Введение 4
1 Аналитический обзор литературы 7
1.1 Электрооборудование автомобилей 7
1.2 Обзор аналогичных решений 12
1.3 Сравнительный анализ характеристик суперконденсаторов 14
2 Конструкция, принцип работы, области применения и особенности суперконденсаторов. Методы балансировки 19
2.1 Эксплуатация суперконденсаторов 27
2.2 Методы балансировки суперконденсаторов 32
3 Определение характеристик суперконденсатора для обеспечения работы бортовой электрической сети автомобиля 40
3.1 Потребители электрической энергии автомобиля 40
3.2 Порядок выбора суперконденсатора 41
3.3 Определение емкости суперконденсатора 42
3.4 Определение характеристик сборки суперконденсатора 46
3.5 Подключение сборки в бортовую сеть автомобиля 50
4 Экспериментальные работы влияния суперконденсатора в бортовой сети автомобилей на включение различных нагрузок 53
4.1 Цель и объект испытаний 53
4.2 Условия проведения испытаний 53
4.3 Методика испытаний 54
4.4 Измерительное оборудование 55
4.5 Программа испытаний 56
4.6 Результаты испытаний 57
Заключение 63
Список используемых источников 66
Приложение А 73
Актуальность работы и научная значимость настоящего исследования.
На сегодняшний день проблема повышения эффективности работы электрооборудования становится все более актуальной. Появляются новые электрические системы автомобилей (например система старт-стоп), которые потребляют большое количество энергии, в результате чего происходят различные падения напряжений в бортовой электрической сети автомобилей, что негативно сказывается на стабильную работу остальных электронных компонентов и систем. В транспортных средствах используются электрохимические аккумуляторы энергии: традиционные свинцово-кислотные, AGM (гелевые), щелочные и новейшие литий-ионные. Данные аккумуляторы имеют серьезные недостатки: ограниченный ресурс при циклической работе (от нескольких десятков до нескольких тысяч циклов зарядов и разрядов), сравнительно небольшую удельная мощность (при увеличении мощности снижаются: энергоемкость, коэффициент возврата энергии и ресурс), ухудшенные характеристики при эксплуатации в отрицательных температурах окружающей среды. Возможно, решить проблему помогут суперконденсаторы - это накопители энергии нового поколения с высокой плотностью энергии и мощности заряда.
Объектом исследования является бортовая электрическая сеть автомобиля.
Предметом исследования является падение напряжения бортовой сети при различных резких увеличениях нагрузки.
Целью работы является повышение эффективности работы систем электрообеспечения силовых установок автомобиля, при различных нагрузках на бортовую сеть.
Гипотеза исследования состоит в том, что с подключенным суперконденсатором к бортовой сети автомобиля, при включении различных электропотребителей автомобиля, резкие падения напряжений уменьшатся, связано это с тем, что суперконденсатор в силе мгновенно обеспечить пиковые токи потреблений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• провести аналитический обзор конструкций суперконденсаторов, рассчитать и собрать суперконденсатор с необходимыми характеристиками для проведения экспериментальных работ;
• реализовать схему подключения суперконденсатора к бортовой электрической сети автомобиля и провести экспериментальные работы по определению влияния суперконденсатора на напряжение бортовой сеть, при различных потребителях энергии;
• по полученным результатам сделать выводы о влиянии суперконденсатора на бортовую электрическую сеть автомобиля в качестве дополнительного источника тока в бортовой электрической сети автомобилей.
Метод исследования применялся экспериментального характера.
Научная новизна исследования заключается в влиянии суперконденсатора, на падения напряжений, при резких нагрузках в бортовой электрической сети автомобилей.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в том, что автор принимал непосредственное участие в формировании аналитического обзора по направлению исследований, подготовки элементов суперконденсатора и его сборки, а также в выполнении экспериментальных работ и получении результатов.
Апробация и внедрение результатов велись в течении всего исследования. Его результаты докладывались на семинарах кафедры «Энергетические машины и системы управления».
- Опубликована 1 научная статья в издании «Научный альманах 2022» № 4-2 (90) «Анализ токсичности двигателя на сжатом природном газе по результатам моделирования» Смоленский В.В., Аминов Ш.Т., Финогенов Н.В., Зайнетдинов И.М., Минаев Е.В., Гончаренко П.А. /С. 49-54
На защиту выносится:
- Разработанная концепция применения суперконденсатора совместно с бортовой электрической сетью автомобилей.
Структура магистерской диссертации:
Данная магистерская диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения с основными результатами, содержит 27 рисунков, 6 таблиц, списка использованных источников (61 источник), 1 приложения. Основной текст изложен на 74 страницах.
На основании выполненных работ можно сделать следующие выводы.
Анализ конструкций и сравнительных характеристик суперконденсаторов, различных производителей показал:
• суперконденсатор гораздо эффективнее традиционных химических источников энергии (АКБ);
• быстрое время зарядки (от 1 до 10 с);
• большой диапазон рабочих температур эксплуатации (от - 40 до + 65 С) по сравнению с АКБ;
• удельная мощность суперконденсаторов выше АКБ в 3 - 4 раза;
• технические характеристики и параметры суперконденсаторов такие как: максимальное напряжение, ток утечки, количество циклов, различных производителей идентичны, но СК фирмы «ТЭЭМП» превосходят других производителей на 10 % по удельной и накапливаемой энергиям.
• потеря емкости суперконденсатора определяется его внутренним сопротивлением, которое зависит: от температуры эксплуатации, силы тока при зарядке, перезарядки.
Основными отраслями, применений суперконденсаторов являются: автомобильная промышленность, гибридный и электротранспорт, энергетика и промышленность, бытовая электроника и портативные устройства .
Применение различных методов балансировки суперконденсаторов увеличивают их срок службы до 10 лет. Пассивная балансировка является более выгодной по цене, из-за применения наименьшего количества электронных компонентов, и более простой схемы реализации электронной платы.
В ходе выполнения работ рассчитан и собран суперконденсатор требуемой емкости. Фактическая емкость суперконденсатора составила 85Ф, с максимальным напряжением 16 В.
Определены сечения необходимых проводов для уменьшения электрических потерь.
Предложена схема балансировки (пассивная с использованием постоянного номинала сопротивления резисторов в 4,7 Ом).
Реализована схема подключения суперконденсатора в бортовую электрическую сеть автомобиля.
Определены характеристики сборки: ток утечки составил 0,3 мА; внутреннее сопротивление составило 19 МОм.
В ходе выполнения работ была разработана программа и методика испытаний суперконденсатора, по которым были проведены эксперименты по повышению эффективности работы систем электрообеспечения силовых установок при резких увеличениях нагрузки путем применения суперконденсатора совместно с бортовой сетью автомобилей. В экспериментах было установлено:
• фактическая емкость сборки 85Ф не достаточна полному обеспечению потребностей мощности включения нагрузки;
• период стабилизации напряжения в бортовой электрической сети автомобиля с суперконденсатором в зависимости от мощностей потребителей увеличилась от 0,5 до 2 с, связано это с тем, что в момент резкого потребления энергии различными потребителями - суперконденсатор отдает часть накопленной энергии, вследствие этого образуется не дозаряженный элемент в системе питания бортовой сети (увеличилась основная емкость электрического хранения энергии);
• амплитуда колебаний напряжения, с суперконденсатором уменьшается: для Lada Largus с U = 14,6 ±0,3 В до U = 14,6 ± 0,1 В; для «Сержант» U = 13,2 ± 0,4 В; до U = 13,2 ± 0,2 В, что благоприятно сказывается на работу электронных приборов в бортовой сети автомобилей.
Проведенный анализ показал положительную возможность использования суперконденсатора в составе бортовой электрической сети автомобилей, с целью повышения эффективности работы систем электрообеспечения силовых установок автомобилей.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
