Батарея 12В/100А на суперконденсаторах

Суперконденсатор в помощь аккумулятору

Прочитал темку :
Отчёт: Суперконденсаторы Boostcap/Ultracap/ИКЭ итд. в помощь акб лютой зимой (PGrap)
forums.drom.ru/toyota-vit…ienta/t1152002361-p8.html
и заинтересовался.
Решил забабахать супер конденсатор и себе.
Подключить последовательно 6 кондёров по 100F и получить один на 16F и напряжение в 16v
Это конечно мало для без аккумуляторной заводки, но как буфер для помощи в начале вращения стартёра должен очень помочь.
Поиграюсь, поэкспериментирую, а там глядишь разорюсь и на большую ёмкость, цены всё-ж не дешёвые.

заводим двигатель конденсатором 350 Ф при 8,7 В (Toyota FunCargo, 1NZ-FE)

Replacing My Car Battery with Capacitors! 12V BoostPack Update
6 х 350F 2.5v = 60F 15v

12V BoostPack. Replaces auto battery. Works great!

Самое прикольное, что ролики про моего Яриса… :6:

Старт ДВС от подобных конденсаторов, от этой-же конторы с тонкими выводами
Набор из 6 кондёров по 500 фарад = 83 фарада.

Экспериментальная проверка конденсатора
www.krasvolga.narod.ru/pap003.htm
Чтобы убедиться в полезности такой покупки, отсутствии негативных последствий для машины, администрация магазина решила организовать экспериментальную проверку конденсатора. Конденсатор «для грузовиков» повышенной мощности – ИКЭ 16/14(160F) был установлен на грузовой автомобиль УАЗ-3303. Умощнённая модификация конденсатора была выбрана потому, что двигатель после ремонта вращался туго и требовал явно больше затрат мощности, чем прокручивание двигателя «Жигулей». При подключении конденсатор был заряжен через лампу фары от батареи автомобиля. Подключение без зарядки вызвало бы мощное искрение на клеммах. Зарядка до 12 вольт заняла 14,3 минут. Если же дать ток зарядки 30 ампер, то потребуется 42 секунды на зарядку. Попробовал я зарядить конденсатор и от девяти батареек для фонарика. Зарядка происходила дольше — 27 минут, но для запуска стартером теплого двигателя этого хватило, ибо ёмкость батареек немного больше 0,9 А-ч. Ток при запуске тёплого двигателя составил 140 А. Для эксперимента специально была взята аккумуляторная батарея в последней стадии истощения. Её возможностей хватало на пару оборотов стартера. В случае фиаско – доставай ручку. После подключения конденсатора батарея поделилась с конденсатором крохами ёмкости. Как только напряжение достигло предела этой батареи – 11,64 В, был включен в работу стартер. Запуск был короткий и энергичный, и это при полумёртвой батарее! Итог следующий: максимальный ток стартера в режиме торможения составил 300 А, время уверенной прокрутки двигателя только конденсатором 11 секунд до напряжения 8,5 В. При включении фар с габаритными огнями напряжение на конденсаторе снижается с 14 до 12 В за 42 секунды. Как долговременный источник тока конденсатор неприменим, – для этого есть аккумулятор. Зато конденсатор может другое, — в любой мороз отдать максимум тока. В 2000 году исследовательскую дипломную работу выполнял выпускник АТФ А.Н. Телепня. Его результаты ещё более интересны. Мало того, что пусковой ток легко достигает 600 ампер несмотря на мороз. За счёт того, что конденсатор берёт на себя максимум нагрузки, аккумуляторная батарея работает в щадящем режиме и не выходит из строя за один-два сезона работы.

Расчёты, что-б не забыть :
Аккумулятор 60 Ампер-часов. Это значит, что аккумулятор может давать ток 60 ампер в течении 1 часа, или ток в 1 ампер в течении 60 часов.
Таким образом, например, мы можем использовать электрическую энергию с параметрами 60 Ампер 12 Вольт в течении 1 часа, то есть мы получим от акумулятора энергию, достаточную для совершения работы A=U*I*t = 12Вольт * 60 Ампер * 1час = 720Ватт * 3600 секунд = 2592000 Джоулей = 2.6МДж.
Этой энергии, например, хватит, чтобы вскипятить 7.7 литров воды комнатной температуры.
А для потребление стартёра при пуске автомобиля в среднем :
12 Вольт * 200 Ампер * 2 секунды = 4800 джоулей

Формула E=(C*U*U)/2 выражает собой накопленную конденсатором энергию.
То есть конденсатор емкостью 1 фарада заряженный до напряжения 12 вольт накопит в себе энергии 72 джоуля.
Соответственно 16 фарад = 1152 джоулей.

Потребитель — стартёр : 200A * 12V = 2400 джоулей в 1 секунду
Источник — конденсатор : (16F * 12V^2) /2= 1152 джоулей.
Конденсатора в 16 фарад теоретически должно хватать на 0.5 секунды работы стартёра.
Дальше можно легко соотнести время работы стартёра запасённое в конденсаторе определённой ёмкости.

Вот график стартовых токов (это для какой-то легковушки, но нас интересует общая форма кривой):

Как видно, в начале ток резко подскакивает до максимума (ток короткого замыкания стартера, когда ротор еще неподвижен, в нагрузке присутствует лишь активное электрическое сопротивление статора), потом где-то за 0.5 секунды потребляемый ток снижается вдвое (стартер начал проворачиваться, в нагрузке добавилось реактивное сопротивление) и дальше остается на этом устоявшемся значении, пока двигатель не заведется.
Задача конденсатора состоит в том, чтобы взять на себя питание стартера в эти первые 0.5 секунд, когда ток скакнул до 200А. Ну а дальше, когда кондер разрядится, питать стартер будет уже аккумулятор, но уже вдвое меньшим током.

Так ёмкость в 50-100 фарад можно использовать как хороший помощник для аккумулятора при старте стартёра, при начале его вращения когда он потребляет максимальный, пиковый ток.
Чем обеспечивает более щадящий режим эксплуатации аккумулятора и продлевает его жизнь.

Ёмкость в 200-500 фарад самостоятельно заводит автомобиль без аккумулятора, но нуждается в таковом для последующей быстрой подзарядки, в случае неудачного старта. В течении нескольких минут она заряжается от даже очень слабого аккумулятора(который самостоятельно не смог-бы запустить ДВС) и снова готова к очередной попытке.

Ёмкости более 500 фарад можно использовать вообще без аккумулятора, а для поддержки заряда и питания слабосильных потребителей во время стоянки,
питать их от источников в 5-10 А/ч.

Ёмкость в 1000 и более фарад, если таковые у кого-то появятся, могут хранить достаточный уровень заряда продолжительное время, сравнимое со стандартной аккумуляторной батареей и могут таковую заменить по всем параметрам. При том, что срок жизни конденсаторов более 10 лет.

Ионисторы вместо стартерного свинцово-кислотного аккумулятора

Идея запуска ДВС от ионисторов (на западе их называют суперконденсаторы) не нова, в сети есть несколько публикаций и видео роликов. В тех, которые я смотрел, либо ничего не вышло, либо получилось слишком дорого. Получилось заводить двигатель только на ионисторах емкостью 3 тысячи фарад. На 500 и 700 фарадах двигатель ни у кого не завелся.

Теория

Набравшись опыта коллег по цеху, решил сначала провести эксперименты на виртуальной модели гибридного аккумулятора. Для этого взял замечательную программу Yenka. Нашел в сети, то что у вазовского стартера рабочий ток примерно 150-200 ампер. Ионисторов в Yenka не нашел. Использовал обычные конденсаторы только с большой емкостью. В результате виртуальных экспериментов ионисторы в 500 фарад крутили стартер аж 3.5 секунды, пока напряжение не упало ниже 8 В.

Падение напряжения при виртуальном "прокручивании" стартера от сборки из 6 ионисторов по 500Ф

Падение напряжения при виртуальном «прокручивании» стартера от сборки из 6 ионисторов по 500Ф

Эксперимент в программе показывает, что можно завестись от сборки из шести 500 фарадников. Но на практике у коллег не получилось. Возможные причины:

я напутал в схеме в программе;

на самом деле ток стартера выше;

на практике были поддельные ионисторы.

1 и 2 я проверил расчетами «на коленке» — получился схожий с программой результат. 3 и 4 проверить не удалось.

Изначально, мне сильно не понравились клеммы на 500 фарадных ионисторах, они меньше чем на UPS-ных аккумуляторах. А если посмотреть на клеммы авто аккумуляторов и толщину провода к стартеру, то можно предположить, что из-за малого сечения клемм ионисторов было сильное падение напряжения на них и тока не достаточно чтобы провернуть стартер.

У конденсаторов, в отличии от аккумуляторов, под нагрузкой нет стабильного напряжения. То есть, если подключаем стартер к заряженной до 14 вольт батареи ионисторов, то через 2 секунды работы напряжение упадет до 11 вольт, еще через 2 секунды до 7 вольт. Чтобы напряжение снова поднялось, нужно заряжать конденсаторы. Поэтому время работы стартера сильно зависит от начального напряжения. Так как максимальное напряжение одного ионистора 2.7 вольт, а генератор в машине может выдавать до 14.5 вольт в сборе нужны минимум 6 ионисторов, тогда максимальное напряжение составит 16.2 вольт. Было бы разумно использовать весь потенциал ионисторов и заряжать их до 16 вольт. Не нашел достоверной информации о том не сгорит ли стартер от 16 вольт. Но в характеристиках других электроприборов в машине русским по белому сказано: «до 15 вольт». Решил рискнуть стартером и собрать гибридный аккумулятор, где будет 6 банок ионисторов на 16.2 В, подключенные только к стартеру, балансировочная плата, обычный аккумулятор на 12 вольт для питания всего остального и заряжаемый от генератора. И повышающий преобразователь чтобы повысить напряжение от 12 до 16 вольт.

Еще существенный недостаток ионисторов, особенно китайских — быстрый саморазряд. Поэтому, если оставлять преобразователь постоянно включенный, то он быстро высадит аккумулятор. Так как на зарядку ионисторов требуется время, решил сделать момент включения преобразователя как можно раньше — при снятии машины с сигнализации. От сигналки идет только минус, поэтому пустил через реле.

Читайте также  Подарочная коробочка из фетра

Закупка

Нашел в китайском магазине ионисторы на 350 фарад. Забил емкость в Yenk-у, оказалось, что их хватит на 2.5 секунды работы стартера. Заказал их, а также балансировочную плату.

Преобразователь сначала купил в китайском магазине повышающий, собрал схему, преобразователь сразу сгорел. Не учел то, что в нем не было ограничения по току, а у ионисторов практически нулевое сопротивление, вот и получилось короткое замыкание на выходе преобразователя. Ограничение по току бывает в повышающе-понижающих, купил — тоже сгорел, но не сразу. Купил третий другого исполнения — работает отлично!

Аккумулятор взял обычный от UPS на 7 Ач.

Сборка

В качестве корпуса будет коробка от старого свинцового аккумулятора. Крышку срезал так, чтобы клеммы остались на месте. Иначе клеммы будут на крышке и соединять их нужно будет соплями гибкими проводами. А я хочу все силовые соединения сделать жесткие, резьбовые. Полностью перегородки вырезать не стал, ширина одной “банки” как раз подошла под диаметр одного ионистора, оставил куски перегородок как изоляторы и для крепления преобразователя.

Резьба на ионисторах оказалась не стандартная — М8×1.0 (у стандартной шаг 1.25 мм, у этой 1 мм). Гайки чудом нашел в магазине грузовых запчастей.

Между собой соединил алюминиевой полосой сечением 30х1 мм, сделанной из обрезка тавра, купленного в магазине крепежа.

зажим плашечный ПА-2-2 ВК

зажим плашечный ПА-2-2 ВК

Внутри аккумуляторные клеммы проводились к пластинам свинцовым стержнем 12 мм. Для соединения с ним взял “зажим плашечный ПА-2-2 ВК” и отпилил от него кусок, нужного размера. К болту зажима прикрутил алюминиевую полосу, идущую к ионистору. Балансировочную плату соединил с перемычками тонкими проводами с клеммами на винты. Точно так же как и преобразователь и аккумулятор.

Общий “плюс” на 12В вывел через стенку корпуса болтом 6 мм. Точно так же вывел минус включения преобразователя.

Подгорели зажимы при плохом контактеПодгорели зажимы при плохом контакте

Эксперименты

Опыты будем ставить на «Калине» с двигателем 1.6, 16 клапанов. При заряде ионисторов до 16 вольт летом холодный двигатель с легкостью заводится. Прогретый заводится даже при 14 вольт. Зимой при температуре -11 так же успешно завелся но уже с трудом. Бывали случаи что с первой попытки не заводится, для второй попытки нужно ждать 1.5 минуты пока заряжаются ионисторы. Но со второй попытки всегда заводится. На новом стандартном аккумуляторе, в любые морозы машина заводилась с первой попытки.

Сейчас, зимой, сдох аккумулятор от UPS, либо он просто не предназначен для работы на морозе, либо мне его изначально дали еле живой. Его не хватает даже на втягивающее стартера, но ионисторы заряжает. Заказал 4 LiFePO4 аккумуляторы и балансир.

Батарея 12В/100А на суперконденсаторах

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» свойственнен 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. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

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.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

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.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

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. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

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.

Читайте также  Как сделать ароматизированного игрушечного мишку

Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology

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:

E = CU 2 /2,
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

W = CU 2 /7200000

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.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе

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. 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.

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.

Суперконденсаторы

Суперконденсатор – это современное накапливающее энергию устройство. Суперконденсатор способен:
— накапливать энергию как батарея;
— быстро разряжаться и заряжаться как конденсатор.
В результате электрохимическое устройство отличается:
— в 10 раз большей емкостью в сравнении с конденсатором;
— в 10 раз большей мощностью импульсного разряда в сравнении с традиционной аккумуляторной батареей.
Ионистор или молекулярный накопитель энергии по сути является конденсатором большой емкости.

Преимущества суперконденсаторов:
— быстрота зарядки и разрядки;
— малое внутреннее сопротивление;
— срок службы (минимум 10 лет);
— отсутствие ограничений по числу циклов зарядки и разрядки;
— диапазон рабочих температур (от -45ºС до +65ºС);
— простые способы зарядки без необходимости контроля;
— взрыво- и пожаробезопасность, экологическая безопасность, отсутствие токсичных веществ.

Где применяются суперконденсаторы:
Активное производство и продажа ионисторов объясняется тем, что на современном этапе развития человечеству требуются более эффективные способы накопления и хранения электроэнергии. Суперконденсатор хорош тем, что он обеспечивает импульсное выделение энергии за короткий временной промежуток – от 0,1 с до 10 с.
Ионистор становится незаменимым устройством в том случае, когда нужно обеспечить гарантированный пуск двигателя внутреннего сгорания автомобиля, строительной и прочей спецтехники, железнодорожной техники и так далее. Если раньше проблема запуска ДВС при разряженном штатном аккумуляторе или неблагоприятных погодных условиях требовала больших усилий, серьезных расходов и изобретательности, то сегодня для этого достаточно купить суперконденсатор.
Продажа ионисторов ориентирована не только на владельцев автомобилей и спецтехники вместо аккумулятора, для запуска двигателя. Суперконденсатор сегодня покупают и для обеспечения бесперебойной работы систем электроснабжения особо важных объектов. К примеру, в Москве их часто используют в:
— системах жизнеобеспечения медицинских и прочих учреждений;
— системах связи;
— для автомобиля, вместо аккумулятора;
— опасных производствах.

Суперконденсатор можно использовать вместе с солнечными батареями и гидрогенераторами.
Сегодня многие производители электротранспорта предпочитают приобрести ионистор в качестве замены аккумуляторов. В том числе, такой технологией пользуется отечественный производитель средств общественного транспорта «ТролЗа». Если электропривод троллейбуса питает суперконденсатор, то он становится независимым от контактной сети, что крайне важно для больших городов. Электротранспорт с ионисторами подзаряжается только на остановках с помощью выдвижных элементов, а на основном протяжении маршрута он приближается по маневренности к автобусам с ДВС.
Купить суперконденсаторные модули можно и для сборки электромобилей. В них данные устройства используются в качестве источника импульсной мощности при разгоне.
Если вы думаете, что суперконденсаторные модули доступны только крупным и богатым компаниям, то это уже давно не так. Молекулярный накопитель энергии сегодня может купить и небольшая организация, и даже частное лицо. Установленная на суперконденсатор цена определяется его техническими характеристиками. В первую очередь, это емкость и напряжение. Если вы хотите приобрести ионистор, то цена и прочие параметры всех моделей приведены в прайс-листе.

Что могут суперконденсаторы
Некоторые считают, что ионисторы, способны заменить любую аккумуляторную батарею в любом устройстве. На самом деле это не совсем так. Эти устройства решают свои специфические задачи, но полной заменой аккумуляторов стать пока не могут.
Приведем простой пример. Обычный суперконденсатор при весе 1 кг способен накопить в 25-30 раз меньше энергии, чем недорогой свинцовый аккумулятор. Однако у суперконденсаторов задача совсем иная. Суперконденсатор способен многократно и без какого-либо ущерба отдавать любую мощность. Ограничение здесь есть ровно одно – соединительные провода должны выдержать эти мощности. Если обычный аккумулятор заставить отдавать большую мощность за короткий промежуток времени, то он быстро выйдет из строя, и к тому же разрядится только наполовину. При этом суперконденсаторы заряжаются за считанные секунды. Обычной аккумуляторной батарее на это нужно несколько часов.
Эти особенности и определяют сферу применения суперконденсаторов. Ультраконденсаторы хороши как источники питания для устройств, которые потребляют большую мощность в течение короткого временного промежутка. Например, сюда можно отнести автомобильные стартеры, электроинструменты и электронную аппаратуру. Ультраконденсаторы сохраняют работоспособность при отрицательных температурах, что важно в наших условиях эксплуатации. М олекулярный накопитель энергии используется для запуска военной и гражданской техники.

Ионистор вместо аккумулятора: наглядная сборка накопителя энергии

Ионистор вместо аккумулятора-1

Ионистор вместо аккумулятора (он же суперконденсатор, ультраконденсатор) — в принципе это тот же конденсатор, только имеющий большую емкость, которую можно сравнить с аккумулятором. Вот именно такое устройство рассчитанное на напряжение 12v я собрал для нужд в бытовом хозяйстве.

Ионистор вместо аккумулятора — практический обзор сборки суперконденсатора

Практически такой прибор способен работать во много раз дольше, чем аккумуляторы различных типов, конечно при условии эксплуатации в определенных режимах. Вот в чем особенность применения ионистора вместо аккумулятора и его преимущество:

  • прибору не страшен полный разряд до нулевого значения;
  • в несколько сотен раз больше способен выдержать моментов заряда/разряда;
  • прибор не боится максимальных значений по току.
Читайте также  Мощнейшая проникающая смазка

Но не только такие особенности имеются у ионистора использующегося вместо аккумулятора, о них я скажу после выполнения сборки накопителя.

Необходимые компоненты

  • Суперконденсаторы в количестве восьми штук с номиналом 2,7v х 500F
  • Одножильый провод сечением от 2 мм²
  • Пару винтов и гаек

Ионистор вместо аккумулятора-2

Ионистор вместо аккумулятора-3

  • Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
  • Расходники: припой, флюс.

Ионистор вместо аккумулятора — порядок сборки батареи

В данном обзоре я буду собирать накопитель энергии с применением восьми конденсаторов, включенных по встречно-параллельной схеме. В принципе будет организованно четыре пары по две емкости включенных параллельно, а пары в свою очередь соединены последовательно.

Ионистор вместо аккумулятора-4

Эмалированный провод нужно выровнять и убрать с него лак. Выполняется это с помощью рабочего ножа или специального инструмента для зачистки проводов ( у кого он имеется).

Ионистор вместо аккумулятора-5

Формируем медный провод в соединительные шины

Ионистор вместо аккумулятора-6

Необходимо изготовить три квадратных элемента и пару полюсов для клемм «+» и «-«

Ионистор вместо аккумулятора-7

К сформированным изделиям для контактов припаиваем гайки, к которым будут подключаться провода питания.

Ионистор вместо аккумулятора-8

Залуживаем места соединения квадратов.

Ионистор вместо аккумулятора-9

Соединяем емкости в батарею, припаиваем проводники к выводам конденсатора, соблюдая при этом полярность.

Ионистор вместо аккумулятора-10

Вначале нужно собрать четыре группы.

Ионистор вместо аккумулятора-11

Теперь припаиваем шины для подключения проводов питания.

Ионистор вместо аккумулятора-12

На этом этапе нужно зарядить батарею током 5А.

Сборка суперконденсатора-1

По истечению пяти минут накопитель будет полностью заряжен.

Сборка суперконденсатора

Делаем испытательный тест лампой накаливания.

Сборка суперконденсатора-2

Делаем короткое замыкание выходных контактов — провод разогрелся до красного состояния.

Сборка суперконденсатора-3

Испытываем батарею подключением электромотора.

Сборка суперконденсатора-4

Где такая конструкцию используется

Использовать можно ионистор вместо аккумулятора, там где присутствуют большие и цикличные нагрузки по току. Классический пример: накопительная емкость для сабвуфера установленного в автомобиле. Кроме этого суперконденсатор может быть задействован в устройствах где происходят постоянные циклы зарядки/разрядки, например: устройства накопления солнечной энергии с последующей ее передачей фонарям освещения в ночное время.

Здесь приведены только два примера использования ионистора вместо аккумулятора, но на самом деле их существенно больше.
Стоимость компонентов для сборки такого прибора вполне приемлема, особенно если взять во внимание колоссальный срок их эксплуатации с учетом применения по назначению.

Питание электромобилей. За суперконденсаторами будущее?

В качестве источника хранения энергии для питания электромобилей сейчас в основном рассматривают литий-ионные аккумуляторные батареи. Первый аккумулятор данного типа изготовили в 1991 году. Основная характеристика, которая используется для оценки аккумуляторной батареи – удельная энергоемкость. Для литий-ионных аккумуляторов она около 250 Вт*ч/кг. Это означает, что в течение часа такой аккумулятор массой 1 килограмм может питать, например, электродвигатель мощностью 250 Ватт.

Если мощность электродвигателя легкового автомобиля будет 55 килоВатт (приблизительно 75 лошадиных сил), тогда для обеспечения 1 часа движения потребуется аккумулятор массой, равной 55.000/250 = 220 кг.

По сравнению с массой легкового автомобиля это не настолько много, но это только 1 час пробега, за который автомобиль проедет в среднем 60 километров пути. Если решать задачу увеличения пробега «в лоб», то необходимо по-тупому пропорционально увеличивать массу. А это, прежде всего, увеличение стоимости. Поэтому в электромобилях применяют различные электросберегающие технологии, например, во время торможения энергия возвращается в аккумуляторную батарею.

Недостатки литий-ионных аккумуляторных батарей

  1. Предельное количество циклов заряд-разряд. При последних технологиях количество этих циклов доходит до 10000. Если заряжать-разряжать АКБ пару раз в день, он может прожить лет десять, не более. Сейчас гарантийный срок работы производители определяют около 8 лет. Пока подержанный авто доберется к российским покупателям, АКБ надо будет менять, а это половина стоимости авто.
  2. Необходимость хранения АКБ в заряженном виде. Если довести заряд аккумулятора до нуля, и оставить на хранение в таком состоянии, он быстро теряет свою работоспособность.
  3. Невысокий диапазон рабочих температур. Температуры ниже минус 15 градусов Цельсия крайне опасны для литий-ионных аккумуляторов (как и выше плюс 50-ти).
  4. Опасность больших пиковых нагрузок по току.
  5. Большое время заряда в оптимальном цикле.

Что есть суперконденсатор?

Обычный конденсатор представляет собой две пластины проводника, разделенные тонким слоем диэлектрика. Конденсатор предназначен для накапливания заряда, то есть электрической энергии. Основная характеристика конденсатора – емкость. Она прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Единица емкости конденсатора – 1 Фарада. Не вдаваясь в физические тонкости, произвести конденсатор такой огромной (по физическим размерам) емкости до последнего времени было трудным и бесполезным занятием. Конденсатор емкостью 1 Фарада мог занимать место приблизительно, как тумбочка. Если пересчитать емкость в Ватт-часы:

Получится 0,5*1*3*3/3600 = 0,00125 Вт*час

То есть на такой «тумбочке» электромобиль и тронуться с места не сможет.

В начале 60-х Роберт Райтмайер запатентовал модель суперконденсатора. Вместо обычных пластин он предложил делать пористые пластины, у которых площадь на пару порядков больше. А сблизить площади этих неровных пластин он предложил с помощью электролита. Чтобы через электролит не протекал ток, пластины должны иметь разную проводимость: ионную и электронную. Потом эту технологию перекупила японская компания NEC. Практически реализовать такую технологию в полном качестве удалось только с приходом нанотехнологий. Сейчас, например, для покрытия пластин используют материал графен. Пару граммов этого вещества способны покрыть футбольное поле.

Таким образом, «тумбочка» стала размером «с ноготок».

На рисунке приведен конденсатор емкостью 10 Фарад. Конденсатор побольше выглядит солиднее. По размерам он, как граненый стакан.

Преимущества суперконденсаторов

Так чем же эти «банки» лучше привычных литий-ионных аккумуляторных батарей.

  1. Принцип накопления энергии. В аккумуляторных батареях энергия накапливается химическим способом, поэтому имеет ограниченное количество циклов. В суперконденсаторах идет накопление электрическим методом. Количество циклов заряда/разряда огромно (более 500.000).
  2. Если выбрать электролит большой плотности, рабочая температура может быть от минус 50 до плюс 80-ти градусов Цельсия. Это очень важно для наших широт.
  3. Скорость заряда минимальна. Время на зарядку суперконденсаторной батареи большой емкости предельно малое, менее пяти минут.
  4. Суперконденсатор может в течение короткого времени отдать большую энергию. На нем может быстро тронуться с места даже самосвал.
  5. Суперконденсатор без потерь свойств может очень долго находиться в полностью разряженном состоянии (спать).

Какие электромобили можно производить, используя суперконденсатор

Помимо «хороших» свойств суперконденсаторов, есть и «плохие», которые не дают его применять, где попало, прежде всего:

  • малая удельная емкость (приблизительно раз в 10 меньше, чем аккумуляторов);
  • линейная характеристика напряжения на конденсаторе при разряде (в начале разряда около 3-х вольт, посередине – 1,5 Вольта, а нужно для нормального питания — 3);
  • большой саморазряд (за суперконденсатор неделю может разрядиться наполовину);
  • большая стоимость суперконденсатора (тот, что показан на рисунке на 1200 Фарад стоит более 3.000 рублей);
  • невысокое рабочее напряжение (2,7 Вольта).

Говоря человеческим языком, масса конденсаторов значительно выше, их требуется подключать в схему последовательно, что уменьшает емкость дополнительно, увеличивает стоимость. Кроме этого, необходимы специальные схемы стабилизации питания и распределения напряжения.

Для примера, размер суперконденсатора для питания смартфона должен быть не менее пресловутого граненого стакана. Не представляется электромобиль с суперконденсаторным «туалетом» на борту. Зато такой «туалет» легко можно спрятать в грузовой машине или электротранспорте. Я не случайно привел такое сравнение. Внешний вид и размеры суперконденсаторной батареи что-то напоминают.

Масса такой батареи около 1300 килограммов.

Зарядное устройство, устанавливаемое на конечной остановке, не меньше.

Такие электробусы сейчас стали привычным транспортным средством в Минске. По характеру движения они напоминают троллейбус, немного дергаются во время старта и торможения. Это не случайно: при торможении они возвращают в батарею до 30-ти процентов энергии.

Длина маршрута этого 59-го маршрута в Минске около 12-ти километров, он подзаряжается после каждой поездки из одной конечной остановки в другую. Зарядные устройства находятся на конечных остановках. Длится заряд около 3-х минут. Водитель в это время отдыхает. Суперконденсаторные батареи производится под Минском, электробусы – в Минске. Такая небольшая длина пути до подзарядки пока адаптивна только к электротранспорту или, например, к производственным большегрузным машинам. Очень полезно, что суперконденсаторы могут «рвануть» с места груженый транспорт, быстро заряжаются при торможении. Обычный аккумулятор не способен это сделать.

Преимущество быстрого заряда существенно. Представьте, когда ночью в депо стоит куча электробусов на зарядке. Каждому подай по зарядному устройству. Суперконденсаторы утром по-быстрому зарядил – и в путь. Суперконденсаторы отлично пойдут для питания городских микроавтомобилей с небольшим дневным пробегом.

Какие перспективы, за чем будущее?

Я думаю, что будущее за соединением технологий. Это будут или аккумуляторные конденсаторы, или конденсаторные аккумуляторы. Сейчас такие технологии уже используются, например, пластины аккумуляторов покрывают графеном. Обязательно последует развитие технологий, уменьшение массы, увеличение рабочего напряжения, совершенствование элементов защиты. Поживем – увидим. То, что суперконденсаторы будут стоять в электромобилях, очевидный факт.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: