Суперконденсаторы вместо аккумуляторов: преимущества перед обычными АКБ и характеристики — «ИнфоСорт»

Что такое суперкоденсаторы и как они работают

Как можно хранить электрический заряд? Обычная цинко — углеродная батарея заряжается электроэнергией на заводе и может быть использована только один раз, после чего ее можно будет только выбросить. Батареи, подобные этой, дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды во всем мире выбрасываются каждый год.

Аккумуляторы и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество — но совершенно другими способами. Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом, называемым электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием, как электродов, так и электролита.

В результате химической реакции на электродах выделяются положительные и отрицательные заряды. Когда все химические вещества истощаются, реакция прекращается, и батарея разряжается. В перезаряжаемом аккумуляторе, таком как литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуке или MP3-плеере, реакции могут протекать в любом направлении, так что вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем аккумулятор износится.

Для чего используются суперконденсаторы

Если вам нужно хранить большое количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии затрачивается на хранение в конденсаторе, и у вас нет времени для зарядки аккумулятора, суперконденсатор может быть как раз то, что вам нужно.

Суперконденсаторы широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «резервуаров энергии», которые сглаживают источники питания для электрического и электронного оборудования. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареям для регулирования мощности, которую они отдают.

Суперконденсаторы используются в регенеративных тормозах, широко используются в электромобилях. Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, создаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортных средствах суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных накопителей энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно теряет при остановке, кратковременно накапливается и затем используется повторно, когда он снова начинает движение).

Помогла вам статья?

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем».

Если в обычном конденсаторе алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой – электронной.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике. Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты.

Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость – единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

   В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор».

Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

Какой разделитель установлен между пластинами

В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как настраиваемый диск внутри радиоприемника).

Когда конденсатор заряжается, положительные заряды образуются на одной пластине, а отрицательные — на другой, создавая электрическое поле между ними. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его прочность.

Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, который называется диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их выравниваться противоположно полю. Это уменьшает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда для данного напряжения.

Суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий, «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродных материалов, пропитанных электролитом. Пластины имеют большую эффективную площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность сохранять гораздо больший заряд.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, на каждой стороне сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый электрический двойной слой, толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).

Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC). Если вы посмотрите на нижний рисунок, то увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. В двух словах, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость, благодаря комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, изготовленных из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологий ), графен, аэрогель и титанат бария.

Обычный слюдяной конденсатор

Такой конденсатор накапливает столько же энергии, сколько батарея, но может заряжаться и разряжаться мгновенно, практически любое количество раз. В отличие от батареи положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никакие химические реакции не участвуют.

Конденсаторы используют статическое электричество (электростатику), а не химию для хранения энергии. Внутри конденсатора находятся две проводящие металлические пластины с изоляционным материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрический бутерброд, если так можно сказать. Зарядка конденсатора — это накопление зарядов на пластинах.

Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, которые изолируются, чтобы препятствовать их контакту, благодаря такому разделению пластин сохраняется энергия. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера накапливать больше заряда при данном напряжении, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они весят меньше, обычно не содержат вредных химикатов или токсичных металлов, и их можно заряжать и разряжать миллионы раз и не изнашиваются. Но у них также есть большой недостаток: конструкция конденсаторов не позволяет им сохранять такое же количество электрической энергии как в батареях.

Чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать колоссальные пластины. Например, грозовые облака — это супергигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и мы все знаем, насколько они велики! А как насчет увеличения емкости конденсаторов путем улучшения диэлектрического материала между пластинами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторов в середине 20-го века.

Особенности применения

Широкую популярность ионисторы приобрели благодаря стремлению человечества найти новые и более эффективные средства для того, чтобы накапливать и сохранять энергию длительное время. Основным достоинством, определившим его распространение, стала возможность суперконденсатора за короткий период времени импульсно выделять значительную энергию от 0,1 с до 10 с.

Ионисторы нашли применение в установках и технике, где необходим быстрый и качественный запуск электрооборудования в короткий промежуток времени даже при отрицательных температурах. При этом уменьшаются максимальные токовые нагрузки и приводит к экономии средств. Не исключено и применение для запуска двигателя внутреннего сгорания.

При соединении конденсаторов в батарею возможно добиться максимальной емкости сопоставимой с аккумуляторной для питания электромобилей. Однако при этом вес источника питания будет значительно выше чем у обычных аккумуляторов. Разработчикам практически удалось решить проблему превышающего веса, для этого необходим графен однако такое возможно пока только в лабораторных условиях.

В настоящее время одним самых наиболее удачных применений ионисторов стало использование в общественном электротранспорте. В конструкции такой техники применяются устройства бесперебойного питания в которых присутствуют суперконденсаторы.

Аварийное освещение в которых установлены конденсаторы большой емкости вместо аккумуляторов имеют значительное преимущество перед системами с обычными аккумуляторами.

Интересно знать! Некоторые зарубежные производители встраивают резервные источники питания на основе ионисторов в светодиодные лампы.

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

1. Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
2. Максимальный ток. (А).
3. Номинальное напряжение (В).
4. Емкость (Ф).
5. Параметры саморазряда.

В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами. Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов.

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии. Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор.

При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

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.

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.

Перспективы развития

Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа.

Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счёт создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объёмный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора.

В настоящее время создана одна из необходимых частей конденсатора — твёрдый нанокомпозиционный электролит с проводимостью по ионам лития. Ведётся разработка электродов для конденсатора. Одна из задач — уменьшить размеры ионистора за счёт внутреннего строения.

Учёные из Центра нанотехнологий Университета центральной Флориды (UCF) в 2022 году разработали гибкий ионистор, состоящий из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой из двумерных дихалькогенидов. Такой суперконденсатор выдерживает более 30 тысяч циклов зарядки.

Российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) (Сколково) в 2022 году разработали новый способ замещения атомов углерода на атомы азота в кристаллической решетке суперконденсаторов, который позволяет шестикратно увеличить их ёмкость, а также увеличить стабильность в циклах зарядки-разрядки.

Изобретённый способ плазменной обработки углеродных наностенок структурной решётки ионисторов замещает до 3% атомов углерода на атомы азота. Удельная ёмкость наностенки после такой обработки достигает 600 Ф/г. Учёные также объяснили, смоделировали и описали механизм включения атомов азота в углеродную решётку. Данное исследование открывает путь к созданию гибких тонкопленочных суперконденсаторов на основе углеродных наностенок.

Преимущества и недостатки

Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:

• Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
• Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
• Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
• Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
• Повышенные значения номинальной мощности.
• Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
• Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
• В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.

Интересно знать! Суперконденсаторы имеют сравнительно малые размеры относительно других подобных приборов.

Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:

• Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
• Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
• Увеличенное показание самостоятельного разряда.
• Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.

Преимущества и недостатки аккумуляторов и конденсаторов

Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши в хранении большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор? Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора в двух важных направлениях: его пластина имеет гораздо большую эффективность площадь, а расстояние между ними много меньше, потому что разделитель между ними работает по-другому принципу отличного от обычного диэлектрика.

Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются взаимозаменяемо, существует различие: они обычно изготавливаются из разных материалов и структурируются немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей простого понимания мы предположим, что это одно и то же.

Как обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, который эффективно дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.

Представьте себе, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вобрать небольшое количество воды, пористые пластины суперконденсатора делают больше похожими на кусочек губки, которая может впитывать воды во много раз больше. Пористые суперконденсаторные пластины — это губки впитывающие электричество.

Система гарантированного запуска на суперконденсаторах — в случае разрядки акб запускаем двигатель, не выходя из машины

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 https://aliexpress.com/item/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 https://aliexpress.com/item/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 https://aliexpress.com/item/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 2022 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.

Сравнение суперконденсаторов с батареями и обычными конденсаторами

Суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель с питанием от банок суперконденсаторов, также они используются в космосе (разработка НАСА). Большим преимуществом по сравнению с обычной длительной зарядкой является то, что его можно заряжать за считанные секунды, а не часы.

Базовая единица электрической емкости называется фарадом (F), названным в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в схемах электроники хранят только незначительное количество электричества (обычно оцениваемое в единицах, называемых микрофарадами (миллионные доли фарада), нанофарадами (миллиардные доли фарада) или пикофарадами (триллионные доли фарада).

В отличие от этого, обычный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, в миллионы или даже в миллиарды раз больше(оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies, имеют емкости, оцениваемые до нескольких тысяч фарад.

Но большое преимущество суперконденсатора заключается в том, что он может накапливать и высвобождать энергию практически мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, накапливая статические электрические заряды на твердых телах, в то время как батарея зависит от зарядов, которые производятся медленно в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Обычные батареи и суперконденсаторы различаются величиной энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, использованной или произведенной за определенное время. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они накапливают больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее).

Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени. Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольт), они могут быть подключены последовательно (например в батареи) для получения больших напряжений, для использования в более мощном варианте.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, их теоретически можно заряжать и разряжать любое количество раз (технические характеристики коммерческих суперконденсаторов предполагают, что вы можете циклически повторять их, возможно, миллион раз).

Суперконденсаторы — интересная альтернатива аккумуляторам и потенциальное будущее электромобилей