超级电容器作为汽车电池

电器工程 电池 超级电容器
2022-01-27 12:17:41

我在 YouTube 上看过超级电容器替换汽车电池的视频。这实用吗?如果是这样,为什么没有在汽车市场上提供它们?

https://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w

他使用的超级电容器类型有以下数据表:

http://www.nooelec.com/files/2600f.pdf

请注意,它包含 8,125 焦耳的储存能量。

然后,如果您访问http://www.rapidtables.com/calc/electric/Joule_to_Watt_Calculator.htm 并在框中输入 8125 并假设启动 5 秒(实际上它会在 1 秒内启动)。然后你得到 1,625 瓦。请记住 1 HP = 750 瓦,因此您的启动功率刚刚超过 2 HP。请记住,他正在使用其中的六个。6 x 8125= 48,750 J. @ 16.2V。
(启动 2 秒,即有超过 24,000 瓦(32 HP)的即时功率)足以轻松启动您的汽车。也没有电池。

一个好的汽车电池将有 700 CCA。@ 14V = 9800 瓦(13 马力)。很不一样。(平均起动器为 1.9 至 2 HP)

在这里,随着时间的推移,我将发布更多视频来支持我的主张:

https://www.youtube.com/watch?v=EoWMF3VkI6U

http://www.extremetech.com/computing/183839-new-supercapacitor-technology-could-store-conduct-power-on-the-same-copper-wires

http://scitechdaily.com/graphene-based-supercapacitors-may-significantly-boost-power-electric-vehicles/

http://phys.org/news/2015-09-micro-supercapacitor-unmatched-energy-storage.html

https://www.tecategroup.com/ultracapacitors-supercapacitors/industry_news.php

http://www.skeletontech.com/news/skeleton-technologies-launches-markets-highest-energy-density-ultracapacitor/

https://www.youtube.com/watch?v=ZgozrScGN8U

底线是,如果你有足够的法拉,你就有能量密度。

这真的一劳永逸地解决了这个问题......

https://www.youtube.com/watch?v=JAT_8H23iGI

4个回答

这是不切实际的。我不知道人们为什么这样做,没有任何好处。这相当于滥用有用的东西。简而言之,这些视频是由不知道自己在做什么的人制作的,他们正在滥用超级电容器进行奇怪而毫无意义的应用,他们既不适合也不实用。而且它们在汽车市场上提供,而不是作为电池替代品,出于同样的原因,在汽车市场上提供前照灯,而不是作为汽车音响替代品。因为那没有任何意义。

超级电容器存在的唯一原因是功率密度。它们具有可怕的能量密度,而这种可怕的能量密度要付出很多倍的代价。电池的全部意义在于大容量能量存储。使用超级电容器来做他们最不擅长的事情,而不是使用便宜、容易获得且经过 100 多年验证的事情……我可以用“愚蠢”来形容最友善但太弱的词。

这些视频是存在的,但仅仅因为有它的视频并不能使它成为一个好主意。它不是。

一个好主意使用超级电容器,因为它们存在的原因,不出所料,这正是它们在汽车应用中的使用方式。电池具有很高的能量密度,但与超级电容器(或任何电容器)相比,电池的功率密度甚至不相近。除此之外,强制电池提供大量电力对它来说很困难,并且会缩短其长期寿命,而且电池耗尽的速度越快,其表观能量容量就越低。如果以 10 小时的速度与 1 小时的速度相比,电池将持续更长时间。意思是,以 10 小时内放电的速度,而不是 1 小时。更高的功率意味着更高的放电率。

这种功率密度弱点是双向的:电池不善于提供巨大的能量峰值,也不善于接受它们。他们喜欢美好而稳定的事物。这就是超级电容器的用武之地。它们的能量密度很差,但功率密度很大。99% 的情况下,汽车应用中所需的大功率尖峰也是短暂的——比如制动、突然加速、启动电机的浪涌电流等等。使用超级电容器的唯一合理(和预期)方式是除了电池之外,从不更换电池。它们完美地互补。电池负责存储大量能量,而电容器在需要时以高功率提供能量。它们允许诸如从再生断裂中捕获几乎所有能量之类的事情,因为所有这些能量都可以简单地直接倒入它们中,并且它们会像冠军一样处理它。然后可以以电池可以处理的受控速率将其虹吸回电池。

超级电容器甚至可以让极其微弱的电池在极冷的情况下启动汽车,因为电池可以减轻电力需求。但是,那个弱电池将继续工作,并且仍然缓慢但肯定地为电容器充电,并且在那些视频制造商的汽车将在水中死去之后很长时间保持充电状态。

长话短说,它们被用于汽车行业,而这些视频中的人们只是在花钱让他们的汽车在许多重要方面变得低劣,以一种有害的方式滥用超级电容器。它们不是电池的替代品,因为电池可以储存大量能量,而电容器则不能。然而,串联使用,它们是一个非常好的匹配,并在另一个薄弱的领域弥补了不足。

这种比较是公斤对公斤。

超级电容器的缺点

  • 能量密度比电池低。
  • 更高的自放电率。随着时间的推移失去电荷。

超级电容器的优点

  • 可以比电池更快地接收充电。
  • 可以输出比电池更大的电流。

超级电容器作为电源比电池好,但在储存能量方面比电池差在汽车中,有时会在 KERS(动能回​​收系统)中发现超级电容器,当汽车减速时,它们会吸收大量电力,然后几秒钟后将这些电力重新送回电机。但在目前的技术状态下,超级电容器不能作为储气罐的实际替代品。

首先,如果您能发布一个指向您正在谈论的视频的链接,那就太好了,这样我们就可以自己查看它,而不必猜测您在说什么。

其次,答案是否定的。以目前的技术水平,这是不可能的。从“能量密度”的简单谷歌搜索开始,你会发现很好的旧维基百科看看这个,你会发现汽油的比能量约为 44 MJ/kg,超级电容器的比能量约为 0.04 MJ/kg。这表明相同重量的汽油将提供 1000 倍于超级电容器的能量。这大约是 3 倍的误导,因为汽油需要在内燃机中燃烧,而实际的 IC 发动机的效率只有 30% 左右。尽管如此,这给汽油带来了大约 250 或 300 的优势。换句话说,一辆与 25 加仑油箱重量相同的电动汽车相当于一个 1 品脱油箱。

所以不,这不实用。例如,它可以用作通过再生制动回收能量的临时存储缓冲器,但这还远远不够。

编辑 - 通过视频和数据表的链接,我可以更全面地回应。

首先,我承认我的回答更适合讨论电动汽车,所以我会努力更好地关注起动机和其他问题。

这个视频是一个相当经典的例子,一个人发现了一个看起来很巧妙的想法,但他还没有克服第一次的热情,我将从开端问题开始,只是为了解决这个问题方式。这在他关于太阳能充电的评论中最为明显。让我们计算一些数字。首先做一个方便的假设:一个充满电的超级电容器阵列将被充电至 15 伏,放电停止在 7.5 伏。对于充电的超级电容器,能量为 8 kJ,半电压下传递的能量为 3/4,即 6 kJ。使用 6 个超级电容,总传递能量约为 36 kJ。用 13 瓦太阳能电池板为超级电容器充电显然需要 $$ t = \frac{36000}{13} =2769\text{ seconds} = 46\text{ minutes} $$ 这并不完全是“几分钟” . 实际上,在标称每天充电 6 小时的情况下,太阳能系统可以支持大约 16 个充电周期。鉴于视频中完成的内容,这表明可以完成非常少量的有用工作。但 13 瓦的太阳能电池板暗示了这一点,所以它不应该有什么大的惊喜。

现在,开始。考虑一个由 6 个电容组成的超级电容阵列,每个电容为 2600 F。有效电容约为 $$C =\frac{2600}{6} = 433\text{ F} $$ 另请注意,数据表列出的最大电流为 600安培。因此,在开始时,超级电容器的电量低于 700 CCA 电池在 30 秒后的电量。更糟糕的是,假设电流恒定(这并不完全合理,但它简化了算法)超级电容器两端的电压将下降 $$\frac{dV}{dt} = \frac {i}{C} = \frac{ 600}{433} = 1.4 \text{ volt/sec} $$,例如,超级电容电压将在 5 秒后下降 7 伏,或接近 50%。由于 CCA 被定义为在 1.2 伏的电池电压(12 伏电池为 7.2 伏)下可以支持 30 秒的电流,因此超级电容器将在 5 或 6 秒后耗尽蒸汽,

这并不完全正确,因为启动电机实际上并没有消耗 600 安培的电流。相反,100 安培是一个更合理的数字。在这些情况下,超级电容器每秒将损失大约 1/4 伏特。这是一个问题吗?我注意到 OP 的当前编辑表明启动器只需要提供大约 1 秒的电源。这表明海报生活在温暖的气候中,从不驾驶不易启动的旧车。对于这样的人来说,超级电容会做得很好。对于其他人来说,没有那么多。

还有其他因素。与超级电容器相比,传统电池可以提供多长时间的启动功率?超级电容的可用数字已经确定:36 kJ。那么铅酸电池呢?请注意,视频称重了一块电池,重量为 30 磅(66 千克)。链接的超级电容器数据表给出的超级电容器能量密度(实际上是比能量)为 1-10 W-hr/kg,电池能量密度为 10-100 W-hr/kg。所示超级电容器的比能量为 4.3,因此我们假设汽车电池的比能量为 40。实际上,维基百科说是 33 到 43,所以让我们选择 35。然后,视频中所示尺寸的新铅酸电池将包含大约 $$SE = 35\text{ W-hr/kg}\times{66} \text{ kg}= 2310\text{ W-hr} = 8.3\text{ MJ} $$ 与超级电容器不同的是,电池具有非线性电压与可用能量曲线,随着电池达到峰值电压有一个较长的平稳期,随后电压急剧下降释放。作为一个方便的数字,假设电压高于标称值的 50% 时可找到 90% 的可用能量。这实际上是保守的。这提供了大约 7.5 MJ 的可用能量,是 208 倍。

汽车电池(在传统的汽油/柴油汽车中,我将在这里忽略混合动力汽车和电动汽车)用于启动汽车并为发动机关闭时使用的各种负载提供动力。

电容器的充电/放电往往比电池更有效,并且没有真正的问题,即多次循环会磨损,但它们的能量密度要低得多。因此,一个小型超级电容器组可以成功启动汽车(如这些视频所示),但如果您在发动机停止的情况下打开任何显着负载,它也会快速放电。在问题中链接的视频中,您会看到当他打开大灯时电压迅速下降。

如果您必须在晚上进行路边维修,那将是一个主要的 PITA。