Конденсаторное пусковое устройство для автомобиля своими руками
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:
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.
Как завести машину на остатках энергии разряженного АКБ?
Когда севший аккумулятор бесполезно «щелкает» стартером и тускло светит лампочками приборной панели, без помощи извне, как правило, не обойтись. Однако существует необычный способ завести двигатель исключительно на остатках энергии его же собственной разряженной батареи, не прибегая к «электричеству со стороны»!
Энергия – штука гибкая…
Н ачнем, как обычно, издалека…
Электрическая энергия – действительно «штука гибкая». Одно и то же количество энергии из одного и того же источника всегда может быть представлено в разном виде – с большим током и низким напряжением или большим напряжением, но низким током. Ну и в любых промежуточных вариантах, разумеется. Можно взять аккумулятор с энным напряжением и максимальным током и выдать эти напряжение и ток на нагрузку, как есть. А можно подключить к батарее электронный преобразователь и получить напряжение в сотни или тысячи раз выше изначального, но с пропорционально меньшим током. И это будет то же самое количество энергии (с поправкой на потери при преобразовании, разумеется). Иными словами, из одного напряжения и тока легко сделать другое напряжение и ток.
И вот близкий автомобилистам пример для понимания (предупреждаем зануд и буквоедов об условности цифр!) — есть у нас, к примеру, 12-вольтовая батарея, которая в заряженном состоянии способна обеспечить нужный нам ток в 300 ампер. Но она разряжена наполовину – ее напряжение составляет 6 вольт, а потенциальный отдаваемый ток едва равен половине от штатного. Такая батарея непригодна для запуска двигателя, хотя «сферически-вакуумный» запас энергии в ней все еще вполне достаточен для наших целей.
Можно ли что-то сделать? Да. Можно подключить к этой батарее электронный преобразователь напряжения, делающий 12 вольт из 6 вольт, и «перелить» остаток энергии в 12-вольтовый аккумулятор вдвое меньшей емкости, заполнив его полностью. И вот он уже будет вполне пригоден для запуска мотора!
Однако когда мы с грустным цветом лица откроем капот автомобиля с разрядившимся аккумулятором, который не в силах провернуть стартер, все эти теоретические варианты с извлечением остатка энергии из севшей батареи будут для нас столь же бессмысленны, сколь погода на Луне… Нет второго аккумулятора, куда энергию можно «перелить», нет такого преобразователя и, самое главное, нет на это времени, ибо аккумуляторы не заряжаются мгновенно…
Впрочем, накопитель энергии, который способен зарядиться почти мгновенно, существует – это всем известный конденсатор!
Конденсаторные «пускачи» — как они устроены?
Аккумуляторные пусковые устройства — они же «джамп-стартеры», они же «пускачи», они же «бустеры», известны российским автолюбителям уже, наверное, лет десять. Гаджеты, безусловно, полезные, но главный и общий их недостаток вне зависимости от производителя и модели – невозможность хранения в машине зимой, ибо от мороза литий-ионные аккумуляторы «пускачей» разряжаются и портятся. Таскать устройство туда-сюда большинству людей лень, а если держать его дома, есть риск, что «джамп-стартера» не окажется под рукой именно тогда, когда он жизненно необходим…
И вот некоторое время назад в продаже появились так называемые конденсаторные пусковые устройства. В основу элементной базы этих устройств легли современные суперконденсаторы или ионисторы, характеризующиеся большими токами заряда и разряда при сравнительно компактных размерах. Важной особенностью этих устройств является длительный срок службы (не менее 100 тысяч циклов заряда-разряда) и малая зависимость от окружающей температуры. Эти гаджеты можно оставлять на неограниченное время в багажнике автомобиля – в том числе и зимой. В отличие от «джамп-стартеров» на литиевых батареях, конденсаторные устройства не разряжаются на холоде, ибо не используются для длительного хранения энергии. Они приводятся в боеготовность непосредственно перед пуском, заряжаясь от штатного подсевшего аккумулятора машины. Такой прибор можно спокойно держать в багажнике круглый год и не беспокоиться, что он не сумеет вам помочь оттого что разрядился летом или оттого, что его аккумулятор вздулся и испортился от мороза зимой.
Итак, конденсаторные пусковые устройства, как и следует из названия, содержат в себе батарею суперконденсаторов высокой емкости и электронный преобразователь, делающий из низкого напряжения севшего АКБ повышенное напряжение для заряда конденсатора. Упрощенно начинка конденсаторного «джамп-стартера» выглядит так:
Для заряда суперконденсаторов до напряжения в 12 вольт, пригодного для пуска мотора, достаточно даже почти пустого аккумулятора, севшего до 10% остатка энергии! При этом время заряда конденсаторного «бустера», разумеется, зависит от напряжения и мощности источника питания, а также емкости самих конденсаторных банок внутри устройства.
Вот, к примеру, сосед попросил вас «прикурить» его машину – в этом случае вы подключаете конденсаторный «пускач» к СВОЕМУ аккумулятору, который полностью заряжен, и он наполняет конденсаторы за несколько десятков секунд (40-60 секунд). Затем подключаете устройство уже к соседской батарее – и пускаете его мотор.
Если же вы хотите запустить машину от ЕЕ ЖЕ СОБСТВЕННОЙ разряженной батареи, то тут время наполнения конденсаторов уже может быть разным – в зависимости от степени разрядки АКБ. От батареи, которая уже не крутит стартер, но еще зажигает лампочки на приборной панели, «пускач» зарядится минуты за 2-3. От батареи, от которой «приборка» уже едва тлеет – минут за 5-7.
Впрочем, в любом случае с конденсаторным гаджетом вы становитесь совершенно автономным – не нужно искать «братана», который прикурит или дернет, и не нужно думать, не забыли ли вы «бустер» дома, как это часто происходит с батарейными моделями на «литий-ионе».
Правда, и особенность есть! Которую нужно учитывать. Блок суперконденсаторов, даже очень большой емкости, не способен, как аккумулятор, делать десятки пусков двигателя подряд. Один заряд — один пуск: у конденсаторных гаджетов арифметика такая. Далее цикл придется повторить.
BERKUT JSC-450C
JSC-450C – характерный представитель класса конденсаторных «пускачей» от хорошо известной отечественным автомобилистам марки «Беркут». Устройство рассчитано на пуск бензиновых двигателей с 12-вольтовыми стартерами до 4,5 литров объемом и дизелей до 3 литров. Цифра «450» в названии означает номинальные 450 ампер выходного тока.
«Пускач» достаточно крупный, хотя и легкий. Оформлен он весьма лаконично, имея на корпусе лишь светодиодный индикатор зарядки, кнопку «пуск» и кнопку «дизель». Последняя не понадобится, если у вас мотор на бензине — эта клавиша включает особый дополнительный режим с предварительным прогревом свечей накаливания перед включением стартера. Для зарядки устройства можно пользоваться также встроенным разъёмом 12V через переходник в розетку прикуривателя, а также через разъём MicroUSB, где зарядный ток должен составлять 2 А при 5 В.
Как уже говорилось, особым достоинством конденсаторных пускачей является «морозостойкость», позволяющая им спокойно жить в багажнике и не проситься домой погреться. Проверяем! Замораживаем устройство на сутки при минус 17 градусах, извлекаем из морозилки и заряжаем. На скорость заряда холод не повлиял – устройство за полминуты набрало заряд от полностью исправного аккумулятора, и минуты за две – от полуразряженного.
Теперь подключаем прибор к нагрузочной вилке с сопротивлением спирали 0,05 ом, обеспечивающей ток нагрузки в приблизительно 240 ампер. «Пускач» традиционной конструкции, работающий на литий-ионной батарее, аналогичный тест недавно провалил, что и неудивительно – литий с холодом не дружит, это общеизвестно. А вот конденсаторный справился легко, быстро приняв заряд и мощно его выдав, с просадкой напряжения лишь на вольт!
BERKUT JSC-600C
Еще один очень интересный подвид пусковых устройств – гибридные «джамп-стартеры». Гибрид является по принципу действия чисто конденсаторным «пускачом», но на случай, когда аккумулятор в автомобиле разряжен просто в ноль, и выдавить из него хоть каплю энергии не представляется возможным, в гибридном «джамп-стартере» имеется собственный встроенный маленький литий-ионный аккумулятор. От этого резервного аккумулятора можно буквально в течение 3-5 минут зарядить суперконденсаторы «гибридника» и завести мотор. Причем при полной зарядке резервной батареи запускать двигатель можно до 5 раз.
Чтобы встроенный мини-аккумулятор был всегда готов к работе, придется следить за степенью его заряженности, подключая устройство раз в три месяца через разъем MicroUSB к источнику USB на 5 В и 2 А. Особенно внимательно нужно смотреть за состоянием аккумулятора в зимнее время, так как с понижением температуры увеличивается его степень саморазряда. При этом хранить “гибридник” в машине зимой можно, чего не скажешь об обычных литий-полимерных пусковых устройствах, чей диапазон температур для хранения — от 0ºС до +30ºС. Разница в том, что в JSC-600C батарея отвечает за процесс заряда суперконденсаторов, а не за запуск двигателя, поэтому от неё не требуется такой мощной токоотдачи.
Так как срок службы литий-ионных аккумуляторов намного ниже конденсаторов, производитель заранее позаботился о возможности замены встроенной батареи, оборудовав для нее отдельный отсек для хранения внутри корпуса. Вот так выглядит встроенный резервный аккумулятор в «гибриднике» BERKUT JSC-600C. Представляет он собой спаренный блок из аккумуляторов популярного типоразмера 18650 – если что, такой несложно и заменить.
В принципе, рукастому автовладельцу будет несложно извлечь отслужившую литий-ионную батарею из устройства, открутив один-единственный крестовой шурупчик, и подключить новую.
Кстати, в случае полного разряда АКБ производитель рекомендует подключать конденсаторные устройства ВМЕСТО штатного аккумулятора. Иными словами, сперва нужно с помощью гаечного ключика на 10 снять клемму cо штатного АКБ и соединить напрямую с клеммой пускового устройства, далее можно запустить двигатель. Это делается для того, чтобы внутреннее сопротивление сильно разряженного АКБ не мешало запуску двигателя. После того, как двигатель заведётся, требуется отключить устройство, вернуть клемму на аккумулятор и хорошенько затянуть.
К слову, конденсаторные «пускачи» от «Беркута» комплектуются мощными фирменными тактическими чемоданчиками. Вес человека на фото – 120 кило, и кейс даже не скрипнул!
На сегодняшний день высокая цена на суперконденсаторы с большими разрядными токами не дает массово применять их в автомобильной технике и электронике, так как приводит к их существенному удорожанию. Но конденсаторые «джамп-стартеры» однозначно придутся по вкусу технически продвинутым автовладельцам, которые в полной мере будут способны оценить их преимущества и не впадут в панику от специфического алгоритма применения. Для максимально эффективного использования таких приборов желательно понимать их принцип действия и процессы, протекающие в них. Результатами наших испытаний мы остались довольны и можем смело рекомендовать эти устройства к приобретению.