Конденсаторная батарея для электромобиля

Добрый день всем, я обдумываю идею использования небольшой батареи суперконденсаторов для буферизации коротких импульсов для ускорения / регенерации электромобиля (вероятно, электронного велосипеда).

Кажется расточительным размещать конденсаторную батарею параллельно аккумуляторной батарее (обе с независимыми системами балансировки для соответствующих напряжений их блоков/элементов), потому что конденсаторная батарея будет обеспечивать/принимать энергию только при небольших колебаниях напряжения, когда аккумуляторная батарея обеспечивает/принимает текущий.

Какие существуют дешевые альтернативы для использования всей емкости конденсаторной батареи при небольших колебаниях напряжения? Активным решением может быть двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный, который может полностью разряжать батарею конденсаторов при падении напряжения аккумуляторной батареи, а затем перезаряжать конденсаторы, когда напряжение аккумуляторной батареи резко возрастает. Я полагаю, что это неидеально, потому что преобразователь постоянного тока должен быть высокой мощности (и, следовательно, тяжелым/дорогим), чтобы справиться с относительно редким случаем использования запуска/остановки.

Редактировать:

Чтобы сделать это забавным для нас, инженеров, давайте добавим некоторые цифры для более вероятной ситуации: мы хотим, чтобы 20 кВт в течение 10 секунд помогли разогнать электромобиль. 200 кДж, хранящиеся в блоке суперконденсаторов с плотностью 5 Втч/кг, составляют около 11 кг конденсаторов, что вполне разумно для электромобиля! На этой странице указано, что суперконденсаторы Maxwell способны заряжаться/разряжаться менее чем за 10 секунд: https://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor .

Чтобы подчеркнуть проблему, если у нас есть печальный аккумулятор с внутренним сопротивлением постоянному току 200 мОм , то нагрузка в 20 кВт на аккумуляторе по-прежнему будет снижать его напряжение только с 360 В до примерно 349 В, поэтому блок суперконденсаторов рассчитан на 200 кДж при параллельном подключении (3,08). F @ 360 В) обеспечит только 12 кДж, около 6% энергии, вряд ли мы могли бы получить мощность, если бы мы могли извлекать до 0 В.

Является ли единственным другим решением использование преобразователя постоянного тока, способного преобразовывать импульсы мощностью 20 кВт и отслеживать огромные колебания напряжения (следуя профилю напряжения заряда/разряда конденсатора)?

Добро пожаловать в SEEE. Я предлагаю вам сделать некоторые расчеты, чтобы определить: 1) какое количество энергии вам потребуется для хранения (для этого ускорения) 2) определить, сколько энергии на самом деле помещается в «маленький суперконденсатор» 3) определить, сколько из этих «маленьких суперконденсаторов» вам понадобится. 4) определить, возможно ли извлечь такое количество энергии за то время, которое вам понадобится (подсказка: невозможно). 5) сделайте такой же расчет с любым конденсатором по вашему выбору.
На мой взгляд, эти расчеты покажут, что ваша идея будет совершенно непрактичной . Но не стесняйтесь делать расчеты и докажите, что я ошибаюсь! Гораздо проще просто использовать батареи, которые могут обеспечить необходимую энергию во время разряда . Недавно меня попросили изучить проект, в котором конденсатор использовался для хранения некоторой энергии (от слаботочной ячейки) для выполнения всплеска передачи сотового соединения. Идея была совершенно непрактичной, так как (маленький) конденсатор не может хранить достаточно энергии даже для этого импульса передачи, а это всего пара джоулей.
Есть ли у велосипедного двигателя обгонная муфта? Если да, то нет регенерации.
@ Транзистор. Большинство двигателей электромобилей не работают на выбеге, поскольку они обычно обеспечивают рекуперативное торможение в качестве опции. Ради этого обсуждения следует предположить, что двигатель может быть принудительно регенерирован.
@Bimpelrekkie - Это может быть правдой, если вы используете конденсатор диапазона микрофарад в качестве выходного фильтра, но суперконденсаторы могут хранить килоджоули при разумных напряжениях.
@Джули, я на своем втором электровелосипеде. Первый имел двигатель со ступицей переднего колеса. Он заглох, когда я превышал 25 км/ч. У второго двигатель находится за кривошипом педали, и он приводит в движение цепь. Его скорость свободного хода зависит от выбранной передачи. Механизм свободного хода дает возможность крутить педали без посторонней помощи и без сопротивления заглохшего двигателя. Ни один из них не мог регенерироваться из-за механической конструкции.
@ Транзистор - я понимаю, что есть двигатели с функцией свободного хода, но есть и двигатели, которые этого не делают. Мы должны предположить, что OP будет использовать правильный тип двигателя, в противном случае ответ будет, как вы предлагаете, «вы не можете этого сделать, потому что двигатель будет работать на выбеге». Кроме того, я регулярно езжу на велосипеде со скоростью более 30 км/ч, что является одной из причин, по которой я не езжу на электровелосипеде;)
Я думаю, что это нецелесообразно по двум причинам. Во-первых, аккумуляторные батареи могут принимать ток регенерации без помощи конденсаторов. Во-вторых, чтобы использовать всю энергию ваших супер-конденсаторов, вам понадобится отдельный преобразователь постоянного тока, как вы предложили. Таким образом, вы добавляете конденсаторы и преобразователь постоянного тока, чтобы поддерживать то, что батареи могут делать сами по себе без них.
@JulieinAustin , но суперконденсаторы могут хранить килоджоули при разумных напряжениях, хорошо, поэтому я использую E = 1/2 CV ^ 2, для типичного суперконденсатора 100 F, 3 В я получаю 450 Дж . Это вряд ли "килоджоули". Хорошо, я вижу, что вы используете 90F 5,6 В, поэтому храните 1,4 кДж, все еще вряд ли «килоджоули». Тогда есть тот факт, что вы не можете разрядить суперкап так быстро.
@Bimpelrekkie - Да, но для этих 1,4 кДж не требуется много компонентов для хранения. И, хотите верьте, хотите нет, но суперконденсаторы имеют более высокую «удельную энергию» (или что-то в этом роде), чем батареи Lion. Есть несколько очень хороших приложений, все, что вам нужно сделать, это использовать Google, чтобы найти их.
@JulieinAustin И, хотите верьте, хотите нет, но суперкап имеет более высокую «удельную энергию» (или какой-то подобный термин), чем батареи Lion. Я инженер, поэтому для меня энергия = энергия, нет такого понятия, как «удельная энергия» (по крайней мере, до тех пор, пока вы четко не определите, что это значит). Расплывчатые термины, такие как «удельная энергия», часто используются теми, кто хочет доказать, что что-то является «особенным», в то время как в инженерном мире это не так.
@Bimpelrekkie - «Плотность мощности» - это термин, который я искал.
@Bimpelrekkie - И пока мы собираем гниды, мы оба сделали свою долю ошибок в математике. 1/2 * 90 * 10 (то, что я дал за то, что я описал) ^ 2 = 45 * 100 = 4500 Дж, то есть килоджоули во множественном числе. Так что... не будь таким парнем.
@Bimpelrekkie - Вот, пожалуйста, хотя я все еще хотел использовать «Плотность мощности», поэтому все равно сказал неправильно. en.wikipedia.org/wiki/Specific_energy

Ответы (2)

Вы тратите свое время и деньги, используя суперконденсаторы, потому что каждая крошечная литий-ионная ячейка 18650 имеет емкость более 10 000 фарад, и вы можете использовать всю ее емкость А·ч в небольшом диапазоне напряжений от 3,7 до 3,0 В, в отличие от конденсаторов, которые необходимо преобразовывать для использования. вся его накопленная энергия до 0В. Если вы хотите больше рывка примерно на 100 миллисекунд, который не даст вам, вы должны увеличить ускорение в среднем за 10 секунд.

Но представьте себе решение для слоненка с дорогостоящей силовой электроникой, удовлетворяющее сверхширокому диапазону входного напряжения (>2:1 — это широкий диапазон, 10:1 — это сверхширокий диапазон, 100:1 — никогда не будет хорошей идеей, так что подумайте еще раз. запускать снегоходы за << 1 с, но не разряжать электровелосипед за 10 с тяжелым и дорогим решением «белого слона».

Но подержите эту мысль еще 10 лет, и, возможно, у Максвелла будет суперкоррозионное решение с электродами C60, которое даст больше энергии на кг.

Кроме того, при использовании батарей с более высоким напряжением вы можете ожидать более высокого ESR от последовательных соединений, но иметь меньшие потери проводимости при той же потребляемой мощности, поскольку при этом потребляется меньший ток.

Использование «фарада» для описания энергии, хранящейся в батарее, просто неправильно.
@JulieinAustin, увы, это ты ошибаешься. Это емкость, которая может быть определена в ампер-часах. I*dt=CdV для dV = от 3,8 до 3,0 или в соответствии со спецификацией OEM. Вам лучше знать. Я сказал С = Е?
Я понимаю, что вам может сойти с рук то, что вы сделали, но сравнение будет точным только в том случае, если вы ограничите «емкость» диапазоном напряжения батареи. Мы могли бы провести целую дискуссию о том, почему я с вами не согласен, но самая большая причина в том, что ОП спрашивает о приложении с большим количеством циклов зарядки и разрядки. Этот бедный 18650 не способен на то количество циклов зарядки и разрядки, которое указывают Максвелл, Вишай и другие. Если только вы не ограничите глубину заряда и разряда, из-за чего вы потеряли много этих фарад.
@JulieinAustin Мой анализ верен, и C быстро снижается с возрастом, поскольку одновременно увеличивается СОЭ. но суперконденсатор, эквивалентный 18650, — это огромное дорогое решение, которое работает миллион циклов вместо 250–1500, в зависимости от того, знаете ли вы, как продлить срок службы зарядки. ваше понимание неверно. C рассчитывается от Vi до Vf, но ограничения снабжения не могут найти ускоритель, чтобы использовать всю энергию до Vf=0. Пока у аккумуляторов такой проблемы нет.
Опять же, я не согласен - литий-химические батареи не ЦИКЛируют в течение времени, необходимого для рекуперативного торможения. Это просто факт, что суперкапы уже используются для приложения ОП. Что делает приложение OP непрактичным, так это не невозможность приложения, а то, что электронный велосипед - это неправильное приложение для этой технологии. maxwell.com/products/ультраконденсаторы
Этот документ лучше описывает приложение и объясняет, почему суперконденсаторы лучше подходят для рекуперативного торможения, чем батареи. Journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/1687814015573762

Есть несколько причин невероятности и непрактичности, но не все они связаны с величиной емкости при заданном напряжении.

Вы можете рассчитать, сколько вольт и сколько фарад потребуется, и подобрать значение, которое будет работать. Математика относительно проста, так как энергия в ioules равна 1/2 CV^2, где C в фарадах, а V в вольтах. Хотите верьте, хотите нет, но для транспортного средства в диапазоне «электронный велосипед» это не так уж ужасно для скорости, веса и пассажиров «электронного велосипеда». Многие электровелосипеды имеют мощность двигателя от 300 до 600 Вт, и обычно разгон до полной скорости происходит в течение 10-15 секунд. На верхнем уровне вам нужно будет хранить около 9000 ватт-секунд или 9000 джоулей.

Верьте или нет, это не сложно. У меня на столе стоит суперкап 90F. У него максимальное рабочее напряжение 5,6 вольт, поэтому четыре из них, соединенные последовательно-параллельно, должны составить нечто, способное хранить 90 фарад при 10 вольтах. Подставив это в E = 1/2 CV^2, получим 9000 ватт-секунд. Я действительно мог получить 600 Вт из этого за 15 секунд.

[Я забыл умножить на 0,5, поэтому ответ на самом деле 4,5 кДж, а не 9 кДж, но я надеюсь, что моя точка зрения понятна]

За исключением того, что вы действительно не можете. Когда этот суперконденсатор полностью заряжен, 600 Вт при 10 вольтах составляют 60 ампер, что является ОЧЕНЬ тяжелым проводом. Это невозможно еще и потому, что у конденсатора тоже есть «эквивалентное последовательное сопротивление», а, как известно, V = I * R. В этом случае V — падение напряжения на сопротивлении неидеального конденсатора (ESR), I — ток (60 ампер), а R - само значение ESR. Существует также немалая проблема с получением 60 ампер через маленькие выводы, приваренные точечной сваркой к суперкапу. Но, что более важно, продолжение извлечения 600 Вт при приближении напряжения к нулю требует все большего количества тока.

Таким образом, это не просто вопрос поиска достаточно большого суперконденсатора — для приложений с низким энергопотреблением суперконденсаторы более чем подходят для этой задачи. Просто ваше конкретное приложение требует токов, которые находятся за пределами разумной возможности.

Хороший ответ. Небольшой момент: единицы СИ, названные в честь человека, имеют свои символы с заглавной буквы, но при написании пишутся строчными буквами. «V» — вольт, «A» — ампер, «K» — кельвин, «Ω» (заглавная омега) — ом и т. д. Между тем «k» — килограмм. Они также рекомендуют пробел между числом и единицами измерения (например, «5 яблок», а не «5 яблок»).
Да, но я чудак. Я старый чудак в стране, где не используются единицы СИ, потому что единицы СИ — зло и причина социализма. Я просто не получаю практики с тем, что я должен CapItaLiZe.
Спасибо за ответ! По какой-то причине я не рассматривал ESR как проблему, я полагал, что суперконденсаторы были идеальным решением. Не вдаваясь в подробности о требованиях к питанию для конкретного приложения, я хотел бы сосредоточить ответы на общей реализации управления питанием. По правде говоря, @bimpelrekkie прав в том, что это непрактично для электровелосипеда, и я должен просто купить более емкие батареи, поэтому для большего блага будущих разработчиков электромобилей, как мы можем дешево решить проблему использования полной емкости произвольного сильноточного конденсатора. банк?
@KentAltobelli - короткий ответ - использовать более высокое рабочее напряжение. Практически всякий раз, когда вопрос связан с потерями I ^ 2 R, ответом является увеличение V для уменьшения I. Самое интересное, что увеличение V также увеличивает накопленную энергию.
Если ваш конденсатор рассчитан на более высокие значения, чем да, он будет хранить экспоненциально больше энергии, но я предполагаю, что получаю полную энергию от того, как настроена моя конденсаторная батарея. Однако вы заставили меня задуматься о том, что преимущество батареи с более низким напряжением заключается в более низкой скорости нарастания для любого устройства, которое будет преобразовывать напряжение аккумуляторной батареи с понижением или повышением напряжения для зарядки / разрядки конденсаторов.
Нет никаких преимуществ для банка с более низким напряжением.
Конденсаторная батарея для электромобиля
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v