DIY Делаем USB зарядку в авто с суперконденсаторами.
Возникла идея сделать самому USB зарядное устройство в авто. Но не простое, а такое, чтобы отдавало электроэнергию через некоторое время после отключения-переключения питания.
Если заглох, завел или заглушил машину — подключенное устройство не отключалось и не загружалось заново,
Вариант с литиевым аккумулятором не очень подходил — работать будет долго, мне достаточно небольшое время 30-60 сек. Отрицательные температуры в авто зимой и постоянные зарядки-разрядки не очень способствуют использованию литиевых батареек. Подумал собрать батарею на конденсаторах большой емкости. Но расчеты показали, что для достаточного времени работы придется собрать приличную батарею, много места будет занимать и стоить она будет дорого.
И тут попалась статья по суперконденсаторы, Ёмобиль и прочее. Для экспериментов была заказана парочка указанных суперконденсаторов на 2 фарады и на 5.5 В. Заказывал у другого продавца — у моего закончились. Другого указал в шапке. Много кто на eбее и али их продает.
Про чудо-устройства — суперконденсаторы или ионисторы, их плюсы и минусы можно почитать на википедии — ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80
Пришли боченки. Проверил блоком питания лабораторным. Работают. Спаял их параллельно и начал эксперименты. У ионисторов ESR отличный. Internal resistance < 0.1 ohm
Решил для простоты подключить к платке зарядки для литиего аккумулятора. В принципе, работает. Но одно НО. Пока напряжение на конденсаторах не станет 2.5 В плата заряжает конденсаторы очень долго маленьким током. Потом зарядка идет быстро до 4.3 В. Не годиться. Слишком долгий заряд и не полностью емкость используется.
Тогда поступил по-другому.
Взял две платки.
Первая преобразователь с 3V до 5V 1A (по факту работает от 2.5 В) — вот такая
ebay.com/itm/371018112347
Подключил к ней два ионистора параллельно (на вход платы вместо аккумулятора).
Вторая платка — маленький «народный» преобразователь напряжения:
ebay.com/itm/191674570601
К входу этой платки подключил лабораторный блок питания и выставил на блоке питания 14 В (напряжение бортовой сети в автомобиле), а на выходе платки — для начала напряжение 5.5 В.
Потом к выходу этой платки через диод шоттки 1N5817 (чтобы ионистор не отдавал энергию на маленькую платку) подключил первую плату с запаянными ионисторами.
Включил все. Выставил на маленьком зеленом преобразователе напряжение, такое чтобы суперконденсаторы заряжались до 5 В. Получил такие замеры напряжения:
Входное с БП: 14 В
После маленькой зеленой платы: 6.15 В
На ионисторах: 5.2 В
На USB выходе устройства: 5 В
Подключил нагрузку 5В 0.5 А (нагрузка скачет от 0.3 до 0.6 А)
Токи:
на заряженном ионисторе 0.64А
на входе зеленой (выход БП — 14 В) платки 0.5 А
После отключения питания на лабораторном блоке питания устройство-нагрузка нормально работает 26 секунд. потребляет ток около 0.5 A. Потом отключается. На суперконденсаторах осталось 2.2 В.
Включаем питание — устройство-нагрузка успешно работает потребляя ток около 0.5 А (0.3-0.6 А), ионисторы заряжаются 31 секунду и все работает дальше. При этом в момент включения блока питания, сила тока на выходе БП, где выставлено 14 В достигает 2.8 А и очень быстро падает до 1 А. Потом, когда ионисторы зарядятся, падает до 0.5 А.
Если напряжение питания понизить до 12 В, все работает почти так же. Небольшие изменения по току на выходе БП. Остальная схема работает в таком же режиме.
Пробовал убрать зеленую плату, выставил на БП 5.1 В и подал электричество через диод на ионисторы и преобразователь — сила тока на БП в начало зарядки подскакивает до 5А, а устройство работает всего 10 сек. Не вариант. Поэтому остановился на напряжении в 14 В и использовании зеленой платки.
Припаял гнездо «папу» с предохранителем на 3А в прикуриватель, вмонтировал все это в коробочку.
Закрепил термоклеем. Обязательно закрепить термоклеем подстроечник на зеленой платке. Хитрая зарядка в авто готова. Испытал в авто — работает.
Спасибо за внимание.
Ученые предложили метод создания гибких суперконденсаторов, способных полностью зарядить смартфон за секунды
Команда ученых из Центра Нанотехнологий Университета Центральной Флориды (UCF) разработала новый метод создания гибких суперконденсаторов. Они накапливают больше энергии и без ущерба выдерживают более 30 тысячи циклов зарядки. Новый метод создания наноконденсаторов может стать революционной технологией в производстве и смартфонов, и электромобилей.
Создатели уверены: если заменить привычные аккумуляторы новыми наноконденсаторами, то любой смартфон полностью зарядится за несколько секунд. Владелец может не думать каждые несколько часов о том, где бы ему зарядить смартфон: устройство не будет разряжаться в течение недели.
Каждый владелец смартфона сталкивается с пока неразрешимой проблемой: примерно через 18 месяцев после покупки среднестатистический аккумулятор держит заряд все меньше и меньше времени, а затем окончательно деградирует. Чтобы решить ее, ученые исследуют возможности наноматериалов для улучшения суперконденсаторов. В перспективе они могут поддержать или даже заменить батарейки в электронных устройствах. Добиться этого достаточно сложно: чтобы ионистор проводил столько же энергии, как литий-ионный аккумулятор, он должен значительно превосходить привычную батарейку в размерах.
Команда из UCF экспериментировала с использованием недавно обнаруженных двумерных материалов толщиной в несколько атомов – тонких пленок дихалькогенидов переходных металлов (TMDs). Другие ученые пытались работать с графеном и другими двумерными материалами, но нельзя сказать, что эти попытки оказались достаточно успешными.
Двумерные дихалькогениды переходных материалов – перспективный материал для емкостных суперконденсаторов, благодаря их слоистой структуре и большой площади поверхности.
Предыдущие опыты интеграции TMDs с другими наноматериалами улучшили электрохимические характеристики первых. Однако такие гибриды не выдерживали достаточное количество циклов перезарядки. Это было связано с нарушением структурной целостности материалов в местах соединения друг с другом и хаотичной сборкой.
Все ученые, которые так или иначе пробовали усовершенствовать существующие технологии, задавались вопросом: «Как объединить двумерные материалы с существующими системами?». Тогда команда из UCF разработала простой подход химического синтеза, с помощью которого можно успешно интегрировать существующие материалы с двумерными дихалькогенидами металлов. Об этом заявил ведущий автор исследования Эрик Юнг.
Команда Юнга разработала суперконденсаторы, состоящие из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой дихалькогенидов переходных металлов. Ядро с высокой электропроводностью обеспечивает быстрый перенос электрона для быстрой зарядки и разрядки. Равномерная оболочка из двумерных материалов отличается высокой энергоемкостью и удельной мощностью.
Ученые уверены, что двумерные материалы открывают широкие перспективы для элементов аккумулирования энергии. Но до тех пор, пока исследователи из UCF не придумали способ объединить материалы, не было возможности реализовать этот потенциал. «Наши материалы, разработанные для небольших электронных устройств, превзошли привычные технологии во всем мире с точки зрения плотности энергии, удельной мощности и циклической стабильности» – отметил доктор наук Нитин Чудхари, проводивший ряд исследований.
Циклическая стабильность определяет, сколько раз аккумулятор можно зарядить, разрядить и перезарядить прежде, чем он начнет деградировать. Современные литий-ионные батареи можно заряжать около 1,5 тысяч раз без серьезных сбоев. Недавно разработанный прототип суперконденсатора выдерживает несколько тысяч таких циклов. Ионистор с двумерной оболочкой не деградировал даже после того, как его перезарядили 30 тысяч раз.
Сейчас Юнг и его команда работает над тем, чтобы запатентовать новый метод.
Наноконденсаторы можно использовать в смартфонах, электромобилях, а по сути – в любых электронных устройствах. Они могли бы помочь производителям извлечь выгоду из резких перепадов мощности и скорости. Поскольку ионисторы достаточно гибкие, они подойдут и для носимой электроники и технологий.
Несмотря на все преимущества нового суперконденсатора, разработка еще не готова к коммерциализации. Тем не менее, это исследование может стать еще одним серьезным толчком для развития высоких технологий.
Научная работа опубликована в журнале ACS Nano 12 октября 2016 года
DOI: 10.1021 / acsnano.6b06111
Ручной генератор с ионисторами для пуска двигателя
С помощью этого накопителя с ручной подзарядкой можно запустить двигатель автомобиля, когда основной аккумулятор разряжен. Помимо этого этим устройством можно питать различные инверторы с нагрузками, светодиодные лампы, заряжать смартфоны и т.п. Оно не требует обслуживания и всегда готово к работе.
У этого накопителя два огромных плюса:
- Он оснащен ручным генератором, с помощью которого можно его полностью зарядить в любое время в любом месте.
- Второе, прибор построен на ионисторах (суперконденсаторах), а они, в отличии аккумуляторных батарей, не требую никакого обслуживания, способны разряжаться в полный ноль, терпимы в низким температурам. Поэтому, такую штуку можно забросить в укромное место и она будет там лежать пока не понадобится, а как понадобится — будет точна готова к нагрузкам.
Понадобится
- Ручной генератор 1500 мА (20 Вт), куплен на АлиЭкспресс.
- Планка с 6-ю ионисторами и планкой балансной защиты, тоже приобретена на АлиЭкспресс.
Вообще ее можно конечно же собрать и по отдельности, купив сначала суперконденсаторы и плату защиты.
Для корпуса использована толстая фанера, скрепленная саморезами.
Собираем накопитель с ручной подзарядкой
Итак, приступим. По размеру платы определяем размеры будущего корпуса.
Далее выпиливаем все части на станке или вручную ножовкой.
Под генератор сверлим отверстие и закрепляем его.
Собираем боковые части корпуса.
Ручка шла в комплекте, привинтим на вал ее.
Обязательно через диод подключим генератор к ионисторам и проверим идет ли зарядка. Не перепутайте полярность, если соберетесь повторить нечто такое.
Зарядка идет. В боковою стенку врежем розетку прикуривателя, чтобы можно было питать другие потребители.
Прикуриватель включаем параллельно всей батарее, также следите за полярностью особо внимательно.
Для проверки вставляем в гнездо USB преобразователь и 5 Вольтовую светодиодную лампочку.
Все работает без проблем. Теперь вход идет более емкая нагрузка: подключенный инвертор на который нагружена электродрель, с помощью которой сверлим отверстия под саморезы в этом же корпусе.
Верхняя крышка выполнена из прозрачного оргстекла. На ней привинчены клеммы как у автомобильного аккумулятора. Припаиваем от них провода к суперконденсаторам.
И закрываем крышку, фиксируя все саморезами.
Испытания
Заряжаем батарею до полного.
На это уйдет примерно минут 3-7. Генератор выдает примерно 1,5 А в нагрузке. Кстати, зарядить конденсаторы напряжением больше 15,8 В не удается, так как плата балансной защиты работает хорошо. При этом, когда та или иная секция зарядилась полностью, то напротив нее, на плате, загорается светодиод.
Снимаем старый аккумулятор с машины.
Ставим наш накопитель.
Пуск автомобиля производится без лишних сложностей. С ионисторами вполне можно ездить, без повторной переустановки батареи.
Теперь рассмотрим другие применения. Про инвертор с дрелью уже говорили. Про лампочку на 5 В тоже.
Но сколько она будет гореть?
Больше часа! И все ещё хорошо светит.
Можно одновременно заряжать телефон.
А если в гнездо вставить сверх яркий фонарик на 12 В?
То получится супер фонарик.
Смотрите видео
есть ли смысл и перспективы? — Дмитрий Заруцкий — Хайп
© Gigaom
Основным видом устройств для хранения электрической энергии сейчас являются химические источники – аккумуляторы. Однако существует еще как минимум один интересный вид устройств, суперконденсаторы или ионисторы. В отличие от батарей, принимающих и вырабатывающих электроэнергию за счет химических реакций между электродами, они ничего не вырабатывают, а запасают и отдают заряд в готовом виде.
Обычный конденсатор, как правило, имеет емкость от нескольких пико- (триллионных долей) до единиц милли- (тысячных долей) фарад. Энергоемкость такого заряда ничтожна в сравнении с аккумуляторами. У ионисторов эта величина на порядки больше. В продаже можно встретить суперконденсаторы, способные накапливать заряд в 5000 фарад (5 кФ). Это немало, примерно 18,2 кДж или 5,15 Втч, что сравнимо с емкостью литиевых ячеек.
Суперконденсатор 5000 Ф © Alibaba
Плюсы суперконденсаторов
В сравнении с аккумуляторами, у суперконденсаторов имеются преимущества. В первую очередь, это скорость зарядки. Литиевые батареи не очень хорошо переносят токи величиной порядка 1C (C – емкость в Ач), при таких токах они склонны перегреваться, быстро деградировать и могут даже взорваться. Из-за этого проблематично зарядить батарею меньше, чем за час.
Суперконденсатор может заряжаться очень быстро. Нередко на практике скорость процесса ограничена возможностями источника (розетки) и кабелей, которые подают ток. Это значит, что питаемое ионистором устройство можно очень быстро зарядить полностью.
Второе преимущество заключается в долговечности. Литиевые ячейки демонстрируют срок службы порядка 1000 циклов заряда/разряда без существенной потери емкости. Суперконденсатор способен пережить и 10, и 100 тысяч, и даже миллион циклов без последствий.
Суперконденсаторы мало боятся температур, слабо зависят от них. Они не очень токсичны, большинство используемых в конструкции веществ химически не так активны, как литий, а потому безопаснее. То есть, большинства минусов аккумуляторов у ионисторов нет. Но, к сожалению, есть другие.
Минусы суперконденсаторов
Главный минус суперконденсаторов – удельная емкость. Она пока что намного ниже, чем у аккумуляторов. Упомянутые в начале ионисторы на 5000 Ф имеют длину 21 см, диаметр 6 см, и весят 800 грамм. Для сравнения, литиевая ячейка схожей емкости, формата 18500, имеет длину 5, диаметр 1,8 см, и весит около 30-35 грамм. Разница по объему – почти в 50 раз, по весу – около 25.
Вторым минусом является цена. Ценник на упомянутые суперконденсаторы на 5000 Ф в начале 2019 доходит до $100, что при емкости 5 Втч дает удельную стоимость $20/Втч. Удельная стоимость емкости лития уже опустилась до уровня чуть ниже $200/кВтч или $0,2/Втч. Разница – в 100 раз. То есть, если батарея современного электромобиля на литиевых элементах стоит $10 тыс., то при использовании ионисторов – подорожает до миллиона. Кроме того, она будет в 50 раз больше и в 25 – тяжелее.
Такая сборка имеет емкость, сравнимую с емкостью батареи ноутбука, но имеет размеры порядка 40х20х15 см и весит до 15 кило © TechSpot
Можно использовать сборки конденсаторов меньшей емкости (например, 500 Ф), и тогда цена может упасть на порядок-два. Удельная емкость будет почти не дороже лития. Но в таком случае объем и масса сборки окажутся еще внушительнее, ни в какой автомобиль такая батарея, имеющая хотя бы 100 кВтч емкости, не влезет.
Третий ключевой минус – зависимость напряжения на суперконденсаторе от остаточного заряда.
У литиевых батарей, по мере разрядки, вольтаж падает примерно от 4,2 до 3 вольт. Ионистор же разряжается до нуля, а это значит, что для получения стабильного напряжения для питания устройств требуется повышающий преобразователь-стабилизатор, который занимает место и приводит к потерям части энергии (из-за КПД <100%).
Кажется, что при таких недостатках у ионисторов нет никакого шанса стать заменой аккумуляторам. Ведь смартфон или ноутбук с дорогой батареей, весящей несколько кило, никому не нужен, а в авто суперконденсаторы вообще не поместить. Но не все так печально.
Перспективы для суперконденсаторов
Несмотря на все имеющиеся недостатки, не позволяющие использовать ионисторы для питания авто или портативной электроники, у них есть право на жизнь. Конечно, ни автомобиля, способного проехать сотни километров, ни смартфона, заражающегося за 5 минут и работающего неделю, сделать с ними не выйдет. Но если взглянуть шире, есть и другие сферы применения суперконденсаторов.
Ученые уже не один год проводят исследования графеновых технологий, которые позволят увеличить емкость суперконденсаторов на порядок и больше. Вряд ли это произойдет в ближайшие год или два, но когда технологию освоят, отставание от аккумуляторов уже не будет столь существенным.
Графен позволит повысить удельную емкость ионисторов © Nanotech Magazine
Да, суперконденсаторы не заменят литий, потому что аккумуляторы тоже прогрессируют, а ионисторы вряд ли станут на пару порядков вместительнее в обозримом будущем. Но они способны выполнять роль буферного источника питания, а также могут использоваться в городском транспорте. Подобные решения уже разрабатываются и выпускаются.
Белорусский «Белкоммунмаш» в 2017 представил электробус АКСМ-Е433 Vitovt, оборудованный ионисторами. Он способен пройти на одном заряде 12 км, а время полной зарядки батареи из суперконденсаторов составляет 7 минут. Учитывая, что городской автобус останавливается через каждые несколько сотен метров, а его маршрут редко превышает пару десятков километров – можно заряжать его на конечных остановках (белорусы так и сделали).
АКСМ-Е433 © Белкоммунмаш
Батарея АКСМ-Е433 весит около 1,5 тонн, что много по меркам авто. Но если ученые добьются повышения емкости ионисторов на порядок, то аналогичная сборка ионисторов сможет проехать не 12, а 120 км, или же иметь прежнюю дальность, но при массе до 150 кг. Это откроет перспективы перед электрическим внутригородским и междугородным транспортом ближнего сообщения, а также электромобилями для города.
Появление суперконденсаторов с на порядок большей удельной емкостью скажется позитивно и на электронике. В ноутбук или смартфон такой ионистор, все равно, вряд ли поместится, но в роли буферного накопителя энергии (внешнего аккумулятора) ионистор сгодится. Можно будет перед выходом из дома за зарядить его за минуту, положить в сумку, и уже в пути передать энергию носимому электронному устройству.
Безусловно, в нынешнем виде ионистор – весьма узкоспециализированное устройство, которое имеет ограниченное применение. Пока что суперконденсаторы можно использовать только там, где надежность, долговечность и скорость зарядки гораздо важнее автономности и цены. Городской автобус – как раз такой случай. Но если ученым удастся воплотить в реальность свои планы, а промышленность сможет наладить массовый выпуск суперконденсаторов по новым технологиям, нас ждет серьезное соперничество на рынке накопителей энергии.
Даже если ионисторы и не смогут вытеснить химические источники, превзойдя их по параметрам (или хотя бы сравнившись по удельной емкости), в некоторых сферах они составят существенную конкуренцию. Определенно, в таком случае суперконденсаторам – быть. И на транспорте, и в области портативной электроники.
Суперконденсаторный джамп стартер — гарантированно запускаем двигатель в случае разрядки АКБ
Jump starter – это автономное пусковое устройство, позволяющее завести автомобиль с разряженной АКБ. Практически все массовые джамп стартеры на рынке построены на базе литиевых аккумуляторов. Джамп стартеры на суперконденсаторах (ионисторах) распространены не так широко, да и стоят в разы дороже.
Но они обладают несколькими безусловными достоинствами, которые для меня оказались решающими. В отличие от типовых джамп стартеров с литий-полимерными аккумуляторами, джамп стартер на суперконденсаторах не боится морозов, может храниться в машине полностью разряженным, заряжается от нуля до рабочего напряжения за несколько минут — даже от полностью разряженной АКБ. Суперконденсаторы по сравнению с литиевыми аккумуляторами имеют повышенный срок эксплуатации — более 10 лет, они безопасны — не вздуваются, не взрываются и не горят, как литиевые аккумуляторы. Суперконденсаторный джамп стартер, это по сути «палочка-выручалочка» в багажнике машины – безопасная, не требующая никакого обслуживания и всегда готовая к работе. В обзоре я расскажу о своем опыте изготовления и эксплуатации такого джамп стартера.
Я решил начать обзор с главного – из чего и как я сделал суперконденсаторный джамп стартер. А дополнительную информацию (подбор комплектующих, расчеты параметров суперконденсаторов, измерение емкости, графики и прочие технические детали) — я поместил под спойлером в конце обзора.
Для сборки джамп стартера изначально были заказаны следующие компоненты:
Пластиковый корпус 250*80*70 мм aliexpress.com/item/32958756775.html
Модуль 16.2V 83F из 6-ти конденсаторов 2.7v 500F в сборе с платой балансировки ebay.com/itm/264037856968
Повышающе-понижающий преобразователь aliexpress.com/item/32843350018.html
Понижающий преобразователь aliexpress.com/item/32988783084.html
Комплект разъемов EC5 в сборе (5 мам и 5 пап) aliexpress.com/item/990207098.html
Готовые стартовые провода с разъемом EC5, с диодами aliexpress.com/item/32825065311.html
Вначале я собрал такой «полуфабрикат», чтобы провести полевые испытания на своем автомобиле с двигателем 1.6 л и стартером 1.4 КВт:
Зарядив модуль до 16 В и подключив параллельно разряженной АКБ, со второй попытки я смог завести машину. До скольки вольт была разряжена АКБ, я уже не помню, но самостоятельно машина не заводилась.
Также пробовал с помощью этой конструкции завести двигатель и без АКБ, сделав провода без диодов из предыдущего обзора , но ничего не получилось. Такие результаты меня разочаровали, ведь, по данным проф. Валеева (более подробно, см. под спойлером в конце обзора), емкость в 50 – 300 фарад позволяет завести двигатель автомобиля даже без аккумулятора.
Тогда я решил потестировать этот модуль. И выяснились две неприятные вещи:
— Емкость одного китайского конденсатора оказалась чуть ли не вдвое меньше, в районе 270 фарад вместо заявленных 500. Так что 83 фарад в модуле и близко не было.
— Установленная китайцами плата балансировки явно не справлялась со своими обязанностями. Часть конденсаторов были недозаряжены, а часть перезаряжены, как видно на фото ниже:
Причина видимо в том, что ток балансировки в этой плате всего 50 мА, чего очевидно недостаточно для зарядки большим током конденсаторов, имеющих большой разброс по току утечки и емкости.
Тогда я решил заказать нормальную плату балансировки 2.7v 500F, с током балансировки до 1 А и индикацией начала балансировки aliexpress.com/item/32816405223.html и дополнительные 6 конденсаторов 2.7v 500F aliexpress.com/item/33029566471.html, чтобы запараллелить с уже имеющимися с целью увеличения емкости.
Вот они:
Припаяв новые конденсаторы к этой плате, я провел тестирование полученного модуля.
Сама плата балансировки оказалась на редкость качественной, напряжение на каждой из 6-ти ячеек она держала одинаковым с точностью до сотых вольта! А вот емкость черных конденсаторов опять оказалась меньше, примерно такой же, как и у синих, на уровне 300 фарад вместо номинальных пятисот. Но я был уже морально подготовлен к этому и даже не очень расстроился)
Теперь надо прикинуть, как впихнуть 12 конденсаторов в коробочку, которую я подобрал ориентируясь только на один модуль из 6 конденсаторов. Оказалось, сделать это можно!
Но пришлось пожертвовать одной из плат балансировки, думаю вы догадались какой).
А также высота корпуса для единственно возможного вертикального размещения 12 конденсаторов оказалась недостаточной – крышка не закрывалась. Как была решена эта проблема, наверно сразу понятно из заглавного фото к обзору.
Приступаем к сборке
Из-за очень плотной компоновки место для монтажа разъемов EC5 было только с торцов корпуса, в нишах между наплывами для крепления крышки. С EC5, пожалуй, и начнем.
Убираем лишнее с наплыва резьбовой втулки при помощи осциллятора. Никаким другим инструментом туда попросту не подлезть. Делаем отверстия под фишку разъема и примеряем:
После припайки проводов в гильзы разъема монтируем его, используя штатную резьбовую втулку корпуса. Головка винта не дает перемещаться разъему внутрь корпуса, а гайка фиксирует разъем от выпадения из корпуса:
Для надежности я еще зафиксировал эти места клеем-гелем, а также приклеил сам разъем к боковой стенке корпуса.
C помощью «третьей руки» припаяем провода в гильзы EC5. В прошлом обзоре я делал это мини-горелкой. Но паять два провода в одну фишку горелкой неудобно, поэтому использовал мощный советский 100-ваттный паяльник). Силовые провода те же, ПуГВ (ПВ3) сечением 10 мм², зарядные провода сечением 4 мм². Монтируем разъемы EC5 в посадочные места, формуем и протягиваем провода. Конденсаторы будут соединяться по схеме 6S2P, поэтому силовой провод на конце распускаем на 2 одинаковые по толщине части для подключения каждого из 2-х модулей. Из электрокартона вырезаем полосу и делаем отверстия под выводы конденсаторов. Да, есть материалы и получше электрокартона, тут я спорить не буду. Присоединение дополнительных 6-ти конденсаторов делается при помощи скобок из 4 мм² провода, вверху они сложены образуя удвоенное сечение 8 мм². Разрядив предварительно ионисторы, начинаем их паять:
После завершения покрываем места пайки электроизоляционным лаком, наклеиваем термоскотч и нижняя часть джамп стартера готова. Зарядим сборку до 16.2 вольт и проверим как работает балансировка.
Хотя в описании платы стоит 2.7v 500F, составные ионисторы большей емкости она тоже неплохо балансирует. Напряжение на каждом элементе примерно одинаковое 2,65±0,1V, что меня вполне устроило. Также надо отметить, что при высоком токе балансировки силовые элементы платы (нижний ряд на фото) достаточно сильно греются:
Перед изготовлением верхней половины джамп стартера (крышки) еще раз проводим полевые испытания нижней половины на автомобиле и убеждаемся, что все работает нормально. Двигатель теперь запускается как с разряженной до 7.1 вольт АКБ, так и без нее. Зарядка конденсаторов от такой разряженной АКБ идет нормально, хотя и несколько медленнее.
На фото выше виден повышающе-понижающий преобразователь (DC/DC step up / step down сonverter) c заявленной макс. мощностью 80 Вт, который используется для зарядки джамп стартера до 16 вольт от разряженной АКБ. На него есть обзор уважаемого kirich. Выходной ток (ток заряда ионисторов, в нашем случае) можно регулировать от 0 до 10 А, я остановился на 4 А. При таком токе в конце заряда ионисторов преобразователь будет развивать мощность порядка 65 Вт (16 В х 4 А) и радиаторы на силовых ключах преобразователя будут существенно греться. Потребляемый ток от разряженной АКБ будет еще выше (65 Вт делим на напряжение АКБ) и ее напряжение просядет на 1-2 вольта. Чтобы сократить время заряда ионисторов еще на одну или две минуты, ток заряда можно сделать и больше, но надо учитывать, что не всякий источник питания помимо АКБ, потянет столько ватт. Также ток заряда не следует слишком задирать еще по одной причине. В своем обзоре kirich упоминал, что преобразователь после прогрева поднимал напряжение на выходе из-за того, что резисторы цепи обратной связи и подстроечный резистор не прецизионные и «уходят» от нагрева. А это может привести к перезаряду ионисторов.
Для эффективного отвода тепла от преобразователя и платы балансировки в корпусе с такой плотной компоновкой компонентов, я решил сделать активное охлаждение.
Оно будет размещено в крышке джамп стартера.
Изготовление крышки
Для надежности из преобразователя выпаиваем клеммники и на их место припаиваем провода. В боковую стенку крышки устанавливаем вольтметр с выключателем:
Активное охлаждение будет обеспечивать 5-ти вольтовая турбинка с какого-то ноутбука. Как видим ниже, она по размеру не входит в крышку, пришлось убрать лишнее. На Али можно найти подобные кулеры разных размеров, в том числе и под такую крышку. Вот, например aliexpress.com/item/32510837317.html Но поскольку этот кулер уже был у меня в наличии, я его и поставил. В крышку заплавляем паяльником резьбовые втулки для крепления платы преобразователя. Торцевую стенку крышки частично убираем для отвода воздушного потока от кулера.
Временно прикрутив плату, делаем крышку для отвода воздушного потока из корпуса. Для удобства наблюдения за платой я решил сделать ее из прозрачного пластика. Размечаем, сверлим отверстия под винты крепления крышки и крутилки резисторов настройки, выпиливаем вырезы под крепления двух частей корпуса. Проклеиваем стыки тканевой лентой с ворсом Tesa, прикручиваем плату к крышке корпуса по диагонали и также прикручиваем крышку самой платы на фиксатор резьбы (красный).
Для удобства работы я сделал обе половины корпуса разделяемыми, соединив провода автоклеммами. Со входа зарядки в крышку приходит плюс и минус. С этих проводов сделал отвод на понижайку, которая подает 5 вольт в кулер. Понижайку я смонтировал на автоскотч 3М. С выхода преобразователя идет плюс и минус на ионисторы. С этих проводов сделал отвод на вольтметр через выключатель. Объединять минусовой провод нельзя, т.к. в преобразователе датчик тока стоит в цепи минуса. Ниже готовая крышка:
Как я уже говорил ранее, из-за дополнительных 6-ти конденсаторов крышка не закрывается. Придется делать проставку между верхней и нижней частями корпуса. Не мудрствуя лукаво, вырежем ее из боковой стенки старого системника с помощью ножниц по металлу.
Вентиляционные отверстия располагаются со стороны греющихся элементов платы балансировки. Вторая проставка без отверстий, с тем чтобы воздух проходил только в нужной области.
Схема работы активного охлаждения: воздух всасывается в корпус через отверстия в передней проставке, проходит над силовыми ключами платы балансировки в турбину кулера, далее продувает плату преобразователя и выходит через торец крышки.
На этом джамп стартер готов. Можно соединять две половины и пользоваться.
Схема джамп стартера:
Но перед использованием его нужно настроить.
Настройка
Подключаем вход преобразователя к регулируемому БП и устанавливаем на БП нижний порог напряжения от которого должен заряжаться джамп стартер. Я поставил 6 вольт. На ненастроенной плате преобразователя при этом будет гореть красный светодиод «fault». Крутим подстроечник UV-SET против часовой стрелки до тех пор, пока на плате не загорится зеленый светодиод. Подключаем вольтметр к выходу платы и подстроечником V-SET ставим 16.1 вольт. Подключаем амперметр в режиме измерения больших токов к выходу платы и подстроечником СС-SET ставим 4 ампер. Осталось проверить как идет зарядка ионисторов во всем диапазоне напряжений от 7 до 35 вольт.
Результат проекта
DIY джамп стартер на суперконденсаторах (ионисторах)
Характеристики
— номинальное выходное напряжение 16 вольт
— емкость 95 фарад
— энергия 12,2 килоджоулей
— заряд до 16 вольт от любого источника постоянного тока напряжением 7-35 вольт
— индикация выходного напряжения
— активное охлаждение встроенного step up / step down преобразователя и силовых ключей платы балансировки
Возможности
— Гарантированный запуск автомобилей с бензиновым двигателем ≤1.6 л и стартером ≤1.
4 КВт, как с разряженным (≥7.1 В) аккумулятором, так и без аккумулятора вообще. Запуск более мощных автомобилей также возможен, но на практике не проверялся.
— Возможность поездок на автомобиле без АКБ при необходимости (например, если АКБ была украдена или вышла из строя). Это безопасно для электрооборудования автомобиля, т.к. подключенный к бортовой сети суперконденсатор является сглаживающим фильтром (буфером) для работающего генератора. Для таких поездок желательно использовать адаптер к проводам АКБ автомобиля вместо стартовых проводов с крокодилами.
— Не требует никакого обслуживания.
— Морозоустойчивый.
— Безопасен при хранении и эксплуатации.
— Может храниться в машине полностью разряженным.
— Заряжается от нуля до рабочего напряжения за несколько минут — даже от полностью разряженной АКБ.
Джамп стартер входит в такой портативный набор для гарантированного запуска двигателя в случае разрядки АКБ:
Также в этот набор входят:
— Стандартные стартовые провода сечением 5,26 мм2 (10AWG) с диодами;
— Усиленные стартовые провода сечением 10 мм2 — обзор;
— Кабель заряда джамп стартера от прикуривателя;
— Кейс.
Запуск автомобиля без АКБ с помощью этого джамп стартера.
Тестовый автомобиль с бензиновым двигателем 1.6 л и стартером 1.4 КВт.
Внимание: Литиевыми джамп стартерами запускать автомобиль без АКБ нельзя! Также нельзя отключать джамп стартер от бортовой сети при работающем без АКБ двигателе во избежание возможного повреждения электрооборудования автомобиля.
Спасибо за просмотр этого обзора и да обойдут вас все проблемы с аккумуляторами стороной!
Обзор системы гарантированного запуска автомобиля на базе этого джамп стартера — mySKU.me/blog/diy/78611.html
Для тех, кто хочет большего
Толчком к изготовлению суперконденсаторного джамп стартера для меня послужили комментарии к обзору уважаемого darkbyte «Noname портативное пусковое устройство для автомобиля спустя три года».
Матчасть и расчеты параметров суперконденсаторов были найдены в статье «Гибридный автомобильный аккумулятор с суперконденсатором» доктора технических наук И. М. Валеева, профессора кафедры электропривода и электротехники Казанского национального исследовательского технологического университета.
Какой емкости суперконденсаторы используются для изготовления джамп стартера, и сколько их нужно?
Типовое рабочее напряжение одного ионистора 2.7 вольт. Поэтому для повышения напряжения одинаковые ионисторы соединяют в сборке последовательно. Но суммарная емкость при этом уменьшается (емкость одного ионистора делим на их количество в сборке). А сколько вообще фарад нужно для запуска двигателя? Профессор Валеев приводит такие данные для конденсатора 12 вольт:
Так, емкость в 10 – 50 фарад можно использовать в качестве хорошего «помощника» для аккумулятора при запуске стартера, когда он потребляет максимальный, пиковый ток. Это позволит обеспечить более щадящий режим эксплуатации аккумулятора и продлевает срок его службы.
Емкость в 50 – 300 фарад позволяет завести двигатель автомобиля без аккумулятора, но нуждается в
таковом для последующей быстрой подзарядки, например, в случае неудачного запуска. В течение
нескольких минут эта емкость заряжается даже от очень слабого аккумулятора (который самостоятельно не смог бы запустить двигатель) и снова готова к очередному запуску.
Я также читал отзывы, что от суперконденсаторов до 50 фарад толку не особо много, поэтому остановился на емкости в районе 70-100 фарад. Нижнюю границу можно получить, соединив, например, 5 ионисторов по 360 фарад.
Сколько это все стоит?
Лучшие на рынке суперконденсаторы производит компания Maxwell Technologies (США). Недавно ее купила компания TESLA. “I’m a big fan of ultracapacitors”, признается Илон Маск в своем твиттере. Суперконденсаторы были темой докторской диссертации Маска в Стэнфордском университете. Во время выступления на Cleantech Forum, отвечая на вопрос, на чем будет ездить транспорт будущего, Маск заявил: “If I were to make a prediction, I’d think there’s a good chance that it is not batteries, but super-capacitors.
” Ну что же, поживем-увидим)
Текущие цены и доступность продукции Maxwell совсем не радуют. Модели 360-650 фарад сняты с производства, на Ebay можно найти вроде бы оригинальные BCAP0650 2.7V 650F за $25.00/шт. У официального дистрибьютора Maxwell в наличии есть только 2.7V 3000F за $50.77/шт.
Из таких 3000Ф ионисторов можно собрать уже полноценную замену АКБ, как пишет проф. Валеев:
Емкости более 400 фарад можно использовать вообще без аккумулятора, а для поддержки заряда и питания слабосильных потребителей во время стоянки, питать их от источников в 5 – 10 А ч.
Емкость в 1000 и более фарад, если таковые у кого-то появятся, могут хранить достаточный уровень заряда продолжительное время, сравнимое со стандартной аккумуляторной батареей и могут таковую заменить по всем параметрам. При том, что срок эксплуатации конденсаторов более 10 лет.
Что, кстати, многие успешно и делают. Достаточно посмотреть плейлист на ютубе по теме Replacing my Car Battery with Maxwell 2.7v 3000F UltraCapacitors.
Итак, как мы видим, собрать из максвеллов даже скромный 70Ф джамп стартер получится достаточно накладно. Поэтому для первого опыта и решено было остановиться на бюджетных noname конденсаторах 2.7v 500F.
Какое рабочее напряжение суперконденсаторного модуля оптимально?
Из 5 конденсаторов 500 фарад каждый получится модуль 100 фарад 13.5 вольт. Из 6 таких конденсаторов соответственно 83 фарад 16.2 вольт. Первый вариант кажется более привлекательным – он дешевле и емкость больше. Но в нем есть 2 проблемы.
— 13.5 вольтовую сборку нельзя подключать напрямую к АКБ, т.к. напряжение бортсети после запуска двигателя будет в районе 14.5 вольт. А 16 вольт для более-менее современного автомобильного электрооборудования не является проблемой.
— Энергии в 13.5В конденсаторе будет меньше, чем в 16.2В. Несмотря на более высокую емкость!
Нужна ли балансировка?
Да, обязательно. Ионисторы имеют значительный разброс по емкости и току утечки.
Без балансира это может привести к выходу из строя одного или нескольких конденсаторов в сборке из-за превышения номинального напряжения на элементе в последовательном соединении.
Как измерить реальную емкость суперконденсаторов?
Обычным мультиметром этого не получится сделать, т.к. его максимальная измеряемая емкость обычно ограничена десятком миллифарад. Ее можно посчитать, например, через ток и время разряда, как это сделал уважаемый Maksus в своём обзоре. Фирма Maxwell использует аналогичный принцип в своей методике измерения емкости, воспроизвести которую в домашних условиях вряд ли возможно. Не имея специализированного оборудования, емкость также можно определить с помощью электронной нагрузки, через напряжение и отданную энергию разряда, как это сделал я. Но из-за ограничения электронной нагрузки по мощности значение емкости получится заниженным — Maxwell рекомендует ток разряда 100mA/F, т.е. конденсатор 100 фарад 16 вольт нужно разряжать током 10 ампер, а моя нагрузка имеет потолок всего 30 ватт. Ниже результаты моих измерений на электронной нагрузке с четырехпроводным подключением ZKETECH EBD-M05:
Разряд до половинного напряжения, с 16 до 8 вольт.
Разряд до минимального напряжения, с 16 до 0,7 вольт.
До нуля разрядить на нагрузке конденсаторы не получится из-за эффекта, который называется диэлектрическая абсорбция.
Бонус
Элементную базу для описанного в обзоре джамп стартера я подбирал и покупал год назад, в январе 2019. В частности, собранная мною связка из дискретных ионисторов и платы балансировки была на тот момент пожалуй оптимальным доступным решением. Для моего автомобиля возможностей такого джамп стартера более чем достаточно. Но неутомимые китайцы не стоят на месте и недавно вывели на рынок вот такой модуль 17V 566F, с платой балансировки и выходными клеммами под болт aliexpress.com/item/33035923574.html
Если бы я делал джамп стартер сейчас, я бы предпочёл купить этот модуль, а не заморачиваться с монтажом двенадцати отдельных конденсаторов и платы балансировки.
Также в комментариях к обзору про стартовые провода, спрашивали, сможет ли суперконденсаторный джамп стартер завести дизельный авто с двигателем 2 литра с севшим аккумулятором в 20 градусный мороз с холодным двигателем и прогревом свечей накала? Думаю, что джамп стартер с этим модулем – точно сможет!
Делаем самодельный ионистор — суперконденсатор дома. — сделай сам — Технологии, сделай сам. — Каталог статей
Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке.
Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.
Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера.
Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.
Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!
Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор — 86 400 Дж — в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода.
Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.
Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.
Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.
Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов — ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.
По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.
На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них — десяти фарад!
Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.
При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой — с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.
Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)
В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.
Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.
При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.
Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)
Подробности для любознательных
При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)
Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор — это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы — кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.
Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес — почти втрое больше обычного — в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.
Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?
И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.
Источник: http://koroed.f5.ru/post/258869
Суперконденсатор в помощь аккумулятору. Суперконденсаторы или Ионисторы вместо аккумулятора. Новая технология Ё-мобиль
Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?
Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.
Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.
При преобразованиях энергии часть ее теряется.
Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.
Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.
Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов.
Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.
Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.
Использование двойного электрического слоя
На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.
Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)
Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.
Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell
Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».
Техническая реализация
Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.
Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.
Параметры суперконденсаторов
Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.
Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.
Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology
Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.
Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.
Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.
Накапливаемая энергия
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:
E = CU 2 /2,
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:
W = CU 2 /7200000
Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч.
Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.
Применение суперконденсаторов
Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.
Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе
Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.
Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.
Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.
Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов.
Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.
Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.
Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.
В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.
Как только человек придумал самодвижущуюся тележку на паровом двигателе (1768г.), а позже (1886) усовершенствовал мотор до ДВС – у водителя появилась задача не только направлять лошадиные силы в нужную сторону, но и запускать их в работу.
Проблема пуска двигателя в разные времена решалась по-разному. Для парового мотора достаточно было развести огонь под котлом, бензиновые двигатели требовали мышечной силы или химического источника тока.
С появлением аккумуляторов возникла необходимость обслуживания и контроля заряда стартерных батарей, особенно в зимний период. Часто, в помощь штатному АКБ, автовладельцу приходилось использовать внешний источник тока: сетевое пусковое устройство, запасной свинцово-кислотный АКБ, или новинку последних лет компактные пусковые устройства на базе Литий-Полимеров.
Главная проблема химических источников тока – саморазряд и старение. Срок службы классического свинцово-кислотного аккумулятора со свободным электролитом составляет около 3х лет. Гелевые и AGM аккумуляторы «живут» дольше, однако и они не вечны. Даже если АКБ бездействует – в нём происходят химические процессы, которые приводят к постепенной потере ёмкости батареи.
Это замечание верно и для пусковых устройств на основе аккумуляторов, например, средний срок службы Li-Po пускача составляет 3-5 лет, за это время токопроводный гель которым наполнены аккумуляторы твердеет и постепенно теряет свои свойства. Инженеры- конструкторы давно ищут источник тока который мог бы заменить аккумуляторы и избавить автовладельцев от «слабых мест» АКБ.
Речь в данной статье пойдёт о конденсаторах. Точнее о супер-конденсаторах или ионисторах, способных отдавать огромные токи и обладающих рядом преимуществ в сравнении с аккумуляторами. Как заменить АКБ
машины на сборку из конденсаторов, конструкторы ещё не придумали, однако инженерам из Carku
удалось создать устройство способное помочь в запуске двигателя автомобиля, тот самый ATOM 1750 .
Главное
отличие данного аппарата от аккумуляторных аналогов – вечный срок службы
! Если говорить о пусковых устройствах на базе Литий-полимерных или Свинцово-кислотных батарей, то продолжительность их работы ограничена одной-тремя тысячами циклов заряд/разряд. Конденсаторные пускачи обеспечивают до миллиона циклов. Для того, чтобы представить масштаб предположим, что Вы используете ATOM 1750 дважды в день в течение календарного года. Ресурса прибора при такой интенсивности работы хватит (1.000.000: (365х2))= 1млн. : 730= 1369 лет
.
Вторая особенность
– неприхотливость ионисторов. Для хранения конденсаторных пусковых устройств не нужны особые условия: вы можете положить аппарат в бардачок или под сиденье авто, и вспомнить о нём, только когда аккумулятору машины понадобится помощь.
Аппарат – идеальный вариант для забывчивых водителей. Если следить за уровнем заряда батареи нет ни времени ни желания – аппарат можно спокойно хранить в машине в самые лютые холода или в жару.
Третий плюс
– наличие встроенного литиевого аккумулятора. Запас энергии, который хранится в полностью заряженной Li-Ion батарее аппарата ёмкостью 6000mAh
– сможет зарядить конденсаторы устройства для более чем 6 пусков подряд. Батарея не участвует в пуске, и предназначена только для зарядки конденсаторов. Вот здесь и кроется та самая ложка дёгтя: любой аккумулятор боится глубокого разряда. Если батарею на долгое время оставить без зарядки – АКБ
, рано или поздно, выйдет из строя. Саморазряд, свойственный в той или иной мере любому аккумулятору добьёт разряженную батарею. Напоминаем
, что профилактическую зарядку неиспользуемой литиевой батареи необходимо проводить 1 раз в пол-года
.
Высокие и низкие температуры хранения ускоряют процессы саморазряда и деградации АКБ
. Температурный режим хранения встроенного аккумулятора рекомендованный производителем составляет от 0
до +25
С. Впрочем, даже если штатная батарея устройства выйдет из стоя конденсаторы АТОМ 1750 – запитанные от разряженного автомобильного АКБ
всё равно смогут запустить двигатель машины.
Плюс номер четыре
. Возможность зарядки ионисторов прибора от разряженной АКБ
машины. Для пуска двигателя достаточно подключить крокодилы аппарата к клеммам «уставшего
» АКБ
и уже через 45-60
сек. – автомобиль будет готов к старту.
Более подробно про особенности АТОМ 1750 :
Аппарат представляет собой профессиональный джамп-стартер. В отличие от Li-Po аналогов, пуск двигателя производится не за счёт энергии запасённой в аккумуляторе, а при помощи мощных ультраконденсаторов. Мощности пускача достаточно для запуска бензиновых
двигателей объёмом до 5л
и для работы с дизельными
моторами до 2л
.
МОЩЬ
Сборка из пяти ионисторов ёмкостью 350F
каждый, выдаёт пусковые токи до 350А
, что говорит о широком диапазоне применения данного устройства.
Высокий стартовый ток АТОМ 1750 подкреплён стабильным напряжением, которое выдают конденсаторы. Аппарат обеспечивает заявленный ток на протяжении 3х секунд, что является одним из важнейших условий запуска двигателя.
МОБИЛЬНОСТЬ
Вес пускача составляет 1.3 кг. Для сравнения, схожий по возможностям свинцово-кислотный бустер весит более 6 кг
(DRIVE 900
), а разница в габаритах впечатляет ещё больше.
На боковых гранях АТОМ 1750 расположены:
На передней панели расположен:
Дисплей (1) для отображения рабочих параметров, кнопка «Boost» (2) для заряда ионисторов от встроенного аккумулятора, кнопки включения фонаря и питания устройства (3).
ЗАЩИТА
В качестве силовых кабелей на аппарате используются медные провода сечением 6мм2
, длинной 300
мм.
Интеллектуальный блок, не только защищает пусковое устройство от переполюсовки, короткого замыкания и обратных токов генератора, но и позволяет за несколько минут продиагностировать АКБ машины и вывести результаты проверки на табло.
АТОМ 1750 — подскажет владельцу, что аккумулятор машины нуждается в зарядке, либо, что АКБ – пора заменить на новый.
Если при подключении к аккумулятору машины на экране появляется надпись J
UMP START READY
– цепь работает в штатном режиме. Можно приступать к пуску двигателя.
Надпись «REVERSED
» сообщает о неправильном подключении крокодилов. Следует проверить полярность – красный зажим должен быть соединён с плюсовым контактом АКБ, чёрный с минусовым.
ЗАРЯДКА
Обратите внимание, при подключении АТОМ
к источнику тока, сначала заряжаются ультраконденсаторы, затем, начинается зарядка встроенной батареи устройства.
Представим себе ситуацию, когда вокруг никого а запустить двигатель у штатного АКБ машины – не получается.
Первый
способ запуска машины с помощьюАТОМ 175
– заключается в зарядке конденсаторов непосредственно от клемм разряженного АКБ автомобиля. После подключения аппарата дожидаемся появления надписи JUMP START READY
и запускаем двигатель не снимая крокодилы с клемм. Время зарядки конденсаторов зависит от уровня разряда АКБ и составляет от 45 сек до 2.5мин.
Второй
способ зарядки – через гнездо прикуривателя. Атом 1750 можно подключить к бортовой сети с помощью специального переходника из комплекта. Время зарядки около 2 минут.
Третий
источник энергии – встроенная батарея прибора. После нажатия на кнопку Boost
– аппарат использует энергию запасённую в Литиевом аккумуляторе. Время зарядки – 2-3мин
.
Ну и последний вариант зарядки, если под рукой нет иных источников, — придётся искать розетку. С помощью блока питания от мобильной электроники (5V, 2А
) – конденсаторы можно зарядить и от сети.
Ещё один Важный момент. Заряжать Атом 1750 можно не только от собственного разряженного АКБ
, но и от ЛЮБОГО
автомобиля-донора (большая и маленькая машины – показать). В отличие от «прикуривания» — операция зарядки ионисторов АТОМ 1750 — абсолютно безопасна, и не требует соблюдения никаких условностей, кроме полярности подключения.
ПУСК АВТОМОБИЛЯ
Для того, чтобы приступить к использованию Джамп-стартера хозяину машины следует убедиться, что зажигание автомобиля выключено. При подключении — следует соблюдать полярность: красный кабель устройства соединяется с плюсовой клеммой аккумулятора автомобиля, чёрный с минусовой клеммой.
После подключения можно приступать к запуску двигателя. Если в течение 3х секунд мотор не запустился – следует зарядить конденсаторы ещё раз и повторить попытку.
После того, как двигатель заработал «крокодилы» с клемм аккумулятора следует снять.
ATOM 1750 поставляется в картонной коробке.
В комплекте с аппаратом:
Шнур для зарядки аппарата от прикуривателя автомобиля;
USB-Кабель.
Напоминаем, что одним из условий продолжительной службы аппарата является своевременная зарядка встроенного аккумулятора устройства, поэтому после каждого пуска с использованием энергии аккумулятора – необходимо отправить АТОМ
на зарядку. При длительном хранении рекомендуем заряжать устройство до уровня 80-90%
один раз в 6
месяцев. Хранить аппарат следует при плюсовой температуре.
Можно ли на транспорте применять конденсаторы, вместо капризных, недолговечных и требующих ухода аккумуляторов? Оказывается можно, и приемуществ у конденсатора перед аккумуляторной батареей достаточно, что бы отказаться от батарей, и если не полностью, то хотя бы дополнить ёмкость аккумулятора, сильно снижающуюся на морозе, ёмкостью конденсатора. О преимуществах и недостатках обоих источников электроэнергии, мы и поговорим в этой статье.
Всего несколько лет назад, конденсаторы в одну или две фарады ёмкости, считались экзотикой и их показывали только на выставках богатых меломанов. Сейчас эти конденсаторы можно купить в любом ларьке автоакустики, а конденсаторы ещё большей ёмкости, не сложно найти в специализированных магазинах, продающих сверхмощные Hi-Fi аудиосистемы (о музыке на автомобиле или мотоцикле ).
А что мне особенно радостно, так это то, что в настоящее время российская промышленность, всё таки опередив на несколько лет как восточных, так и западных производителей, освоила мелкосерийный выпуск супер конденсаторов новейшего типа, ёмкость которых составляет десятки тысяч фарад!
Немного теории.
Как известно, конденсатор состоит из разделённых зарядов — положительных, на одном пластинчатом электроде и отрицательных зарядов на другом.
Сильно не вдаваясь в подробности, лишь отмечу, что энергия (ёмкость) которую способен взять конденсатор, напрямую зависит от площади пластин электродов, а так же от расстояния между ними. И чем больше эта площадь и меньше расстояние между пластинами, тем благоприятнее для накопления большего заряда.
Из этого следует, что увеличивая первое условие, и уменьшая второе, успеха в этом деле можно добиться. Но это на словах так просто. А как всё на деле? В новейших конденсаторах, для изготовления отрицательного электрода используется углеродный пористый материал, и вот в нём то и весь прикол. Благодаря этому материалу, у казалось бы обычной плоской пластины, благодаря её пористой структуре — как бы появляется второе измерение (увеличивается площадь пластин). От этого, площадь накопления зарядов существенно возрастает!
Увеличения площади пластин добились, осталось поработать с расстоянием. Новое название новейших супер конденсаторов — это конденсаторы с двойным электрическим слоем. Их особенность в том, что электроэнергия аккумулируется в особой области, то есть на границе раздела электролита и твёрдого тела. От этого расстояние между областью положения отрицательных и положительных зарядов, намного сокращается, аж на 2-3 порядка!
Из всего вышесказанного, можно наконец то сказать, что пора этим супер ёмкостям занять место под капотом машины, а в качестве чего? Есть несколько вариантов, но рассмотрим наиболее реальные.
Использование конденсатора в качестве основного источника электроэнергии для двигателя (электротяги).
Электробус Лужок ездит довольно быстро. Снизу виден выходящий дымок от бензинового отопителя салона.
Совсем недавно, и аккумуляторы для электро-автомобилей никто всерьёз не воспринимал. Но электрокары уже начинают заполонять мир, например в Лондоне уже работает электро-такси. Значит и конденсаторам путь предельно ясен, особенно если учесть их преимущества перед аккумулятором, но о преимуществах чуть позже. Скажу лишь, что «живой»пример, который ездит на электроэнергии от тяговых конденсаторов, можно увидеть на фото слева.
Это экологически чистый автобус, а если быть точным — электробус под названием Лужок, который мелкой серией изготавливают в подмосковном городке Троицке (на заводе Эсма). Только вот для обогрева салона в мороз, приходится включать печку, которая работает на бензине, но это как говорится мелочи.
Электробус используется для перевозки туристов на небольшие расстояния (до 10 км), например по территории парков и заповедников, в которые введены жёсткие экологические ограничения. Первые коммерческие рейсы Лужок совершит по территории Московского ВВЦ. Одной зарядки конденсаторов хватает где то на 8-10 км. Затем 10-15 минутная зарядка и снова в путь (аккумуляторы пришлось бы заряжать минимум часов 20). К примеру, если ездить на работу, которая в мелких городах может находиться всего в пределах 5 — 10 км, то такой автомобиль был бы самое то, особенно для каждодневных поездок. Ведь цикл заряда и разряда конденсаторов, в отличии от аккумулятора, почти бесконечен. К тому же автомобиль не такой тяжёлый как автобус, а значит километраж на одной зарядке может увеличиться.
Кроме автобусов, предприятие выпускает немного «Газелей», несколько погрузчиков и электрокар, для перевозки грузов по территории завода. Основное отличие всей этой конденсаторной техники от аккумуляторной, это то, что её можно использовать круглосуточно, ведь их зарядка занимает считанные минуты. И хоть разряжаются они тоже быстро, зато срок службы конденсаторов превышает в десятки раз срок службы аккумуляторов.
Использование конденсатора в качестве помощника батарее, при пуске на морозе.
Использование в машинах конденсаторов нового типа в качестве тяговой силы, дело конечно полезное и интересное, но не самое актуальное. Куда более полезнее их использовать в качестве кратковременной электрической силы большой ёмкости, и в первую очередь для запуска мотора автомобиля. Этим уже пользуются инженеры военной техники, и испытания и усовершенствования постоянно проводятся на армейской технике.
К примеру две здоровенные аккумуляторные батареи по 190 Ампер часов, при морозе в минус 45 градусов, способны совершить всего лишь одну пятнадцатисекундную прокрутку Камазовского стартера (и соответственно замёрзшего Камазовского двигателя). Но вот если подключить паралельно конденсатор ёмкостью всего 0,18 кФ, то стартер двигателя Камаза сделает уже несколько таких холодных прокруток! Разница налицо, особенно это полезно для техники, используемой в районах Крайнего Севера, например военная и строительная техника.
Конечно же водителям, которые живут в более тёплом климате, польза конденсаторов, не боящихся холода не так полезна. Но главное другое. Конденсаторам не опасна высокая плотность тока, и они выдерживают огромнейшее количество циклов заряд-разряд, да ещё и совсем не требуют обслуживания. Но самое главное это то, что конденсатор позволит повысить срок службы аккумулятора вдвое. Ведь когда аккумулятор один (особенно не новый), он считается непригодным, если плохо начинает справляться с пусковыми обязанностями, особенно в холодную погоду. А вот в паре с конденсатором, подключенным парраллельно, старая батарея будет служить до тех пор, пока тот способен её подзаряжать. И как я уже говорил, батарея превращается в долгожителя.
К тому же, в паре с коллегой конденсатором, ёмкость аккумуляторной батареи вашего автомобиля или мотоцикла, можно будет сократить вдвое. Легковой машине с двигателем в 1,5 — 1,8 кубиков, будет достаточно 25 Ач, а грузовому автомобилю хватит всего лишь 60 Ач. И можно уже будет не использовать батарею стартерного типа, которая рассчитана на высокие токи, а пользоваться обычной, которая как правило имеет в 2-3 раза больший срок службы. В итоге, комбинация аккумулятор плюс конденсатор, позволит значительно повысить срок службы этой пары. А что бы не менять на своей машине батарею лет 15, об этом мечтают многие, да и к этому сроку, люди как правило меняют машину на более свежую. Вот и выходит, что такой парочки (аккумулятор и конденсатор) хватит на весь срок службы машины.
Но главное, водители забудут о трудном запуске в мороз, а такие слова «браток, дай прикурить, не могу завестись» можно будет забыть (как безопасно прикурить от чужой машины, ).
Что можно сказать напоследок. Супер конденсаторы нового поколения пока выпускаются мелкосерийно, стоят они раза в два дороже нормальной аккумуляторной батареи, и наверное не скоро найдут своих покупателей, по крайней мере наших отечественных. Немного конденсаторов уходит заграничным потребителям, но это не особая поддержка нашей промышленности. Но при желании, и нормальных спонсорах, для рекламы и освоения более дешёвого массового производства, можно это дело настроить на нормальный лад. Всё возможно. Ведь дорогущие аккумуляторы нового поколения тоже никто не хотел покупать, в начале их производства. А сейчас их закупают тоннами производители электрокаров, и это только начало. Думаю и новые конденсаторы вскоре будут пользоваться огромным спросом, и если и не заменят полностью аккумуляторы, то станут им надёжными помощниками. Поживём — увидим. Удачи всем!
Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?
Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.
Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.
При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.
Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.
Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.
Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.
Использование двойного электрического слоя
На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.
Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.
Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».
Техническая реализация
Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.
Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.
Параметры суперконденсаторов
Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.
Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.
Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.
Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.
Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.
Накапливаемая энергия
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:
Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.
Применение суперконденсаторов
Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.
Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.
Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.
Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.
Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.
Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.
Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.
В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.
Алексей Васильев
Ионисторы все чаще попадают в число основных элементов автомобильных электронных систем. Суперконденсатор для автомобиля решает задачу запуска двигателя, за счет чего сокращается нагрузка на аккумулятор. Кроме этого, за счет оптимизации монтажных схем уменьшается масса транспортного средства.
Широкое применение ионисторы для автомобиля нашли в изготовлении гибридных авто. У них работа генератора зависит от двигателя внутреннего сгорания, и машина приводится в движение с помощью электромоторов. Ионистор для автомобиля в такой схеме является источником быстро получаемой энергии при начале движения и ускорении. В процессе торможения происходит подзарядка накопителя.
Сейчас суперконденсатор вместо аккумулятора используется лишь частично. Впрочем, в ближайшем будущем полная замена наверняка станет реальной, потому что ученые активно занимаются разработкой таких технологий.
Когда нужен ионистор для запуска двигателя?
Суперконденсатор для авто требуется в случаях, когда есть риск того, что штатная аккумуляторная батарея не справится с задачей запуска двигателя внутреннего сгорания. Например, ионистор для автомобиля помогает в следующих ситуациях:
— аккумулятор хронически недополучает заряд в условиях частых поездок на короткие расстояния;
— мощности АКБ бывает недостаточно для запуска двигателя. Чаще всего такая проблема встает в зимнее время;
— необходимо снизить пиковые нагрузки на аккумулятор для продления его ресурса.
Даже когда батарея полностью вышла из строя, некоторые используют ионистор вместо аккумулятора. Он решает задачу запуска двигателя, а в дальнейшем бортовая сеть питается в основном от генератора. Впрочем, суперконденсатор вместо аккумулятора рекомендуется применять только в аварийном режиме, пока не появится возможность установить новую АКБ.
В штатной ситуации ионистор для запуска двигателя используется в следующем формате. Он подключается параллельно аккумуляторной батарее и в момент пуска принимает на себя основную нагрузку. Заторможенный стартер может потреблять очень большой ток (сотни ампер). Выработкой именно этого начального пускового тока для неподвижного стартера и коленвала будет заниматься для автомобиля. Когда основная нагрузка будет обеспечена, ионистор вместе с батареей произведут запуск мотора в более спокойном режиме.
Ионисторы для автомобиля не только продлевают ресурс аккумуляторов, но и положительно сказываются на работе бортовой электроники. При использовании суперконденсаторов для авто снижается провал напряжения в момент запуска, поэтому все электронные компоненты работают в более стабильном режиме. По этой же причине улучшается работа системы зажигания.
При движении связка из аккумулятора и суперконденсатора для автомобиля будет сглаживать возникающие в бортовой сети перепады напряжения. Они возникают из-за того, как ведет себя различное электрооборудование при разной нагрузке и оборотах двигателя. Наличие ионистора в цепи минимизирует негативное влияние таких скачков. Подробнее узнать о возможности использования ионистора вместо аккумулятора, а также параллельно с ним вы можете у наших консультантов.
Как заряжать батареи суперконденсаторов
Суперконденсаторы (SC), также известные как ультраконденсаторы и электрические двухслойные конденсаторы, находят применение во множестве приложений управления питанием.
В автомобильных приложениях, таких как системы старт-стоп с рекуперативным торможением, SC могут обеспечивать энергию, необходимую для включения стартера для перезапуска двигателя внутреннего сгорания, а также принимать кинетическую энергию, рекуперированную во время торможения. Суперконденсаторы выгодны, потому что они могут заряжаться и разряжаться значительно больше раз, чем традиционные свинцово-кислотные батареи, а также могут быстрее поглощать энергию без снижения их ожидаемого срока службы.Эти возможности также делают SC привлекательными для промышленных систем резервного питания, аккумуляторных электроинструментов с быстрой подзарядкой и удаленных датчиков, где частая замена батарей нецелесообразна.
В этой статье рассматриваются проблемы, связанные с зарядкой этих больших конденсаторов, и показано, как проектировщикам энергосистемы оценивать и выбирать лучшую конфигурацию системы для резервного хранения энергии. Демонстрируется зарядное устройство SC с формами сигналов и подробными интерпретациями.
Рекомендации по проектированию
Разработка системы
Существует множество конфигураций системы, использующих SC-банки в качестве резервного хранилища энергии. Для начала разработчикам нужно будет выбрать конфигурацию накопителя энергии, а затем решить, при каком напряжении может храниться энергия. Выбор решения зависит от требований к мощности и напряжению нагрузки, а также от возможностей SC по энергии и напряжению. Как только лучшее решение определено, необходимо найти компромисс между общей производительностью и стоимостью.
На рисунке 1 показана блок-схема высокоэффективного решения, в котором нагрузками являются устройства, требующие регулируемых входных напряжений (3,3 В, 5 В, 12 В и т. Д.). Основное питание 48 В обеспечивает питание импульсного регулятора 2 (SW2) в нормальном режиме работы, одновременно заряжая банк SC до 25 В через импульсный регулятор 1 (SW1). Когда основное питание отключено, банк SC затем подает SW2 для поддержания работы нагрузки без прерывания.
Рис. 1. Блок-схема примера системы резервного питания от батареи с использованием батареи суперконденсаторов
Дизайн системы и проблемы
После выбора ячейки SC разработчик системы должен выбрать целевое напряжение, при котором каждая ячейка SC будет заряжаться.Это делается на основе рейтинговых кривых SC. Большинство элементов SC рассчитаны на диапазон от 2,5 В до 3,3 В при комнатной температуре — этот рейтинг падает при более высоких температурах и с более длительным желаемым сроком службы. Обычно целевое напряжение должно быть ниже максимального номинального напряжения, чтобы продлить срок службы SC.
Затем можно выбрать необходимое напряжение для группы SC и топологии SW2. Конфигурации банка SC могут быть параллельными, последовательными или комбинацией последовательно включенных последовательностей. Поскольку номинальное напряжение ячейки обычно ниже 3.3 В и нагрузки часто требуют равных или более высоких источников питания, варианты конфигурации ячеек и SW2 будут заключаться в использовании одной ячейки с повышающим преобразователем или нескольких последовательно соединенных ячеек и понижающего или пониженно-повышающего регулятора. Чтобы использовать повышение, мы должны убедиться, что при разряде SC напряжение не упадет ниже минимального рабочего входного напряжения для SW2. Это может быть до половины заряженного напряжения SC, и по этой причине мы проиллюстрируем банк, который состоит из последовательной комбинации SC и простого понижающего стабилизатора для SW1.Затем, если потребуются потребности в энергии, несколько последовательных цепочек будут размещены параллельно.
Если выбрана последовательная комбинация SC, количество используемых ячеек должно быть выбрано на основе максимального желаемого напряжения в верхней части цепочки. Чем больше конденсаторов последовательно, тем выше напряжение в цепи SC при меньшей емкости. Например, рассмотрите возможность использования двух цепочек из четырех конденсаторов 2,7 В 10Ф вместо одной цепочки из восьми (последовательно) одного и того же конденсатора. Несмотря на то, что могут быть сохранены одинаковый общий заряд и энергия, применимый диапазон напряжений струны делает выгодной одиночную последовательную струну.Например, чтобы иметь нагрузку, требующую смещения 5 В, необходимое напряжение для SW2 составляет около 6 В с учетом его максимального рабочего цикла и других факторов падения.
- Энергия в конденсаторе W = CV 2 /2, а энергия, которая может быть использована, равна W = C / 2 (V заряда 2 — V dicharge 2 )
- Для двух цепочек из четырех конденсаторов полезная энергия составляет W = 2 * [(10F / 4) / 2 * ((2,7 В * 4) 2 -6 В 2 )] = 201,6 Дж
- Полезная энергия в одной цепочке из восьми (последовательно) составляет W = 1 * [(10F / 8) / 2 * ((2.7V * 8) 2 -6V 2 )] = 269,1J
Поскольку обе батареи конденсаторов хранят одинаковую общую энергию, цепочка с более низким напряжением имеет больший процент потери заряда / неиспользования. В этом случае более высокое напряжение на струне предпочтительно для полного использования SC.
Третья системная проблема возникает при рассмотрении того, как взимать плату с банка SC. Первоначально, когда напряжение SC равно 0, SW1 должен работать в условиях, аналогичных короткому замыканию на выходе, в течение довольно длительного периода времени из-за высокой емкости.Обычный SW1 может зависнуть в режиме икоты и не зарядить SC. Для защиты SC и SW1 в начале этапа зарядки необходима дополнительная функция ограничения тока. Хорошим решением было бы, чтобы SW1 обеспечивал непрерывный зарядный ток в течение продолжительного времени при почти полном отсутствии выходного напряжения.
Существуют различные методики начисления платы за SC. Постоянный ток / постоянное напряжение (CICV) чаще используется и является предпочтительным методом, как показано на рисунке 2 (кривая CICV).В начале цикла зарядки зарядное устройство (SW1) работает в режиме постоянного тока, обеспечивая постоянный ток для SC, так что его напряжение линейно увеличивается. SC заряжается до заданного напряжения, в это время контур постоянного напряжения становится активным и точно контролирует уровень заряда SC, чтобы он оставался постоянным, чтобы избежать чрезмерной зарядки. Опять же, это предпочтительное решение предъявляет требования к функциям управления питанием, которые необходимо учитывать.
Вернемся к рисунку 1 в качестве примера с основным источником питания 48 В, напряжением батареи SC 25 В и напряжением нагрузки 3.3 В, 5 В, 12 В и т. Д., Функция синхронного понижения подходит как для SW1, так и для SW2. Поскольку основная проблема связана с зарядкой SC, выбор SW1 имеет решающее значение. Идеальное решение для SW1 потребует функции управления питанием, которая способна работать с высокими входными (48 В) и выходными (25 В) напряжениями, а также обеспечивать возможность регулирования CICV.
Рисунок 2. Контроль заряда суперконденсатора CICV
Демонстрация зарядного устройства SC
Чтобы продемонстрировать поведение заряда SC, мы будем использовать пример стабилизатора синхронизации.Мы покажем ключевые проблемы и методы их решения, а также будем использовать экспериментальные формы сигналов, чтобы помочь нашему пониманию.
На рисунке 3 показана упрощенная схема ISL78268 Renesas, управляющего понижающим стабилизатором синхронизации, который обеспечивает управление CICV. Чтобы зарядить батарею суперконденсаторов до 25 В с управлением CICV, при выборе контроллера учитывались следующие возможности:
- Синхронный понижающий контроллер, который может работать с V IN > = 48 В и V OUT > = 25 В.
- Возможность регулирования постоянного тока и постоянного напряжения с автоматическим переключением между режимами регулирования.
- Входы точных датчиков тока для части CI, которые работают от напряжения питания системы. Как показано на рисунке 3, контроллер определяет постоянный ток индуктора, который является током зарядки. Усилитель считывания тока контроллера должен выдерживать синфазное напряжение, которое в данном случае составляет 25 В.
На рис. 4 показан небольшой фрагмент функциональной блок-схемы понижающего контроллера синхронизации ISL78268.Как показано, есть два независимых усилителя ошибки, обозначенные Gm1 и Gm2, которые служат для регулирования постоянного напряжения (Gm1) и постоянного тока (Gm2).
Усилитель ошибки Gm1 работает для управления замкнутым контуром CV. Он сравнивает напряжение обратной связи на FB с внутренним опорным напряжением 1,6 В и создает напряжение ошибки на выводе COMP. Вывод FB связан с резистивным делителем выходного напряжения и настроен таким образом, что FB будет 1,6 В, когда на выходе будет заданное напряжение. Напряжение COMP тогда представляет собой разницу между желаемым выходным напряжением и фактическим выходным напряжением.Затем COMP сравнивается с пиковым нарастанием катушки индуктивности для генерации сигнала ШИМ для управления постоянным выходным напряжением.
Усилитель ошибки Gm2 работает для управления замкнутым контуром CI. Он сравнивает IMON / контактный напряжение DE и внутренний источник опорного напряжения 1.6V и создает выходной сигнал ошибки на COMP штифтом. Напряжение на выводе IMON / DE генерируется внутри и представляет собой средний ток нагрузки выходного индуктора. Таким образом, напряжение COMP, когда петля Gm2 активна (диод между выходом Gm1 и Gm2 эффективно выбирает, какая петля активна), представляет собой разницу между желаемым выходным током и фактическим выходным током.Затем COMP сравнивается с пиковым нарастанием индуктивности для генерации ШИМ-сигнала для управления постоянным выходным током.
В начале стадии заряда до того, как напряжение SC достигнет своего целевого значения, Gm2 преимущественно управляет выводом COMP, заставляя выход ШИМ достичь управления CI. Когда напряжение SC заряжается до заданного значения, ток зарядки уменьшается, что приводит к падению напряжения на выводе IMON / DE и размыканию контура CI (когда IMON / DE <1,6 В), и контур CV естественным образом берет на себя управление COMP, таким образом контролируя выходное напряжение. постоянный.
Понижающий контроллер ISL78268 имеет как режим управления пиковым током для генерации ШИМ (надежный пошаговый модулятор пикового тока), так и внешний контур постоянного среднего тока, идеально подходящий для зарядки SC.
Рис. 3. Упрощенная схема стабилизатора синхронизации, обеспечивающего управление зарядкой CICV SC
Рис. 4. Упрощенная блок-схема цикла ISL78268 CICV
Теперь выделим реализованную реализацию зарядки SC. На рисунках 5, 6 и 7 показаны экспериментальные формы сигналов синхронного понижающего преобразователя, управляемого ISL78268 для зарядки банка SC (12 50F / 2.7В СК последовательно). SC будет заряжен до 25V от основного источника питания.
На рис. 5 показано, что зарядка SC состоит из нескольких этапов. Первоначально на этапе 1 значение Vo едва равно 0. Сигнал среднего тока на выводе IMON / DE ISL78268 еще не достиг 1,6 В (эталонное значение для желаемого зарядного тока), поэтому контур CI еще не задействован. На этом этапе пиковый ток катушки индуктивности циклически ограничивается фиксированным пороговым значением OC. В начале состояния зарядки, когда V OUT низкий (FB <0.4V), частота переключения ограничена 50 кГц в качестве меры предосторожности для преодоления упомянутой проблемы разгона индуктора для ограничения пикового тока при низком V OUT .
Рисунок 5. Стендовые осциллограммы зарядки SC
На рис. 6 в увеличенном масштабе показана форма сигнала ступени 1. Этап 2 запускается, когда напряжение на выводе IMON / DE (желтая кривая) достигает 1,6 В. Здесь контур CI включает и понижает сигнал COMP (голубая кривая), тем самым начиная регулировать выходной ток и заставляя напряжение на выводе IMON / DE оставаться постоянным.Напряжение на контакте IMON / DE представляет собой измеренный средний выходной токовый сигнал. Форма сигнала IL (зеленая кривая) показывает, что средний ток контролируется так, чтобы он оставался постоянным на этапе 2. Выходное напряжение (розовая кривая) показывает, что SC линейно заряжается постоянным зарядным током.
Рис. 6. Увеличенное масштабирование стендовых кривых зарядки SC на этапе 1
Этап 3 запускается, когда вывод FB обнаруживает 0,4 В (рисунок 7). После обнаружения известно, что регулирование постоянного тока полностью задействовано, поэтому частоту переключения можно автоматически отрегулировать до запрограммированной частоты 300 кГц.Чем выше частота коммутации, тем меньше пульсация тока катушки индуктивности (зеленая кривая). Выходное напряжение (розовая кривая) продолжает линейно увеличиваться, указывая на то, что SC линейно заряжается.
Возвращаясь к рисунку 5, этап 3 продолжается до тех пор, пока Vo не достигнет целевого напряжения 25 В. Как только это происходит, включается контур CV и регулирует выходное напряжение. Средняя токовая петля отключается. На рисунке 5 показано, что выходное напряжение (розовая кривая) стабилизируется, а ток катушки индуктивности падает.Вывод IMON / DE, представляющий средний зарядный ток, также падает, что означает окончание регулирования постоянного тока.
Рисунок 7. Стендовые формы сигналов зарядки SC
Заключение
Суперконденсаторы
используются в качестве решений для хранения энергии в некоторых автомобильных, промышленных и потребительских товарах из-за их внутренних физических характеристик, которые обеспечивают преимущества по сравнению с традиционными батареями. Чтобы максимизировать энергию, хранящуюся в банке SC, часто лучше всего складывать несколько ячеек SC последовательно, чтобы получить высокие напряжения банка.При зарядке предпочтительно использовать методику зарядки CICV для ограничения высоких токов, которые в противном случае могли бы протекать из-за низкого ESR SC при зарядке до постоянного напряжения. Постоянный ток позволяет контролировать потери заряда внутри SC, что может снизить тепловыделение и продлить срок службы SC. Таким образом, для схем зарядки выгодно выдерживать высокие напряжения и обеспечивать возможность регулирования CICV.
Информация о суперконденсаторах
— Battery University
Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор.
Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора очень высокой емкостью. Конденсатор накапливает энергию за счет статического заряда, в отличие от электрохимической реакции. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной обкладках заряжает конденсатор. Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.
Существует три типа конденсаторов, самый простой из которых — электростатический конденсатор с сухим сепаратором.Этот классический конденсатор имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации. Размер варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до низких микрофарад (мкФ).
Электролитический конденсатор обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и измеряется в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше, чем пикофарад. Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и передачи сигналов. Подобно батарее, электростатическая емкость имеет положительный и отрицательный стороны, которые необходимо учитывать.
Третий тип — это суперконденсатор, измеряемый в фарадах, что в тысячи раз выше, чем у электролитического конденсатора. Суперконденсатор используется для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности.
Фарад — единица измерения емкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867). Один фарад сохраняет один кулон электрического заряда при приложении одного вольта. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а один пикофарад снова в миллион раз меньше микрофарада.
Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но коммерческих приложений не было. В 1966 году Standard Oil вновь открыла эффект двухслойного конденсатора случайно, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не стала коммерциализировать изобретение и передала его по лицензии NEC, которая в 1978 году представила технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера.Только в 1990-х годах достижения в области материалов и методов производства привели к повышению производительности и снижению стоимости.
Суперконденсатор эволюционировал и перешел в аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического воздействия, в асимметричном электрохимическом двухслойном конденсаторе (AEDLC) используются электроды, похожие на аккумуляторные, для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие проблемы, которые разделяются с аккумулятор.Графеновые электроды обещают усовершенствовать суперконденсаторы и батареи, но до таких разработок еще 15 лет.
Было опробовано несколько типов электродов, и наиболее распространенные в настоящее время системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на основе углерода, с органическим электролитом и простом в производстве.
Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор можно сделать так, чтобы он выдерживал высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2.7В. Возможны напряжения 2,8 В и выше, но с сокращением срока службы. Чтобы получить более высокие напряжения, несколько суперконденсаторов соединены последовательно. Последовательное соединение снижает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Для цепочек из более чем трех конденсаторов требуется балансировка напряжения, чтобы предотвратить перенапряжение любой ячейки. Литий-ионные аккумуляторы имеют аналогичную схему защиты.
Удельная энергия суперконденсатора колеблется от 1 Втч / кг до 30 Втч / кг, что в 10–50 раз меньше, чем у литий-ионных.Кривая нагнетания — еще один недостаток. В то время как электрохимическая батарея обеспечивает стабильное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе, сокращая спектр полезной мощности. (См. BU-501: Основные сведения о разрядке.)
Возьмите источник питания 6 В, который может разрядиться до 4,5 В до отключения оборудования. К тому времени, когда суперконденсатор достигает этого порога напряжения, линейный разряд дает только 44% энергии; остальные 56% зарезервированы.Дополнительный преобразователь постоянного тока в постоянный помогает восстановить энергию, находящуюся в диапазоне низкого напряжения, но это увеличивает затраты и приводит к потерям. Для сравнения, батарея с плоской кривой разряда обеспечивает от 90 до 95 процентов своего запаса энергии до достижения порогового значения напряжения.
На рисунках 1 и 2 показаны вольт-амперные характеристики при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение линейно увеличивается, а ток по умолчанию падает, когда конденсатор полон, без необходимости в схеме обнаружения полного заряда.Это верно для источника постоянного тока и предельного напряжения, подходящего для номинального напряжения конденсатора; превышение напряжения может повредить конденсатор.
Рисунок 1: Профиль заряда суперконденсатора. |
Рисунок 2: Разрядный профиль суперконденсатора. |
Время заряда суперконденсатора 1–10 секунд. Зарядная характеристика аналогична электрохимической батарее, а зарядный ток в значительной степени ограничен способностью зарядного устройства выдерживать ток. Первоначальная зарядка может быть произведена очень быстро, а дополнительная зарядка займет дополнительное время.Необходимо предусмотреть ограничение пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, так как он будет всасывать все, что может. Суперконденсатор не подлежит перезарядке и не требует обнаружения полного заряда; ток просто перестает течь, когда он наполняется.
В таблице 3 сравнивается суперконденсатор с типичным литий-ионным.
Функция | Суперконденсатор | Литий-ионный (общий) |
Время зарядки Жизненный цикл Напряжение ячейки Удельная энергия (Втч / кг) Удельная мощность (Вт / кг) Стоимость 1 кВтч Срок службы (промышленный) Температура заряда Температура нагнетания Саморазряд (30 дней) Стоимость 1 кВтч | 1–10 секунд 1 миллион или 30 000 ч 2.От 3 до 2,75 В 5 (типовая) До 10 000 $ 10 000 (типовая) 10-15 лет От –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F) От –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F) Высокая (5-40%) От 100 до 500 долларов США | 10–60 минут 500 и выше 3,6 В номинальное 120–240 1 000–3 000 250–1000 долларов (большая система) От 5 до 10 лет От 0 до 45 ° C (от 32 до 113 ° F) От –20 до 60 ° C (от –4 до 140 ° F) 5% или менее 1000 $ и выше |
Таблица 3: Сравнение производительности классического суперконденсатора и литий-ионного.
Источник: Maxwell Technologies, Inc.
• Удельная энергия суперконденсаторов сверхвысокой плотности с электродами на основе графена имеет значение Втч / кг, аналогичное литий-ионному.
Суперконденсатор можно заряжать и разряжать практически неограниченное количество раз. В отличие от электрохимической батареи, которая имеет определенный срок службы, при циклической работе суперконденсатора происходит небольшой износ. Возраст также благоприятнее для суперконденсатора, чем для батареи. В нормальных условиях суперконденсатор теряет первоначальную 100-процентную емкость до 80 процентов за 10 лет.Применение более высокого напряжения, чем указано, сокращает срок службы. Суперконденсатор не боится высоких и низких температур, а батареи не могут удовлетворить его одинаково хорошо.
Саморазряд суперконденсатора существенно выше, чем у электростатического конденсатора, и несколько выше, чем у электрохимической батареи; Этому способствует органический электролит. Суперконденсатор разряжается от 100 до 50 процентов за 30-40 дней. Для сравнения, свинцовые и литиевые батареи саморазряжаются примерно на 5 процентов в месяц.
Суперконденсатор против батареи
Сравнение суперконденсатора с батареей имеет свои достоинства, но полагаться на сходство мешает более глубокое понимание этого отличительного устройства. Вот уникальные различия между батареей и суперконденсатором.
Химический состав батареи определяет рабочее напряжение; заряд и разряд — это электрохимические реакции. Для сравнения, конденсатор не является электрохимическим, и максимально допустимое напряжение определяется типом диэлектрического материала, используемого в качестве разделителя между пластинами.Присутствие электролита в некоторых конденсаторах увеличивает емкость, что может вызвать путаницу.
Поскольку суперконденсатор не является химическим, напряжение может расти до тех пор, пока не выйдет из строя диэлектрик. Часто это происходит в виде короткого замыкания. Избегайте повышения напряжения выше указанного.
Приложения
Суперконденсатор часто понимают неправильно; это не замена батареи для длительного хранения энергии. Если, например, время зарядки и разрядки превышает 60 секунд, используйте аккумулятор; если короче, то суперконденсатор становится экономичным.
Суперконденсаторы идеальны, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения кратковременной потребности в электроэнергии; в то время как батареи выбраны для длительного использования энергии. Объединение этих двух аккумуляторов в гибридную батарею удовлетворяет обе потребности и снижает нагрузку на аккумулятор, что отражается на более длительном сроке службы. Такие батареи стали доступны сегодня в семействе свинцово-кислотных аккумуляторов.
Суперконденсаторы наиболее эффективны для устранения перерывов в питании, длящиеся от нескольких секунд до нескольких минут, и их можно быстро перезаряжать.Маховик предлагает аналогичные качества, и приложение, в котором суперконденсатор конкурирует с маховиком, — это испытание Long Island Rail Road (LIRR) в Нью-Йорке. LIRR — одна из самых загруженных железных дорог Северной Америки.
Чтобы предотвратить провал напряжения во время разгона поезда и снизить потребление пиковой мощности, батарея суперконденсаторов мощностью 2 МВт проходит испытания в Нью-Йорке против маховиков, обеспечивающих мощность 2,5 МВт. Обе системы должны обеспечивать непрерывное питание в течение 30 секунд при соответствующей мощности в мегаваттах и одновременно полностью заряжаться.Цель состоит в том, чтобы добиться регулирования в пределах 10 процентов от номинального напряжения; обе системы должны не требовать особого обслуживания и прослужить 20 лет. (Власти считают, что маховики более надежны и энергоэффективны для этого применения, чем батареи. Время покажет.)
В Японии также используются большие суперконденсаторы. Системы мощностью 4 МВт устанавливаются в коммерческих зданиях, чтобы снизить потребление энергии в сети в периоды пиковой нагрузки и облегчить загрузку. Другие приложения — запускать резервные генераторы во время перебоев в подаче электроэнергии и обеспечивать питание до стабилизации переключения.
Суперконденсаторы также широко используются в электрических силовых агрегатах. Благодаря сверхбыстрой зарядке во время рекуперативного торможения и выдаче большого тока при ускорении суперконденсатор идеально подходит в качестве усилителя пиковой нагрузки для гибридных транспортных средств, а также для приложений на топливных элементах. Широкий температурный диапазон и долгий срок службы дают преимущество перед батареей.
Суперконденсаторы имеют низкую удельную энергию и дороги с точки зрения стоимости ватта. Некоторые инженеры-конструкторы утверждают, что деньги на суперконденсатор лучше потратить на батарею большего размера.В таблице 4 приведены преимущества и ограничения суперконденсатора.
Преимущества | Практически неограниченный цикл жизни; можно повторять миллионы раз Высокая удельная мощность; низкое сопротивление обеспечивает высокие токи нагрузки Заряжается за секунды; не требуется прекращения заряда Простая зарядка; рисует только то, что ему нужно; не подлежит завышению Безопасно; прощение, если злоупотребляли Отличные характеристики заряда и разряда при низких температурах |
Ограничения | Низкая удельная энергия; вмещает долю обычной батареи Линейное напряжение разряда не позволяет использовать полный энергетический спектр Высокий саморазряд; выше, чем у большинства батарей Низкое напряжение ячеек; требует последовательного подключения с балансировкой напряжения Высокая стоимость за ватт |
Таблица 4: Преимущества и недостатки суперконденсаторов.
Последнее обновление 2020-12-08
*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***
Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта. Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык, избегая спама и дискриминации.
Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: BatteryU @ cadex.com. Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.
Предыдущий урок
Следующий урок
Или перейти к другой артикуле
Аккумуляторы как источник питания
Варианты суперконденсаторов
(и способы их зарядки) Grow
Ультраконденсаторы
, также называемые суперконденсаторами, продолжают проникать в широкий спектр приложений, где их высокая плотность мощности позволяет им дополнять или заменять батареи.Сегодня они находят применение во многих приложениях, включая устройства бытовой электроники, системы освещения, электроинструменты, ИБП, ветряные мельницы, гибридные электромобили, автобусы и поезда, телекоммуникационные системы и промышленное оборудование. В этих приложениях ультраконденсаторы выполняют различные функции хранения и подачи энергии. Например, устройства меньшего номинала могут использоваться для обеспечения резервного аккумулятора, в то время как ультраконденсаторы большего номинала могут помочь запустить двигатель или накапливать энергию торможения транспортного средства.
Поскольку их номинальное напряжение низкое, обычно 2.5 В, ультраконденсаторные элементы часто объединяются в модули или блоки, где они последовательно соединяются для работы с более высокими напряжениями. Однако производители ультраконденсаторов работают над разработкой ячеек ультраконденсаторов с более высоким номинальным напряжением, чтобы уменьшить количество ячеек, необходимых для данного номинального напряжения. Некоторые поставщики предлагают детали с номинальным напряжением 2,7 В, но работа над повышением этой спецификации продолжается.
Также ведется разработка ультраконденсаторов
для уменьшения размера ячеек и уменьшения их стоимости. Эти две проблемы, особенно последняя, считаются критически важными для продолжающейся миграции ультраконденсаторов в новые приложения.Поскольку стоимость в расчете на Фарад со временем падает, количество применений ультраконденсаторов будет увеличиваться. То же самое может относиться к поставщикам ультраконденсаторов, поскольку на рынок продолжают выходить новые поставщики. Хотя специалисты по ультраконденсаторам, такие как Maxwell Technologies и Ness, были наиболее заметными производителями этих компонентов, основные компании, предлагающие электролитические и другие типы конденсаторов, начали добавлять в свои портфели ультраконденсаторы и суперкапсы.
Связанная с этим разработка — недавнее внедрение одним поставщиком полупроводников ИС, специально разработанной для управления зарядкой суперконденсаторов.Эта часть может быть первой из многих, которые удовлетворяют потребности приложений для управления питанием ультраконденсаторов.
Новые устройства
Illinois Capacitor — одна из основных компаний, производящих конденсаторы, которая теперь предлагает суперкадры. Эта компания недавно вышла на рынок, представив серию DLR, которая предлагает 14 значений емкости в диапазоне от 4 Ф до 220 Ф с номинальным рабочим напряжением от 2 до 2,5 В постоянного тока. Компания также предлагает блоки с несколькими конденсаторами с более высокими значениями напряжения или емкости.Диапазон рабочих температур от -20 ° C до + 70 ° C.
При 2,5 В срок службы DLR рассчитан на уровне 500 000 циклов на сайте www.illcap.com.
Между тем, Maxwell Technologies в настоящее время разрабатывает модуль ультраконденсатора высокого напряжения, предназначенный для импульсной мощности и применения ИБП. Ожидается, что новый модуль будет представлен в ближайшие месяцы.
«Новый модуль отличается высокой надежностью и найдет применение на рынке систем наклона в составе ветроэнергетических установок», — говорит Джон М. Миллер, вице-президент подразделения Advanced Transportation Applications.
Чип зарядного устройства суперконденсатора
Поставщик полупроводников Advanced Analogic Technologies (AnalogicTech) представил микросхему, которую он описывает как первую ИС зарядного устройства суперконденсатора. AAT4620 — это переключатель питания MOSFET с ограничением по току P-канала для приложений переключения нагрузки на высокой стороне в модемных платах ПК.
Устройство объединяет все схемы, необходимые для ограничения тока, защиты разъема PC-карты, непрерывной зарядки конденсатора и уведомления системы, когда она готова к использованию.
«Обычно разработчики используют интеллектуальный переключатель или полевой МОП-транзистор с целым рядом дополнительных схем для создания этой функции», — говорит Фил Дьюсбери, директор линейки продуктов AnalogicTech. «Комбинируя переключатель тока MOSFET с каналом P с двумя независимыми ограничениями по току, петлю питания, обратную блокировку и вывод для готовности системы в крошечном 12-контактном корпусе TSOPJW, AAT4620 обеспечивает максимально быструю зарядку суперконденсатора без нарушения спецификации питания хоста, уменьшив при этом количество компонентов и необходимое пространство на плате.”
AAT4620 предлагает два независимых программируемых предела тока для управления током во время согласования хоста / карты. Пока тепловыделение невелико, встроенное ограничение тока позволяет конденсатору заряжаться, пока он не достигнет 98% от своего конечного значения. Устанавливаемые двумя внешними резисторами, пределы тока поддерживают точность ± 10% в нормальном диапазоне рабочих температур (см. Рисунок).
Встроенный цифровой контур питания автоматически контролирует и снижает ток зарядки до безопасного уровня, когда высокие уровни заряда приводят к чрезмерной температуре и угрожают отправить микросхему в состояние теплового отключения.Регулируя ток заряда и, следовательно, температуру кристалла, эта схема обеспечивает непрерывную и максимально быструю зарядку суперконденсатора.
Встроенная защита от обратной блокировки предотвращает разряд суперконденсатора в источник питания. Готовый к работе выходной вывод с программируемым извне гистерезисом предупреждает систему, когда суперконденсатор полностью заряжен и готов к использованию. AAT4620 также имеет номинальный ток покоя 40 мкА, который снижается до 1 мкА в режиме отключения.
Устройство рассчитано на диапазон температур от -40 ° C до + 85 ° C. Цена — 1,34 доллара за штуку в количестве 1000 штук. Для получения дополнительной информации см. Www.analogictech.com.
Постановка проблемы При зарядке аккумуляторов есть Несколько решений проблемы Есть две проблемы 1) Все блоки питания нуждаются в напряжении и токе. a) 2) Вторая проблема, хотя бы по зарядке Причина этого в том, что рабочая мощность для управления PowerStream имеет опыт работы с зарядными устройствами 3. PowerStream разработал систему постоянного / постоянного тока. |
Как быстро зарядить суперконденсатор
Введение
Суперконденсаторы (или ультраконденсаторы) находят все более широкое применение в различных приложениях благодаря своим уникальным преимуществам перед батареями. Суперконденсаторы работают на электростатических принципах без химических реакций, что позволяет избежать проблем со сроком службы, связанных с химическим хранением батарей.Их высокая долговечность позволяет выполнять миллионы циклов зарядки / разрядки со сроком службы до 20 лет, что на порядок больше, чем у аккумуляторов. Их низкий импеданс обеспечивает быструю зарядку и разрядку в считанные секунды. Это, в сочетании с их умеренной способностью удерживать заряд в течение длительных периодов времени, делает суперконденсаторы идеальными для приложений, требующих коротких циклов зарядки и разрядки. Они также используются параллельно с батареями в приложениях, где необходимы мгновенные пики мощности во время переключения нагрузки.
Короткие циклы зарядки и разрядки суперконденсаторов требуют зарядных устройств, способных выдерживать большой ток. Зарядные устройства должны работать плавно в режиме постоянного тока (CC) во время заряда, который часто начинается с 0 В, и в режиме постоянного напряжения (CV) после достижения конечного выходного значения. В высоковольтных приложениях многие суперконденсаторы подключаются последовательно, что требует наличия зарядных устройств для управления высоким входным и выходным напряжением.
В этом проектном решении мы обсудим два варианта использования: автоматические челноки поддонов в складских помещениях и краткосрочные резервные системы в отказоустойчивых приводах клапанов (, рис. 1, ).Впоследствии мы представим синхронное понижающее зарядное устройство суперконденсатора, которое благодаря высокому выходному току и широкому диапазону входного и выходного напряжения может использоваться в большом количестве промышленных и бытовых приложений.
Рис. 1. Складской автоматический челнок для поддонов.
Пример использования: автоматический челнок для поддонов
Современное хранилище состоит из одного или нескольких стеллажей с большим количеством каналов на разных уровнях для хранения тысяч поддонов.Транспортная тележка обслуживает каждый из складских каналов, в то время как моторизованный челнок перемещает поддоны назад и вперед внутри канала.
Автоматический челнок для поддонов — идеальное приложение для использования ультраконденсаторов в качестве основного источника электроэнергии. Суперконденсаторы быстро перезаряжаются за секунды, находясь в транспортной тележке. Автономный полет шаттла в канале длится всего несколько секунд, требуя ограниченного количества энергии на полет, с питанием от суперконденсаторов.Шаттлы всегда доступны и могут работать непрерывно, 24 часа в сутки, обеспечивая высокую надежность без какого-либо обслуживания.
На рисунке 2 показана система питания, основанная на двух последовательно соединенных суперконденсаторах, каждый на 400F и 2,7В. Комплект суперконденсаторов находится на борту шаттла для поддонов, а зарядное устройство уже находится на борту передаточной тележки. Зарядное устройство получает питание от В ШИНА = 24 В. Во время стыковки между полетами шаттла он заряжает ансамбль суперконденсаторов 200F (C) напряжением V = 5 В, сохраняя заряд:
Q = C × V = 200 × 5 = 1000 Кулон
При токе зарядки 20 А суперконденсатор будет заряжаться за время τ = 50 с (Q / I).Повышающий преобразователь на челноке поддонов повышает входное напряжение 5 В до VM = 12 В, чтобы обеспечить привод двигателя с током 5 А. Без учета потерь входной ток повышающего преобразователя будет:
Этот ток разряжает суперконденсатор со следующей скоростью:
Предполагая, что входное напряжение повышающего преобразователя UVLO составляет 3 В, диапазон разряда конденсатора составляет ΔV = 2 В. Соответственно, повышающий преобразователь какое-то время будет приводить в движение двигатель:
Рисунок 2.Суперконденсаторы приводят в действие автоматический челнок поддонов.
При полном цикле загрузки / разгрузки (τ + t) продолжительностью 83 секунды, один челнок для поддонов теоретически может поддерживать движение 43 поддонов в час.
Пример
: резервное копирование аварийного привода клапана
В промышленных приложениях для регулирования расхода нефти и газа сбой питания может привести к застреванию приводов в рабочем положении, что приведет к небезопасным условиям, авариям или повреждению оборудования. Отказоустойчивые резервные системы привода клапана автоматически возвращают клапан в безопасное аварийное положение при прерывании подачи электроэнергии.В традиционных решениях возврат в безопасное положение осуществляется механической пружиной. С суперконденсаторами, в случае сбоя питания, исполнительный механизм может быть перемещен в специально выбранное аварийное положение с использованием энергии, хранящейся в суперконденсаторе. Суперконденсаторы занимают меньше места и, не имея движущихся частей, обеспечивают длительный срок службы накопителя энергии и низкие эксплуатационные расходы.
На рисунке 3 показана система питания, основанная на десяти последовательно соединенных суперконденсаторах, каждый на 3400F и 2.7В. Во время нормальной работы напряжение на шине 48 В понижается до 24 В для питания привода исполнительного механизма, а также для зарядки блока суперконденсаторов 340F (C).
В случае сбоя питания суперконденсатор 340F питает нагрузку 10А (I). При скорости разряда 0,03 В / с (I / C) и диапазоне разряда ΔV = 10 В привод может работать в течение 330 с — времени, достаточного для перемещения его в заданное аварийное положение.
Рис. 3. Привод предохранительного клапана с питанием от суперконденсатора.
Зарядное устройство для суперконденсаторов
В качестве примера, MAX17701 — это высокоэффективный, синхронный, понижающий, высоковольтный контроллер зарядного устройства суперконденсатора, предназначенный для работы в диапазоне входных напряжений (VDCIN), равном 4.От 5 до 60 В. Выходное напряжение программируется от 1,25 В до (VDCIN — 4 В). В устройстве используется внешний N-MOSFET для обеспечения функции ИЛИ на стороне источника питания, предотвращая обратный разряд суперконденсатора на вход. На рисунке 4 показана прикладная схема 24 В ВХОД /5 В ВЫХОД / 20A для приложения челнока поддонов, описанного ранее на рисунке 2.
Рис. 4. Зарядное устройство для суперконденсаторов 5 В / 20 А с защитой от короткого замыкания на входе.
На рисунке 5 показана эффективность этой прикладной схемы с входом 24 В и выходом 5 В.Также показаны входные напряжения 8 В и 12 В.
Рис. 5. Эффективность зарядного устройства суперконденсатора 5 В / 20 А.
Эффективность зарядного устройства отличная (> 90%) с входом 24 В и выходом 5 В в случае использования челнока поддонов. КПД также очень хорош при 48 В (> 85%), входном напряжении, используемом во втором обсуждаемом приложении.
ИС заряжает суперконденсатор постоянным током с точностью ± 5% (режим CC в , рис. 6, ). После зарядки суперконденсатора устройство регулирует выходное напряжение холостого хода с точностью ± 1% (режим CV).
Рисунок 6. Профиль тока и напряжения зарядного устройства.
IC обеспечивает функцию таймера безопасности (TMR) для установки максимально допустимого времени зарядки в режиме постоянного тока (CC). Он работает в промышленном температурном диапазоне от -40 ° C до + 125 ° C и доступен в 24-контактном корпусе TQFN 4 мм x 4 мм с открытой контактной площадкой.
Заключение
Уникальные особенности суперконденсаторов делают их идеальными для коротких циклов зарядки и разрядки, как показано в двух рассмотренных нами тематических исследованиях: автоматический челнок поддонов в современном хранилище и отказоустойчивая резервная система привода клапана.Короткие циклы требуют больших зарядных и разрядных токов, в то время как использование суперконденсаторов последовательно приводит к широкому диапазону возможных входных и выходных напряжений зарядного устройства в зависимости от количества конденсаторов. Соответственно, мы предложили гибкую архитектуру зарядного устройства с высоким током и высоким входным / выходным напряжением, которая может использоваться в большом количестве приложений.
Аналогичная версия этого дизайнерского решения впервые появилась в How2Power в сентябре 2020 года.
| ©, Maxim Integrated Products, Inc. |
Содержимое этой веб-страницы защищено законами об авторских правах США и зарубежных стран. Для запросов на копирование этого контента свяжитесь с нами.
| ПРИЛОЖЕНИЕ 7323: ДИЗАЙНЕРСКОЕ РЕШЕНИЕ 7323, г. |
maxim_web: en / products / power / dc-dc-Regators, maxim_web: en / design / partners-technology / circuit-lib / collections / Switch-Regators-industrial, maxim_web: en / design / partners-technology / circuit-lib / коллекции / импульсные-регуляторы-батареи-приложения, maxim_web: en / design / partners-technology / design-technology / modern-Switch-Regator-Technology, maxim_web: en / products / power / импульсные-регуляторы / синхронные-импульсные-регуляторы , maxim_web: en / products / power / импульсные регуляторы, maxim_web: en / products / power / импульсные регуляторы2
maxim_web: en / products / power / dc-dc-Regators, maxim_web: en / design / partners-technology / circuit-lib / collections / импульсные-регуляторы-industrial, maxim_web: en / design / partners-technology / circuit-lib / коллекции / переключение-регуляторы-батареи-приложения, maxim_web: en / design / partners-technology / design-technology / modern-Switched-Regator-Technology, maxim_web: en / products / power / импульсные-регуляторы / синхронные-импульсные-регуляторы , maxim_web: en / products / power / импульсные регуляторы, maxim_web: en / products / power / импульсные регуляторы2
Working, Как заряжать и его применение
Простой пассивный элемент, который может накапливать электрическую энергию при подаче напряжения, называется конденсатором.Он обладает способностью или способностью накапливать электрическую энергию, создавая разность потенциалов на своих пластинах, и ведет себя как аккумуляторная батарея. Конденсатор состоит из двух параллельных проводящих пластин, которые не соединены друг с другом. Пластины разделены изоляционным материалом, называемым диэлектриком, который представляет собой вощеную бумагу, керамику, слюдяной пластик или жидкий гель. Из-за этого изоляционного материала постоянный ток не может проходить через конденсатор. Он блокирует прохождение тока, а конденсатор заряжается до напряжения питания и действует как изолятор.Когда конденсатор используется в цепях переменного тока, ток проходит прямо через конденсатор без блоков. Электрическое свойство конденсатора — это емкость, которая измеряется в Фарадах (Ф). В зависимости от диэлектрика емкость конденсатора различна. Есть один конденсатор, который имеет наибольшую емкость. Один из таких — суперконденсатор. В этой статье обсуждается обзор суперконденсатора.
Что такое суперконденсатор?
Определение: Суперконденсатор, также называемый ультраконденсатором, или конденсатором большой емкости, или двухслойным электролитическим конденсатором, который может хранить большое количество энергии, почти в 10-100 раз больше энергии по сравнению с электролитическими конденсаторами.Он более предпочтителен, чем батареи, из-за его более быстрой зарядки и более быстрой доставки энергии. У него больше циклов зарядки и разрядки, чем у аккумуляторных батарей. Они разработаны в наше время для получения промышленных и экономических выгод. Емкость этого конденсатора также измеряется в Фарадах (Ф). Основное преимущество этого конденсатора — его эффективность и высокая емкость хранения энергии.
суперконденсатор
Суперконденсатор Рабочий
Подобно обычному конденсатору, суперконденсатор также имеет две параллельные пластины большей площади.Но разница в том, что расстояние между пластинами небольшое. Пластины состоят из металлов и пропитаны электролитами. Пластины разделены тонким слоем, называемым изолятором.
supercapacitor-symbol
Когда на обеих сторонах изолятора образуются противоположные заряды, образуется двойной электрический слой, и пластины заряжаются. Следовательно, суперконденсатор заряжен и имеет более высокую емкость. Эти конденсаторы используются для обеспечения высокой мощности и обеспечения высоких нагрузочных токов при низком сопротивлении.Стоимость суперконденсатора высока из-за его высокой зарядной и разрядной емкости.
Двойной электрический слой образуется при замене пластин и формировании противоположных зарядов на обеих сторонах пластин. Следовательно, суперконденсаторы также называют двухслойными конденсаторами или электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC’S). Когда площадь пластин увеличивается и расстояние между пластинами уменьшается, то емкость конденсатора увеличивается.
суперконденсатор работает
Когда суперконденсатор не заряжен, все заряды случайным образом распределяются внутри ячейки.Когда суперконденсатор заряжен, все положительные заряды притягиваются к отрицательному выводу, а отрицательные заряды притягиваются к положительному выводу. Как правило, доступны суперконденсаторы с емкостью 420 Ф, зарядным и разрядным током 4-2 А при комнатной температуре -22 градуса по Цельсию.
Как зарядить суперконденсатор?
Суперконденсатор имеет саморазрядную емкость и неограниченные циклы зарядки-разрядки. Эти типы конденсаторов могут работать с низкими напряжениями (2-3 вольта) и могут быть подключены последовательно для получения высокого напряжения, которое используется в мощном оборудовании.Он может накапливать больше энергии и высвобождать ее мгновенно и быстрее, чем батареи.
Когда этот конденсатор подключен к цепи или источнику постоянного напряжения, пластины являются зарядами, а противоположные заряды образуются с обеих сторон разделителя, который образует двухслойный электролитический конденсатор.
Для зарядки суперконденсатора подключите положительную сторону источника напряжения к положительной клемме суперконденсатора, а отрицательную сторону источника напряжения подключите к отрицательной клемме суперконденсатора.
Если суперконденсатор подключен к источнику напряжения 15 вольт, то он заряжается до 15 вольт. Если напряжение превышает значение приложенного источника напряжения, суперконденсатор может выйти из строя. Таким образом, резистор соединен последовательно с источником напряжения и конденсатором, чтобы уменьшить ток, протекающий через конденсатор, и он не повредится.
Источник постоянного тока и источник ограниченного напряжения подходят для суперконденсатора. Когда напряжение увеличивается постепенно, величина тока, протекающего через конденсатор, изменяется.В полностью заряженном режиме ток по умолчанию падает.
Суперконденсатор против батареи
Батареи широко используются с определенным объемом и весом, а также имеют лучшую удельную энергию. Суперконденсаторы — это конденсаторы большой емкости с высокой удельной мощностью. По сравнению с батареей, суперконденсатор имеет быструю зарядку-разрядку, может выдерживать низкие и высокие температуры, высокую надежность и низкое сопротивление.
Стоимость батареи низкая, тогда как стоимость суперконденсатора высока.Суперконденсаторы обладают саморазрядной емкостью. В аккумуляторе рабочее напряжение определяет режимы зарядки и разрядки. В суперконденсаторе допустимое напряжение зависит от типа диэлектрического материала, используемого между пластинами. А также электролит в конденсаторе может увеличить емкость.
Доступны свинцово-кислотные батареи, Ni-MH, Li-Po, Li-ion, LMP и т. Д. Суперконденсаторы доступны с органическим электролитом, водным электролитом, ионной жидкостью, гибридными и псевдосуперконденсаторами.Батареи используются для хранения большого количества энергии, а суперконденсаторы используются для обеспечения высокой плотности мощности.
Солнечный инвертор с использованием суперконденсатора
Солнечный инвертор полезен для фермеров при орошении, ограждении и т. Д. В солнечном инверторе используются солнечные пластины, и солнечная энергия, полученная от этих пластин, сохраняется в батарее. Полная система солнечного инвертора имеет переключатель ВКЛ / ВЫКЛ для управления зарядкой батареи в соответствии с целями фермера.
солнечный инвертор, использующий суперконденсатор
Блок-схема солнечного инвертора, использующего суперконденсатор, содержит,
- Солнечная панель
- Импульсный генератор
- Повышающий трансформатор
- MOSFET
- Переключатель ВКЛ / ВЫКЛ
- Суперконденсатор и
- Перезаряжаемая батарея
Когда выводы батареи подключены к генератору импульсов и, в свою очередь, к полевому МОП-транзистору, он может генерировать импульсы включения / выключения с разными частотами.Импульсы подаются на повышающий трансформатор для получения низкого переменного напряжения. Это переменное напряжение используется для различных целей в сельском хозяйстве. Суперконденсатор используется во всем процессе для обеспечения высокой мощности, для быстрой зарядки и хранения солнечной энергии, а также для увеличения срока службы батарей.
Выходная энергия солнечных пластин может быть увеличена за счет увеличения размеров солнечных пластин.
Применения
Применения суперконденсатора включают следующее.
- Для обеспечения высокой мощности и устранения перерывов в мощности
- Промышленные и электронные приложения
- Используется в ветряных турбинах, электрических и гибридных транспортных средствах
- Регенеративное торможение для высвобождения энергии при ускорении
- Для запуска мощности в системах старт-стоп
- Регулировка напряжения в энергосистеме
- Для захвата и поддержки мощности при пониженных и поднятых нагрузках
- Обеспечивает резервное питание в состоянии быстрой разрядки.
Часто задаваемые вопросы
1). Могут ли суперконденсаторы заменить батареи?
Для обеспечения высокой плотности мощности, а также для простой и быстрой зарядки суперконденсаторы могут заменять батареи.
2). Сколько энергии может хранить суперконденсатор?
Суперконденсатор сохраняет максимальное количество энергии 22,7 джоулей для питания 5,5 вольт. Он сохраняет в 10-100 раз больше энергии на единицу массы или объема по сравнению с электролитическими конденсаторами
3). В чем разница между батареей и суперконденсатором?
Батареи используются для хранения большой энергии, а суперконденсаторы имеют высокую удельную мощность.
Суперконденсаторы используются для быстрого накопления и высвобождения энергии, тогда как батареи хранят энергию в течение более длительных периодов времени.
4). Как долго суперконденсатор может держать заряд?
Время зарядки суперконденсатора составляет 1-10 секунд по сравнению с 10-60 минутами, необходимыми для достижения полностью заряженной батареи. Он обеспечивает мощность 10 000 Вт / кг с неограниченными циклами зарядки-разрядки.
5). Почему бы не использовать конденсаторы вместо батарей?
Конденсаторы накапливают электрическую энергию и имеют тысячи циклов зарядки-разрядки.Батарея остается постоянной, когда она разряжается постоянным током и имеет постоянную выходную мощность. В то время как напряжение конденсатора падает линейно при постоянном токе, выходная мощность также падает. Значит, конденсатор нельзя заменить аккумулятором. Схема регулятора напряжения используется для замены конденсатора на батарею.
Итак, это все о суперконденсаторе. Они используются в электронике, а также в промышленных приложениях. Вот вам вопрос, какова функция суперконденсатора?
Что такое суперконденсатор? Объяснение следующего шага для электромобилей и гибридов
► Суперконденсаторы имеют несколько преимуществ перед батареями.
► Но в настоящее время есть и недостатки.
► Они используются в новом Lamborghini Sian
.
В 2019 году электромобили широко рассматриваются как преемники автомобилей с ДВС, и производители спешат электрифицировать свои модельные ряды: на автосалоне во Франкфурте в 2019 году будут представлены готовые к производству электромобили от Porsche, VW и Honda, и это лишь некоторые из них.И легко понять почему.
Увеличенный запас хода, больше точек подзарядки и общие усовершенствования делают электромобили серьезным соперником бензиновых аналогов. Но для многих они все еще далеки от совершенства: требуется время на зарядку и по-прежнему отсутствует по-настоящему широко распространенная инфраструктура, по крайней мере, в Великобритании.
Хотя сейчас литий-ионная технология используется по умолчанию, она не может быть окончательным ответом, когда дело доходит до питания электромобилей. Суперконденсаторы позволяют решить некоторые давние проблемы, связанные с полностью электрическими автомобилями с батарейным питанием, а также имеют дополнительные преимущества для гибридов.Они могли бы стать толчком для мира электромобилей, но что такое суперконденсаторы, как они работают и настолько ли они научно-фантастические, как кажутся?
Что такое суперконденсатор?
Давайте сначала объясним, что такое суперконденсатор. Иногда называемый ультраконденсатором, суперконденсатор, как и батарея, является средством хранения и высвобождения электричества. Но вместо того, чтобы хранить энергию в виде химикатов, суперконденсаторы хранят электричество в статическом состоянии, что позволяет им быстрее заряжать и разряжать энергию.
В химическую лабораторию!
Литий-ионные батареи
работают с использованием слоев ячеек с использованием положительных и отрицательных электродов, разделенных электролитом. Они генерируют заряд, когда ионы лития переходят от отрицательного к положительному положению при разряде, а при зарядке происходит обратное.
Как работают суперконденсаторы?
Конденсаторы
, с другой стороны, хранят электричество в статическом состоянии, а не оставляют его «запертым» в химических реакциях. Взломайте конденсатор, и вы обнаружите две проводящие пластины, называемые электродами, разделенные изоляционным материалом, известным как диэлектрик.Эти две пластины, одна положительная, а другая отрицательная, создают электрическое поле при подключении к электрической цепи, которая поляризует атомы в диэлектрике, поэтому положительные атомы сидят на стороне отрицательной пластины, а отрицательные атомы — на стороне положительной пластины. пластина, создавая таким образом заряд.
Во многих отношениях суперконденсатор — это просто конденсатор большего размера с большими электродными пластинами и меньшим расстоянием между ними, что позволяет хранить больший заряд в виде потенциальной электрической энергии.Суперконденсатор не использует диэлектрик; вместо этого пористые электродные пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким разделительным материалом. Когда заряд проходит через электроды, атомы в них становятся поляризованными, придавая электродам положительный или отрицательный заряд.
Затем они притягивают электроны противоположной полярности в электролите и, таким образом, создают двойной электрический слой, а это означает, что суперконденсаторы хранят намного больше энергии, чем их обычные конденсаторные аналоги.
В чем преимущества суперконденсаторов?
Суперконденсаторы уже существуют в автомобилях с системами рекуперативного торможения. Это связано с их большей удельной мощностью, чем у батарей, основанных на химических реакциях, что позволяет им быстро накапливать и разряжать электричество, что удобно для сбора энергии, генерируемой при торможении, а затем быстрого высвобождения ее при ускорении.
В автомобилях, полностью построенных на элементах, таких как Toyota FCHV, также используются суперконденсаторы для обеспечения дополнительной ускоряющей мощности, которую водородные топливные элементы не могут сделать в одиночку.
Им еще предстоит заменить литий-ионные батареи в качестве основного источника энергии, но электрические и гибридные автомобили развиваются из года в год, поэтому у суперконденсаторов есть большой потенциал, чтобы играть большую роль в электромобилях и автомобилях следующего поколения. зарядная инфраструктура для их поддержки.
Поскольку суперконденсаторы в значительной степени полагаются на физику, а не на химию, чтобы хранить свою энергию, они не разлагаются так же, как литий-ионные батареи. Это может предоставить огромные возможности для увеличения срока службы электромобиля, а также для снижения воздействия на окружающую среду использования литий-ионных элементов питания.
Но самым большим преимуществом суперконденсаторов перед литий-ионными и никель-кадмиевыми батареями является их способность быстро заряжаться и разряжаться; мы говорим о зарядке за минуты, а не за часы. Таким образом, суперконденсаторы могут стать панацеей для сокращения часов, которые в настоящее время уходит на перезарядку полностью электрического автомобиля, или могут повысить скорость гибридов, о чем мы расскажем позже в этой статье.
Суперконденсаторы
также очень хорошо справляются с беспроводной зарядкой, что в сочетании с их способностью заряжаться на высокой скорости может устранить необходимость подключения электромобилей к точкам питания и сделать процесс зарядки более плавным.
В чем недостатки суперконденсаторов?
В настоящее время с суперконденсаторами связаны две основные проблемы, и самая тревожная — это плотность энергии. Конечно, суперконденсаторы могут поглощать и выдавать большое количество энергии быстрее, чем литий-ионные батареи, но сейчас они не могут хранить столько энергии.
Это проблема, которая делает их менее подходящими для электромобилей в нынешних условиях, но не означает, что они должны быть исключены в будущем. Не забывайте, что потребовалось время, чтобы извлечь приемлемый диапазон пробега из литий-ионных аккумуляторных систем, поэтому есть возможности для повышения плотности энергии суперконденсаторов, если умные люди работают над повышением их эффективности.
Исследователи из Университета Суррея заявили о прорыве в материалах для суперконденсаторов, которые могут позволить им использовать весь диапазон бензиновых автомобилей, но это первые дни, и вы не увидите этого на современных суперконденсаторах.
Вторая проблема с суперконденсаторами в том виде, в каком они стоят, — это разрядка или время, в течение которого они могут удерживать заряд. В настоящее время суперконденсаторы не могут удерживать заряд так же долго, как литий-ионные батареи. Например, если вы оставите автомобиль с суперконденсаторным питанием в гараже на неделю, вы, вероятно, найдете его бесплатно, когда вернетесь.
Быстрая зарядка может решить эту проблему, но вам нужно убедиться, что у вас есть под рукой зарядное устройство, имеющее достаточную силу тока, чтобы обеспечить высокий заряд, с которым может справиться суперконденсатор. У вас вряд ли будет домашнее зарядное устройство на пару тысяч ампер в запасе.
По мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы.Но это похоже на долгий путь.
Суперконденсаторы прямо сейчас? Рука помощи гибридам
По мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы. Но это похоже на долгий путь.
Так что насчет теперь? Хотя суперконденсаторы какое-то время могут не использоваться в электромобилях, эта технология уже идеально подходит для гибридных силовых агрегатов.Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки блоков питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке, но такие производители автомобилей, как Lamborghini, обнаруживают, что они также могут добавить серьезную дополнительную производительность.
Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность полета и способность удерживать заряд, не так важны — и именно поэтому мы уже наблюдаем, как технологии проникают в мир гиперкаров.
Lamborghini Sian сочетает в себе электромотор мощностью 34 л.с. с питанием от суперконденсатора и двигатель Sant’Agata V12 для sub 3.0 с 0 до 100 км / ч.
В Сиане использование суперконденсатора является единственным методом хранения электроэнергии, но вполне возможно, что мы могли бы получить автомобили, которые также сочетают суперконденсатор и литий-ионную технологию, используя преимущества обоих; литий-ионные батареи по-прежнему будут основным источником энергии, но суперконденсаторы могут их дополнить для более быстрого разряда и перезарядки энергии во время разгона и торможения.
Что ждет суперконденсаторы в будущем?
Мы просто обдумываем идею, но такая машина могла бы работать на суперконденсаторе вокруг города, где есть инфраструктура для поддержки быстрой зарядки, эффективно переключаясь с powerpoint на powerpoint.Затем для более длительных прогулок автомобиль может переключиться на литий-ионный аккумулятор с рекуперативным торможением, помогающим увеличить запас хода.
Учитывая, что Тесла купила Максвелла, специалиста по суперконденсаторам и батареям, в 2019 году, есть шанс, что именно производитель автомобилей сделает такой электромобиль реальностью; Время покажет, для чего Tesla использует технологию Максвелла.
Суперконденсаторы
уже используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке. В настоящее время такие зарядные устройства коммерчески нецелесообразны для массового производства, но по мере того, как все больше людей покупают электромобили, инфраструктура зарядки, вероятно, разовьется до такой степени, что широко распространенные зарядные устройства для суперконденсаторов станут реальностью.
Итак, мы можем ожидать увидеть точки зарядки суперконденсаторов и беспроводные зарядные устройства, питаемые от них на станциях, как электрический эквивалент бензонасоса, способного заправить автомобиль за считанные минуты.
Чтобы получить немного научной фантастики о вещах, такую зарядку можно было бы расширить с помощью суперконденсаторов, встроенных в дороги, постоянно поставляющих энергию электромобилям, когда они мчатся и останавливаются на светофоре.