Конденсаторные модули ЭЛТОН в составе электропривода городского автобуса с гибридной силовой установкой А.И. Варакин, И.Н. Варакин, К.Ю. Томащук ЗАО «ЭЛТОН», Москва, Россия

2 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.

3 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».

4 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: Е 1 = m V 1 2 /(2К И ) (1) Доступная для рекуперации энергия составит: Е 2 = К И m V 1 2 /2 (2) m – масса транспорта, К И – суммарный коэффициент, учитывающий все потери при движении транспорта V 1 – скорость транспорта после разгона и V 2 – скорость транспорта после выбега.

5 Расчет эффективности рекуперации Эффективность рекуперации можно представить как отношение энергии рекуперации к энергии, необходимой на разгон транспортного средства: EF = Е 2 / Е 1 (3) Для рабочего цикла движения городского транспорта, эффективность рекуперации при наличии накопителя можно представить в виде формулы: EF = φ η К И 2 V 2 2 /V 1 2 (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: Е уд m S = m V 1 2 /(2K И ), откуда К И = V 1 2 /(2Е уд S) (5) Е уд – удельное энергопотребление транспорта, S – длина маршрута в цикле. Опыт эксплуатации российских троллейбусов по городскому маршруту (S ~ 350 м, V 1 ~ 45 км/ч, время разгона с, время цикла ~ 60 с) дает величину Е уд = Втч/(ткм). Подставляя соответствующие величины в выражение (5) получим: К И = 0,65. Как правило, для троллейбусов V 2 /V 1 = 0,85 Принимая φ = 0,95 и η = 0,8, эффективность рекуперации, равна: EF = φ η К И 2 V 2 2 / V 1 2 = 0,95 0,8 0,65 2 0,85 2 = 0,23

6 Определение параметров накопителя энергии Расчетная энергия, необходимая для разгона автобуса с массой 18 т до скорости 55 км/ч, составит m V 1 2 /(2K И ) = ,3 2 /(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.

7 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 кВт. Оптимальная работа ДВС с минимальным расходом топлива может быть достигнута при работе в диапазоне % максимальной мощности. Мощность ДВС автобуса, работающего в оптимальном режиме должна лежать в пределах 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

8 Технические требования для компонентов гибридной силовой установки в составе городского автобуса (12 м, 18 т) Установленная мощность ДВС, кВт55-70 Номинальная мощность электродвигателя, кВт Максимальная мощность электродвигателя, кВт Номинальная мощность накопителя, кВт90 Энергия накопителя при номинальной мощности, МДжБолее 2,2 Ресурс, цикл.Более * КПД (Еd/Ec) в цикле заряд/разряд (η), не менее0,8 Срок службы, лет10** Тип приводаПоследовательный гибрид * 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

9 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 С, 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.

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

11 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.

12 Накопитель на основе ЭКЭ для гибридного привода городского автобуса Тролза-5250 Модель накопителя14×30ЭК404 Напряжение, В630 Емкость, Ф28,6 Энергия в окне U-U/2, МДж4,24,2 Объем, л420 Масса, кг520 Номинальная мощность, кВт90 КПД (Еd/Ec) в цикле заряд/разряд (η ) > 0,8 Конденсаторный модуль30ЭК404 Напряжение, В45 Емкость, Ф400 Внутреннее сопротивление, мОм12 Масса, кг37 Габаритный размер, мм560х219х245 Рабочая температура, 0 С–50/+60 Воздушное централизованное охлаждение

13 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.

14 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 км, среднее расстояние между остановками около 350 м. Средняя скорость движения по маршруту км/ч, максимальная – 50 км/ч. На данный момент средний пробег автобусов превысил 35 тыс. км.

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

16 Характеристики автобуса с гибридным приводом Тролза-5250 Длина, м12 Полная масса, т18 Пассажировместимость, чел.100 Номинальная мощность тягового электродвигателя, кВт125 Максимальная мощность тягового электродвигателя, кВт200 Номинальная мощность турбины, кВт65 Энергия КН в окне напряжений U-U/2, МДж4,2 Габаритный объем, л420 Масса, кг520 Максимальная скорость, км/ч7070 Время разгона до скорости 50 км/ч, с25 Средняя эффективность рекуперации0,23 Средний удельный расход энергии, Втч/(т*км)80-84 Расход топлива на маршруте в г. Краснодаре, м 3 /100 км50-70 Максимальный пробег за счет энергии накопителя (неработающий ДВС), кмДо 1,5

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

18 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» с гибридным приводом («Транс-Альфа» г. Вологда, Россия, 2007) Гибридный автобус-троллейбус, 2007, г Майкоп, Разработка МЭИ (г. Москва)

19 Конденсаторный модуль 60ЭК405 Рабочее напряжение, В90 Емкость, Ф200 R in, мОм30 Масса, кг75 Габаритный размер, мм774×423×223 Материал корпусаПластмасса Рабочая температура, 0 С–50/+60 ОхлаждениеВоздушное автономное, вентилятор 24 В 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.

20 Выводы Результаты эксплуатации подтвердили расчетные параметры автобуса. Средняя эффективность рекуперации – более 20 % от энергии, затрачиваемой на разгон. Средний удельный расход энергии автобуса в городском режиме ~ 80 Втч/(т*км). Расход топлива гибридного автобуса (с накопителем 4,2 МДж и микротурбиной 65 кВт) составил м 3 /100 км и сократился в среднем на % по сравнению с расходом топлива стандартного газового автобуса с двигателем мощностью 180 кВт и эксплуатирующегося на том же маршруте в г. Краснодаре. Экономия топлива обеспечивается не только снижением энергопотребления за счет рекуперации (~20 %), но и за счет работы микротурбины в оптимальном режиме (работа с максимальным КПД и обеспечение работы двигателя с мягкими переходами без реверсивных режимов). Пробег автобуса за счет энергии накопителя (неработающий ДВС) ~ 1,5 км. Предпочтительным вариантом разработки нового автобуса с гибридным приводом выглядит модернизация троллейбуса, которая требует минимального переоборудования (установка накопителя и микротурбогенератора), тяговые электродвигатели другое оборудование остается прежним. Важным обстоятельством является то, что адаптация обслуживающего персонала к новому виду техники в троллейбусных парках, имеющего опыт работы с оборудованием высокого напряжения, пройдет значительно проще, нежели в автобусных парках. Эксплуатация накопителя на базе ЭКЭ в составе гибридной силовой установки подтвердила отсутствие разбаланса конденсаторов по напряжению без применения внешнего электронного балансировочного устройства. Накопленный опыт эксплуатации конденсаторных модулей на различных транспортных средствах с гибридным приводом позволил ЭЛТОН провести разработку новой модели конденсаторного модуля с напряжением 90 В.