Суперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле
Суперконденсатор или ионистор — это что-то нечто среднее между аккумулятором и обычным конденсатором. У него много плюсов, которыми не обладает аккумуляторная батарея. Поэтому, я познакомлю вас с полностью рабочим прототипом батареи для машины на ионисторах. С помощью него можно не просто завести двигатель пару раз, а вполне полноценно эксплуатировать автомобиль неограниченное время.
Понадобится
Этого хватит для первого опытного образца.
Первое испытание с запуском двигателя
Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.
Собрал все воедино.
Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.
Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.
После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.
В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.
В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.
Схема
Вот схема второго прототипа батареи.
Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой.
Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.
На все про все уходит 15 минут времени. Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.
А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.
Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.
Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.
Полностью рабочий экземпляр батареи на суперконденсаторах
Собрал всю схему в пластиковой коробке. Временно естественно, чисто покататься и испробовать новшество.
Вид устройства с верху.
Защитный контроллер.
Мощный токоограничивающий резистор.
Цифровой вольтметр виден через пластик.
Устанавливаем на автомобиль вместо штатной батареи.
Включаем зажигание и пробуем произвести пуск двигателя.
Мотор запустился быстро, без каких либо проблем.
Производится зарядка ионисторов и аккумуляторной батареи, о чем свидетельствуют показания вольтметра.
Заключение
Теперь поподробнее о достоинствах и недостатка:
Плюсы:
- В отличии от аккумулятора суперконденсаторы надежнее справляются с пиковым пусковым током.
Пуск получается надежнее. - Низкое напряжение вполне является рабочим.
- Имеет низкий вес, от чего всю коробку можно запросто таскать домой на всякий случай.
- Для пуска можно произвести зарядку даже от батареек и спокойно ехать в путь.
Пуск получается надежнее.Минусы:
- Большой саморазряд. Передвигаться конечно можно, но если необходимо на короткий срок включить габариты или аварийную сигнализацию — мало на что хватит энергии, при заглушенном двигателе естественно.
Ну это то что пришло в голову. Теперь о стоимости. На Али Экспресс супер конденсаторы стоят не так уж и дорого. И если посчитать их 6 и балансную защиту, то выйдет дешевле чем кислотный аккумулятор.
На этом у меня все. Надеюсь мой эксперимент был для вас познавательным и интересным. Удачи всем!
Смотрите видео
Статья
Как подобрать пусковые конденсаторы для запуска электродвигателя
Включение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть возможно только через фазосдвигающие конденсаторы. При этом необходимо использовать пусковой конденсатор, служащий только для запуска мотора, и рабочий конденсатор.
Определив емкость рабочего конденсатора, можно выбрать пусковой конденсатор. Его емкость должна быть больше в 2-3 раза. При этом значение емкости пускового конденсатора (Сп) необходимо выбирать тем больше, чем более высокое механическое сопротивление приходится преодолевать двигателю при запуске.
Другими словами, это значение будет зависеть от рабочей нагрузки на двигатель.
Для упрощения выбора можно принять ориентировочные значения емкости рабочего и пускового конденсатора в зависимости от емкости двигателя:
для P = 0,4 кВт Ср = 40 мкФ, Сп = 80 мкФ;
для P = 1,1 кВт Ср = 100 мкФ, Сп = 200 мкФ;
для P = 1,5 кВт Ср = 150 мкФ, Сп = 250 мкФ;
для P = 2,2 кВт Ср =230 мкФ, Сп = 300 мкФ.
При этом необходимо учесть, что в данной таблице приводится минимальное значение емкости пускового конденсатора. Также важно учесть, что номинальное напряжение фазосдвигающих конденсаторов должно превосходить напряжение сети не менее чем в 1,5 раза. То есть, для сети 220 вольт номинальное напряжение конденсаторов должно быть не менее 500 вольт.
При необходимости использования блока конденсаторов они соединяются между собой параллельно. Подсоединение конденсаторов к двигателю осуществляется по соответствующей схеме (для соединения «звезда» и «треугольник»). Обозначения на схеме:
• Сп и Ср – пусковой и рабочий конденсаторы,
• П – тумблер для включения пускового конденсатора,
• Р – переключатель направления вращения ротора.
Подключение супер конденсатора к аккумулятору автомобиля. Суперконденсаторы — альтернатива аккумуляторам в беспроводной периферии. Использование двойного электрического слоя
Как только человек придумал самодвижущуюся тележку на паровом двигателе (1768г.), а позже (1886) усовершенствовал мотор до ДВС – у водителя появилась задача не только направлять лошадиные силы в нужную сторону, но и запускать их в работу.
Проблема пуска двигателя в разные времена решалась по-разному. Для парового мотора достаточно было развести огонь под котлом, бензиновые двигатели требовали мышечной силы или химического источника тока.
С появлением аккумуляторов возникла необходимость обслуживания и контроля заряда стартерных батарей, особенно в зимний период.
Часто, в помощь штатному АКБ, автовладельцу приходилось использовать внешний источник тока: сетевое пусковое устройство, запасной свинцово-кислотный АКБ, или новинку последних лет компактные пусковые устройства на базе Литий-Полимеров.
Главная проблема химических источников тока – саморазряд и старение. Срок службы классического свинцово-кислотного аккумулятора со свободным электролитом составляет около 3х лет. Гелевые и AGM аккумуляторы «живут» дольше, однако и они не вечны. Даже если АКБ бездействует – в нём происходят химические процессы, которые приводят к постепенной потере ёмкости батареи.
Это замечание верно и для пусковых устройств на основе аккумуляторов, например, средний срок службы Li-Po пускача составляет 3-5 лет, за это время токопроводный гель которым наполнены аккумуляторы твердеет и постепенно теряет свои свойства. Инженеры- конструкторы давно ищут источник тока который мог бы заменить аккумуляторы и избавить автовладельцев от «слабых мест» АКБ.
Речь в данной статье пойдёт о конденсаторах. Точнее о супер-конденсаторах или ионисторах, способных отдавать огромные токи и обладающих рядом преимуществ в сравнении с аккумуляторами. Как заменить
Главное отличие данного аппарата от аккумуляторных аналогов – вечный срок службы ! Если говорить о пусковых устройствах на базе Литий-полимерных или Свинцово-кислотных батарей, то продолжительность их работы ограничена одной-тремя тысячами циклов заряд/разряд. Конденсаторные пускачи обеспечивают до миллиона циклов. Для того, чтобы представить масштаб предположим, что Вы используете ATOM 1750 дважды в день в течение календарного года. Ресурса прибора при такой интенсивности работы хватит (1.000.000: (365х2))= 1млн.
: 730= 1369 лет .
Вторая особенность
– неприхотливость ионисторов. Для хранения конденсаторных пусковых устройств не нужны особые условия: вы можете положить аппарат в бардачок или под сиденье авто, и вспомнить о нём, только когда аккумулятору машины понадобится помощь. Аппарат – идеальный вариант для забывчивых водителей. Если следить за уровнем заряда батареи нет ни времени ни желания – аппарат можно спокойно хранить в машине в самые лютые холода или в жару.Третий плюс – наличие встроенного литиевого аккумулятора. Запас энергии, который хранится в полностью заряженной Li-Ion батарее аппарата ёмкостью 6000mAh – сможет зарядить конденсаторы устройства для более чем 6 пусков подряд. Батарея не участвует в пуске, и предназначена только для зарядки конденсаторов. Вот здесь и кроется та самая ложка дёгтя: любой аккумулятор боится глубокого разряда. Если батарею на долгое время оставить без зарядки – АКБ , рано или поздно, выйдет из строя. Саморазряд, свойственный в той или иной мере любому аккумулятору добьёт разряженную батарею.
Высокие и низкие температуры хранения ускоряют процессы саморазряда и деградации АКБ . Температурный режим хранения встроенного аккумулятора рекомендованный производителем составляет от 0 до +25 С. Впрочем, даже если штатная батарея устройства выйдет из стоя конденсаторы АТОМ 1750 – запитанные от разряженного автомобильного АКБ всё равно смогут запустить двигатель машины.
Плюс номер четыре . Возможность зарядки ионисторов прибора от разряженной АКБ машины. Для пуска двигателя достаточно подключить крокодилы аппарата к клеммам «уставшего » АКБ и уже через 45-60 сек. – автомобиль будет готов к старту.
Более подробно про особенности АТОМ 1750 :
Аппарат представляет собой профессиональный джамп-стартер.
МОЩЬ
Сборка из пяти ионисторов ёмкостью 350F каждый, выдаёт пусковые токи до 350А , что говорит о широком диапазоне применения данного устройства.
Высокий стартовый ток АТОМ 1750 подкреплён стабильным напряжением, которое выдают конденсаторы. Аппарат обеспечивает заявленный ток на протяжении 3х секунд, что является одним из важнейших условий запуска двигателя.
МОБИЛЬНОСТЬ
Вес пускача составляет 1.3 кг. Для сравнения, схожий по возможностям свинцово-кислотный бустер весит более 6 кг (DRIVE 900 ), а разница в габаритах впечатляет ещё больше.
На боковых гранях АТОМ 1750 расположены:
На передней панели расположен:
Дисплей (1) для отображения рабочих параметров, кнопка «Boost» (2) для заряда ионисторов от встроенного аккумулятора, кнопки включения фонаря и питания устройства (3).
ЗАЩИТА
В качестве силовых кабелей на аппарате используются медные провода сечением 6мм2 , длинной 300 мм.
Интеллектуальный блок, не только защищает пусковое устройство от переполюсовки, короткого замыкания и обратных токов генератора, но и позволяет за несколько минут продиагностировать АКБ машины и вывести результаты проверки на табло.
АТОМ 1750 — подскажет владельцу, что аккумулятор машины нуждается в зарядке, либо, что АКБ – пора заменить на новый.
Если при подключении к аккумулятору машины на экране появляется надпись J UMP START READY – цепь работает в штатном режиме. Можно приступать к пуску двигателя.
Надпись «REVERSED » сообщает о неправильном подключении крокодилов.
Следует проверить полярность – красный зажим должен быть соединён с плюсовым контактом АКБ, чёрный с минусовым.
ЗАРЯДКА
Обратите внимание, при подключении АТОМ к источнику тока, сначала заряжаются ультраконденсаторы, затем, начинается зарядка встроенной батареи устройства.
Представим себе ситуацию, когда вокруг никого а запустить двигатель у штатного АКБ машины – не получается.
Первый способ запуска машины с помощьюАТОМ 175 – заключается в зарядке конденсаторов непосредственно от клемм разряженного АКБ автомобиля. После подключения аппарата дожидаемся появления надписи JUMP START READY и запускаем двигатель не снимая крокодилы с клемм. Время зарядки конденсаторов зависит от уровня разряда АКБ и составляет от 45 сек до 2.5мин.
Второй способ зарядки – через гнездо прикуривателя. Атом 1750 можно подключить к бортовой сети с помощью специального переходника из комплекта. Время зарядки около 2 минут.
Третий источник энергии – встроенная батарея прибора. После нажатия на кнопку Boost – аппарат использует энергию запасённую в Литиевом аккумуляторе. Время зарядки – 2-3мин .
Ну и последний вариант зарядки, если под рукой нет иных источников, — придётся искать розетку. С помощью блока питания от мобильной электроники (5V, 2А ) – конденсаторы можно зарядить и от сети.
Ещё один Важный момент. Заряжать Атом 1750 можно не только от собственного разряженного АКБ , но и от ЛЮБОГО автомобиля-донора (большая и маленькая машины – показать). В отличие от «прикуривания» — операция зарядки ионисторов АТОМ 1750 — абсолютно безопасна, и не требует соблюдения никаких условностей, кроме полярности подключения.
ПУСК АВТОМОБИЛЯ
Для того, чтобы приступить к использованию Джамп-стартера хозяину машины следует убедиться, что зажигание автомобиля выключено.
При подключении — следует соблюдать полярность: красный кабель устройства соединяется с плюсовой клеммой аккумулятора автомобиля, чёрный с минусовой клеммой.
После подключения можно приступать к запуску двигателя. Если в течение 3х секунд мотор не запустился – следует зарядить конденсаторы ещё раз и повторить попытку.
После того, как двигатель заработал «крокодилы» с клемм аккумулятора следует снять.
ATOM 1750 поставляется в картонной коробке.
В комплекте с аппаратом:
Шнур для зарядки аппарата от прикуривателя автомобиля;
USB-Кабель.
Напоминаем, что одним из условий продолжительной службы аппарата является своевременная зарядка встроенного аккумулятора устройства, поэтому после каждого пуска с использованием энергии аккумулятора – необходимо отправить АТОМ на зарядку. При длительном хранении рекомендуем заряжать устройство до уровня 80-90% один раз в 6 месяцев. Хранить аппарат следует при плюсовой температуре.
Среди последних новинок науки и техники необходимо отметить появление конденсатора нового типа – ионистор, который также называют суперконденсатор. Что же это за зверь, и можно ли его использовать в автомобильном видеорегистраторе и других электронных приборах в качестве резервного источника питания?
Из школьного курса физики известно, что конденсатор может запасать энергию, накапливая заряд электричества. Вот только величина этого заряда очень мала, поэтому его хватает только на хорошую искру при коротком замыкании. Также школьники используют металлобумажные конденсаторы переменного тока на 400…1000 Вольт для того, чтобы лупить друг друга электротоком, предварительно зарядив его в розетке 220 В. А в основном конденсаторы используют как радиокомпонент в электронных приборах.
Но в конце прошлого века в секретных лабораториях был придуман новый тип конденсатора, в котором вместо металлической ленты используется электролит и другие хитрые химические вещества.
Благодаря такой конструкции новый тип конденсатора при малых размерах имеет громадную емкость, которую уже можно использовать для накопления заряда, достаточного для кратковременной работы электронных устройств с малым потреблением тока. Он получил название ионистор из-за того, что функционирует благодаря ионному переносу в химической среде между электродами.
В наше время ионисторы используются как резервный источник питания. Например, на Алиэкспресс за 5…10 баксов можно купить 5-вольтовый ионистор, который получает полную зарядку всего за 10…100 секунд. Однако он может питать средний светодиодный фонарик в течение 20…30 минут.
Обзор китайского ионистора
Теперь разберемся, сможет ли суперконденсатор заменить аккумулятор в автомобильном видеорегистраторе? В регике нет компонентов, которые бы потребляют большой ток – сервоприводы, электродвигатели, мощные лампы освещения. Поэтому расход тока достаточно мал – 50…100 мА. Средней паршивости ионистор сможет обеспечить работу видеорегистратора в течение 3…10 минут. Это более чем достаточно, чтобы дописать до конца видеоролик и корректно завершить работу.
Так что, если вы колеблетесь — покупать ли видеорегистратор с суперконденсатором вместо встроенного аккумулятора, то все сомнения напрасны. Этот прибор выполнит все необходимые функции в вашем автомобиле, даже если в случае ДТП будет отключена бортовая сеть. Однако регистратор такого типа нельзя будет использовать как обычную переносную видеокамеру вне салона автомобиля – для уличной видеосъемки потребуется внешний источник питания.
Сергей Асмаков
За последние годы мы привыкли к стремительному темпу развития цифровой техники. Но если одни категории комплектующих (такие как микропроцессоры или модули памяти) действительно совершенствуются с поистине космической скоростью, то по ряду других направлений прогресс не столь заметен. К числу последних относятся перезаряжаемые источники питания. И это, безусловно, создает определенные проблемы, поскольку от характеристик этих компонентов зависят такие важные параметры, как продолжительность автономной работы, время восстановления заряда, а также размеры и вес конечного продукта.
Тонкости выбора источника питания
В настоящее время в портативных электронных устройствах применяются источники питания нескольких различных типов. Такое разнообразие не является капризом разработчиков, а имеет вполне логичное объяснение. Например, в случае мобильных устройств — таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки — приоритетное значение имеет удельная энергоемкость (то есть количество запасаемой электроэнергии на единицу объема аккумуляторной батареи). Чем выше этот показатель, тем больше будет емкость батареи при тех же физических габаритах. Таким образом, установка батареи с более высокой удельной энергоемкостью позволит продлить время автономной работы мобильного устройства, не увеличивая его размеры — что крайне важно, учитывая нынешнюю моду на гаджеты в максимально тонких корпусах. Именно поэтому в современных смартфонах и планшетах применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые на данный момент лидируют в категории малогабаритных перезаряжаемых источников питания по удельной энергоемкости.
Однако при разработке беспроводных периферийных устройств приоритеты будут совершенно иными. Поскольку уровень энергопотребления беспроводных мышей и клавиатур по сравнению с теми же смартфонами невелик, то и острой необходимости в использовании источников питания с рекордно высокой энергоемкостью в этом случае нет. Кроме того, нет и жестких ограничений по массо-габаритным показателям. Таким образом, во многих случаях разработчики делают выбор в пользу пусть не самого компактного, но зато более легкого и/или менее дорогого источника питания.
Не случайно на протяжении уже многих лет наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли беспроводных периферийных устройств, рассчитанных на питание от стандартных батареек формата АА либо ААА. Наиболее очевидными преимуществами данного решения являются доступность и максимальная простота использования. Стандартные элементы питания можно купить практически в любом магазине.
Кроме того, при полном разряде батарейки достаточно установить вместо нее новую, и можно сразу же продолжить работу. Не нужны дополнительные кабели, зарядные устройства и т.п. Как говорится, дешево и сердито.
С этих позиций использование аккумуляторных батарей в беспроводных периферийных устройствах выглядит менее удобным. Для подзарядки требуется определенное время (обычно 2-3 часа), и при этом конструкция далеко не всех моделей позволяет продолжать работу при подключении внешнего источника питания. Как следствие, пользователю необходимо следить за индикатором уровня заряда, чтобы беспроводная мышь или клавиатура не отключилось в самый неподходящий момент.
Еще одним фактором, ускорившим процесс перехода производителей беспроводной периферии на питание от батареек, стал значительный прогресс в области снижении уровня энергопотребления электронных компонентов, которого удалось достичь разработчикам в последние годы. Современные модели беспроводных мышей и клавиатур способны проработать на одном комплекте батареек как минимум несколько недель и даже месяцев. Таким образом, менять элементы питания даже при активном использовании приходится нечасто.
Естественно, имеет значение и цена. Установка весьма недешевых литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов неизбежно приводит к удорожанию устройства. А это крайне важно, когда речь идет о моделях стоимостью порядка 20-30 долл. Кроме того, аккумуляторные батареи упомянутых типов имеют ограниченный ресурс — обычно от 500 до 1000 циклов заряда-разряда. Таким образом, при интенсивном использовании именно ресурс аккумулятора становится критичным фактором, ограничивающим жизненный цикл устройства.
Итак, батарейки дешевы, доступны и удобны. Чем не идеальный вариант для беспроводной клавиатуры или мыши? Однако не будем забывать, что у батареек есть и свои недостатки: они заметно утяжеляют устройства (что может быть критично, если речь идет о беспроводной мыши) и к тому же их пусть и редко, но необходимо время от времени менять.
Что же могут предложить разработчики в качестве альтернативного варианта?
Еще не забытое старое
Одним из наиболее перспективных вариантов являются суперконденсаторы или, как их правильнее называть, ионисторы (англоязычные авторы для обозначения этих элементов часто используют аббревиатуру EDLC, которая расшифровывается как Electric double-layer capacitor). Первые образцы суперконденсаторов были созданы более 50 лет тому назад. В настоящее время они применяются в ряде электроприборов (в частности, в карманных фонариках, фотовспышках и пр.) в качестве основных и резервных источников питания. Кроме того, благодаря своим свойствам суперконденсаторы являются идеальным накопителем электроэнергии для систем рекуперации кинетической энергии, которыми оснащаются многие выпускаемые сейчас транспортные средства с электрическими и гибридными силовыми установками.
Важнейшими достоинствами суперконденсаторов в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами являются высокая скорость заряда, эффективность и огромный ресурс.
Суперконденсаторы способны запасать большое количество энергии в течение короткого промежутка времени, что позволяет сократить время подзарядки до минимума. Кроме того, ионисторы характеризуются высокой эффективностью. Если современные литий-ионные аккумуляторы способны отдать лишь порядка 60% электроэнергии, затраченной на их зарядку, то у суперконденсаторов этот показатель превышает 90%.
Еще одно важное преимущество — огромный ресурс. У литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов существенная деградация (снижение емкости относительно первоначального значения) наблюдается уже после нескольких сотен циклов заряда-разряда. А суперконденсаторы способны выдержать без заметной деградации порядка нескольких десятков тысяч циклов.
В числе прочих преимуществ можно отметить малый удельный вес и экологичность. Благодаря низкой токсичности материалов, из которых изготавливаются ионисторы, их гораздо проще и безопаснее утилизировать, чем литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы.
Возможно, здесь у читателей возникнет вполне закономерный вопрос: если уже более полувека известны такие замечательные источники питания, то почему они до сих пор не получили широкого распространения в цифровых устройствах? Дело в том, что наряду с перечисленными выше достоинствами у суперконденсаторов имеются и свои недостатки. Наиболее существенные из них — это довольно низкая удельная энергоемкость, нелинейная кривая разряда, а также большой ток саморазряда.
Показатель удельной плотности запасаемой энергии у современных суперконденсаторов составляет от 7 до 9 Вт ч на литр объема. Для сравнения: у ныне выпускаемых литий-ионных аккумуляторов этот показатель варьируется в пределах 250-400 Вт ч на литр.
Из-за большого тока саморазряда ионисторы не подходят для долговременного хранения электроэнергии. Кроме того, кривая разряда суперконденсаторов нелинейна: напряжение на выходе зависит от оставшегося заряда.
В силу вышеизложенных причин выпускаемые в настоящее время ионисторы непригодны для использования в мобильных устройствах, где первоочередное значение имеет соотношение размеров и энерогоемкости батареи. Однако для беспроводных периферийных устройств суперконденсаторы являются весьма интересной альтернативой одноразовым батарейкам.
В этом случае пригодятся такие свойства ионисторов, как высокая скорость заряда и высокая эффективность. Владельцу беспроводной мыши или клавиатуры не придется ждать 2-3 ч, как в случае устройств с литиевыми аккумуляторами: для восстановления заряда хватит всего нескольких минут. За это время можно накопить запас энергии, которой хватит на несколько часов активной работы, а при не очень интенсивном использовании — даже на целый день. Например, полный цикл заряда оборудованной встроенным суперконденсатором беспроводной мыши Genius DX-ECO, которую мы , составляет всего 5 минут, а накопленной за это время электроэнергии хватает на 4 ч работы.
Конечно, подзаряжать беспроводное устройство, оснащенное ионистором, придется ежедневно (а возможно, даже чаще).
Однако, как уже было упомянуто, данная процедура займет всего несколько минут — как раз хватит времени выпить чашечку кофе или просто немного отвлечься от компьютера. А поскольку суперконденсаторы обладают огромным ресурсом, то даже при условии нескольких ежедневных подзарядок срок службы устройства составит не менее десяти лет.
Важным преимуществом суперконденсаторов в сравнении с литиевыми аккумуляторами и обычными батарейками является заметно меньший вес. А это значит, что та же беспроводная мышь, оборудованная ионистором, будет лишь немногим тяжелее проводного аналога.
Перспективы
Итак, суперконденсаторы обладают высокой скоростью заряда и энергоэффективностью, а также огромным ресурсом. Благодаря низкой токсичности материалов их гораздо проще и дешевле утилизировать, чем литиевые аккумуляторы. Такое сочетание свойств делает суперконденсаторы весьма перспективным вариантом для использования в качестве перезаряжаемых источников автономного питания беспроводных периферийных устройств. А что касается необходимости часто подключать кабель для подзарядки, то эту проблему нетрудно решить, применив беспроводное зарядное устройство — тем более, что подобные решения сейчас уже начинают появляться на массовом рынке.
Благодаря внедрению новых материалов в будущем станет возможным создание суперконденсаторов с гораздо более высокой (по сравнению с ныне выпускаемыми) удельной плотностью запасаемой энергии. Большие надежды специалисты возлагают на разработку графеновых суперконденсаторов. Использование этого инновационного материала позволит уже в ближайшее время создать образцы с удельной плотностью запасаемой энергии порядка 60 Вт ч на литр. Конечно, это значительно меньше по сравнению с современными литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, но уже вполне сопоставимо с характеристиками свинцово-кислотных батарей. И можно не сомневаться в том, что развертывание серийного выпуска графеновых суперконденсаторов позволит значительно расширить сферу применения этих источников питания.
Ими можно будет оснащать не только беспроводные манипуляторы и клавиатуры, но и портативные акустические системы, а также источники бесперебойного питания небольшой мощности.
Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении. Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.
Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).
Следующий тип конденсатора — электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.
Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.
Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при напряжении один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.
Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали.
В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию. Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.
Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.
Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.
Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы. Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.
Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования. Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения — он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии. Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.
На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно. Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.
Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.
Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.
Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда — ток просто перестает течь в него.
В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.
| Характеристики | Суперконденсатор | Стандартный литий-ионный аккумулятор |
| Время зарядки | 1-10 секунд | 10-60 минут |
| Количество циклов | 1 миллион или 30 тысяч часов | 500 и выше |
| Напряжение ячейки | От 2,3 до 2,75 В | 3,6 В номинал |
| Удельная энергоемкость (Вт*ч/кг) | 5 (стандартно) | 120-240 |
| Удельная мощность (Вт/кг) | до 10 тысяч | 1000-3000 |
| Стоимость килограмм ватта | $ 10000 (стандартно) | $ 250-1000 (большие системы) |
| Время жизни | 10-15 лет | от 5 до 10 лет |
| Допустимый зарядный диапазон температур | от -40°С до 65°С | от 0°С до 45°С |
| Допустимый разрядный диапазон температур | от -40°С до 65°С | от -20°С до 60°С |
Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.
Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы. Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни. Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях — слабым местом всех электрохимических источников тока.
Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи.
Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.
Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки. В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой. Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы .
Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.
Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road — LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне. Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет. (Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).
Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик.
Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.
Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта. Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.
Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.
| Преимущества | Практически неограниченный жизненный цикл; может быть перезаряжен миллионы раз Высокая удельная мощность и низкое внутреннее сопротивление обеспечивают высокие токи нагрузки Процесс зарядки занимает секунды; сам прекращает процесс зарядки Простой процесс и условия зарядки Безопасный, устойчивый к неправильной эксплуатации Отличные показатели работы при низких температурах |
| Недостатки | Низкая удельная энергоемкость Линейный характер снижения напряжения не позволяет использовать всю накопленную энергию Высокий саморазряд, выше, чем у электрических батарей Низкое напряжение ячейки, необходимость последовательного соединения и балансировки систем из нескольких ячеек Высокая стоимость ватта энергии |
Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования.
Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?
Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.
Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.
При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания.
Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.
Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.
Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.
Использование двойного электрического слоя
На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.
Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.
Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».
Техническая реализация
Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.
Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.
Параметры суперконденсаторов
Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей.
Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.
Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.
Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.
Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.
Накапливаемая энергия
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:
Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.
Применение суперконденсаторов
Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.
Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.
Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.
Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.
Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях.
Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.
Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.
В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.
Алексей Васильев
Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.
Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.
Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.Новая энергия для технологии стоп-старт
Суперконденсатор может перезапустить двигатель вдвое быстрее, чем в обычной системе.
После нескольких лет разработок в лаборатории на авторынке начнут появляться суперкондесаторы для системы стоп-старт в качестве обычных аккумуляторных батарей. Суперконденсаторы являются устройствами хранения энергии и в отличие от традиционных аккумуляторов обеспечивают короткую и более быструю мощную подачу электроэнергии для запуска двигателя, что незаменимо при рабочей системе стоп-старт.
Эти суперконденсаторы позволят быстрее запускать силовые агрегаты, которые выключаются в тот момент, когда вы остановились и убрали ногу с педали газа (например, на светофоре).
В этом году компания General Motors выпустит на рынок седаны 2016 года Cadillac ATS и CTS, оснащенные системой стоп-старт, которая будет питаться от суперконденсаторов, которые изготавливает компания Maxwell Technologies. В этих новых машинах будет устанавливаться по два конденсатора, которые будут размещаться рядом с аккумулятором в багажнике.
Суперконденсаторы позволяют доставлять источник энергии к необходимому модулю гораздо быстрее, чем это может сделать обычная аккумуляторная батарея. Благодаря скорости передачи электроэнергии, суперконденсатор может запустить двигатель за 400 миллисекунд. Это в два раза быстрее по сравнению, когда система стоп-старт запускает мотор, питаясь от аккумулятора.
Благодаря этому преимуществу водитель не будет ощущать никаких вибраций и колебаний при работе системы стоп-старт. Да конечно конденсатор может хранить в себе меньше энергии, чем обычная аккумуляторная батарея. Но передача энергии от аккумулятора происходит значительно медленнее, чем это может делать суперконденсатор.
Новые автомобильные конденсаторы для запуска системы стоп-старт, весят от 500 до 900 грамм (в зависимости от модели автомобиля). Они достаточно долговечны и могут исправно служить около 10 лет. Себестоимость двух суперконденсаторов составляет 35-40 долларов, что не намного больше стоимости обычного аккумулятора.
Такие автопроизводители как Mazda, GM, Peugeot и Citroen, уже оснащают свои новые автомобили подобными конденсаторами, которые позволят продлить срок службы аккумуляторных батарей.
Напомним, что в автопромышленности некоторые автомобильные марки уже несколько лет используют суперконденсаторы других производителей. Например, Мазда использует конденсаторы производимые компанией Nippon Chemi-Con.
Для компании Maxwell Technologies выход на рынок легковых автомобилей это новая ниша. Эта инновационная компания уже давно поставляет свои разработки для военных нужд. Но теперь благодаря себестоимости суперконденсаторов, которые намного дешевле, чем у конкурентов, Maxwell рассчитывает увеличить поставки своих разработок для автомобильных компаний, занимающиеся производством легковых автомобилей.
Так с 2009 года Maxwell Technologies продает суперконденсаторы для электрических мельниц и для гибридных автобусов (дизельный двигатель + электромотор). С 2010 года компания уже поставила компании Peugeot и Citroen около 1 млн. конденсаторов для системы стоп-старт.
Напомним, производители транспортных средств несколько лет назад стали оснащать свои автомобили системой стоп-старт, которая отключает двигатель при остановках на светофоре или в любом месте, где машина начинает работать на холостых оборотах. Таким образом, эта система позволила увеличить экономичность выпускаемой продукции.
Единственная проблема, с которой столкнулись автомобильные компании при использовании системы старт-стоп, это пауза при передаче энергии от аккумулятора на стартер. Теперь после того как на рынке появились суперконендасторы, производители смогут настроить систему на более комфортный режим работы, а также добиться дополнительного увеличения экономичности (примерно на 4-5 процентов).
Правда компании Maxwell Technologies придется конкурировать с Johnson Controls Inc, которая разработала улучшенный свинцово-кислотный аккумулятор, который специально создан для системы стоп-старт.
Дело в том, что Maxwell начала позиционировать свои суперконендсаторы в качестве альтернативы аккумуляторным батареям Johnson Controls Inc.
Будут ли пользоваться суперконденсаторы спросом у производителей, покажут ближайшие годы. Все будет зависеть от характеристик конденсаторов и их себестоимости.
Конденсатор вместо аккумулятора? Вполне возможно.
Можно ли на транспорте применять конденсаторы, вместо капризных, недолговечных и требующих ухода аккумуляторов? Оказывается можно, и приемуществ у конденсатора перед аккумуляторной батареей достаточно, что бы отказаться от батарей, и если не полностью, то хотя бы дополнить ёмкость аккумулятора, сильно снижающуюся на морозе, ёмкостью конденсатора. О преимуществах и недостатках обоих источников электроэнергии, мы и поговорим в этой статье.
Всего несколько лет назад, конденсаторы в одну или две фарады ёмкости, считались экзотикой и их показывали только на выставках богатых меломанов. Сейчас эти конденсаторы можно купить в любом ларьке автоакустики, а конденсаторы ещё большей ёмкости, не сложно найти в специализированных магазинах, продающих сверхмощные Hi-Fi аудиосистемы (о музыке на автомобиле или мотоцикле читаем здесь).
А что мне особенно радостно, так это то, что в настоящее время российская промышленность, всё таки опередив на несколько лет как восточных, так и западных производителей, освоила мелкосерийный выпуск супер конденсаторов новейшего типа, ёмкость которых составляет десятки тысяч фарад!
Немного теории.
Как известно, конденсатор состоит из разделённых зарядов — положительных, на одном пластинчатом электроде и отрицательных зарядов на другом. Сильно не вдаваясь в подробности, лишь отмечу, что энергия (ёмкость) которую способен взять конденсатор, напрямую зависит от площади пластин электродов, а так же от расстояния между ними. И чем больше эта площадь и меньше расстояние между пластинами, тем благоприятнее для накопления большего заряда.
Из этого следует, что увеличивая первое условие, и уменьшая второе, успеха в этом деле можно добиться. Но это на словах так просто. А как всё на деле? В новейших конденсаторах, для изготовления отрицательного электрода используется углеродный пористый материал, и вот в нём то и весь прикол. Благодаря этому материалу, у казалось бы обычной плоской пластины, благодаря её пористой структуре — как бы появляется второе измерение (увеличивается площадь пластин).
От этого, площадь накопления зарядов существенно возрастает!
Увеличения площади пластин добились, осталось поработать с расстоянием. Новое название новейших супер конденсаторов — это конденсаторы с двойным электрическим слоем. Их особенность в том, что электроэнергия аккумулируется в особой области, то есть на границе раздела электролита и твёрдого тела. От этого расстояние между областью положения отрицательных и положительных зарядов, намного сокращается, аж на 2-3 порядка!
Из всего вышесказанного, можно наконец то сказать, что пора этим супер ёмкостям занять место под капотом машины, а в качестве чего? Есть несколько вариантов, но рассмотрим наиболее реальные.
Использование конденсатора в качестве основного источника электроэнергии для двигателя (электротяги).
Электробус Лужок ездит довольно быстро. Снизу виден выходящий дымок от бензинового отопителя салона.
Совсем недавно, и аккумуляторы для электро-автомобилей никто всерьёз не воспринимал. Но электрокары уже начинают заполонять мир, например в Лондоне уже работает электро-такси. Значит и конденсаторам путь предельно ясен, особенно если учесть их преимущества перед аккумулятором, но о преимуществах чуть позже. Скажу лишь, что «живой»пример, который ездит на электроэнергии от тяговых конденсаторов, можно увидеть на фото слева. Это экологически чистый автобус, а если быть точным — электробус под названием Лужок, который мелкой серией изготавливают в подмосковном городке Троицке (на заводе Эсма). Только вот для обогрева салона в мороз, приходится включать печку, которая работает на бензине, но это как говорится мелочи.
Электробус используется для перевозки туристов на небольшие расстояния (до 10 км), например по территории парков и заповедников, в которые введены жёсткие экологические ограничения. Первые коммерческие рейсы Лужок совершит по территории Московского ВВЦ. Одной зарядки конденсаторов хватает где то на 8-10 км. Затем 10-15 минутная зарядка и снова в путь (аккумуляторы пришлось бы заряжать минимум часов 20).
К примеру, если ездить на работу, которая в мелких городах может находиться всего в пределах 5 — 10 км, то такой автомобиль был бы самое то, особенно для каждодневных поездок. Ведь цикл заряда и разряда конденсаторов, в отличии от аккумулятора, почти бесконечен. К тому же автомобиль не такой тяжёлый как автобус, а значит километраж на одной зарядке может увеличиться.
Кроме автобусов, предприятие выпускает немного «Газелей», несколько погрузчиков и электрокар, для перевозки грузов по территории завода. Основное отличие всей этой конденсаторной техники от аккумуляторной, это то, что её можно использовать круглосуточно, ведь их зарядка занимает считанные минуты. И хоть разряжаются они тоже быстро, зато срок службы конденсаторов превышает в десятки раз срок службы аккумуляторов.
Использование конденсатора в качестве помощника батарее, при пуске на морозе.
Использование в машинах конденсаторов нового типа в качестве тяговой силы, дело конечно полезное и интересное, но не самое актуальное. Куда более полезнее их использовать в качестве кратковременной электрической силы большой ёмкости, и в первую очередь для запуска мотора автомобиля. Этим уже пользуются инженеры военной техники, и испытания и усовершенствования постоянно проводятся на армейской технике. К примеру две здоровенные аккумуляторные батареи по 190 Ампер часов, при морозе в минус 45 градусов, способны совершить всего лишь одну пятнадцатисекундную прокрутку Камазовского стартера (и соответственно замёрзшего Камазовского двигателя). Но вот если подключить паралельно конденсатор ёмкостью всего 0,18 кФ, то стартер двигателя Камаза сделает уже несколько таких холодных прокруток! Разница налицо, особенно это полезно для техники, используемой в районах Крайнего Севера, например военная и строительная техника.
Конечно же водителям, которые живут в более тёплом климате, польза конденсаторов, не боящихся холода не так полезна. Но главное другое. Конденсаторам не опасна высокая плотность тока, и они выдерживают огромнейшее количество циклов заряд-разряд, да ещё и совсем не требуют обслуживания.
Но самое главное это то, что конденсатор позволит повысить срок службы аккумулятора вдвое. Ведь когда аккумулятор один (особенно не новый), он считается непригодным, если плохо начинает справляться с пусковыми обязанностями, особенно в холодную погоду. А вот в паре с конденсатором, подключенным парраллельно, старая батарея будет служить до тех пор, пока тот способен её подзаряжать. И как я уже говорил, батарея превращается в долгожителя.
К тому же, в паре с коллегой конденсатором, ёмкость аккумуляторной батареи вашего автомобиля или мотоцикла, можно будет сократить вдвое. Легковой машине с двигателем в 1,5 — 1,8 кубиков, будет достаточно 25 Ач, а грузовому автомобилю хватит всего лишь 60 Ач. И можно уже будет не использовать батарею стартерного типа, которая рассчитана на высокие токи, а пользоваться обычной, которая как правило имеет в 2-3 раза больший срок службы. В итоге, комбинация аккумулятор плюс конденсатор, позволит значительно повысить срок службы этой пары. А что бы не менять на своей машине батарею лет 15, об этом мечтают многие, да и к этому сроку, люди как правило меняют машину на более свежую. Вот и выходит, что такой парочки (аккумулятор и конденсатор) хватит на весь срок службы машины. Но главное, водители забудут о трудном запуске в мороз, а такие слова «браток, дай прикурить, не могу завестись» можно будет забыть (как безопасно прикурить от чужой машины, читаем вот тут).
Что можно сказать напоследок. Супер конденсаторы нового поколения пока выпускаются мелкосерийно, стоят они раза в два дороже нормальной аккумуляторной батареи, и наверное не скоро найдут своих покупателей, по крайней мере наших отечественных. Немного конденсаторов уходит заграничным потребителям, но это не особая поддержка нашей промышленности. Но при желании, и нормальных спонсорах, для рекламы и освоения более дешёвого массового производства, можно это дело настроить на нормальный лад. Всё возможно. Ведь дорогущие аккумуляторы нового поколения тоже никто не хотел покупать, в начале их производства.
А сейчас их закупают тоннами производители электрокаров, и это только начало. Думаю и новые конденсаторы вскоре будут пользоваться огромным спросом, и если и не заменят полностью аккумуляторы, то станут им надёжными помощниками. Поживём — увидим. Удачи всем!
Конденсатор вместо аккумулятора в авто: можно ли заменить?
Производители вполне серьезно рассматривают замену аккумулятора суперконденсатором или двойным электрохимическим ионистером. Вопрос прорабатывается инженерами и даже когда-то применялся в практических целях. Сейчас использование такого устройства ограничено в областях применения техническим прогрессом. Так можно ли заменить АКБ автомобиля конденсатором? При каких условиях? На это и многое другое дадим ответы в нашей статье.
Плюсы и минусы конденсатора по сравнению с аккумулятором
АКБ и конденсатор — это устройства, которые накапливают электричество от генератора тока, отдают при необходимости, например, для запуска автомобиля. Каковы же достоинства, недостатки конденсатора по сравнению с аккумулятором?
Плюсы использования:
- Ионистер отдает пиковый ток практически мгновенно.
- Заряжается суперконденсатор буквально за секунды. Недаром NASA использует их в космическом пространстве.
- Безопаснее жидкостного аккумулятора. В отличие от литиевых, свинцовых батарей, заряд накапливается на твердом теле.
- Надежно и долговечно. Конденсаторы позволяют производить до миллиона перезарядок. Вместо 1—2 тысяч у электрохимических батарейных АКБ.
- Эффективность отдачи энергии 98 %.
- Ионистеры устойчивы к экстремально низким или высоким температурам, механическим повреждениям.
Недостатки в сравнении с АКБ:
- Большой коммерческий суперконденсатор накапливает лишь 20 % от энергии АКБ похожего размера.
- Малая плотность энергии на единицу массы.
- Низкая автономность без внешнего питания.
- Высокая скорость саморазряда.
- Самый мощный ионистер не сможет питать бортовую сеть даже в течение нескольких минут.
Видимо, пока конденсатор может применяться лишь для запуска двигателя, но не для длительной работы в сети автомобиля.
Почему конденсатор редко используют вместо аккумулятора
Есть одно серьезное препятствие на пути использования этого средства запуска. Конденсаторы «не держат заряд».
У аккумулятора и конденсатора изначально разные цели использования. АКБ должен как можно более длительное время не разряжаться, выдавая энергию по частям. Если по какой-то причине генератор выйдет из строя, то аккумулятор позволит проехать машине около получаса. То есть она гарантированно доберется до дома или СТО. С ионистерами этот фокус не пройдет.
Разряд конденсатора будет постоянным из-за утечек, работы элементов бортовой сети даже при ожидании.
Величина напряжения у аккумулятора практически неизменна при полностью заряженном и полуразряженном состоянии. Кондер меняет напряжение от силы заряда. Иногда в очень широких пределах, что вредно для бортовой электроники.
Как заменить
Заменить АКБ как стартовое устройство, реально. Берем суперконденсаторы БУ Maxwell 1200F. Сборка из 6 штук по 200 фарад каждый, 2,7 вольт на один конденсатор.
Общий вольтаж системы — 16,2 вольт.
Технические характеристики:
- Срок службы около от 10 лет гарантированно.
- Миллион циклов перезарядки.
- Ток максимальный — 930 А.
- Температура работы от -45 до +65 градусов.
За сутки напряжение на заряженном устройстве снижается с 14,7 вольт до 12,3 вольт. Потом разряжается все медленнее и через 6 месяцев остается 9 вольт.
При установке на Хонду Фит одного такого устройства без аккумулятора, заряженного до 14,5 вольт, конденсатора хватает на 3 ч. После этого напряжение падает до 11,5 единиц. Если установить автозапуск по падению напряжения, автомобиль автоматически запустится и генератор зарядит конденсатор.
Гибридная связка менее мощного аккумулятора с конденсаторной сборкой будет крутить стартер бодрее при низких температурах.
Использование суперконденсаторов позволит запустить машину даже с «дохлым» АКБ. Поддержание заряда суперконденсаторов не требует мощного аккумулятора. Если кондеры подключить параллельно с АКБ автомобиля, то срок службы аккумулятора возрастет многократно. Токовый удар сгладится.
Как проверить конденсатор кондиционера RV
Кондиционеры RV имеют два конденсатора: рабочий конденсатор двигателя и пусковой конденсатор двигателя. Рабочий конденсатор двигателя используется в цепи вентилятора вентилятора, а конденсатор запуска двигателя используется в цепи компрессора. Хотя каждый конденсатор служит для разных целей, каждый тестируется одинаково. Два типа тестов – это тестирование сопротивления и тестирование емкости. Тестирование сопротивления обеспечивает быструю индикацию неисправности конденсатора. Тестирование емкости обеспечивает более точное считывание, сопоставимое со спецификациями конденсатора.
Тестирование емкости
Шаг 1
Выключите главный автоматический выключатель переменного тока на RV. Автоматический выключатель расположен в центре электрической нагрузки RV. Отключите питание переменного тока от берега, если оно подключено.
Шаг 2
Поднимитесь на крышу RV и снимите защитный корпус кондиционера, отвинтив все винты с крестообразным шлицем, расположенные вокруг основания корпуса.
Шаг 3
Найдите двигатель и запустите корпус конденсатора. Корпус обычно расположен рядом с верхним правым углом узла кондиционера, если смотреть в направлении передней части RV. На нем также может быть наклейка со схемой соединений. Снимите винты крышки корпуса и крышку.
Шаг 4
Осмотрите корпус на наличие двух конденсаторов. Рабочий конденсатор двигателя обычно представляет собой серебряный контейнер овальной формы длиной от двух до трех дюймов. Рабочий конденсатор двигателя имеет либо черный, либо серебристый, цилиндрический вид и длину от трех до четырех дюймов.
Шаг 5
Разрядите каждый конденсатор, замкнув электрические клеммы, расположенные в верхней части конденсатора, с помощью отвертки с плоским жалом.
Шаг 6
Отсоедините электрические провода от рабочего конденсатора двигателя, отметив, к какой клемме подключен каждый провод.
Шаг 7
Измерьте емкость рабочего конденсатора двигателя, переключив мультиметр в режим емкости и поместите положительный провод (красный) на положительную клемму «+» конденсатора, а отрицательный (черный) провод на клемму «минус» или «-».
Сравните показания со значением, указанным на стороне конденсатора. Если он выходит за пределы диапазона, заменить конденсатор. Повторите шаги 6 и 7 для проверки пускового конденсатора двигателя.
Тестирование сопротивления
Шаг 1
Переключите мультиметр в режим Ом. Поместите положительный провод (красный) на положительный или «+» вывод конденсатора, а отрицательный (черный) вывод на отрицательный или «-» вывод.
Шаг 2
Проверьте, увеличивается ли измерение сопротивления до бесконечности. Если это не так, конденсатор протекает и требует замены. Если сопротивление отсутствует – нулевое значение – конденсатор закорочен и требует замены. Если показания сопротивления отсутствуют, конденсатор разомкнут и требует замены.
Повторите шаги 1 и 2 для пускового конденсатора двигателя.
Чаевые
- Контрольный признак плохого конденсатора выпирает на концах. Это означает, что конденсатор перегрелся и требует замены независимо от показаний счетчика.
Предупреждения
- При разрядке двигателя и пусковых конденсаторов двигателя используйте изолированную отвертку или другой изолированный инструмент. В противном случае существует риск серьезного поражения электрическим током, который может быть смертельным.
- Будьте осторожны при подъеме или хождении по крыше RV. Большинство крыш RV достаточно прочны, чтобы выдержать средний вес человека, но некоторые сверхлегкие модели могут этого не делать. В случае сомнений обратитесь к производителю RV, чтобы узнать, какова максимальная нагрузка на крышу.
В противном случае существует риск серьезного поражения электрическим током, который может быть смертельным.Предметы, которые вам понадобятся
- Изолированная отвертка с плоским лезвием
- Мультиметр с настройкой емкости
- Аккумуляторная электрическая дрель
- # 2 Голова Филлипса
— улучшите характеристики автомобильного аккумулятора с помощью конденсаторов
Соединение конденсаторов последовательно для суммирования их номинальных напряжений не очень разумно. Их разница в токе утечки приведет к дисбалансу напряжения, которое они будут иметь на них (см. Https://electronics.stackexchange.com/a/80589/107479), а некоторые конденсаторы могут легко испытать перенапряжение (особенно с учетом суперконденсаторы низкого напряжения). Решением для этого было бы добавить параллельно резисторную лестницу, чтобы компенсировать это, но это увеличило бы разряд батареи в режиме ожидания, что тоже не является хорошей идеей.
Более того, ваш расчет неверен, поскольку конденсатор будет заряжен до напряжения батареи (~ 13 В), а не до полного номинального напряжения конденсатора. И я сомневаюсь, что для запуска требуется меньше секунды.
И, когда вы говорите в своем комментарии:
Самый популярный ответ в сообщении, связанном с PlasmaHH, предлагает делать именно то, что я хочу делать, используя конденсаторы в дополнение к батарее, чтобы батарея могла хранить много энергии, а конденсатор мог доставлять ее с высокой скоростью в течение короткого времени. .
, вы ошибаетесь: этот ответ, о котором вы говорите, когда он упоминает «короткие времена», означает «несколько мс», например, для сглаживания больших скачков тока из-за броска пускового устройства .
Не для стартера все время старта. Здесь начинается бессмысленность.
Наконец, если ваша машина не заводится, когда на улице -10 ° C, , у вас просто где-то проблема с вашей машиной . Отнесите это своему механику. Он это исправит, и уж точно не станет исправлять, добавляя конденсаторы.Он найдет неисправный компонент на самом деле (который, кстати, вы, кажется, не проверяли на самом деле — вы предполагаете, что это аккумулятор, но это может быть что угодно: свеча накаливания / стартер / некоторые датчики / независимо / …) и заменяет его (потому что, когда такой компонент начинает выходить из строя, попытки исправить это путем добавления конденсаторов или изоленты бесполезны — вы заменяете его).
Сколько времени нужно для зарядки автомобильного аккумулятора после запуска?
Для «Достаточно близко» вы можете использовать
T заряд = T разряд * (i разряд / i заряд ) * k
k — это безразмерный коэффициент полезного действия по току и зависит от химического состава аккумулятора, скорости заряда и разряда, состояния заряда аккумулятора и фазы луны (а иногда и от того, является ли сегодня государственный выходной день), , но для
.- свинцово-кислотная батарея: около 1.1 к 1,2 Литий-ионный аккумулятор
- : около 1,01
- никель-металлогидрид (NiMH): примерно 1,15 — 1,2
Это просто говорит о том, что время заряда и разряда обратно пропорционально потребляемому току, умноженному на переменную константу.
«Константа» меняется из-за многих факторов. В литиевой химии нет вторичных реакций, которые «съедают» потребляемый ток. NimH (и NiCd) имеют вторичные химические реакции, в результате которых образуются газы, тепло и другие забавные вещи, а также потребляется часть поставляемой энергии.
Примечание: Текущие отношения — это , а не то же самое, что и Энергия коэффициенты заряда.
При зарядке ток через внутреннее сопротивление вызовет падение напряжения между входом и battery_proper, поэтому V в должно быть на больше , чем V battery_proper , поскольку падение тока на внутреннем сопротивление потеряно.
При разрядке внутреннее сопротивление снова понижает напряжение, но V out теперь будет ниже, чем V battery_proper из-за внутренних падений.Таким образом, вы теряете в обе стороны . Всего
(энергоэффективность) = k * (В на выходе, среднее / В на входе, среднее )
При высоких токах (например, при запуске стартером двигателя автомобиля) на внутреннем сопротивлении может упасть примерно половина общего напряжения . Это означает, что менее чем полностью заряженный автомобильный аккумулятор на 12 В в плохом состоянии может измерять 6 В на клеммах во время проворачивания. Такого же аккумулятора потребуется до 13.6 & nbap; В при зарядке.
Таким образом, КПД по напряжению, если он разряжается проворачиванием и заряжается, когда аккумулятор почти полностью заряжен, равен 6 / 13,6 = ~ 44%. Это после упомянутого выше КПД 90% для свинцово-кислотной кислоты.
Так, например, почти полностью заряженная свинцово-кислотная батарея, которая «немного устала», может обеспечивать КПД 0,9 & nbsp: * 0,44 = ~ 40% для разряженной энергии по сравнению с энергией заряда.
|
Батареи сделаны
опасных материалов, таких как свинец и серная кислота, и используйте
химическая реакция на заряд и разряд.
Батареи будут служить источником энергии для основных отключенных функций.
В зависимости от ваших энергетических потребностей вы можете устранить некоторые или
все ваши батареи (скажем, в случае запуска генератора). Ваш
оставшиеся батареи можно оставить в качестве батарей для кривошипа или при замене
они с батареями глубокого разряда также улучшат вашу систему.
Введение в суперконденсаторы и систему запуска двигателя с суперконденсаторами
Введение в суперконденсаторы и систему запуска двигателя с помощью суперконденсаторовInternational Journal of Scientific & Engineering Research, Том 4, выпуск 2013 583
ISSN 2229-5518
Введение в суперконденсаторы и
Суперконденсаторная система запуска двигателя
Вивек Кумар Ядав, Навьот Бхардвадж
Аннотация — Представленная работа представляет собой исследование, выполненное на одном из современных устройств накопления энергии .
е. суперконденсатор, он инкапсулирует его структуру, применение, различные связанные компоненты и то, как суперконденсаторы могут помочь системе запуска двигателя. Кроме того, в документе также перечислено несколько будущих объемов суперконденсаторов в различных областях энергосистем и систем хранения энергии. Также приводится тематическое исследование, чтобы показать, как суперконденсатор может перевесить обычные батареи и несколько других устройств хранения энергии.
Ключевые слова: суперконденсатор, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), ток холодного пуска (CCA), гибридный автомобиль, рекуперативное торможение, технология Stop-Start, свинцово-кислотная батарея, эффективное последовательное сопротивление (ESR).
—————————— ——————————
ДНЕЙ каждый из нас пользуется транспортными средствами, эти автомобили, несомненно, облегчили нашу жизнь. Самым первым шагом
к использованию транспортного средства является запуск его двигателя, первоначально для запуска двигателя использовались методы, приводимые в движение человеком, но в нынешнем сценарии используется стартер. Этот стартер питается от аккумуляторов (обычно используются свинцово-кислотные аккумуляторы), но аккумуляторы имеют определенные ограничения, такие как большой размер, который необходимо увеличивать по мере увеличения спроса, плохая реакция на внезапное потребление энергии, необходимость в техническом обслуживании и срок службы также очень меньше .
Спрос на электроэнергию в транспортных средствах значительно возрастает из-за внедрения большего количества электрического оборудования для повышения комфорта и упрощения управления автомобилем, такого как гидроусилитель руля, электрические стеклоподъемники, кондиционер, обогреватель, ESP, антиобледенитель и т. Д., Все это увеличить текущую потребность от батареи.
Во время пуска двигателя стартером от аккумулятора внезапно потребляется большой ток, что приводит к нагреву аккумулятора, а нагрев сокращает срок службы и емкость аккумулятора.
Текущая потребность в запуске двигателя внутреннего сгорания увеличивается с увеличением размера двигателя и снижением температуры, а также варьируется в зависимости от типа двигателя.
Обычно напряжение на элемент в батарее составляет 2,35 В, что практически не достигается. Для запуска двигателя используется 6-элементная (12 В) батарея, если напряжение падает ниже 10 В, происходит функциональный отказ, а ниже 7,2 В — полный отказ. На рынке есть некоторые силовые батареи, такие как литий-ионные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные батареи, но стоимость делает их неприемлемыми.
Применение суперконденсатора в автомобильной промышленности обеспечивает не требующий обслуживания экологически чистый источник энергии, увеличенный срок службы существующих источников энергии, большой рабочий диапазон для окружающей среды, эффективное рекуперативное торможение, увеличение объема технологии остановки и запуска, буфер мощности в электроприводе, уменьшенный вес и объем энергоаккумулирующих устройств.
Суперконденсатор появился как новая технология в хранении энергии. Он имеет то же фундаментальное уравнение, что и обычный конденсатор.Они также известны как ультраконденсаторы и двухслойные электрохимические конденсаторы (EDLC). Основное уравнение для конденсатора:
𝐶 = 𝜀 𝜀 𝐴 (1)
𝐷
Из приведенного выше уравнения (1) ясно, что емкость
прямо пропорциональна площади электродов и обратно пропорциональна
расстоянию между ними. электроды. Суперконденсаторы
имеют низкую плотность энергии и высокую плотность мощности
по сравнению с батареями, поэтому суперконденсаторы
можно использовать там, где внезапно возникает потребность в энергии.
Суперконденсатор состоит из двух углеродных электродов
, разделителя между электродами и электролита.
Рис. 2.1. Структура суперконденсатора
IJSER © 2013 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и технических исследований, том 4, выпуск 8, август 2013 г. 584
ISSN 2229-5518
Суперконденсатор накапливает электростатическую энергию .Когда напряжение подается на систему, разные заряды притягиваются друг к другу. Ионы в электролите диффундируют через сепаратор в поры электродов, но электроды сконструированы таким образом, что предотвращают рекомбинацию ионов. Эти двойные слои сочетаются с увеличением площади и уменьшением расстояния между электродами и достигают более высокой плотности энергии, чем обычный конденсатор, поскольку в течение всего процесса не происходит передачи электрического заряда или химического изменения, эти заряды связаны с нефарадеевским процессом.Поскольку процесс является нефарадеевским, суперконденсаторы обладают такими свойствами, как большое количество циклов зарядки и разрядки, сильно обратимый накопленный заряд. Суперконденсатор может иметь водный или органический электролит. Водный электролит включает h3 SO4 и КОН. У них обычно низкий ESR и низкие требования к минимальному размеру пор по сравнению с органическим электролитом. Площадь электрода увеличивается за счет использования активированного угля и углеродной нанотрубки в качестве электрода. Поскольку активированный уголь дешев, он широко используется.Активированный уголь имеет микропоры, мезопоры и макропоры разного размера для достижения большой площади поверхности. Большой размер пор коррелирует с высокой плотностью мощности, а малый размер пор коррелирует с высокой плотностью энергии. Недавние исследования предполагают использование углеродных нанотрубок в качестве электродного материала суперконденсатора. Нанотрубки выращиваются как переплетенный мат из углеродных нанотрубок с доступной сеткой мезопор. Эти мезопоры связаны между собой, обеспечивая непрерывное распределение заряда, которое использует почти всю доступную площадь поверхности.Как электролит, ион может легче диффундировать в сеть мезопор. Углеродные нанотрубки имеют более низкое ESR, чем активированный уголь.
Рис 2.2. Углеродные нанотрубки
Суперконденсатор накапливает заряд на границе между электродом с высокой поверхностью и жидким электролитом. Разделение зарядов создается почти при каждой твердой и жидкой интерференции. В суперконденсаторе наблюдается, что расстояние между электродами составляет ангстремы, а площадь составляет тысячи квадратных метров на грамм электрода.
Обычный конденсатор имеет более низкую энергию и плотность мощности, чем суперконденсатор, но суперконденсатор имеет более высокую плотность мощности и более низкую плотность энергии, чем аккумулятор. Таким образом, суперконденсатор обладает свойствами как обычного конденсатора
, так и батареи. На рисунке ниже показаны энергия и удельная мощность различных устройств накопления энергии.
Рис. 2.3. Плотность мощности различных устройств накопления энергии
Эффективное последовательное сопротивление (ESR)
Это очень важный параметр, на который следует обращать внимание при создании суперконденсатора.2 / 4ESR (2)
Это соотношение в уравнении (2) показывает, как ESR
может ограничивать максимальную мощность конденсатора.
ESR обычного конденсатора больше, чем
суперконденсатора. ESR повышает качество электролита, и материал электрода
ухудшается.
Некоторые свойства суперконденсатора, такие как: высокая мощность
плотность, умеренная плотность энергии, низкий ESR, большое количество
циклов зарядки и разрядки и широкий диапазон рабочих температур делают его подходящим для помощи аккумуляторной батарее при запуске двигателя.
До сих пор обсуждение было сосредоточено на том, как увеличивается электрическая нагрузка в транспортных средствах, проблема связана с аккумулятором, структурой суперконденсатора и чем они отличаются от аккумулятора и что делает их будущими устройствами хранения энергии.
Теперь представляет интерес то, как суперконденсаторы устанавливаются с батареями для обеспечения питания в переходном состоянии, и изучаются все другие факторы, связанные со всей установкой. Для этого мы сначала узнаем параметр обычной системы запуска двигателя.
Во время запуска любого двигателя стартер потребляет высокий пусковой ток от аккумуляторной батареи. Стартер передает крутящий момент на маховик и коленчатый вал, вращающийся коленчатый вал обеспечивает возвратно-поступательное движение поршню, что в конечном итоге приводит к срабатыванию двигателя. Для запуска двигателя
IJSER © 2013 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 4, выпуск 8, август 2013 г. 585
ISSN 2229-5518
Двигатель должен быть вращаться от 80 до 200 об / мин.Для запуска двигателя требуется от 1,5 до 2 секунд. В течение этого переходного периода от батареи потребляется большой ток. Ток и время, необходимые для запуска двигателя, меняются в зависимости от размера, температуры и типа двигателя.
Внезапный пусковой ток истощает аккумулятор, что сокращает срок его службы и увеличивает другие проблемы, связанные с аккумулятором. Эту проблему можно решить, добавив батарею суперконденсаторов, в которой все суперконденсаторы подключены последовательно, а батарея подключена к батарее параллельно.Потребляемая мощность при пиковой нагрузке обеспечивается суперконденсаторами, поскольку их внутреннее сопротивление (ESR) очень низкое. Небольшая и постоянная нагрузка питается от батареи.
3.1 Преимущества
Пуск двигателя с помощью суперконденсатора дает множество преимуществ. Они перечислены ниже:
1. При использовании батареи суперконденсаторов нагрузка на батарею распределяется в дополнение к вышедшим из строя батареям или могут использоваться старые батареи, которые не имеют достаточной пусковой мощности, но обладают достаточной энергией для обеспечения питания постоянной нагрузки, такой как фара и задний фонарь и т. д.
2. Добавление батареи суперконденсаторов увеличит срок службы батареи, подключенной параллельно с батареей. Срок службы батареи увеличен примерно в 2,5 — 3 раза. Во-вторых, можно использовать аккумулятор с таким же напряжением, но с меньшим номиналом в ампер-часах, что сэкономит деньги и место. Это также снизит общий вес автомобиля.
Рис. 3.1. Использование суперконденсаторов для запуска двигателя
На рисунке 3.1 показано, как изначально для запуска двигателя использовались четыре батареи, но при использовании суперконденсатора должны использоваться только две батареи.
3. Практически каждое транспортное средство имеет постоянную нагрузку в 45
ампер. Для кондиционирования воздуха, GPS, радио, освещения, электрооборудования
, гидроусилителя руля, электрического стеклоподъемника и т. Д.
На рисунке 3.2 показано, как электрическая нагрузка распределяется в автомобиле
. Система запуска с суперконденсатором
обеспечит большее количество запусков, эксперимент при комнатной температуре
показывает, что одна батарея выходит из строя после 40 000 запусков
, но батарея плюс суперконденсатор может обеспечить 1,20 000 запусков
до функционального отказа.Для этого эксперимента батарея конденсаторов
состоит из конденсаторов емкостью 150 Ф на 14 В и с ESR
4,5 мОм. На рынке доступны конденсаторы
3000F каждый и конденсаторная батарея 500F на 16 В с ESR
2,1 мОм.
Рис. 3.2. Распределение электрической нагрузки в автомобиле
4. В холодных регионах основной проблемой является запуск двигателя. Замечено, что при понижении температуры с 40ºC до 0ºC внутреннее сопротивление аккумулятора увеличивается в 10 раз, а вязкая сила двигателя увеличивается в три раза.Таким образом, крутящий момент на коленчатом валу двигателя увеличивается, и из-за повышенного внутреннего сопротивления аккумулятора снижается его способность разряжать ток для запуска холодного двигателя. Суперконденсаторы могут обеспечивать большую мощность при отрицательных температурах. Поскольку фарадеевской реакции нет, на них не влияет снижение температуры. Суперконденсаторы могут эффективно работать при температурах от + 65ºC до —
40ºC, поэтому суперконденсаторы поддерживают аккумулятор при холодном запуске. Ампер холодного пуска в соответствии со стандартами SAE Северной Америки определяется как ток, который новая полностью заряженная батарея при -18ºC может выдавать в течение 30 секунд, поддерживая напряжение на уровне 1.2 В на ячейку или выше. Это составляет 7,2 В для батареи с номиналом 12 В. В таблице ниже показано, сколько CCA требуется для запуска двигателя разного размера.
Грузовик Класс | Объем двигателя (литры) | Холодный запуск Ток (A) | |
6 003 | 6 003 | 9 … 900 | |
6 | от 8 до 10 | 1000-1200 | |
7 | 12 | ||
12 | |||
| 9 1600 | 3 | 15-16 | 2400 |
Таблица 3.1 показывает серьезность проблемы холодного пуска.
5. Наконец, суперконденсаторы не требуют обслуживания и обслуживания, поэтому они намного лучше обычных батарей и не требуют проверки времени. Даже они более экологичны по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, поскольку не выделяют кислотных паров.
IJSER © 2013 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и технических исследований, том 4, выпуск 8, август 2013 г. 586
ISSN 2229-5518
3.2 Графики
На следующем графике показано, насколько различаются запуск с помощью батареи и суперконденсатора.
График 3.1
График 3.2
Из графика 3.1 Можно ясно увидеть, как падает напряжение при потреблении большого тока, тогда как на Графике 3.2 батарея с более низким напряжением (почти функциональная неисправность) может запустить двигатель.
Пусковой ток обеспечивается суперконденсаторами, после запуска суперконденсаторы и аккумулятор снова заряжаются.В то время как постоянный ток нагрузки 45 ампер обеспечивается либо генератором, либо аккумулятором.
Исследования устройств накопления энергии были увеличены в
за последнее десятилетие, в настоящее время существует потребность в более легких и компактных устройствах с потенциальным накоплением энергии. В частности, в автомобильном секторе большое внимание уделяется гибридным автомобилям, технологиям остановки и запуска, суперконденсаторам и их возможностям.
Поддержка трансмиссии в гибридных транспортных средствах
Банк суперконденсаторов, добавленный с аккумулятором в гибридных транспортных средствах (HV) и (HEV), для поддержки электрической трансмиссии.Гибридный автомобиль использует банк литий-ионных аккумуляторов. Эти батареи дорогие, но намного лучше свинцово-кислотных, но при пиковых нагрузках аккумулятор испытывает нагрузку. При использовании суперконденсаторов питание при пиковой нагрузке обеспечивается
IJSER © 2013 http://www.ijser.org
International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 4, Issue 8, August-2013 587
ISSN 2229 -5518
суперконденсаторов, например, во время разгона, когда автомобиль движется с постоянной скоростью, он питается от аккумуляторной батареи.Переключение мощности, как указано выше, контролируется электронным блоком управления мощностью. Суперконденсаторы также используются для поддержки трансмиссии в транспортных средствах, работающих на топливных элементах или водороде.
Система остановки и запуска
Поскольку мы все ежедневно застреваем в пробках или останавливаемся у светофоров, во время этого мы позволяем нашей машине «включиться», что приводит к потере топлива и денег. В системе «стоп-старт», как только мы останавливаем автомобиль, он автоматически останавливает двигатель, и как только мы нажимаем лопасть сцепления для включения двигателя с коробкой передач, двигатель запускается автоматически.Система «стоп-старт» обеспечивает экономию топлива и выбросов транспортного средства на 5–8%, но требует, чтобы двигатель запускался многократно в течение срока ее службы. Суперконденсаторы могут обеспечить большее количество запусков.
Рекуперативный захват энергии
Во время торможения много энергии теряется и рассеивается в атмосферу в виде тепла, но в регенеративных тормозных системах во время торможения она восстанавливает некоторую часть энергии, рассеиваемой во время торможения. Он бывает двух типов: один для гибридных автомобилей, а другой — для обычных автомобилей.В гибридных транспортных средствах двигатель или двигатель обеспечивает питание транспортного средства, когда транспортное средство приводится в действие двигателем и задействованы тормоза, двигатель действует как генератор, теперь энергия вращения от колеса действует как механический вход для генератора и создает тормозной момент, это делается с помощью электронных блоков питания путем изменения режима работы двигателя с движения вперед на торможение вперед, что приводит к восстановлению энергии торможения, но в случае резкого торможения автомобиль останавливается с помощью обычной тормозной системы.
Рис. 4.1. Различные применения в транспортных средствах
В то время как в случае негибридной / традиционной тормозной системы, энергия
рекуперируется интеллектуальными генераторами переменного тока, которые вырабатывают энергию, когда двигатель работает идеально, а когда двигатель подает мощность на транспортное средство, генератор работает на холостом ходу, что снижает нагрузку на двигатель. и обеспечивает лучший отклик
во время разгона, следовательно, увеличивает эффективность на 5%. Приведенный ниже пример из практики поможет нам понять значение суперконденсатора.
На рис. 4.1 показаны все применения суперконденсаторов, упомянутые в будущем.
Пример:
Это исследование показывает, как суперконденсаторы используются для рекуперации энергии торможения
Если автомобиль весом 1000 кг движется со скоростью 50 км / ч и останавливается за 10
секунд;
Кинетическая энергия транспортного средства = 96,45 кДж (это максимальное количество
энергии, которое может быть восстановлено за счет рекуперативного торможения при
100% эффективности)
Средняя мощность при торможении = 9,64 киловатт
При напряжении зарядки 14 В зарядный ток будет = 689
Ампер
Этот зарядный ток слишком велик для аккумулятора, но
не для суперконденсатора.Таким образом, мы можем сделать вывод, что без суперконденсатора максимальная регенеративная энергия тратится впустую.
сняли ограничения свинцово-кислотных аккумуляторов и обеспечили отличные характеристики мощности. Постоянно ведутся исследования по увеличению плотности энергии и напряжения суперконденсатора. Топливные элементы — единственное решение для дальних поездок с нулевым выбросом, плотность энергии h3 равна плотности энергии бензина, но топливные элементы плохо справляются с быстрым изменением мощности, таким как ускорение, рекуперативное торможение, а также при низких температурах не наблюдается удовлетворительных результатов.Все вышеперечисленные проблемы легко решаются применением суперконденсатора. Суперконденсатор, несомненно, обладает исключительными характеристиками мощности с большим количеством циклов зарядки и разрядки, что делает его подходящим для поддержки аккумулятора при запуске ДВС и других транспортных средств.
[1] CAP-X «Суперконденсаторы для автомобильных приложений
и других транспортных средств» Март-2012
URL: http://www.cap-xx.com/
[2] John R. Miller JME, Inc. » Нормы для пусковых конденсаторов двигателей
»
URL: http: // www.koldban.com/v/vspfiles/assets/im
age / documents / TR0007.pdf
[3] Д-р Джон М. Миллер, Maxwell Technologies, Inc. «Energy
Storage Technology, Markets and Applications,
Ultracapacitors in with the Lithium -ion »
URL: http: //www.maxwell.com/products/ultracapaci
tors / downloads
[4] Марин Халпер, Джеймс С. Элленбоген» Суперконденсаторы: краткий обзор «, март-2006, MP 05W0000272.
[5] Maxwell Technologies, Inc. ®, Сан-Диего, Калифорния «Белая книга» Холодный запуск двигателя «URL: http: // www.maxwell.com/products/ultracapaci tors / downloads
[6] Mazda ‘i-ELOOP’ Система регенерации энергии торможения на основе конденсатора
IJSER © 2013 http://www.ijser.org
International Journal of Scientific & Engineering Исследование, Том 4, выпуск 8, август 2013 г. 588
ISSN 2229-5518
URL: http://www.mazda.com/publicity/release/2011
/201111/111125a.html
[7] Mazda’s i -ELOOP система рекуперативного торможения |
Mazda USA
URL: http: // www.mazdausa.com/MusaWeb/videoCo
ntroller.action? op = playVideo & playlistId = PLAC8DEF8
5581D7F12 & videoId = BJHAr4wA2fc
———————————————————— В настоящее время идет работа над Yadk. . Дипломная программа в области электротехники и электроники в Инженерном колледже Кришны, 95 Лони-роуд, между Мохан Нагар и военно-воздушной станцией, Хиндон, Газиабад (Уттар-Прадеш) Пин-
201007, который является филиалом Технического университета Махамайи,
Нойда, Индия.Моб- + 9199
632. Электронная почта: [email protected]Навджот Бхардвадж получил степень бакалавра технических наук. Программа получения степени в области информатики и инженерии в Инженерном колледже I.T.S, 46, Knowledge Park-III, Greater Noida-201308, Индия, который является филиалом Технического университета Гаутамы Будды, Лакхнау, Индия. Моб- + 919953214267.
Электронная почта: [email protected]
IJSER © 2013 http://www.ijser.org
Суперконденсаторы VS Аккумулятор, суперконденсатор для дизельных автомобилей и грузовиков Двигатель
Для средних и высоких широт в северном полушарии, вступившей в зимний сезон, в большинстве регионов наблюдалось значительное снижение температуры.Сообщается, что минимальная температура во Внутренней Монголии упала до минус 40 градусов по Цельсию. Когда температура падает ниже минус 10 градусов по Цельсию, выходная емкость автомобильного аккумулятора при высоком токе значительно снижается, что приводит к сбою при запуске дизельных двигателей. В качестве высокопроизводительного накопителя энергии суперконденсатор может эффективно поддерживать высокие выходные характеристики по току при низкой температуре и имеет значительное преимущество при низкотемпературном запуске.
Для всех автомобилей с дизельным двигателем есть пусковой двигатель, питаемый от специальной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, и пусковой двигатель приводит в действие дизельный двигатель.Во время процесса запуска двигателю требуется огромный входной ток за секунды, а оптимальная рабочая температура для свинцово-кислотного аккумулятора составляет от 10 ° C до 40 ° C, потому что при низкой температуре вязкость электролита увеличивается, проницаемость снижается, а внутренняя сопротивление также увеличивается, в результате напряжение на клеммах и емкость аккумулятора значительно снижаются, что приводит к снижению выходной мощности до уровня, неспособного достичь минимальной пусковой скорости, необходимой для дизельного двигателя, и вызывает затруднения при запуске.
Напротив, сверхмощный конденсатор обладает такими характеристиками, как высокая плотность мощности, высокий ток с высокой способностью к зарядке и разрядке, длительный срок службы и т. Д., Которые могут удовлетворить требования к запуску транспортного средства при низкой температуре, а также его отличные характеристики мощности. Также несравненные преимущества дает запуск дизельного двигателя при низкой температуре. Компания Supreme Power Solutions Co., Ltd. предлагает суперконденсаторные блоки для подачи питания при запуске двигателей для всех типов транспортных средств, чтобы обеспечить нормальный запуск транспортных средств при малой мощности, без мощности или при низкой температуре.Внутри ультраконденсатора есть двухслойный механизм с активированным углем и электролитом для достижения максимальной емкости, в то же время они также имеют другие особенности, такие как хорошая проводящая структура для пропускания большого тока, высокая плотность мощности, мгновенная разрядная емкость, новые характеристики. для органического электролита для поддержания нормальной работы при температуре ниже минус 40 градусов по Цельсию с высокой эффективностью
При низких температурах параллельно подключенная система суперконденсатора и аккумуляторной батареи может обеспечить относительно более высокий ток для запуска автомобилей и оптимизировать пусковые характеристики автомобилей.Это, несомненно, хорошая новость для автовладельцев в условиях высоких широт и низких температур. Это может в конечном итоге положить конец эре «холода» для автомобилей при запуске.
О компании SPS
Supreme Power Solutions Co., Ltd. (SPS) — ведущий производитель ультраконденсаторов, а также поставщик ультраконденсаторных систем хранения энергии и технологических решений. Наши продукты находят широкое применение в промышленности, например, в транспортных средствах на новой энергии, системах управления тангажем ветряных турбин, трамваях и метро, интеллектуальных сетях, микросетях, тяжелом оборудовании, интеллектуальных приборах и т. Д.Мы обслуживаем более 180 китайских клиентов, а наша продукция экспортируется в 23 страны и территории.
Часто задаваемые вопросы о конденсаторах двигателя
Часто задаваемые вопросы о конденсаторах двигателяОбзор
Напряжение
Емкость
Частота (Гц)
Тип соединительной клеммы
Форма корпуса
Размер корпуса
Пусковые и рабочие конденсаторы
Пусковые конденсаторы
Приложения
Технические характеристики
Как узнать, неисправен ли мой пусковой конденсатор?
Мой мотор медленно заводится.Мой пусковой конденсатор плохой?
На моем пусковом конденсаторе есть резистор. Нужен ли мне конденсатор на замену?
Могу ли я использовать конденсатор с более высоким номинальным напряжением, чем оригинальный?
Рабочие конденсаторы
Как заменить пробку в кондиционере? Приложения
Технические характеристики
Когда заменять
Почему вышел из строя рабочий конденсатор?
Как долго должен работать рабочий конденсатор?
Двойные рабочие конденсаторы
Если я не могу найти замену своему двойному рабочему конденсатору, могу ли я использовать две отдельные рабочие крышки?
Напряжение
Конденсатор будет иметь обозначенное напряжение, указывающее его допустимое пиковое напряжение, а не рабочее напряжение.Следовательно, вы можете выбрать конденсатор с номинальным напряжением, равным или выше исходного конденсатора. Если вы используете конденсатор на 370 вольт, подойдет конденсатор на 370 или 440 вольт, хотя на самом деле блок на 440 вольт прослужит дольше. Однако вы не можете заменить конденсатор на 440 В на конденсатор на 370 В без значительного сокращения срока его службы.
Емкость
Выберите конденсатор со значением емкости (указанным в MFD, мкФ или микрофарадах), равным исходному конденсатору. Не отклоняйтесь от исходного значения, так как оно задает рабочие характеристики мотора.
Частота (Гц)
Выберите конденсатор с номинальной частотой Гц оригинала. Почти все конденсаторы будут иметь маркировку 50/60.
Тип соединительной клеммы
Почти каждый конденсатор будет использовать вставной соединитель «типа флажка. При замене конденсатора вам необходимо знать, сколько клемм на клеммную колодку требуется для вашего двигателя. Большинство пусковых конденсаторов имеют две клеммы на клемму, и большинство из них работают Конденсаторы будут иметь 3 или 4. Клеммы на каждую стойку.Убедитесь, что заменяемые клеммы имеют по крайней мере такое же количество клемм на каждую клемму подключения, как и у оригинального конденсатора двигателя.
Форма корпуса (круглая или овальная)
Практически все пусковые конденсаторы имеют круглый корпус. Круглые корпуса являются наиболее распространенными, но многие двигатели по-прежнему имеют овальную конструкцию. С точки зрения электричества разницы нет. Если пространство в монтажной коробке не ограничено, стиль корпуса значения не имеет.
Размер корпуса
Как и форма корпуса, электрические габариты не имеют значения. Выберите конденсатор, который поместится в отведенном для этого месте.
Старт vs.Конденсаторы рабочие
Пусковые конденсаторы дают большое значение емкости, необходимое для пуска двигателя в течение очень короткого периода времени (обычно секунд). Они предназначены только для прерывистой работы и катастрофически выйдут из строя, если будут слишком долго находиться под напряжением. Рабочие конденсаторы используются для непрерывного управления напряжением и током обмоток двигателя и поэтому работают в непрерывном режиме. Как правило, они имеют гораздо меньшее значение емкости.
В необычных обстоятельствах рабочий конденсатор может использоваться в качестве пускового конденсатора, но доступные значения намного ниже, чем значения, обычно доступные для специальных пусковых конденсаторов.Номинальные значения емкости и напряжения должны соответствовать исходным характеристикам пускового конденсатора. Пусковой конденсатор нельзя использовать в качестве рабочего конденсатора, потому что он не может выдерживать ток непрерывно.
Просмотрите наш видеоурок ниже, чтобы узнать больше о различиях между пусковыми и рабочими конденсаторами.
Пусковые конденсаторы
Приложения
Пусковые конденсаторыиспользуются для кратковременного сдвига фазных пусковых обмоток в однофазных электродвигателях с целью увеличения крутящего момента.Они обладают очень большими значениями емкости для своего размера и номинального напряжения. В результате они предназначены только для периодического использования. По этой причине пусковые конденсаторы выйдут из строя после того, как будут слишком долго оставаться под напряжением из-за неисправной пусковой цепи двигателя.
Технические характеристики
Большинство пусковых конденсаторов рассчитаны на 50–1200 мкФ и 110/125, 165, 220/250 или 330 В переменного тока. Обычно они рассчитаны на 50/60 Гц. Корпуса обычно имеют круглую форму и отлиты из черного фенольного или бакелитового материалов.Концевые заделки обычно представляют собой нажимные клеммы ¼ «с двумя клеммами на каждую клемму.
Как узнать, неисправен ли мой пусковой конденсатор?
Большинство отказов пускового конденсатора бывает одного из двух типов. Катастрофический отказ обычно вызван тем, что цепь пуска электродвигателя задействована слишком долго для номинальной кратковременной работы пускового ограничения. Верхняя часть стартовой крышки буквально сорвана, а внутренности частично или полностью выброшены. Точно так же на стартовой крышке может быть разорванный блистер для сброса давления .В любом случае легко сказать, что стартовый колпачок нуждается в замене.
Мой мотор медленно заводится. Мой пусковой конденсатор плохой?
Возможно, ваш пусковой конденсатор потерял свою номинальную емкость из-за износа и старения, или у вас могут быть другие проблемы, не связанные с конденсатором, которые связаны с другими компонентами двигателя. Чтобы выяснить это, вам нужно измерить емкость пускового конденсатора.
На моем пусковом конденсаторе есть резистор. Нужен ли мне конденсатор на замену?
Большинство заменяемых пусковых крышек не имеют резистора. Вы можете проверить состояние старого, проверив значение сопротивления, или просто заменить его новым. Это должно быть где-то около 10-20 кОм и около 2 Вт. Резисторы обычно либо припаяны, либо обжаты на выводах. Назначение резистора — сбросить остаточное напряжение в конденсаторе после того, как он был отключен от цепи после запуска двигателя.Не все пусковые конденсаторы будут использовать один, поскольку есть другие способы сделать это. Важная часть заключается в том, что если в вашем оригинальном конденсаторе он был, вам необходимо заменить его на новый.
Могу ли я использовать конденсатор с более высоким номинальным напряжением, чем оригинальный?
Да. Щелкните здесь для получения более подробной информации.
Рабочие конденсаторы
Приложения
Рабочие конденсаторы используются для непрерывной регулировки тока или фазового сдвига обмоток двигателя с целью оптимизации крутящего момента двигателя и эффективности.Они предназначены для непрерывного режима работы и, как следствие, имеют гораздо меньшую частоту отказов, чем пусковые конденсаторы. Они обычно используются в установках HVAC.
Технические характеристики
Большинство рабочих конденсаторов рассчитаны на 2,5–100 мкФ (микрофарад) при номинальном напряжении 370 или 440 В переменного тока. Обычно они рассчитаны на 50/60 Гц. Корпуса имеют круглую или овальную форму, чаще всего используются стальной или алюминиевый корпус и крышка. Концевые заделки обычно представляют собой нажимные-дюймовые клеммы с 2–4 клеммами на клемму подключения.
Когда заменять
Как правило, рабочий конденсатор намного дольше, чем пусковой конденсатор того же двигателя. Пробка также выйдет из строя или изнашивается иначе, чем стартовая, что немного усложняет поиск и устранение неисправностей.
Когда рабочий конденсатор начинает работать за пределами допустимого диапазона, это чаще всего обозначается падением значения номинальной емкости (значение микрофарад уменьшилось). Для большинства стандартных двигателей рабочий конденсатор будет иметь «допуск», описывающий, насколько близко к номинальному значению емкости может быть фактическое значение.Обычно это от +/- 5 до 10%. Для большинства двигателей, пока фактическое значение находится в пределах 10% от номинального значения, вы в хорошей форме. Если он выходит за пределы этого диапазона, вам необходимо заменить его.
В некоторых случаях из-за дефекта в конструкции конденсатора или иногда из-за неисправности двигателя, не связанной с конденсатором, рабочий конденсатор выпирает из-за внутреннего давления. Для большинства современных конструкций рабочих конденсаторов это приведет к размыканию цепи и отключению внутренней спиральной мембраны в качестве защитной меры, чтобы предотвратить вскрытие конденсатора.
Если она вздулась, пора заменить. Если вы не измерили целостность клемм, пришло время заменить.
Почему вышел из строя рабочий конденсатор?
Ниже приведены некоторые распространенные причины выхода из строя рабочих конденсаторов, но в зависимости от того, насколько близок рабочий конденсатор к его расчетному сроку службы, может быть трудно определить причину по одному фактору.
Время — Все конденсаторы имеют расчетный срок службы. Несколько факторов можно поменять местами или объединить, чтобы увеличить или уменьшить срок службы рабочего конденсатора, но после того, как расчетный срок службы превышен, внутренние компоненты могут начать более быстро разрушаться и снижаться производительность.Проще говоря, отказ можно отнести к тому, что он «просто старый».
Heat — Превышение расчетного предела рабочей температуры может иметь большое влияние на ожидаемый срок службы рабочего конденсатора. Как правило, у двигателей, которые работают в жарких условиях или с недостаточной вентиляцией, срок службы конденсаторов значительно сокращается. То же самое может быть вызвано излучением тепла от обычно горячего двигателя, которое приводит к перегреву конденсатора. В общем, если вы можете держать свой рабочий конденсатор холодным, он прослужит намного дольше.
Ток — Когда двигатель перегружен или имеет сбой в обмотках, это вызывает нарастание тока, что может привести к перегрузке конденсаторов. Этот сценарий встречается реже, поскольку обычно сопровождается частичным или полным отказом двигателя.
Напряжение — Напряжение может иметь экспоненциальный эффект, сокращая расчетный срок службы конденсатора. Рабочий конденсатор должен иметь указанное номинальное напряжение, которое нельзя превышать. Например, конденсатор рассчитан на 440 вольт.При 450 вольт срок службы может сократиться на 20%. При 460 вольт срок службы может сократиться на 50%. При 470 вольт срок службы сокращается на 75%. То же самое можно применить и в обратном порядке, чтобы увеличить расчетный срок службы за счет использования конденсатора с номинальным напряжением, значительно превышающим необходимое, хотя эффект будет менее драматичным.
Как долго должен работать рабочий конденсатор?
Срок службы послепродажного рабочего конденсатора хорошего качества (который не входит в комплект поставки вашего двигателя) составляет от 30 000 до 60 000 часов работы.Установленные на заводе рабочие конденсаторы иногда имеют гораздо меньший расчетный срок службы. В отраслях с высокой конкуренцией, где каждая деталь может иметь значительное влияние на стоимость или где предполагаемое использование двигателя, вероятно, будет прерывистым и нечастым, можно выбрать рабочий конденсатор более низкого класса с расчетным сроком службы всего 1000 часов. Кроме того, все факторы из раздела выше («Почему мой рабочий конденсатор вышел из строя?») Могут резко изменить разумный ожидаемый срок службы рабочего конденсатора.
Конденсаторы двойного действия
Двойные рабочие конденсаторы — это два рабочих конденсатора в одном корпусе. У них нет ничего, что делало бы их электрически особенными. Обычно они имеют соединения, отмеченные буквой «C» для «общего», «H» или «Herm» для «герметичного компрессора» и «F» для «вентилятора». У них также будет два разных номинала конденсатора для двух разных частей. Вы можете увидеть 40/5 MFD, что означает, что одна сторона составляет 40 микрофарад (измерение емкости), а другая сторона — 5 микрофарад. Меньшее значение всегда будет подключено к вентилятору.Соединение большего размера всегда будет подключено к компрессору.
Если я не могу найти замену своему двойному рабочему конденсатору, могу ли я использовать две отдельные рабочие крышки?
Единственное преимущество конструкции двойного рабочего конденсатора заключается в том, что он поставляется в небольшом корпусе всего с 3 подключениями. Другой разницы нет. Если места для монтажа достаточно, использование двух отдельных рабочих конденсаторов вместо исходного двойного рабочего конденсатора является приемлемой практикой.
Q&A с CAP-XX: Суперконденсаторы для приложений остановки-запуска | Автомобильная промышленность Интервью
Энтони Конгатс |
Можем ли мы начать с вопроса, не могли бы вы объяснить, что такое ваш модуль суперконденсатора остановки-запуска и как он работает?
В системе «стоп-старт» двигатель выключается системой управления двигателем каждый раз, когда автомобиль останавливается в пробке.Когда водитель начинает трогаться с места — например, выжимая сцепление в ручном режиме или отпуская тормоз и нажимая педаль акселератора в автоматическом режиме, — система управления двигателем запускает двигатель. Это означает, что автомобиль никогда не простаивает, экономя топливо и снижая уровень загрязнения. В зависимости от условий движения это может сэкономить от 2% до 10% топлива и сократить выбросы.
Обратной стороной является то, что вместо того, чтобы заводить автомобиль 3 или 4 раза в день, теперь аккумулятор должен запускать автомобиль 30 или 40 раз в день или чаще.Типичные пиковые пусковые токи находятся в диапазоне 500–1000 А. Это вызывает серьезную нагрузку на аккумулятор и сокращает срок его службы. Батареи накапливают и передают энергию за счет химических реакций. Этот процесс со временем приводит к ухудшению заряда батареи.
Обычные конденсаторы, с другой стороны, накапливают и передают энергию электростатически, а не химически, поэтому они не страдают от деградации, чем батареи, но они не могут хранить столько энергии, сколько батареи.
Однако суперконденсаторымогут хранить на порядки больше энергии, чем обычные конденсаторы, хотя и не так много, как батареи.Модуль суперконденсатора CAP-XX представляет собой набор суперконденсаторов очень высокой мощности, которые заряжаются генератором примерно до 14 В во время движения автомобиля. Когда автомобиль останавливается на цикл стоп-старт, модуль суперконденсатора сохраняет свой заряд, а когда автомобиль снова заводится, суперконденсатор обеспечивает весь пусковой ток, а батарея его не дает. Модуль CAP-XX хранит достаточно энергии, чтобы легко завести автомобиль. Ячейки в модуле должны иметь одинаковое напряжение.Кроме того, поскольку модуль имеет очень низкое внутреннее сопротивление, ток заряда необходимо ограничить, чтобы не перегружать генератор. Модуль CAP-XX включает в себя электронику, разработанную CAP-XX, для управления этими задачами. Испытания показали, что суперконденсатор CAP-XX при зарядке до 14 В накапливает достаточно энергии, чтобы запустить Subaru Outback 7 раз. Он обеспечивает достаточную мощность даже для запуска Subaru, когда он заряжен только до 7 В.
Как производительность модуля суперконденсатора по сравнению с существующей батареей, используемой для приложений остановки-запуска?
Мы смоделировали нагрузку «стоп-старт» на автомобиле с помощью нового европейского ездового цикла.У нас была нагрузка 255 А с длительностью в одну секунду для представления стартера, нагрузка на 45 А, которая всегда была подключена, которая представляла гостиничные нагрузки, такие как освещение, радио, вспомогательное питание и т. Д., И источник питания на 100 А 14 В, который заменял генератор. Эти текущие уровни были получены от японской автомобильной компании и использовались для тестирования аккумуляторов.
В нашем тесте одна батарея продержалась 44000 запусков, прежде чем развалиться. Батарея, поддерживаемая суперконденсатором, продержалась 119 000 запусков. Даже тогда суперконденсатор по-прежнему успешно заводил машину, разряжаясь только с 14 В до 10.73V при подаче 255A в течение одной секунды. Батарея развалилась при питании отельной нагрузки 45А во время периода остановки. Это связано с тем, что аккумулятор больше не может принимать заряд. Это явление известно как динамическое принятие заряда и является серьезной проблемой для свинцово-кислотных аккумуляторов в системах остановки-запуска. У суперконденсаторов таких проблем нет.
На сегодняшний день ваше основное внимание было сосредоточено на суперконденсаторах, используемых в портативных устройствах, телефонах и камерах. Каким образом этот опыт и ноу-хау продвинули ваше приложение для использования в автомобилях?
Материалы и метод конструкции, которые мы используем для наших небольших призматических суперконденсаторов, приводят к получению детали с лучшей в мире плотностью мощности — 90.9 кВт / л для GS211. Мы расширили эту технологию для производства больших призматических ячеек суперконденсаторов с эквивалентным последовательным сопротивлением всего 0,26 мОм и емкостью 1400F в корпусе размером 195 мм x 110 мм x 9,5 мм и весом 230 г, что дает удельную мощность 22,4 кВт / л и энергию. плотность 5,6 Втч / л.
Судя по тому, что мы слышали, ваше испытание с Club Assist прошло успешно. Кто такой Club Assist?
Club Assist — это люди, чей фургон подъезжает, когда вы звоните в местную организацию автомобилистов / службу помощи на дорогах с разряженной батареей.Они оказывают помощь водителям с разряженными батареями по всему миру под марками различных автомобильных клубов. Они являются крупнейшими в мире продавцами аккумуляторных батарей на вторичном рынке.
Какой следующий этап для вашего модуля суперконденсатора?
Мы только что установили небольшую производственную линию, чтобы предоставить образцы для оценки потенциальным партнерам-производителям и клиентам. В краткосрочной перспективе процесс будет постепенно улучшаться с целью повышения мощности, энергии и форм-фактора.У нас также есть гибридные суперконденсаторы, которые имеют некоторые характеристики батарей и некоторые суперконденсаторы. Сделанные хорошо, они обладают долгим сроком службы и высокой мощностью суперконденсаторов, но с удвоенной энергией. Мы ожидаем, что первые образцы будут доступны в этом году.
Когда вы ожидаете, что ваша технология появится в серийных автомобилях?
Не ранее 2015 г.
Возможности автомобильного рынка явно огромны.Если спрос будет расти, как вы будете управлять этим процессом?
Мы уже ведем переговоры с возможными партнерами, которые обладают опытом, навыками и репутацией в автомобильной сфере для успешного масштабирования производства и поставок на автомобильные рынки. Это может быть сделано посредством лицензионного соглашения или совместного предприятия. CAP-XX не намеревается поставлять на автомобильные рынки напрямую.
На протяжении многих лет мы видели применение определенных автомобильных технологий, рассчитанных на весь срок службы автомобиля.Светодиоды в передних и задних автомобильных фарах являются одним из примеров. Предположительно, ваш модуль тоже прослужит весь срок службы автомобиля?
Модуль суперконденсатора, безусловно, способен прослужить весь срок службы автомобиля. Но на практике срок службы модуля будет очень сильно зависеть от инженерного подхода производителя автомобилей; как они интегрируют модуль в свою платформу; и как сильно они запихивают модуль. Модуль, безусловно, превзойдет любой сопоставимый аккумуляторный модуль, будь то литий-ионный аккумулятор или свинцово-кислотный аккумулятор.