Wie praktisch wäre ein Auto-Booster mit Superkondensatoren?

Derzeit verwenden Auto-Booster (eine tragbare Einheit, die über eine Steckdose aufgeladen und dann an das Bordnetz angeschlossen wird, um ein Auto zu starten, wenn die Autobatterie leer ist) normalerweise Batterien - Blei-Säure, Li-Ion oder LiFePO4. Über mehrere Jahre wird sich eine Batterie im Booster abnutzen.

Wäre es praktisch, eine Reihe von Superkondensatoren zu verwenden, die langlebiger sind als eine Batterie in einem Booster?

Ich habe mit dieser Antwort begonnen und erwartet, dass die Antwort "keine Chance" ist, aber ein kurzer Blick auf Spezifikationen und Preise legt nahe, dass Sie etwas tun könnten, das in gewissem Maße interessant und möglicherweise nützlich ist, das aber bisher wirklich unpraktisch und sicherlich kostengünstig ist und unwahrscheinlich ist für ein paar Zyklen von Moores Gesetz noch kostengünstig zu sein.

Angenommen, das Starten erfordert 1 Sekunde lang 500 A bei 12 V.
Das ist in vielen Fällen viel zu hoch - aber niedrigere Ströme für länger bis viel länger sind häufig, besonders an einem sehr kalten Morgen.
Passen Sie die Annahmen an.

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

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

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

Die meisten Superkappen haben aus technischen Gründen eine Nennspannung von 2,5 V bis 3,3 V.

Sie können Module wie dieses 42V 100F-Gerät mit den Abmessungen 550 x 270 x 110 mm und einem Gewicht von 13 kg verwenden. Der Hinweis, in dem 88200 Joule gespeichert ist, ist 88200/6000 ~ = 15-mal so groß wie die oben beschriebene Einzelstartlösung.

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

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

In diesem Stadium wird es interessant, da wir feststellen, dass Digikey Ihnen beispielsweise Supercaps in diesem Bereich verkauft.

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

Ein Blick auf die technischen Daten zeigt, dass wir noch nicht da sind.
Kein maximaler Entladestrom angegeben, aber Innenwiderstand von ca. 10 Milliohm. Das sind vielleicht mehr als 200 Ampere bei Kurzschluss. Geladen für maximale Leistungsübertragung bei Rload = Rinternal = 10 Milliohm, sagen wir, das sind 100 + A.
Das ist nicht wirklich grunzig genug für das Starten eines Autos, und wir haben uns noch nicht mit Spannungsabfall befasst, um Energie usw. zu extrahieren.

Beachten Sie, dass bei eine Kappe 75% ihrer Energie verbraucht hat. Wenn eine Kappe doppelt so hoch ist wie der benötigte Energiegehalt, liefert die Entleerung auf 70% die Hälfte der internen Energie, während die andere Hälfte für das nächste Mal gespeichert wird. "$\frac{V}{2}$

Ziemlich klar, eine "Batterie", die für einen Start gut ist, ist normalerweise nicht nützlich. Es werden viel größere Kappen bei größerer Ladung benötigt. Und selbst dann wird es nicht möglich sein, sich der Energiekapazität einer Batterie zu nähern.

Also - noch nicht praktisch - aber langsam dorthin. Vielleicht 10 Jahre (ungefähr 7 Moores Gesetzzyklen)

470 - 3300 Farad x 2,5 V-Zellen.

Leckage:

Die oben genannte Leckage beträgt 0,5 ° C - bei einer 200-F-Kappe also 100 mA Leckage. Ein Farad liefert das für 10 Sekunden und lässt ein Volt fallen.

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

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

Mit Batterien können Sie den Booster-Akku einfach so einrichten, dass die Spannung über einen weiten Bereich von Ladeprozentsätzen Ihren Anforderungen entspricht.

Bei Kondensatoren ist dies keine Option, da sich die Spannung bei Verwendung schnell ändern würde. Um es überhaupt zu benutzen, benötigen Sie eine Leistungselektronik, um die richtige Spannung zu liefern.

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

Im Moment liefern Supercaps weniger Energie und benötigen zusätzliche Leistungselektronik, wodurch ihre Verwendung als Stromquelle ineffizient wird.

Sehr interessante Diskussion; Ich schätze die gründlichen und detaillierten Berechnungen. Obwohl die aktuelle Technologie darauf hinzudeuten scheint, dass dies keine praktische Anwendung ist, habe ich einen Bastler gefunden, der anscheinend Erfolg hatte: http://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w Hier ist ein kommerzielles Produkt, das für die Installation entwickelt wurde auf 18-Rädern, um die Startkraft zu gewährleisten; In diesem Design wird eine der vier LKW-Batterien gegen das Ultrakondensator-Motorstartmodul ausgetauscht, jedoch über eine eigene Verkabelung: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module

Vielleicht können diese Ultrakondensator-Arrays bei sorgfältigen Entwurfsüberlegungen in einigen Situationen nützlich sein.

Im Rahmen meiner Arbeit habe ich einige Tools, die Kondensatorbänke für eine bestimmte Startspannung, Endspannung, Lastleistung und Zeit vergleichen. Berücksichtigt auch ESR- und EOL-Werte. In meiner Datenbank gibt es natürlich nicht jede Ultracap, aber es gibt eine Reihe der wahrscheinlichsten Verdächtigen.

Nehmen wir also an, die Batterie, die Sie normalerweise verwenden würden, würde bei 13,2 V im unbeladenen Zustand beginnen und bei Belastung auf 500 A auf 7 V abfallen. Wir können unsere Leistung aus der unteren Spannung berechnen, da dies eindeutig ausreicht, um das Auto zu starten. Um eine Sekunde lang 3500 W aus einer Ultrakappe zu ziehen und trotzdem in diesem Spannungsbereich zu bleiben, wäre die beste Kombination, die ich sehe, zwei davon parallel. Sie sprechen also von Ultracaps im Wert von> 3.000 USD, um eine Batterie im Wert von ca. 100.000 USD zu ersetzen. Sie könnten mit einem Ultracap-Modul anstelle von zwei davonkommen, insbesondere wenn Sie keine End-of-Life-Werte verwenden, aber viel weniger Overhead haben und Ihre ESR-Verluste erheblich steigen würden. Selbst dann und selbst bei Mengenangaben direkt vom Hersteller sprechen Sie immer noch von 1500 US-Dollar.

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

In Bezug darauf, wie Sie die Ultracap selbst aufladen würden, denke ich nicht, dass dies ein Problem ist. Die Klemmenspannung an dieser Kapazität bei einer Last von 3500 W nach einer Sekunde beträgt ungefähr 10,2 V, es handelt sich also um einen Ladungsverlust von 11,5 kJ in den Kappen. (Wir liefern also 3,5 kJ an die Last und 8 kJ gehen in ESR verloren!) Das kann in wenigen Sekunden von einer Steckdose aufgeladen werden. Wenn Sie einen zweiten Schuss wünschen und irgendwo in der Nähe eine Steckdose haben, sollte es Ihnen gut gehen. Und Sie sind weit entfernt von 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 Tools, Preisen und verfügbaren Teilen erneut überprüft. Die kostengünstigste Lösung scheinen nun fünf davon parallel zu sein, mit Kosten von ungefähr 600 US-Dollar. Und das setzt immer noch EOL-Werte auf den Kappen voraus. Für nominal benötigen Sie nur drei parallel. Deutliche Verbesserung in den letzten zwei Jahren! Es könnte sich tatsächlich amortisieren!