ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина X, брой 1, 2018

Защо се използват ултракондензатори за стартиране на двигателя?

Защо се използват ултракондензатори за стартиране на двигателя?

Намаляване на слабостите на батериите

Подобно на батериите, ултракондензаторите съхраняват електрическа енергия, но това се осъществява по коренно различен начин: ултракондензаторът съхранява енергията в електрическо поле, докато батерията съхранява енергия посредством химични реакции. В резултат на това батериите съхраняват повече енергия на единица тегло (приблизително 20 пъти по-вече), но ултракондензаторите са по-мощни (около 100 пъти).

Когато става въпрос за стартиране на двигател, струва си да се отбележи, че батериите и студеното време не се съчетават добре, тъй като мощността им пада експоненциално с температурата, докато спадът на мощността при ултракондензаторите е линеен и значително по-малък. Поради спадането на мощността батериите не могат да задвижат пусковия електродвигател (стартера) достатъчно бързо и достатъчно дълго, за да се стартира студения двигател. Батерията, която разполага с цялата си мощност при 25 °C (77 °F), ще разполага само с около 46% от нея при -25 °C (-13 °F). В същото време двигателят ще се задейства 2,5 пъти по-трудно при -20 °C, поради по-гъстото масло.

В действителност е регистрирано 3-кратно спадане на мощността при батериите на камиони между -18 и - 40 градуса по Целзий . За същата температурна разлика спадането на мощността при ултракондензаторите е ограничено до около 20%, докато същите са няколко пъти по-мощни при стартиране при -18 градуса по Целзий.

За разрешаване на проблема със слабите батерии и по-ниския капацитет на батериите при ниски температури, модулът за стартиране на двигатели (engine start module, ESM) на Skeleton предоставя възможност за извличане на енергия. ESM използва интегрирана силова електроника за извличане на необходимия заряд от „мъртвите“ батерии, които вече не въртят двигателя, но все още имат останала достатъчно енергия. Фигуративно казано, ESM може да кондензира няколко минути от мощността на батерията в няколко секунди, за да достави нужната мощност за задействане на двигателя до необходимите 100 оборота в минута (rpm).

Икономически ползи

Случай: Доставка в рамките на града - без работа на празен ход.
Разход на гориво при работа на празен ход - 2,5 л/час
Часове работа на празен ход на смяна - 2 ч.
Спестяване на смяна - 6 евро
Сменидо прага нарентабилност - 225
Работни дни с 2 смени на ден - 112
Седмици 16

Идеалният камион за оборудване с модул за стартиране на двигателя е този, който трябва да спира на всеки няколко километра. Водачите обикновено поддържат камиона да работи при разход 2,5 л/час. При 2 часа работа на празен ход на смяна, общото спестяване става 6 евро/смяна, а прагът на рентабилност - точно 225 смени.

Да не говорим за замърсяването на въздуха, което може да бъде спестено.

Случай: Магистрала - удължаване на живота на батерията.
Смяна на батериите на година - 1.5
Цена за смяна на батериите - 450 - 600 евро
Цена на година - 675 - 900 евро

Според наш клиент, оригинален производител на оборудване, в местата със студен климат животът на батерията се съкращава от задължителния график „5 + 2“ – 5 дни шофиране, 2 дни почивка. Батериите рядко са заредени напълно в началото на периода на почивка и е още по-лошо след него. Дори ако камионът се стартира в края на периода на почивка, стартовите натоварвания на двигателя увреждат сериозно батерията и в някои случаи налагат смяна на батерията на всеки 7-8 месеца.

Докато при използването на ESM за стартиране мощността идва директно от ESM. Ако на сутринта батериите са празни, двигателят все пак ще запали, без да консумира енергия директно от батериите. Това ще елиминира престоя, дължащ се на мъртви батерии, и ще увеличи живота на батериите 1,5 - 2 пъти.

Случай: Магистрала - избягване на работа на празен ход на двигателя, заради натоварвания за битови нужди.
За да избегнат риска от нужда от запалване от външен източник, водачите често избират да оставят двигателя да работи на празен ход. Според данни на клиенти за годишното време на работа на празен ход, избягването на „работата на празен ход за безопасност“ намалява разхода на гориво при работа на празен ход от 7% на 3% - средно намаление на работата на празен ход с прибл. 2,5 часа/ден. Това означава спестяване на 1 440 евро от цената на горивото.

Километри годишно - 100 000
Гориво годишно - 30 000 л
Цена - 36 000 евро

Гориво, изразходвано при работа на празен ход - 2100 л
Изразходвано при работа на празен ход със SkelStart - 1200 л
Спестяване - 1 440 евро

Случай: В открито море.
Липсата на помощ за запалване от външен източник в открито море е явна. Необходимостта от такава помощ е много вероятно да възникне след продължителна операция само под опънати платна. Невъзможността да се запали двигателят в открито море е неудобство в най-добрия случай и опасение за безопасността в най-лошия.
Неразполагането с работещ двигател може да доведе до проблем с маневрирането при влизане в пристанище или, както се е случило с наш клиент, до разходи за услугите на влекач, тъй като не са могли да управляват кила без работещ двигател (яхта Cookson 50).
Клиентът се е връщал от редовна малка регата, по време на която са били изразходвани всичките три батерии - двете тягови батерии и допълнителната стартерна батерия. Като решение, стартерната батерия беше заменена с ESM. В резултат на това се намали общото тегло на яхтата с 15 кг и има предоставено решение да се взема енергия от „мъртвите“ батерии за генериране на висока пускова мощност в рамките на няколко минути без допълнителна помощ.

Технически характеристики и функции
Номинални стойности на работните параметри
Батериите и ултракондензаторите не следва да се сравняват пряко, тъй като батериите винаги ще превъзхождат ултракондензаторите по отношение на енергията, която могат да осигурят, но не могат да се конкурират по мощност. Цялата идея за използването на ултракондензатори за стартиране на двигателя произхожда от предпоставката за осигуряване на достатъчно мощност за завъртане и ускоряване на двигателя в рамките на първите 2 секунди вместо за 30 секунди.
При батериите пусковата мощност за двигателя се определя посредством тока при студен старт (cold cranking amps, CCA). Това е измереният ампераж в рамките на границите на времето и напрежението (SAE: -18 °C, 30 секунди, напрежение над 7.2 V (на 12 V номинална стойност)).

Температура - -18oC
Батерия 2x 12 V - 17 kW
SkelStart ESM Gen 2.0 - 77 kW
ESM на Maxwell - 36 kW

Температура - -40oC
Батерия 2x 12 V - 5.7 kW
SkelStart ESM Gen 2.0 - 57 kW
ESM на Maxwell - 31 kW

Признавайки съществената разлика при доставяне на мощност от батериите и ултракондензаторите, индустрията е определила набор от фактически параметри за сравнителна оценка на експлоатационните характеристики на ESM, показани по-долу. SkelStart ESM Gen 2.0 ясно надхвърля конкурентното решение от Maxwell.

Стартиране на двигателя

- Мощност на стартера
От друга страна, целият процес може да се разглежда като крива на мощността, където достигнатата максимална мощност е 52 kW, с върхови стойности на мощността, свързани с компресията, при 20 kW, при обща средна стойност около 15 kW.

Това съответства на кривата на мощността на стартера, който веднъж след като се задвижи, показва максимална мощност между 800 и 1200 ампера. Моля, забележете, че изходната мощност на ESM и изходната мощност на стартера са различни поради загубите на ефективност на стартера, които в зависимост от товара могат да достигнат до 60%.

- Стартиране след продължителни стационарни периоди
За да завърти двигателя, стартерът трябва да преодолее фрикционното, хидравличното и компресионното съпротивление. Както може да се види от диаграмите в предишните глави, ESM постига това с почти мигновена скорост. При завъртане над праговата скорост на двигателя (обикновено 100 rpm) двигателят ще се стартира, щом налягането на горивото достигне номиналната стойност. Обикновено това отнема по-малко от 2 оборота на двигателя и двигателят се задейства след 1-2 секунди в зависимост от спецификата на неговото управление.

Това обаче може да не се случи след по-дълъг стационарен период. При повечето съвременни дизелови двигатели с акумулираща горивна система с високо налягане необходимото налягане за стартиране е 100 - 200 bar, което може да отнеме до 10 оборота на двигателя (3-5 секунди) за достигане на номиналното налягане.

В екстремни случаи това може да доведе до събитие на незадействане при първия опит, тъй като ESM може да не разполага с достатъчно останала енергия за завъртането на двигателя с необходимата минимална скорост за повече от 5 секунди. Важно е да се отбележи, че с повишаване на налягането на горивото ESM ще стартира двигателя при втория опит.

ESM е готов за втори опит след 3-минутно зареждане. При достигане на номинално изискваното налягане на горивото, двигателят ще се стартира за по-малко от 2 секунди.

Стартиране при „празни батерии“ - извличане на енергия
SkelStartESMGen 2.0 може да се самозарежда от „празните“ батерии.

В този случай на стартиране на двигателя се използва почти точно 50% от енергията, съдържаща се в SkelStart ESM Gen 2.0. При максимален капацитет 35 Wh, събитието на стартиране на двигателя консумира само 17,5 Wh енергия. Докато батерия само с 10% останал заряд вече не може да стартира двигателя, чифт батерии за камион с номинален капацитет 200 Ah все още имат над 400 Wh останала енергия. ESM е в състояние да извлече необходимите 5% от тази енергия и да я кондензира в 3,5-секундно освобождаване.

Според кривата на заряда по-долу, ESM е готов да се презареди от 20 V в рамките на 3 минути и отново да стартира двигателя след следващото спиране.

Запазване на заряда
ESM се презарежда след потенциалните си спадове с 1 V или повече, което се равнява на около 2,5 Wh– 7% –заряд.

Свързан с батерията, ESM може да се самоподдържа напълно зареден за повече от година.



НЕУРОТЕХ

София 1766, ул. Рачо Петков Казанджията 4
тел.:02/ 4217198
факс:02/ 4217199
088/ 2405860, 5181765