Lucrari De Laborator Electromobile

Ministerul Educaţiei, Culturii şi Cercetării al Republicii Moldova Universitatea de Stat „Alecu Russo” din Bălţi Facultatea de Ştiinţe Reale, Economice şi ale Mediului Catedra de ştiinţe fizice şi inginereşti

Lucrare de laborator nr. 1 la unitatea de curs „Electromobile” pentru studenţii specialităţii „Inginerie şi management în transportul auto”

Construcţia şi principiul de funcţionare a electromobilului

Bălţi, 2018

Scopul lucrării: studierea construcţiei şi principiului de funcţionare a elecromobilului. Generalităţi Electromobilul (sau automobilul electric) este un vehicul cu emisii zero propulsat de un motor electric, cu alimentare de la o sursă electrica, de obicei baterie de vehicul electric sau supercondensator. În comparaţie cu autovehiculul hibrid, (cum ar fi Toyota Prius), care funcţionează pe bază de acumulator şi benzină, autovehiculul electric funcţionează în exclusivitate cu ajutorul curentului electric, furnizat prin acumulatori. Termenul electromobil se referă la un vehicul la care pentru acţionarea roţilor conducătoare se utilizează energia electrică obţinută de la o sursă de curent chimică. De asemenea, se poate spune că electromobilul este un vehicul fără şine cu sursă independentă de energie chimică. Termenul electromobilul nu se referă la troleibuze şi tramvaie, precum şi la autovehicule hibrid. Istoria automobilului electric este o parte importantă a istoriei automobilului. La începutul secolului XX, un vehicul electric stabilea recordul de viteză terestru. Istoria automobilului electric este strâns legată de cea a electricităţii şi a bateriilor şi acumulatorilor. În 1828, maghiarul Ányos Jedlik realizează un model primitiv de motor electric şi o dată cu acesta şi un vehicul propulsat electric. În 1834, fierarul american Thomas Davenport, inventatorul motorului de curent continuu, realizează un vehicul propulsat de acest motor care se deplasa pe un ghidaj circular înzestrat cu conductori electrici de alimentare. În 1835, olandezii Sibrandus Stratingh şi Christopher Becker realizează un automobil electric în miniatură, acţionat de baterii nereîncărcabile. În 1838, scoţianul Robert Davidson construieşte o locomotivă electrică ce atinge 6 km/h. Între anii 1832 şi 1839, compatriotul său, Robert Anderson realizează un vehicul electric acţionat de baterii nereîncărcabile. În 1899, belgianul Camille Jenatzy depăşeşte 100 km/h cu un vehicul electric denumit Jamais Contente, de formă aerodinamică asemănătoare unui obuz. Mai multe firme au anunţat deja producţie de autovehicule electrice după cum urmează:  Tesla: Tesla Roadster (2008)  Phoenix Motors (SUA): Phoenix SUV, Phoenix SUT (2008)  Lightning (Regatul Unit): Lightning GT — cel mai rapid electrovehicul până în prezent (2008): 700 CP, 400 km fără intermediară reîncărcare, 1-100 km/h în 4 secunde. Preţ: ca. 220.000 euro  General Motors (SUA): Chevrolet Spark EV

 Toyota (Japonia): Toyota RAV4 EV (2010)  Nissan (Japonia): Nissan Leaf (11.2010 în SUA), primul vehicul electric produs în serie    

Mercedes (Germania): (2010) Citroën (Franţa): Citroën C-Zero (2010) Peugeot (Franţa): Peugeot iOn (2010) Mitsubishi (Japonia): iMiev (produs din 2009 în Japonia)

De asemenea, în Europa şi pe plan mondial există deja automobile electrice în serii limitate: Cityel, Elektrabi, Evergreen (Mini), Kewet, Ligier Optima E, Mega Aixam, Panda Elettrica, Smart Pure Elettrica, Twingo Quickshift Elettrica, Open Start Lab, Pasquali E-Setta, REVA, e-Ka şi Twike. Diverse modele în serii limitate de la Citroen, Peugeot, Fiat, Volkswagen, Skoda şi alte firme. Poşta franceză a comandat în 2007 10.000 de automobile electrice pentru următorii 5 ani. După ultimele progrese în domeniul acumulatorilor (acumulator Li-ion) şi având în vedere creşterea preţului petrolului la peste 138 dolari/baril în 2008 şi prognoza de peste 200$/baril în anii următori, se estimează că cel târziu în 2020, 90% din autovehiculele noi până la 3,5 t produse vor fi electrice, iar până în 2030 toate autovehiculele noi, inclusiv autocamioanele, vor fi propulsate complet electric. Ţări precum Franţa, Germania, Israel, SUA îşi pregătesc infrastructura pentru automobilele electrice. Un autoturism electric de clasă medie ar necesita pentru o autonomie de 300 km o sursă cu densitatea de energie 220 Wh/kg şi densitate de putere 150-170 W/kg. Firma Altairnano dezvoltă şi produce din 2007 un acumulator pe bază de titanat de litiu, a cărui capacitate propulsează un autovehicul pe o distanţă de max. 400 km, durata de reîncărcare a acumulatorului fiind de numai 10 minute. Acumulatorul se numeşte Nanosafe şi este folosit deja de către firma americană Phoenix Motors care în 2008 a lansta pe piaţă 2 maşini: Phoenix SUV şi Phoenix SUT. De asemenea, va fi folosit si pentru modelul Lightning GT — cel mai rapid electrovehicul până în prezent. Două alte firme s-au profilat în domeniu, Continental şi A123 Systems, firme favorizate de către General Motors şi care vor produce cel mai probabil acumulatorii pentru noul Chevrolet Volt, anunţat pentru 2010. Daimler va scoate pe piaţă în 2009 primul hibrid cu noul tip de acumulator pe litiu-ion, Mercedes S 400 Bluetec Hybrid, sistemul electronic şi acumulatorul propriu-zis fiind construite de Continental, Johnson Controls şi Saft. Un alt concept este folosirea unui supercondensator, ca acumulator. Condensatorul este în principiu cel mai bun concept pentru a înlocui motoarele convenţionale pe benzină, mult mai bun decât acumulatorul „clasic”, bazat pe litiu-ion, deoarece nu există reacţii chimice, timpul de

reîncărcare este foarte scurt, iar randamentul este de 100%. Însă pană în 2008 nu au existat produse satisfăcătoare pe piaţă. Un nou condensator care ar putea revoluţiona industria auto după un secol de cercetare este anunţat în 2008 de către firma americană EEStor, care conform propriilor declaraţii a descoperit un nou tip de supercondensator, cu o densitate de 340 Wh/kg (condensatorii normali au o densitate în jur de 5 Wh/kg) care va fi produs în serie în scurt timp sub numele de EESU (EEStor Energy Storage Unit). EESU are o masă de 152 kg, un volum de 33 litri, capacitate de 31 Farad, tensiune 3500 V şi un preţ de 3200 $. Reîncărcarea cu 52 kW/h ar fi posibilă în cca. 6 minute. Primul automobil care va integra această tehnologie va fi cityZENN. CityZENN, anunţat pentru 2009, va atinge o viteză de 125 km/h, iar distanţa de deplasare cu o singură încărcare va fi de 400 km. Acest automobil va reduce costurile de întreţinere cu 90%, comparativ cu un vehicul obişnuit, conform declaraţiilor firmei producătoare Zenn Motors. Avantajele majore ale automobilului electric sunt consumul redus, poluare aproape de zero în afara producţiei, eficienţă/randament foarte mare, accelerare instantă, zgomot foarte redus, întreţinere uşoară prin eliminarea unei mari părţi a motorului clasic Otto, democratizarea transportului prin lărgirea bazei de producţie a sursei energetice până la consumator. Dezavantajele majore sunt costul ridicat, timpul de încărcare al acumulatorului relativ mare, autonomia redusă de max. 160 km în cazul modelelor Leaf şi Volt (în cazul Tesla ca. 200400 km). Acumulatorii îşi reduc capacitatea până la 50% şi chiar mai mult la temperaturi sub 10 °C şi peste peste 40 °C şi tind să se supraîncălzească şi chiar să explodeze în unele condiţii. De asemenea pot apărea diverse probleme legate de pornire în situaţii de temperatură foarte scăzută.

Fig. 1. Construcţia electromobilului În fig. 1 este prezentată construcţia generală a unui electromobil: 1 - senzor de presiune al sistemului de frînare; 2 - servodirecţie electrică (de la volanul de direcţie); 3 – tabloul de bord; 4

- senzor de poziție a pedalei de accelerare; 5 - senzor de poziție a pedalei de frînare; 6 – senzor de poziție a selectorului de viteze; 7 – blocul de dirijare al electromobilului; 8 – blocul de dirijare a bateriei de acumulatoare; 9 – dispozitiv de încărcare de bord; 10 – convertor de curent continuu; 11 – blocul de dirijare cu aer condiţionat (control climateric); 12 – invertor; 13 – motor electric; 14 – nivelul de încărcare a acumulatorului; 15 – acumulatorul; 16 – transmisie; 17 – compresorul aerului condiţionat; 18 – sistem de încălzire; 19 – priza pentru încărcare normală; 20 – priza pentru încărcare rapidă.

Fig. 2. Distribuirea părţilor componente ale electromobilului În fig. 2 este prezentată distribuţia părţilor componente ale electromobilului în interiorul caroseriei.

Mersul lucrării

1. Reprezentaţi schematic distribuirea părţilor componente ale electromobilului în caroseria. 2. Reprezentaţi schema-bloc al construcţiei unui electromobil. 3. Explicaţi pe schema principiul de funcţionare a electromobilului. Întrebări de control 1. Care sunt avantajele şi neajunsurile a unui electromobil faţă de automobil cu combustibil? 2. Care sunt părţile de bază ce intră în componenţa unui electromobil? 3. Cum se efectuează alimentarea electromobilului? 4. Ce funcţie îndeplineşte invertorul şi convertorul unui electromobil? 5. Ce tipuri de motoare electrice se folosesc în electromobile? 6. Pentru ce se foloseşte acumulatorul în electromobil? 7. În ce mod se încarcă supercondensatorul electromobilului? Bibliografie 1. СТАВРОВ, О.А. Электромобили. Москва: Транспорт, 1968, 168 с. 2. ЩЕТИНА, В.А.; МОРГОВСКИЙ, Ю.Я. и др. Электромобиль. Москва: Техника и экономика. 1987, 234 с. 3. ЕФРЕМОВ, И.С. Теория и расчет тягового привода электромобиля. Москва: Высш. школа, 1984, 383 с. 4. СТАВРОВ, О.А. Перспективы создания эффективного электромобиля. Москва: Наука, 1984, 88 с. 5. ОТРОША, И.С.; СУРИН, Е.И. Электромобили. Москва: Отделение ВНИИЭМ по научно-технической информации в электротехнике (Информэлектро), 1969, 80 с.

Ministerul Educaţiei, Culturii şi Cercetării al Republicii Moldova Universitatea de Stat „Alecu Russo” din Bălţi Facultatea de Ştiinţe Reale, Economice şi ale Mediului Catedra de ştiinţe fizice şi inginereşti

Lucrare de laborator nr. 2 la unitatea de curs „Electromobile” pentru studenţii specialităţii „Inginerie şi management în transportul auto”

Studierea schemelor electrice pentru încărcarea acumulatorului electromobilului

Bălţi, 2018 Scopul lucrării: studierea principiului de funcţionare a schemelor electrice pentru încărcarea acumulatorului electromobilului. Generalităţi Bateria electrică este un dispozitiv de stocare a energiei electrice sub formă de energie chimică. Procesul este reversibil, astfel că, la conectarea unui consumator la bornele bateriei, energia chimică se eliberează sub formă de energie electrică. Bateria electrică primară este

bateria de unică folosinţă şi nu se poate reîncărca, fiind folosită până la epuizare. Bateria electrică secundară numită și acumulator este reîncărcabilă. Bateria poate avea structura bazată pe una sau mai multe celule. Bateriile mari sunt compuse din pachete de baterii mai mici care

sunt conectate în serie pentru a obţine o tensiune ridicată sau sunt conectate în paralel pentru a debita curent mare. Conectarea mai multor baterii în serie sau în paralel se face respectând regula: bateriile să fie noi, la prima încărcare și de acelaşi tip (capacitate, tensiune).

Fiecare baterie are la bază procese chimice ce determină timpii, curenții, nivele limită de

încărcare și de descărcare și temperatura normală de operare. Fiecare tip de baterie are cerințe

proprii de operare, ce trebuie respectate strict pentru a asigura o funcționare sigură și de durată. În funcție de domeniul (domestic, industrial, medical) în care se utilizează bateriile, se folosesc diverse surse de încărcare. Reacţiile care au loc la electrozi în timpul descărcării sunt: la anod: Pb+HSO4-→PbSO4+H++2ela catod: PbO2+3H++HSO4-+2e-→PbSO4+2H2O La încărcarea acumulatorului se petrec reacţiile inverse. Surse de încărcare a bateriilor sunt: a. Surse AC/DC liniare, simple, de tip generator de curent sau o sursă de tensiune cu limitare la curent constant, lucrează bine pentru baterii de orice tip, cu puteri reduse, la curenţi de încărcare sub 1A. b. Surse AC/DC cu comutare, de diverse complexităţi, pentru încărcarea bateriilor PbAcid în 2, 3, 5 sau 8 etape de încărcare controlând nivelul încărcării în funcție de nivelul tensiunii bateriei și al temperaturii pe baterie (au eficiența mai mare decât o sursă liniară). Alimentarea AC se face din reţeaua AC sau de la un generator cu motor cu ardere internă sau celulă de combustie. Încărcarea în 2 sau 3 Etape se folosește uzual la toate bateriile Pb-Acid. Etapa 1. Încărcarea vrac (bulk): încărcarea masivă la aprox. 80% din capacitate, în care curentul de încărcare este menţinut constant, iar tensiunea creşte. Încărcătorul corect dimensionat va da bateriei un curent acceptat până la 0,25 din capacitatea bateriei în amperi, dacă nu se ridică temperatura peste 52°C la bateriile cu electrolit lichid sau peste 38°C la bateriile AGM sau GEL. Etapa 2. Încărcarea de absorbţie: restul de aprox. 20% se încarcă menţinând constantă tensiunea de absorbţie a încărcătorului (între 14,1 V şi 14,8 V, în funcţie de valorile de referinţă ale încărcătorului şi de tipul bateriei), scăzând treptat curentul, până când bateria este complet încărcată. Dacă bateria nu va avea o sarcină sau curentul nu se scade după un timp de reîncărcare aşteptat, bateria se poate sulfată permanent. La încărcare normală, hidrogenul și oxigenul

rezultate în reacția chimică se recombină rezultând apă, de aceea bateriile pot fi etanșate. Dacă

bateria este supraîncărcată, tensiunea de încărcare a bateriei crește peste tensiunea de gazare, ceea ce va cauza formarea de hidrogen în exces. Tensiunea de gazare pentru bateria de 12 V este 14,3-14,4 V, la temperatura camerei. În caz de presiune excesivă, în bateriile cu supapă, aceasta se deschide la o presiune între 2-6 tori pentru a se elibera hidrogenul gaz. Dacă bateria se deconectează s-a realizat încărcarea în 2 Etape. După deconectarea de la încărcător, după circa 15 minute, o baterie de 12 V stocată la temperatura standard de 20 ºC și fără sarcină, are o tensiune la borne ce indică starea reală de încărcare: 100% – 12,65V, 75% – 12,45V, 50% – 12,25V, 25% – 12,05V, 0% – 11,90V. Tensiunea bateriei depinde și de temperatură.

Dacă bateria este deconectată de la încărcător, depozitată sau rămasă într-un dispozitiv

nefolosit mult timp, ea se descarcă (în 2-3 luni) chiar fără o sarcină. Bateriile de pe vehicule parcate mult timp (auto, bărci etc.) trebuie menținute la o încărcare flotantă, ce poate fi realizată cu un mic panou solar cu rol de generator fotovoltaic (sub 4 W) conectat permanent la baterie prin cupla de brichetă. Etapa 3. Încărcarea flotantă: Dacă bateria rămâne legată la încărcător, se trece la încărcare flotantă. Tensiunea de încărcare este redusă între 13,0 V și 13,8 V și se menține constantă, în timp

ce curentul este redus sub 10% din capacitatea bateriei. Acest mod poate fi folosit pentru a menține o baterie complet încărcată pe timp îndelungat. Încărcarea în 8 Etape este încărcarea optimizată. În Etapa 1 se aplică încărcare cu pulsuri

de curent pentru a reface proprietățile chimice la o baterie neutilizată mult timp (desulfatarea). După Etapele 2, 3, 4 (bulk, curent constant, tensiune constantă – specifice încărcării în 3 Etape) se trece în Etapa 5 de analiză, în care, după 2 minute de oprire a încărcării se determină starea bateriei măsurând variația tensiunii. De ex. la bateria de 12 V, dacă tensiunea este sub 12,6 V după 2 minute, se trece la Etapa 6 de recondiționare aplicând o tensiune mare (U = 14,4 V). Etapa 7 este de aducere la încărcarea 100% (nivel flotant). Etapa 8 este de menținere. Din încărcarea în 8 etape derivă încărcarea optimizată în 5 Etape. Bateriile cu electrozii din aliaj Calciu-Plumb sunt mai rezistente la vibrații și șocuri, dar

adăugând Calciu în aliaj, crește cu circa 0,4 V tensiunea la care apare hidrogenul gaz, respectiv crește de la 14,4 V la 14,8 V. Aceasta înseamnă că tensiunea de încărcare ar trebui să fie mărită la 14,8 V, dar problema reală există în aplicații auto, unde tensiunea dată de un alternator este fixată la 14,4 V. Înlocuind baterii Pb-Acid cu baterii noi de tip Pb-Calciu-Acid sau Pb-Silver-Calciu-

Acid, tensiunea de 14,4 V dintr-un sistem de încărcare actual pe mașină poate fi insuficientă pentru a încărca complet bateria. Rezultă că bateria va rămâne într-o stare permanentă de descărcare, iar aceasta va duce la sulfatarea bateriei și posibilitatea de stratificare a electrolitului

lichid. În final, bateria nu va asigura curentul maxim specificat și nici capacitatea de Ah pe care se bazează aplicația. De aici apare percepția utilizatorilor că: bateriile cu tehnologii moderne nu durează atât de mult cât se estimează. Cauza fiind de fapt, sub încărcarea cronică. c. Panou solar și controlor de încărcare a bateriei. Se pot realiza sisteme de încărcare cu

performanțe bune printr-o combinație de controler de încărcare solar Steca Tarom (pentru sisteme fotovoltaice hibride) cu o celulă de combustie Steca EFOY Pro ca generator de rezervă în zone fără acces la rețeaua de electricitate. Invertoarele sinusoidale Meanwell TN-1500 și TN3500 au și funcția de încărcare a bateriilor Pb-Acid de la rețea AC (baterii 100Ah – 400Ah: 12V/24V/48V încărcare la 25A/12A/6A) sau de la panou solar (25V/45V/75V, max.30A).

d. Generator electrochimic de tip pilă sau celulă de combustie cu metanol ce convertește energia chimică în energie electrică. Celula de combustie poate furniza energie pentru instrumente de măsurare aflate pe teren și aplicații de telecomunicații fără conectare la rețeaua AC. De exemplu, celula de combustie EFOY Pro 1600 12V/5.4A (pentru baterii Pb-Acid de

40…200 Ah) consumă 0,9 l/kWh metanol, este conectată prin dispozitivul Steca PA HS200 direct la baterie și poate oferi până la 1,56 kWh/zi pentru a reîncărca bateria în mod automat, dacă este necesar.

e. Porturi USB 2.0 care oferă 500mA și USB 3.0 oferă 900mA din sursa unui PC. În

multe PC-uri pentru USB 2.0 limitarea se face la curentul total de 500mA, însumat pentru toate

porturile din PC. Din anul 2010 s-au crescut limitele de curent pentru porturi USB care sesizează și încărcă baterii, fiind posibile comunicații de mare viteză simultan cu livrarea unui curent de 1.5A (maxim 5A).

În multe PC-uri pentru USB 2.0 limitarea se face la curentul total de 500mA, însumat la toate porturile din PC. Din anul 2010 au apărut schimbări în standardul USB, inclusiv creșterea limitelor de curent pentru porturi USB care sesizează și încărcă baterii, fiind posibile comunicații de mare viteză oferind în același timp un curent de 1,5A și ajungând la maxim 5A. Se recomandă verificarea specificațiilor de curent referitoare la portul USB utilizat.

Încărcarea printr-un port USB se face uzual pentru baterii CdNi, NiMH, LiIon, de capacitate relativ mică, incluse în aparate portabile, dar mărirea tensiunii și a curentului a deschis posibilitatea de a încărca și baterii Pb-Acid de capacitate mai mare.

f. Transferul puterii de încărcare prin câmp magnetic sau electric (wireless). Transferul se

bazează pe legea inducției a lui Faraday, realizând un cuplaj fie prin câmp magnetic variabil între două bobine, fie prin câmp electric variabil între plăcile unui condensator. Pulsurile de putere emise de sursa de putere sunt receptate de un consumator apropiat, apoi redresate și condiționate pentru a produce o putere DC pentru încărcarea bateriilor din dispozitive portabile de mică putere (5…10W).

Alegerea încărcătorului de baterie. Încărcarea corectă se face la curent constant, în etape, controlând tensiunea și temperatura bateriei, pentru a maximiza capacitatea și durata de viață a bateriei. Multe aplicații cer utilizarea bateriei pentru alimentarea unui consumator și simultan să se asigure încărcarea bateriei (ex. încărcarea prin panou solar sau celulă de combustie a unui

aparat aflat în funcționare pe teren). De aceea, un dispozitiv de încărcare poate include și supravegherea funcționalității circuitului de la care ia putere pentru a o ceda bateriei.

Fig. 1. Schema electrică de principiu a încărcătorului reglabil În fig. 1 este prezentată schema electrică de principiu a unui încărcător cu tensiune reglabilă la sarcina cuprinsă între 1,5-30 V şi curentul pînă la 25 A. Tensiunea de la transformatorul de putere este redresată de redresor fullwave bazat pe diodele VD1-VD6. Această tensiune se aplică la un circuit integrat A1 pentru stabilizarea. Cu ajutorul rezistorului variabil R2 se reglează valoarea tensiunii pe sarcină pînă la 30 V. Curentul la ieşirea circuitului integrat nu depăşeşte 1,5 A, deaceea în schemă sunt conectate etaje de amplificare VT1-VT3 cu emitor comun, care permit mărirea curentului pînă la 25 A. Mersul lucrării 1. Conectaţi acumulatorul descărcat (cu tensiunea nominală U=12 V şi curentul nominal I=0,5 A) la bornele încărcătorului. Pentru măsurarea parametrilor electrici includeţi în circuitul ampermetrul şi voltmetrul. 2. Fixaţi pe sarcina tensiunea de încărcare a acumulatorului U≈14-15 V, astfel încât valoarea curentului în circuit să fie de 10 ori mai mare, decît cea nominală (I=5 A). 3. Porniţi cronometrul şi peste fiecare 5 minute înregistraţi indicaţiile aparatelor de măsurare. 4. Introduceţi valorile înregistrate în tabel şi construiţi graficul dependenţei curentului şi tensiunii de timp.

5. Deconectaţi acumulatorul de încărcător. Conectaţi la bornele acumulatorului un bec cu incandescenţă cu tensiunea nominală U=12 V. Pentru măsurarea parametrilor electrici includeţi în circuitul ampermetrul şi voltmetrul. 6. Repetaţi p. 3 şi 4. Întrebări de control 1. 2. 3. 4.

Care este destinaţia acumulatorului? Explicaţi construcţia şi principiul de funcţionare a acumulatorului cu plumb. Ce reacţii chimice au loc la încărcarea/descărcarea acumulatorului? Ce se întîmplă cu valoarea curentului şi tensiunii la bornele acumulatorului la

încărcarea şi descărcarea lui? 5. Explicaţi principiul de funcţionare a unui încărcător de acumulatoare de putere. Bibliografie 1. КАШТАНОВ, В.П., ТИТОВ, В.В., УСКОВ, А.Ф. и др. Свинцовые стартерные аккумуляторные батареи. Руководство. Москва: Воениздат, 1983. 148 с. 2. БОЛОТОВСКИЙ, В.И., ВАЙСГАНТ, З.И. Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов. Ленинград, 1988. 208 c. 3. КРИВЕЦКИЙ, А. Заряд кислотных аккумуляторов. Компоненты и технологии №4/2004. 3 с.

Ministerul Educaţiei, Culturii şi Cercetării al Republicii Moldova Universitatea de Stat „Alecu Russo” din Bălţi Facultatea de Ştiinţe Reale, Economice şi ale Mediului Catedra de ştiinţe fizice şi inginereşti

Lucrare de laborator nr. 3 la unitatea de curs „Electromobile” pentru studenţii specialităţii „Inginerie şi management în transportul auto”

Construcţia şi principiul de funcţionare a supercondensatorului

Bălţi, 2018 Scopul

lucrării:

cercetarea

construcţiei

şi

principiului

de

funcţionare

a

supercondensatorului (ionistorului) electromobilului. Generalităţi Valoarea fundamentală a supecondensatoarelor. Dezvoltarea economiei mondiale și

îmbunătățirea standardelor de viață este bazată pe creșterea rapidă a consumului de energie.

Compararea acestor relații în timp arată că pe unitatea de produs intern brut și standardul indicelui de viață consumul de energie tot mai creşte, care, în ceea ce privește resursele energetice sunt seturi finite economie globală sarcină non-triviale de a găsi noi surse de energie și de a dezvolta noi tehnologii de economisire a energiei.

Este cunoscut un alt mod de a asigura creșterea resurselor energetice - utilizarea energiei

consumate. Acesta este un potențial energetic foarte important câștig, care este în forma generală a unei valori de [(1 - randament)·(energia consumată)]. Din păcate, în prezent nu există metode fiabile și fezabile economic de utilizare a energiei

termice și, prin urmare produse metalurgice și alte industrii mari consumatoare de energie care utilizează răcită atmosferă dispozitive tehnice încălzite încă.

Cu toate acestea, pentru utilizarea energiei cinetice ale dispozitivelor tehnice în mişcare în timpul frânării există o soluție unică inginerească – supercondensator (sau ionistor) – care depozitează cantități anormale de energie şi care permite în câteva zecimi de secunde transformarea energiei de frânare a obiectului în mișcare. Prin urmare, supercondensator este unicul dispozitiv tehnic care permite recuperarea energiei de frânare, ceea ce face posibilă utilizarea de până la 25% din energia consumată. Particularităţile construcţiei supercondensatoarelor nanostructurate. Condensatori electrochimici sau supercondensatori acumulează sarcina pe strat electric dublu ce diferă de condensatori obişnuite cu valoarea capacităţii electrice: capacitatea maximă a condensatoarelor convenționale constituie sute de microfarazi, iar capacitatea maximă a supercondensatoarelor atinge valori de până la mii de farazi, adică cu șase ordine mai mare.

În 1879 H. Helmholtz a descoperit fenomenul necunoscut anterior - apariția straturilor

electrice în materiale cu tipul diferit de conductivitate la contactul lor reciproc. Acest fenomen are un caracter fundamental, promovând stabilirea stării de echilibru în sistemul format din materiale cu conducție ionică și electronică, prin transferul de sarcină electrică în spațiul intermolecular.

Straturile electrice descoperite de Helmholtz reprezintă regiuni de localizare a sarcinilor electrice la o distanță de 1-5 Angstromi și permit încărcarea surselor externe de sarcină, care, cu toate acestea, este limitată de tensiunea de descompunere a electrolitului (materialului cu conductibilitate ionică). Deoarece straturile electrice Helmholtz sunt formate în contactul substanţei solide cu lichidul, este evident că, în calitate de substanţă solidă pot fi utilizate materiale de dispersie înaltă. În acest caz, este posibil de obținut valori foarte ridicate ale suprafeței de contact și, în aşa fel, a suprafeței stratului electric dublu.

Prin urmare, dacă de interpretat straturile electrice Helmholtz ca plăcile unui condensator plan, poate fi obținut un condensator cu proprietățile unice de stocare a energiei sau supercondensator. Capacitatea condensatorului plan C se determină cu relaţia: С = ε·8,86·10-12·Ssd/d [F], unde ε este constanta dielectrică relativă a mediului, ε = 0,99 – 3,35; ε0 – constanta dielectrică în vid, ε0 = 8,86·10-12 [F/m]; d – distanța dintre straturile electrice, ce corespunde lungimii Debye a parcursului liber a electronilor și este d=(1–5)·10-10 [m];

Ssd – aria secţiunii stratului electric dublu valoarea teoretică limită a căruia constituie Ssd = 2600 m2 pe un gram de material poros.

Aşa dar, supercondensatoare au următoarele caracteristici: - densitatea capacităţii electrice pînă la 260 F/g; - densitatea energiei electrice pînă la 50 J/cm3; - rezistenţa interioară pînă la 0,0001 Ω; - timpul de încărcare/descărcare în diapazonul 0,0255,0 s; - curent de scurgere scăzut - și posibilitate de a păstra sarcina timp de sute de ore.

Fig. 1. Schema de principiu a unui supercondensator În fig. 1 este prezentată schema de principu a unui supecondensator, realizarea tehnică a căruia prezintă o celulă elementară, ce constă din două supercondensatoare unite în serie după straturile electrice în electrolit, iar sarcina este colectată de pe aceste straturi cu ajutorul materialului poros de carbune activat. În calitate de material de dispersie înaltă în supercondensatoare fără alternativă se foloseşte carbune activat cu dimensiunile particolelor 1-50 μm, dimensiunile porilor active 0,716 nm şi suprafeţei specifice pînă la 2500 m2/g. În calitate de electrolit în supercondensatoare industriale folosesc soluţie apoasă alcalină cu tensiunea de dispersie 1,23 V, electroliţi organici pe baza de acetonitril cu tensiunea de dispersie de pînă la 2,7 V sau electroliţi organici pe baza de lichidul ionic cu tensiunea de dispersie 3,5 V. Ca separatoare se utilizează în prezent hârtie de azbest, care îndeplinește pe deplin cerințele privind caracteristicile electrice, mecanice, operaționale și de cost. Cu toate acestea, în legătură cu reglementările Comunității Europene care interzic utilizarea azbestului, compania

japoneză Teijin Twaron au dezvoltat și au fost supuse unor încercări de funcționare supercondensatoare cu separatoare din poliamidă aromatică.

Tehnologia de bobinare

3v

Tehnologia de colectare 300v

Colector Masa activă Separator

1v- 3v

300v

Fig. 2. Tehnologii de confecţionare a supecondensatoarelor În prezent există două tehnologii de confecţionare a supercondensatoarelor (fig. 2): tehnologia de bobinare şi tehnologia de colectare. Caracteristica tehnică a suprecondensatoarelor care se produc la firma „TehnoCor” este prezentată în tab. 1. Tabelul 1. Caracteristica tenică a supercondensatoarelor firmei „TehnoCor” Tipul supercondensatorului

Tensiunea nom/max, V

Capacitatea nominală, F

Energia, kJ (nom/max)

Rezistenţa interioară, Ω

Înalţimea, mm

Masa, kg

4,5/120-Б 1,6/135-Б 1,2/190-Б 0,9/240-Б 2,85/190-Б 1,55/300-Б 2,2/305-Б 0,93/350-Б

110/120 120/135 175/190 220/240 175/190 250/300 305/380 350/400

4,5 1,6 1,2 0,9 2,85 1,55 2,2 0,93

27 12 18 22 44 48 102/160 60/75

0,20 0,19 0,27 0,35 0,30 0,40 0,45 0,45

360 215 270 335 495 470 615 400

30 20 25 30 40 36 40 33

0,65/420-Б 4,7/160-И 3,0/200-И 2,1/250-И 1,0/325-И 0,65/420-И

420/470 160/180 200/210 250/300 325/360 420/450

0,65 4,7 3,0 2,1 1,0 0,65

57/72 60/75 60/65 65/90 53/65 57/66

0,55 0,20 0,20 0,30 0,37 0,46

420 370 310 390 370 350

34 30 25 31 30 29

Mersul lucrării 1. Reprezentaţi schema de principiu şi explicaţi principiul de funcţionare a supercondensatoarelor. 2. Încărcaţi două supercondensatoare (unul pe baza de soluţie apoasă de electrolit, altul pe baza de lichid ionic) de la un bloc de alimentare de curent continuu pînă la 30-50 V. 3. Cu ajutorul osciloscopului măsuraţi timpul de descărcare a supercondensatoarelor şi reprezentaţi oscilograma obţinută.

Bibliografie 1. VON HELMHOLT, H. Studien uber elektrische Grenzshichten. Ann. der Physik und Chernie, 1879, Bd VII, № 7. 2. LEWANDOWSKI, A., GALINSKI, M.

Practical and theoretical limits

for

electrochemical double-layer capacitor. Journal of Power Sources. 2007. 173. p. 822–828. 3. ИВАНОВ, А.М., ГЕРАСИМОВ, А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, №8, 1991, с. 16-19. 4. KOTZ, R., CARLEN, M. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta. 2000. 45. p. 2483-2498. 5. DENSHCHIKOV, K. Stacked Supercapacitor Technology – New Perspectives & Chances, Supercaps Europe – European Meeting on Supercapacitors: Development and Implementation in Energy and Transportation Techniques, Berlin, Germany, Nov. 2005. 6. DENSHCHIKOV, K.K., ZHUK, A.Z., IZMAYLOVA, M.Y, GERASIMOV, A.F., New Generation of Stacked Supercapacitors. First International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors, Universite de Nantes, France, June 30th – July 2nd 2009. 7. DENSHCHKOV, K., ZHUK, A., IZMAYLOVA, M. Specific features of energy storage of supercapacitors with ionic liquid electrolyte. COST Action 542 High Performance Energy Storages for Mobile and Stationary Applications, INRETS, Paris, France, June 5 -7, 2008. 8. БОГНИЦКИЙ, И.Я., ГЕРАСИМОВ, А.Ф., ЕФИМОВ, С.Е., ИВАНОВ, А.М., ФОМИН, А.В., ЧИЖЕВСКИЙ, С.В. Патент RU №2041518. Конденсатор с двойным

электрическим слоем, Бюллетень изобретений Комитета РФ по патентам и товарным знакам, 1995, #22. 9. IVANOV, A.M., GERASIMOV, A., ILYIN, V.A., EMELIANOV, G.I. Patent USA №5,420,747 Capacitor with a duble electric layer cell stack, 1995. 10. ДЕНЬЩИКОВ, К.К., ИЗМАЙЛОВА, М.Ю. Пути повышения энергетических характеристик

суперконденсаторов.

Конференция

ОИВТ

РАН

«Результаты

фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение», Москва, 24-26 марта 2008 г. 11. ИЗМАЙЛОВА, М.Ю., РЫЧАГОВ, А.Ю., ДЕНЬЩИКОВ, К.К., ВОЛЬФКОВИЧ, Ю.М., ЛОЗИНСКАЯ, Е.И., ШАПЛОВ, А.С. Электрохимический суперконденсатор с электролитом на основе ионной жидкости. Электрохимия. т. 405, №8, 2009. С. 949-950.