¿Qué tan práctico sería un refuerzo de automóvil con supercondensadores?

Actualmente, los amplificadores de potencia del automóvil (una unidad portátil cargada de una toma de corriente y luego conectada al sistema eléctrico del automóvil para arrancar un automóvil cuando la batería del automóvil está agotada) generalmente usan baterías: plomo-ácido, Li-Ion o LiFePO4. Durante varios años, una batería en el refuerzo se gastará.

¿Sería práctico utilizar un banco de supercondensadores que sean más duraderos en lugar de una batería en un refuerzo?

Comencé esta respuesta esperando que la respuesta fuera "no una oportunidad", pero un vistazo rápido a las especificaciones y precios sugiere que podría hacer algo que fuera interesante y posiblemente útil hasta cierto punto, pero que hasta ahora es poco práctico y ciertamente rentable y es poco probable ser rentable por algunos ciclos de la ley de Moore todavía.

Suponga que el arranque requiere 500 A a 12v durante 1 segundo.
Eso es demasiado alto en muchos casos, pero las corrientes más bajas por más tiempo son mucho más frecuentes, especialmente en una mañana muy fría.
Ajuste las suposiciones a su gusto.

Energía en un condensador para 1 Faradio a 12 voltios = Diga 70 vatios segundos por Faradio.
=0.5⋅1⋅$= \frac{1}{2}CV^2$
$= 0.5 \cdot 1 \cdot 144$

Arranque del automóvil = segundo como arriba = 6000 vatios segundos.$12V \cdot 500A \cdot 1$

Así capacitancia necesaria para suministrar esta energía a 12 V = .
$\frac{6000}{70} =~ 100 F$

La mayoría de los supercaps tienen una clasificación de 2.5V a 3.3V por razones técnicas.

Puede usar módulos como esta unidad 42V 100F que mide 550 x 270 x 110 mm y pesa 13 kg. La nota que almacena 88200 Julios es 88200/6000 ~ = 15 veces más grande en capacidad que la solución de inicio único anterior.

Para construir una tapa de 12V a partir de tapas de 3v3 se requieren 4 en serie y de 2V5 = 5 en serie. Colocar condensadores en serie reduce la capacitancia en proporción inversa a la cantidad, por lo que necesitaríamos 400F con condensadores 3v3 y 500F con 2V5.

Murphy está activo, sería aconsejable usar, digamos, 1000F x 12v = 5 x 200F a 2V5.

En esta etapa, se pone interesante ya que, por ejemplo, Digikey le venderá supercaps en este rango.

El costo es de aproximadamente 10 centavos por Farad, por lo que 200F ~~ = $ 20 y 4 cuestan $ 80. Decir $ 1000.

Un vistazo a las especificaciones muestra que aún no hemos llegado.
NO se especificó una corriente de descarga máxima, pero una resistencia interna de alrededor de 10 miliohmios, quizás más de 200 amperios en cortocircuito Cargado para la transferencia de potencia máxima en Rload = Rinternal = 10 miliohm, digamos, eso es 100 + A.
Eso no es realmente lo suficientemente desagradable como para arrancar un automóvil, y aún no hemos analizado la caída de voltaje para extraer energía, etc.

Tenga en cuenta que en un límite ha agotado el 75% de su energía. Si un límite es el doble del contenido de energía necesario, drenarlo al 70% entregará la mitad de la energía interna con la otra mitad almacenada para la próxima vez "$\frac{V}{2}$

Claramente, una 'batería' que es buena para un inicio no suele ser útil. Se necesitan tapas mucho más grandes con una carga mayor. Y aun así, no será posible acercarse a la capacidad energética de una batería.

Entonces, aún no es práctico, pero se dirige lentamente hacia allí. Tal vez 10 años (alrededor de 7 ciclos de la ley de Moore)

470 - 3300 celdas Farad x 2.5 V.

Fuga:

La fuga de lo anterior es de 0.5C mA, por lo que para un límite de 200 F es una fuga de 100 mA. Un faradio lo suministrará durante 10 segundos y soltará un voltio.

Entonces, un límite de 200F tomará segundos para dejar caer un voltio. ¡Necesita trabajo! Algunos serán mucho mejores que esto.$2 \cdot 200F = 400$

Las baterías tienen una curva de voltaje relativamente plana sobre la carga, hasta cierto punto. Los condensadores tienen una curva lineal de voltaje sobre carga.

Con las baterías, puede configurar la batería de refuerzo de una manera que el voltaje se ajuste a sus necesidades en un amplio rango de porcentaje de carga.

Con condensadores, esto no es una opción, porque el voltaje cambiaría rápidamente con el uso. Para usarlo, necesitaría algunos componentes electrónicos de potencia para suministrar el voltaje correcto.

Además, actualmente la energía específica (energía almacenada por peso) de los supercaps sigue siendo inferior a la que proporcionan las baterías. Esto podría cambiar dentro de unos años.

Entonces, en este momento, los supercaps proporcionan menos energía y necesitan electrónica de potencia adicional, lo que hace que su uso como fuente de alimentación sea ineficiente.

Muy interesante discusión; Agradezco los cálculos minuciosos y detallados. Aunque la tecnología actual parece indicar que no se trata de una aplicación práctica, encontré un ingeniero que parece haber tenido éxito: http://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w Aquí hay un producto comercial diseñado para la instalación en vehículos de 18 ruedas para garantizar la potencia de arranque; en este diseño, una de las cuatro baterías del camión se intercambia con el módulo de arranque del motor ultracondensador, pero con su propio cableado: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module

Quizás con cuidadosas consideraciones de diseño, estas matrices de ultracondensadores pueden ser útiles en algunas situaciones.

Como parte de mi trabajo, tengo algunas herramientas que comparan bancos de condensadores para un voltaje de inicio, voltaje final, potencia de carga y tiempo dados. También tiene en cuenta los valores de ESR y EOL. Mi banco de datos no tiene todos los ultracap, por supuesto, pero tiene algunos de los sospechosos más probables.

Entonces, supongamos que la batería que usaría normalmente comenzaría a 13.2V sin carga y bajaría a 7V cuando se carga a 500A. Podemos calcular nuestra potencia a partir del voltaje de baja potencia, ya que es claramente suficiente para arrancar el automóvil. Para extraer 3500W por un segundo de un ultracap y aún permanecer en ese rango de voltaje, la mejor combinación que veo sería dos de estos en paralelo. Entonces estás hablando de> $ 3k de ultracaps para reemplazar una batería de ~ $ 100. Usted puede ser que podría salirse con un módulo Ultracap en lugar de dos, especialmente si usted no utiliza los valores al final de su vida, pero tendría mucho menos gastos generales, y sus pérdidas ESR quisisteis subir considerablemente. Incluso entonces, e incluso con el precio por cantidad directo del fabricante, todavía está hablando de $ 1500.

Entonces es factible, y no del todo loco. Si es rentable o no depende en gran medida de cuánto cuesta la batería y con qué frecuencia debe reemplazarla durante la vida útil de su banco de capitalización.

En cuanto a cómo cargarías el ultracap, no creo que sea un problema. El voltaje terminal en esa capacitancia a una carga de 3500 W después de un segundo es de aproximadamente 10.2 V, por lo que estamos hablando de una carga de 11.5 kJ perdida en las tapas. (¡Así que estamos entregando 3.5 kJ a la carga y 8 kJ perdidos en ESR!) Eso se puede cargar de un enchufe de pared en solo unos segundos. Si desea una segunda oportunidad y tiene una toma de corriente en cualquier lugar cercano, debería estar bien. Y no está cerca del límite de voltaje de los condensadores, lo que significa que su cargador no necesita ser particularmente inteligente, como debería ser un cargador de Li.

Editar: Me encontré con esta pregunta nuevamente y volví a clasificar los números en función de las herramientas más nuevas, los precios y las piezas disponibles. La solución más rentable ahora parece ser cinco de estos en paralelo, con un costo de aproximadamente $ 600. Y eso sigue suponiendo valores de EOL en las mayúsculas. Para nominal, solo necesitarías tres en paralelo. ¡Gran mejora en los últimos dos años! ¡En realidad podría pagarse solo!