Circuit incarcare supercapacitori

[adyhansolo]

Salut prieteni!

Dupa mai multe experiente nereusite vin din nou sa cer ajutorul colegilor mai experimentati. Pe scurt,  vreau sa construiesc un circuit de incarcare pentru pachetul meu de supercapacitori. Este vorba de un bank de 12 X 2.7V 650F Maxwell legati 6S 2P, deci 16.8V 1300F. Doresc sa-l folosesc ca sursa pornire auto dar si ca sursa pentru aparatul meu de sudura in puncte pentru celule Li-Ion. 

Am construit un circuit de balansare (care este obligatoriu), separat de circuitul de incarcare, si care functioneaza ok.

Problema de care m-am lovit este incarcarea acestora. 

Ideea mea a fost sa folosesc un circuit ridicator de tensiune (step-up) pentru a incarca supecapacitorii de la o baterie de 12v, chiar si descarcata. Am folosit prima oara un modul  step-up de 1500W,  China,cu limtare de curent ajustabila, laudat ca merge pana la 25A.

Bineinteles ca nu am avut pretentia sa functioneze la acest curent, m-as fi multumit si cu 10A. Problema a fost ca , odata conectat, nu a tinut cont de reglajul de curent si a dat tot ce a putut  pana au cedat sigurantele fuzibile ( 40A !). M-am gandit ca nu functioneaza limitarea de curent si am incercat alt modul, mai putin puternic, doar de 10A, care si-a dat duhul imediat.

Aprofundand un pic problema mi-am dat seama ca incarcarea supercapacitorilor, in special de la '' 0'' este mai problematica. Cu o rezistenta interna asa mica, 0.8 mohmi, acesti supercapacitori pot suge efectiv curenti foarte mari, punand sursa efectiv in scurtcircuit.  Majoritatea surselor cu limitare de curent, reduc tensiunea pana cand curentul se incadreaza in limita dorita. La incarcarea acestor capacitori de la 0, cel putin la inceputul incarcarii, indiferent cat s-ar reduce tensiunea, tot ar trage un curent foarte mare . Bineinteles ca daca exista si protectie la scurtcircuit, acest va intra in functiune instantaneu.

 

Asta este o concluzie la care am ajuns eu, poate ma insel. Nu am gasit prea multe pe internet despre incarcarea supercapacitorilor /ultracapacitorilor.

As dori sa ma indrumati , cei care stiu sau au experimentat asa ceva, sa construiesc un circuit de incarcare de minim  8-10 A, 14-16V . 

Sau poate imi recomandati un circuit de limitare a curentului in limitele precizate, care ar putea sa functioneze pentru suprecapacitori.

 

[UDAR]

Eu am (deocamdată) rezerve asupra limitării curentului la boost-urile alea .

Spre deosebire de alte topologii de convertoare la boost blocarea elementului activ nu duce automat la anularea curentului la ieșire în regim de scurtcircuit/suprasarcină. Curentul trece direct din sursa de la intrare prin bobină și dioda de boost deci nu există nicio limitare . Convertoarele care fac efectiv limitarea/oprirea curentului mai au adițional un element activ (un MOSFET de obicei) în serie cu sarcina. De aici rezervele mele .... O fi pus chinezul așa ceva ?

Dacă vrei să rezolvi problema trebuie să încarci condensatorii printr-un generator de curent constant ( în comutație evident ) alimentat eventual dintr-un boost care să ridice la tensiunea necesară. 

Dar dacă rezervele mele nu sunt justificate ar trebui de văzut ce s-a întâmplat . Pentru asta poze cât mai de detaliu cu obiectele respective . 

[Marian]

Problema nu-i curentul ci aplicatia, nu incarci acumulatori de energie cu un boost ci cu buck sau eventual un buck-boost.

O alta problema ar putea fi stabilitatea dar asta se poate rezolva mai usor...

[validae]

La aşa capacitate nu te aştepta să încarci acei supercondensatori în secunde, ai nevoie de o sursă capabilă de curent foarte mare şi de asemenea cu limitare.Cu o sursă boost nu faci mai nimic, renunţă la ideea asta. Ca idee, o sursă boost cu o utilizare asemănătoare e cea de la blitz-urile aparatelor foto.Dar ea încarcă un condensator de capacitate uzual sub 1000uF/300V în câteva secunde-zeci de secunde.Acel invertor are limitare de curent  prin însăşi rezistenţa lui internă.Cazul tău e diferit prin tensiunea foarte redusă, dar capacitatea extrem de mare....care necesită un curent ridicat de încărcare.

[BRANCA]

 De ce nu se aplică schema clasică de protecţie?Aia cu temporizator şi rezistenţă de limitare?Similar protecţiilor de la invertoarele de sudură,de exemplu.

[cirip]

Acum 4 ore, adyhansolo a spus:

12 X 2.7V 650F Maxwell legati 6S 2P, deci 16.8V 1300F

Salut,

 

Incep prin a semnala doua inexactitati in calculul de mai sus.

1) 6S x 2.7V = 16.2V

2) 2P x 650F = 1300F. Gruparile 2P conectate cate 6 in serie or sa dea o capacitate echivalenta C_ech = 1300/6 = 216F

 

Cat despre incarcare, indiferent ce topologie are sursa cu care se incarca (poate sa fie si sursa liniara), treaba sta cam asa:

Ecuatia de functionare a condensatorului este: I = C*dU/dt

Daca incarcam in curent constant putem trece la ecuatia cu diferente finite: I = C*delta_U/delta_t
Rezulta: delta_t = delta_U * C / I

 

Cu datele:

C = 216F
I = 10A
delta_U = 16V

delta_t = 16*216/10 = 345s

 

Cu alte cuvinte, pentru a incarca pachetul de condensatori 6S 2P de la 0 la 16V cu un curent de 10A, trebuie aplicat curentul un interval de 345s, adica aproape 6 minute. Duratele se pot recalcula pentru alti curenti de incarcare. Estimarea vizeaza numai timpul de incarcare, nu are in vedere randamente, tehnici de limitare de curent/tensiune si alte dume.

Nu conteaza ca sunt "supercapacitori". Sunt tot condensatori, doar ca tehnologia le-a permis sa realizeze capacitati foarte mari.

 

Spor!

 

 

 

 

Editat Mai 22, 2021 de cirip

[adyhansolo]

@UDARMultumesc, cred ca ai dreptate, deja am experimentat mai multe module de acest fel si limitarea de curent nu functioneaza asa cum as dori.

Cel care l-am folosit primul este acesta:

https://imgur.com/3HDjyUe

Acesta,ca si celelalte folosesc  TL494.

 

@Marian Multumesc. Nu stiu daca este o idee prea buna, dar as ridica tensiunea cu un modul boost de acest tip dupa care as folosi  un modul buck cu Xl4016, cu limitare pe la 8A. Mai mult pentru experiment. 

 

@validae Multumesc. Nu doresc o incarcarea atat de rapida. Este suficient daca se incarca in 5-10 min. 

 @BRANCAMultumesc. M-am gandit si la varianta clasica, dar cred ca necesita rezistenta foarte mica si putere destul de mare.  Daca crezi ca este fiabila te rog da-mi mai multe detalii.

 

@ciripMultumesc, m-am grabit cu acele date eronate, ai dreptate. Apreciez informatiile teoretice despre incarcarea condensatorilor.

 

As dori insa niste indrumari asupra realizarii practice a circuitului de incarcare, o schema, ceva care sa-mi permita limitarea curentului in acel timp scurt de incarcare.

Editat Mai 23, 2021 de adyhansolo

[BRANCA]

https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/design-solutions/7/7323.html

 

https://www.analog.com/en/technical-articles/supercapacitor-charger-with-adjustable-output-voltage-and-adjustable-charging-current-limit.html

Editat Mai 23, 2021 de BRANCA

[Marian]

Motivul esecului cu boost este usor de explicat.

La boost iesirea este intotdeauna mai mare decat alimentarea, in timp ce incarcarea conzilor presupunea ducerea iesirii catre zero.

Limitarea de curent la boost este de fapt o limitare a curentului prin mosfet, dar asa cum bine zice UDAR, curentul de sarcina are cale libera prin dioda si inductanta, si chiar asta se intampla atunci cand conzii aia forteaza iesirea sub nivelul alimentarii.

De asta am spus ca nu se incarca asa ceva cu boost.

 

Poti merge pe varianta indicata de UDAR, boost pt ridicare tensiune urmat de generator de curent constant, asta din acelasi motiv al incarcarii de la 0, ai nevoie de un regulator cu iesire din zero. 

 

Intrebare:

Cu o baterie de conzi care se incarca in maxim cateva minute de la zero, ai de gand sa pornesti un autovehicul?

Poate motoscutere mici...

Ar fi interesant de facut o comparatie a energiei disponibile dintr-o astfel de baterie de conzi, si a celei necesare pornirii unui autoturism...

[adyhansolo]

@BRANCA M-am uitat si eu la MAX17701 si pare interesant. Multumesc.

 

@Marian Ai putea te rog sa-mi indici o schema pentru un astfel de generator de curent constant?

Si ca sa-ti raspund la intrebare: Da, cred ca as putea sa pornesc un motor auto, sau macar sa-i dau un boost. Conform datelor tehnice, condensatorii ar trebui sa furnizeze cateva sute de A, cateva secunde, suficient sa porneasca un motor. Ma bazez si pe experienta altora, care au reusit acest lucru. Exista  deja jump starterele pe baza de condensatori care se comercializeaza .Dar pana nu fac un experiment nu pot fi sigur.

Cand va fi gata, voi anunta aici rezultatele.

[cirip]

Acum 3 ore, adyhansolo a spus:

o schema, ceva

Salut,

 

Cu titlu experimental, cea mai simpla schema de incarcare contine o sursa de tensiune constanta (poate fi si un acumulator), o rezistenta serie si blocul de condensatori. Trebuie avute in vedere urmatoarele:

• Timpul de incarcare pana la 95% din valoarea tensiunii sursei este t = 3*R*C
• In cazul in care tensiunea initiala pe condensatori este zero, curentul de pornire este destul de mare si este I_initial = Tensiunea_sursei / Rezistenta_serie. Incarcarea este lenta. Rezistenta de limitare trebuie sa suporte puterea disipata

 

Randamentul schemei de incarcare este redus, dar permite obtinerea unor date experimentale preliminare.

 

Exemplul 1

Presupunem ca sursa de la care incarcam are valoarea de 16V si se limiteaza curentul cu o rezistenta de 10 Ohmi.

Rezulta timpul de incarcare t = 3*R*C = 3*10[Ohmi]*216[F] = 6480s = 1 ora si 48 minute

Puterea disipata initial pe rezistenta de 10 Ohmi o sa fie P = U^2/R=16^2/10 = 25.6W

 

Exemplul 2

Presupunem ca sursa de la care incarcam are valoarea de 12V si se limiteaza curentul cu o rezistenta de 5 Ohmi.

Rezulta timpul de incarcare t = 3*R*C = 3*5[Ohmi]*216[F] = 3240s = 54 minute

Puterea disipata initial pe rezistenta de 5 Ohmi o sa fie P = U^2/R=12^2/5 = 28.8W

 

Iata si o simulare pentru exemplul 1

 

Daca postati niste date referitoare la curentul luat de demaror la pornire si durata de timp, as putea face niste evaluari, ca sa vedem daca suntem macar pe aproape cu energia necesara. As incepe cu 100A timp de 2s. Este realist? Astept confirmare.

 

 

 

Editat Mai 23, 2021 de cirip

[flomar60]

Despre curentul luat de demaror....timp de 0,2-0,4 secunde din momentul conectării și până începe rotirea,curentul poate sări de 400A...!!!....abia după 1 secundă-2 secunde curentul prin demaror putem zice că ajunge la o valoare rezonabilă de genul cele avansate de colegul cirip....în general ,dacă totul e în regulă cu motorul mașinii ,pornirea nu durează mai mult de 3 secunde....

[Dxxx]

Problema este ca in momentul cand folosesti ceva gata-facut (un modul in cazul asta ...) trebuie sa stapanesti foarte bine ce se intampla acolo, mai inainte de a face experimentul.

 

Ce spunea @Marian 4 postari mai sus este o explicatie corecta si clara: cu condensatorii descarcati fortezi tensiunea de iesire la ZERO, in timp ce orice boost nu suporta la iesire tensiune mai mica decat Vin, deci evident ca limitarea curentului nu este activa.

 

Similar ai putea sa incerci incarcarea cu surse ("drivere") pentru leduri tipologia SMPS-CC (sursa din reteaua de la priza, cu curent constant la iesire) ... dar sunt foarte putine care suporta tensiune de iesire zero, asta gasesti in DS. Uzual sub o anumita tensiune (Vout-min) sursa intra in protectie (fie blocare totala fie hiccup).

 

Cam in toate cazurile poti trece peste limitarea respectiva cu conditia de a inseria in circuit o rezistenta sau chiar un filament de bec cu incandescenta care sa duca la o tensiune pe iesirea sursei care sa fie mai mare decat Vout-min... dar efectul va fi o limitare majora a curentului debitat, cu cresterea spectaculoasa a timpului de incarcare.

[validae]

Legat de curentul cerut de starter, acesta diferă mult funcţie de motorizarea maşinii.La benzinare pornirea e mai uşoară şi demaroarele pot fi uneori cât pumnul de mici, statorul fiind magnet permanent.La cele Diesel se schimbă situaţia, în afară de faptul că motoarele de capacităţi mari au demaroare mai puternice care cer curenţi mari, mai apare şi consumul bujiilor incandescente.cestea sunt alimentate înainte de pornirea motorului şi numai ele consumă cam 40-50A.Am văzut un video cu pornirea unei maşini cu ajutorul unor condensatori de capacitate mare, dar era printr-o ţară cu climă tropicală.Cu motorul îngheţat tun, tare mă îndoiesc că vei reuşi să porneşti doar cu condensatori, mai ales dacă batria maşinii are capacitatea scăzută.Ca ajutor la pornire, ar merge.Dar trebuie să ai la dispoziţie o sursă capabilă de minim 50A ca să nu stai prea mult între încercările de pornire, mai ales dacă prima a fost ratată...

Vindea cineva pe forum nişte surse în comutaţie foarte potente, capabile de până la 100A sau chiar peste, la tensiune de 12-14V. Parcă ceva de servere....şi preţurile erau mai mult decât convenabile, parcă sub 200 Lei.

[Bandi Szasz]

De cateva zile ma invarti si eu in jurul unui circuit de incarcare ( batterii in cazul meu) si am avut nevoie cam de acelasi criterii, limitare de curent si tensiunea de iesire la inceputul incarcarii sub tensiunea de intrare iar spre final peste ( sursa de 24V iar acumulatorul intre 23 - 27.6V). La ce am ajuns eu este circuitul "LM3488" https://www.ti.com/lit/ds/snvs089o/snvs089o.pdf?ts=1621765514523&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F , configurat ca convertor SEPIC ( buck - boost) are limitare de curent cycle-by-cycle reglabil cu o rezistenta externa in sursa mosfetului, find convertor sepic este capabil sa izoleze iesirea si in modul boost. Depinde cat de mult vrei sa experimentezi sau ce posibiliati de construire de la 0 ai. Poate fi o varianta cu LM3488 doar ca probabil o sa fie mai dificil de obtinut chiar 10A posibil sa poti renunta destul de mult la stabilitatea iesirii nefind nevoie de o tensiune chiar foarte stabila / curata ca il filtreaza chiar condensatorii pe care ii incarci.