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Diario elettrico Zem Star 45 – 11/nov/2012 – Lo scooter a supercondensatori

Posted in scooter elettrici by jumpjack on 11 novembre 2012

Sto studiando la fattibilità di aggiungere allo scooter un supercondensatore per alleviare il carico delle stanche batterie e prolungarne quindi la vita:

Applicando al motore 1500 W per 3 secondi (una partenza) consumo, se faccio bene i calcoli, 1,25 Wh (1500W * 3/3600 h)
se invece ho una salita ripida che dura 30 secondi (a 50 all’ora fanno 416 metri) mi servono 12,5Wh
Diciamo che 20, massimo 30 Wh sarebbero sufficienti per il mio scooterino e per i miei percorsi abituali.

Facendo un calcolo più generale:
wattora partenza: potenza / 1000
wattora salita LUNGH metri @ VEL km/h: W/1000 * LUNGH / VEL

Wh = potenza * tempo = potenza [W] * metri / ((kmh/3.6)/3600) [h] = poteza * metri / (1000 * kmh) = Potenza/1000 * metri/kmh
tempo = spazio/velocita = metri / (kmh/3.6) = secondi
kmh * 1000 / 3600 = m/s

Caso 1:
Potenza = 1500 W
Velocità 50 km/h
salita = 416 m
Wh = 1.5 * 416 / 50 = 12.5

Caso 2:
Potenza: 3000 W
Velocità: 80 km/h
Salita = 416 m
Wh = 3 * 416/ 80 = 15.6
Visti i costi di un supercondensatore, potrei pensare di installarne uno, tanto per fare esperimenti, da 10 Wh; l’energia contenuta in un SC è pari a :

E = 0.5 * C * V^2 [ joule]

oppure meglio

E = 0.00014 * C * V^2 [Wh]

Considerando una tensione conservativa di 75 V (le batterie, cariche, arrivano anche a 71-72), dovrei quindi avere come capacità per avere 10 Wh:

10 Wh = 0.00014 * C * 3600

C= 10 / (3600 * 0.00014) = 10 / 0.504 = 20 F

I tagli sono da 2,7V, quindi per avere 75V servono 28 condensatori in serie; siccome in serie le capacità non si sommano ma si ha 1/Ctot = 1/C1 + 1/C2 + …, risulta che per avere 20 F con 28 condensatori uguali devo avere:

1/20 = 28/C

cioè:

C=28*20 = 560 F

Quindi, 28 supercondensatori da 2,7V/560F permetterebbeo di costruire una batteria di supercondensatori da 10 Wh.

Purtroppo un supercondensatore da 600F costa 32 euro, il che vuol dire 23×28= 896 euro.

Quindi un supercondensatore per aiutare nelle salite è ecnomicamente poco fattibile, per me e per ora.

Per le partenze, però, abbiamo visto che bastano 1,25 Wh, cioè un decimo di quanto sopra, che vorrebbe dire 56 Farad (teoricamente 90 euro) di supercondensatori, il che sarebbe MOLTO fattibile e vale la pena di farci un pensierino!

In realtà purtroppo il prezzo non è così lineare: un condensatore da 16V/58F costa 123 euro, e ne servirebbero 4 o 5 (intorno ai 500 euro).

Formula per il calcolo dei secondi di spunto garantiti da un condensatore da 60 V su scooter da 1500 W (da ricontrollare):

E = 1500W *( SECONDI/3600)  h = 0,42 * SEC   [Wh] (0,42 Wh per ogni secondo di spunto)

E = 0,00014 * C * V^2 [Wh]  ==> E =  C * 0,5 (Energia di condensatore da 60 V).

0,42 * SEC = C * 0,5

SEC = C * 0,5/0,42

SEC = 1,2 * C

Cioè circa un farad per ogni secondo di spunto.

C= SEC/1,2

Wattora per percorrere LUNGH metri @ VEL km/h: W/1000 * LUNGH / VEL

Per costruire un banco di condensatori da Ctot Farad usando tanti condensatorini da Cparz Farad bisogna considerare che:

1/Ctot = 1/Cparz1 + 1/Cparz2 + …

Siccome tutti i condensatori sono uguali risulta:

1/Ctot = n / Cparz

Quindi:

Cparz = n * Ctot

Il numero di condensatori dipende dalla tensione finale necessaria, divisa per i 2,7 V tipici di un supercondensatore, quindi:

Cparz = V/2,7  * Ctot

Risultato finale: per avere spunti da 1500 W per 3 secondi serve un banco di 23 supercondensatori da 2,7V/56F, che formano un SC da 62V/2,4F

Volendosi ridurre al minimo-minimo indispensabile per sperimentare e spendere poco, si può scendere a 1 secondo, visto che comunque durante le partenze si ha un picco iniziale di corrente che poi cala rapidamente.

In questo caso si arriverebbe a

C= 1/1,2 = 0,833 F

Per avere 0,844 F con una batteria di 23 condensatori, oguno deve essere da:

Cparz = 23 * Ctot = 20 F

Quindi 23 supercondensatori da 20 F danno un pacco da 62V/0,833F che permettono di assorbire spunti di corrente della durata di un secondo.

Su Mouser: http://it.mouser.com/Search/Refine.aspx?Keyword=ioxus

Un condensatore da 2,5V/10F costa 5,31 euro. Essendo da 2,5 invece che da 2,7 ne servono 24, ed essendo da 10 F ne servono 48, quindi in tutto 48×5,31 = 255 euro.

Se voglio complicarmi la vita e farlo infine da 75V per essere sicuro che le batterie stracariche non lo brucino:

E = 0,00014 * C * V^2 = 0,00014 * C * 5265 = 0,7875 * C  [Wh]

E = 0,42 * SEC  [Wh]

0,42 * SEC = 0,7875 * C

Per un secondo:

C = (0,42/0,7875) * SEC = 0,53 F per un secondo  (essendo maggiore la tensione, l’energia è maggiore a parità d iFarad, quindi per avere la stessa energia mi servono meno Farad).

Csing = 75/2.5   *   0.53  = 30*0.53 = 16 Farad

Con 30 condensatori da 2,5V/16F ottengo una superbatteria da 75V/0,53F che funziona per un secondo e contiene 0,414 Wh.

Un SC da 2,7V/10F costa 1,57 euro , ne servono 30×2 = 60, quindi 94 euro.

Con 94 euro posso fare un spercondensatore di prova che assorbe spunti di potenza della durata di un secondo.

Vale la pena.🙂

Aggiornamento

Ricerca ENEA: http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/risparmio-di-energia-elettrica-nei-trasporti/rds-73.pdf

Produttori: Maxwell, Ioxus, Nesscap

Usati da ENEA:  Maxwell BMOD0250P016 B02 (link per B01, 565,00 euro l’uno) – 16.2v/256F

Configurazione 4S2P, qjuindi: 4×16.2=64.8V ; 256/4 = 64F ; 2 in parallell = 128 F

Totale: 64.8V/128F ; energia stoccata: 0.5 * 128 * 64.8^2 = 270’000 Joule = 75 Wh

Prezzo totale: 4 x 2 x 565 = 4520,00 euro.

Batterie: piombo  acido,  del  tipo  Valve  Regulated  Lead  Acid  con  elettrolita  in  gel,  moduli  HAZE  HZY6-225EV, 6 V 200 Ah. (8 in serie, 48V totali)

Aggiornamento:

Lungo elenco di ricerca USA su varie tecnologie all’avanguardia, tra cui anche supercondensatori: http://www.sbir.gov/sbirsearch/download?type=technology&term=%22Electric%20Vehicle%22&ob=year&count=430

In particolare, questa è molto promettente:

This Small Business Innovation Research Phase I project will demonstrate the technical feasibility of using proprietary low-cost, nanostructured vanadium nitride (VN) based electrodes and an asymmetric cell architecture with aqueous electrolytes to manufacture high energy density supercapacitors. Currently available commercial products deliver 3-6 Wh/kg with power densities of 700 W/kg at a cost of ~$0.10 per Farad. The cost must be decreased by at least a factor of two for broader market acceptance, and the energy density improved to reduce the size of the supercapacitor. Successful completion of the proposed SBIR program will lead to next generation supercapacitors with energy densities that approach 15 Wh/kg, exceeding the current state of the art by a factor of 3, and costs that are as much as 10 times lower than those for currently available commercial devices.

Condensatori 10 volte più economici e 3 volte più capaci!

Come dire che con i miei ipotizzati 100 euro potrei costruire, anzichè un piccolo supercondensatore da 30 condensatori da 2,5V/16F  per formare una superbatteria da 75V/0,53F che funziona per un secondo, potrei ottenere una superbatteria da 75V/5,3F che dura 10 secondi.

In quel file sono elencate per la verità molte ricerche molto promettenti…. bisogna vedere QUANTE rispetteranno le promesse! E comunque sono elencate anche ricerche VECCHIE, fino a 20 anni, quindi forse qualcosa potrebbe  già esserci.

Ecco invece un interessante documento: Come dimensionare i supercondensatori per un veicolo ibrido:

http://users.encs.concordia.ca/~pillay/c1.pdf

Condensatori interessanti:

Illinois Capacitors INC.

Quelli da 30F in su sopportano correnti da 40.5 Ampere in su; ad esempio:

306DCN2R7M:    30F/2.7V, 40.5A, 3.70 Wh/kg, 1770 W/kg, 8.5 g

506DCN2R7Q:    50F/2.7V, 67.5A, 4.1 Wh/kg, 1770 W/kg, 14g, circa 6 euro l’uno

AGGIORNAMENTO:

Un ricercatore dell’ENEA mi informa che un SC in parallelo alla mia batteria da 60V si scaricherebbe al massimo di 10V, altro che 60! Quindi devo completamente rivedere le mie stime!

Poi c’è questa ricerca che dice che la vita stimata di un supercondensatore è di 500.000 ore se scaricato al massimo al 50%, così come quella di una batteria al litio è di 1000 cicli se scaricata al 20%. Scaricare un SC per metà permette di estrarne però il 75% dell’energia.

Nelle schede tecniche dei SC può essere indicata la costante di tempo:

la costante di tempo tipica di impiego per la carica scarica degli stessi: 1-2 s per i supercondensatori, ore per le batterie elettrochimiche (stessa ricerca di prima).

 

9 Risposte

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  1. simone said, on 12 novembre 2012 at 22:58

    I supercap hanno senso se abbinati a batterie al Piombo che sono quelle che piu’ soffrono nei picchi di corrente , con le litio non c’e’ bisogno perche’ di norma si fa in modo che la batteria sia abbastanza grande da non dover erogare picchi superiori ai 5C che sono correnti perfettamente gestibili dalle batterie al litio. Ora non ricordo se le tue batterie sono LifePo4 o Lipo , comunque potresti investire piu’ o meno gli stessi soldi per aggiungere delle celle alle tue batterie in modo da avere non solo maggiore resistenza ai picchi di corrente ma anche maggiore autonomia. L’ideale sarebbe riconfigurare il tuo pacco in una serie unica e non due batterie in parallelo , magari lasciando comunque la possibilita’ di disconnettere la serie per portarlo a casa a caricare in 2 pezzi

    • jumpjack said, on 12 novembre 2012 at 23:09

      Le mie batterie sono li-ion, ed essendo due da 24Ah ciascuna su un motore da 1500W/60V credo siano sottodimensionate.
      E comunque ormai sono andate, non reggono più, da sole, le accelerazioni in partenza (in parallelo va un po’ meglio).
      Inoltre, pasticciare con la configurazione serie/parallelo e rifare il BMS è enormemente più complicato che installare un SC in parallelo alle batterie!

  2. Andrea said, on 14 novembre 2012 at 21:45

    Non per fare il guastafeste ma i calcoli sembrano tener conto di una scarica totale del supercap, cosa che in realtà non avviene…. al massimo si scaricheranno alla minima tensione raggiunta dalla batteria

    • jumpjack said, on 14 novembre 2012 at 22:11

      Guastafeste🙂 potresti avere ragione! Hai qualche link da consigliarmi?

      • Andrea said, on 14 novembre 2012 at 22:58

        No semplicemente è un discorso di elettrotecnica: il supercap può fornire corrente se la tensione ai suoi capi è superiore a quella del “resto del mondo”, e il “resto del mondo” è il carico in parallelo alla batteria (generatore ideale più res. interna). Quindi Vbatt – Ibatt*Rbatt = Vcap – Icap*Rcap
        Essendo Rcap <> Ibatt ne consegue che Icap è molto maggiore di Ibatt ma solo finchè Vcap è prossima a Vbatt.

        Infatti quando Vcap = Vbatt – Ibatt*Rbatt (tensione ai morsetti della batteria) ICap si annulla, se Vcap scendesse ancora il condensatore si ricaricherebbe con la batteria.

        • jumpjack said, on 15 novembre 2012 at 9:42

          ho provato a correggere il commento ma mi sa che manca ancora qualcosa…
          se devi scrivere MAGGIOREscrivi “>” senza virgolette.

  3. jumpjack said, on 14 novembre 2012 at 22:39

    A proposito del suo Birò a batterie+supercondensatori, l’ENEA dice:
    Riguardo al funzionamento del sistema di accumulo misto, la sorgente di energia è costituita da un pacco
    batterie al piombo del tipo Valve Regulated Lead Acid (VRLA) accoppiato in parallelo elettrico, via un
    convertitore bidirezionale DC-DC, ad un modulo supercondensatori (SC) del tipo Electric Double Layer
    Capacitor (EDLC) avente la funzione di limitare i picchi di corrente erogati, ovvero assorbiti, dalle batterie
    durante il funzionamento del veicolo. La batteria segue allora un funzionamento a regime costante
    corrispondente alla potenza media richiesta dal veicolo, il modulo SC interviene nei soli transitori di
    funzionamento del veicolo fornendo, ovvero accettando, la frazione variabile di potenza. Il convertitore
    DC-DC è realizzato con un invertitore del tipo Intelligent MOSFET Power Module. Il convertitore DC-DC
    formato dai mosfet switches 1, 2, 3 e 4 è bidirezionale e innalza la tensione del modulo
    supercondensatori (SC) al valore della tensione di batteria, ovvero del DC Bus, nelle fasi di scarica del
    modulo SC (convertitore boost), inoltre abbassa la tensione dal valore di tensione di batteria, ovvero del
    Bus DC, al valore della tensione del modulo SC nelle fasi di ricarica degli stessi supercondensatori
    (convertitore buck). La topologia utilizzata è del tipo interleaved per ridurre le sollecitazioni nei dispositivi
    ed il ripple di corrente negli SC.

    Adesso me lo rileggerò una ventina di volte cercando di capire cosa vuol dire…
    La ricerca: http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema-elettrico/risparmio-di-energia-elettrica-nei-trasporti/rds-73.pdf

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