211service.com
Ultracaps kan öka hybrideffektiviteten
Energilagringsenheter som kallas ultrakondensatorer kan sänka kostnaden för batteripaketen i plug-in hybridfordon med hundratals eller till och med tusentals dollar genom att halvera storleken på packen, enligt uppskattningar av forskare vid Argonne National Laboratory i Argonne, IL. Ultrakondensatorer kan också dramatiskt förbättra effektiviteten hos en annan klass av hybridfordon som använder små elmotorer, kallade mikrohybrider, enligt en färsk studie från University of California, Davis.
Robust kraft: Denna ultrakondensator används för att fånga energi från bromsarna i hybridbussar. Liknande anordningar kan snart användas för att minska kostnaderna för hybridbilar.
Användningen av ultrakondensatorer i hybrider är inte en ny idé. Men de fallande kostnaderna för att tillverka dessa enheter och förbättringar av elektroniken som behövs för att reglera deras effekt och samordna deras interaktion med batterier kan snart göra dem mer praktiska, säger Theodore Bohn, forskare vid Argonnes Advanced Powertrain Research Facility.
Även om batterier har förbättrats avsevärt under de senaste åren, är kostnaden för att tillverka dem den främsta anledningen till att hybrider kostar tusentals dollar mer än konventionella fordon. Detta gäller särskilt laddhybrider, som förlitar sig på stora batteripaket för att leverera hela eller det mesta av strömmen under korta resor. Batteripaket är dyra delvis för att de försämras med tiden och för att kompensera för detta överdimensionerar biltillverkarna dem för att säkerställa att de kan ge tillräckligt med ström även efter 10 års användning i ett fordon.
Ultrakondensatorer erbjuder ett sätt att förlänga livslängden för ett hybridfordons kraftkälla, vilket minskar behovet av att överdimensionera batteripaketen. Till skillnad från batterier är ultrakondensatorer inte beroende av kemiska reaktioner för att lagra energi, och de försämras inte nämnvärt under en bils livslängd, även när de laddas och laddas ur i mycket intensiva skurar som kan skada batterierna. Nackdelen är att de lagrar mycket mindre energi än batterier – vanligtvis en storleksordning mindre. Om ultrakondensatorer däremot parades med batterier, skulle de kunna skydda batterierna från intensiva kraftutbrott, säger Bohn, som de som behövs för acceleration, och därmed förlänga batteriernas livslängd. Ultrakondensatorer skulle också kunna se till att bilen kan accelerera lika bra i slutet av sin livslängd som i början.
Att minska storleken på ett fordons batteripaket med 25 procent kan spara cirka 2 500 dollar, uppskattar Bohn. Ultrakondensatorerna och elektroniken som behövs för att samordna dem med batterierna kan kosta mellan $500 och $1 000, vilket resulterar i hundratals dollar i nettobesparingar.
Ultrakondensatorer skulle också göra det möjligt att göra om batterier för att hålla mer energi. Det finns vanligtvis en avvägning mellan hur snabbt batterier kan laddas och laddas ur och hur mycket total energi de kan lagra. Det stämmer delvis eftersom att designa ett batteri för att ladda ur snabbt kräver mycket tunna elektroder staplade i många lager. Varje lager måste separeras av stödmaterial som tar plats i batteriet men som inte lagrar någon energi. Ju fler lager som används, desto mer stödmaterial behövs och desto mindre energi kan lagras i batteriet. Parat med ultrakondensatorer skulle batterier inte behöva leverera strömutbrott och kan därför tillverkas med bara några lager av mycket tjocka elektroder, vilket minskar mängden stödmaterial som behövs. Det skulle kunna göra det möjligt att lagra dubbelt så mycket energi i samma utrymme, säger Bohn.
Ultrakondensatorer kan också vara användbara i en helt annan typ av hybridfordon som kallas mikrohybrid, säger Andrew Burke , en forskningsingenjör vid Institute of Transportation Studies vid UC Davis. Som de är designade idag använder dessa fordon små elmotorer och batterier för att förstärka en bensinmotor, vilket gör att motorn kan stängas av varje gång bilen stannar och startas om när föraren trycker på gaspedalen. En mikrohybrids batterier kan också fånga en liten del av energin som vanligtvis går till spillo som värme vid inbromsning. Eftersom ultrakondensatorer snabbt kan laddas och laddas ur utan att skadas, skulle det vara möjligt att designa mikrohybrider för att i mycket större utsträckning använda en elmotor, vilket ger korta kraftutbrott närhelst det behövs för acceleration. De kan också samla mer energi från inbromsning. Enligt datorsimuleringar utförda av Burke skulle ett sådant system förbättra effektiviteten hos en konventionell motor med 40 procent under stadskörning. Konventionella mikrohybrider förbättrar bara effektiviteten med 10 till 20 procent.
I både plug-in hybrider och mikrohybrider skulle ultrakondensatorer erbjuda förbättrad prestanda i kallt väder, eftersom de inte är beroende av kemiska reaktioner som saktar ner i kylan. I mycket kallt väder måste du värma batteriet, annars kan du inte köra särskilt fort – du skulle ha väldigt låg acceleration, säger Bohn. Däremot kunde ultrakondensatorer ge snabb acceleration även i kalla temperaturer.
Mark Verbrugge, chef för material- och processlabbet vid GM, säger att av de två användningsområdena för ultrakondensatorer kommer det att bli lättare att använda dem i mikrohybrider. I det här fallet, säger han, skulle ultrakondensatorer helt enkelt ersätta batterier, eftersom de lagrar tillräckligt med energi för att förstärka bensinmotorn utan hjälp av batterier. I plug-in hybrider, som kräver mycket mer energi, skulle ultrakondensatorer behöva paras ihop med batterier, och detta skulle kräva komplex elektronik för att koordinera de två energilagringsenheterna. I stort sett vill man aldrig lägga till delar i en bil, säger han. Du vill ha det enklaste systemet som möjligt så att det finns färre saker att gå fel.
För att ultrakondensatorer ska vara praktiska i mikrohybrider, säger Verbrugge, måste kostnaden för att tillverka dem minska med ungefär hälften, vilket kan vara möjligt eftersom många delar av tillverkningsprocessen för stora ultrakondensatorer ännu inte är automatiserade. Men för att motivera den ökade komplexiteten i plug-in hybrider, säger han, skulle hela systemet behöva kosta betydligt mindre än att bara använda batterier.
Forskarna vid Argonne har redan tagit steg för att bevisa att ultrakondensatorer kan ge dessa besparingar, efter att ha visat att de minskar värmebelastningen på batterier med en tredjedel. De fortsätter att testa ultrakondensatorer för att visa att de kan få batterier att hålla längre, vilket skulle göra det möjligt för biltillverkare att använda mindre batterier och spara pengar.