Hybride batterij weerstand berekenen

[wout123]

Hallo Tweakers!

Mijn natuurkunde kennis is weer een beetje weggezakt, en ik loop even tegen een kleine berekening aan waar ik niet zeker weet of ik goed zit.

Even uitleg: Voor mijn motorfietsje wil ik de stroom benodigd voor het starten overlaten aan "ultracapacitors" In het specifiek modelletje: (Maxwell 2.7V 350 Farad) in plaats van een accu.

Deze condensatoren zal ik in serie (6 in serie) plaatsen met een simpel balance / protection plaatje.

Waarom doe ik dit?
Filmpje: YouTube: Replacing My Car Battery with Capacitors! 12V BoostPack Update

Ik doe dit omdat ik het leuk vind, en ik er van uit ga dat de 500.000 cycle life van die condensatoren zorgen dat ik minder vaak (dure) accu's moet kopen, en bovenal oude accu's moet weggooien.

Wat die condensatoren toevoegen:
1. Hele lage interne weerstand, waardoor snel op/ontladen mogelijk is (170A piekbelasting)
2. Lange levensduur (500.000 cycles versus 1500 - 6000 (100% - 50% DOD) voor Lithium en 500-700 voor Lood)
3. Temperatuur onafhankelijke prestaties
4. Lading onafhankelijke prestaties (kan nog steeds 170A leveren als ze op 9v staat ipv 15v)

Het grote nadeel van de condensatoren:
1. Weinig opslagcapaciteit per formaat
2. relatief hoge zelfontlading

Om dus deze twee te overkomen wil ik me wagen aan een "hybride" batterij, deels LiFePO4, deels condensator.

Gezien de hoeveelheid ruimte komt er maar een klein lithium batterijtje bij. Namelijk 4 maal een 18650 cell:

Deze komen erin met een simpel balance / overcharge protection circuitje

Chemie: LiFePo4
Type: 18650
Merk: Enerpower
Fabrikant: Heter
Benaming: HTCFR18650-1800mAh-3.2V
Nominale spanning: 3.2V
Maximale laadstroom: 1,8A
Capaciteit: 1800 mAh
Interne weerstand: <40mΩ (ik neem even 30)
Pulsbelasting: 10A / 5 seconden

Nu dus mijn vraag

Wat moet R1 / de weerstand tussen de batterij en de condensator zijn? Deze zit er zodat de maximum ontladingsstroom van de lithium batterij niet te groot wordt.

Alle info op een rijtje:

Batterij (4 in serie) heeft 4 x 0.030 ohm = 0.12 ohm -> MAX 6A (even genomen)
condensatoren (6 in serie) hebben 6 x 0.0032 = 0.0192 ohm interne weerstand
startmotor gebruikt zo'n 90A piek (is minder volgens mij, maar ga hier even vanuit).

Mijn gedachte: klopt dit?

De weerstand door het batterij gedeelte moet 6/90 = 15x groter zijn dan die van de condensatoren.

R1 + Rbatterij = 15 x Rcondensator

R1 + 0.12 = 15 x 0.192

R1 = 0.168 Ohm.

En dan koop je er eentje van 0.18 ohm oid?

Dan ná het starten. De situatie dat de condensatoren leeg zijn (of iig een lager voltage hebben) en de accu's de condensatoren moeten opladen (worst case als de motor ook niet wilt starten -> condensatoren dalen hard, en de motor helpt vervolgens ook niet met het bijladen van de condensatoren.

Klopt mijn redenering hier?

De totale weerstand over deze schakeling is dan R1 (.18Ohm) + Rbat + Rcondensator = 0.3192 ohm
Dus R * I = U
dus eigenlijk mag er maximaal (zonder load) een verschil ontstaan van 0.3192 * 6 = 2 Volt ongeveer

Dus situatie de batterijen op 13.5 V en de condensatorenop 11.5 V.


Even simpel schemaatje:



Daarnaast heb ik opgevangen dat de zelfontlading van die dingen vrij laag is na de eerste 10%. De aangegeven 0.30mA leakage current is dan redelijk reëel. Die batterijen hebben 1800mAh,

dus kunnen ze dan heel grof gerekend 1800/0.30 = 6000 uur die condensatoren "opgeladen" houden? (dalende spanning van de lithium accu naarmate deze leger wordt en zijn zelfontlading niet meegenomen?)

met andere woorden: Ik hoef niet bang te zijn dat deze lithium accu leeg / kapot is, als ik er een maand niet op rijd? (wat niet uniek is voor een motor uiteraard).

Vind dit wel een lachen projectje

Oja: waar het dus in komt (en waarom ruimte schaars is):



De accu zit op de foto onderin (rode dingetje net boven de uitlaat), maar is hier al weggehaald. De 18650 cellen komen onder het zadel.

[ Voor 9% gewijzigd door wout123 op 08-05-2019 23:48 ]

[SA007]

Ik zie nergens hoe je van plan was de condensator te plaatsen en/of hoeveel ervan.

1 zo'n condensator is niet geschikt, je hebt er meerdere in serie nodig en een balanceercircuit, die condensators gaan vrij snel kapot als je boven de 2.7v komt waar ze voor gemaakt zijn.

Wat voor electronica wil je nog bij de batterijen plaatsen, dat heeft vrij veel invloed op wat je erbij plaatst.
- Niks?
- Alleen een balancer?
- Compleet protection circuit?

[wout123]

SA007 schreef op woensdag 8 mei 2019 @ 23:39:
Ik zie nergens hoe je van plan was de condensator te plaatsen en/of hoeveel ervan.

1 zo'n condensator is niet geschikt, je hebt er meerdere in serie nodig en een balanceercircuit, die condensators gaan vrij snel kapot als je boven de 2.7v komt waar ze voor gemaakt zijn.

Wat voor electronica wil je nog bij de batterijen plaatsen, dat heeft vrij veel invloed op wat je erbij plaatst.
- Niks?
- Alleen een balancer?
- Compleet protection circuit?

Ik heb t er even wat duidelijker in gezet!

6 van die condensatoren in serie geven 16.2V 58F.
4 Lithium in serie geeft 12.8v nominaal en 14.5v opgeladen / laadspanning

De LiFePO4 cellen en de condensatoren krijgen allebei (een eigen) balancer / overcharge protection circuit.
(helaas geen low voltage cut-off voor de lithium accu's, ik heb deze die ik gebruik namelijk nog liggen).

Daarnaast zit ik wel te denken om het balanceercircuitje van die condensatoren achterwege te laten tbv de plaatsing en ruimte van de condensatoren (kunnen ze mooi stuk voor stuk in het zadel worden gelegd van onderen) Gezien ik nooit de 16.2 volt zal zien (De motor levert maximaal 14.5 volt), zullen ze nooit boven de 2.7 volt komen. Wél zorgt onbalans voor het sneller slijten van enkele cellen?

[ Voor 17% gewijzigd door wout123 op 08-05-2019 23:55 ]

[SA007]

Dan verwacht ik dat het enige wat ertussen hoeft een beperking van de stroom is.

Dan hangt het dus af van het maximale spanningsverschil (wat nog een groot kan zijn, op een boordnet van een voertuig kan de spanning hoog oplopen, zeker als de accu eruit trekt). Denk dat die 14.5V dan behoorlijk flink hoger kan worden.

[dijkmane]

de ultracaps kunnen de startstromen aan, maar hebben 0,35Wh aan energie in zich, neem je er 6, heb je 2,1Watthour. ( maakt 7560 WattSeconds )
ga je starten, 90A, 12V ( grofweg 1000Watt ), heb je dus energie voor zo'n 7 seconden starten.

dat zal dus waarschijnlijk wel lukken, maar de uitdaging is deze cellen te laden en die lading te controleren, dit d.m.v. een BMS, daar heb je er een van nodig die de hoge stromen aankan, ik kan er zo even geen een vinden.

[wout123]

dijkmane schreef op donderdag 9 mei 2019 @ 07:55:
de ultracaps kunnen de startstromen aan, maar hebben 0,35Wh aan energie in zich, neem je er 6, heb je 2,1Watthour. ( maakt 7560 WattSeconds )
ga je starten, 90A, 12V ( grofweg 1000Watt ), heb je dus energie voor zo'n 7 seconden starten.

Condensatoren gedragen zich niet helemaal als batterijen als je ze in serie plaatst; hun maximale lading wordt kleiner als je ze in serie plaatst (Je deelt de maximale capaciteit door het aantal in serie, 6 x 350 F wordt 350 / 6 = 58.3F). Waarom dit is kan ik je ook niet echt goed uitleggen

Toch kan je dan nog steeds niet helemaal met Wh rekenen, omdat je de condensatoren ook niet helemaal tot 0 volt kan ontladen (het kan wel, alleen met 3 volt draait je startmotor niet). De Wh van een condensator wordt van 2.7v - 0v berekend. Maar uiteindelijk is slechts een deel daarvan echt bruikbaar. (zeg van 2.41 tot 1.5 per cel ofwel 14.5 tot 9v)

Dat zijn twee negatieve aspecten, maar een ook positief aspect is, dat bij een grote stroom een groter deel van zijn capaciteit kan worden gebruikt, en ook het voltage minder daalt tijdens starten (omdat over de interne weerstand van de accu / stroombron een relatief kleiner deel van de spanning staat).

Maar inderdaad. Zal dus ook niet heel lang kunnen starten.. Vandaar dus ook de backup accu. De capaciteit wordt "traag" teruggeladen in de condensatoren.

De 90A is een piekstroom, deze zal continu lager liggen denk (ik gok rond de 40A, niet gemeten).

dat zal dus waarschijnlijk wel lukken, maar de uitdaging is deze cellen te laden en die lading te controleren, dit d.m.v. een BMS, daar heb je er een van nodig die de hoge stromen aankan, ik kan er zo even geen een vinden.

Dat is inderdaad een deel van het probleem. Lege condensatoren laden is niet heel makkelijk zonder intelligente lader (eentje die CCCV / Constant Current - Constant Voltage) kan laden. Het aansluiten van een spanningsbron geeft praktisch sluiting door de lage interne weerstand en de nog best hoge capaciteit.

Even rekensommetje; Stel dat die condensatoren na een halfjaar op 8 volt staan, en je sluit er vervolgens een opgeladen accu op aan (14.4 volt). Dan heb je met een spanningsverschil van 6.4 volt en een interne weerstand van de condensatoren à 0.0192 ohm (en zonder extra weerstand oid)

6.4 / 0.0192 = 333 Ampere (even de interne weerstand van je accu verwaarloosd voor het dramatische effect). En dan is anderhalve seconde opeens best lang.

SA007 schreef op donderdag 9 mei 2019 @ 00:08:
Dan verwacht ik dat het enige wat ertussen hoeft een beperking van de stroom is.

Ja precies.

Dan hangt het dus af van het maximale spanningsverschil (wat nog een groot kan zijn, op een boordnet van een voertuig kan de spanning hoog oplopen, zeker als de accu eruit trekt). Denk dat die 14.5V dan behoorlijk flink hoger kan worden.

De spanning mooi op 14.5 volt maximaal! Ik heb het getest en mijn spanningsregelaar (het ding wat de wisselstroom van de stator omzet in gelijkstroom) geeft 14.5 volt af. Ik heb de motor draaiend gehad met een kleinere condensator (16.2V 1F), en de spanning is nooit echt boven de 14.5 volt gekomen!

Bedankt voor jullie antwoorden.

Zou iemand mij kunnen vertellen of mijn benadering van de 0.18 ohm reëel is voor een geladen toestand waarin wordt gestart? En is het dan verstandig om een grotere weerstand te nemen om het spanningsverschil ná het starten een kleiner risico te maken?

[Tom-Z]

0.18 Ohm is verwaarloosbaar weinig. Het zal geen enkel verschil maken.

De enige bruikbare oplossing is een constant current charger. Met een weerstand ga je dit nooit voor elkaar krijgen omdat of de laadstroom onpraktisch hoog zal zijn, of onpraktisch laag zal zijn, of de weerstand op zal blazen. Je oplaadcircuit moet de condensatoren van leeg af moeten kunnen opladen omdat de startmotor ze heel snel leeg trekt.

[wout123]

Tom-Z schreef op vrijdag 10 mei 2019 @ 11:32:
0.18 Ohm is verwaarloosbaar weinig. Het zal geen enkel verschil maken.

Daar ben ik het zeker niet mee eens! 0.18 ohm is meer dan een verdubbeling van de bestaande weerstand. Ook moet je niet vergeten dat we werken met 12 volt en grote stromen

De startmotor heeft bijv een weerstand van zo'n 12 / 90 = 0.13 ohm

De enige bruikbare oplossing is een constant current charger. Met een weerstand ga je dit nooit voor elkaar krijgen omdat of de laadstroom onpraktisch hoog zal zijn, of onpraktisch laag zal zijn, of de weerstand op zal blazen. Je oplaadcircuit moet de condensatoren van leeg af moeten kunnen opladen omdat de startmotor ze heel snel leeg trekt.

Het idee was ook om een 25 watt weerstand te gebruiken, klein rekensommetje geeft dat die weerstand minder dan 10 watt zal verbruiken. Overigens staat deze weerstand alleen voor de batterij. Het echt opladen gebeurt weer door de spanningsregelaar van de motor zelf, en hier zit geen weerstand tussen.

Het klopt wel wat je zegt dat het niet zo'n nette oplossing is als een CCCV oplader ertussen zetten, maar soms moet je het niet te moeilijk maken..


Daarnaast zullen die condensatoren nooit écht leeg zijn. De charts van Maxwell geven aan dat deze na 24 uur 10% zijn verloren en na 30 dagen 20%.

Gezien ze ongeveer op 90% geladen zijn bij 14.5 volt, zullen ze dus nooit echt leeg raken uit zichzelf. En ze zullen ook niet veel lager dan 9 volt komen, want dan draait de startmotor niet meer, en de lichten aan laten staan kan niet echt bij deze motor

[ Voor 14% gewijzigd door wout123 op 10-05-2019 12:58 ]

[dijkmane]

wout123 schreef op vrijdag 10 mei 2019 @ 09:31:
[...]
Condensatoren gedragen zich niet helemaal als batterijen als je ze in serie plaatst; hun maximale lading wordt kleiner als je ze in serie plaatst (Je deelt de maximale capaciteit door het aantal in serie, 6 x 350 F wordt 350 / 6 = 58.3F). Waarom dit is kan ik je ook niet echt goed uitleggen
[...]

de lading wordt niet kleiner, de hoeveelheid opgeslagen energie kun je wel bijelkaar optellen.
de capaciteit van de condensator wordt inderdaad wel kleiner, zoals je aangeeft.
capaciteit van een C wordt groter als je parallel gaat schakelen ( teken maar eens zo'n schakeling, de platen van de C kun je "doortrekken" en daarop bij elkaar optellen ) het is precies andersom als bij weerstanden.

ik denk dat dit meer een out of the box experiment moet worden, gewoon bouwen en proberen.
met die 0,18R zit je denk ik wel goed.

maar je stopt er zo allemaal geld in enzo, terwijl een loodaccu nou ook weer niet zo heel duur is, het eigenlijke probleem zie ik niet zo.
blijft wel leerzaam dit uit te vogelen.

[Tom-Z]

Ok, simpel rekensommetje:

Startmotor gebruikt 90A. Je condensator is 350/6=58F. Je batterijen kunnen maximaal 10A leveren, dus de condensator moet minimaal 80A leveren. Bij die stroom ontlaadt de condensator met 58/80=1.4 V/s (in werkelijkheid is het scenario nog iets slechter omdat de batterijen in het begin niet de volle 10A leveren vanwege de weerstand).

Na 3 seconden starten is de condensator dus ontladen van 14.5V naar 14.5-1.4*3=10.3V. Vanwege de 0.0192 Ohm interne weerstand van de condensatoren heb je nog een extra 0.0192*80=1.5V spanningsval. Je hebt dan een spanningsverschil van 5.7V, bij een weerstand van (0.12+0.18) Ohm is dat 19A en 108W (waarvan 65W in de weerstand en de rest in de batterij). Als je de stroom wil beperken tot 10A, dan heb je 0.45 Ohm 45W nodig. En dat is nog maar voor 3 seconden starten...

Zelfs als je maar met 40A rekent zit je na 5 seconden al aan 3.2V spanningsverschil. En met een simpel foutje van de gebruiker (motor wil niet starten) zit je binnen enkele seconden met een bijna lege condensator en (dus) een heel grote stroom door de weerstand/batterij.

[ Voor 17% gewijzigd door Tom-Z op 10-05-2019 16:23 ]

[wout123]

dijkmane schreef op vrijdag 10 mei 2019 @ 15:11:
[...]


de lading wordt niet kleiner, de hoeveelheid opgeslagen energie kun je wel bijelkaar optellen.
de capaciteit van de condensator wordt inderdaad wel kleiner, zoals je aangeeft.
capaciteit van een C wordt groter als je parallel gaat schakelen ( teken maar eens zo'n schakeling, de platen van de C kun je "doortrekken" en daarop bij elkaar optellen ) het is precies andersom als bij weerstanden.

Wist ik niet! Bedankt

ik denk dat dit meer een out of the box experiment moet worden, gewoon bouwen en proberen.
met die 0,18R zit je denk ik wel goed.

Out of the box is het zeker, Tom-Z gaf hieronder nog wat berekeningen wat er wel goed uitzagen. Wellicht zal het toch het beste zijn om de accu er gewoon helemaal uit te halen, en alléén op condensatoren te werken.

Ik heb niet het idee dat dit zo'n groot probleem zal zijn gezien kickstarten niet moeilijk is (die kickstarter zit er onderhand op). Wel vraag ik me af wat er gebeurt als de motor dus niet wil starten, dan zijn de condensatoren leeg, en is er dus ook geen ontsteking (alhoewel deze ontsteking ook goed werkt op een lagere spanning volgens mij, maar stel dat je hem een winter niet gebruikt, dan móet je ze handmatig opladen?)

maar je stopt er zo allemaal geld in enzo, terwijl een loodaccu nou ook weer niet zo heel duur is, het eigenlijke probleem zie ik niet zo.
blijft wel leerzaam dit uit te vogelen.

Je hebt helemaal gelijk. Loodaccu's zijn ongeveer 1/3e van de prijs van deze set condensatoren. Gezien er ook een kickstarter op zit, is een accu sowieso al minder waard.. (hoewel een kickstarter ook niet voor iedereen geschikt is)

De reden dat ik dit doe is gewoon voor de lol, en als je uiteindelijk je accu volledig onderhoud- en zorgenvrij kan maken is natuurlijk wel lachen.

En het is nu nog in de conceptfase uiteraard.

In ieder geval bedankt voor jullie toevoegingen! Hopelijk kan ik hier binnenkort werk van maken.

Het hybride gedeelte zal waarschijnlijk nog wat nadenken vragen. Misschien inderdaad verstandig om te beginnen met 0.5 ohm, en vervolgens gewoon te meten wat er van de batterij wordt gevraagd en eventueel afbouwen. (die grote gewikkelde weerstanden zijn minder dan 2 euro per stuk op aliexpress).

[itcouldbeanyone]

Dus je wilt verlies gaan kweken in een weerstand van .18 Ohm ? , dat haalt meteen alle voordelen weg, kun je net zo goed op lood gaan rijden.

Waarom niet de capacitors als boost gebruiken door ze in serie te zetten met je batterij, en dan met een ideale diode, dus remstroom direct naar je condensators welke je daarna meteen als boost kan gebruiken. Dan gebruik je de volle capacitiet van je capacitor

[ Voor 6% gewijzigd door itcouldbeanyone op 16-05-2019 12:33 ]

[wout123]

itcouldbeanyone schreef op donderdag 16 mei 2019 @ 12:31:
Dus je wilt verlies gaan kweken in een weerstand van .18 Ohm ? , dat haalt meteen alle voordelen weg, kun je net zo goed op lood gaan rijden.

Waarom niet de capacitors als boost gebruiken door ze in serie te zetten met je batterij, en dan met een ideale diode, dus remstroom direct naar je condensators welke je daarna meteen als boost kan gebruiken. Dan gebruik je de volle capacitiet van je capacitor

Ik begrijp je even niet zo goed

Of jij mij niet

[itcouldbeanyone]

wout123 schreef op vrijdag 17 mei 2019 @ 14:45:
[...]


Ik begrijp je even niet zo goed

Of jij mij niet

Je wilt ze toch paralel zetten ?
Dan hebben je condensators weinig voordeel,
Daarnaast geeft je aan dat je je battery stroom over de weerstand wilt laten lopen

[wout123]

itcouldbeanyone schreef op vrijdag 17 mei 2019 @ 18:53:
[...]


Je wilt ze toch paralel zetten ?
Dan hebben je condensators weinig voordeel,
Daarnaast geeft je aan dat je je battery stroom over de weerstand wilt laten lopen

Ik denk dat je me niet helemaal goed begrepen hebt (het lijkt erop dat je denkt dat ik de motor volledig elektrisch wil laten rijden, niet het geval) of mijn kennis laat me hier in de steek

Het idee is om condensatoren te gebruiken om de hoge piekstroom op te vangen bij het starten, en dan vervolgens kunnen deze worden bijgeladen door de batterij (+ de motor zelf).

De batterij die er nu in zit is niet bedoelt voor stromen hoger dan 5 à 10A. Vandaar de weerstand voor de batterij om deze te beschermen tegen de hoge stromen.

Verlies is dus ook niet echt een issue, die motor wekt genoeg stroom op

[ Voor 6% gewijzigd door wout123 op 18-05-2019 00:29 ]

[itcouldbeanyone]

wout123 schreef op zaterdag 18 mei 2019 @ 00:26:
[...]


Ik denk dat je me niet helemaal goed begrepen hebt (het lijkt erop dat je denkt dat ik de motor volledig elektrisch wil laten rijden, niet het geval) of mijn kennis laat me hier in de steek

Het idee is om condensatoren te gebruiken om de hoge piekstroom op te vangen bij het starten, en dan vervolgens kunnen deze worden bijgeladen door de batterij (+ de motor zelf).

De batterij die er nu in zit is niet bedoelt voor stromen hoger dan 5 à 10A. Vandaar de weerstand voor de batterij om deze te beschermen tegen de hoge stromen.

Verlies is dus ook niet echt een issue, die motor wekt genoeg stroom op

Aah op die fiets, dacht dat je je rem energy zoveel mogelijk wou hergebruiken wat je wel eens ziet bij een EV