Анализ характеристик аккумуляторных батарей и суперконденсаторов применяемых в системах электропитания автомобилей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ществующего режима работы генома, вследствие чего отклик на воздействие переходит с системного, функционального уровня на морфологический. Это и приводит к внешнему изменению растений, что в некоторых вариантах способствует усилению их хозяйственно-ценных качеств и появлению новых полезных свойств.

Список литературы

1. Боголюбов, В.М. Общая физиотерапия / В.М. Боголюбов, Г.Н. Пономаренко. — М.: Медицина, 1999. — 432 с.

2. Материалы I Всесоюзного координационного совещания: Радиационная генетика — селекции. — М.: АН СССР, 1986. — 110 с.

УДК 631.3; 621.43.044.7.004.11

Г.Н. Смирнов, канд. техн. наук, доцент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

анализ характеристик аккумуляторных батарей и суперконденсаторов применяемых в системах электропитания автомобилей

В настоящее время консорциум «Форд—Дженерал-Моторс — Даймлер-Крайслер» и другие корпорации разрабатывают энергосберегающие системы электропитания для транспортных средств. Наиболее приоритетными из них являются система стоп-старт, система с регенеративным торможением М-ИБУ (средний гибридный автомобиль) и система Р-ИБУ (полный гибридный автомобиль) (табл. 1).

В качестве накопителей энергии применяют в основном традиционные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (АБ) и суперконденсаторы.

Существует два варианта соединения суперконденсаторов с АБ: последовательное (рис. 1) и параллельное (рис. 2). Как правило, используют АБ напряжением 12 В. Посредством двунаправленного БС/БС-конвертора-преобразователя осуществляется совместное автономное функционирование АБ с суперконденсатором.

Анализ стартерных аккумуляторных батарей для систем питания на 42 В. Наиболее заметное воздействие на емкость свинцово-кислотных АБ оказывает изменение температуры.

Эксплуатационные характеристики АБ (табл. 2), как правило, несколько улучшаются при повышении температуры. Однако при температуре выше 45 °С их срок службы резко сокращается. В случае снижения температуры аккумуляторов с 40 до 10 °С емкость свинцово-кислотных АБ при разряде уменьшается на 30 %. Заряд

АБ при температуре ниже -10 °С снижает энергию и может привести к необратимой деградации электродов. Проблема осложняется тем, что необходимо поддерживать одинаковую температуру в батарее, состоящей из большого числа аккумуляторов, часто объединенных в моноблоки. Различия в температуре отдельных аккумуляторов ведет к соответственным различиям в их емкости. В результате некоторые аккумуляторы в батарее могут быть перезаряжены или разряжены ниже допускаемого предела, что приводит к их быстрому выходу из строя.

Аналогичные, но менее отчетливые зависимости емкости от температуры установлены для

Таблица 1

Технические характеристики систем накопления энергии (напряжением 42 В) консорциума «Ро^-СМ-Б1т1егСпз1ег»

Параметр Стоп- старт М-ЫЕУ Р-ЫЕУ

Пиковая разрядная мощность за 2 с, кВт 6 13 18

Регенеративная пиковая мощность за 2 с, кВт - 8 18

Длительная разрядная мощность за 5 мин, кВт 3 3 3

Отдаваемая энергия на нагрузку 3 кВт, Вт-ч 250 300 700

КПД, % 90 90 90

Число циклов заряд/разряд 450 450 450

Разрядная мощность до 21 В при -30 °С, кВт 8 8 8

Срок службы, лет 15 15 15

Максимальная масса системы, кг 10 25 35

Максимальный объем, л 9 20 28

Стоимость системы при объеме производства 100 тыс. в год, долл. США 150 260 360

Саморазряд за сутки, Вт-ч <20

Рабочая температура, °С -30...+52

Температура хранения, °С -46...+66

Время, с

б

Рис. 1. Последовательное соединение суперконденсатора с АБ:

а — схема соединения; б — график разряда суперконденсатора при пуске ДВС

никель-металлогидридных и литий-ионных АБ. В процессе эксплуатации самые слабые элементы батарей не выдерживают и разрушаются быстрее

Таблица 2

Сравнительные характеристики аккумуляторов трех основных типов

Типы аккумуляторов

Показатель свинцово- кислотные никель- металло- гидридные литий- ионные

Удельная энергоемкость, Вт-ч/кг о «•Ті О СП 6 О 2 о 0 6 о

Внутреннее сопротивление, мОм Менее 100 200.300 150.250

(батарея (батарея (батарея

на 12 В) на 6 В) на 7,2 В)

Число циклов заряд/разряд до снижения емкости на 80 % 200...300 300.500 500.1000

Время быстрого заряда, ч 8...16 2.4 2.4

Саморазряд в месяц при комнатной температуре, % 5 30 10

Напряжение на элементе, В 2 1,25 3,6

Ток нагрузки относительно емкости (С): пиковый 5С 5С Более 2С

наиболее приемлемый 0,2С До 0,5С До 1С

Диапазон рабочих температур, °С -20...+60 -20...+60 -20.+60

Интервал между обслуживаниями 3.6 мес. 60.90 дней Не регл.

Начало производства 1960 1980 1990

Время, с

б

Рис. 2. Параллельное соединение суперконденсатора с АБ:

а — схема соединения; б — график разряда суперконденсатора при пуске ДВС

других. Поэтому столь важно непрерывно контролировать состояние, емкость, напряжение и температуру отдельных аккумуляторов в батарее.

Характеристики рассматриваемых АБ указаны в табл. 3.

Анализ суперконденсаторов для систем питания на 42 В. Энергозапас применяемых в автомобильной технике АБ, как правило, во много раз превышает требуемый для пуска ДВС. Например, у АБ 6СТ-55 он составляет 2400 кДж, а энергия, необходимая для пуска карбюраторного двигателя рабочим объемом 1,7 л, не превышает 15 кДж, т. е. в 150 раз меньше.

Указанная особенность отбора энергии АБ в систему электро-стартерного пуска (СЭП) позволяет использовать промежуточный накопитель в виде суперконденсатора, преобразующего энергию АБ в мощный импульс тока необходимой длительности, достаточный для пуска ДВС. Это позволяет в начальный период прокручивания коленчатого вала повысить

а

а

частоту вращения при неизменных параметрах АБ.

Основные преимущества суперконденсаторов по сравнению со свинцовыми стартерными АБ (рис. 3) — высокая пиковая удельная мощность, практически неограниченное число циклов полного заряда-разряда, герметичность и отсутствие необходимости обслуживания в эксплуатации в течение всего срока службы, сохранение работоспособности при температурах до -40 °С, большой ресурс (до 15 лет), экологическая чистота эксплуатации.

Суперконденсаторы подразделяют на два типа по используемому электролиту: щелочному и органическому (табл. 4). Практически единственными в мире производителями суперконденсаторов на щелочном электролите являются МНПО ЭКОНД (г. Москва) и АОЗТ ЭЛИТ (г. Курск). Суперконденсаторы на органическом электролите представлены несколькими фирмами. Лучшие характеристики, в том числе наибольшую энергоемкость в единичном модуле, имеют изделия фирм Maxwell и EPCOS.

На надежность суперконденсатора и его ресурс существенно влияет значение среднего рабочего напряжения на единичной

Таблица 3

Параметры АБ для систем питания напряжением 42 В

Параметр NiMH, 42-7 NiMH, 42-15 Комментарий

Напряжение, В:

номинальное 36 36 -

минимальное 26 26 -

максимальное 46 46 Для реализации максимального заряда

Мощность разряда, кВт 7 15 10 с, 35 °С, 50 % 80С

Мощность заряда, кВт 9 18 2 с, 35 °С, 50 % 80С

Емкость, А-ч 8,5 17 -

Энергоемкость, кВт-ч 0,3 0,6 -

Размеры, мм 340x180x100 340x180x190 -

Масса, кг 10 20

Удельная мощность, Вт/кг

Рис. 3. Сравнительные характеристики различных АБ и конденсаторов:

1 — свинцово-кислотная АБ; 2 — никель-металлогидридная АБ;

3 — литий-ионная АБ; 4 — суперконденсатор; 5 — классический конденсатор

Таблица 4

Сравнительные данные характеристик единичных модулей суперконденсаторов, производимых серийно с разным типом электролита

Показатель

Электролит

органический

(EPSON)

щелочной

(ЭКОНД)

Максимальное напряжение заряда, В

Максимальная запасенная энергоемкость, кДж

Максимальная электрическая емкость, Ф

Минимальное внутреннее сопротивление, мОм

Максимально допустимый ток заряда/разряда, А

Ток утечки (после 12 ч), мА

Срок службы, лет

Число циклов заряда/разряда

Диапазон рабочих температур, °С

Удельная энергоемкость, кДж/кг (кДж/л)

Постоянная времени наиболее энергоемкого суперконденсатора, с Удельная стоимость, И8Б/кДж

2.7 15,6

5000 (-10, +30 %) 0,4 500 Нет данных Зависит от режима Зависит от режима -35...+70 18,4 (19,5)

2

2.8

700 160 260 (+5 %) 0,3 2400*

< 1,0 > 10 > 106 -45.+60 3,5 (5,2) 0,078 3,0

* Ток от согласованной нагрузки до тока короткого замыкания. Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 2'2008

ячейке и длительность нахождения ее под этим напряжением. Максимальное рабочее напряжение на ячейке ограничено степенью разложения электролита, который составляет 1,2 В для щелочного и до 3,0 В для органического электролита. Это означает, что для получения более высокого напряжения ячейки должны быть соединены последовательно.

Суперконденсатор объединения ЭКОНД представляет собой батарею конденсаторных элементов, заключенных в герметичный корпус-модуль. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения суперконденсатора энергоемкость составляет 1...160 кДж при плотности энергии 0,5...3,5 Дж/см3.

Суперконденсаторы фирм EPCOS (рис. 4) и Maxwell идентичны и отличаются, по сути, лишь максимальной энергоемкостью модуля, которая у EPCOS выше, чем у Maxwell.

Параметры блока суперконденсаторов Maxwell Solectria UCB42 следующие:

Число элементов Максимальный ток, А Максимальное напряжение, В Рабочая температура, °С КПД, %

Энергоемкость, Вт-ч Доступная энергия, Вт-ч Емкость, Ф

Пиковая мощность, кВт/А Размеры, мм Масса, кг

18

400

45

-40.+65

85

41,6

35

150

15,7/400

403x300x232

19,5

Существуют конденсаторы-гибриды (ионист-ры). В основном этот тип накопителей представлен продукцией АО ЭСМА (г. Троицк). Они имеют удельную энергоемкость более 10 Втч/кг, но токи их заряда и разряда невысоки.

Характеристика конденсаторного модуля 30ЭК402И ЭСМА:

Диапазон рабочего напряжения, В Максимальное напряжение, В Минимальное напряжение, В

45.12

48*

12**

Внутреннее омическое сопротивление,

мОм, при 25 °С (-30 °С) 9 (12)

Емкость, Ф 330

Запасаемая энергия в диапазоне рабочих

напряжений, кДж 310

Запасаемая энергия в диапазоне

напряжений 42.12 В, кДж 270***

Максимальная мощность, кВт 56

Ток утечки при напряжении 42 В, мА 15

Габаритные размеры, мм (ДхШхВ) 530x180x262

Рабочая температура, °С -50...+50

Температура хранения, °С -60.. .+70

Ресурс, циклы 300 000

Масса, кг 39

* При этом напряжении модуль может находиться непродолжительное время.

** Модуль может кратковременно разряжаться до нулевого напряжения, однако храниться должен при напряжении не менее минимального, указанного в таблице.

*** При использовании в режиме буферного подключения.

Один из главных критериев выбора суперконденсатора — постоянная RC-временная. Чем меньше эта величина, тем больше и быстрее суперконденсатор может отдать и воспринять мощность. Это значит, что более «медленный» суперконденсатор должен быть тяжелее или больше, чем «быстрый», чтобы их области эффективности сблизились.

Оценка ожидаемого объема продаж в 200510 гг. автомобильных NiMH и Li-ионных систем (в натуральных показателях). В связи с многообразием типов и размеров АБ, для определения ожидаемой потребности рынка в АБ за единицу измерения примем суммарную их энергию (имеется в виду энергия, которую способны аккумулировать все батареи, проданные в течение конкретного года).

Однако, для определения объема батарейного рынка в единицах энергии необходимо произвести вычисления, применив данные прогнозов, составленные с использованием других единиц измерения, в том числе используя информацию, содержащуюся в табл. 5.

Отрицательный электрод Электролит

Положительный

электрод

Сепаратор

Слой активированного угля

Алюминиевая

фольга

Рис. 4. Суперконденсатор EPCOS: а — общий вид; б

один модуль

б

а

Таблица З

Структура мирового рынка аккумуляторных батарей в 2000 и 2010 гг. (все сегменты)

Электрохимические системы АБ 2000 г. 2010 г.

Всего 27 000 млн USD (100 %) Всего 45 000 млн ШБ (100 %)

Cвинцoвo-кислoтныe 80 % 53 % (прирост по сравнению с 2000 г. — 2250 млн ШБ)

Литий-ионные (Li-ион) 8 % 11 % (прирост по сравнению с 2000 г. — 2790 млн ШБ)

Никель-металлгидридные 4 % 29 % (прирост по сравнению

(NiMH) с 2000 г. — 11970 млн ШБ)

Никель-кадмиевые 7 % 5 % (прирост по сравнению

(NiCd) с 2000 г. -360 млн ШБ)

Другие 1 % 2 %

Таблица б

Ожидаемый объем продаж автомобильных батарей систем NiMH и Li-ион в 2005-10 гг. в натуральных показателя

Системы Объем продаж автомобильных АБ, тыс. ед.

2005 2006 2007 2008 2009 2010

NiMH 824 1648 2471 3295 4119 4943

Li-ион 345 689 1034 1379 1724 2068

Итого 1169 2337 3505 4674 5843 7011

В % от объема продаж свинцово-кислотных АБ напряжением 12-14 В 0,4 0,8 1,16 1,5 1,85 2,2

В нее включены как сегменты рынка, в отношении изделий которых никаких принципиальных изменений технологий до 2010 г. не ожидается, так и сегменты рынка, где уже идет массовое производство продаваемых изделий.

Замена свинцово-кислотных батарей на батареи новых систем начнется в легковых автомобилях среднего и представительского класса.

Средняя емкость свинцовых батарей, используемых сегодня в автомобилях этих классов, —

88 Ач, напряжение — 12 В.

Новые батареи должны будут иметь (как минимум) удвоенный запас энергии, т. е. энергоемкость одной батареи будет не менее 88 х 12 х 2 ~ 2100 Вт ч.

Список литературы

1. Дидманидзе, О.Н. Области применения икгаСарэ / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, Г.Н. Смирнов // Ремонт, восстановление, модернизация. —

2005. — № 3.

2. Дидманидзе, О.Н. Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора / О.Н. Дидманидзе, С.А. Иванов, В.В. Кошкин, Г.Н. Смирнов // Ремонт, восстановление, модернизация. — 2004. — № 7.

3. Дидманидзе, О.Н. Повышение надежности и эффективности электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании ийгаСар / О.Н. Дидманид-

зе, CA. Иванов, Д.Г. Асадов, Г.Н. Cмиpнoв // Объединенный научный журнал. — 2005. — № 1.

4. Герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи / Китай; доклад на конгрессе EVS-16. — Пекин, 1316 октября 1999 г.

5. Пористый полимерный электролит с рекордными характеристиками для литий-ионных батарей / Japan Storage Battery Co. Ltd., Япония; доклад на конгрессе EVS-16. — Пекин, 13-16 октября 1999 г.

УДК 631.3;631.53.02

Л.В. Навроцкая, канд. техн. наук, доцент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

зависимость выхода хромосомных нарушений от способа обработки семян

В начале прошлого века и, особенно в последнее время, когда появилась возможность воспроизводства сложных физических явлений, многие экспериментаторы, инженеры и биофизики предлагают приемы улучшения предпосевной обработки семенного материала различными физическими факторами с целью повышения урожая и улучшения технологических качеств зерна и другой растительной продукции.

Одним из них является лазерная обработка семян. Лазерное облучение характеризуется длиной волны X = 638 нм, т. е. красным светом. Энергия красного света по своему значению очень близка к энергетическим уровням, на которых работают живые организмы. Установлена достаточно высокая генетическая эффективность лазерного излучения, зависящая от параметров излучения, геноти-