Конденсаторные модули ЭЛТОН в составе электропривода городского автобуса с гибридной силовой установкой

Компания ЭЛТОН
В настоящем докладе обсуждается опыт эксплуатации накопителя энергии на основе модулей электрохимических конденсаторов разработанных российской компанией «ЭЛТОН» в составе электропривода городского автобуса с гибридной силовой установкой.
ЗАО «ЭЛТОН» представляет собой научно-исследовательский комплекс с опытным производством, расположен в городе Троицк Московской области и насчитывает около 70 сотрудников
Электрохимические конденсаторы ЭЛТОН (ЭКЭ) с более известным на рынке брендом «ЭСМА» представляют собой так называемые «ассиметричные» конденсаторы.
ЭКЭ прошли большой объем испытаний в США и России. Более 12 лет применяются на грузовом и пассажирском транспорте для запуска двигателей, а также на опытных образцах электротранспорта и транспорта с гибридными силовыми установками.
В 2010 году компания SAFT по лицензии открыла серийное производство конденсаторов ЭЛТОН в филиале в США (г. Вальдоста, Джорджия).
В России освоен мелкосерийный выпуск ЭКЭ на специализированном предприятии (около 10 тыс. конденсаторов/год).
В настоящее время ЭЛТОН активно занимается существенным удешевлением продукта, внедряя новую технологию производства электродных материалов.

Особенности электрохимических
конденсаторов ЭЛТОН (ЭКЭ)
В ЭКЭ поляризуемый электрод выполнен из активированного углеродного материала, а другой, являющийся неполяризуемым (фарадеевским) содержит в качестве активного материала гидроксид никеля, электролитом служит водный раствор щелочи.
ЭКЭ наряду с электростатической энергией используют энергию электрохимических процессов.
Такая конструкция позволила получить удельные характеристики ЭКЭ сопоставимые с характеристиками конденсаторов, в которых применяется органический электролит.
Однако ЭКЭ обладают рядом важных преимуществ:
- в отличие от конденсаторов с органическим электролитом величина внутреннего сопротивления ЭКЭ в процессе эксплуатации остается практически постоянной;
- при эксплуатации системы ЭКЭ не требуют внешних устройств выравнивания конденсаторов по напряжению (во время работы происходит самобалансировка элементов по напряжению в составе модулей);
- водный электролит обеспечивает более высокую безопасность в эксплуатации и устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду.
Эти преимущества дают возможность применить накопитель на основе ЭКЭ в гибридной силовой установке городского автобуса, При этом можно реализовать наиболее предпочтительную для городского транспорта схему: «последовательный гибрид».

Определение технических требований к компонентам гибридной силовой установки городского автобуса
Обоснование применения ЭКЭ в составе большого городского автобуса (12 м, 18 т) с гибридным приводом потребовало определение технических требований к основным компонентам гибридной силовой установки:
- накопителю энергии
- ДВС
- электродвигателю
Принципиальным является выбор компромиссного варианта между размером накопителя и мощностью ДВС. Применение мощного ДВС не позволит получить наилучшие показатели по экономичности и экологической составляющей, слишком малая мощность ДВС ограничит возможности транспорта
Для рабочего цикла движения для городского транспорта разгон/выбег/торможение/стоянка, при условии движения транспортного средства по замкнутому маршруту энергия, необходимая для разгона транспортного средства включает только кинетическую энергию разгона с учетом потерь:
Е1 = m • V12/(2КИ) (1)
Доступная для рекуперации энергия составит:
Е2 = КИ • m • V12/2 (2)
m – масса транспорта,
КИ – суммарный коэффициент, учитывающий все потери при движении транспорта
V1 – скорость транспорта после разгона и V2 – скорость транспорта после выбега.

Расчет эффективности рекуперации
Эффективность рекуперации можно представить как отношение энергии рекуперации к энергии, необходимой на разгон транспортного средства:
EF = Е2/ Е1 (3)
Для рабочего цикла движения городского транспорта, эффективность рекуперации при наличии накопителя можно представить в виде формулы:
EF = φ • η • КИ2 • V22/V12 (4)
η – КПД работы накопителя в цикле заряд-разряд,
φ – КПД работы DC/DC преобразователя.
Учитывая, что в рассматриваемом цикле движения энергопотребление необходимо только на разгон транспортного средства, получаем:
Еуд• m • S = m • V12/(2KИ), откуда КИ = V12/(2Еуд • S) (5)
Еуд – удельное энергопотребление транспорта,
S – длина маршрута в цикле.
Опыт эксплуатации российских троллейбусов по городскому маршруту (S ~350 м, V1~ 45 км/ч, время разгона 20-25 с, время цикла ~ 60 с) дает величину Еуд = 85-100 Втч/(т•км).
Подставляя соответствующие величины в выражение (5) получим: КИ = 0,65.
Как правило, для троллейбусов V2/V1 = 0,85
Принимая φ = 0,95 и η = 0,8, эффективность рекуперации, равна:
EF = φ • η • КИ2 • V22/ V12 = 0,95 • 0,8 • 0,652 • 0,852 = 0,23

Определение параметров накопителя энергии
Расчетная энергия, необходимая для разгона автобуса с массой 18 т до скорости 55 км/ч, составит m • V12/(2KИ) =18000 • 15,32/(2 • 0,65) = 3,24 МДж.
При эффективности рекуперации EF = 0,23 энергия, которая может быть сэкономлена в каждом рабочем цикле составит 0,75 МДж.
Необходимая энергия для осуществления цикла с учетом рекуперации составит:
3,24 МДж - 0,75 МДж = 2,5 МДж.
Эту энергию ДВС должен поставлять на тягу за один цикл длительностью 60 с, значит средняя мощность ДВС в цикле должна быть равной 2,5 МДж/60 с = 42 кВт.
Средняя мощность электродвигателя на разгоне для обеспечения времени разгона 25 с должна составлять не менее 3,24 МДж/25 с = 130 кВт.
При мощности ДВС, затрачиваемой на тягу, 42 кВт получаем среднюю мощность накопителя для обеспечения разгона автобуса: 130 кВт - 42 кВт = 88 кВт.
Для того чтобы конденсатор мог поддерживать разгон автобуса в течение всего необходимого времени, отдаваемая энергия накопителя при разряде должна составлять не менее 25 с • 88 кВт = 2,2 МДж.
При торможении накопитель может получить лишь 0,75 МДж. Необходимую энергию
2,2 МДж конденсатор может накапливать также в момент выбега и стоянки автобуса от ДВС.

Определение оптимальной мощности ДВС
Как отмечено выше средняя мощность ДВС в цикле составляет 42 кВт.
С учетом постоянного расхода энергии на собственные нужды достаточная мощность ДВС составит 50-55 кВт.
Оптимальная работа ДВС с минимальным расходом топлива может быть достигнута при работе в диапазоне 75-90 % максимальной мощности.
Мощность ДВС автобуса, работающего в оптимальном режиме должна лежать в пределах 55-70 кВт.
Таким образом, установленная мощность ДВС может быть снижена по сравнению с традиционным автобусом в 2-3 раза.
Зависимость КПД микротурбогенератора Capstone от вырабатываемой мощности

Технические требования для компонентов гибридной силовой установки в составе городского автобуса
(12 м, 18 т)
* за сутки городской автобус совершает не менее 400 рабочих циклов, поэтому за 10 лет ресурс накопителя должен быть не менее 1 млн. циклов
** нормативный срок службы автобусов – примерно 10 лет

Автобус с гибридным приводом
Тролза-5250
В крупнейшей российской компании по производству троллейбусов ТРОЛЗА (г. Энгельс, Саратовской области) разработана опытная модель автобуса с гибридным приводом на основе модернизации троллейбуса модели Тролза-5265 с низким полом
Гибридная силовая установка автобуса состоит из
- микротурбогенератора с управляемым выпрямителем и DC/DC конвертором,
- накопителя энергии на основе ЭКЭ,
- инвертора, предназначенного для управления тяговым асинхронным электродвигателем.
Все используемые агрегаты тягового привода оснащены принудительным воздушным охлаждением, что обусловлено опытом эксплуатации городского транспорта в жестких климатических условиях России при температурах от -40 до +50 0С, которые предъявляют более высокие требования к надежности и безопасности транспортного средства.
Для экономии энергии и топлива на автобусе впервые реализована система отопления, использующая тепло выхлопных газов производимых микротурбиной, что очень актуально для России, где мощная система отопления необходима не менее 6-7 месяцев в году. Утилизация тепла выхлопных газов осуществляется помощью газожидкостного теплообменника номинальной мощностью 35 кВт, теплоноситель которого поступает в салон автобуса по трубам к отопительным агрегатам, расположенным в салоне и кабине водителя.

Энергоустановка с накопителем размещены в задней части автобуса
Микротурбогенератор
Накопитель энергии
с воздушной системой
охлаждения
Воздушный
компрессор
Газо-жидкостной
теплообменник
Насос жидкостной
системы отопления

Микротурбогенератор Capstone
Микротурбогенератор Capstone мощностью 65 кВт обеспечивает энергией тягу и собственные нужды автобуса (воздушный компрессор, кондиционер салона и кабины, вентиляторы системы охлаждения, электропривод усилителя руля и т.д.).
Применение микротурбогенератора позволяет использовать дизельное топливо, пропан, биотопливо, авиационный керосин.
Микротурбогенератор обеспечивает соответствие перспективному европейскому стандарту Evro-6 без применения катализаторов и фильтров.
На автобусах, запущенных в эксплуатацию, установлена система обеспечивающее питание на самом дешевом в России топливе сжатом метане (СNG).
Газовые баллоны расположены на крыше автобуса.

Накопитель на основе ЭКЭ для гибридного привода городского автобуса Тролза-5250
Воздушное централизованное охлаждение

Результаты тягово-энергетических испытаний автобуса Тролза-5250
Автобус с гибридным приводом новой модели Trolza-5250 прошел тягово-энергетические испытания и сертификационные испытания на полигоне НИИЦИАМТ г. Дмитров в 2009 году.

Эксплуатация автобусов Тролза-5250
На данный момент четыре автобуса курсируют в центре города Краснодар, один автобус – в г. Москве.
В Краснодаре автобусы проходят в сутки в среднем 150-160 км, среднее расстояние между остановками около 350 м. Средняя скорость движения по маршруту 13-16 км/ч, максимальная – 50 км/ч. На данный момент средний пробег автобусов превысил 35 тыс. км.

Зависимость расхода топлива от средней скорости при эксплуатации гибридного и обычного газовых автобусов на одном и том же маршруте в г. Краснодаре

Характеристики автобуса с гибридным приводом
Тролза-5250

Разброс напряжений модулей 30ЭК404 в автобусах
после ~ 35 тыс. км пробега, 8 месяцев эксплуатации
(~90-100 тыс. цикл.)
Механизм выравнивания напряжения конденсаторных элементов в составе модуля

Другие реализованные проекты применения ЭКЭ на транспорте в составе привода с гибридной силовой установкой
Гибридный автобус Goshen Coach
EuroShuttle - HBD™ Ohio, USA, 2004
Гибридный грузовик-фургон
Ohio, USA, 2003
Опытный автобус «Олимп» 5298-01-62 с гибридным приводом («Транс-Альфа» г. Вологда, Россия, 2007)
Гибридный автобус-троллейбус, 2007, г Майкоп,
Разработка МЭИ (г. Москва)

Конденсаторный модуль 60ЭК405
Накопленный опыт эксплуатации конденсаторных модулей на различных транспортных средствах с гибридным приводом позволил ЭЛТОН провести разработку новой модели конденсаторного модуля типа 60ЭК400 с напряжением 90 В, предназначенного для работы в составе приводов гибридных и электрических транспортных средств, который отвечает всем нормам безопасности, оснащенных автономной системой охлаждения и диагностики.