THE USE OF SUPERCAPACITORS IN ENGINE START SYSTEM

Головин Д.В.¹, Горбунов А.А.²

¹Студент, ²Старший преподаватель, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИСТОРОВ В СИСТЕМЕ ЗАПУСКА ДВС

Аннотация

В работе проведено исследование применения батареи последовательно соединенных ионисторов в системе электростартерного пуска автомобиля с целью снижения нагрузки на аккумуляторную батарею.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, запуск ДВС, ионистор.

Golovin D.V.¹, Gorbunov A. A.²

¹Student, ²Senior lecturer, Perm National Research Polytechnic University

THE USE OF SUPERCAPACITORS IN ENGINE START SYSTEM

Abstract

In the work carried out research of the use supercapacitors battery in electric starter system of vehicle with a view to reduce load of battery storage.

Keywords: battery storage, engine start, supercapacitors.

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются основой систем электростартерного пуска двигателей современных автомобилей. Преимуществом свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АБ) является высокая удельная энергоемкость, компактность, простота обслуживания, невысокая стоимость и высокая надежность. Однако есть и недостаток который не удалось преодолеть, один из них это зависимость характеристик АБ от температуры. При снижении температуры увеличивается внутреннее сопротивление R₀ батареи, и процесс заряда сопровождается уменьшением зарядного тока. При температуре ниже – 10ºС процесс заряда ухудшается на столько, что разряженная на 50% АБ может зарядиться только до 70% [1].

Исследования АБ на прием заряда при отрицательных температурах показывают, что при прочих равных условиях для заряда АБ на одинаковую величину при температуре ниже - 15ºС, потребуется в 10 раз больше времени, чем при температуре 0ºС. А эксплуатация АБ в автомобиле при условиях низких температур и коротких поездок (5-20 км) приводит к отрицательному зарядному балансу. Батарея испытывает недозаряд, влекущий за собой дальнейший не запуск двигателя автомобиля, и сокращение срока службы батареи [2, 3].

В результате литературного обзора и измерений в момент пуска были получены различные значения стартерных токов от 200 А при 0 °С, до 440 А при - 30 °С. [2,3,4,5]. Полученные значения энергий пуска, в диапазоне температур от +5°С до -30°С, составили от 2 до 12 кДж (изменяется в 6 раз). На графике (рисунок 1) проиллюстрировано, что при понижении температуры энергия пуска возрастает по закону близкому к экспоненциальному. Данные факты свидетельствуют о повышенных нагрузках на стартерную батарею.

Рис. 1 - График зависимости энергии запуска от температуры

В настоящее время для снижения нагрузки АБ в момент пуска при отрицательных температурах многие исследователи предлагают использование молекулярных накопителей энергии [6].

Молекулярный накопитель или ионистор функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Он относится к классу электрохимических устройств, и, по факту, является конденсатором с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. К преимуществам данных источников энергии можно отнести такие факторы как: возможность мгновенной отдачи энергии, быстрая зарядка, малый вес, большой ресурс по циклам разряда-заряда, без заметного ухудшения параметров, возможность эксплуатации в широком интервале температур ( от -60°С до +125°С)[7]. Основным недостатком, из-за которого они не используются в системе электрооборудования автомобилей, является меньшая по сравнению с АБ удельная энергоемкость.

Рис. 2 - Напряжения и силы токов при запуске ДВС от АБ совместно с блоком ионисторов

 

I - изменение тока протекающего в цепи стартера автомобиля, I_и - ток отдаваемый батареей ионисторов, U - напряжение.

Были проведены испытания по запуску ДВС с использованием накопителей совместно с АБ. В ходе измерений были использованы ионисторы с максимальным напряжением 2,5 В, емкостью 700 Ф каждый, соединенные последовательно в батарею из 6 штук, номинальное напряжение батареи составило 15 В, энергия блока 11 кДж. Батарея имеет следующие массо-габаритные показатели: 1,2 кг, 110×70×110 мм

Результаты испытаний представлены в виде графика на рисунке 2. Кривая с индексом I показывает изменение тока протекающего в цепи стартера автомобиля. Кривая с индексом I_и показывает силу тока отдаваемую батареей ионисторов. Кривая с индексом U показывает изменение напряжения. Анализ графика показывает, что за период запуска ДВС энергия отдаваемая батареей ионисторов составляет до 50% необходимой.

В результате работы был проведен обзор литературных источников по вопросу применения ионисторов в системе электростартерного пуска автомобилей. Экспериментально установлена зависимость энергии пуска ДВС от температуры окружающей среды. Экспериментально проверена возможность использования батареи последовательно соединенных ионисторов в системе электростартерного пуска ДВС. Результаты работы показали снижение нагрузки на АБ, этот факт благоприятно скажется на сохранении положительного зарядного баланса батареи, уменьшится количество отказов АБ при эксплуатации автомобиля в условиях отрицательных температур и поездок на короткие расстояния, увеличится срок службы АБ.

Литература

1. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. – М.: ЗАО «КЖИ За рулем», 2004 – 384с.: ил.
2. Евдокимов Е.В. Система электрического пуска двигателя вездехода с молекулярным накопителем энергии: дисс. … канд. техн. наук: 05.09.03 Количество страниц: 148 с. ил. Благовещенск, 2009
3. Макарихин А. В. Разработка методики расчета и совершенствование систем пуска автомобилей семейства ЗиЛ: дисс. … канд. техн. наук: 05.09.03 Количество страниц: 177 с. ил. Москва, 2006
4. Поляков Н. А. Система электростартерного пуска транспортных средств с применением комбинированного источника электрической энергии: дисс. … канд. техн. наук: 05.09.03 Количество страниц: 170 с. ил.
5. Кошкин В.В. Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора: автореф. дисс. … канд. техн. наук: 05.20.01/ Моск. гос. анроинженер. Ун-т им. В.П. Горячкина Количество страниц: 17 с. Москва, 2004
6. Клепцов Е.И., Пономарев В.М. Оценка возможности применения накопителей энергии в системах электроснабжения и электрического пуска транспортных средств. Инновации и исследования в транспортном комплексе: Материалы II Международной научно-практической конференции. – Курган, 2014. – С. 30-33.
7. Кузнецов В., Панькина О., Мачковская Н., Шувалов Е., Востриков И. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Журнал Компоненты и технологии №6, 2005. C. 12-16.

References

1. Аkimov S.V., CHizhkov YU.P. EHlektrooborudovanie avtomobilej. Uchebnik dlya VUZov. – M.: ZАO «KZHI Za rulem», 2004 – 384s.: il.
2. Evdokimov E.V. Sistema ehlektricheskogo puska dvigatelya vezdekhoda s molekulyarnym nakopitelem ehnergii: diss. … kand. tekhn. nauk: 05.09.03 Kolichestvo stranits: 148 s. il. Blagoveshhensk, 2009
3. Makarikhin А. V. Razrabotka metodiki rascheta i sovershenstvovanie sistem puska avtomobilej semejstva ZiL: diss. … kand. tekhn. nauk: 05.09.03 Kolichestvo stranits: 177 s. il. Moskva, 2006
4. Polyakov N. А. Sistema ehlektrostarternogo puska transportnykh sredstv s primeneniem kombinirovannogo istochnika ehlektricheskoj ehnergii: diss. … kand. tekhn. nauk: 05.09.03 Kolichestvo stranits: 170 s. il.
5. Koshkin V.V. Nadezhnost' i ehffektivnost' ehlektrostarternogo puska dvigatelej vnutrennego sgoraniya pri ispol'zovanii superkondensatora: avtoref. diss. … kand. tekhn. nauk: 05.20.01/ Mosk. gos. anroinzhener. Un-t im. V.P. Goryachkina Kolichestvo stranits: 17 s. Moskva, 2004
6. Kleptsov E.I., Ponomarev V.M. Otsenka vozmozhnosti primeneniya nakopitelej ehnergii v sistemakh ehlektrosnabzheniya i ehlektricheskogo puska transportnykh sredstv. Innovatsii i issledovaniya v transportnom komplekse: Materialy II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferentsii. – Kurgan, 2014. – S. 30-33.
7. Kuznetsov V., Pan'kina O., Machkovskaya N., SHuvalov E., Vostrikov I. Kondensatory s dvojnym ehlektricheskim sloem (ionistory): razrabotka i proizvodstvo. ZHurnal Komponenty i tekhnologii №6, 2005. C. 12-16.