Diseño de banco de condensadores para vehículos eléctricos

Buenos días a todos, estoy jugando con la idea de usar un pequeño banco de supercondensadores para amortiguar ráfagas cortas para la aceleración/regeneración de un vehículo eléctrico (probablemente una bicicleta eléctrica).

Parece un desperdicio poner un banco de condensadores en paralelo con la pila de baterías (ambos con sistemas de equilibrio independientes para sus respectivos voltajes de unidad/celda) porque el banco de condensadores solo proporcionaría/aceptaría energía sobre la pequeña fluctuación de voltaje cuando la batería proporciona/acepta actual.

¿Qué alternativas económicas existen para usar toda la capacidad del banco de capacitores con una pequeña fluctuación de voltaje? Una solución activa sería un convertidor CC-CC bidireccional que pueda descargar completamente el banco de capacitores cuando vea que el voltaje del paquete de baterías cae y luego recargar los capacitores cuando el voltaje del paquete de baterías aumente. Sin embargo, me imagino que esto no es ideal porque el convertidor DC-DC necesitaría ser de alta potencia (y, por lo tanto, pesado/caro) para manejar el caso de uso relativamente poco frecuente de arranque/parada.

Editar:

Para que esto sea divertido para nosotros, los ingenieros, agreguemos algunos números con una situación más probable: queremos 20kW durante 10 segundos para ayudar a acelerar un automóvil eléctrico. 200kJ almacenados en un banco de supercondensadores que tiene una densidad de 5Wh/kg equivalen a unos 11 kg de condensadores, ¡totalmente razonable para un EV! Esta página cita los supercaps de Maxwell como capaces de cargarse/descargarse en menos de 10 segundos: https://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor

Para resaltar el problema, si tenemos un paquete de baterías triste con 200 mOhm de resistencia interna de CC Tos Leaf , una carga de 20 kW en la batería solo bajaría su voltaje de 360 ​​V a aproximadamente 349 V, por lo que un banco de supercapacitor dimensionado para 200 kJ en paralelo (3.08 F @ 360V) solo proporcionaría 12kJ, aproximadamente el 6% de la energía, apenas la capacidad que podríamos obtener si pudiéramos extraer hasta 0V.

¿La única otra solución es usar un convertidor CC-CC capaz de convertir ráfagas de 20kW y rastrear una gran oscilación de voltaje (siguiendo el perfil de voltaje de carga/descarga del capacitor)?

Bienvenido a SE EE. Le sugiero que haga algunos cálculos para determinar: 1) qué cantidad de energía necesitaría almacenar (para esa aceleración) 2) determine cuánta energía cabe realmente en un "pequeño supercondensador" 3) determine cuántos de esos "pequeños supercondensadores" necesitarías 4) determine si es posible extraer esa cantidad de energía en el tiempo que la necesitaría (pista: no es posible). 5) haga el mismo cálculo con cualquier condensador de su elección.
En mi opinión, esos cálculos mostrarán que su idea será totalmente impracticable . ¡Pero siéntete libre de hacer los cálculos y demostrar que estoy equivocado! Es mucho más fácil usar baterías que puedan entregar la energía requerida durante una ráfaga . Recientemente me pidieron que estudiara un proyecto en el que se usaba un capacitor para almacenar algo de energía (de una celda de baja corriente) para realizar una ráfaga de transmisión de conexión celular. La idea era totalmente poco práctica ya que un condensador (pequeño) no puede almacenar suficiente energía incluso para esa ráfaga de transmisión y eso fue solo un par de julios.
¿El motor de la bicicleta tiene rueda libre? Si es así, no hay regeneración.
@Transistor: la mayoría de los motores EV no giran libremente, ya que generalmente brindan frenado regenerativo como una opción. Por el bien de esta discusión, se debe suponer un motor capaz de ser forzado a regenerarse.
@Bimpelrekkie: eso puede ser cierto si está utilizando un condensador de rango de microfaradios como filtro de salida, pero los supercapacitores pueden almacenar kilojulios a voltajes razonables.
@Julie, estoy en mi segunda bicicleta eléctrica. El primero tenía un motor de cubo de rueda delantera. Se descontroló cuando superé los 25 kph. El segundo tiene su motor detrás de la manivela del pedal y acciona la cadena. Su velocidad de rueda libre depende de la marcha seleccionada. La rueda libre da la opción de pedalear sin asistencia y sin el arrastre del motor muerto. Tampoco pudo regenerarse debido al diseño mecánico.
@Transistor: entiendo que hay motores que giran libremente, pero también hay motores que no. Tenemos que suponer que el OP va a usar el tipo correcto de motor; de lo contrario, la respuesta es, como sugiere, "no puede hacerlo porque el motor girará libremente". Aparte, suelo andar en bicicleta a más de 30 km/h, que es una de las razones por las que no uso una bicicleta eléctrica ;)
Creo que esto no es práctico por dos razones. En primer lugar, los bancos de baterías pueden aceptar la corriente de regeneración sin la ayuda de condensadores. En segundo lugar, para explotar toda la energía de sus supercondensadores, necesitará un convertidor CC-CC separado como ha sugerido. Por lo tanto, está agregando condensadores y un convertidor CC-CC para respaldar algo que las baterías pueden hacer por sí mismas sin ninguno de los dos.
@JulieinAustin pero los supercaps pueden almacenar kilojulios a voltajes razonables, está bien, así que uso E = 1/2 CV ^ 2, para un supercap típico de 100 F, 3 V, luego obtengo 450 J. Eso es difícilmente "kilojulios". Bien, veo que usas un 90F 5.6 V, por lo que almacenas 1.4 kJ, todavía apenas "kilojulios". Luego está el hecho de que no se puede descargar un supercap tan rápido.
@Bimpelrekkie: sí, pero esos 1,4 kJ no requieren muchos componentes de almacenamiento. Y, créalo o no, las supercápsulas tienen una "energía específica" más alta (o algún término similar) que las baterías Lion. Hay algunas aplicaciones muy buenas, todo lo que tienes que hacer es usar Google para encontrarlas.
@JulieinAustin Y, créalo o no, pero los supercapacitores tienen una "energía específica" más alta (o algún término similar) que las baterías Lion. Soy ingeniero, así que para mí energía = energía, no existe tal cosa como "energía específica" (al menos no hasta que uno defina claramente lo que significa). Aquellos que quieren demostrar que algo es "especial" suelen utilizar términos vagos como "energía específica", mientras que en el mundo de la ingeniería no lo es.
@Bimpelrekkie - "Densidad de potencia" es el término que estaba buscando.
@Bimpelrekkie - Y mientras buscamos liendres, ambos cometimos una buena cantidad de errores con las matemáticas. 1/2 * 90 * 10 (lo que di por lo que describí) ^ 2 = 45 * 100 = 4500 J, que es kilojulios en plural. Así que... no seas ese tipo.
@Bimpelrekkie: aquí tienes, aunque todavía tenía la intención de usar "Densidad de potencia", así que hablé incorrectamente de todos modos. en.wikipedia.org/wiki/Specific_energy

Respuestas (2)

Está desperdiciando su tiempo y dinero usando supercapacitores porque cada diminuta celda de iones de litio 18650 tiene más de 10 000 faradios y puede usar toda su capacitancia Ah en un pequeño rango de voltaje de 3,7 a 3,0 V, a diferencia de los capacitores que se deben convertir para usar. toda su energía almacenada hasta 0V. Si quería más Jerk durante unos 100 milisegundos, lo que no le dará un impulso de aceleración promedio de más de 10 segundos.

Pero imagine una solución de elefante bebé con electrónica de potencia costosa para satisfacer un rango de voltaje de entrada súper amplio (>2:1 es amplio, 10:1 es súper amplio 100:1 nunca es una buena idea, así que piénselo de nuevo. Es una gran idea inicie motos de nieve por << 1 s pero no agote una bicicleta eléctrica por 10 s con una solución de "elefante blanco" pesada y costosa.

Pero mantenga este pensamiento durante otros 10 años y tal vez Maxwell tenga una solución súper corrosiva con electrodos C60 que contenga más energía/kg.

Además, al usar baterías de mayor voltaje, puede esperar una ESR más alta de las conexiones en serie pero disfrutar de menos pérdidas de conducción para la misma demanda de energía ya que usa menos corriente.

Usar "faradio" para describir la energía almacenada en una batería es simplemente incorrecto.
@JulieinAustin, por desgracia, eres tú el que está equivocado. Esta es la capacitancia que en amperios-hora se puede definir I*dt=CdV para dV = de 3,8 a 3,0 o según las especificaciones del OEM. Deberías saberlo mejor. ¿Dije C = E?
Entiendo que puede salirse con la suya con lo que hizo, pero la comparación solo es precisa si limita la "capacitancia" al rango de voltaje de la batería. Podríamos tener una discusión completa sobre por qué no estoy de acuerdo con usted, pero la razón principal es que el OP pregunta sobre una aplicación con una gran cantidad de ciclos de carga y descarga. Ese pobre 18650 no es capaz de la cantidad de ciclos de carga y descarga que citan Maxwell, Vishay y otros. A menos que limite la profundidad de carga y descarga, por lo que ha perdido muchos de esos faradios.
@JulieinAustin Mi análisis es correcto y C disminuye rápidamente con el envejecimiento a medida que aumenta la ESR al mismo tiempo. pero un súper límite equivalente a un 18650 es una solución masiva y costosa que dura un millón de ciclos en lugar de 250 a 1500, dependiendo de si sabe cómo extender la vida útil de la carga. su comprensión es incorrecta. C se calcula de Vi a Vf pero los topes de suministro no pueden encontrar un refuerzo para utilizar toda la energía a Vf=0. Mientras que las baterías no tienen ese problema.
Nuevamente, no estoy de acuerdo: las baterías de química de litio no CICLAN en el período de tiempo necesario para el frenado regenerativo. Es solo un hecho que los supercaps ya se están utilizando para la aplicación del OP. Lo que hace que la aplicación del OP no sea práctica no es la imposibilidad de la aplicación, es que una bicicleta eléctrica es la aplicación incorrecta para la tecnología. maxwell.com/products/ultracapacitores
Este documento cubre mejor la aplicación y explica por qué los supercondensadores se adaptan mejor al frenado regenerativo que las baterías. journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/1687814015573762

Existen múltiples causas de improbabilidad e impracticabilidad, pero no todas residen en la cantidad de capacitancia a un voltaje dado.

Puede calcular cuántos voltios y cuántos faradios se necesitarían y encontrar un valor que funcione. La matemática es relativamente simple ya que la energía, en julios, es igual a 1/2 CV^2, donde C está en faradios y V en voltios. Lo crea o no, pero para un vehículo en el rango de "bicicleta eléctrica", no es tan horrible para las velocidades, los pesos y los pasajeros de la "bicicleta eléctrica". Muchas bicicletas eléctricas tienen un rango de motor de 300 a 600 vatios y, por lo general, la aceleración a la velocidad máxima se produce en 10 a 15 segundos. En el extremo superior, necesitaría almacenar alrededor de 9000 vatios-segundo o 9000 julios.

Lo creas o no, esto no es difícil. Tengo un supercap 90F sentado en mi escritorio. Sucede que tiene un voltaje máximo de trabajo de 5,6 voltios, por lo que cuatro de ellos en serie-paralelo deberían hacer algo capaz de almacenar 90 faradios a 10 voltios. Conectando eso a E = 1/2 CV ^ 2, eso es 9,000 vatios-segundo. Realmente podría obtener 600 vatios de eso durante 15 segundos.

[Olvidé multiplicar por 0,5, por lo que la respuesta es en realidad 4,5 kJ, no 9 kJ, pero espero que mi punto esté claro]

Excepto que realmente no puedes. Cuando ese supercap está completamente cargado, 600 vatios a 10 voltios son 60 amperios, que es un cable MUY pesado. También es imposible porque un capacitor también tiene una "resistencia en serie equivalente" y, como saben, V = I * R. En este caso, V es la caída de voltaje en la resistencia del capacitor no ideal (ESR), I es la corriente (60 amperios), y R es el propio valor de ESR. También existe el problema no pequeño de obtener 60 amperios a través de los pequeños cables que están soldados por puntos en el supercondensador. Pero más concretamente, continuar extrayendo 600 vatios a medida que el voltaje se acerca a cero requiere una cantidad cada vez mayor de corriente.

Por lo tanto, no se trata solo de encontrar un supercondensador lo suficientemente grande: para aplicaciones de menor potencia, los supercondensadores están más que preparados para la tarea. Es solo que su aplicación específica requiere corrientes que están más allá del ámbito de la posibilidad razonable.

Buena respuesta. Pequeño punto: las unidades del SI que llevan el nombre de una persona tienen sus símbolos en mayúsculas, pero están en minúsculas cuando se deletrean. 'V' para voltio, 'A' para amperio, 'K' para kelvin, 'Ω' (omega mayúscula) para ohm, etc. Mientras tanto, 'k' es para kilo. También recomiendan un espacio entre el número y las unidades (como en '5 manzanas' en lugar de '5 manzanas').
Sí, pero soy un bicho raro. Soy un viejo bicho raro en un país que no usa unidades SI porque las unidades SI son malas y causan el socialismo. Simplemente no tengo la práctica con lo que debería CapItaLiZe.
¡Gracias por la respuesta! No había considerado la ESR como un problema por alguna razón, asumí que los supercondensadores eran la solución perfecta. Sin entrar en detalles sobre los requisitos de energía para una aplicación específica, me gustaría enfocar las respuestas hacia la implementación general de la administración de energía. A decir verdad, @bimpelrekkie tiene razón en que no es práctico para una bicicleta eléctrica y debería comprar baterías más capaces, por lo que, para el bien de los futuros diseñadores de vehículos eléctricos, ¿cómo podemos resolver de manera económica el problema de usar la capacidad total de un capacitor arbitrario de alta corriente? ¿banco?
@KentAltobelli: la respuesta corta es usar un voltaje de trabajo más alto. Casi siempre que la pregunta involucre pérdidas de I^2 R, aumentar V para reducir I es la respuesta. Lo bueno es que aumentar V también aumenta la energía almacenada.
Si su condensador está clasificado para ir más alto, entonces sí almacenará exponencialmente más energía, pero asumo que estoy obteniendo toda la energía de la configuración de mi banco de condensadores. Sin embargo, me haces pensar que el beneficio de un banco de voltaje más bajo es una velocidad de respuesta más baja para cualquier dispositivo que vaya a convertir hacia abajo o hacia arriba el voltaje del paquete de baterías para cargar/descargar los condensadores.
No hay beneficios para un banco de menor voltaje.
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