Ein herzliches "Hallo" an die Car-System Entwickler,
mit Begeisterung habe ich die Technik Eures selbst entwickelten CarSystems bewundert.
Was ich hier ansprechen möchte, ist die Art der Energieversorgung der Trucks im Hinblick auf Lebensdauer und Kostenaufwand:
Vielleicht könnte man mittlerweile die Akkus in den größeren Trucks durch Supercaps ersetzen, denn die Lebensdauer von Supercaps dürfte im Vergleich zu der von Akkus deutlich höher liegen, so dass hier evtl. eine spürbare Kosteneinsparung möglich wäre.
Vorteile von Supercaps gegenüber Akkus:
1.) Wesentlich mehr Ladezyklen möglich
2.) Wesentlich höherer Wirkungsgrad beim Aufladen
3.) Drastisch kürzere Ladezeiten (wenige Sekunden im Vergleich zu Stunden)
4.) Niedrigere Brandgefahr (ich habe noch nie von einem Supercap gehört, der durch einen internen Fehler in Brand geraten ist wie z.B. ein Li-Akku)
Nachteile von Supercaps:
1.) Niedrigere Energiedichte
2.) Evtl. höherer Beschaffungspreis
Zusätzlicher Vorteil der Supercaps:
Die Supercap-Trucks bräuchten wegen der sehr kurzen Ladezeit nicht mehr zur Ladestation zu fahren, sondern würden an bestimmten Stellen im Gelände einfach für ein paar Sekunden parken/stehen bleiben, wie z.B. an einer Ampel. Die Aufladung würde dann über Kontakte geschehen, die unsichtbar aus dem Boden nach oben fahren.
Viele Grüße,
Alexander
Supercaps ersetzen Car-Akkus !?
-
Harry
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Re: Supercaps ersetzen Car-Akkus !?
Moin Alexander,
herzlich willkommen im Forum.
Hast Du Deine Idee zu Ende gedacht? Supercaps sind Kondensatoren. Sie ändern im Gegensatz zu Akkus sehr stark die Spannung, sobald sie belastet sind. Das ist nicht gut.
Dazu noch einmal kurz rechnen: Annahmen sind 5V Ausgangsspannung und 100 mA Stromverbrauch bei 10F Kapazität.
Ohmscher Widerstand wäre dann R=5/0.1 = 50 Ohm
Zeitkonstante tau dann 500 s
Nach 0,7* tau ist die Spannung auf die Hälte abgefallen, macht ca. 350s Fahrtzeit, das sind ca. 6 Minuten. Das halte ich für zu knapp.
Das ist zwar nur eine grobe Überschlagsrechnung, aber ich denke, das Ergebnis ist brauchbar. Oder Günni?
Viele Grüße
Harry
herzlich willkommen im Forum.
Hast Du Deine Idee zu Ende gedacht? Supercaps sind Kondensatoren. Sie ändern im Gegensatz zu Akkus sehr stark die Spannung, sobald sie belastet sind. Das ist nicht gut.
Dazu noch einmal kurz rechnen: Annahmen sind 5V Ausgangsspannung und 100 mA Stromverbrauch bei 10F Kapazität.
Ohmscher Widerstand wäre dann R=5/0.1 = 50 Ohm
Zeitkonstante tau dann 500 s
Nach 0,7* tau ist die Spannung auf die Hälte abgefallen, macht ca. 350s Fahrtzeit, das sind ca. 6 Minuten. Das halte ich für zu knapp.
Das ist zwar nur eine grobe Überschlagsrechnung, aber ich denke, das Ergebnis ist brauchbar. Oder Günni?
Viele Grüße
Harry
Re: Supercaps ersetzen Car-Akkus !?
Moin,
für ein schnelles Laden ist ein sehr hoher Ladestrom erforderlich. Harry, Du hast das Wesentliche schon beschrieben, alles in allem ein KO-Kriterium für die Kondensatoren.
für ein schnelles Laden ist ein sehr hoher Ladestrom erforderlich. Harry, Du hast das Wesentliche schon beschrieben, alles in allem ein KO-Kriterium für die Kondensatoren.
Gruß vom N-Bahner GüNNi
Surftipps: Polizeimuseum
Pressemitteilungen von Polizei, Feuerwehr und Zoll.
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Re: Supercaps ersetzen Car-Akkus !?
Hallo Harry, hallo günni,
dankesehr für Eure kritischen Gedanken und Einschätzung zu den Supercaps! Das belebt die Diskussion
Gerne führe ich meine Idee zu den Supercaps weiter aus, vor allem im Hinblick auf die zu erwartende Fahrzeit.
---------------------------------
[Nachtrag vom 09.03.21]:
---------------------------------
Warum würde es Sinn machen, Fahrzeugakkus durch Supercaps zu ersetzen?
Weil dadurch Kosten und Wartungsaufwand gespart werden können, denn Supercaps haben (laut Datenblatt) eine Lebensdauer von 500.000 Ladezyklen, wohingegen die Lebensdauer von Li-Akkus mit 500 Ladezyklen angegeben wird.
Rechenbeispiel:
Unter der Annahme, dass ein Li-Akku jeden Tag 1x aufgeladen werden muss, würde dieser 500 Tage halten, was 1,36 Jahre entspräche.
Im Vergleich dazu würde ein Supercap 500.000 Tage halten, was theoretisch 1.369 Jahre entspräche.
FAZIT:
Ein Supercap braucht theoretisch nie mehr ausgewechselt zu werden. Im schlechtesten Falle würde ein Supercap ca. 15 Jahre halten.
Das Datenblatt der hier beschriebenen Supercaps habe ich an diesen Beitrag angehängt.
---------------------------------
1.) Verfügbare Kapazität von Supercaps:
Laut Datenblatt von AVX "SCC Series", haben deren Superkondensatoren folgende Kapazitäten und Abmessungen:
a) 50 Farad in Zylinderform mit den Abmessungen (Durchmesser x Länge) = 18 x 40 mm
b) 100 Farad in Zylinderform mit dem Abmessungen (Durchmesser x Länge) = 18 x 60 mm
Nehmen wir für die weiteren Berechnungen mal an, das in einen Truck eine Kapazität von 100 F hineinpassen (2 x 50 F oder 1x 100 F). Diese 100 F können auf maximal 2,7 Volt aufgeladen werden, was einer Ladungsmenge von Q = C x U, d.h. von (100 F x 2,7 V =) 270 As (Ampere-Sekunden) entspräche.
2.) Nutzbare Energiemenge des Supercaps:
Da die 2,7 Volt zu niedrig sind für den Betrieb einer Fahrzeugelektronik, würde ein DC/DC-Wandler benötigt werden, der aus der niedrigen Kondensatorspannung eine konstante 5V Spannung erzeugt. Die minimalste Eingangsspannung, die ein DC/DC-Wandler noch verwerten kann, lege ich hier mal mit 1,5 Volt fest. Von den oben angegebenen 270 As kann also ein Teil nicht genutzt werden, und dieser entspricht 100 F x 1,5 V = 150 As. Von der Gesamt-Ladungsmenge (270 As), können also nur 120 As genutzt werden.
3.) Wirkungsgrad des DC/DC Schaltreglers:
Der Wirkungsgrad eines DC/DC Wandlers hängt von der Belastung ab, aber der Einfachheit halber rechne ich hier mal mit 70%. Dies bedeutet, dass 30% der zur Verfügung stehenden Gesamtenergie verloren gehen. Von den 120 As bleiben also noch "echte" 84 As für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs übrig.
4.) Berechnung der Fahrtzeit:
Mit einer Energiemenge von 84 As, könnte ich 84 Sekunden lang einen Strom von 1 A fließen lassen. Demnach würde ein Strom von 0,1 A (= 100mA) 840 Sekunden lang fließen können, was 14 Minuten entspräche.
FAZIT bezüglich Fahrzeit:
Mit 100F Kapazität könnten theoretisch 14 Minuten ununterbrochene Fahrzeit erreicht werden. Je nach Fahrzeuggröße könnten 150 bis 200 F eingebaut werden, was die Fahrzeit auf 21, bzw. 28 Minuten verlängern würde.
Aufladung von Supercaps:
Laut Datenblatt liegt der für 1 Sekunde zulässige Spitzenstrom für die oben beschriebenen Supercaps zwischen 33 und 48 Ampere. Dieser Wert soll hier lediglich veranschaulichen, dass Supercaps hohe Pulsströme aushalten können, wenn es verlangt würde. In unserem Fall wollen wir den Ladestrom jedoch auf konstante 2 Ampere begrenzen. Wie lange würde dann die Aufladung eines 100 F Kondensators von 1,5 Volt (= Entladeschlusspannung) auf 2,7 Volt dauern?
Hierzu die Rechnung:
Benötigte Lademenge in As = (Ladung bei 2,7 V) - (Ladung bei 1,5 V)
= 270 As - 150 As
= 120 As
==> Bei einem konstanten Ladestrom von 2 Ampere, würde es (120/2) = 60 Sekunden dauern, bis ein 100 F Kondensator wieder voll ist.
Praktische Umsetzung des Aufladens:
Die 60 Sekunden Gesamt-Ladedauer könnten auf 20 x 3 Sekunden verteilt werden, d.h. immer dann, wenn das Fahrzeug während seiner 14-minütigen Fahrzeit z.B. an einer Ampel stehen bleibt, würde es für 3 Sekunden (oder länger) aufgeladen, und zwar unsichtbar von unten. Das Fahrzeug bräuchte nicht mehr für mehrere Stunden in einer Ladestation verbringen, wie es bei Akku-Betrieb der Fall ist, und so könnte der Fahrzeugpool deutlich reduziert werden, weil nicht mehr so viele Fahrzeuge - für den Besucher unsichtbar - in der Ladestation festhängen.
Wenn man 20 Auflade-Stops auf 14 Minuten verteilen möchte, würde das Fahrzeug alle 42 Sekunden für 3 Sekunden zum Aufladen stehenbleiben.
Ich weiß nicht, wie lange ein Fahrzeug im Wunderland längstens ohne Pause unterwegs ist, aber 42 Sekunden halte ich für eine recht lange Zeit bis zum nächsten Stop.
Zusammenfassung (= meine persönliche Einschätzung):
Der Einsatz von Supercaps bei den größeren MiWuLa-Fahrzeugen, dürfte schon heute technisch machbar sein. Supercaps sind deswegen so interessant, weil sie den Akkus in vielen Punkten überlegen sind. Mit entsprechenden Anpassungen beim Fahr- und Auflade-Management, bräuchten die Supercap-Fahrzeuge nicht mehr in eine Ladestation fahren, denn deren Aufladung würde "on-the-go" an Ampeln, oder auf Lade-Parkplätzen stattfinden. Die maximal erforderliche Ladezeit würde bei ca. 1 Minute liegen.
Aus diesen Gründen glaube ich, dass der Einsatz von Supercaps dem MiWuLa einige Vorteile bringen würde. Und natürlich würde man erst mal mit einem Prototyp anfangen und Erfahrungen sammeln. Vielleicht haben Euch meine Ausführungen etwas neugierig gemacht : )
Viele Grüße,
Alexander
dankesehr für Eure kritischen Gedanken und Einschätzung zu den Supercaps! Das belebt die Diskussion
Gerne führe ich meine Idee zu den Supercaps weiter aus, vor allem im Hinblick auf die zu erwartende Fahrzeit.
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[Nachtrag vom 09.03.21]:
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Warum würde es Sinn machen, Fahrzeugakkus durch Supercaps zu ersetzen?
Weil dadurch Kosten und Wartungsaufwand gespart werden können, denn Supercaps haben (laut Datenblatt) eine Lebensdauer von 500.000 Ladezyklen, wohingegen die Lebensdauer von Li-Akkus mit 500 Ladezyklen angegeben wird.
Rechenbeispiel:
Unter der Annahme, dass ein Li-Akku jeden Tag 1x aufgeladen werden muss, würde dieser 500 Tage halten, was 1,36 Jahre entspräche.
Im Vergleich dazu würde ein Supercap 500.000 Tage halten, was theoretisch 1.369 Jahre entspräche.
FAZIT:
Ein Supercap braucht theoretisch nie mehr ausgewechselt zu werden. Im schlechtesten Falle würde ein Supercap ca. 15 Jahre halten.
Das Datenblatt der hier beschriebenen Supercaps habe ich an diesen Beitrag angehängt.
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1.) Verfügbare Kapazität von Supercaps:
Laut Datenblatt von AVX "SCC Series", haben deren Superkondensatoren folgende Kapazitäten und Abmessungen:
a) 50 Farad in Zylinderform mit den Abmessungen (Durchmesser x Länge) = 18 x 40 mm
b) 100 Farad in Zylinderform mit dem Abmessungen (Durchmesser x Länge) = 18 x 60 mm
Nehmen wir für die weiteren Berechnungen mal an, das in einen Truck eine Kapazität von 100 F hineinpassen (2 x 50 F oder 1x 100 F). Diese 100 F können auf maximal 2,7 Volt aufgeladen werden, was einer Ladungsmenge von Q = C x U, d.h. von (100 F x 2,7 V =) 270 As (Ampere-Sekunden) entspräche.
2.) Nutzbare Energiemenge des Supercaps:
Da die 2,7 Volt zu niedrig sind für den Betrieb einer Fahrzeugelektronik, würde ein DC/DC-Wandler benötigt werden, der aus der niedrigen Kondensatorspannung eine konstante 5V Spannung erzeugt. Die minimalste Eingangsspannung, die ein DC/DC-Wandler noch verwerten kann, lege ich hier mal mit 1,5 Volt fest. Von den oben angegebenen 270 As kann also ein Teil nicht genutzt werden, und dieser entspricht 100 F x 1,5 V = 150 As. Von der Gesamt-Ladungsmenge (270 As), können also nur 120 As genutzt werden.
3.) Wirkungsgrad des DC/DC Schaltreglers:
Der Wirkungsgrad eines DC/DC Wandlers hängt von der Belastung ab, aber der Einfachheit halber rechne ich hier mal mit 70%. Dies bedeutet, dass 30% der zur Verfügung stehenden Gesamtenergie verloren gehen. Von den 120 As bleiben also noch "echte" 84 As für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs übrig.
4.) Berechnung der Fahrtzeit:
Mit einer Energiemenge von 84 As, könnte ich 84 Sekunden lang einen Strom von 1 A fließen lassen. Demnach würde ein Strom von 0,1 A (= 100mA) 840 Sekunden lang fließen können, was 14 Minuten entspräche.
FAZIT bezüglich Fahrzeit:
Mit 100F Kapazität könnten theoretisch 14 Minuten ununterbrochene Fahrzeit erreicht werden. Je nach Fahrzeuggröße könnten 150 bis 200 F eingebaut werden, was die Fahrzeit auf 21, bzw. 28 Minuten verlängern würde.
Aufladung von Supercaps:
Laut Datenblatt liegt der für 1 Sekunde zulässige Spitzenstrom für die oben beschriebenen Supercaps zwischen 33 und 48 Ampere. Dieser Wert soll hier lediglich veranschaulichen, dass Supercaps hohe Pulsströme aushalten können, wenn es verlangt würde. In unserem Fall wollen wir den Ladestrom jedoch auf konstante 2 Ampere begrenzen. Wie lange würde dann die Aufladung eines 100 F Kondensators von 1,5 Volt (= Entladeschlusspannung) auf 2,7 Volt dauern?
Hierzu die Rechnung:
Benötigte Lademenge in As = (Ladung bei 2,7 V) - (Ladung bei 1,5 V)
= 270 As - 150 As
= 120 As
==> Bei einem konstanten Ladestrom von 2 Ampere, würde es (120/2) = 60 Sekunden dauern, bis ein 100 F Kondensator wieder voll ist.
Praktische Umsetzung des Aufladens:
Die 60 Sekunden Gesamt-Ladedauer könnten auf 20 x 3 Sekunden verteilt werden, d.h. immer dann, wenn das Fahrzeug während seiner 14-minütigen Fahrzeit z.B. an einer Ampel stehen bleibt, würde es für 3 Sekunden (oder länger) aufgeladen, und zwar unsichtbar von unten. Das Fahrzeug bräuchte nicht mehr für mehrere Stunden in einer Ladestation verbringen, wie es bei Akku-Betrieb der Fall ist, und so könnte der Fahrzeugpool deutlich reduziert werden, weil nicht mehr so viele Fahrzeuge - für den Besucher unsichtbar - in der Ladestation festhängen.
Wenn man 20 Auflade-Stops auf 14 Minuten verteilen möchte, würde das Fahrzeug alle 42 Sekunden für 3 Sekunden zum Aufladen stehenbleiben.
Ich weiß nicht, wie lange ein Fahrzeug im Wunderland längstens ohne Pause unterwegs ist, aber 42 Sekunden halte ich für eine recht lange Zeit bis zum nächsten Stop.
Zusammenfassung (= meine persönliche Einschätzung):
Der Einsatz von Supercaps bei den größeren MiWuLa-Fahrzeugen, dürfte schon heute technisch machbar sein. Supercaps sind deswegen so interessant, weil sie den Akkus in vielen Punkten überlegen sind. Mit entsprechenden Anpassungen beim Fahr- und Auflade-Management, bräuchten die Supercap-Fahrzeuge nicht mehr in eine Ladestation fahren, denn deren Aufladung würde "on-the-go" an Ampeln, oder auf Lade-Parkplätzen stattfinden. Die maximal erforderliche Ladezeit würde bei ca. 1 Minute liegen.
Aus diesen Gründen glaube ich, dass der Einsatz von Supercaps dem MiWuLa einige Vorteile bringen würde. Und natürlich würde man erst mal mit einem Prototyp anfangen und Erfahrungen sammeln. Vielleicht haben Euch meine Ausführungen etwas neugierig gemacht : )
Viele Grüße,
Alexander
- Dateianhänge
-
- Supercap 1 - 3000F.pdf
- (395.51 KiB) 215-mal heruntergeladen
Re: Supercaps ersetzen Car-Akkus !?
Nun, die Idee als solches liegt auf der Hand. Aber es gibt ein paar Probleme zu lösen, die Du noch nicht wirklich erkannt hast:
Die Entlade-Kennlinie eines Kondensators hat es in diesem Falle nämlich in sich.
Meist wird vergessen, dass ein Verbraucher nicht nur Strom oder Spannung benötigt, sondern "Leistung" - das Produkt aus Strom und Spannung.
Wenn sich nun ein Kondensator entlädt, steigt mit zunehmender Entladung der entnommene Strom, während sich die Spannung nicht mehr nach einer e-Funktion erniedrigt, sondern viel schneller gegen Null geht. Das gilt ganz besonders für Schaltungen, bei denen ein StepUp-Schaltregler Verwendung findet.
Beispiel gefällig?
Ausgangssituation (ideale Bauelemente angenommen):
- Kondensator mit 5V geladen
- Verbraucher 10V bei 1A = 10W
- Vorgeschalteter Wandler setzt von 5V auf 10V hoch. Dabei entnimmt der Wandler der 5V Quelle (also dem Kondensator) 2A um auf eine Leistung von 10W zu kommen, was einem statischen Lastwiderstand von 2,5Ohm entspricht.
Wenn sich der Kondensator auf 50% entladen hat (=2,5V) dann will der Wandler immer noch auf 10V hochsetzen und den Verbraucher mit 1A speisen.
Hierzu muss er aber bei einer 2,5V Eingangsspannung einen Strom von 4A vom Kondensator entnehmen.
Dies würde einem statischen Widerstand von 0,625Ohm entsprechen.
Folglich reduziert sich der Lastwiderstand bei konstanter Leistungsentnahme viel mehr, als sich die Kondensatorspannung verringert.
Da die Zeitkonstante Tau = R * C beträgt, C zwar konstant, R sich jedoch im Spannungsverlauf verringert, wird Deine Idee nicht funktionieren.
Einzig wenn der Kondensator mit einer deutlich höheren Spannung geladen ist und ein Step-Down-Regler Verwendung finden kann, funktioniert eine derartige Anordnung - siehe Stromspeicher im Energiebereich. Ein derartiger Kondensator ist aber leider deutlich größér (im obigen Beispiel würde ich es mit einem 20V Kondensator gleicher Kapazität versuchen.).
Gruß
Ralf
Wer einen Fehler findet, darf mich gerne darauf hinweisen
Die Entlade-Kennlinie eines Kondensators hat es in diesem Falle nämlich in sich.
Meist wird vergessen, dass ein Verbraucher nicht nur Strom oder Spannung benötigt, sondern "Leistung" - das Produkt aus Strom und Spannung.
Wenn sich nun ein Kondensator entlädt, steigt mit zunehmender Entladung der entnommene Strom, während sich die Spannung nicht mehr nach einer e-Funktion erniedrigt, sondern viel schneller gegen Null geht. Das gilt ganz besonders für Schaltungen, bei denen ein StepUp-Schaltregler Verwendung findet.
Beispiel gefällig?
Ausgangssituation (ideale Bauelemente angenommen):
- Kondensator mit 5V geladen
- Verbraucher 10V bei 1A = 10W
- Vorgeschalteter Wandler setzt von 5V auf 10V hoch. Dabei entnimmt der Wandler der 5V Quelle (also dem Kondensator) 2A um auf eine Leistung von 10W zu kommen, was einem statischen Lastwiderstand von 2,5Ohm entspricht.
Wenn sich der Kondensator auf 50% entladen hat (=2,5V) dann will der Wandler immer noch auf 10V hochsetzen und den Verbraucher mit 1A speisen.
Hierzu muss er aber bei einer 2,5V Eingangsspannung einen Strom von 4A vom Kondensator entnehmen.
Dies würde einem statischen Widerstand von 0,625Ohm entsprechen.
Folglich reduziert sich der Lastwiderstand bei konstanter Leistungsentnahme viel mehr, als sich die Kondensatorspannung verringert.
Da die Zeitkonstante Tau = R * C beträgt, C zwar konstant, R sich jedoch im Spannungsverlauf verringert, wird Deine Idee nicht funktionieren.
Einzig wenn der Kondensator mit einer deutlich höheren Spannung geladen ist und ein Step-Down-Regler Verwendung finden kann, funktioniert eine derartige Anordnung - siehe Stromspeicher im Energiebereich. Ein derartiger Kondensator ist aber leider deutlich größér (im obigen Beispiel würde ich es mit einem 20V Kondensator gleicher Kapazität versuchen.).
Gruß
Ralf
Wer einen Fehler findet, darf mich gerne darauf hinweisen