамической мощности в гибридных транспортных средствах целесообразно использование суперконденсаторов. Единственным фактором, сдерживающим широкое использование суперконденсаторов является их высокая цена (объем производства суперконденсаторов на несколько порядков меньше чем например, никель-металлогидридных аккумуляторов).

Гибридная технология приводит к электрификации автомобиля (стандартный автомобиль — Prius NHW10 - Prius NHW20), что облегчает и удешевляет их перевод на ЭХГ. Неоднократно доказала практика ведущих фирм, после отработки основных узлов на конверсионных электромобилях разрабатываются концептуальные модели, которые и ставятся на производство. Электромобиль является новым транспортным средством, существенно отличающийся по компоновке, по конструкции, использованию более высокой, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, управляемости тягового электропривода, позволяет достичь совершенно другого уровня управляемости транспортного средства и безопасности движения.

При использовании батареи суперконденсаторов увеличиваются рабочие пределы мощности батареи ЭХГ, стабилизируется выходное напряжение энергоустановки, предотвращаются перегрузки ЭХГ и соответственно увеличивается ее ресурс.

На основе изложенного сформулированы задачи исследования: 1 Разработать обобщенную математическую модель КЭУ, включающую ЭХГ с емкостным накопителем энергии.

2 Рассмотреть технические характеристики электрохимического генератора и суперконденсатора в транспортном применении.

3 Разработать математические модели совместного функционирования электрохимического генератора и суперконденсатора в комбинированной энергоустановки.

4 Провести комплексное исследование переходных процессов в электроприводе на базе разработанной модели для установления основных взаимосвязей и закономерностей энергопреобразования и энергообмена в комбинированной энергоустановки для тягово-транспортного средства;

5 Провести расчет эффективности использования проектных предложений на производстве.

В главе 2 «Анализ характеристик электрохимического генератора и суперконденсатора для использования в комбинированных энергоустановках тягово-транспортных средств» приводится анализ режимов работы электрохимического генератора и суперконденсатора.

Различают общую ЭХГ, равную мощности батареи Тэ Ыб, и реальную мощность Nр, которую ЭХГ выдает во внешнюю цепь. Разница между

общей мощностью батареи и реальной мощностью ЭХГ равна мощности ЭХГ, необходимой на собственные нужды:

= (1)

где Nc - мощность, необходимая на собственные нужды ЭХГ.

В мощность, необходимую на собственные нужды, входит мощность насосов для подачи реагентов и отвода продуктов реакции, циркуляции электролитов, мощность вентиляторов, нагревателей, конденсаторов и т.п.:

Реальная мощность ЭХГ в свою очередь равна:

ир = !,им, (2)

где /„ и ин - ток нагрузки и напряжение батареи при нагрузке.

Во многих случаях требуется переменный уровень мощности. При этом напряжение нагрузки обычно изменяется мало, а ток нагрузки может изменяться в значительных пределах. Изменение мощности за счет тока нагрузки при относительно малом изменении напряжения возможно в случае пологой вольтамперной кривой ТЭ. В случае большой поляризации ТЭ изменение невозможно. Увеличение мощности в этом случае может быть достигнуто повышением давления или концентрации реагентов, повышением температуры или введением резервных блоков ТЭ.

Практически все параметры ЭХГ зависят от напряжения ТЭ. С уменьшением напряжения ТЭ до определенных пределов снижаются масса и объем, а также стоимость батареи на единицу энергии, но одновременно растет расход реагентов и их стоимость на единицу энергии, уменьшается к.п.д. ЭХГ. Поэтому существует определенное значение напряжения ТЭ, при котором масса и объем ЭХГ с реагентами, а также стоимость энергии минимальны. В некоторых частных случаях оптимальное напряжение можно найти аналитически.

Обозначим параметр ЭХГ с реагентами (масса, объем, стоимость энергии) через Т.. Параметр ЭХГ с реагентами равен сумме параметров батареи '¿в вспомогательного оборудования 2ЪХ и реагентов 2р:

Рассмотрим работу ЭХГ при постоянной мощности.

= (3)

где К6 - параметр батареи, отнесенный к единице поверхности одноименных электродов.

Например, объемный параметр:

Кб^Ь + веУ,-

Для упрощения принимаем, что параметр вспомогательного оборудования пропорционален параметру батареи

с = ■

Параметр реагентов равен:

Р

где кр - параметр реагентов, отнесенный к единице количества, полученного в ЭХГ.

Таким образом, суммарный параметр ЭХГ с реагентами равен:

ир

(5)

(\ + а,с)Кб

Принимаем, что, связь между напряжением ТЭ и плотностью тока имеет линейный характер. Хотя в общем случае вольтамперная кривая имеет сложную форму, однако в широкой области она может быть в первом приближении линеаризована. Поэтому предположение о линейной связи между напряжением и плотностью тока может быть использовано для большого числа ТЭ

ир-и0-г^т, (6)

где гх - суммарное сопротивление единицы сечения ТЭ;

[Уо - напряжение при Jx — О или напряжение, которое получают при продолжении линейной части вольтамперной кривой до ./г = 0.

Подставив Jr из (6) в (5), получим:

N.

иР

(1+Оа> и0-и„ . р

(7)

Как видно, кривая зависимости параметра Ъ от напряжения ТЭ должна проходить через минимум, значение которого легко найти из производной 2. по напряжению, равной нулю:

иоп/и0^{ку + \-л1ку + \)/к'у, (8)

(9)

где 17оп - оптимальное напряжение ТЭ, при котором параметр ЭХГ минимален;

к , и°к?< у г3Кд(1+а,с)

Назовем ку - характеристикой установки. Из (9) видно, что она равна произведению характеристики батареи и вспомогательного оборудования

Щ

на характеристику реагента k.t.

1,0

0,8

0,6 0,4

тг

kr

0,01 0,1 1.0 10 100 1000 Рис.1 Зависимость приведенного напряжения (С/ = 1!0П /ио) элемента от параметра энергоустановки ку.

Как видно из (8) и рис. 1, при малых значениях характеристики установки ку напряжение при минимальном параметре как и для батареи ТЭ равно U0/ 2. При увеличении характеристики ку напряжение ТЭ при минимальном параметре энергоустановки стремится к С/0, т.е. при высоких значениях ку необходимо работать при малых габаритных плотностях тока.

С увеличением времени работы ЭХГ между заправками топлива растет приведенное напряжение. Как видно из рис. 1 и (8) и (9), приведенное напряжение уменьшается с увеличением параметра Ks. Разность между приведенными напряжениями при различных Кб уменьшается при увеличении времени работы ЭХГ между заправками реагентов. Приведенное напряжение растет с увеличением электрохимического эквивалента, отношения массы вспомогательного оборудования к массе батареи ТЭ и эффективного внутреннего сопротивления ТЭ. Батарея ТЭ при минимальном параметре и длительной работе ЭХГ должна работать при мощности, которая ниже максимальной мощности, так как Uon)U0/2. Оптимальное напряжение можно найти и для работы ЭХГ в режиме переменной мощности. Как показал анализ уравнений, в этом случае при одной и той же энергии, вырабатываемой ЭХГ, параметр ЭХГ в режиме переменной мощности выше параметра ЭХГ в режиме постоянной мощности, т.е. при работе в режиме

переменной мощности увеличиваются объем и масса на единицу энергии и стоимость энергии.

К источникам энергии в некоторых случаях предъявляются требования, которые не все ЭХГ могут удовлетворить. К ним можно отнести необходимость быстрого запуска системы, изменения мощности в широком интервале при относительно малом изменении напряжения и т.п. В то же время таким требованиям могут удовлетворять суперконденсаторы, которые можно запустить немедленно и которые могут принимать на себя большие перегрузки. Однако в отличие от ЭХГ суперконденсаторы имеют большую массу на единицу энергии и в режиме длительной работы существенно увеличивают массу всей системы. Комплекс ЭХГ и суперконденсатор может

Вольтамперная кривая батареи ТЭ обычно идет круче вольтамперной кривой батареи суперконденсаторов (рис. 2), поэтому при малых нагрузках, когда напряжение батареи ТЭ (участок АО) будет выше напряжения батареи суперконденсаторов (участок СО), суперконденсаторы могут заряжаться от батареи ТЭ. В этом случае часть энергии батареи ТЭ расходуется на зарядку суперконденсаторов. При высоких нагрузках (участки ОБ и ОВ) батарея суперконденсаторов подключается на режим разряда, принимая на себя часть нагрузки. Благодаря наличию батареи суперконденсаторов сужаются рабочие пределы мощности батареи ТЭ, стабилизируется выходное напряжение энергоустановки, предотвращаются перегрузки батареи ТЭ и соответственно увеличивается ее ресурс. Кроме того, при наличии батареи суперконденсаторов источник питания может быть подключен в работу мгновенно. Емкость батареи суперконденсаторов определяется либо временем запуска батареи ТЭ, либо временем работы ЭХГ при пиковых нагрузках.

В главе 3 «Математическое моделирование переходных процессов при совместном функционировании электрохимического генератора с суперконденсатором на тягово-транспортном средстве» производится

математическое описание процесса заряда суперконденсатора от электрохимического генератора и разгона тягово-транспортного средства.

Как было отмечено в разделе, мощность, отдаваемая ЭХГ в нагрузку, и его КПД зависят от соотношения сопротивления нагрузки -и внутреннего сопротивления этого источника. С увеличением нагрузки КПД источника монотонно убывает, а мощность достигает максимума при равенстве этих сопротивлений. Между тем, отдаваемую мощность и КПД ЭХГ в области больших нагрузок можно увеличить, если перейти к импульсному питанию нагрузки и использовать промежуточный накопитель энергии.

Г.'

К

С \ ис

1:

Т К»

Рис. 3 Принципиальная электрическая схема

Чтобы установить условия достижения этой цели, рассмотрим схему (рис. 3), где источник постоянного тока представлен эквивалентным двухполюсником А с ЭДС Е и внутренним сопротиглением К. К его клеммам подключен накопитель энергии или суперконденсатор в виде емкости С. Нагрузка представлена сопротивлением Я„. Периодически с периодом Т она подключается на время /„ к источнику посредством ключа К.

В интервалах времени, когда ключ К замкнут, рассматриваемая схема описывается системой уравнений

/•« + »„ -Я, = Е;

и.-К-К =0;

п-Т<(<(п + ч)-Т.

(10)

где <7 = /,/ Т— коэффициент заполнения импульсов; п = 0, 1, 2.....

Когда же ключ К разомкнут, она описывается единственным уравнением

Л с

-Е\

(п + д)Т </<(/ + п)Т. (11)

Решение уравнений (10), (11) для установившегося режима относительно напряжения на емкостном накопителе имеет вид

—(\ + Ae,'Ут"),nT£t<.{n + q)T^, (12)

иг =

с ~ <

а

-а-'.у

£(1 - Ве /7'-),(п + д)Т<1<(п + \)Т,

где Т„ = ЯС— постоянная времени, а — \ +Я/Ян -(Т-'.у -(Т-О-еЮ/

А = (а~1)(1~е /г*)/(1-е /у-);

-в'./ НТ-О-а)!.)/

В = (1-1/о)(1-е А-)/(1-е /5")-

Когда ключ К замкнут, в нагрузку поступает мощность

рн=и^/Ян=Рн(1 + Ае-"т-)\ (13)

где р„ = ЕгЯн /(Я + Ян) - мощность нагрузки при непрерывном питании. Среднее за период значение этой мощности

1'" 1 о

или с учетом (13)

Для достаточно высоких частот переключения ключа К, когда выполняется условие Т«Тн, последнее выражение может быть упрощено

Исследование зависимости мощности . = / Ри от коэффициента заполнения q (рис. 4) показывает, что для всех а >2 (Ян < Я) мощность Рн достигает максимального значения, равного

р. а1

""" 4(а -1)2 (,б)

при коэффициенте заполнения

Как следует из выражения (16), максимальное значение Ртах>1. Это свидетельствует о том, что средняя за период мощность нагрузки в режиме импульсного питания в определенном интервале ц может бьггь больше, чем в режиме непрерывного питания. Указанный эффект усиливается с увеличением нагрузки. Следовательно, при питании от ЭХГ нагрузок, сопротивление которых мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника, увеличить поступающую в нагрузку мощность можно путем перехода к режиму

импульсного питания и применения промежуточного накопителя энергии в виде суперконденсатора.

Другой стороной рассматриваемой проблемы является эффективность передачи энергии от источника к нагрузке в режиме импульсного питания. Для ее оценки определены мощность, развиваемая ЭДС Е источника постоянного тока:

р — Е1 =

Л

Е(С

аис и, Л

),(п + д)Тй(<(п + \)Т.

(18)

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

\ т. = ю.о

\\ 8,0

2,0

0,5

*

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Рис. 4 Зависимости мощности Р„-=РН/Р„ РиС- 5 Зависимости к. п. д. от коэффициента заполнения а источника

С учетом выражения (3)

а/ /Т.

р = Е1 =

£7(1 + (1 - /г / 1))Ае /г\и7" 5 * < (" + ц)Т\

-V-г,)/

Е1сВе /г\(п + д)Т<1^(п + 1)Т, где / = ЕУ (И + Я^); 1С = Е/ Я

Среднее за период значение этой мощности

P'=b\pdt (20)

1 о .

или с учетом (15)

-<щТ/ -П1-?)/

,,•-»,-, <*-W»( 1-е /г-)(1-е

(Ç аТ , *

1-е / •

где Я = El— мощность источника в режиме непрерывного питания.

При условии, что Т«Тт это выражение может быть упрощено

Р=Р-—-. С21)

КПД источника определяется отношением средних значений мощности, развиваемой ЭДС Е, и мощности нагрузки. Использовав выражения (14), (21), получим:

(22)

где 7 = Pi/ Р - КПД источника в режиме непрерывного питания.

Исследование зависимости ц. - rj/ tj = J(q) (рис. 5) показывает, что для всех нагрузок т).>1, т.е. КПД источника в режиме импульсного питания нагрузки больше, чем в режиме непрерывного питания. Этот эффект усиливается с увеличением нагрузки и уменьшением коэффициента заполнения импульсов.

Таким образом, при больших нагрузках (RH < R) переход к режиму импульсного питания с использованием промежуточного накопителя энергии позволяет повысить мощность, отдаваемую в нагрузку источником постоянного тока, и его КПД. Применение такого режима питания, например в автономных электросистемах, даст возможность уменьшить установленную мощность источников и их массу, повысить эффективность передачи энергии. Полученные результаты могут быть также использованы в ключевых преобразователях напряжения при выборе оптимальных режимов работы, обеспечивающих наилучшее согласование источника постоянного тока и нагрузки с точки зрения эффективности передачи энергии.

В главе 4 «Моделирование и экспериментальное исследование гибридного тягово-транспортного средства на базе разработанной математической модели» производилось моделирование работы гибридного тягово-транспортного средства в режимах ездового цикла.

Целью проведения математического моделирования являлось определение требований к параметрам батареи суперконденсаторов.

В таблице представлены основные технические характеристики тягово-транспортного средства (TTC) с КЭУ, которые послужили исходными данными для расчетов.

На рис. 7 представлена принципиальная схема КЭУ в соответствии с которой была составлена концептуальная блок-схема элементов TTC реализованная для моделирования в ADVISER MatLab (рис. 8).

На рис. 6 представлена схема узлов и агрегатов ЭХГ из которой виден принцип его функционирования.

Напряжение, В 400

Сила тока суперконденсатора, А 250

Мощность суперконденсатора, кВт 60

Сила тока ЭХГ, А 250

Мощность ЭХГ, кВт 40

Масса автомобиля, кг 1922

Масса ЭХГ, кг 496

Масса блока суперконденсатора, кг 168

Датчик

Подогрев потока воздуха воздуха

Охлаждающая вода

Силовой привод

Kowçeccop

кшс. /

чи

Водяной

Поток код, j j оДЛж» * Впюькк +* оЭДрсн

Клапан контроля давления

Тяговый электродвигатель

Kotowtii;aT, ЗНЩВВКЬ Лаапмаю

Даяшин«

Янагяостакв

Коктоол» Увошаеп» с сбо&тиоЯ евпью

Рис. 6 Схема функционирования ЭХГ

На рис. 9, 10 представлены результаты моделирования функционирования как ЭХГ, так и батареи сурперконденсаторов. Результаты исследований на компьютерной модели самого TTC при выполнении ездового цикла движения представлены на рис. 9 и 10. Из которых видно, что значительную мощность при разгоне компенсирует блок суперконденсаторов (порядка 150% от мощности ЭХГ) и воспринимает заряд кинетической энергии при торможении TTC, при этом ЭХГ не выдает мощность. На последней диаграмме рис. 10 видно, как блок суперконденсаторов выравнивает падение напряжения на ЭХГ при работе на нагрузку.

Таким образом, полученные результаты исследований свидетельствуют о том, что комбинация источников энергии из ЭХГ и суперконденсатора на борту TTC позволяет преодолеть типовой ездовой цикл движения TTC

Бах с водородом

| Подача

Выход

i----?

воздуха воздуха

Рис. 7 Принципиальная схема КЭУ

«* rod w^rad . i ' *_EM -

w.t3T

ц. dw.fltf -

= ОТ л» EM

dv •T_rari Т„г®сГ T.EM:

. T GI

сад

transmission

MVEG-cycIo

kg COS/100km

Рис. 8 Схема моделирования КЭУ в программе ADVISOR

1.0

0.9

<2* 0.8 а

с М

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3-

ч V ■ ■ »

••■ I >атарея 1 < ) ' 4

■•■ ъатарея 1 • <*• Батарея 5 • ■■•■•■ Батарея 4 ^ Батарея 5 - Батарея 6 —о- Ед. ячейка

20 40 60 80 Сила тока. Л

100

120

Рис. 9 Сила тока/ напряжение единичной ячейки и батареи ТЭ

1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-I-1-I-1-1-1-1—

8 9 10 11 12 13 И 15 16 17 18 19 20 21 22 23 2-4 25 26 27

Рис. 10 Сила шока, напряжение и мощность при 50 кВт разряде суперконденсатора

Врекл, с

Рис. 11 Результаты исследований на компьютерной модели

Ере»*

Рис. 12 Результаты исследований на компьютерной модели

используя при этом недостающую часть мощности ЭХГ, при разгоне, мощность от батареи суперконденсаторов. Одновременно с этим как показано на рис. 12 улучшаются динамические свойства TTC при использовании блока суперконденсаторов. Также возможен режим регенеративного торможения, т.е. в процессе торможения батарея суперконденсаторов способна накопить кинетическую энергию TTC в виде электрической.

Вместе с этим, следует отметить, что указанная комбинация источников энергии и мощности приводит к удешевлению первоначальных затрат, т.к. стоимость каждого кВт мощности ЭХГ значительна больше мощности кВт блока суперконденсаторов. Экономическая же оценка эксплуатации КЭУ приведена в пятой главе.

В главе 5 «Экономическая эффективность совместного использования электрохимического генератора и суперконденсатора в тяговом электроприводе» производился расчет по трем основным факторам, влияющим на экономическую эффективность.

1. Технико-экономическая эффективность в

эксплуатации

Она определяется следующими снижением мощности ЭХГ на базовой TTC и повышение их срока службы.

2. Технико-экономическая эффективность в

народном хозяйстве

Она определяется следующими факторами:

- значительная экономия металла никелевой группы, являющегося стратегическим сырьем;

- экономия электролита;

- улучшение экологии в производстве ЭХГ в связи с экономией металла никелевой группы и электролита.

3. Технико-экономическая эффективность на заводе Она определяется следующим:

- увеличением прибыли завода за счет повышения оптовой и розничной цены, обоснованным новизной системы, улучшенными эксплуатационными качествами TTC и добавлением комплектующих изделий;

- облегчением труда рабочих в связи с уменьшением

массы ЭХГ;

- улучшением экологии на заводе, вызванном уменьшением количества электролита, находящейся на заводе.

Общие выводы

1. В результате теоретического и экспериментального исследования даны рекомендации по увеличению срока службы ЭХГ на 30% при использовании суперконденсаторов в разработанной системе тягового электропривода.

2. Разработаны электрические схемы подключения суперконденсатора к ЭХГ.

3. Представлен баланс потребной мощности энергоисточника. Показана возможность повышения мощности ЭХГ на 40% за счет использование суперконденсатора. Разработана методика обоснования емкости суперконденсатора.

4. Установлено, что в совместной работе ЭХГ и суперкнденсатора, основная нагрузка - 70-80% в течение первых 2-5 секунд разгона TTC падает на суперконденсатор.

5. Применение в системе тягового электропривод суперконденсатора позволит применять ЭХГ уменьшенной мощности в 1,5 — 2 раза.

6. Экономический эффект от внедрения проектных предложений серийно, составит:

- в эксплуатации 29 млн. руб.;

- в народном хозяйстве за счет улучшения экологии 212 млн. руб. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Новиков, Е.В. Электрохимический генератор как бортовой источник энергии системы электрооборудования автомобиля / Новиков Евгений Валерьевич // Ремонт, восстановление, модернизация. 2004. - №12. — С. 30-36.

2. Пат. №42206 Российская Федерация, МПК7 В 60 M 1/00, И 62 D 6/00 Комбинированная энергоустановка сельскохозяйственной техники [Текст] / Новиков Е.В.; заявитель и патентообладатель. 2004.

3. Пат. №41281 Российская Федерация, МПК7 В 60 M 1/00, И 62 D 6/00 Комбинированная энергоустановка [Текст] / Новиков Е.В.; заявитель и патентообладатель. 2004.

4. Пат. №40547 Российская Федерация, МПК7 В 60 M 1/00, И 62 D 6/00 Устройство заряда накопителя энергии при регенеративном торможении [Текст] / Новиков Е.В.; заявитель и патентообладатель.2004.

5. Новиков, Е.В. Руководство по диагностике, ТО и ремонту комбинированной энергоустановки гибридного автомобиля Toyota Prius NHW20 / О.Н Дидманидзе., С.А. Иванов, Я.В. Чупеев, Д.Г. Асадов - М.: Триада, 2006. - 357 с.

Подписано к печати ■ Формат 68x84/16

Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в лаборатории оперативной полиграфии Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина 127550, Москва, Тимирязевская, 58

Сокращения.

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Тенденции развития малозагрязняющих транспортных средств.

1.1.1 Историческое развитие электромобилей.

1.1.2 Оценка влияния доли транспорта на загрязнение окружающей среды.

1.1.3 Оценка эффективности использование энергии электромобилем.

1.1.4 Современные концепции развития электромобилестроения.

1.2 Опыт использования комбинированных энергоустановок на тягово-транспортных средствах.

1.3 Опыт использования суперконденсаторов на тягово-транспортных средствах.

1.4 Опыт использования ЭХГ на транспорте.

1.5 Сравнение ЭХГ с ДВС для транспортных и передвижных установок.

1.6 Технологии энергосбережения и проектирования.

1.7 Цели и задачи исследования.

Глава 2. Анализ характеристик электрохимического генератора и суперконденсатора для использования в комбинированных энергоустановках тягово-транспортных средств.

2.1 Характеристики электрохимического генератора.

2.1.1 Напряжение и вольтамперная характеристика топливного элемента.

2.1.2 Основные характеристики топливных элементов.

2.1.3 Основные системы ЭХГ.

2.1.4 Основные параметры ЭХГ.

2.1.5 Оптимизация напряжения элементов в ЭХГ.

2.2 Характеристика суперконденсатора.

2.2.1 Общие сведения.

2.2.2 Статические энергетические потери.

2.2.3 Динамические энергетические потери.

2.3 Комплекс электрохимического генератора с накопителем энергии в качестве преобразователя мощности.

2.4. Выводы по главе 3.

Глава 3. Математическое моделирование переходных процессов при совместном функционировании электрохимического генератора с суперконденсатором на тягово-транспортном средстве.

3.1 Математическое описание процесса заряда суперконденсатора от электрохимического генератора и разгона тягово-транспортного средства.

3.2 Расчет процессов в системе электропривода

3.2.1 Система электропривода с ЭХГ и суперконденсатором.

3.2.2 Система электропривода с электрохимическим генератором.

3.2.3 Система электропривода с суперконденсатором.

3.3 Расчет параметров суперконденсатора и электрохимического генератора.

3.4 Процесс заряда суперконденсатора при регенеративном торможении.

3.5 Принцип функционирования системы накопления совместно с первичным источником энергии.

3.6 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Моделирование и экспериментальное исследование гибридного тягово-транспортного средства на базе разработанной математической модели.

4.1 Алгоритм работы комбинированной энергоустановки.

4.2 Моделирование работы гибридного тягово-транспортного средства в режимах ездового цикла.

4.2.1 Определение параметров суперконденсаторов.

4.3. Выводы по главе 4.

Глава 5. Экономическая эффективность совместного использования электрохимического генератора и суперконденсатора в тяговом электроприводе.

5.1 Составляющие факторы экономической эффективности.

5.2 Годовая экономическая эффективность в эксплуатации.

5.3 Технико-экономическая эффективность в народном хозяйстве.

5.4 Годовая эффективность за счет улучшения экологии.

5.5 Экономическая эффективность на заводе.

5.3 Выводы по главе 5.

Начиналось все с открытия М. Фарадеем законов электролиза в 1834 году. Он первым провел серию опытов, связанных с прохождением электрического тока через различные электролиты (растворы солей, раствор серной кислоты и другие) и, по существу, создал первый гальванический элемент. Первый же водородно-кислородный топливный элемент (ТЭ) (вернее, его действующая модель) был собран в 1839 году британским судьей Уильямом Гроувом, который свободное время отдавал изобретательству. Исследуя разложение воды на водород и кислород, он обнаружил побочный эффект - электролизер вырабатывал электрический ток.

Химические реакции в ТЭ идут на специальных пористых электродах (аноде и катоде), активированных металлами платиновой группы, где химическая энергия, запасенная в водороде и кислороде, эффективно преобразуется в электрическую энергию. Водород окисляется на аноде, а кислород (или воздух) восстанавливается на катоде.

Катализатор на аноде ускоряет окисление водородных молекул в водородные ионы (Н+) и электроны. Водородные ионы (протоны) через мембрану мигрируют к катоду, где катализатор катода вызывает образование воды из комбинации протонов, электронов и кислорода. Поток электронов через внешний кругооборот производит электрический ток, который используется различными потребителями.

Напряжение, возникающее на отдельном ТЭ, не превышает 1,1В. Для получения необходимой величины напряжения ТЭ соединяются последовательно в батареи, а для получения необходимой мощности батареи ТЭ соединяются параллельно. Такие батареи ТЭ вместе с элементами газораспределения и терморегулирования монтируются в единый конструктивный блок, называемый электрохимическим генератором (ЭХГ).

Электрический ТОК

О, (Кислород) из виздуш

Топливо Н2 (Ведорад)

Т«им(84"0

Иодлеоа НЛП кмдушныЯ радм*1«р>

Воздух +• ьиданоа rup

Рециркулади топлива

Камера

Гаэдц»ффуашиниЯ злепрвд (Катод) Ка rauiH untip

Камер»

ГазадиффушонныЯ алеирод (Аиад) Кагал imwp

ПротшкюСмйШМ мембрана

Схема твердополимерного (протонообменного) топливного элемента

Гоплню анод»

T=8tJt

Т-80*С (PEFC) Т=20СГС (PAFC)

Т=650'С

T=]QQ0t

Окислитель (В01Д\\) анода

Анод Электролит Катод

Электрохимические реакции в различных типах ТЭ

Существуют различные типы ТЭ. Их обычно классифицируют по используемому топливу, рабочему давлению и температуре, а также по характеру применения.

Наибольшее распространение получила классификация топливных элементов по типу электролита как среды для внутреннего переноса ионов (протонов). Электролит между электродами определяет операционную температуру и от этой температуры зависит тип катализатора.

Выбор топлива и окислителя, подаваемых в ТЭ, определяется, в первую очередь, их электрохимической активностью (то есть скоростью реакции на электродах), стоимостью, возможностью легкого подвода топлива и окислителя в ТЭ и отвода продуктов реакции из ТЭ.

Щелочной ТЭ (AFC) Электролит состоит из жидкого КОН, который циркулирует в пространстве между электродами. Они использовались с середины 1960-х годов в космических программах, обеспечивая питанием электрические системы космических кораблей "Буран", "Шаттл" и др. Коммерческое применение их ограничено, т.к. они должны работать с чистыми водородом и кислородом (либо с кислородом воздуха, из которого удален углекислый газ). Щелочные ТЭ имеют КПД до 70%

ТЭ на протонообмен ной мембране (PEMFC) В качестве электролита используется твердая полимерная мембрана (тонкая пластмассовая пленка), которая проводит водородные ионы (протоны) с анода на катод. Они обеспечивают высокую плотность тока, что позволяет уменьшать их вес, стоимость, объем и улучшать качество работы. Неподвижный твердый электролит упрощает герметизацию в процессе производства, уменьшает коррозию, и обеспечивает более долгий срок службы ТЭ. Эти ТЭ работают при низких температурах (ниже 100°С), что ускоряет запуск и реакцию на изменения потребности в электричестве. Они идеально подходят для транспорта и стационарных установок небольшого размера.

ТЭ на фосфорной кислоте (PAFC) Электролитом является бумажная матрица, насыщаемая фосфорной кислотой, также проводящей протоны. Это наиболее разработанные коммерчески развитые ТЭ. Они применяются в стационарных электрогенераторных устройствах в зданиях, гостиницах, больницах, аэропортах и электростанциях. ТЭ на фосфорной кислоте вырабатывают электричество с КПД более 40% или около 85%, если пар, который производит этот ТЭ, используется для совместного производства тепла и электричества (в сравнении с 30% КПД наиболее эффективного двигателя внутреннего сгорания).

ТЭ на расплаве карбоната (MCFC) Использует расплавленную смесь лития/калия (или лития/натрия) для проведения ионов карбоната от катода к аноду. Рабочая температура -приблизительно 650°С, что позволяет использовать топливо напрямую, без какой-либо дополнительной его подготовки, и никель в качестве катализатора. Их конструкция более сложна, чем конструкция ТЭ на фосфорной кислоте, из-за их более высокой рабочей температуры и использования расплава электролита. Им требуется существенное количество времени для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, и поэтому лучше всего они подходят для условий, где необходима постоянная подача больших количеств электроэнергии. Наибольшее количество подобных установок построено в США и Японии. В США имеется демонстрационная опытная электростанция мощностью 1.8 МВт.

ТЭ на твердых оксидах (SOFC) В качестве электролита используется твердый керамический материал (стабилизированная иттрием окись циркония), которая проводит атомы кислорода от катода к аноду при чрезвычайно высокой температуре -свыше 1000°С. Это позволяет им использовать относительно загрязненные виды топлива, например, получаемые при газификации угля. Энергетический КПД - около 60%. Их относительно простая конструкция (обусловленная использованием твердого электролита и самых разных видов топлива) в сочетании с существенным количеством времени, необходимым для того, чтобы они достигли рабочей температуры и смогли реагировать на изменения в потребности в электричестве, делает их подходящими для больших и очень больших стационарных электрогенераторных установок и электростанций.

Химическая энергия топлива и окислителя

Камера сгорания или топка .

Теплота

Турбина или двигатель

Механическая энергия

Топливный элемент

Электрический генератор

Движитель

Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами

Электромобили с ТЭ и аккумуляторной батареей (АБ) (последние отличаются самыми низкими из всех энергосредств потерями энергии на борту машины) имеют равные энергозатраты на 100 км пробега. Если же учитывать еще и потери при производстве и передаче электроэнергии, то окажется, что ТЭ экономичнее более чем в 2 раза. Это объясняется очень высоким КПД ТЭ - 70 - 80% при работе на частичной нагрузке и 40 - 50% при максимальной.

Сравнительные характеристики результатов преобразований энергии [1-3]

Автомобили с ДВС (Евро-3) с ЭХГ

Топливо Бензин Водород

СО 2,3 0

Выбросы СН 0

0,2 токсичных

NOx 0,15 0 компонентов,

С02 213,0 0 г/км

Н20 98,0 117,0

Для того, чтобы разобраться какие узлы присутствуют в автомобиле, взглянем на рентгеновою схему автомобиля Лада Антел-2. В основу ЭХГ разработки РКК «Энергия» им. С.П. Королева положены энергоблоки на основе топливных элементов щелочного типа (AFC), разработанные УЭХК (г. Новоуральск) для космоса и отличающиеся высокой экономичностью и хорошими массогабаритными характеристиками.

Водородные баллоны

Буферная батарея

Электродвигатель

Блок питания

Водородио-воздушный f электрохимический генератор Л

Система управления электроприводом

Система управления источниками питания

Система очистки воздуха

Воздушный компрессор-экспандер

Автомобиль Лада Антел-2 2003 год

Принцип функционирования энергоустановки

Установка работает следующим образом, водород, который хранится в баллонах, подается совместно с воздухом, предварительно очищенным от углекислого газа. В состав энергоустановки входит разработанная никель-металлгидридная буферная аккумуляторная батарея, которая, работая совместно с ЭХГ в движении, повышает динамические показатели при разгоне автомобиля. При торможении происходит заряд батареи за счет регенерации энергии (по принципу гибридного автомобиля). Кроме того, энергия батареи используется для разогрева и запуска ЭХГ.

Автомобиль за исключением ЭХГ имеет довольно современные узлы, такие как: тяговый асинхронный электродвигатель мощностью 90 кВт при массе 32 кг, а также система хранения водорода в специальных легких баллонах емкостью 90 л, заправка которых обеспечивает пробег автомобилю до 350 км. При этом новая компоновка силовой части не уменьшает полезный объем автомобиля. Примечательно, что разработчики за 2 года сделали большой шаг вперед по сравнению с предшественником Лада Антэл выполненном на базе BA3-2131 «Нива».

Микроавтобус РАФе ЭХГ 1982 г

Следует заметить, что до начала 90-х гг. Россия была одним из лидеров в области энергоустановок на базе ТЭ (электромобили, авиакосмическая, подводная и наземная спецтехника). В 1982 г. на московской международной выставке демонстрировался микроавтобус на базе РАФ с энергоустановкой на основе воздушно-водородных ТЭ с жидким проточным электролитом, с баллонной системой хранения и буферной серебряно-цинковой АБ, разработанный в ВНИИ Источников тока НПО «Квант».

Karl Kordesch, одним из первых, переоборудовал четырехместный автомобиль массой 900 кг, заменив ДВС и некоторые другие устройства, на систему ЭХГ (AFC) мощностью 6 кВт - батарея из 7 свинцовых аккумуляторов напряжением 84 В и общей массой 150 кг. Система хранения водорода обеспечивала энергией 33 кВт ч.

Первый гибридный автомобиль с ЭХГ и АБ 1970 г (Источник: Apollo Energy Systems, Icelandic New Energy) н. 1995 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 ЕЗ Автобусы ■ Другие □ Автомобили

Количество транспортных средств с ЭХГ [2]

С момента первого появления автомобиля с ЭХГ в 1959 году до сегодняшнего дня в мире насчитывается 780 транспортных средств на их основе. Сюда входят все транспортные средства, начиная от велосипедов и мотоциклов и заканчивая подводными лодками и судами. В это количество также входят около 200 энергетических установок, используемых Соединенными Штатами и Россией в космических проектах, но их количество не представлено в диаграмме.

Теперь о том, что говорят о ЭХГ люди, непосредственно связанные с выполнением работ по их коммерциализации.

Технология топливных элементов станет в XXI веке краеугольным камнем для производства электроэнергии» - Ф. Расул, президент энергетической компании Ballard (Канада).

Топливные элементы, вырабатывающие электричество через управляемые реакции, вызывают по сравнению с традиционными ДВС минимальные загрязнения» - Юрген Шремп, в прошлом один из руководителей Daimler-Benz (ныне DaimlerChrysler).

Я уверен, что топливные элементы станут причиной окончательного завершения столетнего господства двигателей внутренного сгорания» Вильям К. Форд, президент компании Ford.

Когда руководители компаний делают категоричные заявления по чисто техническим проблемам, это означает, что они используют свой авторитет, чтобы убедить общественность и, конечно, акционеров в обоснованности огромных инвестиций в инновационные проекты. В США и Западной Европе создание электромобиля с энергоустановкой на основе ТЭ в части финансирования вышло из рисковой стадии, и одновременно с поисковыми опытно-конструкторскими работами ведется масштабная подготовка производства.

Мировой рынок ТЭ, млн. USD [3]

1995 2000 2005 % ежегодный рост 2000/1995 % ежегодный рост 2005/2000

Мировой рынок ТЭ 1205 2440 8500 15,2 28,4

США 355 720 2500 15,2 28,3

Канада и Мексика 45 150 575 27,2 30,8

Западная Европа 310 600 2300 14,1 30,8

Япония 360 675 1950 13,4 23,6

Остальная Азия и Тихий океан 75 195 750 21,1 30,9

Остальной мир 60 100 425 10,8 33,6

Автобусы с ЭХГ разработанные в Китае. Ожидается производство около 100 шт. для перевозки во время Олимпийских игр 2008 года. (Источник: Dalian Institute of Chemical Physics; Tsinghua University)

В настоящее время наиболее подходящими для использования в автомобилях являются ТЭ на протонообменной мембране (PEMFC) и наибольших успехов в разработке и производстве PEMFC достигли компании DuPont de Nemours и Dow Chemical Co, США и Ballard Power Systems, Канада.

Слева: лаборатория Японской Газовой Ассоциации (JGA). JGA координирует основной проект в Японии по разработке стационарного ЭХГ. Справа: 5 кВт ЭХГ снабжающий энергией McDonald's в Long Island, USA. (Источник:

JGA, LIPA)

MCFC ЭХГ начинают реализоваться после нескольких лет инвестиций. Слева: 300 кВт ЭХГ на биогазе построенный Japan's Ishikawajima-Harima Heavy Industries. Справа: 250 кВт установка, построенная компанией MTU в городе Essen, Germany, в павильоне, компании RWE (подразделение HDW), которая имеет долю в MTU в бизнесе по ЭХГ. (Источник: Fuel Cell Development Information Centre, MTU)

Россия и Германия обладают наибольшим опытом создания энергоустановок с электрохимическими генераторами большой мощности. К примеру, в 2003 году была представлена первая коммерческая подводная лодка с ЭХГ PEMFC фирмы Siemens мощностью 300 кВт, спроектированная компанией HDW, и было объявлено о нескольких проектах по разработке тяжелых грузовиков совместно с Cellex Power, Hydrogenics, и Proton Motor. Но, несмотря на достижения, стоимость PEMFC остается очень высокой.

Скорейшей коммерциализации ЭХГ для транспортных средств способствует и использование генераторов для нужд народного хозяйства.

Суммарная мощность эксплуатируемых стационарных систем на ТЭ, кВт

3]

Тип США Япония Европа Общее количество %

PEMFC 450 250 670 1370 5

PAFC 13200 10000 1000 24200 75

MCFC 1250 1060 2860 5170 16

SOFC 500 15 850 1365 4

Общее количество 15400 11325 5380 32105 100

48 35 17 100

Особенно массовое использование ЭХГ ожидается в мобильных устройствах, таких как ноутбуки.

Исследователи из университета Пенсильвании создали топливный элемент, который работает на доступных и недорогих углеводородах, например на метане и бутане, а не на чистом водороде. В статье, опубликованной в журнале «Nature» (в номере от 16 марта 2000 года), руководитель разработки профессор Raymond Gorte и его коллеги убедительно доказывают, что их установка способна полностью вытеснить водородные топливные элементы.

Вообще говоря, исследователи давно научились получать электроэнергию из углеводородных топливных элементов. Но это достижение оказалось в конечном счете бесполезным: выработка электроэнергии в таких элементах непременно сопровождалась образованием углеродных масс, разрушавших источник питания.

В Пенсильванском университете впервые смогли найти вещества и условия, при которых элемент не загрязняется углеродом. Лабораторные испытания показали, что химическое загрязнение отсутствует по истечении четырех дней непрерывной работы. Профессор уверен, что предельный срок значительно больше.

Проблема была успешно решена после того, как были найдены подходящие материалы, например, анод устройства был изготовлен из оригинального медного сплава - вместо традиционного циркония. В результате элемент четверо суток генерировал мощность 100 Вт при температуре реакции 700°С. Причем, подчеркивает профессор, установка выделяла вдвое меньше тепла, нежели тепловой генератор той же мощности.

Hitachi, Casio, NEC и Toshiba разрабатывают ЭХГ для Notebooks с ожидаемой датой продаж в 2005 году. На рисунке два прототипа с ЭХГ (DMFC) разработанной NEC в 2003; баллон изображенный в центре используется для кратковременного перезаряда

Работа исследователей финансировалась чикагским Институтом газовых исследований (Gas Research Institute), главной целью которого является обеспечение жилищ всех граждан США независимыми источниками электроэнергии - теми же топливными элементами, например.

Можно сказать, что главные силы мирового автомобилестроения пришли в движение и, невзирая на потери (т.е. затраты), в тесной координации ведут непрерывный штурм пока еще неприступных позиций -конкурентоспособных альтернативных энергоустановок для электромобилей.

Складываются альянсы, в состав которых помимо автопроизводителей входят разработчики и изготовители новых компонентов, материалов, технологий. Как известно, в последние годы в мировом автомобилестроении заметно активизировались интеграционные процессы, затрагивающие самые крупные компании. Переход автомобилестроения на новую продукцию, имеющую нулевую технологическую преемственность с действующим производством, полностью изменит его структуру в части продукции, технологий, материалов, затрат труда и его содержания.

Транспорт с ЭХГ тогда и сейчас. Справа: Allis Chalmers - гольф кар 1962 года. Слева: концепт Chrysler Jeep представленный в 2003 на Tokyo Motor Show. (Источник: DaimlerChrysler; Ed Gillis)

Потребность в инновационных инвестициях, многократно превышающая их привычный уровень 80-х гг. вынуждает компании вступать в сотрудничество и искать партнеров среди конкурентов. В дальнейшем на нужды конверсии производства и инфраструктуры спрос на ресурсы вырастет еще в разы. Каждому активному участнику перестройки автомобильной промышленности необходимы гарантии в том, что он может рассчитывать на соответствующую часть рынка новой техники.

Можно не сомневаться в том, что на определенном этапе электрофикации дорожного транспорта «международное сообщество» запретит выпуск автомобилей под предлогом загрязнения среды. Учитывая, что топливные элементы постепенно распространяются на другие типы мобильных машин и малую энергетику, потери для российской экономики окажутся в буквальном смысле убийственными.

Российские предприятия способны производить самые дешевые и самые эффективные протонные мембраны для ТЭ. Имеются разработки нескольких типов ЭХГ.

РКК «Энергия» им. С.П. Королева имеет большой опыт создания установок для космических аппаратов. В 1992 году в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Голландии, при испытаниях данных энергоблоков, проведенных по инициативе компании DASA/Дорнье, были подтверждены высокие выходные параметры и удобство эксплуатации блоков. Установка для космического аппарата имеет номинальную мощность 300 кВт, коэффициент полезного действия не менее 70%, удельный расход кислорода при номинальной мощности - 0,336 кг/кВт ч, удельный расход водорода при номинальной мощности - 0,042 кг/кВт ч.

ОАО СКБК - одна из ведущих в России организаций, имеющая реальный опыт создания и сдачи энергоустановок с электрохимическим генераторов большой мощности. В сложившейся кооперации контрагентов ОАО СКБК готово по заданию заказчика в течение 2-4 лет (в зависимости от уровня мощности и энергоемкости) разработать, изготовить и поставить ЭХГ самого высокого класса мощностью от 10 до 600 кВт (кратковременно до 4000 кВт), энергоемкостью от 100 до 100000 кВт ч, удельной энергоемкостью 150-200 Вт ч/кг или 200-250 Вт ч/л со всей обеспечивающей инфраструктурой (в том числе АЗС) как для морских, так и наземных объектов, которые нуждаются в высококачественной электроэнергии, когда важны высокий КПД, малые габариты оборудования, малошумность, экологическая чистота и небольшие выделения тепла.

Это немало, но к сожалению, научно-технический задел, которому в буквальном смысле нет цены (в данный промежуток времени его невозможно ни воспроизвести собственными силами, ни купить за рубежом), не получил такого широкого прикладного развития для гражданского транспорта, которое мы видим в США и Европе. Однако, в конце 2003 года крупная отечественная коммерческая компания «Норильский никель» приняла участие в финансировании работ по разработке ЭХГ через Российскую Академию Наук. Компания планирует выделять по 40 млн. USD в год на развитие рынка использования палладия, который используется в ЭХГ, и пока это единственный пример.

Общие выводы

1. В результате теоретического и экспериментального исследования даны рекомендации по увеличению срока службы ЭХГ на 30% при использовании суперконденсаторов в разработанной системе тягового электропривода.

2. Разработаны электрические схемы подключения суперконденсатора к ЭХГ.

3. Представлен баланс потребной мощности энергоисточника. Показана возможность повышения мощности ЭХГ на 40% за счет использования суперконденсатора. Разработана методика обоснования емкости суперконденсатора.

4. Установлено, что в совместной работе ЭХГ и суперконденсатора, основная нагрузка - 70-80% в течение первых 2-5 секунд разгона ТТС падает на суперконденсатор.

5. Применение в системе тягового электропривод суперконденсатора позволит применять ЭХГ уменьшенной мощности в 1,5 - 2 раза.

6. Экономический эффект от внедрения проектных предложений серийно, составит:

- в эксплуатации 1,1 млн. USD;

- в народном хозяйстве за счет улучшения экологии 8,05 млн. USD

1. PNGV Battery Test Manual, DOE/1.-10597, Revision 3, published February 2001. (It is intended that the most recent version of this manual should be used for reference.)

2. USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual, Revision 2, DOE/ID-10479, January 1996.

3. Frank Lev. 42 Volt Super-Capacitor Provides Cranking Amps to Integrated Starter Alternator. April 12, 2002.

4. Чижков Ю.П. Пусковые характеристики автомобильного двигателя при электроснабжении стартера от высоковольтных конденсаторныхбатарей// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 104110.

5. Проспект ООО МНПО «ЭКОНД».

6. Фесенко М., До Ван Зунг. Конденсатор помощник. За рулем, 1995, №4 С 68.

7. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. Пособие для вузов. -10 е изд., испр. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 504 с.

8. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. Учебник для химико-технол. Специальностей вузов. Изд. Зе, перераб. И доп. М., «Высш. школа», 1975.320 с.

9. Patent of US, F, 4597028 (MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO.), 24.06.86.

10. Patent of US, A, 4604788 (THE STANDART OIL COMPANY), 12.08.86.

11. Patent of US, A, 4896249 (MURATA MANUFACTURING CO., LTD), 23.01.90.

12. Patent of ЕР, Bl, 0187163 (MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO.), 28.03.90.

13. Patent of DE, Al, 3210420 (SIEMENS AG), 22.09.88.

14. Maxwell. Ultracapacitors Data sheets and technical information for 1,000 and 2,500 Farads, Maxwell publications.

15. L. A. Viterna, Ultra-Capacitor Energy Storage in a Large Hybrid Electric Bus, NASA Lewis Research Center, 21000 Brookpark Rd., Cleveland, Ohio 44135. 14th Electric Vehicle Symposium, 1996 on CD ROM.

16. F. Caricchi, F. Crescimbini, F. Giulii Capponi, L. Solero, Ultracapacitors Employment in Supply Systems for EV Motor Drives: Theoretical Study and Experimental Results, University of Rome. 14th Electric Vehicle Symposium, 1996 on CD ROM.

17. A. F. Burke, Electrochemical Capacitors for Electric Vehicles. Technology Update and Implementation Considerations, University of California at Davis, EVS-12 Symposium Proceedings, pp.27-36, 1996.

18. Powersim Technologies. PSIM Version 4.1, for Power Electronics Simulations. User Manual. Powersim Technologies, Vancouver, Canada, http://www.powersimtech.com.

19. B.E. Conway, Electrochemical Capacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications, Kluwer AcademicrPlenum, 1999.

20. I.D. Raistrick, R.J. Sherman, Electrical Response of Electrochemical Capacitors based on High Surface Area Ruthenium Oxide Electrodes, Los Alamos National Laboratory, Report No. LA-UR-87-2340,1987.

21. ГОСТ 3940 84. Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия.

22. Иванов A.M., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя //Электричество. 1991. №8. С 12 22.

23. Изобретение №2068607. Источник электропитания импульсного потребителя вспомогательной нагрузки/ Иванов A.M., Герасимов А.Ф., Поляшов Л.И. 1994.

24. Изобретение №2074475. Емкостно-кинетический накопитель электроэнергии/ Поляшов Л.И., Иванов A.M., Герасимов А.Ф. 1994.

25. Изобретение №2095615. Устройство электростартерного запуска двигателя внутреннего сгорания/ Лобко В.П., Кузнецов С.В., Проживалов А.В. 1996.

26. Изобретение №2119593. Устройство для внешнего запуска двигателей внутреннего сгорания/ Величко Д.А., Ионов А.А., Речкалов В.П. 1997.

27. Изобретение №2119592. Автономный энергоагрегат для запуска двигателей внутреннего сгорания/ Величко Д.А., Ионов А.А., Лобко В.П. 1997.

28. Изобретение №2135818. Вспомогательное устройство для системы электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания/ Поляшов Л.И., Иванов A.M., Герасимов А.Ф. 1995.

29. Изобретение №94028982. Система электростартерного запуска подвесного лодочного мотора/ Поляшов Л.И., Иванов A.M., Герасимов А.Ф. 1994.

30. I.D. Raistrick, Electrochemical capacitors, in: J. McHardy, F. Ludwig (Eds.), Electrochemistry of Semiconductors and Electronics-Process and Devices, Noyes Publications, 1992, Chap. 7.

31. F.M. Delnik, D. Ingersoll, D. Firsich, Double-layer capacitance of carbon foam electrodes, Proceedings of the Third International Seminar on Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, December 1994.

32. R.R. Tong et al., Power characteristics of the ultracapacitor, Proceedings of the Ultracapacitor, Proceedings of the 33rd International Power Sources Symposium, Cherry Hill, NJ, June 1988.

33. Y.M Volfkovich, P.A. Shmatko, High energy density supercapacitor, 8th International Seminar on Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, December 1998, Paper presented.

34. N. Marincic, F.P. Ortloff, Continuing scale-up of carbon based electrochemical capacitors, Proceedings of the 7th International Seminar on

35. Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, December 1997.

36. Изобретение №2030083. Источник электропитания импульсного потребителя/ Иванов A.M., Поляшов Л.И., Радионов Н.И. 1992.

37. Изобретение №2042541. Система электрического запуска дизеля/ Иванов A.M., Поляшов Л.И., Радионов Н.И., и др. 1992.

38. Полезная модель. №2003122467. Источник электропитания электростартерного пуска двигателя/ Кошкин В.В. 2003.

39. Полезная модель. №2003122466. Источник электропитания электростартерного пуска двигателя с импульсным конденсатором/ Кошкин В.В.2003.

40. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. - 496 с.

41. Полезная модель. №2004100397. Источник электропитания электростартерного пуска двигателя с вспомогательным пусковым элементом/ Андреев О.П., Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Кошкин В.В. 2004.

42. SIC AN. Standardisation of the 42 V PowerNet.http://www.sican.de/homepage/internet/bordnetzforum.

43. Высокоэффективные силовые МОП-транзисторы для энергоемких устройств автоэлектроники «Электронные компоненты» №7 2002г.

44. А. Краснов. Ford HyTrans. «Грузовик Пресс» №5/2004

45. Компания Continental выбрала операционную систему RTA для нового стартера-генератора.http://www.asutp.ru/go/?id=200748&url=www.dedicated-svstems.com

46. Концепт-кар Ellypse: «сгусток оптимизма в мире автомобилей». ОАО «Автофрамос» эксклюзивный импортер автомобилей Renault в России

47. Златин П.А., Кеменов В.А., Ксеневич И.П. Электромобили и гибридные автомобили. М.: Агроконсалт, 2004. - 416 с.

48. А.А. Ипатов, А.А. Эйдинов. Электромобили и автомобили с комбинированными энергетическими установками (КЭУ) НАМИ, 2004, 328 с.

49. Сайт консорциума FreedomCar: http://www.inel.gov

50. Сайт компании Texaco Ovonic Battery Systems: http://www.texaco.com.

51. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. - 224 с.

52. Matthew Zolot, Ahmad A. Pesaran and Mark Mihalic. Thermal Evaluation of Toyota Prius Battery Pack. National Renewable Energy Laboratory

53. A. Schneuwly, M. Bartschi*, V. Hermann, G. Sartorelli, R. Gallay, R. Koetz. BOOSTCAPO Double-Layer Capacitors for Peak Power Automotive Applications.

54. K.J. Kelly, M. Mihalic, and M. Zolot. Battery Usage and Thermal Performance of the Toyota Prius and Honda Insight for Various Chassis Dynamometer Test Procedures Preprint.

55. R. Kotz, S. Muller, M. Bartschi, B. Schnyder, P. Dietrich, F. N. Buchi, A. Tsukada. SUPERCAPACITORS FOR PEAK-POWER DEMAND IN FUEL-CELL-DRIVEN CARS.

56. Кюсхель Й., Михель X., Вебер К. Экономически эффективные компоненты для автомобилей/Компоненты EPCOS. 1/04. С. 16-18.

57. Михель X. Быстрый Sprinter/ Компоненты EPCOS. 2/03. С. 14-15.

58. R. Kotz, М. Hahn, О. Barbieri, J.-C. Sauter, R. Gallay. The electronic side of the double-layer: Impact on diagnostics and improvement of carbon double layer electrodes.

59. R. Kotz, M. Bartschi, F. Buchi, R. Gallay 1, Ph. Dietrich. HY.POWER -A Fuel Cell Car Boosted with Supercapacitors.

60. R. Ko"tz, M. Carlen. Principles and applications of electrochemical capacitors.64. Проспект EPCOS AG.65. Проспект ОАО ЭСМА.

61. Andrew Burke. Ultracapacitors: Why, How, and Where is the Technology. University of California, Davis.

62. SUPERCAP, Advertisements, 1985 NEC Corp.69. OCT 37.001.052-87.

63. J.R. Miller and A.F. Burke, "Electric Vehicle Capacitor Test Procedures Manual (Revision 0)," Idaho National Engineering Laboratory Report No. DOE/ID-10491, (October 1994).

64. J.R. Miller. "Technical Status of Large Electrochemical Capacitors," Proc. Twelfth International Conference on Primary and Secondary Battery Technology and Applications, Deerfield Beach, FL (March 6-9, 1995).

65. C.J. Farahmandi and D. Gideon, "Comparison of Electrochemical Capacitors and Batteries for Short Duration UPS Applications." Proc. 6th Int. Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL (Dec. 9-11,1996).

66. J.R. Miller, "Capacitor-Battery Power Sources: Designing for Optimal Performance," Proc. Fifth International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Boca Raton, Florida (December 4-6,1995).

67. J.R. Miller, "Battery-Capacitor Power Source for Digital Communication- Simulations Using Advanced Electrochemicat Capacitors", Electrochem. Society Extended Abstract 66, Vol. 95-2, Chicago, IL (Oct. 8-13. 1995).

68. L.A. Viterna, "Hybrid Electric Transit Bus,", Proc. SAE Int. Truck and Bus Meeting and Exposition, paper 973202, Cleveland. OH (Nov. 17-19, 1997).

69. A.F. Burke, J.E. Hardin, and E.J. Dowgiallo, "Applications of Ultracapacitors in Electric Vehicle Propulsion Systems," 34th Power Sources Conf, Cherryhill, NJ (June 1990).

70. A. lvanov, A. Gerasirnov. and A. Vishnevshy, "ECOND Double-Layer Super-High-Energy Capacitor for Pulse Power Applications," Proc. 3rd Int.

71. Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL (Dec. 6-8,1993).

72. C.J. Farahmandi and D. Gideon, "Comparison of Electrochemical Capacitors and Batteries for Short Duration UPS Applications." Proc. 6th Int. Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL (Dec. 9-11,1996).

73. A. Nishono, "Development and Current Status of Electric Double-Layer Capacitors," Ext. Abs. 183rd Meeting of the Electrochemical Society. Honolulu, p. 55 (May 16-21.1993).

74. Разработка и внедрение интегрированного стартового и ускоряющего привода с суперконденсаторами в компании Visteon. Visteon Powertrain Control Systems, США. Доклад на конгрессе EVS-16, Пекин, 13-16 октября 1999 г.

75. Отбор мощности и энергии от суперконденсатора и электрохимических источников. Университет Кайзерлаутерна, Германия. Доклад на конгрессе EVS-16, Пекин, 13-16 октября 1999 г.

76. Прием рекуперируемой энергии City Commuter Car суперконденсатором и аккумулятором. Минтранс Японии. Доклад на конгрессе EVS-16, Пекин, 13-16 октября 1999 г.

77. Объединение, определение шкалы и оценивание требований к относительно малоэнергоемким энергоисточникам, применяемым в гибридных электромобилях. Ford Motor Co., США. Доклад на конгрессе EVS-16, Пекин, 13-16 октября 1999 г.

78. Моделирование силовой установки гибридных электромобилей с использованием ПО MatLab. Университет Пизы, Италия. Доклад на конгрессе EVS-16, Пекин, 13-16 октября 1999 г.

79. J.R. Miller. "Technical Status of Large Electrochemical Capacitors," Proc. Twelfth International Conference on Primary and Secondary Battery Technology and Applications, Deerfield Beach, FL (March 6-9,1995).

80. J.R. Miller and A.F. Burke, "Electric Vehicle Capacitor Test Procedures Manual (Revision 0)," Idaho National Engineering Laboratory Report No. DOE/ID-10491, (October 1994).

81. Пучин E.A., и др. Рекомендации по использованию и техническому обслуживанию аккумуляторных батарей в сельском хозяйстве. М.: АгроНИИТЭИИТО, 1988. - 64 с.

82. Пучин Е.А., и др. Рекомендации по хранению аккумуляторных батарей в колхозах, совхозах и РТП. М.: АгроНИИТЭИИТО, 1988. - 79 с.

83. Северный А.Э., Пучин Е.А., Мельников А.А. Использование, хранение и ремонт аккумуляторных батарей. М.: ГОСНИТИ, 1991. - 112 с.

84. Синельников А.Х. Электронные приборы для автомобилей. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 239 с.

85. Sanada К., Hosokawa М. Electric double layer capacitor „Super Capacitor".—NEC Research and Development, 1979, N 55, p. 21—28.

86. Fekido F. Electric double layer capacitor. Gold capacitor.— National Technical Re-port, 1980, N 26, p. 220.

87. Von Helmholt H. Studien uber elektrische Grenz-shichten.— Ann. der Physik und Chernie, 1879, Bd VII, N 7.

88. Ренне В. Т. Электрические конденсаторы.— JL: Энергия, 1969.

89. Н. Stemmler О. Garcia. A simple 6-way DC-DC converter for power flow control in an electric vehicle with fuel cells and supercapacitors. The Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Power Electronics and Electrometrology Laboratory.

90. Prof. Dr.Ing.habil. K. Hofer. A SMART ECOBIKE WITH RIM-MOTOR. University of Applied Sciences.

91. Tomohiko IKEYA, Kazuyuki ADACHI, Kaoru ISHIHARA, Yuichi TOMAKI and Shunji TANIGUCHI. A Study of the Methods of Charging Electric Vehicle's. Nickel/Metal Hydride Battery.

92. A Szumanowski, G. Brusaglino. Approach for Proper Battery Adjustment for HEV Application. Warsaw University of Technology Centro Ricerche FIAT.

93. MARTIN KLEIN. Bipolar Nickel-Metal Hydride Battery. Electro Energy, Inc.,

94. Habib ur Rehman Ning Liu, Xingyi Xu Gurinder S. Kahlon, Robert J. Mohan. Development and Implementation of the Visteon Integrated Starter-Alternator System with Ultracapacitors. Ecostar Electric Drives Visteon Powertrain Control Systems.

95. Chetan Maini. Development and Production Start-Up of an Urban Electric Vehicle for India. Reva Electric Car Company Pvt. Ltd.

96. Taizo Miyazaki Ryoso Masaki Fumio Tajima Shotaro Naito Heikichi Kuwabara Yukinori Taneda. Development of a Drive Control System for a Parallel Hybrid Electric Vehicle. Hitachi, Ltd.

97. SATO Noboru YAGI Kazuhiko ISHIKURA Takashi. Development of High Performance and Compact Ni-MH Batteries for HONDA City Pal. HONDA R&D Co., Ltd. Tochigi R&D Center.

98. Takafiimi Fukada, Kazunari Akiyama, Keiji Kishishita, Kenro Nakashima. Development of Hybrid Truck with Ceramic Engine. Isuzu Ceramics Research Institute Co., Ltd.

99. Masami Ogura, Yoshinori Mita, Tatsuo Takahashi. Development of the 2-seater small electric vehicle "Honda City Pal". HONDA R&D Co., Ltd. Tochigi R&D Center.

100. A. Szumanowski, A. Hajduga & P. Piorkowski E. Stefanakos. HYBRID DRIVE STRUCTURE AND POWERTRAIN ANALYSIS FOR FLORIDA SHUTTLE BUSES. Warsaw University of Technology Clean Energy Research Center.

101. Kaoru Ishihara, Kazuhiko Nishimura and Youji Uchiyama. Lifecycle Analysis of Electric Vehicles with Advanced Batteries in Japan. Komae Research Laboratory, CRIEPI.

102. Juergen Friedrich, Gerardo Friedlmeier, Ferdinand Panik, Wolfgang Weiss. NECAR 4 The first Zero-Emission Vehicle with acceptable Range. DaimlerChrysler AG.

103. Andre Martin. Recent Advances in Fuel Cells for Transportation. Ballard Automotive Inc.

104. Bernard IRION. Member of the Board of Peugeot Motocycles. President of AVERE France. Scootelec. A Unique Experience in Two-wheel Electric Driving.

105. F. Brucchi, M. Conte, F. Giulii Capponi, G. Lo Bianco, P. Salvati, L. Solero. Ultracapacitor Tests for EV Applications: Introduction of New Equalisation Coefficients. University of Rome "La Sapienza Department of Electrical Engineering.

106. Дидманидзе O.H., Иванов C.A., Смирнов Г.Н. Области применения UltraCaps. Ремонт, восстановление, модернизация, 2005, №3.

107. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Кошкин В.В., Смирнов Г.Н. Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора. Ремонт, восстановление, модернизация, 2004, №7.

108. Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Асадов Д.Г. Смирнов Г.Н. Повышение надежности и эффективности электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании UltraCap. Объединенный научный журнал, 2005, №1.

109. Бут Д.А. Основы электромеханики: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ 1996.-468 с.

110. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. 2-е изд., доп. М.: «СОЛОН-Р»,2001.-726 с.

111. Генман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

112. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб: Питер, 2000. - 432 с.

113. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер,2002. 528 с.

114. Конкин Ю.А. Экономическое обоснование внедрения мероприятий научно-технического прогресса в АПК. М.: МИИСП, 1991. -79 с.

115. Конник М.Ю и др. Экономика технического сервиса. М.: КолосС, 2004. - 400 с.

116. Коржов А.К. Как рассчитать экономический эффект. -Автомобильный транспорт, №3,1982.-40.

117. Корчагин В.А., Птицин Д.В. Расчет экономической эффективности внедрения новой техники на автотранспортных предприятиях.: Киев, Техника, 1980. 108 с.

118. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рациоанализаторских предложений. М.: Экономика, 1977. 56 с.

119. Хачатуров Т.С. Эффективность капитальных вложений. М.: Экономика, 1979. 582 с.

120. Конкин М.Ю. и др. Материально-техническое обеспечение агропромышленного комплекса. М.: «Известия», 2004. 624 с.

121. Андрианов Ю.В. Введение в оценку транспортных средств. Серия «Оценочная деятельность». Учебно-методическое пособие. М.: Дело, 1998. 256 с.

122. Методические рекомендации по определению платы за выбросы, сбросы (размещение) загрязняющих веществ в природную среду/ Гос. ком. СССР по охране природы. М.: 1991,71 с.

123. Базовые нормативы платы за выбросы, сбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду и размещение отходов. Приказ министра от 27 ноября 1992 г N 632. Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации.

124. Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях (НИИАТ). М.: 1996, 54 с.1. ПРАВИТЕЛЬСТВО МОСКВЫ

125. ДЕПАРТАМЕНТ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОГО РЫНКА И УСЛУГ1. ГОРОДА МОСКВЫ

126. Тверская улица, 19. стр. 2, Москва, 125009

127. Телефон (495) 200-46-41,291-67-01,200-28-33 Факс: (495) 200-35-73 ОКПО 40058972, ОГРИ 1027739771421, ИНН/КИП 7710060984/77100100J21 PejlTpy 10011. Nsfajfна№1. E-mail: dprtms@postmos.ru1. Справка о внедрении.г '

128. В частности, материалы научной работы Новикова Е.В. используются для организации участков обеспечения гарантированного электропитания в случаях возникновения перебоев с электроснабжением терминалов торговых комплексов г. Москвы.

129. Руководитель Департамента потребительского рынка и услуг города Москвы.257741 11. В.И. Малышков