Išsami superkondensatorių principų, charakteristikų ir pritaikymo naujose energijos transporto priemonėse analizė

Šiuo metu pagrindinės pasaulinės energijos kaupimo technologijos daugiausia skirstomos į dvi kategorijas: fizinį energijos kaupimą ir elektrocheminį energijos kaupimą. Superkondensatoriai, kaip nauja technologija fizinės energijos kaupimo srityje, turi ne tik puikias komercializavimo perspektyvas, bet ir yra esminis tradicinių elektrocheminių energijos kaupimo technologijų papildymas. Eskaluojančios pasaulinės energijos krizės fone ši nauja energijos kaupimo technologija tampa pagrindine pramonės tyrimų ir plėtros kryptimi, palaipsniui užpildydama taikymo spragas, kurių negali padengti tradicinės cheminės baterijos. Akumuliatoriaus magistralės juosta, kaip pagrindinė superkondensatoriaus sistemos srovės perdavimo sudedamoji dalis, dėl jo laidumo tiesiogiai lemia didelės-srovės įkrovimo ir superkondensatoriaus iškrovimo efektyvumą.

Nors tradicinės cheminės baterijos buvo plačiai naudojamos buitinės elektronikos ir pramoninės energijos saugojimo srityse, jos iš prigimties kenčia dėl mažos iškrovos srovės ir trumpo veikimo, todėl jos visiškai netinkamos didelės{0}}galios, ilgo{1}}ciklo veikimo reikalavimams. Tokiose srityse kaip naujos energetinės transporto priemonės, kuriose galia yra itin svarbi, tradicinių akumuliatorių veikimo apribojimai dar labiau sustiprinami. Naujų energijos kaupimo įrenginių, pritaikytų didelio našumo scenarijams, kūrimas{4}} tapo neišvengiama šiuolaikinių energijos kaupimo technologijų plėtros tendencija, o superkondensatoriai sparčiai vystėsi šios pramonės fone. Maitinimo magistralė yra pagrindinis superkondensatoriaus modulio komponentas, leidžiantis surinkti ir paskirstyti dideles sroves, veiksmingai sumažinant linijos nuostolius perduodant didelę{6}}srovę.

Superkondensatoriai, taip pat žinomi kaip elektrocheminiai kondensatoriai, pripažįstami kaip didelio{0}}potencialo elektrocheminės energijos kaupikliai, kurie patenka tarp įprastų fizinių kondensatorių ir tradicinių cheminių baterijų. Atsižvelgiant į energijos kaupimo principų skirtumus, juos galima suskirstyti į du pagrindinius techninius būdus. Pirmasis tipas yra dvigubo-sluoksnio superkondensatorius, kuris remiasi kontaktine sąsaja tarp elektrodo ir elektrolito, kad suformuotų stabilią dvigubo-sluoksnio krūvio struktūrą kieto-skysčio sąsajoje, tiesiogiai kaupiantį energiją elektrodo-elektrolito sąsajoje. Visas energijos kaupimo procesas beveik nevyksta jokios cheminės reakcijos ir pasižymi itin dideliu ciklo stabilumu. „BusBar Systems“ teikia pilną didelės-srovės perdavimo tinklą superkondensatorių moduliams, įgalinančius mažos-priešinės varžos elektrines jungtis tarp kelių atskirų kondensatorių ir užtikrinantį nuoseklų viso modulio įkrovimą ir iškrovimą.

Palyginti su tradiciniais energijos kaupimo įrenginiais, pagrindinis superkondensatorių pranašumas pirmiausia yra jų talpa. Naudojant unikalius energijos kaupimo principus – dvigubo-sluoksnio struktūrą ir Faradėjaus efektą, tokio paties tūrio superkondensatorių talpa yra 2000–6000 kartų didesnė už įprastų fizinių kondensatorių. Ši puiki talpa visiškai atitinka trumpalaikius-didelio-energijos saugojimo poreikius, atsižvelgiant į didelio-galios-sunaudojimo scenarijus, užpildydama našumo spragą tarp tradicinių kondensatorių ir baterijų. „Automotive Busbar“ buvo atliktas griežtas automobilių{10}klasės patikimumo patikrinimas, išlaikant stabilų laidumą per visą naujų energiją naudojančių transporto priemonių gyvavimo ciklą, nepatiriant padidėjusio pasipriešinimo kontaktams.

Antras didelis superkondensatorių privalumas – itin didelis jų galios tankis. Jų lygiavertė serijinė varža yra itin maža, todėl įkrovimą galima greitai saugoti ir atleisti. Galios tankis gali siekti daugiau nei dešimt kartų didesnį nei įprastų kondensatorių, todėl per labai trumpą laiką galima išvesti didžiules momentines sroves. Tai puikiai tinka naujų energetinių transporto priemonių greitam įsibėgėjimo ir energijos atkūrimo procesams, kuriems reikia momentinių didelių srovių, o tai žymiai optimizuoja transporto priemonės dinaminį atsaką. Šynų izoliacijos yra pagamintos iš specialių medžiagų, pasižyminčių atsparumu aukštai temperatūrai ir aukštu izoliacijos lygiu, todėl efektyviai išvengiama saugos pavojų, pvz., trumpųjų jungimų ir šliaužimo, kurie gali atsirasti įkraunant ir iškraunant superkondensatorius.

Be privalumų, superkondensatoriai gali pasigirti greitu įkrovimo ir iškrovimo greičiu bei itin ilgu ciklo tarnavimo laiku. Visas įkrovimo ir iškrovimo procesas praktiškai nevyksta destruktyvių cheminių reakcijų, todėl sistema užtikrina išskirtinį stabilumą. Įkrovimo{2}}iškrovimo ciklų skaičius gali siekti šimtus tūkstančių, o tai gerokai viršija įprastų cheminių baterijų ir tradicinių kondensatorių eksploatavimo laiką ir ilgą{3}}saugojimo laiką. Jiems beveik nereikia jokios priežiūros, o tai žymiai sumažina bendrą energijos kaupimo sistemų gyvavimo ciklo kainą. IGBT magistralės įgalina mažos-priešinės varžos jungtis tarp superkondensatorių ir integruotų IGBT modulių, dar labiau sumažindamos šilumos nuostolius perduodant didelę-srovę ir pagerindamos bendrą sistemos energijos vartojimo efektyvumą.

Tačiau superkondensatoriai turi ir būdingų apribojimų. Jų energijos tankis yra daug mažesnis nei tradicinių ličio{1}}jonų akumuliatorių, todėl jie netinkami kaip pagrindinė varomoji jėga vien elektra varomoms transporto priemonėms, kad būtų galima nuvažiuoti ilgą atstumą. Šiuo metu jie pirmiausia naudojami kaip pagalbiniai maitinimo šaltiniai hibridinėse transporto priemonėse, veikiantys kartu su pagrindine maitinimo baterija, kad būtų teikiama momentinė didelės-srovės palaikymas. Šis apribojimas riboja didelio masto nepriklausomą superkondensatorių taikymą naujų energetinių transporto priemonių pramonėje. Šiuo metu pramonė plačiai taiko hibridinį energijos kaupimo sprendimą, jungiantį superkondensatorius ir ličio baterijas, kad atitiktų didelės galios ir didelio energijos tankio reikalavimus. EV laminuotose šynose naudojama speciali daugiasluoksnė sudėtinė struktūra, kuri gali žymiai sumažinti superkondensatoriaus didelės-srovės kilpos parazitinį induktyvumą ir dar labiau optimizuoti įkrovimo ir iškrovimo dinaminį atsako greitį.