Подключение супер конденсатора к аккумулятору автомобиля. Холодный пуск двс. Использование двойного электрического слоя

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.

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.

Литий-ионный аккумулятор в качестве основного источника питания сегодня используется в самых разных устройствах и оборудовании.

В частности, он нашел применение:

• в транспортных средствах (электрокары, электрические автобусы, мопеды);
• в оборудовании (станки, робототехника);
• в гаджетах (планшеты, смартфоны и другие электронные девайсы).

Но, несмотря на столь широкую сферу применения, у него есть определенные недостатки, поэтому не прекращаются поиски полноценной альтернативы. Специалисты университета Сарри и Бристоля предлагают использовать суперконденсатор вместо , и у такого решения есть свои преимущества.

Из чего состоит устройство конденсатора?

За основу взят гидратогенный углеводородный полимер с измененными цепочками, что обеспечило высокую устойчивость материала к коррозии. После этого разработчики придали ему электронные свойства, причем они настолько хорошо справились с поставленной задачей, что диэлектрические характеристики материала оказались лучше от 1000 до 10 тысяч раз, чем у современных электролитов. Помимо полимера, который выступает в качестве электролита, в суперконденсаторе есть гладкие электроды из металлической фольги.

Какие преимущества дает идеальный конденсатор?

Использование такой конструкции для хранения энергии позволяет добиться значительных практических достоинств. Так, например, новинка отличается повышенной емкостью: 11-20 Ф/см2, для сравнения показатель аналогов, которые представлены на рынке, составляет 0,3 Ф/см2. Если говорить о плотности энергии, то в перспективе она может составить 180 Вт*ч/кг. Но на этом плюсы новинки не заканчиваются, ее отличает еще и высокая скорость зарядки, чем традиционные батареи похвастаться не могут. Перед изобретением открывается широкая область использования. К примеру, суперконденсатор для автомобиля обеспечит большую автономность транспортному средству и более удобную его эксплуатацию. Помимо электрокаров, устройство может быть использовано и в других сферах, где нужен надежный источник автономного питания.

Принес родственник-дальнобойщик видеорегистратор, который я заказывал ему пару лет назад. Видеорегистратор не включался, и я решил его попробовать починить. Убил на это около 10 часов, но результат оправдал ожидания, что побудило меня написать обзор, к тому же рукоблудие на муське нынче в почёте. В обзоре будут две кривые руки, дикий колхозинг, много скотч-тюнинга, волшебного дыма и прочих эпик-фейлов. Если вы перфекционист или просто эстет, то вам лучше, во избежание душевной травмы, пройти мимо, а остальных прошу посмотреть, что из этого получилось (осторожно, трафик - много фото).

Итак, вручил мне родственник нерабочий видеорегистратор, сказав, что расшатан разъем. Регистратор не плохой, по-моему на NTK96650 + AR0330, поэтому есть смысл его починить. После осмотра увидел, что одна прижимная лапка mini-USB опущена вниз и не дает штекеру вставиться до конца в разъем. Я разобрал регистратор, выпаял разъем (который выглядел довольно потрёпано), лапку выправил, впаял обратно. При подключении штекера питания загорелся индикатор charge, регистратор включился, но через 5 секунд экран начал тускнеть, мерцать, и регистратор выключился. Выдернул, воткнул снова - то же самое. В радиотехнике, схемотехнике и электронике я не силен от слова совсем, но мысль о том, что проблема с питанием, была верной. Решил впаять провода напрямую к контактам разъема miniUSB и подать на них питание (в обход разъема), но все осталось по-прежнему. Выпаял аккумулятор формата 032035 (емкость таких аккумуляторов обычно 150-160мАч) и проверил его на iMax B6. Зарядил его током 0.2А, поставил разряд током 0.3А и аккумулятор выдал 20мАч, на токе 0.1А он выдал чуть больше. Я его отпаял и сразу выкинул. Подал 4,2В на вход с аккумулятора, включил регистратор по кнопке и - эврика! Он заработал! Потребление тока 0.5-0.6А! На таком токе аккумулятор давал дичайшую просадку и работал буквально секунды. Видимо, частые поездки на север убили аккумулятор и у него сильно выросло внутреннее сопротивление.

Стал думать дальше. Очень странным мне показалось то, что регистратор не хотел работать при подаче питания на miniUSB. Ток был 0.04А, который, скорее всего, шел на заряд аккумулятора. Видимо, эти цепи как-то развязаны (диодом или понижающим до 4,2В конвертером с ограничением по выходному току?), и питание бралось с платы защиты аккумулятора. Но как он тогда раньше работал, когда питался от аккумулятора при токе заряда 0.04А и токе разряда 0,6А? Может что-то в нем погорело, но моих знаний не хватит найти причину. Значит будем устранять последствия. Выявились две проблемы:
1. Если подавать питание на вход с платы защиты, то регистратор придется каждый раз включать по кнопке. Значит надо совместить вход miniUSB и вход с платы защиты.
2. Если отказаться от источника резервного питания, то при отключении питания регистратор не сможет корректно завершить работу и записать файл на карту памяти. Значит обязательно надо резервный источник питания.

Первую проблему я решил, соединив через диод и резистор 47Ом плюсовые контакты miniUSB и входа с платы защиты. Диод взял обычный 1N4007, при входе 5,2В на выходе с платы защиты 4,2В, на miniUSB входе через резистор тоже 4,2В. Резистор одел в кембрик, чтобы он не коротнул на плату.








Теперь регистратор стал сам включаться при подаче питания.

Приступим ко второй проблеме. Ставить такой же аккумулятор - ждать месяц, да и не надежно - неизвестно из какого навоза и в каком подвале лепил его дядя Ляо, да и на жаре, на холоде, от токов 600мА (4C) он быстро придет в негодность. Аккумулятор большей емкости не решит всех проблем… Что же делать??? И тут я вспомнил про два суперконденсатора MaxFarad на 2.5V 90F, которые валялись у меня мертвым грузом уже 3 года.


Как обращаться с суперконденсаторами я не знал. Выставил на блоке питания 5В и решил зарядить их, в начале зарядки ток был 12А:))) Я, конечно, знал, что у них большое внутреннее сопротивление, но такого тока я все равно не ожидал. Как же их заряжать? Была у меня плата защиты от подобного мелкого аккумулятора на одной микросхеме, попробовал зарядить аккумуляторы через нее - она уходила в защиту. Видимо, она не ограничавает тока заряда, а только не дает разрядить аккумулятор ниже определенного значения. Полез в мусорку, отпаял плату защиты от аккумулятора с регистратора, эта плата с двумя микросхемами, одна - ноунейм микросхема защиты G3JX, вторая - силовой ключ 8205А (20В 5А), который, как я понял, и отвечает за регулировку тока заряда. С платой защиты кондеры чувствовали себя комфортно, ток заряда не превышал 3А при напряжении на кондерах около 0В. Этот ток длится не долго, поэтому нагреться ничего не успевало. Замерил емкость конденсаторов в диапазоне 4,2В - 3,0В на iMax B6 - она не далеко ушла от этого дохлого аккумулятора, около 30мАч, но просадки по напряжению не было и регистратор работал от кондеров 30 секунд (ток 0,6А). Была идея использовать повышайку до 5В, чтобы снять с кондеров раза в 3 больше, но, поразмыслив, понял, что это лишнее - регистратор выключается через 15 секунд после отключения питания, так что запас по емкости двукратный.

Дальше нарисовалась еще одна проблема. Надо сделать разъем для подключения питания. Я не стал использовать для этого имеющийся miniUSB, т.к., во-первых, это другая цепь питания, во-вторых, вы дальше сами поймёте. Хотел поставить стандартный 5.5мм, но он громоздкий и в корпус его не впихнуть. Решил поставить microUSB. Была у меня в заначке плата с разъемом microUSB и контактами 2,54мм, которую я покупал для ардуинства. Высверлил в боковой стенке регистратора сверлом на 5мм отверстие для разъема




Припаял контакты


И залил все черными соплями (термоклеем)






Да, отверстие великовато, ну да ладно, что сделано - то сделано:) Что удивило - разъем как тут и был: с одной стороны прижат платой, с другой крышкой, так что сидит плотно, при вдергивании и выдергивании нагрузки на клей не будет. А провода, припаянные снизу, не дают ему контактировать с элементами на плате.


Но тут я рано радовался - меня ждал первый эпик фейл. Попробовал закрыть корпус - динамик на лицевой крышке упирался в плату разъема microUSB и не давал закрыть корпус. Решение было очевидным - укоротить плату. Мне лень было лезть за дремелем и я варварски оторвал кусачками часть платы


Зачистил две дорожки


И подпаял к ним провода


Чтобы разъем не контактировал с элементами на плате, я наклеил на них скотч


Все встало хорошо, теперь динамику ничего не мешает


Вы внимательно посмотрели фотографию? Я вот был не внимателен и упустил важный эпик-фейл №2, который все-таки обнаружил до сборки - минусовой провод был в натяжку и он почти оторвался по пайке, залез на разъемы шины данных USB. К сожалению, у меня не было мелких супер гибких проводов в силиконовой изоляции (эти белые я содрал с нерабочих светодиодных полосок), пришлось использовать обычный брутальный провод. Заменил провод на более длинный.




Но регистратор никак не хотел закрываться. Пришлось укоротить кембрик, изолирующий плату защиты,


приклеить его скотчем к кембрику с резистором


и провести провод для конденсаторов в канавку.


Вот теперь все закрылось, хотя и с натягом, можно завинчивать




Проверка… Все работает исправно. Регистратор включается, при отключении питания выключается через 15 секунд.

Теперь еще один аргумент в пользу microUSB разъема. Я решил использовать магнитный разъем, купленный недавно для моего Xiaomi Redmi Note 3 Pro. Уж очень он мне понравился - не выступает, не надо задумываться об ориентации разъема при подключении к телефону, вставляется легко (разъем microUSB в телефоне не расшатывается), при сильном изгибе провод не выламывает разъем microUSB, а магнитный штекер отцепляется одной гранью (но продолжает заряжать!). Кабель, конечно, похуже оригинального: на оригинальном ток зарядки 1,75А, на этом 1,25А, но для меня это не критично - плюсы этого разъема перевешивают этот минус. Ссылка указана на похожий товар, мой продавец снял лот с продажи. Со слезами выдергиваем разъем из телефона съемником




И вставляем его в регистратор


Проверка. Все отлично!

Теперь еще одна проблема - как разместить аккумуляторы. Дело в том, что я не знаю, какое у родственника крепление и как их разместить, чтобы они не мешали креплению. Крепление у него еще и модифицированное, т.к. родное сделано для наклонного стекла, а у его фуры оно почти вертикальное. Может так?


Или так?




Наверное, лучше вот так. Креплению точно не помешают, а обзор (при расположении регистратора в его автомобиле) не закроют


Никто не заметил опасность этой фотографии? Я вот не заметил, поэтому одно неловкое движение и… Эпик фейл №3 - клубы дыма от горелой изоляции, провод отпал на месте пайки:


Так что суперконденсаторы детям не игрушка:) Проверил регистратор - все в порядке:




Вырезал из картона прокладку


и склеил кондеры друг с другом скотчем


А теперь берем что покрепче и…


Нет, не обмываем наше горе-поделку, а обезжириваем ее (спирт экономим, отметить пригодится), примериваем конденсаторы


И приклеиваем их скотчем


Вес увеличился почти в 2 раза (регистратор 57г, кондеры 45г):


Еще раз проверяем, все работает


Ну что, наш скотч-тюнинг добавил +10 к скорости записи, +5 к ускорению автомобиля и +15 к брутальности по изделия. Остается допить «обезжиривающую жидкость», обмотаться синей изолентой и в пьяном угаре написать обзор на муське


Но что-то подсказывает, что километры скотча тут лишние. Привинтим две планки по бокам, а уже к ним приклеим конденсаторы










Вот что получилось. Надеюсь, прочитав мой второй обзор, или кто-нибудь улыбнулся, или кто-нибудь вдохновился на рукоблудие. За сим откланяюсь, если будет кому интересно, то напишу еще о чем-нибудь из моих более-менее удачных поделок-недоделок, вроде переделки шурика на литий, ардуинства или замены ближнего света фар на светодиоды:)

P.S. Отдельное спасибо товарищами kirich, ksiman, yurok, dia, sav13 и некоторым другим, чьи подробные обзоры и комментарии не только дарят целый багаж знаний, но и заставляют руки чесаться:)

UPD 05.01.2017. Резистор в схеме лишний, пришлось замкнуть его накоротко, иначе регистратор сам иногда не включался. А так пока все ОК:)