Дослідження енергетичних процесів в колах коливального заряду суперконденсаторів

  • O. O. Biletskyi Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" http://orcid.org/0000-0001-8513-6553
  • V. I. Kotovskyi Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" http://orcid.org/0000-0003-3372-7815
Ключові слова: енергетичні процеси, заряд, суперконденсатор, внутрішній опір, акумуляторна батарея, втрати електроенергії

Анотація

Вступ. В даний час при сталому розвитку комбінованих джерел живлення виникає проблема поліпшення електричних пристроїв призначених для зберігання енергії і її динамічної передачі споживачам. При сучасних режимах експлуатації електромобілів (ЕМ), пристрої для накопичення енергії повинні працювати мільйони циклів заряд/розряд без погіршення енергетичних характеристик. Суперконденсатори (в літературі відомі, як іоністори, ультраконденсатори, нелінійні конденсатори або двошарові електрохімічні конденсатори) можуть працювати не менше мільйона циклів і можуть успішно використовуватись в комбінованих джерелах живлення ЕМ або в різноманітних електромеханічних об’єктах, які стохастично потребують велику імпульсну потужність.
Постановка задачі. В комбінованих системах електроживлення з суперконденсаторами (СК) та акумуляторними батареями (АБ) поєднуються висока питома потужність СК з високою питомою енергією АБ. Такий підхід дозволяє легко забезепечити необхідну потужність на початку руху електротранспорту або при різкому збільшенні швидкості руху, при цьому забезпечуючи необхідний запас енергії з АБ, при тривалому русі. Застосування комбінованих систем з СК та АБ може значно підвищити термін служби АБ та дозволяє працювати з низькими втратами енергії в колі коливального заряду СК. Метою цієї роботи є вдосконалення теорії енергетичних процесів в електричних колах коливального заряду СК від джерел постійної електро-рушійної сили (АБ), яка базується на врахуванні залежності ємності СК від прикладеної до його клем напруги та врахуванні змінних початкових умов по напрузі при заряді СК, що поліпшує енергоефективність комбінованих систем електроживлення.
Результати. В даній роботі досліджено енергетичні характеристики в колах коливального заряду СК від реального джерела постійної ЕРС (АБ). Проведено порівняння енергетичних характеристик кіл коливального заряду СК при різних добротностях зарядного контуру. Знайдено наближене рішення для нелінійного неоднорідного диференціального рівняння другого порядку при коливальному заряді СК від АБ, при врахуванні, що ємність є лінійною функцією від напруги на клемах СК. Дане рішення дає можливість визначати залежність енергії втрат в колах коливального заряду нелінійного конденсатора від електротехнічних параметрів елементів.
Висновки. Проаналізовані умови, за яких зростає коефіцієнт передачі енергії від АБ до СК, в колах коливального заряду СК. Визначено вплив початкових умов по напрузі на клемах СК, добротності зарядного контуру, ємності СК на коефіцієнт передачі енергії від АБ до СК в процесі заряду. Досліджено, що при підвищенні добротності зарядного контуру та збільшенні початкових умов по напрузі на клемах СК, можна збільшити коефіцієнт передачі енергії від АБ до СК та зменшити енергію втрат при коливальному заряді СК від АБ.

Біографії авторів

O. O. Biletskyi, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Білецький О. О., к. т. н., доцент кафедри теоретичної електротехніки

V. I. Kotovskyi, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Котовський В. Й., д. т. н., професор кафедри загальної фізики та фізики твердого тіла

Посилання

Перелік посилань

Burke A. Ultracapacitor technologies and application in hybrid and electric vehicles / A. Burke // International Journal of Energy Research. — 2010. — Vol. 34, No. 2. — P. 133–151.

Burke A. Present and future supercapacitors: technology and applications / A. Burke. — Santa Clara, California : 2014.

Mihailescu B. Hybrid supercapacitor-battery electric system with low electromagnetic emissions for automotive applications / B. Mihailescu, P. Svasta, G. Varzaru // U.P.B. Scientific Bulletin. — 2013. — Vol. 75, No. 2. — P. 277–290.

Kurzweil P. Capacitance characterization methods and ageing behaviour of supercapacitors / P. Kurzweil, B. Frenzel, R. Gallay // In Proc. 15th International Seminar On Double Layer Capacitors, Deerfield Beach, FL., USA. — 2005. — P. 14–25.

Zubieta L. Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications / L. Zubieta, R. Bonert // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2000. — Vol. 36, No. 1. — P. 199–205.

Harzfeld E. Capacitance and series resistance determination in high power ultracapacitors / E. Harzfeld, R. Gallay, M. Hahn, R. Kötz // ESSCAP 04, Maxwell Proceeding, Belfort, France. — 2004. — P. 1–4.

Rafik F. Frequency, thermal and voltage supercapacitor characterization and modeling / F. Rafik, H. Gualous, R. Gallay[et al.] // Journal of Power Sources. — 2007. — Vol. 165, No. 2. — P. 928–934.

Burke A. Performance of advanced ultracapacitors and prospects for higher energy density / A. Burke, M. Miller. — Las Vegas, Nevada : 2012.

Camara M. B. Control strategy of hybrid sources for transport applications using supercapacitors and batteries / M. B. Camara, H. Gualous, F. Gustin, A. Berthon. — 2006.

Martynyuk V. V. Fractional Model of an Electrochemical Capacitor / V. V. Martynyuk, M. D. Ortigueira // Journal of Signal Processing. — 2015. — V. 107. — P. 355-360.

Білецький О. О. Залежність енергетичних характеристик кіл заряду суперконденсаторів від їх початкових і кінцевих напруг / О. О. Білецький, Н. І. Супруновська, А. А. Щерба // Технічна електродинаміка. — 2016. — No. 1. — с. 3–10.

Шидловский А. К. Энергетические процессы в электроимпульсных установках с емкостными накопителями энергии / А. К. Шидловский, А. А. Щерба, Н. И. Супруновская. — 2009. — 207 с.

Білецький О. О. Енергетичні процеси в резистивних колах заряду суперконденсаторів / О. О. Білецький, В. Й. Котовський // Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. Серія Приладобудування. — 2018. — Vol. 0, No. 56(2). — с. 59–66.

Ануфриев И. Е. Curve fitting toolbox - математика - matlab.exponenta.ru [электронный ресурс] режим доступа: http://matlab.exponenta.ru/curvefitting/index.php – (дата обращения: 31.01.19). – название с экрана. / И. Е. Ануфриев.

Martynyuk V. Methodology of Electrochemical Capacitor Quality Control with Fractional Order Model / V. Martynyuk, M. Fedula, M. Ortigueira, O. Savenko // AEU - International Journal of Electronics and Communications. — 2018. — V. 91. — P. 118-124.

Martynyuk V. Fractional model of the electrochemical capacitor relaxation phenomenon / V. Martynyuk, M. Ortigueira, M. Fedula, O. Savenko // Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. — 2018. — V. 66, No. 4. — P. 441-448.

References

Burke A. (2010) Ultracapacitor technologies and application in hybrid and electric vehicles. International Journal of Energy Research, Vol. 34, Iss. 2, pp. 133-151. DOI: 10.1002/er.1654

Burke A., Liu Z. and Zhao H. (2014) Present and future applications of supercapacitors in electric and hybrid vehicles. 2014 IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC). DOI: 10.1109/ievc.2014.7056094

Mihailescu B., Svasta P. and Varzaru G. (2013) Hybrid supercapacitor-battery electric system with low electromagnetic emissions for automotive applications. UPB Sci. Bull., Vol. 75, No. 2, pp. 277–290.

Kurzweil P., Frenzel B. and Gallay R. (2005) Capacitance Characterization Methods and Ageing Behaviour of Supercapacitors, Proc 15th International Seminar On Double Layer Capacitors, pp. 14–25.

Zubieta L. and Bonert R. (2000) Characterization of double-layer capacitors for power electronics applications. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 36, Iss. 1, pp. 199-205. DOI: 10.1109/28.821816

Harzfeld E., Gallay R., Hahn M., and Kötz R. (2004) Capacitance and Series Resistance determination in high power ultracapacitors, ESSCAP'2004: 1st European Symposium on Super Capacitors & Applications, Belfort, France, pp. 1-4.

Rafik F., Gualous H., Gallay R., Crausaz A. and Berthon A. (2007) Frequency, thermal and voltage supercapacitor characterization and modeling. Journal of Power Sources, Vol. 165, Iss. 2, pp. 928-934. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.12.021

Burke A. and Miller M. (2012) Performance of advanced ultracapacitors and prospects for higher energy density, 45th Power Sources Conference, Las Vegas, Nevada.

Camara M., Gualous H., Gustin F. and Berthon A. (2006) Control strategy of Hybrid sources for Transport applications using supercapacitors and batteries. 2006 CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference. DOI: 10.1109/ipemc.2006.4778037

Martynyuk V. and Ortigueira M. (2015) Fractional model of an electrochemical capacitor. Signal Processing, Vol. 107, pp. 355-360. DOI: 10.1016/j.sigpro.2014.02.021

Beletsky O.A., Suprunovska N. I. and Shcherba A. A. (2016) Dependences of power characteristics of circuit at charge of supercapacitors. Tekhnichna Elektrodynamika, Vol. 2016, Iss. 1, pp. 3-10. DOI: 10.15407/techned2016.01.003

Shidlovskii A.K., Shcherba A.A., Suprunovskaya N.I. (2009) Energeticheskiye protsessy v elektroimpul'snykh ustanovkakh s yemkostnymi nakopitelyami energii [Power characteristics of supercapacitors during their charge from a source of voltage and discharge on resistive load], Kiev: IED NASU.

Biletskyi O. and Kotovskyi V. (2018) Energy processes in the resistance charge circuits of supercapacitors. Bulletin of National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute". Series Instrument Making, Iss. 56(2), pp. 59-66. DOI: 10.20535/1970.56(2).2018.152292

Anufriev I. E. Curve Fitting Toolbox - Matematika. Available at: http://matlab.exponenta.ru/curvefitting/index.php

Martynyuk V., Ortigueira M., Fedula M. and Savenko O. (2018) Methodology of electrochemical capacitor quality control with fractional order model. AEU - International Journal of Electronics and Communications, Vol. 91, pp. 118-124. DOI: 10.1016/j.aeue.2018.05.005

Martynyuk V., Ortigueira M., Fedula M. and Savenko O. (2018) Methodology of electrochemical capacitor quality control with fractional order model. AEU - International Journal of Electronics and Communications, Vol. 91, pp. 118-124. DOI: 10.1016/j.aeue.2018.05.005

Опубліковано
2019-03-30
Як цитувати
Biletskyi, O. O. і Kotovskyi, V. I. (2019) «Дослідження енергетичних процесів в колах коливального заряду суперконденсаторів», Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, 0(76), с. 5-14. доступний у: http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1550 (дата звернення: 18Жовтень2019).
Номер
Розділ
Радіотехнічні кола та сигнали