Суперконденсаторы для автомобилей своими руками
Суперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле
Понадобится
Этого хватит для первого опытного образца.
Первое испытание с запуском двигателя
Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.
Собрал все воедино.
Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.
Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.
После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.
В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.
В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.
Схема
Вот схема второго прототипа батареи.
Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой. Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.
Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.
На все про все уходит 15 минут времени. Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.
А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.
Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.
Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.
Полностью рабочий экземпляр батареи на суперконденсаторах
Собрал всю схему в пластиковой коробке. Временно естественно, чисто покататься и испробовать новшество.
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
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.
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.
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.
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.
Между собой соединил алюминиевой полосой сечением 30х1 мм, сделанной из обрезка тавра, купленного в магазине крепежа.
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.
Эксперименты
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.
Суперконденсатор или Гибридный Аккумулятор в авто
Пред история:
Отслуживший мне 4 года аккумулятор Varta C30 54Ah внезапно сдох, не завел авто при не больших морозах, предыдущей зимой я им конкретно занимался гонял и заряжал малым током снимал сульфаты с пластин, сверлил отверстия и мерил электролит, а перед этой зимой не нашлось времени с ним возится.
Сдал его под скидку и взял точно такой же выпуска июль 2015, но в качестве этого АКБ я засомневался сразу, после ночной стоянки при не большом минусе по началу 12.3 а после трех месяцев опустилось до 11.8 вольт.
Вообще я понял что для холодного климата Ca\Ca (кальциевые) АКБ это зло, с ними хорошо когда жарко и машина не глушится, но если вы ездите дом-работа-дом иногда в магазин то лучше не связываться с такими аккумуляторами.
Заинтересовался темой Суперконденсаторов, в Китае на них электобусы ездят.
Оказывается Камаз тоже делат Электробусы
Прочитал о этой теме:
Заказал через Ebay вот такие конденсаторы 500F 2.7V 6шт.:
Но первый блин комом, после первых тестов присланных конденсатов я понимаю что деньги потратил зря, они оказались фейками с не понятными параметрами, не больше 50 Фарад или меньше с напряжением 2.0 Вольта, при зарядке до 2.5 Вольта переводят заряд в тепло, огромные токи утечки, батарея из 6 конденсаторов разряжается за 2 часа с 12.6В до 8В, токи этих Фейков минимальны 2-3А при кз. Китайцы выдают не качественные ионисторы за суперконденсаторы … качество только выбросить…
Долгая переписка с продавцом, деньги мне все же вернули.
Такой вариант возможен при идеальных условиях и оригинальных суперконденсаторах Samhwa Green Cap Ю. Корея
Попытка номер два…
Купил суперконденсаторы БУ Maxwell 1200F 2.7V 6шт. — сборка: 1200 фарад / 6шт. = 200 фарад 16.2 вольта.
Зарядил до напряжения 14.7В через сутки напряжение 12.9, замерил токи утечки на напряжении 12.6В от 3 до 8mA, когда конденсаторы постоят заряженные и их несколько раз подзаряжаешь, саморазряд уменьшается до каких величин первые трое суток разряд с 16 вольт падает до 15 далее всё медленнее и через пол года заряд остается около 9 вольт.
Протестировал конденсаторы на Хомяке:
Прикинул емкость моей сборки, 140 Вт лампочек прогорели 63 сек при напряжении с 14.6 до 11в
емкость примерно 191 Фарад. токи утечки у Хомяка с сигнализацией 40мА, значит эта сборка может продержать заряд около 3-4 часов без использования Аккумулятора.
Теперь я столкнулся с проблемой найти подходящий корпус для сборки суперконденсаторов.
Решил искать убитый мото АКБ, так как по размерам подходил корпус от 20Ah аккумуляторов.
Нашёлся человек с местного Droma который услышал мой клич и отдал мне два убитых мото АКБ.
Один АКБ я распилил и сделал из него корпус, второй удалось восстановить но не полностью, внутри у него отваливается одна банка, в общем это ему не особо мешает подпитывать суперконденсаторы.
Вот что у меня получилось:
И все же машина может жить без стартерного АКБ!
Поставил на Хомяка только конденсаторы, заряда с 14.5в до 11.5в хватает на три с половиной часа, далее сигнализация заводит авто по низкому напряжению 11.5в в борт сети, подзаряжает конденсаторы и подогревает двигатель.
Зимой не плохой вариант отказаться вообще от Стартерного Аккумулятора но если машина стоит на улице.
Наконец совершенство инженерной мысли гибридная связка Мото Delta 14Ah AGM VRLA аккумулятор 2008 года, по ампер часам показал себя как новый и это после простоя в один год, так же у него оторвана внутри одна банка (иногда отваливается контакт) + Суперконденсаторы Maxwell, крутят стартер бодрее чем новая Varta 54Ah.
При напряжении 12 вольт бодрый запуск двигателя, за несколько секунд напряжение подымается до 14.5-14.8 вольт, после глушения двигателя малый АКБ продалжает заряжаться некоторое время, пока напряжение АКБ и конденсаторов не уровняется… при 13-14 вольтах запуск очень бодрый…
Отъездив на гибридной сборке половину зимы, впечатления только положительные, машина с таким запасом по току ведет себя более стабильно, субъективно тяга двигателя увеличивается и кажется что машина рвет с места, расход не измерял но явно он должен уменьшится не намного, один раз пришлось подзарядить маленький АКБ, так как поездки были в основном не продолжительные. Есть небольшой минус, несколько секунд после запуска двигателя идет высокая нагрузка на двигатель, выпрямительные диоды, генератор и ремень генератора. На лето поставил назад большой АКБ…
У многих может возникнуть вопрос: А что будет с генератором и с электрооборудованием авто при таком вмешательстве? Давайте подумаем что происходит при подключенном аккумуляторе почти тоже самое вся разница в том что сборка конденсаторов 200F имеет сопротивление 3.6 mΩ а аккумулятор допустим свежий 3 — 5mΩ а ведь некоторые подключают два аккумулятора да ещё и 90Ah, токи зарядки этих АКБ в первые секунды будут то же максимальными, в современном авто система зарядки представляет из себя не просто генератор, а регулируемый источник тока, ну а насчет электрооборудования то оно будет работать наиболее стабильно и эффективно добавляя немного мощности двигателю.
Вторая зима, аккумулятор подключил тонкими проводами, акб нужна только чтобы поддерживать заряд 3-8mA на конденсаторах и питать сигналку с мозгами 38mA, если надо подзарядить малого, ни каких проблем, снимается за 30 сек, дома заряжается, машина остается с конденсаторами и полностью питается от них.
Так запускается двигатель при 14 вольтах в бортовой сети.
Продолжаю тестировать на что способны конденсаторы лютой зимой.
Но я подготовился к какой ситуации, был бы здесь просто АКБ, геморрой обеспечен, поиск кто прикурит или снимать АКБ тащить домой для отогрева. С конденсаторами такой ёмкости их нужно подзарядить напряжением выше 13в, что я и сделал повышающим преобразователем подключил его к акб от бесперебойника, 3 минуты и конденсаторы подзарядились до 12.8в.
По формуле накопленная энергия в конденсаторе растет не линейно а квадратично J=(C*U^2)/2 при C=200F если на конденсаторе 9V то он имеет запас энергии 8.1 кДж а если он заряжен до 14V то мы уже имеем заряд 19.6 кДж, зарядим до 16V будем иметь заряд энергии в 25.6 кДж.
Нарисовал схемку подзарядки конденсаторов перед холодным запуском при использовании маленького аккумулятора, так как при сильных морозах напряжение на аккумуляторе и конденсаторах может опустится ниже 12 вольт что снижает энергию запуска.
Преобразователь нужно использовать с ограничением тока, диод шоттки и мощное реле.
Суперконденсаторы на запуск — Часть 2. Примерка, сборка батареи
Собственно, начало проекту было дано, и надо было реализовывать батарею где-то поодаль от мотора по температурным нагрузкам.
Сильно долго думать не пришлось, идея сборки гибридного АКБ оказалась наиболее реалистичной.
И место ему штатное:
Долой отслуживший 105Ач AGM.
Места прилично для будущего проекта:
Почему сразу не писал про гибридный АКБ — чтобы не вводить никого в заблуждение, ибо под гибридом обычно подразумевают Приус, едущий на парах бензина и глохнущий на каждом повороте. На моей же памяти классов гибридов не меньше 4. Поэтому в названии не они.
Не суть, тут разговор о «разделенном питании» гибридного АКБ:
— вся бортовая сеть будет питаться от Exide 70Ah AGM
— стартер (и только стартер) будет питаться от 15В батареи суперконденсаторов
Соответственно, был приобретен Exide EK700:
Информации по прописке АКБ масса, но и тут оставлю основные моменты:
Список разных аккумуляторов ниже.
Штатные Q7 аккумуляторы не AGM:
110AH/520A — 000 915 105 AK — Штатный Audi Q7 обычный АКБ
95AH/450A — 000 915 105 DK — Ауди Q7, Touareg
80AH/380A — 000 915 105 DH — Ауди Q7, Audi TTS
Аккумуляторы AGM (в т.ч. авто с Start-Stop):
105AH/580A — 000 915 105 CF — Ауди А4
Q7 с Start-Stop
92AH/520A — 000 915 105 CE — Ауди А4
Q7 с Start-Stop
75AH/420A — 000 915 105 CD — Ауди Q5, А4, А3, ТТ
72AH/380A — 000 915 105 DG — Ауди А3, Audi ТТ
Соответственно, выбор пал на код 000 915 105 DG (72Ач) и аккумулятор прописался в авто без проблем, независимо оттого, какой модели изначально предназначался.
Обратно к нашим баранам.
Почему именно EK700? Да потому что его габарит составляет 28см, а сборка конденсаторов — 12см, что в сумме дает штатные 40см и идеальную заполняемость:
Зазоры везде минимальные. Корпус под батарею у нас зачем-то замысловатой формы, как будто хотят, чтобы туда еще чего внедрили:
Для проверки собственных утечек батарея суперконденсаторов была подготовлена и оставлена на сутки без наблюдения в реальной среде обитания.
За
24ч напряжение просело с 15.1В до 14.97В, то есть лишь на 0.13В без подзарядки, что означает крайне низкий саморазряд и в целом неплохое качество китайских суперкондеров:
О трудностях заряда.
Изначальная идея — пускать стартер с завышенного напряжения, доступного в любое время дня и ночи, зимы и лета — 15В, дабы поднять обороты и скорость пуска при любых условиях.
Но эти самые 15В надо аккуратно «вкачать» в батарею, имеющую фактически нулевое сопротивление (=КЗ источника). Для безопасного ограничения тока заморачивался с разными вариантами — от резисторов до PTC и ламп от прожекторов:
Маломощные резисторы и току зарядного мало давали (дабы не раскаляться):
PTC на нужную мощность было не найти.
Лампа 230В 500Вт (тот же PTC) уже поднимала допустимый зарядный ток и держала его приличным еще долго:
При этом издавая теплое ламповое свечение 🙂
Но выбор таки пал на резисторы помощнее, на 20Вт 2.7ом, что при 5В разнице потенциалов (15В полностью заряженные кондеры и 10В минимальные для пуска) давало около 2А тока и умеренные 10Вт на самом резисторе в пиковых нагрузках (которых не будет, но лучше перебдеть, святое правило).
Важно понимать, что ниже 10В на конденсаторах опускать в этом случае не стоит — схема заряда будет надрываться. Но этот случай возможен только после 20 секунд непрерывного маслания стартером, что в моем понимании означает только одно — неисправный ДВС или топливная система. ДВС не должен запускаться дольше 1-2 секунд и точка.
Как заряд устаканился, появились заветные 4.9мА при 12В:
Но 12В же мало, нам надо побольше. Нужен конвертер.
Идем в магазин Открываем коробку с DC-DC конвертерами и выбираем повышающий на 4А (на XL6009, за бесценок с небезызвестного сайта):
И тут быть первой пробе пера — накручиваем нужное напряжение через временный балластный резистор:
И делаем серию пусков.
12.7В новый АКБ штатно:
Стартует уверенно, но по-дизельному, что ли. Не нравятся мне такие обороты.
Справедливости ради, отмечу, стартер штатный от авто 2007г с 380.000км пробега на данный момент. Для него это ожидаемые обороты. Рестайловые стартеры крутят бодрее.
Но зачем его менять когда можно легко выставить любое напряжение?
Например, 13.8В, условно напряжение сети работавшего авто:
Уже заметно бодрее, нет намека на вялый пуск или почтенный пробег.
Идем дальше — 15В, тест спроектированной системы:
Комментарии излишни.
Сравните снова с оригиналом двумя видео выше.
Сам сок системы в том, что можно легко регулировать напряжение в пределах 12-16В и, соответственно, отдачу стартера. Хоть даже выставить температурную зависимость (еще приподнимать зимой), что душе угодно.
Я же остановился на 15.3В, или 2,55В на ячейку. При 2.7В срабатывают балансиры, максимальное рабочее напряжение — 2.85В. Так что, запас приличный.
Собственно, собираем воедино:
Количество резисторов на фото больше нужного, не суть, метод проб.
Преобразователь был доработан и собственное потребление без нагрузки составило менее 1мА.
В итоге — полное потребление батареи конденсаторов поднялось с 4.9мА лишь до 5.5мА:
Это при удержании 15.3В на батареи в режиме 24/7. О большем и мечтать не нужно.
При этом балансировка ячеек после пары зарядов-разрядов оказалась идеальной — по 5.1В на пару:
Собственно, готовая батарея:
Все в сборе, повышающий преобразователь «на борту»:
В таком исполнении батарея восполняет свой заряд за 3-5 минут после пуска.
Полного зарядка батареи достаточно для 10 уверенных пусков, чего более, чем за глаза.
К слову, стартовая батарея теперь весит всего 3.1кг:
Ее предшественник на 53Ач тянул на 12-15кг, а полноразмерный AGM 105Ач и под все 30кг.
Ныне — примерно 20кг (70Ач AGM) + 3кг (суперконденсаторы) = 23кг суммарно, или около того.
Само собой, на дворе осень, околонулевые температуры и почти любой источник заведет авто без особого напряга.
То есть, обороты с температурой не падают, а это придает еще больше уверенности.
Да, масло не будет таким жидким в мороз и нагрузка на стартер будет повыше, но отдача пиковых токов до 2кА с суперконденсатора переплюнет любую вязкость масла, хоть заливай туда 10w-40.
Впереди проводка, окончательная сборка и приведение всех соединений в порядок. А также финальные тесты.
К одной же из причин слабых пусков/слабого заряда на штатной проводке можно отнести состояние плюсовой клеммы, которая за годы использования имеет свойство расшатываться: