Насколько практичным будет автомобильный усилитель с использованием суперконденсаторов?

9

В настоящее время автомобильные усилители (переносное устройство, заряжаемое от розетки и затем подключаемое к автомобильной электрической системе для запуска автомобиля, когда автомобильный аккумулятор разряжен), обычно используют батареи - свинцово-кислотные, Li-Ion или LiFePO4. Через несколько лет батарея в усилителе будет изнашиваться.

Будет ли целесообразно использовать батарею суперконденсаторов, которые являются более долговечными, вместо батареи в усилителе?

Sharptooth
источник
2
Основное различие между суперкапсами и батареями заключается не в сроке службы, а в скорости зарядки. Зарядка свинцово-кислотной или литий-ионной батареи - это химический процесс, который может занять несколько часов, а суперкап - за несколько секунд. (для некоторых определений «заряда» и «суперкапа»)
Кевин Вермеер
1
@Kevin Vermeer: ​​Да, я знаю это, и это очень круто. Однако покупать бустер и использовать его нечасто, а затем найти его батарею, естественно, изношенную, совершенно не круто.
sharptooth
Даже если бы функциональность за доллар была там, суперкапсы огромны по сравнению с батареями по энергии на единицу объема. Что-то вроде батарейки АА против конденсатора размером с банку содовой. Для стационарного приложения это может не иметь большого значения, но в чем-либо портативном или переносном (телефон, автомобиль и т. Д.) Оно в значительной степени исключает использование суперкап в качестве основного накопителя энергии.
Мэтт Б.
1
@ hassan789 - У вас есть ссылки на это? Суперкапы легко продержатся полмиллиона циклов. Существует много простых ошибок в оценке ресурса из-за эффекта восстановления емкости. Подробный анализ здесь
DrFriedParts
2
Наши клиенты часто используют ультра-колпачки вместо батарей специально, потому что почти бесконечный срок службы делает их более экономичными в долгосрочной перспективе. Ультракапсы Maxwell будут продолжать работать еще долго после того, как ваш первый комплект свинцово-кислотных аккумуляторов разрядился, и, вероятно, после того, как второй комплект также умер
Стивен Коллингс

Ответы:

13

Я начал этот ответ, ожидая, что ответ будет «не случайным», но быстрый взгляд на спецификации и цены позволяет предположить, что вы могли бы сделать что-то интересное и, возможно, полезное до некоторой степени, но это действительно непрактично и, безусловно, экономически эффективно и маловероятно быть рентабельным в течение нескольких циклов закона Мура еще.

Предположим, для запуска требуется 500 А при 12 В в течение 1 секунды.
Это слишком много во многих случаях, но более частыми являются более низкие и продолжительные течения, особенно в очень холодное утро.
Отрегулируйте предположения, чтобы удовлетворить.

Энергия в конденсаторе
знак равно12СВ2
знак равно0,51144

12В500A1


600070знак равно 100F

Большинство суперкапсек имеют номинальное напряжение от 2,5 до 3,3 В по техническим причинам.

Вы можете использовать модули 42V 100F, которые имеют размеры 550 x 270 x 110 мм и весят 13 кг. Заметьте, что в нем хранится 88200 Джоулей, поэтому его емкость в 88200/6000 раз в 15 раз больше, чем в описанном выше единственном решении.

Для создания 12-вольтового колпачка из 3-в-3-х колпачков требуется 4 последовательно и от 2 до 5 = 5 последовательно. Последовательное размещение конденсаторов уменьшает емкость обратно пропорционально количеству, поэтому нам понадобится 400F с конденсаторами 3 на 3 и 500F с конденсаторами 2 на 5.

Мерфи, будучи активным, было бы разумно использовать, скажем, 1000F x 12v = 5 x 200F при 2V5.

На этом этапе это становится интересным, поскольку мы находим, что, например, Digikey БУДЕТ продавать вам суперкапы в этом диапазоне.

Стоимость очень примерно 10 центов за Фарад, поэтому 200F ~ ~ = 20 долларов за 4 стоят 80 долларов. Скажи 1000 долларов.

Посмотрите на спецификации показывает, что мы еще не там.
Не указан максимальный ток разряда, но внутреннее сопротивление около 10 мОм. Возможно, это более 200 А при коротком замыкании. Загружен для максимальной передачи мощности при Rload = Rinternal = 10 миллиом, скажем, это 100 + A.
Этого недостаточно для запуска автомобиля, и мы еще не рассматривали падение напряжения для извлечения энергии и т. Д.

В2

Совершенно ясно, что «батарея», которая хороша для одного запуска, обычно не полезна. Намного большие заглавные буквы в большей зарядке необходимы. И даже тогда не удастся приблизиться к энергетической емкости батареи.

Так что - пока не практично - но медленно туда. Может быть, 10 лет (около 7 циклов закона Мура)

470 - 3300 фарад х 2,5 в.

Утечка:

Утечка вышеупомянутого составляет 0,5C мА - таким образом, для крышки 200 F это утечка 100 мА. Фарад обеспечит это на 10 секунд и сбросит вольт.

2200Fзнак равно400

Рассел МакМахон
источник
1
Ultracap может хранить 88200 Дж, как вы рассчитали, но только если вы подаете на него 42V. В системе 12 В он будет хранить только те 7200 Дж, которые вы рассчитывали ранее.
Stevenvh
3
@stevenvh - Да. Поскольку в приведенном выше тексте я уже изучил энергию конденсаторов, я надеюсь, что «студент» сможет рассчитать ее при желании. Все упражнения немного спорный вопрос , как никто не собирается делать это, так что я не пошел в различные периферийные точки много. например, падение напряжения в процессе разряда. Я заметил, что крышка будет на 1/2 энергии при 70% напряжения. Автомобильный аккумулятор 12 В при проворачивании может упасть до уровня около 6 В [!] - я уже рассмотрел внутреннее сопротивление суперкапы и максимальную нагрузку при передаче мощности. Но ничего из этого не будет слишком уместным, если оно не будет построено :-)
Рассел МакМахон,
1
Ваша оценка за 10 лет выглядит слишком высокой. В настоящее время мы находимся по доступной цене 3 кФ / 2,7 В с постоянным током> 200 А при ESR ниже 1 мОм и утечкой в ​​несколько процентов в день.
PlasmaHH
4

Аккумуляторы имеют относительно плоскую кривую напряжения над зарядом, вплоть до точки. Конденсаторы имеют линейную кривую напряжения над зарядом.

С батареями вы можете просто настроить аккумуляторную батарею таким образом, чтобы напряжение соответствовало вашим потребностям в широком диапазоне процентов заряда.

С конденсаторами это не вариант, потому что напряжение будет быстро меняться при использовании. Чтобы использовать его вообще, вам понадобится силовая электроника для подачи правильного напряжения.

Кроме того, в настоящее время удельная энергия (накопленная энергия на вес) суперкапс все еще ниже, чем обеспечивают батареи. Это может измениться в течение нескольких лет.

Итак, прямо сейчас суперкапы обеспечивают меньше энергии и требуют дополнительной силовой электроники, что делает их использование в качестве источника питания неэффективным.

posipiet
источник
Ваш анализ силовой электроники не совсем корректен. Напряжение аккумулятора тоже резко падает. Помните, что в автомобиле во время запуска двигателя напряжение аккумуляторной батареи мгновенно падает более чем на 50%, так как вся механическая нагрузка двигателя проявляется на стартере (именно поэтому ваши фары тускнеют при запуске двигателя). Помните, что остановленный двигатель постоянного тока выглядит почти как короткое замыкание. Все, что вам нужно для поддержания жизнеспособности конденсатора, - это диод, так что, как только двигатель заводится и генератор переменного тока начинает вырабатывать энергию, батарея конденсаторов не загружает двигатель с низкими оборотами и останавливает его.
DrFriedParts
4

Очень интересная дискуссия; Я ценю тщательные и подробные расчеты. Несмотря на то, что текущая технология, кажется, указывает на то, что это не практическое применение, я нашел тинкера, который, похоже, добился успеха: http://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w Вот коммерческий продукт, предназначенный для установки на 18-колесных автомобилях для обеспечения стартовой мощности; в этом исполнении одна из четырех аккумуляторных батарей заменяется модулем запуска двигателя ультраконденсатора, но на собственной проводке: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module

Может быть, с осторожными соображениями дизайна эти массивы ультраконденсаторов могут быть полезны в некоторых ситуациях.

Стив
источник
К вашему сведению, тот же тинкер имел успех с более новым 350Farrad 2.5V, соединенным с 6 из них последовательно, чтобы иметь максимальное напряжение 15V, потому что генераторы будут выходить более 14V. Смотрите youtube.com/watch?v=z3x_kYq3mHM . Хотя он вернулся к 6x 2600F и солнечной панели 2,5 Вт на приборной панели youtube.com/watch?v=GUXM1XuLUI для полной замены батареи.
BeowulfNode42
2

В рамках моей работы у меня есть несколько инструментов, которые сравнивают батареи конденсаторов по заданному начальному напряжению, конечному напряжению, мощности нагрузки и времени. Также учитывает значения ESR и EOL. Конечно, в моем банке данных не все ультракапы существуют, но есть ряд наиболее вероятных подозреваемых.

Итак, давайте предположим, что батарея, которую вы обычно используете, будет начинаться с 13,2 В без нагрузки и падать до 7 В при нагрузке до 500 А. Мы можем рассчитать нашу мощность по напряжению низкого напряжения, поскольку этого достаточно для запуска автомобиля. Чтобы вытащить 3500 Вт на одну секунду из ультракапа и остаться в этом диапазоне напряжений, лучшая комбинация, которую я вижу, - это две из них параллельно. Таким образом, вы говорите о> 3 тыс. Долл. Ультракапов для замены батареи стоимостью ~ 100 долл. Вы могли бы обойтись без одного модуля ultracap вместо двух, особенно если вы не используете значения с истекшим сроком службы, но у вас будет намного меньше накладных расходов, и ваши потери ESR значительно возрастут. Даже тогда, и даже при количественном ценообразовании напрямую от производителя вы все еще говорите о 1500 долларах.

Так что это выполнимо и не совсем безумно. Будет ли он экономически эффективным или нет, во многом зависит от того, сколько стоит ваша батарея, и от того, как часто вам нужно ее заменять в течение срока службы вашего банка.

Что касается того, как бы вы зарядили сам ультракап, то я не думаю, что это проблема. Напряжение на клемме на этой емкости при нагрузке 3500 Вт через одну секунду составляет около 10,2 В, поэтому мы говорим о потере заряда 11,5 кДж в колпачках. (Таким образом, мы подаем 3,5 кДж на нагрузку и 8 кДж теряем в ESR!) Это можно зарядить от сетевой розетки всего за несколько секунд. Если вы хотите сделать второй выстрел, и рядом есть розетка, у вас все будет хорошо. И вы не приближаетесь к пределу напряжения на конденсаторах, что означает, что ваше зарядное устройство не должно быть особенно умным, как зарядное устройство Li.

Изменить: я снова наткнулся на этот вопрос и переформулировать цифры на основе новых инструментов, цены и доступных частей. В настоящее время наиболее экономически эффективным решением является пять из них параллельно, стоимость которых составляет примерно 600 долларов США. И это все еще предполагает, что значения EOL указаны в шапках. Для номинального вам нужно только три параллельно. Огромное улучшение за последние два года! Это могло бы фактически заплатить за себя!

Стивен Коллингс
источник