Суперконденсаторный джамп стартер v2.0

Джамп стартер (Jump starter) – это портативное пусковое устройство для автомобиля. С помощью устройства из обзора можно гарантированно завести автомобиль с разряженным аккумулятором или вовсе без оного. Суперконденсаторы (ионисторы), из которых собрана батарея этого джамп стартера (16.2 вольт/108 фарад/14 килоджоулей/14 киловатт-секунд) — безопасны, долговечны, морозоустойчивы, могут годами храниться в машине полностью разряженными, а в случае необходимости заряжаются от нуля до рабочего напряжения 16 вольт за несколько минут, даже от полностью разряженной (вплоть до 7 вольт) АКБ. При разряде до напряжения 8 вольт данное пусковое устройство может в одиночку крутить двигатель авто с киловаттным стартером в течение 10.5 секунд. По сравнению с первым джамп стартером, новая версия проще в изготовлении, безопаснее и мощнее. Под катом вас ждет подробный рассказ о сборке и испытаниях этого девайса.

Как это работает

Ионисторы — это разновидность конденсаторов очень высокой емкости с большими токами разряда. Небольшие размеры таких ионисторов позволяют собрать из них компактное пусковое устройство для запуска двигателя на случай, если штатная АКБ автомобиля окажется настолько разряжена что будет неспособна крутить стартер.

Для запуска автомобиля заряженные до 16 вольт конденсаторы пускового устройства подключаются к бортовой сети автомобиля (к клеммам АКБ). Для большинства современных авто такое напряжение безопасно, плюс-минус 16 вольт — это верхняя допустимая граница напряжения в бортсети. При этом напряжение в бортсети резко поднимается на несколько вольт, а затем плавно начинает уменьшаться. Запуск двигателя выполняется сразу же после подключения джамп стартера.

Перед использованием пусковое устройство нужно зарядить до рабочего напряжения 16 вольт, при котором его энергия близка к максимуму. Для такого заряда от АКБ автомобиля служит встроенный в пусковое устройство повышающий преобразователь.

Таким образом, конденсаторы повышают напряжение на разряженном аккумуляторе и берут на себя пиковый ток при запуске стартера. Это позволяет успешно завести машину с севшей по той или иной причине АКБ (не выключенные габариты, открытые двери, низкая температура, разряд АКБ предпусковым подогревателем, и т.д. и т.п.).

Как это устроено

Основой суперконденсаторного джамп стартера являются шесть одинаковых конденсаторов на 2.85 вольт 700 фарад каждый, соединенных последовательно. При последовательном соединении напряжения всех конденсаторов суммируются. Это позволяют получить макс. допустимое напряжение конденсаторной батареи 17.1 вольт (2.85 вольт х 6). Однако общая емкость при таком последовательном соединении уменьшается — емкость одного ионистора делится на их количество в батарее. В нашем случае суммарная емкость составит 117 фарад (700 фарад / 6). В итоге получается конденсаторная батарея с макс. напряжением 17.1 вольт и емкостью 117 фарад. Сразу скажу, что заряжать до 17.1 вольт вовсе необязательно. Достаточно до 16-16.5 вольт. А вот имеющийся у конденсаторов запас по напряжению — это дополнительный плюс в части безопасности.

Для уверенного запуска двигателя, как параллельно с АКБ, так и без АКБ, нужна емкость 50-300 фарад. Больше естественно лучше, но за все нужно платить. Возрастет стоимость конденсаторов, значительно увеличится время их заряда до рабочего напряжения, увеличатся общие габариты такого устройства. Джамп стартер на 300 фарад имеет смысл скорее для мощных дизелей и внедорожников, для обычной бензиновой легковушки и мелких дизелей оптимально и достаточно емкости в районе ста фарад.

Конструктивно суперконденсаторный джамп стартер является очень простым устройством:

Он состоит из батареи ионисторов (1), платы балансировки ионисторов (2), платы заряда ионисторов от внешнего источника (3), выключателя/автоматического предохранителя (4) в выходной цепи и вольтметра (5) для контроля выходного напряжения ионисторов при включенном тумблере либо напряжения на клеммах АКБ при выключенном тумблере.

Сколько это стоит

Основные компоненты для этой схемы были куплены на Алиэкспрессе:
— Комплект из 6-ти ионисторов 2.85 вольт 700 фарад (1), в сборе с платой балансировки (2) https://aliexpress.ru/item/item/4001152239023.html
— Плата заряда ионисторов (3) https://aliexpress.ru/item/item/32843350018.html
— Выключатель/автоматический предохранитель (4) https://aliexpress.ru/item/item/32797342228.html
— Вольтметр (5) https://aliexpress.ru/item/item/4000329660734.html
— Комплект разъемов EC3 в сборе (5 мам и 5 пап) https://aliexpress.ru/item/item/990207098.html
— 2 комплекта крокодилов с крепежом (для стартовых проводов и для кабеля зарядки от АКБ) https://aliexpress.ru/item/item/32820189311.html

В качестве корпуса для джамп стартера используется обычный пластиковый ящик для инструментов. Покупал в местном магазине voronezh.poryadok.ru/catalog/yashchiki_dlya_instrumentov/2722/

Стартовые провода и внутренние силовые провода сделаны из медного провода ПуГВ (ПВ3) 10 кв.мм, оставшегося у меня от предыдущих проектов. Покупал в местном магазине по цене примерно 1 доллар/метр.

Наконечник медный луженый ТМЛ 10мм.кв. х М6 пр-ва КВТ, 2 шт, также покупал в оффлайне примерно за 35 центов avselectro.ru/catalog/kabeli-i-provoda/aksessuary-dlya-kabelya/kabelnye-nakonechniki-i-soediniteli-gilzy/234907

Итого стоимость всех компонентов для сборки этого джамп стартера – примерно 80 долларов.

Входной контроль и проверка реальных параметров ионисторов

Ионисторы и плата балансировки пришли в такой упаковке, какие-либо повреждения отсутствуют:

Размеры конденсаторов — 7.2x3.5 см.
Размеры платы балансировки — 23.1x3.6 см.

Плата балансировки – хорошего качества, отмытая на заводе, с толстым слоем двусторонней медной металлизации и множеством сквозных металлизированных отверстий. Эти отверстия повышают эффективность охлаждения отводя часть тепла с лицевой на обратную сторону платы. При начале балансировки плата начнет греться, рассеивая тепло с нагрузочных резисторов, поэтому перед припаиванием конденсаторов наклеиваем на них прокладки из электрокартона (чтобы не грелись конденсаторы от платы):

Заряжаем собранную батарею и проверяем работу схемы балансировки. Светодиоды индикации балансировки начинают загораться где-то при 16.5 вольт, а уже при 16.9 вольт горят все 6 светодиодов.

Принцип работы схемы балансировки:

Параллельно каждому ионистору подключен нагрузочный резистор и транзисторный ключ. Пока на ионисторе менее 2.8 вольт, цепь разомкнута и соответственно ток через нагрузочный резистор не идет. Пример: резистор R1 выделенный синим – он холодный. В конце заряда, когда напряжение на ионисторе достигает 2.8 вольт, ключ замыкается и идет разрядка ионистора на нагрузочный резистор. В этом момент загорается светодиодный индикатор работы балансировки. Напряжение на ионисторе перестает расти, а нагрузочный резистор начинает греться, т.к. трансформирует лишние вольты в тепло. На схеме это резисторы R2-R6, выделенные красным – они горячие. При подключении такой батареи к бортсети при работающем генераторе ток через нагрузочные резисторы не идет – все ключи разомкнуты — поскольку напряжение на каждом ионисторе не поднимается выше 2.4 вольт (14.5 вольт / 6). Таким образом, плата балансировки никак не мешает ионисторам принимать и отдавать максимальный ток.

Для определения реальной емкости купленных ионисторов воспользуемся электронной нагрузкой ZKE EBD-M05:

Согласно методике фирмы Maxwell, для корректного измерения емкости 117 фарад ток разряда должен быть в районе 11 ампер (из расчета 100 мА на фараду). Но такой ток 30-ваттная EBD-M05 не может обеспечить, поэтому значение отданной электроэнергии, через которую рассчитывается емкость, получится заниженным. Незаниженную ёмкость можно определить на нагрузке мощностью от 200 ватт (17.1 В х 11.7 А), которой у меня к сожалению нет.

Разряд с 16.2 вольт до нуля:

Как видим, отданная конденсаторами энергия составляет 3921 мВтч или 14116 Дж (один джоуль это одна ватт-секунда). Соответственно реальная емкость сборки – 108 фарад (по формуле E=C*U^2 / 2). Даже с учетом заниженной нагрузкой емкости она составляет ≥92% от заявленной! Отлично, ионисторы оказались вполне годные. Я по предыдущему опыту ожидал худшего.

Попробуем теперь определить максимальную энергию, которую могут отдать наши ионисторы. Для этого сборку нужно зарядить до максимально допустимого напряжения 17.1 вольт (2.85 вольт х 6). Но сделать это просто так не получится – нагрузочные резисторы платы балансировки будут выражать свое активное недовольство в форме сильного нагрева. Практический потолок по напряжению для этой батареи — 16.9 вольт, когда загораются все 6 светодиодов балансировки:

Результат: 4209 мВтч или 15120 Дж.

В отличие от привычных амперчасов, которые пишутся на каждой АКБ, джоули обычному автолюбителю мало о чем говорят. Попробуем их выразить в другой, понятной для всех величине.

Наиболее важные характеристики любой батареи (свинцово-кислотной, литиевой, ионисторной и т.д) – это мощность и энергия.

Мощность определяется напряжением и током (Вт=В*А). Именно мощность обеспечивает запуск двигателя. Требуемая для запуска ДВС мощность указана на стартере. Например, для моего авто она составляет 1.4 кВт:

Такую мощность потребляет стартер при прокрутке коленвала ДВС до момента его запуска.

Энергия же показывает возможность обеспечения мощности за промежуток времени, поэтому она определяется, в нашем случае, как Е=кВт*с. Киловатт-секунды, потому что мощность стартера измеряется в кВт, а длительность его работы — в секундах.

Итак, отданная нашей ионисторной батареей энергия составляет 15 кДж или 15 кВт*с (один килоджоуль это одна киловатт-секунда). Такая батарея с энергией 15 кВт*с может выдавать мощность 1 кВт в течение 15 секунд. Или 3 кВт в течение 5 секунд. И так далее.

Но есть один нюанс. Особенность автомобильного стартера как нагрузки для батареи в том, что он при понижении напряжения до определённого значения отключается. Поэтому полностью использовать всю энергию батареи стартер не сможет. При повороте ключа зажигания в положение «старт» напряжение бортсети вначале подается на обмотку реле стартера. Минимальное напряжение, при котором можно запустить стартер, определяется, как правило, напряжением срабатывания, этого реле. А минимальное напряжение, при котором стартер отключается, определяется напряжением отпускания. Как пример, в моем авто стоит реле стартера 71.3747. По спецификации напряжение срабатывания в нем ≤ 8 вольт, а напряжение отпускания ≤ 4 вольт. На практике, стартер в моем авто перестает крутить при напряжении в районе 6 вольт.

Таким образом, стартер не сможет взять от батареи ее полную энергию. Это справедливо для любой батареи, как свинцово-кислотной АБ, так и для ионисторной. В любой разряженной АКБ энергии более чем достаточно для запуска, но из-за низкого напряжения использовать ее не получится!

Поэтому для автомобильного применения ионисторов (для прокрутки электромотора стартера) лучше ориентироваться не на их полную энергию, а на эффективную. Эффективная энергия, в нашем случае – это энергия которая отдается при разряде до 6-8 вольт, т.е. до напряжения при котором еще может работать стартер. В 16.2 вольтовой сборке такое напряжение будет при ее половинном разряде, т.е. до уровня 50% от начального.

Из формулы E=C*U^2 / 2 следует что отдаваемая конденсаторами энергия при 50% разряде (а в нашем случае это и есть эффективная энергия) составляет ¾ или 75% от полной энергии. Поверим или проверим?

Результат: 10552 Дж (2931 мВтч), или 75% от полной энергии (14116 Дж).

Итак, наша батарея с эффективной энергией 10552 Дж или 10.5 кВт*с, заряженная до напряжения 16.2 вольт, может в одиночку крутить двигатель авто с киловаттным стартером в течение 10.5 секунд. Или с 1.4 кВт стартером как на моей машине — в течение 7.5 секунд (10.5 кВт*с / 1.4 кВт). И так далее. При этом напряжение на конденсаторах в конце последней секунды прокрутки стартера составит не менее 8 вольт.

Подведем итог по реальным параметрам нашей батареи:
Емкость: 108 фарад
Энергия (макс.): ≥15 кДж (кВт*с), при разряде с 16.9 вольт до нуля
Энергия (ном.): ≥14 кДж (кВт*с), при разряде с 16.2 вольт до нуля
Энергия (эффективная): ≥10.5 кДж (кВт*с), при разряде с 16.2 вольт до 8 вольт
Время прокрутки стартера: ≥10.5 секунд / киловатт, при разряде батареи с 16.2 вольт до 8 вольт

Можно ли без АКБ завести такой батареей дизель?

В дизеле, в отличие от бензинового ДВС, вначале идет прогрев свечей накаливания (на морозе свечи включаются на 4-5 секунд), а потом запуск двигателя. Поэтому, по сравнению с бензиновыми ДВС того же объема, дизелю энергии на запуск требуется больше.

Попробуем сделать расчет на примере дизеля Toyota Yaris (2014-2017) 1.4 D-4D:

Он оборудован двигателем 1.4 литра и стартером 1.1 кВт. Одна свеча (FEBI 26243) имеет мощность 242 Вт. За 5 секунд она съест 1.22 кДж. А 4 свечи — 4.84 кДж соответственно. Вычитаем 4.84 из 10.5 кДж (эффективная энергия батареи), получается 5.66 кДж. Теперь делим 5.66 кДж на 1.1 кВт (мощность стартера), получаем 5 секунд. Столько времени конденсаторы будут крутить стартер после прогрева свечей. При этом напряжение на конденсаторах в конце последней секунды прокрутки составит не менее 8 вольт.

Для исправного дизеля 5 секунд прокрутки будет вполне достаточно для успешного запуска после прогрева свечей. При этом я посчитал самый худший вариант — прогрев свечей и запуск без АКБ, только с помощью конденсаторов. На практике, обычно АКБ хватает прогреть свечи, но не хватает на стартер. Поэтому заряженные конденсаторы лучше подключать к АКБ после прогрева свечей, для повышения их эффективности.

Сборка пускового устройства

Монтировать конденсаторы, пусковые провода и все остальные компоненты мы будем сразу в обычный ящик для инструмента, без отдельного корпуса для конденсаторного модуля как в прошлый раз. Такое решение будет проще, надежнее и дешевле. Стартовые провода для повышения надежности будут несъемными, а большой свободный объем ящика позволит применить пассивное охлаждение платы зарядки вместо активного, что упростит и удешевит конструкцию пускового устройства без ущерба его эксплуатационным характеристикам.

Ящик укомплектован съемной полкой-разделителем, на которую мы смонтируем выключатель и вольтметр:

С помощью осциллятора и перьевого сверла убираем с полки все лишнее:

Теперь смонтируем зарядный разъем ЕС3. Задача это кстати весьма нетривиальная, поскольку никаких крепежных элементов этот разъем не имеет вообще. И в каждом конкретном случае приходится придумывать наиболее подходящий способ его крепления с учетом места установки разъема.

Например, так я монтировал этот разъем в корпус в предыдущей версии суперконденсаторного джамп стартера:


Вот так в джамп стартере с LiFePO4 аккумуляторами:

А сейчас мы смонтируем разъем ЕС3 прямо на выключатель.

Сверлим крепежное «ухо» выключателя:

Припаиваем провода к штырькам, вставляем до щелчка в разъем с помощью отвертки и продеваем провода через просверленные отверстия. В задней части разъема имеется технологическое отверстие, в которое мы и вкрутим саморез подходящего размера:

Монтируем выключатель с установленным разъемом ЕС3 на полку с помощью обычных автомобильных клипс (на такие клипсы, например, крепят динамики к пластику дверей или пластиковые арки колес к крыльям):

Обжимаем провода в наконечники и надеваем термоусадку. На более тонкие зарядные провода ставим наконечники НШВИ:

Заодно обжимаем и припаиваем провода к губкам крокодилов. Парные губки стартовых крокодилов соединяем дополнительными проводами. Ну и чтобы второй раз не расчехлять паяльник, спаяем также кабели зарядки от прикуривателя и от клемм АКБ:

… и провода к конденсаторному модулю:

Все, выключаем паяльник, больше он нам не понадобится.

Переходим к плате заряда. Она обеспечивает зарядку ионисторов до 16.2 вольт от, например, разряженной до 7-10 вольт АКБ за счет входящего в ее состав повышающего преобразователя. Вообще на вход этой платы можно подавать напряжение 5-32 вольт, а выходное напряжение регулируется в диапазоне 1-30 вольт. Мощность платы 80 ватт, на входе установлен предохранитель на 10 ампер. Для 80 ватт максимальный выходной ток при выходном напряжении 16.2 вольт будет 4.9 ампер, но если входное напряжение будет при этом низким, например 7 вольт, то входной ток будет уже 11.4 ампер, т.е. 16.2 вольт х 4.9 ампер = 80 ватт = 7 вольт х 11.4 ампер. А 11.4 ампер это слишком много, с учетом номинала установленного на плате предохранителя. Да и для цепи прикуривателя авто такой ток также может оказаться чрезмерным, обычно в ней стоит предохранитель на 10 А. Поэтому уменьшим выходной ток до 3.5 ампер, тогда и входной ток опустится до приемлемого значения 8.1 А при входном напряжении 7 вольт, а мощность платы при этом составит 56.7 ватт, или 70% от максимальной.

Настройка платы заряда:

Подключаем вход платы к регулируемому БП и устанавливаем на БП нижний порог напряжения, от которого должен заряжаться джамп стартер. Например, 7 вольт. На ненастроенной плате при этом будет гореть красный светодиод «FAULT». Крутим потенциометр UV-set против часовой стрелки до тех пор, пока на плате не загорится зеленый светодиод «OK». Затем на регулируемом БП устанавливаем выходное напряжение 10-12 вольт и выставляем максимальную силу тока. Подключаем вольтметр к выходу платы и подстроечником Vout-set ставим 16.2 вольт. Отключаем вольтметр. Подключаем амперметр в режиме измерения больших токов к выходу платы и подстроечником СС-set ставим 3.5 ампер.
На этом настройка платы окончена.

Делаем дополнительное пассивное охлаждение для платы заряда. В качестве теплоотвода я использовал алюминиевый корпус от старого повербанка. Делаем его более компактным с помощью разводного ключа с параллельно сходящимися губками. Сверлим в этом радиаторе отверстия под саморезы, на которые перед вкручиванием надеваем термоусадочную трубку и усаживаем:

Ставим две теплопроводящие прокладки на обратную сторону платы где находятся силовые ключи. И еще две рядом с крепежными отверстиями с другой стороны, для равномерного распределения усилия прижима. Прикручиваем плату к радиатору:

Подключаем провода к плате заряда и вольтметру. Крепим конденсаторы и радиатор с платой к внутренним стенкам ящика с помощью двустороннего скотча. Для радиатора использовал оригинальный автомобильный скотч 3М, а для конденсаторов скотч для наклейки зеркал:

Ставим полку и …упс… она до конца не опускается — мешает радиатор. Когда я его примерял в самом начале, полка ставилась нормально, но я не учел что потом-то я его сплющил и высота радиатора увеличилась ))) Пришлось сделать вырез в полке. Кстати, такой вырез дает и свои преимущества: улучшение вентиляции радиатора и возможность тактильно (то бишь пальцем) оценить его температуру без разборки устройства:

Крепим винтами полку к ящику в 3-х точках – слева, справа и спереди. По бокам винты с широкой плоской шляпкой просто вкручены в пластик, а спереди использован винт с потайной головкой и колпачковая гайка:

Сборка пускового устройства на этом завершена.

Укладываем в ящик все комплектные провода, закрываем-открываем, все нормально.

Осталось только этикетки наклеить да взвесить. Этикетки я заказывал в США по сезонной акции (за 1 доллар с бесплатной доставкой присылают пачку виниловых стикеров по твоему макету):


Пусковое устройство со всеми потрохами весит 1.5 кг – в 10 раз легче обычной АКБ.

Тестируем наш джамп стартер – запускаем им автомобиль без АКБ


Тестовый автомобиль с бензиновым двигателем 1.6 л и стартером 1.4 КВт.

Резюме

В обзоре подробно описан принцип работы и конструкция конденсаторного пускового устройства, показан способ измерения емкости ионисторов электронной нагрузкой, приведены примеры расчета основных параметров пускового устройства – его мощности и энергии и определения фактического времени прокрутки стартера в зависимости от его мощности, в том числе и с учетом особенностей запуска дизеля. В практической части обзора подробно освещен процесс изготовления максимально бюджетной, простой и надежной конструкции пускового устройства, указан список комплектующих и цена.

В заключение остаётся сказать:
Как всегда, буду рад если какая-то информация из обзора окажется вам полезной.