Actualmente, los refuerzos para automóviles (una unidad portátil cargada de un tomacorriente y luego conectada al sistema eléctrico del automóvil para poner en marcha un automóvil cuando la batería del automóvil está agotada) normalmente usan baterías: plomo-ácido, Li-Ion o LiFePO4. A lo largo de varios años, una batería en el booster se gastará.
¿Sería práctico usar un banco de supercapacitores que sean más duraderos en lugar de una batería en un amplificador?
Comencé esta respuesta esperando que la respuesta fuera "no una oportunidad", pero un vistazo rápido a las especificaciones y los precios sugiere que se podría hacer algo que fuera interesante y posible hasta cierto punto, pero que hasta el momento es poco práctico y ciertamente rentable. y es poco probable que sea rentable para algunos ciclos de la ley de Moore todavía.
Supongamos que el arranque requiere 500 A a 12v durante 1 segundo.
Eso es demasiado alto en muchos casos, pero las corrientes bajas de más a mucho más tiempo son comunes, especialmente en una mañana muy fría.
Ajuste las suposiciones para adaptarse.
Energía en un condensador
\ $ = \ frac {1} {2} CV ^ 2 \ $
\ $ = 0.5 \ cdot 1 \ cdot 144 \ $
para 1 Farad a 12 voltios = Diga 70 vatios segundos por Farad.
Arranque del auto = \ $ 12V \ cdot 500A \ cdot 1 \ $ segundo como arriba
= 6000 vatios segundos.
Por lo tanto, la capacitancia requerida para suministrar esta energía a 12V =
\ $ \ frac {6000} {70} = ~ 100 F \ $.
La mayoría de las supercápsulas tienen una clasificación de 2.5V a 3.3V por razones técnicas.
Puede utilizar módulos como esta unidad de 42V 100F que mide 550 x 270 x 110 mm y pesa 13 kg. La nota que almacena 88200 Joule es 88200/6000 ~ = 15 veces más grande en capacidad que la solución de inicio único mencionada anteriormente.
Para construir una tapa de 12V desde 3v3, se requieren 4 en serie y de 2V5 = 5 en serie. La colocación de los condensadores en serie reduce la capacitancia en proporción inversa a la cantidad, por lo que necesitaríamos 400F con 3v3 y 500F con 2V5.
Si Murphy está activo, sería prudente utilizar, por ejemplo, 1000F x 12v = 5 x 200F a 2V5.
En esta etapa se vuelve interesante, ya que encontramos que, por ejemplo, Digikey te venderá supercápsulas en este rango.
El costo es de aproximadamente 10 centavos por Farad, por lo que un valor de 200 F ~~ = $ 20 y 4 cuesta $ 80. Di $ 1000.
Una mirada a las especificaciones muestra que aún no estamos allí.
NO se especifica la corriente de descarga máxima, pero la resistencia interna es de alrededor de 10 miliohmios. Eso es quizás 200+ Amperios a corto circuito Cargado para una transferencia de potencia máxima a Rload = Rinternal = 10 miliohm, es decir, 100 + A.
Eso no es lo suficientemente gruñón como para arrancar un auto, y aún no hemos analizado la caída de voltaje para extraer energía, etc.
Tenga en cuenta que en \ $ \ frac {V} {2} \ $ un límite ha agotado el 75% de su energía.
Si un límite es el doble del contenido de energía necesario, entonces drenarla al 70% entregará la mitad de la energía interna con la otra mitad almacenada para la próxima vez "
Claramente, una 'batería' que es buena para un arranque no suele ser útil. Se necesitan gorras mucho más grandes a mayor carga. E incluso así no será posible acercarse a la capacidad de energía de una batería.
Entonces, no es práctico todavía, pero lentamente nos dirigimos hacia allí. Tal vez 10 años (alrededor de 7 ciclos de la ley de Moore)
470 - 3300 celdas de Farad x 2.5 V.
Fugas :
La fuga de lo anterior es 0.5C mA, por lo que para una tapa de 200 F es una fuga de 100 mA. Un faradón lo suministrará durante 10 segundos y caerá un voltio.
Por lo tanto, un límite de 200F tomará \ $ 2 \ cdot 200F = 400 \ $ segundos para caer un voltio. ¡Necesita trabajo! Algunos serán mucho mejores que esto.
Las baterías tienen una curva de tensión sobre carga relativamente plana, hasta un punto. Los condensadores tienen una curva lineal de voltaje sobre carga.
Con las baterías, puede configurar la batería de refuerzo de una manera que el voltaje se adapte a sus necesidades en un amplio rango de porcentaje de carga.
Con los condensadores, esto no es una opción, ya que el voltaje cambiaría rápidamente con el uso. Para usarlo en absoluto, necesitará algunos componentes electrónicos de potencia para suministrar el voltaje correcto.
Además, actualmente, la energía específica (energía almacenada por peso) de los supercaps es aún más baja que la que proporcionan las baterías. Esto podría cambiar dentro de unos años.
Por lo tanto, en este momento, los supercápsulas proporcionan menos energía y necesitan componentes electrónicos de potencia adicionales, lo que hace que su uso sea ineficaz como fuente de energía.
Discusión muy interesante; Aprecio los cálculos minuciosos y detallados. A pesar de que la tecnología actual parece indicar que esta no es una aplicación práctica, encontré un modificador que parece haber tenido éxito: enlace Aquí hay un producto comercial diseñado para su instalación en vehículos de 18 ruedas para garantizar la potencia de arranque; en este diseño, una de las cuatro baterías del camión se intercambia con el módulo de arranque del motor ultracapacitor, pero en su propio cableado: enlace
Quizás con consideraciones de diseño cuidadosas, estas matrices de ultracapacitadores pueden ser útiles en algunas situaciones.
Como parte de mi trabajo, tengo algunas herramientas que comparan los bancos de capacitores para un voltaje de inicio, voltaje de finalización, potencia de carga y tiempo dados. También tiene en cuenta los valores de ESR y EOL. Mi banco de datos no tiene todos los ultracap en existencia, por supuesto, pero tiene algunos de los sospechosos más probables.
Asumamos que la batería que normalmente usaría se iniciaría a 13.2 V descargada y bajará a 7 V cuando se cargue a 500A. Podemos calcular nuestra potencia a partir del voltaje de gama baja, ya que es claramente suficiente para arrancar el automóvil. Para extraer 3500W durante un segundo de un ultracap y seguir manteniéndome en ese rango de voltaje, la mejor combinación que veo sería dos de estos en paralelo. Así que estás hablando de > $ 3k de ultracaps para reemplazar una batería de ~ $ 100. Usted podría podría salirse con la suya con un módulo ultracap en lugar de dos, especialmente si no usa los valores del final de la vida útil, pero tendría mucho menos gastos generales y sus pérdidas de ESR aumentarán. importantemente. Incluso entonces, e incluso con precios de cantidad directos del fabricante, todavía está hablando de $ 1500.
Así que es factible, y no completamente demente. Si es rentable o no, depende en gran medida de cuánto cuesta la batería y con qué frecuencia necesita reemplazarlo durante la vida útil de su banco de capitalización.
En cuanto a cómo se cargaría el ultracap en sí, no creo que sea un problema. El voltaje del terminal en esa capacitancia a 3500W de carga después de un segundo es de aproximadamente 10.2V, por lo que estamos hablando de una carga de 11.5 kJ perdida en las tapas. (¡Así que estamos entregando 3.5 kJ a la carga, y 8 kJ perdidos en ESR!) Eso se puede cargar desde un enchufe de pared en solo unos segundos. Si desea una segunda toma y tiene un enchufe de pared en algún lugar cercano, debería estar bien. Y no está cerca del límite de voltaje de los condensadores, lo que significa que su cargador no necesita ser especialmente inteligente, como lo debería ser un cargador de Li.
Editar: Me encontré con esta pregunta otra vez y volví a pasar los números según las herramientas más recientes, los precios y las piezas disponibles. La solución más rentable ahora parece ser cinco de estas en paralelo, con un costo de aproximadamente $ 600. Y eso sigue asumiendo los valores de EOL en las tapas. Para nominal, solo necesitarías tres en paralelo. Gran mejora en los últimos dos años! ¡Puede que en realidad se pague por sí mismo!
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