Quão prático seria um reforço de carro usando supercapacitores?

Atualmente, os amplificadores de carro (uma unidade portátil carregada em uma tomada e depois conectada ao sistema elétrico do carro para dar partida no carro quando a bateria do carro está descarregada) normalmente usam baterias - ácido-chumbo, Li-Ion ou LiFePO4. Durante vários anos, uma bateria no booster se esgotará.

Seria prático usar um banco de supercapacitores mais duráveis ​​em vez de uma bateria em um reforço?

Comecei esta resposta esperando que a resposta fosse "sem chance", mas uma rápida olhada nas especificações e preços sugere que você poderia fazer algo interessante e possível até certo ponto, mas que é realmente impraticável e certamente econômico até o momento e é improvável ainda seja rentável por alguns ciclos da lei de Moore.

Suponha que a partida exija 500 A a 12v por 1 segundo.
Isso é muito alto em muitos casos - mas correntes mais baixas por muito mais tempo são comuns, especialmente em uma manhã muito fria.
Ajuste as premissas para se adequarem.

Energia em um capacitor
=0,5⋅1⋅$= \frac{1}{2}CV^2$
$= 0.5 \cdot 1 \cdot 144$
para 1 Farad a 12 Volt = Diga 70 Watt segundos por Farad.

Partida do carro = $12V \cdot 500A \cdot 1$ segundo como acima
= 6000 Watt segundos.

$\frac{6000}{70} =~ 100 F$

A maioria das supercaps tem classificação de 2,5V a 3,3V por razões técnicas.

Você pode usar módulos como esta unidade de 42V 100F que mede 550 x 270 x 110 mm e pesa 13 kg. A nota que armazena 88200 Joule é 88200/6000 ~ = 15 vezes maior em capacidade que a solução de inicialização única acima.

Para construir uma tampa de 12V a partir de 3v3, é necessário 4 em série e 2V5 = 5 em série. A colocação de capacitores em série reduz a capacitância em proporção inversa à quantidade; portanto, precisaríamos de 400F com capacitores 3v3 e 500F com 2V5.

Murphy sendo ativo, seria sensato usar, digamos, 1000F x 12v = 5 x 200F a 2V5.

Nesse estágio, fica interessante, pois descobrimos que, por exemplo, o Digikey venderá supercaps nesta faixa.

O custo é de aproximadamente 10 centavos por Farad, então um 200F ~~ = $ 20 e 4 custa $ 80. Diga $ 1000.

Uma olhada nas especificações mostra que ainda não estamos lá.
NENHUMA corrente de descarga máxima especificada, mas resistência interna de cerca de 10 milliohm. Carregado para a transferência máxima de potência em Rload = Rinternal = 10 miliohm, digamos, isso é 100 + A.
Isso não é realmente ruim o suficiente para a partida do carro, e ainda não vimos a queda de tensão para extrair energia etc.

$\frac{V}{2}$

Muito claramente, uma 'bateria' que é boa para uma partida geralmente não é útil. São necessários limites muito maiores com maior carga. E mesmo assim, não será possível abordar a capacidade de energia de uma bateria.

Então - ainda não prático -, mas lentamente indo para lá. Talvez 10 anos (cerca de 7 ciclos da lei de Moore)

470 - 3300 células Farad x 2,5 V.

Vazamento:

O vazamento acima é de 0,5C mA - portanto, para uma tampa de 200 F, é um vazamento de 100 mA. Um farad fornecerá isso por 10 segundos e diminuirá um volt.

$2 \cdot 200F = 400$

As baterias têm uma curva relativamente plana de tensão sobre carga, até certo ponto. Os capacitores têm uma curva linear de tensão sobre carga.

Com as baterias, você pode simplesmente instalar a bateria auxiliar de forma que a tensão se adapte às suas necessidades em uma ampla faixa de porcentagem de carga.

Com capacitores, isso não é uma opção, porque a tensão mudaria rapidamente com o uso. Para usá-lo, você precisaria de alguns componentes eletrônicos para fornecer a tensão correta.

Além disso, atualmente a energia específica (energia armazenada por peso) das supercaps ainda é menor do que a que as baterias fornecem. Isso pode mudar dentro de alguns anos.

Portanto, neste momento, as supercaps fornecem menos energia e precisam de componentes eletrônicos adicionais, tornando seu uso como fonte de energia ineficiente.

Discussão muito interessante; Aprecio os cálculos detalhados e detalhados. Embora a tecnologia atual pareça indicar que essa não é uma aplicação prática, encontrei um funileiro que parece ter tido sucesso: http://www.youtube.com/watch?v=GPJao1xLe7w Aqui está um produto comercial projetado para instalação em 18 rodas para garantir o poder de partida; nesse projeto, uma das quatro baterias de caminhão é trocada com o módulo de partida do motor do ultracapacitor, mas por sua própria fiação: http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/products/engine-start-module

Talvez com considerações de design cuidadosas, essas matrizes de ultracapacitores possam ser úteis em algumas situações.

Como parte do meu trabalho, tenho algumas ferramentas que comparam bancos de capacitores para uma dada tensão inicial, tensão final, carga de energia e tempo. Também leva em consideração os valores de ESR e EOL. Meu banco de dados não possui todos os ultracaps existentes, é claro, mas possui vários dos suspeitos mais prováveis.

Então, vamos supor que a bateria que você usaria normalmente começaria com 13,2V descarregada e passaria para 7V quando carregada para 500A. Podemos calcular nossa energia a partir da tensão mais baixa, já que isso é claramente o suficiente para dar partida no carro. Para extrair 3500W por um segundo de um ultracap e ainda permanecer nessa faixa de tensão, a melhor combinação que vejo seriam duas delas em paralelo. Então você está falando de US $ 3k em ultracaps para substituir uma bateria de ~ US $ 100. Você pode se dar bem com um módulo ultracap em vez de dois, especialmente se você não usar valores de final de vida útil, mas terá muito menos sobrecarga e suas perdas de ESR aumentarão consideravelmente. Mesmo assim, e mesmo com os preços por quantidade diretos do fabricante, você ainda está falando em US $ 1500.

Portanto, é factível e não totalmente insano. Se é econômico ou não, depende muito do custo da sua bateria e da frequência com que você precisa substituí-la durante a vida útil do seu banco de limite.

Quanto a como você cobraria o ultracap em si, não acho que seja um problema. A tensão do terminal nessa capacitância com carga de 3500W após um segundo é de cerca de 10,2V, então estamos falando de uma carga de 11,5 kJ perdida nas tampas. (Estamos entregando 3,5 kJ à carga e 8 kJ perdidos na ESR!) Isso pode ser carregado em uma tomada em apenas alguns segundos. Se você quiser uma segunda chance e tiver uma tomada em qualquer lugar próximo, deve ficar bem. E você não está nem perto do limite de tensão dos capacitores, o que significa que seu carregador não precisa ser particularmente inteligente, como um carregador de Li teria que ser.

Editar: deparei-me com essa pergunta novamente e reexecutei os números com base em novas ferramentas, preços e peças disponíveis. A solução mais econômica agora parece ser cinco delas em paralelo, com um custo de aproximadamente US $ 600. E isso ainda está assumindo valores de EOL nos limites. Para nominal, você precisaria apenas de três em paralelo. Vasta melhoria nos últimos dois anos! Pode realmente pagar por si mesmo!