Суперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле
Суперконденсатор или ионистор — это что-то нечто среднее между аккумулятором и обычным конденсатором. У него много плюсов, которыми не обладает аккумуляторная батарея. Поэтому, я познакомлю вас с полностью рабочим прототипом батареи для машины на ионисторах. С помощью него можно не просто завести двигатель пару раз, а вполне полноценно эксплуатировать автомобиль неограниченное время.
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.
Вид устройства с верху.
Мощный токоограничивающий резистор.
Цифровой вольтметр виден через пластик.
Устанавливаем на автомобиль вместо штатной батареи.
Включаем зажигание и пробуем произвести пуск двигателя.
Мотор запустился быстро, без каких либо проблем.
Производится зарядка ионисторов и аккумуляторной батареи, о чем свидетельствуют показания вольтметра.
Заключение
- В отличии от аккумулятора суперконденсаторы надежнее справляются с пиковым пусковым током. Пуск получается надежнее.
- Низкое напряжение вполне является рабочим.
- Имеет низкий вес, от чего всю коробку можно запросто таскать домой на всякий случай.
- Для пуска можно произвести зарядку даже от батареек и спокойно ехать в путь.
- Большой саморазряд. Передвигаться конечно можно, но если необходимо на короткий срок включить габариты или аварийную сигнализацию — мало на что хватит энергии, при заглушенном двигателе естественно.
Ну это то что пришло в голову. Теперь о стоимости. На Али Экспресс супер конденсаторы стоят не так уж и дорого. И если посчитать их 6 и балансную защиту, то выйдет дешевле чем кислотный аккумулятор.
На этом у меня все. Надеюсь мой эксперимент был для вас познавательным и интересным. Удачи всем!
Смотрите видео
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.
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;
- программа «врет»;
- на самом деле ток стартера выше;
- на практике были поддельные ионисторы.
1 и 2 я проверил расчетами «на коленке» — получился схожий с программой результат. 3 и 4 проверить не удалось.
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.
Еще существенный недостаток ионисторов, особенно китайских — быстрый саморазряд. Поэтому, если оставлять преобразователь постоянно включенный, то он быстро высадит аккумулятор. Так как на зарядку ионисторов требуется время, решил сделать момент включения преобразователя как можно раньше — при снятии машины с сигнализации. От сигналки идет только минус, поэтому пустил через реле.
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.
Преобразователь сначала купил в китайском магазине повышающий, собрал схему, преобразователь сразу сгорел. Не учел то, что в нем не было ограничения по току, а у ионисторов практически нулевое сопротивление, вот и получилось короткое замыкание на выходе преобразователя. Ограничение по току бывает в повышающе-понижающих, купил — тоже сгорел, но не сразу. Купил третий другого исполнения — работает отлично!
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.
Резьба на ионисторах оказалась не стандартная — М8×1.0 (у стандартной шаг 1.25 мм, у этой 1 мм). Гайки чудом нашел в магазине грузовых запчастей.
Между собой соединил алюминиевой полосой сечением 30х1 мм, сделанной из обрезка тавра, купленного в магазине крепежа.
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
Опыты будем ставить на «Калине» с двигателем 1.6, 16 клапанов. При заряде ионисторов до 16 вольт летом холодный двигатель с легкостью заводится. Прогретый заводится даже при 14 вольт. Зимой при температуре -11 так же успешно завелся но уже с трудом. Бывали случаи что с первой попытки не заводится, для второй попытки нужно ждать 1.5 минуты пока заряжаются ионисторы. Но со второй попытки всегда заводится. На новом стандартном аккумуляторе, в любые морозы машина заводилась с первой попытки.
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.
- Схемотехника
- Физика
- DIY или Сделай сам
- Автомобильные гаджеты
Вечная батарейка для электронных часов: практический опыт реализации
Как устроена эта вечная батарейка, в общих чертах ясно из фотографии всей системы в целом.
Но, чтобы всё это заработало, пришлось хорошенько повозиться как с теоретической, так и с практической проработкой осуществления задуманной идеи.
Ингридиенты
На идею создания вечной батарейки для часов меня вдохновил обычный калькулятор с солнечными элементами. Ведь работает же!
Но с электронными часами всё сложнее. От них требуется непрерывная работа даже тогда, когда света нет совсем.
Значит, в светлое время суток какой-то накопитель энергии должен зарядиться с большим (кратным) запасом энергии, чтобы ночью отдавать накопленную энергию.
Итак, что нам требуется, чтобы часы работали на солнечной батарейке вечно и без перерывов на тёмное время суток и тёмный сезон года (с коротким днём)?
1. Сами электронные часы. Они должны быть с жидкокристаллическим дисплеем, так как часы со стрелками содержат механические элементы, на движение которых расходуется намного больше энергии.
2. Солнечная батарея. Она должна иметь достаточно большую поверхность, чтобы даже при слабом освещении отдать достаточный ток как для текущего потребления часов, так и для создания запаса на ночную работу. Напряжение, развиваемое батареей, не должно превышать предельно-допустимое для часов.
3. Накопительный элемент. Тут были возможны два варианта: небольшой литий-ионный аккумулятор или ионистор (он же суперконденсатор). Был выбран ионистор, так как у него нет проблем перезаряда и переразряда (которые вредны для аккумуляторов всех типов).
4. Диод Шоттки. Он должен стоять между солнечной батареей и ионистором, чтобы ионистор не разряжался ночью через солнечную батарею (у них довольно значителен темновой ток). Диод Шоттки лучше «обычного» диода тем, что у него меньше прямое падение напряжения (а мы тут везде ток и напряжение экономим!).
Теперь — более-менее подробно о каждом ингридиенте.
Электронные часы
Электронные часы с ЖК индикатором бывают с питанием от пальчиковых батареек напряжением 1.5 В и от литиевых батареек напряжением 3 В.
Были выбраны часы с напряжением питания 3 В в надежде, что они имеют более широкий диапазон допустимого напряжения питания (и эти надежды оправдались). Куплены были на Алиэкспресс вот здесь; цена с учётом доставки около $5.
Часы — недорогие, простые по внешнему виду и функциям:
На дисплей часов наклеена защитная плёнка, но не очень аккуратно (заметна помятость в правом нижнем углу).
Часы показывают время, температуру воздуха и его влажность.
Все их функции, характеристики и инструкция по применению приведены на следующем изображении:
Всяких будильников, календарей и таймеров в этих часах нет.
Часы можно повесить на гвоздики или поставить на стол. Для гвоздиков есть два отверстия-петельки, а для установки на столе — откидная ножка-подставка:
Пять отверстий вблизи центра задней стороны служат для доступа воздуха к датчикам температуры и влажности.
При штатном применении часы должны питаться от литиевой батарейки CR2032 (диаметр 20 мм, толщина 3.2 мм). Батарейка входит в комплект часов, но была сэкономлена ввиду ненадобности в задуманной конструкции.
Так выглядели часы со снятой крышкой батарейного отсека:
В ходе испытания часов были проверены следующие характеристики:
— Точность измерения температуры и влажности;
— Диапазон возможного изменения напряжения питания;
— Потребление тока при различных напряжениях питания.
Сначала — самые простые пункты: точность измерения температуры и влажности.
Для проверки точности температуры у меня для сравнения нашелся хороший термометр с ценой деления 0.2 градуса. Сравнение показало, что встроенный в часы термометр занижает показания на 0.4 градуса. Это — хорошая точность для прибора такого класса.
Что касается влажности, то для проверки её точности пришлось выносить часы на балкон, и там сравнивать с информацией Гидрометцентра. Увы, отклонение оказалось существенным: часы занижали влажность на 20-25%. В общем, надо мысленно прибавлять это значение к показаниям влажности на часах.
При всём при этом надо иметь в виду, что у каждого экземпляра часов может быть своя индивидуальная величина погрешности; т.е. приведённые цифры не следует считать окончательными.
Диапазон возможного изменения питающего напряжения составил 1.28 — 4.2 В, т.е. очень широкий. Поднять напряжение выше 4.2 В я не решился, чтобы не спалить прибор.
При напряжении даже немного ниже 1.28 В различимость изображения на дисплее часов резко падала; хотя, возможно, что часы и продолжали работать.
Теперь — тест потребления часов при различных напряжениях питания.
В процессе этого теста выяснилось, что часы проводят измерения температуры и влажности не постоянно, а один раз в каждые 8 секунд; и занимает измерение ровно секунду. В течение измерения потребление часов возрастает примерно в 5 раз.
В связи с этим, для измерения среднего потребления пришлось сколхозить простую RC-цепочку с большой постоянной времени (47 секунд).
Таблица среднего потребления электронных часов в зависимости от напряжения питания
| Напряжение питания, В | Потребляемый ток, мкА |
| 1.28 | 7.7 |
| 1.6 | 8.6 |
| 2.0 | 9.3 |
| 2.4 | 11.1 |
| 3.0 | 12.9 |
| 4.1 | 16.7 |
Если взять за основу по потреблению ток в 10 мкА, то суточное потребление электричества составит 0.864 Кулона (вспоминаем классические школьные единицы измерения!).
Иными словами, за сутки без подзарядки ионистор ёмкостью 1 Фарада потеряет напряжение 0.864 В. Многовато будет!
В связи с этим определяем минимально-необходимую ёмкость ионистора в 5 Фарад. Но и злоупотреблять ёмкостью тоже не надо: чем больше ёмкость, тем выше токи утечки, а этого нам не надо!
Солнечная батарея
Поскольку изначально была неопределённость в диапазоне допустимого напряжения питания часов, то был закуплен целый кулёк из 10-ти штук одноэлементных солнечных панелек размером 53*18 мм, чтобы затем собрать из них батарею на нужное напряжение:
Куплен этот кулёк солнечных панелей был здесь.
Размеры активной части панели — 40*10 мм (это — та величина, от которой следует отталкиваться при выборе альтернативных панелей).
На прямом солнечном свете напряжение холостого хода составило 0.6 В, а ток короткого замыкания — 116 мА.
Формально приведённая величина тока в тысячи раз выше требуемой, но на самом деле какого-то большого излишества здесь нет. В типовом случае расположения в не самом светлом месте помещения на солнечную батарею никогда не будет падать прямой солнечный свет; а интенсивность рассеянного света в помещении в десятки и сотни раз ниже интенсивности солнечного света.
Кроме того, на северных широтах зимой вместо белых ночей приходят чёрные дни; и тогда батарея будет питаться не от дневного света, а от искусственного освещения, которое будет работать всего несколько часов в день (когда обитатели уже пришли с работы, но ещё не легли спать).
Ионистор
Итак, номинальное напряжение питания электронных часов составляет 3 В.
Причём, в зависимости от уровня освещения солнечной панели, реальное напряжение может иногда и превышать эту величину.
В то же время стандартное номинальное напряжение для ионисторов составляет 2.7 — 2.8 В.
Из этого следует, что потребуется не один ионистор, а два последовательно соединённых ионистора.
К счастью, промышленность Поднебесной выпускает сдвоенные ионисторы на напряжение 5.5 В:
Ионистор на 5 Ф 5.5 В состоит из двух последовательных ионисторов 10 Ф 2.8 В. Купить этот ионистор можно здесь.
Но можно купить и отдельно два ионистора и соединить их последовательно, кому как нравится.
Диод Шоттки
Остался самый последний и простой ингридиент — диод Шоттки. Он нашелся у меня в домашнем хозяйстве, и откуда он взялся — даже и не помню. 🙂
В принципе, желательно использовать диод с как можно меньшим прямым током, ибо у них и обратный ток тоже мал.
Тот диод, который нашелся у меня (1N5819), имел допустимый прямой ток 1 А и обратное напряжение 40 В.
Как показали испытания, такой диод вполне подходит для применения в задуманном устройстве.
Его обратный ток при напряжении 3 В составил всего 1.5 мкА.
Сборка электронных часов на вечной батарейке
С учетом верхнего предела питания часов в 4.2 В, было принято решение последовательно соединить 8 одиночных солнечных панелек. На прямом солнечном свете они дали бы даже слишком высокое напряжение (4.8 В), но, с учетом падения напряжения на диоде и пониженного освещения в помещении такое напряжение в реальной жизни устройству не грозит.
Эти панельки были спаяны последовательно с помощью кусочков толстой проволоки. Для большей надёжности можно было бы провести спайку ещё в одном-двух местах параллельно, но, если конструкцию при эксплуатации не трогать руками слишком часто, то и такой пайки достаточно:
Затем на одну из крайних солнечных панелек были напаяны ионистор и диод. Для правильной сборки схемы в двух местах пришлось вырезать изолированные «островки» из печатных проводников на солнечных панелях:
Теперь осталось припаять проводники от солнечной батареи к часам.
Это было сделано грубо, но вполне функционально:
После этого я закрыл крышку батарейного отсека часов, чтобы провода не перегибались в местах пайки (в таких местах перегибы особенно вредны).
Выбор места установки электронных часов на вечной батарейке
Изначально местом установки этой конструкции была выбрана кухня.
А на кухне было два подходящих для этого места: на боковой стене (относительно окна) и на дверце холодильника (это место расположено прямо напротив окна и освещено лучше). Кроме того, дверца холодильника ближе расположена к лампочке светильника (т.е. там освещённость всегда лучше).
Были проведены замеры напряжения холостого хода и тока короткого замыкания на выходе солнечной батареи в сборе (т.е. всех 8-ми элементов) для естественного освещения (днём) и искусственного (вечером). Для проверки при естественном освещении выбирались сильно пасмурные дни (моделирование осенне-зимнего периода).
Стена (тёмное место), естественное освещение: напряжение ХХ — 1.7 В; ток КЗ — 42 мкА.
Холодильник (светлое место), естественное освещение: напряжение ХХ — 2.3 В; ток КЗ — 95 мкА.
Стена (тёмное место), искусственное освещение: напряжение ХХ — 1.4 В; ток КЗ — 34 мкА.
Холодильник (светлое место), искусственное освещение: напряжение ХХ — 2.5 В; ток КЗ — 170 мкА.
Вот всё, что осталось от 116 мА на прямом солнечном свете!
По итогам теста можно сказать, что более освещённое место подходит для установки системы с полной гарантией работоспособности, а менее освещенное место — где-то на грани работоспособности.
Теперь — практические испытания всей системы в целом; т.е. её реальное использование при реальных погодных условиях и пользовании искусственным освещением.
При этом испытании был проведён контроль напряжения на входе электронных часов вечером сразу после захода Солнца (максимум зарядки за день) и утром после восхода (для проверки падения напряжения за ночь). Испытания проводились в течение нескольких дней до стабилизации показаний.
Типичные результаты такие.
Стена (тёмное место), напряжение утром (минимум) — 1.6 — 2.1 В.
Стена (тёмное место), напряжение вечером (максимум) — 1.8 — 2.2 В.
Холодильник (светлое место), напряжение утром (минимум) — 2.5 — 2.7 В.
Холодильник (светлое место), напряжение вечером (максимум) — 2.8 — 3.2 В.
Во всех случаях разборчивость изображения на дисплее оставалась высокой.
По итогам окончательным местом установки была выбрана стена, поскольку это место удобнее для наблюдения за показаниями прибора. Не исключено, что в тёмное время года могут возникнуть проблемы с работоспособностью; тогда всё-таки придётся перевесить на холодильник.
На окончательном месте установки (на стене) и была сделана первая фотография в обзоре:
Фиолетовая петелька, на которой повешены электронные часы, была сделана из скрепки с пластиковым покрытием.
Солнечная батарея не скреплена с часами жестко, а подвешена к ним на проволочках из витой пары.
На момент публикации обзора эта система работала без проблем уже две недели. То есть, всё получилось, как и было задумано!
Итоги и выводы
Итак, была создана система питания для электронных часов, которая избавит пользователя от заботы об их питании навсегда.
Используемые в этой системе питания компоненты (солнечные панели, ионисторы, диоды Шоттки) при малой нагрузке имеют практически неограниченный срок службы.
Да и сами электронные часы тоже имеют высокую надёжность; и шансы, что они когда-то выйдут из строя в этой жизни, крайне малы.
Остаются вопросы с эстетикой данного решения, но это дело вкуса.
В любом случае эта система будет хорошим поводом поговорить с гостями о судьбах «зелёной» энергетики и о Ваших умелых руках. 🙂
Ещё одним положительным итогом будет то, что нашлось хорошее применение ионисторам (суперконденсаторам).
Фактически у этих изделий оказалось очень мало областей применения, поскольку они «провалились» в щель между конденсаторами и аккумуляторами (т.е. оказались не в состоянии заменить ни одно, ни другое). А здесь они оказались очень к месту.
Кстати, некоторое время тому назад был даже проект использования суперконденсаторов в гибридных автомобилях (Ё-мобиль, помните?). Но проект провалился из-за ряда недостатков, в том числе и невозможности полноценно заменить аккумуляторы на суперконденсаторы.
К недостаткам часов на «вечной батарейке» надо отнести то, что они не смогут работать в совсем тёмных местах помещения, удалённых и от окон, и от источников искусственного освещения. Но в таких случаях не исключено и пространственное разделение часов и «вечной батарейки» с их соединением тонким малозаметным кабелем.
Несколько слов о том, что я сделал с оставшимися двумя панельками из комплекта в 10 штук.
Одну из них пришлось выбросить. Она оказалась бракованной: ток короткого замыкания был близок к нулю.
А вторая была применена в любительской системе для определения характеристик экранов электронных приборов и источников света (статья).
При создании и тестировании вечной батарейки использовался лабораторный блок питания Longwei K1030D (обзор) и мультиметр Aneng V8 (обзор).
Всем спасибо за внимание!