目前,汽车增压器(一种便携式装置,由插座充电,然后在汽车电池没电时连接到汽车电气系统以启动汽车)通常使用电池 - 铅酸、锂离子或磷酸铁锂。几年后,助推器中的电池会磨损。
使用一组更耐用的超级电容器代替升压器中的电池是否可行?
目前,汽车增压器(一种便携式装置,由插座充电,然后在汽车电池没电时连接到汽车电气系统以启动汽车)通常使用电池 - 铅酸、锂离子或磷酸铁锂。几年后,助推器中的电池会磨损。
使用一组更耐用的超级电容器代替升压器中的电池是否可行?
我开始这个回复,期望答案是“没有机会”,但快速浏览一下规格和价格表明你可以做一些有趣且在某种程度上可能有用的事情,但它确实不切实际,而且到目前为止肯定不划算,并且是对于摩尔定律的几个周期来说,不太可能具有成本效益。
假设启动需要 12v 下 500 A 持续 1 秒。
在许多情况下,这太高了——但较低的电流持续更长的时间很常见,尤其是在一个非常寒冷的早晨。
调整假设以适应。
电容器中的能量
\$ = \frac{1}{2}CV^2 \$
\$ = 0.5 \cdot 1 \cdot 144 \$
12 伏时 1 法拉 = 说每法拉 70 瓦秒。
汽车启动 = \$ 12V \cdot 500A \cdot 1 \$秒如上
= 6000 瓦秒。
因此,在 12V =
\$ \frac{6000}{70} =~ 100 F\$时提供这种能量所需的电容。
由于技术原因,大多数超级电容器的额定电压为 2.5V 至 3.3V。
您可以使用这种 42V 100F 单元的模块,该单元的尺寸为 550 x 270 x 110 毫米,重 13 公斤。它存储 88200 焦耳的说明是 88200/6000 ~= 容量是上述单启动解决方案的 15 倍。
要从 3v3 电容构建 12V 电容,需要 4 个串联,2V5 = 5 个串联。串联电容器会减少与数量成反比的电容,因此我们需要 400F 与 3v3 电容器和 500F 与 2V5 电容器。
墨菲处于活跃状态,在 2V5 时使用 1000F x 12v = 5 x 200F 是明智的。
在这个阶段它变得很有趣,因为我们发现例如 Digikey 将在这个范围内向您出售超级电容。
每法拉的成本大约为 10 美分,因此 200F ~~= 20 美元和 4 美元的成本为 80 美元。说1000美元。
查看规格表明我们还没有到达那里。
没有指定最大放电电流,但内部电阻约为 10 毫欧。短路时可能为 200+ 安培。在 Rload = Rinternal = 10 毫欧时加载最大功率传输,即 100+A。
这对于汽车启动来说还不够格调,而且我们还没有研究过电压下降来提取能量等。
请注意,在\$ \frac{V}{2} \$处,一个上限已经耗尽了 75% 的能量。
如果一个上限是所需能量的两倍,那么将其排空到 70% 将提供一半的内部能量,另一半存储下一次”
很明显,一开始就很好的“电池”通常没有用处。需要更大的费用和更大的上限。即便如此,也不可能接近电池的能量容量。
所以 - 还不实用 - 但慢慢地走向那里。可能 10 年(大约 7 个摩尔定律周期)
470 - 3300 法拉 x 2.5 V 电池。
泄漏:
上述泄漏为 0.5C mA - 所以对于 200 F 的电容,泄漏电流为 100 mA。法拉将提供 10 秒并下降一伏。
所以 200F 的上限将需要\$ 2 \cdot 200F = 400 \$秒才能下降一伏。需要工作!有些会比这好得多。
电池具有相对平坦的过充电电压曲线,直至某一点。电容器具有过充电电压的线性曲线。
使用电池,您只需设置增压电池组,使其电压在很宽的充电百分比范围内都能满足您的需求。
对于电容器,这不是一种选择,因为电压会随着使用而迅速变化。要完全使用它,您需要一些电力电子设备来提供正确的电压。
此外,目前超级电容器的比能量(每重量存储的能量)仍然低于电池提供的能量。这可能会在几年内改变。
因此,目前,超级电容器提供的能量更少,并且需要额外的电力电子设备,这使得它们作为电源的使用效率低下。
非常有趣的讨论;我很欣赏彻底和详细的计算。尽管目前的技术似乎表明这不是一个实际的应用程序,但我找到了一个似乎已经成功的修补匠: http ://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w 这是一个为安装而设计的商业产品在 18 轮车上确保启动功率;在这个设计中,四个卡车电池之一与超级电容器发动机启动模块交换,但在它自己的接线上:http: //www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module
也许经过仔细的设计考虑,这些超级电容器阵列在某些情况下可能很有用。
作为我工作的一部分,我有一些工具可以比较给定起始电压、结束电压、负载功率和时间的电容器组。也考虑了 ESR 和 EOL 值。当然,我的数据库并不包含所有的超级电容,但它有一些最有可能的嫌疑犯。
因此,假设您通常使用的电池在空载时开始为 13.2V,当加载到 500A 时降至 7V。我们可以从低端电压计算我们的功率,因为这显然足以启动汽车。要从超级电容器中拉出 3500W 的功率一秒钟并仍保持在该电压范围内,我认为最好的组合是其中两个并联。所以你说的是用超过 3000 美元的超级电容来更换大约 100 美元的电池。您可能会使用一个超级电容模块而不是两个,特别是如果您不使用报废值,但您的开销会少得多,并且您的 ESR 损失会大大增加。即便如此,即使采用直接来自制造商的数量定价,您仍然在谈论 1500 美元。
所以这是可行的,并不完全是疯狂的。它是否具有成本效益在很大程度上取决于您的电池成本是多少,以及您需要在电池组的生命周期内多久更换一次。
关于如何为超级电容本身充电,我认为这不是问题。一秒钟后,在 3500W 负载下,该电容上的端电压约为 10.2V,因此我们说的是电容中损失了 11.5 kJ 的电荷。(所以我们向负载输送了 3.5 kJ,而 ESR 中损失了 8 kJ!)只需几秒钟就可以从墙上的插座中充电。如果您想要第二次拍摄,并且附近的任何地方都有墙上插座,那应该没问题。而且你离电容器的电压极限还很远,这意味着你的充电器不需要像锂充电器那样特别聪明。
编辑:我再次遇到了这个问题,并根据更新的工具、定价和可用部件重新计算了这些数字。现在最具成本效益的解决方案似乎是其中五个并行,成本大约为 600 美元。这仍然是假设上限的 EOL 值。对于名义上的,你只需要三个并联。这两年进步很大!它实际上可能会为自己付出代价!