Wie praktisch wäre ein Auto-Booster mit Superkondensatoren?

Ich begann diese Antwort mit der Erwartung, dass die Antwort "keine Chance" sein würde, aber ein kurzer Blick auf die technischen Daten und Preise legt nahe, dass Sie etwas tun könnten, das in gewissem Maße interessant und möglicherweise nützlich war, aber bisher wirklich unpraktisch und sicherlich nicht kosteneffektiv ist und ist Es ist unwahrscheinlich, dass es für einige Zyklen des Mooreschen Gesetzes noch kosteneffektiv ist.

Angenommen, das Starten erfordert 500 A bei 12 V für 1 Sekunde.
Das ist in vielen Fällen viel zu hoch – aber längere bis viel längere niedrigere Ströme sind üblich, besonders an einem sehr kalten Morgen.
Annahmen anpassen.

Energie in einem Kondensator
$= \frac{1}{2}CV^2$
$= 0.5 \cdot 1 \cdot 144$
für 1 Farad bei 12 Volt = Sagen wir 70 Watt Sekunden pro Farad.

Auto starten =$12V \cdot 500A \cdot 1$Sekunde wie oben
= 6000 Watt Sekunden.

Also Kapazität erforderlich, um diese Energie bei 12 V = zu liefern
$\frac{6000}{70} =~ 100 F$.

Die meisten Supercaps sind aus technischen Gründen für 2,5 V bis 3,3 V ausgelegt.

Sie können Module wie dieses 42-V-100-F-Gerät mit den Maßen 550 x 270 x 110 mm und einem Gewicht von 13 kg einbauen. Die Note es speichert 88200 Joule, also ist 88200/6000 ~= 15 Mal so groß in der Kapazität, dass die Einzelstartlösung oben.

Um eine 12V-Kappe aus 3v3-Kappen zu bauen, sind 4 in Reihe und von 2V5 = 5 in Reihe erforderlich. Das Platzieren von Kondensatoren in Reihe reduziert die Kapazität umgekehrt proportional zur Menge, sodass wir 400 F mit 3v3-Kondensatoren und 500F mit 2V5-Kondensatoren benötigen würden.

Da Murphy aktiv ist, wäre es ratsam, sagen wir 1000F x 12V = 5 x 200F bei 2V5 zu verwenden.

An dieser Stelle wird es interessant, da wir feststellen, dass zB Digikey Ihnen Supercaps in diesem Bereich verkaufen wird.

Die Kosten betragen ungefähr 10 Cent pro Farad, also kostet ein 200F ~~= 20 $ und 4 $ 80. Sagen Sie 1000 Dollar.

Ein Blick auf die Spezifikationen zeigt, dass wir noch nicht so weit sind.
Kein maximaler Entladestrom angegeben, aber Innenwiderstand von etwa 10 Milliohm. Das sind vielleicht 200+ Ampere bei Kurzschluss. Geladen für maximale Leistungsübertragung bei Rload = Rintern = 10 Milliohm, sagen wir, das sind 100 + A.
Das ist nicht wirklich grunty genug für das Starten des Autos, und wir haben uns noch nicht mit Spannungsabfall befasst, um Energie zu extrahieren usw.

Beachten Sie das bei$\frac{V}{2}$eine Kappe hat 75 % ihrer Energie aufgebraucht.
Wenn eine Kappe doppelt so viel Energie enthält wie erforderlich, dann liefert das Ablassen auf 70 % die Hälfte der internen Energie, während die andere Hälfte für das nächste Mal gespeichert wird.

Ziemlich klar, eine „Batterie“, die für einen Start gut ist, ist normalerweise nicht nützlich. Es werden viel größere Kappen mit größerer Ladung benötigt. Und selbst dann wird man an die Energiekapazität einer Batterie nicht heranreichen können.

Also - noch nicht praktikabel - aber langsam auf dem Weg dorthin. Vielleicht 10 Jahre (etwa 7 Zyklen des Mooreschen Gesetzes)

470 - 3300 Farad x 2,5 V Zellen.

Leckage:

Die Leckage der oben genannten beträgt 0,5 ° C mA - für eine 200-F-Kappe sind dies also 100 mA Leckage. Ein Farad liefert das für 10 Sekunden und lässt ein Volt fallen.

Eine 200F-Kappe wird also dauern$2 \cdot 200F = 400$Sekunden um ein Volt abzufallen. Braucht Arbeit! Einige werden viel besser sein.

Batterien haben bis zu einem gewissen Punkt eine relativ flache Spannungskurve über dem Laden. Kondensatoren haben eine lineare Kurve der Spannung über der Ladung.

Bei Batterien können Sie das Booster-Batteriepaket einfach so einrichten, dass die Spannung über einen weiten Bereich des Ladeprozentsatzes Ihren Anforderungen entspricht.

Bei Kondensatoren ist dies keine Option, da sich die Spannung bei Gebrauch schnell ändern würde. Um es überhaupt zu nutzen, bräuchte man etwas Leistungselektronik, um die richtige Spannung zu liefern.

Außerdem ist die spezifische Energie (gespeicherte Energie pro Gewicht) von Supercaps derzeit noch geringer als die von Batterien. Dies könnte sich innerhalb weniger Jahre ändern.

Derzeit liefern Supercaps also weniger Energie und benötigen zusätzliche Leistungselektronik, was ihre Verwendung als Stromquelle ineffizient macht.

Sehr interessante Diskussion; Ich schätze die gründlichen und detaillierten Berechnungen. Auch wenn die aktuelle Technologie darauf hinzudeuten scheint, dass dies keine praktische Anwendung ist, habe ich einen Tüftler gefunden, der Erfolg gehabt zu haben scheint: http://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w Hier ist ein kommerzielles Produkt, das für die Installation entwickelt wurde auf 18-Rädern, um die Startleistung sicherzustellen; Bei diesem Design wird eine der vier LKW-Batterien gegen das Ultrakondensator-Motorstartmodul ausgetauscht, jedoch mit eigener Verkabelung: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module

Vielleicht können diese Ultrakondensator-Arrays mit sorgfältigen Designüberlegungen in einigen Situationen nützlich sein.

Als Teil meiner Arbeit habe ich einige Tools, die Kondensatorbänke für eine bestimmte Startspannung, Endspannung, Lastleistung und Zeit vergleichen. Berücksichtigt auch ESR- und EOL-Werte. Meine Datenbank enthält natürlich nicht alle existierenden Ultracaps, aber eine Reihe der wahrscheinlichsten Verdächtigen.

Nehmen wir also an, die Batterie, die Sie normalerweise verwenden würden, würde bei 13,2 V unbelastet beginnen und auf 7 V abfallen, wenn sie auf 500 A geladen wird. Wir können unsere Leistung aus der Low-End-Spannung berechnen, da die eindeutig ausreicht, um das Auto zu starten. Um 3500 W für eine Sekunde aus einem Ultracap zu ziehen und trotzdem in diesem Spannungsbereich zu bleiben, wäre die beste Kombination, die ich sehe, zwei davon parallel. Sie sprechen also von > 3.000 US-Dollar an Ultracaps, um eine ~ 100-Dollar-Batterie zu ersetzen. Sie könnten mit einem Ultracap-Modul anstelle von zwei davonkommen, insbesondere wenn Sie keine End-of-Life-Werte verwenden, aber Sie hätten viel weniger Overhead und Ihre ESR-Verluste würden erheblich steigen. Selbst dann und sogar mit Mengenpreisen direkt vom Hersteller sprechen Sie immer noch von 1500 US-Dollar.

Es ist also machbar und nicht ganz verrückt. Ob es wirtschaftlich ist oder nicht, hängt weitgehend davon ab, wie viel Ihre Batterie kostet und wie oft Sie sie während der Lebensdauer Ihrer Kappenbank ersetzen müssen.

In Bezug darauf, wie Sie den Ultracap selbst aufladen würden, denke ich nicht, dass dies ein Problem ist. Die Klemmenspannung an dieser Kapazität bei 3500 W Last nach einer Sekunde beträgt etwa 10,2 V, wir sprechen also von 11,5 kJ Ladung, die in den Kappen verloren gehen. (Wir liefern also 3,5 kJ an die Last und 8 kJ gehen an ESR verloren!) Das kann in wenigen Sekunden an einer Steckdose aufgeladen werden. Wenn Sie eine zweite Aufnahme wünschen und irgendwo in der Nähe eine Steckdose haben, sollte es Ihnen gut gehen. Und Sie sind bei weitem nicht an der Spannungsgrenze der Kondensatoren, was bedeutet, dass Ihr Ladegerät nicht besonders intelligent sein muss, wie es ein Li-Ladegerät sein müsste.

Bearbeiten: Ich bin erneut auf diese Frage gestoßen und habe die Zahlen basierend auf neueren Werkzeugen, Preisen und verfügbaren Teilen neu berechnet. Die kosteneffektivste Lösung scheint jetzt fünf davon parallel zu sein, mit Kosten von etwa 600 US-Dollar. Und das setzt immer noch EOL-Werte auf den Kappen voraus. Für nominal würden Sie nur drei parallel benötigen. Enorme Verbesserung in den letzten zwei Jahren! Es könnte sich sogar bezahlt machen!