¿Qué tan práctico sería un amplificador de automóvil usando supercondensadores?

Comencé esta respuesta esperando que la respuesta fuera "no es una oportunidad", pero una mirada rápida a las especificaciones y los precios sugiere que podría hacer algo que fuera interesante y posiblemente útil hasta cierto punto, pero que es realmente poco práctico y ciertamente no rentable hasta ahora y es poco probable que sea rentable para algunos ciclos de la ley de Moore todavía.

Suponga que el arranque requiere 500 A a 12 V durante 1 segundo.
Eso es demasiado alto en muchos casos, pero las corrientes más bajas durante más tiempo son comunes, especialmente en una mañana muy fría.
Ajuste las suposiciones para que se adapten.

Energía en un capacitor
$= \frac{1}{2}CV^2$
$= 0.5 \cdot 1 \cdot 144$
por 1 Farad a 12 Voltios = Digamos 70 Watt segundos por Farad.

Arranque del coche =$12V \cdot 500A \cdot 1$segundo como arriba
= 6000 Watt segundos.

Entonces, la capacitancia requerida para suministrar esta energía a 12V =
$\frac{6000}{70} =~ 100 F$.

La mayoría de los supercapacitores tienen una clasificación de 2,5 V a 3,3 V por razones técnicas.

Puedes comprar módulos como este equipo de 42V 100F que mide 550 x 270 x 110 mm y pesa 13 kg. El billete almacena 88200 julios, por lo que es 88200/6000 ~= 15 veces más grande en capacidad que la solución de inicio único anterior.

Para construir una tapa de 12V a partir de tapas de 3v3 se requieren 4 en serie y de 2V5 = 5 en serie. Colocar capacitores en serie reduce la capacitancia en proporción inversa a la cantidad, por lo que necesitaríamos 400F con capacitores de 3v3 y 500F con capacitores de 2V5.

Si Murphy está activo, sería prudente usar, por ejemplo, 1000F x 12v = 5 x 200F a 2V5.

En esta etapa, se vuelve interesante cuando descubrimos que, por ejemplo, Digikey le venderá supercaps en este rango.

El costo es de aproximadamente 10 centavos por farad, por lo que un 200F ~~= $ 20 y un 4 cuestan $ 80. Di $1000.

Una mirada a las especificaciones muestra que aún no hemos llegado.
NO se especifica una corriente de descarga máxima pero una resistencia interna de alrededor de 10 miliohmios. Eso es quizás más de 200 amperios en cortocircuito. Cargado para la máxima transferencia de potencia en Rload = Rinternal = 10 miliohmios, digamos, eso es 100+A.
Eso no es lo suficientemente sucio para arrancar un automóvil, y aún no hemos analizado la caída de voltaje para extraer energía, etc.

Tenga en cuenta que en$\frac{V}{2}$una gorra ha agotado el 75% de su energía.
Si una tapa tiene el doble del contenido de energía necesario, drenarla al 70 % entregará la mitad de la energía interna y la otra mitad se almacenará para la próxima vez".

Claramente, una 'batería' que es buena para un comienzo no suele ser útil. Se necesitan tapas mucho más grandes a una carga mayor. E incluso entonces no será posible acercarse a la capacidad energética de una batería.

Entonces, aún no es práctico, pero lentamente se dirige hacia allí. Tal vez 10 años (alrededor de 7 ciclos de la ley de Moore)

Celdas de 470 - 3300 faradios x 2,5 V.

Fuga:

La fuga de lo anterior es de 0,5 C mA, por lo que para un límite de 200 F es una fuga de 100 mA. Un faradio suministrará eso durante 10 segundos y bajará un voltio.

Entonces tomará un límite de 200F$2 \cdot 200F = 400$segundos para bajar un voltio. ¡Necesita trabajo! Algunos serán mucho mejores que esto.

Las baterías tienen una curva de voltaje sobre carga relativamente plana, hasta cierto punto. Los capacitores tienen una curva lineal de voltaje sobre carga.

Con las baterías, puede configurar el paquete de baterías de refuerzo de manera que el voltaje se ajuste a sus necesidades en una amplia gama de porcentajes de carga.

Con capacitores, esta no es una opción, porque el voltaje cambiaría rápidamente con el uso. Para usarlo, necesitaría algunos componentes electrónicos de potencia para suministrar el voltaje correcto.

Además, actualmente la energía específica (energía almacenada por peso) de las supercápsulas sigue siendo inferior a la que proporcionan las baterías. Esto podría cambiar dentro de unos años.

Por lo tanto, en este momento, los supercondensadores proporcionan menos energía y necesitan electrónica de potencia adicional, lo que hace que su uso como fuente de energía sea ineficiente.

Discusión muy interesante; Agradezco los cálculos completos y detallados. Aunque la tecnología actual parece indicar que esta no es una aplicación práctica, encontré un manitas que parece haber tenido éxito: http://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w Aquí hay un producto comercial diseñado para la instalación en vehículos de 18 ruedas para garantizar la potencia de arranque; en este diseño, una de las cuatro baterías del camión se intercambia con el módulo de arranque del motor ultracondensador, pero con su propio cableado: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module

Tal vez con cuidadosas consideraciones de diseño, estas matrices de ultracondensadores pueden ser útiles en algunas situaciones.

Como parte de mi trabajo, tengo algunas herramientas que comparan bancos de capacitores para un voltaje inicial, voltaje final, potencia de carga y tiempo determinados. También tiene en cuenta los valores de ESR y EOL. Mi banco de datos no tiene todos los ultracap existentes, por supuesto, pero tiene algunos de los sospechosos más probables.

Así que supongamos que la batería que normalmente usaría comenzaría con 13,2 V descargada y caería a 7 V cuando se cargara a 500 A. Podemos calcular nuestra potencia a partir del voltaje mínimo, ya que es claramente suficiente para arrancar el automóvil. Para obtener 3500 W durante un segundo de un ultracap y permanecer en ese rango de voltaje, la mejor combinación que veo sería dos de estos en paralelo. Así que estás hablando de >$3k de ultracaps para reemplazar una batería de ~$100. Podría salirse con la suya con un módulo de ultracap en lugar de dos, especialmente si no utiliza valores de fin de vida útil, pero tendría muchos menos gastos generales y sus pérdidas de ESR aumentarían considerablemente. Incluso entonces, e incluso con el precio por cantidad directo del fabricante, todavía está hablando de $ 1500.

Así que es factible, y no del todo loco. Si es rentable o no, depende en gran medida de cuánto cuesta la batería y con qué frecuencia necesita reemplazarla durante la vida útil de su banco de tapas.

Con respecto a cómo cargarías el ultracap en sí, no creo que sea un problema. El voltaje del terminal en esa capacitancia con una carga de 3500 W después de un segundo es de aproximadamente 10,2 V, por lo que estamos hablando de una pérdida de carga de 11,5 kJ en las tapas. (¡Entonces estamos entregando 3.5 kJ a la carga y 8 kJ perdidos en ESR!) Eso se puede cargar desde un enchufe de pared en solo unos segundos. Si desea una segunda toma y tiene un enchufe de pared cerca, debería estar bien. Y no está cerca del límite de voltaje de los condensadores, lo que significa que su cargador no necesita ser particularmente inteligente, como tendría que ser un cargador Li.

Editar: me encontré con esta pregunta nuevamente y volví a ejecutar los números según las herramientas más nuevas, los precios y las piezas disponibles. La solución más rentable ahora parece ser cinco de estos en paralelo, con un costo de aproximadamente $600. Y eso sigue suponiendo valores EOL en las mayúsculas. Para nominal, solo necesitarías tres en paralelo. Gran mejora en los últimos dos años. ¡En realidad podría pagarse solo!