Суперконденсатор для автомобиля: ,

Содержание

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

Суперконденсаторы (ионисторы) 2,7 В 500 Ф.
Плата балансовой защиты.

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.

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

Система гарантированного запуска на суперконденсаторах

С помощью такой системы запуск двигателя происходит еще быстрее и комфортнее. Теперь не нужно лезть с джамп стартером под капот и накидывать провода на клеммы, пачкая руки и теряя драгоценное время. Помимо более мощного запуска в бустерном режиме (с повышенным напряжением), система также поддерживает и буферный режим (постоянное параллельное соединение ионисторов и АКБ). Этот режим позволяет продлить срок службы АКБ в 2-4 раза, минимизировать колебания напряжения бортсети и уровень помех в ней, а также повысить качество звучания автомобильной аудиосистемы. В обзоре я расскажу об изготовлении и опыте эксплуатации такой системы гарантированного запуска, построенной на базе ранее описанного суперконденсаторного джамп стартера.

После того как я сделал суперконденсаторный джамп стартер и положил его в багажное отделение, он превратился, по сути, в редко используемый дополнительный аксессуар из «аварийного набора автомобилиста», наряду с тросом, запаской и саперной лопаткой. Но у связки АКБ+суперконденсатор есть и другие достоинства (например, те что дает буферный режим), которые при таком пассивном сценарии остаются неиспользованными.

Попробуем извлечь для своего автомобиля максимум пользы и удобства из того, что может дать стационарное подключение ионисторов к бортсети. Сам принцип работы системы гарантированного запуска очень простой – это подключение заряженных до 16 вольт ионисторов к АКБ непосредственно перед запуском двигателя. Такое подключение выполняется из салона, нажатием кнопки, нет необходимости выходить из машины и открывать капот. Напряжение на конденсаторах и АКБ контролируется с помощью блока управления, установленного в салоне. Этот же блок выполняет и зарядку конденсаторов.

Вначале я опишу изготовление такой системы. Дополнительную информацию (схемы подключения ионисторов, в чем разница между буферным и бустерным режимами, за счет чего улучшается срок службы АКБ, параметры бортсети и качество звучания автомобильной акустики) можно посмотреть под спойлером в конце обзора.

Изготовление блока управления

Это первый компонент системы, который я решил сделать. Требования к нему у меня были следующие. Он должен находиться в салоне, на виду у водителя, показывать состояние и напряжение суперконденсаторного модуля, а также обеспечивать включение и выключение режима зарядки модуля. С эстетической точки зрения, блок также должен гармонировать с интерьером салона, а не выглядеть как вырвиглазный пример лютого агротюнинга) Что у меня в итоге получилось, наверно сразу понятно из заглавного фото к обзору.

Наиболее органично было бы сделать управление в виде штатных кнопок на центральной консоли. У меня все места под кнопки на торпеде уже используются и ставить дополнительные кнопки просто некуда. Поэтому я решил использовать когда-то купленную накладку тоннеля КПП под две дополнительные кнопки. Поскольку кнопок две, было задумано поставить в каждую из них по вольтметру, которые бы показывали напряжение на АКБ и на ионисторах. Купил 2 вольтметра минимального размера 0.28” 0-30V aliexpress.com/item/32843520253.html и в оффлайне купил пару штатных кнопок для переделки. Но встроить вольтметры в кнопки не получилось, они (точнее, их платы) оказались слишком крупными((( Я упоминаю вариант со штатными кнопками потому, что он вполне рабочий и будет выглядеть в салоне пожалуй наиболее гармонично. Но для моей модели авто он, к сожалению, не подошел из-за недостаточных размеров штатных кнопок.

Тогда будем делать блок управления с использованием дискретных клавишных переключателей (10A/12V DC, 16(10)A/250V AC), купленных в оффлайне. Отрезаем от накладки все лишнее:

Отпаиваем от вольтметров провода и соединяем их торцами с помощью автоскотча 3М. Снимаем накладку с панельного вольтамперметра и убираем все лишнее. Вырезаем из пластика защитное стекло и готовим к наклейке в накладку. Стык между вольтметрами зачерняем маркером:

Вклеиваем стекло и вольтметры. Торцы вольтметров зачерняем маркером:

Блок управления почти готов. На общей схеме всей системы он справа и выделен пунктиром:

Для удобства понимания я также перерисовал и добавил сюда схему суперконденсаторного модуля из прошлого обзора.

Припаиваем провода и понижающий DC/DC преобразователь aliexpress.com/item/32988783084.html для питания вольтметров. Зачем он нужен? По двум причинам. Хотя в вольтметрах стоит линейный стабилизатор питания, при напряжении выше 15 вольт он перегревается, что снижает точность показаний и сокращает срок службы вольтметров. Производитель рекомендует напряжение питания 5-15V. При работе стартера напряжение в бортсети может просесть до 8-9 вольт. Для работы понижайки нужна минимальная разница в несколько вольт между входным и выходным напряжением. Поэтому на понижайке я выставил 5 вольт. Вторая причина в том, что напряжение на ионисторах может быть меньше 5 вольт или вообще нулевым при полном разряде. В этом случае вольтметр без понижайки (т.е. с питанием от измеряемой цепи) работать не сможет.

Наклеиваем понижающий DC/DC преобразователь на боковую сторону переключателя с помощью автоскотча 3М. Клавишные переключатели подключаем автоклеммами, а соединения проводов обжимаем наконечниками НШВИ:

В местном автомагазине покупаю 5-контактную колодку в сборе и реле. Подключаю колодку, соединения проводов изолирую термоусадкой:

Блок управления готов:

Проверим точность показаний вольтметров. Производителем заявлен диапазон измерений 0.00-9.99-10.0-30.0V и точность для данного диапазона 0.2%（±2).

Результаты проверки меня полностью удовлетворили.

Изготовление корпуса под суперконденсаторный модуль, подключение силового и защитного реле

При заряде модуля от АКБ его выход нужно отключать от АКБ, иначе встроенный в модуль преобразователь может выйти из строя. Для отключения служит силовое реле DC12V 120A aliexpress.com/item/32812824781.html Второе реле обеспечивает дополнительную защиту, исключающую заряд модуля при возможном залипании контактов силового реле.

Готовим провода и наконечники для подключения. Силовые провода ПуГВ (ПВ3) сечением 10 мм². Параллельно катушкам реле ставим диоды в обратном направлении, для защиты от бросков напряжения при размыкании контактов. Изготавливаем короткий силовой кабель для подключения к выходу модуля. Делаем остальные коммутации под крышкой реле:

Делаем корпус под суперконденсаторный модуль и реле из подходящей пластиковой коробки. Лишние перегородки удаляем, недостающий вырез добавляем. Мелкое реле наклеиваем на большое с помощью того же самого автоскотча 3М. Фиксируем реле в отсеке вставками из вспененного полиэтилена. При установке в салон задвигаем эту коробку под водительское сиденье. Под капотом размещать нежелательно, ионисторы деградируют от жары, да и места у меня там нет.

Установка в автомобиль

Протягиваем силовые провода из салона под капот к АКБ через доступное технологическое отверстие в моторном отсеке. На плюсовой провод, на всем его протяжении, надеваем разрезную гофру. Обжимаем провода наконечниками под болт, усаживаем и прикручиваем к клеммам АКБ. В салоне под панелью монтируем размыкатель/автоматический предохранитель aliexpress.com/item/32797342228.html.

До и после.

Снимаем чехол рычага переключения передач и в боковой стенке тоннеля КПП сверлим отверстие для разъема блока управления. Подключаем суперконденсаторный модуль и реле к силовой проводке и к блоку управления. Кабели блока управления также прячем в разрезную гофру. Закрепляем кабель в отсеке рычага переключения передач и надеваем чехол обратно.

На этом установка системы завершена!

Запуск автомобиля с разряженной АКБ, который самостоятельно не заводится

Попробуем проверить, как система гарантированного запуска справится с самой, пожалуй, типичной проблемой – зима, в машине забыли что-то выключить и ушли, а на следующий день АКБ разрядилась, и автомобиль не заводится.

Для этого теста я оставил машину на ночь с включенными габаритами. Перед этим АКБ была почти полностью заряжена. Также я зарядил ионисторы до 16 вольт и отключил от АКБ перед тем как включить габариты. Ночью температура опускалась до минус 10. На следующий день АКБ разрядилась до 11.2 вольт, а ионисторы до 13.9 вольт. Температура двигателя на момент запуска была минус 7 градусов.

Опыт эксплуатации

Система была изготовлена и установлена на автомобиль несколько месяцев назад, осенью 2019 г. Работала и работает сейчас в буферном режиме. По сравнению со штатным режимом (без ионисторов), прокрутка и запуск двигателя происходит легче и быстрее. На авто стоит старая АКБ, сильно уставшая от прошлых разрядок в ноль из-за утечек. Менять ее на новую не собираюсь, надо же как-то отбивать расходы на систему гарантированного запуска). Из-за необычно мягкой зимы в наших краях всегда завожусь без проблем и в буферном режиме. Бустерный режим был успешно протестирован на холодном запуске с разряженной до 11.2 вольт АКБ при температуре ДВС минус 7 градусов. Насчет улучшения качества звука. Аудиосистема в машине стоит самая обычная, JVC KW-V12 (50 Вт х 4) + колонки JBL CS760C, отдельного усилителя и сабвуфера нет. На малой и средней громкости какой-либо разницы в качестве звука я не заметил. А на максимальной громкости напряжение в бортсети изменяется не так сильно и звучание басов стало в целом лучше.

Результат проекта

Система гарантированного запуска на суперконденсаторах (ионисторах)

Система состоит из суперконденсаторного модуля, блока управления с индикацией напряжения на АКБ и суперконденсаторах, блока коммутации и защитного отключения.

Система поддерживает три режима работы:
Буферный режим: суперконденсаторный модуль постоянно подключен к АКБ. Напряжение на АКБ и суперконденсаторном модуле – одинаково.
Бустерный режим (режим джамп стартера): Выход модуля отключается от АКБ, происходит заряд суперконденсаторов до напряжения 16 вольт от АКБ через повышающий преобразователь, затем выход модуля обратно подключается к АКБ и осуществляется запуск двигателя напряжением примерно 15 вольт.
Штатный режим работы АКБ: суперконденсаторный модуль отключен от АКБ.

Характеристики

Суперконденсаторный модуль — обзор;
— номинальное выходное напряжение 16 вольт;
— емкость 95 фарад;
— энергия 12,2 килоджоулей;
— заряд до 16 вольт от любого источника постоянного тока напряжением 7-35 вольт;
— индикация выходного напряжения;
— активное охлаждение встроенного step up / step down преобразователя и силовых ключей платы балансировки.

Блок управления

Обеспечивает заряд суперконденсаторного модуля в режиме джамп стартера, а также контроль напряжения на АКБ и суперконденсаторном модуле в любых режимах работы системы.

Блок коммутации и защитного отключения

Автоматическое отключение выхода суперконденсаторного модуля от АКБ при начале заряда в режиме джамп стартера. Ручное подключение/отключение от АКБ и аварийное отключение через автоматический размыкатель.

Возможности

— Гарантированный запуск автомобиля с бензиновым двигателем 1.6 л и стартером 1.4 КВт с разряженным (≥7.1 В) аккумулятором. Запуск более мощных автомобилей также возможен, но на практике не проверялся.
— Использование буферного режима работы системы облегчает запуск двигателя, позволяет продлить срок службы АКБ в 2-4 раза, минимизирует колебания напряжения бортсети и уровень помех в ней, а также повышает качество звучания автомобильной аудиосистемы.
— Система не требует никакого обслуживания.
— Морозоустойчивость.
— Безопасность при хранении и эксплуатации.
— Суперконденсаторы, на базе которых построена система, могут храниться в машине полностью разряженными и заряжаются от нуля до рабочего напряжения за несколько минут — даже от полностью разряженной (с напряжением 10,5 В согласно методике ГОСТ Р 53165–2008) АКБ.
— Суперконденсаторный модуль, входящий в систему, выполнен в виде автономного легкосъемного блока и может быть использован в качестве отдельного полнофункционального джамп стартера (обзор)

Спасибо за просмотр этого обзора! Буду рад, если какая-то информация окажется вам полезной.

Для тех, кто хочет большего

Какие бывают схемы подключения ионисторов к АКБ?

Буферная, бустерная, с повышающим преобразователем и без него, «островная архитектура» — когда суперконденсаторный модуль подключен только к стартеру и АКБ в запуске вообще не участвует, а также разные комбинации из вышеперечисленного. В своей системе я решил реализовать 2 режима подключения – буферный и бустерный с повышающим преобразователем.

В чем разница между буферным и бустерным режимами?

В буферном режиме суперконденсаторный модуль подключен к АКБ параллельно. Напряжение на АКБ и суперконденсаторном модуле одинаково и не может превышать максимальное штатное напряжение бортсети при запущенном двигателе и работающем генераторе, т. е. примерно 14.5 вольт.
Бустерный режим (от англ. boost -повышать напряжение) позволяет поднять напряжение бортсети примерно до 15 вольт при незапущенном двигателе и неработающем генераторе.

Зачем нужен бустерный режим?

Бустерный режим увеличивает мощность отдаваемую в стартер.
Чем выше напряжение при запуске, тем больше мощность, передаваемая стартеру (в ваттах, Р=U*I). Именно мощность обеспечивает запуск двигателя. Чем она больше, тем быстрее двигатель запускается.
А также, чем выше напряжение, тем выше энергия, которую может моментально выдать конденсатор (в джоулях, E= СU²/2). Если перевести джоули в киловатт-секунды, мы увидим, какую мощность может обеспечить суперконденсаторный модуль за этот промежуток времени. Например, энергия моего модуля составляет 12,2 килоджоулей, что равно 12,2 киловатт-секундам. Это означает, что модуль может отдать стартеру 12,2 киловатта за одну секунду, или 6,1 киловатт за 2 секунды, или 2 киловатта за 6 секунд, и т.д. При паспортной мощности моего стартера 1,4 киловатт.
В бустерном режиме мощность и энергия — максимальные. Это позволяет гарантированно завести двигатель, если в буферном режиме он не смог завестись из-за слишком разряженной АКБ.

Почему использование суперконденсаторов позволяет продлить срок службы АКБ?

Суперконденсаторы способны мгновенно принимать и выдавать высокую мощность на импульсные потребители типа стартера, снижая тем самым нагрузку на АКБ:

Источник: www.titanps.ru/files/sovmestnaja-rabota-akb-i-sk-titan.pdf

Насколько суперконденсаторы способны стабилизировать напряжение бортовой сети и снизить помехи в ней?

В дополнение к графику выше, можно посмотреть такие результаты тестов, проведенные Robert Zeff, известным разработчиком автомобильных усилителей и аудиосистем:

В этом тесте усилитель воспроизводит импульсный сигнал, длительность пачки импульсов составляет 300 миллисекунд. Видно, что просадка напряжения с конденсатором вдвое меньше.

При работе генератора подключение конденсатора также заметно снижает колебания напряжения и уровень помех:

Источник: kipelectronick. narod.ru/audio/audio.list/avto_zvuk/super_conder.htm

Буферное подключение суперконденсаторов поможет также избавиться от таких сетевых помех, как щелчки в динамиках при включении вентиляторов, реле и другого автомобильного электрооборудования.

Каким образом суперконденсаторы способны повысить качество звучания автомобильной аудиосистемы?

Известный у нас разработчик автомобильных аудиосистем, неоднократный призёр соревнований по автозвуку, преподаватель основ акустики и аудиотехники в МТУСИ (Московский технический университет связи и информатики), автор энциклопедии автозвука «Концертный зал на колёсах» А. И. Шихатов (aka Железный Шихман) сделал такое заключение по этому вопросу:

Буферные конденсаторы вряд ли окажут существенную помощь участникам SPL-состязаний, хотя и стабилизируют напряжение питания головных устройств и сигнальных процессоров. Однако они расширяют возможности батареи и обеспечивают неискаженную передачу импульсных сигналов, снижают коэффициент гармоник на низких частотах и будут весьма полезны поклонникам чистого звучания.

Что такое суперконденсатор? Объяснение следующего шага для электромобилей и гибридов. широко известен как преемник автомобилей с ДВС, и производители спешат электрифицировать свои модельные ряды: на автосалоне во Франкфурте в 2019 году будут представлены готовые к производству электромобили от Porsche, VW и Honda, и это лишь некоторые из них. И легко понять, почему.

Увеличенный запас хода, больше точек зарядки и общие усовершенствования по всем направлениям теперь делают электромобили серьезным соперником бензиновым аналогам. Но для многих они все еще далеки от совершенства, требуют времени для зарядки и по-прежнему не имеют по-настоящему широкой инфраструктуры, по крайней мере, в Великобритании.

Несмотря на то, что сейчас литий-ионная технология используется по умолчанию, она не может быть окончательным решением, когда речь идет о питании электромобилей. Суперконденсаторы обеспечивают решение некоторых затянувшихся проблем с полностью электрическими автомобилями с батарейным питанием, а также имеют дополнительные преимущества для гибридов. Они могут стать толчком, в котором нуждается мир электромобилей, но что такое суперконденсаторы, как они работают и настолько ли они научно-фантастичны, как звучат?

Что такое суперконденсатор?

Давайте сначала объясним, что такое суперконденсатор. Иногда называемый ультраконденсатором, суперконденсатор, как и батарея, представляет собой средство для хранения и высвобождения электроэнергии. Но вместо того, чтобы хранить энергию в виде химических веществ, суперконденсаторы хранят электричество в статическом состоянии, что позволяет им быстрее заряжать и разряжать энергию.

В химлабораторию!

Литий-ионные батареи работают за счет использования слоев ячеек с использованием положительных и отрицательных электродов, разделенных электролитом. Они генерируют заряд, когда ионы лития перемещаются от отрицательного заряда к положительному при разрядке, а при зарядке происходит обратное.

Как работают суперконденсаторы?

Конденсаторы, с другой стороны, хранят электричество в статическом состоянии, а не оставляют его «запертым» в химических реакциях. Вскройте конденсатор, и вы увидите две проводящие пластины, называемые электродами, разделенные изолирующим материалом, известным как диэлектрик. Эти две пластины, одна положительная, а другая отрицательная, генерируют электрическое поле при подключении к электрической цепи, которая поляризует атомы в диэлектрике, так что положительные атомы располагаются на стороне отрицательной пластины, а отрицательные атомы — на стороне положительной. пластину, тем самым создавая заряд.

Во многих отношениях суперконденсатор представляет собой просто конденсатор большего размера с большими электродными пластинами и меньшим расстоянием между ними, что позволяет хранить больший заряд в виде потенциальной электрической энергии. Суперконденсатор не использует диэлектрик; вместо этого пористые электродные пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким разделительным материалом. Когда через электроды проходит заряд, атомы в них поляризуются, придавая электродам положительный или отрицательный заряд.

Затем они притягивают электроны противоположной полярности в электролите и, таким образом, создают двойной электрический слой, а это означает, что суперконденсаторы сохраняют гораздо больше энергии, чем их обычные конденсаторы.

Каковы преимущества суперконденсаторов?

Суперконденсаторы уже используются в автомобилях с рекуперативными тормозными системами. Это связано с их большей удельной мощностью, чем батареи на основе химических реакций, что позволяет им быстро накапливать и разряжать электричество, что удобно для сбора энергии, вырабатываемой при торможении, а затем быстро высвобождает ее при ускорении.

Полноэлементные автомобили, такие как Toyota FCHV, также используют суперконденсаторы для обеспечения дополнительной ускоряющей мощности, которую водородные топливные элементы с трудом могут обеспечить в одиночку.

Им еще предстоит заменить литий-ионные батареи в качестве основного источника энергии, но электрические и гибридные транспортные средства развиваются из года в год, поэтому у суперконденсаторов есть большой потенциал, чтобы играть более важную роль в электромобилях следующего поколения. и зарядная инфраструктура для их поддержки.

Поскольку суперконденсаторы в значительной степени полагаются на физику, а не на химию для хранения своей энергии, они не разлагаются так же, как литий-ионные батареи. Это может предоставить огромные возможности для увеличения срока службы электромобиля, а также для снижения воздействия на окружающую среду использования литий-ионных элементов питания.

Но самым большим преимуществом суперконденсаторов перед литий-ионными и никель-кадмиевыми батареями является их способность быстро заряжаться и разряжаться; мы говорим о зарядке в минутах, а не часах. Таким образом, суперконденсаторы могут стать панацеей, позволяющей сократить количество часов, которое в настоящее время требуется для зарядки полностью электрического автомобиля, или повысить скорость гибридов, о чем мы расскажем позже в этой статье.

Суперконденсаторы также очень хорошо справляются с беспроводной зарядкой, что в сочетании с их способностью заряжаться на высокой скорости может устранить необходимость подключать электромобили к розеткам и сделать процесс зарядки более плавным.

Каковы недостатки суперконденсаторов?

В настоящее время есть две основные проблемы с суперконденсаторами, и наиболее тревожной является плотность энергии. Конечно, суперконденсаторы могут поглощать и отдавать большое количество энергии быстрее, чем литий-ионные батареи, но прямо сейчас они не могут хранить столько же.

Это проблема, которая делает их менее подходящими для электромобилей, но не означает, что они должны быть исключены в будущем. Не забывайте, что потребовалось некоторое время, чтобы извлечь приемлемый диапазон пробега из литий-ионных аккумуляторных систем, поэтому есть возможности для улучшения плотности энергии суперконденсаторов умными людьми, работающими над повышением их эффективности.

Исследователи из Университета Суррея заявили о прорыве в области материалов для суперконденсаторов, который может позволить им иметь диапазон бензиновых автомобилей, но это только начало, и вы не увидите этого в современных суперконденсаторах.

Второй проблемой суперконденсаторов в их нынешнем виде является разрядка или количество времени, в течение которого они могут удерживать заряд. В настоящее время суперконденсаторы не могут удерживать заряд так же долго, как литий-ионные батареи. Если вы, например, оставили автомобиль с суперконденсатором в гараже на неделю, то, скорее всего, вернувшись, обнаружите, что он не заряжен.

Быстрая зарядка может решить эту проблему, но вам нужно убедиться, что у вас есть под рукой зарядное устройство, которое имеет достаточную силу тока, чтобы обеспечить высокий заряд, который может выдержать суперконденсатор. У вас вряд ли найдется домашнее зарядное устройство с запасом на пару тысяч ампер.

Неизбежно, что по мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрого разряда, что в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы заменят литий-ионные аккумуляторные системы. Но это похоже на то, чтобы быть далеко.

Суперконденсаторы прямо сейчас? Рука помощи для гибридов

Так что теперь? Хотя суперконденсаторы, возможно, еще какое-то время не будут использоваться в электромобилях, эта технология уже идеально подходит для гибридных силовых агрегатов. Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки блоков питания в гибридных автобусах, когда они движутся от остановки к остановке, но производители автомобилей, такие как Lamborghini, обнаруживают, что они также могут значительно повысить производительность.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как запас хода и способность удерживать заряд, не так важны, и именно поэтому мы уже видим, как эта технология проникает в мир гиперкаров.

Lamborghini Sian сочетает в себе электродвигатель мощностью 34 л.

В Сиане использование суперконденсатора является единственным методом хранения электроэнергии, но, возможно, мы могли бы также получить автомобили, сочетающие суперконденсатор и литий-ионную технологию, используя преимущества обоих; литий-ионные батареи по-прежнему будут основным источником энергии, но суперконденсаторы могут дополнить их для более быстрого разряда и перезарядки энергии при ускорении и торможении.

Что ждет суперконденсаторы в будущем?

Мы просто выдумываем идею, но такой автомобиль мог бы работать на суперконденсаторах по городу, где есть инфраструктура для поддержки быстрой зарядки, эффективно переключаясь с одного источника питания на другой. Затем, для более длительных прогулок, автомобиль может переключиться на литий-ионный аккумулятор с рекуперативным торможением, помогающим увеличить запас хода.

Given Tesla купила Maxwell, специалиста по суперконденсаторам и батареям, в 2019 году. , есть шанс, что автопроизводитель сделает такой электромобиль реальностью; Время покажет, для чего Тесла использует технологию Максвелла.

Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки блоков питания в гибридных автобусах при движении от остановки к остановке. В настоящее время такие зарядные устройства не являются коммерчески жизнеспособными для массового производства, но по мере того, как все больше людей покупают электромобили, инфраструктура зарядки, вероятно, будет развиваться до такой степени, что широко распространенные зарядные устройства на суперконденсаторах станут реальностью.

Таким образом, мы можем ожидать появления точек зарядки суперконденсаторов и беспроводных зарядных устройств, питающихся от них, на станциях, подобно электрическому эквиваленту бензоколонки, способной заправить автомобиль за считанные минуты.

Чтобы добавить немного научной фантастики, такая зарядка может быть расширена за счет суперконденсаторов, встроенных в дороги, которые постоянно обеспечивают питанием электромобили, когда они мчатся и останавливаются на светофорах. За пределами выделенных полос на автомагистралях такое видение может показаться немного надуманным.

Но системы электромобилей, аккумуляторы, зарядка и технологии постоянно совершенствуются, поэтому возможности использования суперконденсаторов для усиления будущих электромобилей просто ошеломляющие.

Как спрятать суперконденсаторы в электромобилях

Доступные, мощные и эффективные электромобили — одна из самых ожидаемых технологий века. Аккумулятор энергии, возможно, является наиболее важным компонентом электромобиля и обладает самым большим потенциалом для того, чтобы заставить электромобили заменить автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Большинство ограничений электромобилей с одним источником (без вторичного источника движения) вызваны проблемами с накоплением энергии. Чтобы покрыть недостатки, вызванные основным источником питания, добавляется вспомогательный источник, чтобы превратить транспортное средство в систему с двумя или несколькими источниками, или системы, чтобы сделать их более независимыми и надежными.

Добавление суперконденсаторов, также часто называемых ультраконденсаторами, является наиболее часто используемым решением для решения проблем с хранением аккумуляторов. В этой статье мы рассмотрим роль суперконденсаторов в аккумуляторных электромобилях и посмотрим, как гибкий суперконденсатор может повысить производительность и дизайн электромобилей.

Электромобиль состоит из трех основных компонентов: электродвигателя, системы накопления энергии и контроллера. Электродвигатель — это исполнительный механизм, который приводит транспортное средство в движение, создавая силы для перемещения колес и в качестве генераторов для рекуперативного торможения. В то время как контроллер управляет тем, какая мощность необходима для ускорения и замедления транспортного средства, и связывается как с двигателем, так и с системой накопления энергии. Однако фактором, сильно влияющим на производительность и цену электромобиля, являются его накопители энергии. В большинстве аккумуляторных электромобилей, доступных на рынке, используются литий-ионные батареи, которые обладают отличными свойствами, такими как низкая скорость саморазряда, отсутствие эффекта памяти и медленная потеря заряда, когда они не используются. Несмотря на их доминирование, этой технологии еще предстоит решить некоторые проблемы, чтобы достичь баланса между эффективностью, экономичностью и надежностью.

Во-первых, литий-ионные аккумуляторы легко подвергаются воздействию высокой температуры, что приводит к снижению дальности действия и эффективности. Аккумуляторы также со временем теряют производительность из-за множества факторов, таких как пиковое использование, перезарядка и свойства текущих электроактивных материалов. Стиль вождения также влияет на срок службы аккумулятора в вашем электромобиле, так как ускорение и замедление вашего автомобиля, а также непредвиденные условия вождения могут привести к износу аккумулятора.

Опора для накопителей энергии

Для защиты аккумуляторов от скачков напряжения и других слабых мест электромобилям необходимы дополнительные системы накопления энергии. Наиболее часто исследуемым дополнением к системе накопления энергии электромобиля является суперконденсатор. Суперконденсаторы — это устройства накопления энергии, которые используют как электростатические, так и электрохимические принципы, используемые батареями и конденсаторами для хранения энергии. Они могут заряжать и разряжать энергию очень быстро и становятся все более важными для решения проблем с хранением аккумуляторов, возникающих в электромобилях.

Суперконденсаторы имеют гораздо более высокую емкость, чем обычные конденсаторы, и бывают различных размеров от 0,1 до более 1000 Ф. Их низкое внутреннее сопротивление и высокая удельная мощность позволяют им заряжаться и разряжаться, а также обладают почти мгновенной способностью поглощать и отдавать энергию. Но роль суперконденсатора в электромобиле может выходить за рамки резервного источника питания. В отличие от батарей, энергия в суперконденсаторах частично хранится в виде статического заряда, что приводит к высокой плотности мощности, которой не хватает батареям. В то время как батареи идеально подходят для медленной разрядки с течением времени, быстрые всплески энергии легко повреждают химические элементы и снижают их производительность. Высокая плотность мощности суперконденсатора позволяет ему быстро заряжать или разряжать большое количество энергии без ущерба для его способности накапливать энергию. Это делает суперконденсаторы выгодными в сценариях, в которых вам нужно подавать или захватывать большую мощность за короткое время, например, при ускорении и рекуперативном торможении, где суперконденсаторы захватывают кинетическую энергию от замедления, которая обычно рассеивается в тепло. По этой причине суперконденсаторы часто используются на гибридных автомобилях, таких как Lamborghini Sian и Toyota FCHV.

С другой стороны, суперконденсаторы имеют меньшую плотность энергии, чем аккумуляторы, поэтому большинство из них не могут самостоятельно поддерживать электромобили. Они также имеют более высокую скорость саморазряда, чем батареи, что делает их непригодными для длительного хранения.

Исследователи все чаще изучают комбинацию суперконденсаторов и батарей не только с использованием батарей или суперконденсаторов, чтобы увеличить дальность пробега и срок службы батарей аккумуляторных электромобилей. Комбинация двух вариантов накопления энергии, в данном случае батареи и суперконденсатора, называется гибридной системой накопления энергии (HESS). Связь между батареей и суперконденсаторами делает систему более надежной, поскольку они компенсируют недостатки друг друга. Суперконденсаторы защищают батареи от колебаний мощности и продлевают срок службы, в то время как батареи могут обеспечивать долгосрочное хранение энергии, необходимой электромобилям.

Рис. 1. Конфигурация системы HESS аккумулятор-суперконденсатор. Однако добавление суперконденсаторов по-прежнему имеет некоторые недостатки. Больше всего беспокоит ограниченность доступного пространства. Для большинства электромобилей из-за их веса система накопления энергии должна быть размещена под автомобилем, а суперконденсаторы втиснуты в громоздкие аккумуляторные блоки. Поэтому дизайнеры должны сделать трудный выбор между эффективностью, пространством и весом. Добавление суперконденсаторов означает более длительный срок службы батарей, защиту от колебаний мощности и, следовательно, более высокую эффективность, но это также означает значительное снижение гибкости конструкции, что приводит к неудобному внутреннему дизайну или использованию меньшего количества батарей, что означает меньшую дальность действия.

Инновационный подход к суперконденсаторам

За прошедшие годы конструкция суперконденсаторов значительно улучшилась. Улучшения связаны с примеркой различных материалов и форм как для поверхности проводящей пластины, так и для электролита, используемого для повышения удельной мощности. Однако эти улучшения не решают проблему электромобилей, где разработчикам по-прежнему приходится жертвовать функциональностью и производительностью своих электромобилей, чтобы установить суперконденсатор. Необходимо сбалансировать правильное количество батарейных блоков и суперконденсаторов для достижения наиболее эффективного использования энергии.

Capacitech Energy, компания из Орландо, разработала суперконденсатор в форме проволоки, известный как кабельный конденсатор (CBC), который пытается решить многие проблемы с пространством и конструкцией, связанные с традиционными суперконденсаторами. CBC — это устройства накопления энергии в форме провода с характеристиками суперконденсатора, которые можно интегрировать в инфраструктуру проводки, освобождая суперконденсаторы от печатных плат. Этот гибкий суперконденсатор дает возможность внедрить суперконденсаторы в жгуты проводов, которых много в электромобилях, для создания гибких и эффективных систем HESS.

Жгут проводов автомобиля Bentley Bentayga. Повышение гибкости конструкции и снижение веса жгута проводов будет ключевой проблемой, которую необходимо решить для повышения эффективности электромобилей. Поддержка производительности батареи с использованием CBC как части жгута проводов автомобиля также означает, что источник питания может быть ближе к нагрузке и сводит к минимуму шум и потери энергии во время передачи. Это улучшает качество электроэнергии, что имеет решающее значение для более широкого использования подключенных датчиков в транспортных средствах. Более высокое качество электроэнергии также помогает регулировать энергию для других применений суперконденсаторов в транспортных средствах, таких как информационно-развлекательные центры, подключенные датчики и импульсные источники питания. Для рекуперативного торможения это также означает более эффективное накопление энергии, поскольку суперконденсатор теперь может быть ближе к генератору. Также было показано, что CBC снижает ЭДС / ЭМП в жгутах проводов.

Заключение

Аккумулятор — один из самых важных и дорогостоящих компонентов электромобиля. Сочетание аккумуляторов с суперконденсаторами, часто называемое гибридной системой накопления энергии (HESS), может обеспечить некоторые решения проблем, с которыми сталкиваются литий-ионные аккумуляторы. Гибкие суперконденсаторы могут быть компонентом, отсутствующим в этих системах.

Полную информацию о спецификациях продукции Capacitech, а также информацию о заказе и доставке можно найти на сайте Capacitech.

Ссылки и дополнительная литература

Horn, Michael, et al. «Суперконденсаторы: новый источник энергии для электромобилей?» Экономический анализ и политика, том. 61, 2019, стр. 93–103., doi: 10.1016 / j.eap.2018.08.003.

Мейер, Ричард Т. и др. «Гибридная модель прогнозирующего управления питанием электромобиля с аккумулятором и суперконденсатором».