¿En qué puedo poner un kilovatio? (O: ayúdame a salvar mis secadores de pelo)

Question

TL;DR: Necesito algo para descargar aproximadamente 160A a 14V en, o 2,24 kilovatios. Cualquier comentario, o respuestas, ya sea con a) algo que puedo volcar un kilovatio en, b) alguna manera puedo modificar un elemento común para tomar 2kW DC en 160A, o c) otra forma de medir la batería máxima corriente de descarga continua sería muy apreciada.

Desafortunadamente, un gran número de otras personas en Internet que tienen este problema están lidiando con muchos menos amperios (160A es bastante loco.) Por lo tanto, cualquier comentario de "sólo búsquelo en Google" o que es similar a las preguntas anteriores no se aprecian.

Recientemente he comprado una batería grande, una Hobbyking Multistar 16000mAh de 4 celdas LiPo. Desafortunadamente, HobbyKing es conocido por inflar las especificaciones de sus productos. La salida máxima continua aparece en varias listas como 15C (que sería 15C*16000 mAh = 15C*16Ah =240 amperios) y 10C (que sería 160A). El voltaje de la batería debería oscilar entre 4,0V y 3,2V por celda durante su uso, es decir, entre 16V y 12,8V.

Espero que la salida continua sea de al menos 10C, o 160A, pero no tengo ni idea de lo que es. La gente dice que la potencia real de las baterías Multistar oscila entre los 10C y los 3C, y hay una falta de datos de pruebas reales y demasiados datos anecdóticos. Espero poder probarlo yo mismo vertiendo 2kW en algo y midiendo la corriente todo el tiempo.

Básicamente, necesito algo para descargar aproximadamente 160A a 14V, o 2,24 kilovatios. He buscado cosas que consumen energía en el rango de un kilovatio, y encontré que los microondas (~1kW), los hornos (~1,5kW), las herramientas eléctricas (~500W-2kW), los proyectores (400W-4kW), y los secadores de pelo (~1-2kW) son mis mejores apuestas. Sin embargo, no estoy seguro de cómo conectar mi batería a cualquiera de ellos. Evidentemente, la batería produce unos 2,2 kW de corriente continua a unos 160 amperios. No tengo ni idea de lo que quiere mi secador de pelo, o cómo conseguir que tome DC, sin una gran cantidad de trabajo. También entiendo que esto estaría muy dentro del rango del científico loco, y probablemente resultaría en una explosión genial.

¿Hay alguna manera más fácil de comprobar la capacidad de mi batería? Tengo a mi alcance un cargador de baterías LiPo (tasa de descarga máxima 1A por desgracia), un Fluke decente, un montón de equipos domésticos, varias fuentes de alimentación, un proyector de 400W, y un taller con un número decente de herramientas eléctricas/equipos eléctricos.

Cualquier forma de probar mi batería sería muy apreciada, incluyendo formas de hacer que mis secadores de pelo tomen CC, formas de descargar dos kilovatios en algo que no sea un aparato, y cualquier otra forma de probar en general las características de descarga de la batería.

[editar] Sé que poner un kilovatio en los electrodomésticos es bastante poco práctico y peligroso si eres estúpido. Ahora también sé que es muy difícil. Ahora he cambiado a querer hacer, o comprar, una resistencia grande. Para la policía de seguridad, sé lo peligrosos que pueden ser los 2kW. Siempre he tenido la intención de que cualquier prueba -ya sea en una resistencia probada que debería funcionar bien o en un electrodoméstico- se llevara a cabo en el exterior, en un terreno no inflamable, con extintores, donde si algo explota puedo hacer un bonito vídeo y compartirlo con Internet en lugar de morir electrocutado y quemar mi casa. También sé cómo 2kW pueden fundir cosas y he manejado energía a esta escala antes. No soy electricista y conozco mis límites, pero sé cómo manejar 2kW hasta el punto de que lo peor que puede salir mal son unos cientos de dólares de cosas por el desagüe y un bonito vídeo de la explosión en Youtube. Soy muy consciente de que hay una posibilidad muy alta de que la batería, o lo que sea que esté metiendo 2kW, pueda explotar, y compartiré el vídeo con todos vosotros cuando (si) lo haga.

Answer 1

Para disipar \$ 1\mathrm{kW} \$ en \$ 14\mathrm{V} \$ se necesita una resistencia de \$ R = \frac{\mathrm{V}^2}{\mathrm{W}} = \frac{\left(14\mathrm{V}\right)^2}{1000\mathrm{W}} = 0.196\mathrm{\Omega} \$ . Puede comprar un \$ 0.25\mathrm{\Omega} \$ \$1 \mathrm{kW} \$ resistencia en Digikey por 54,95 dólares ( Nº de pieza FSE100022ER250KE ).

El uso de dos o tres de ellos en paralelo disiparía \$ 2.35 \mathrm{kW} \$ que está dentro de \$ 5\% \$ de su objetivo de \$ 2.24\mathrm{kW} \$ . Si utiliza \$ 0.25\mathrm{\Omega} \$ resistencias entonces la corriente será \$ \frac{ 14\mathrm{V} }{ 0.25\mathrm{\Omega} } = 56\mathrm{A} \$ . Así que necesitarás un cable de 8 AWG o más grande que vaya a cada resistencia.

También puedes envolver un poco de alambre de nicromo alrededor de un núcleo de alta temperatura (como un bloque de ceniza) para hacer tu propia resistencia de potencia. Este PDF ofrece información sobre el alambre de Cromo-Ni. El cable NiCr A de 14 AWG tiene una resistencia de \$ 0.1587\mathrm{\Omega} \$ por pie. El alambre de cromo-níquel tiene un punto de fusión de aproximadamente \$ 1800\mathrm{°F} \$ . Si corremos sobre \$ 29\mathrm{A} \$ a través del cable, el cable se calentará hasta aproximadamente \$ 1400\mathrm{°F} \$ que deja \$ 400\mathrm{°F} \$ del margen.

Si se ejecutan 5 hilos en \$ 32\mathrm{A} \$ cada uno tendrá \$ 160\mathrm{A} \$ y estar en algún lugar del \$ 1400\mathrm{°F} \$ gama. Para hacer \$ 32\mathrm{A} \$ necesitamos que la resistencia del cable sea \$ \frac{14\mathrm{V}}{32\mathrm{A}} = 0.4375\mathrm{\Omega} \$ . Para hacer \$ 0.4375\mathrm{\Omega} \$ necesitamos que la longitud del cable sea \$ \frac{0.4375\mathrm{\Omega}}{0.1587 \mathrm{\Omega}/{\mathrm{ft}}} = 2.76\mathrm{ft} \$ (2 pies 9 pulgadas). \$ 2.76\mathrm{ft} \cdot 5\ \text{parallel strands} = 13.8\mathrm{ft} \$ . Envuelve cada uno de los 5 hilos alrededor del bloque de hormigón de forma que no se toquen o, alternativamente, utiliza 5 bloques de hormigón distintos.

Conecte cada filamento a la batería en paralelo utilizando al menos un cable de 12 AWG para cada conexión. No haga la conexión con algo que pueda derretirse, como los cables de puente con asas de plástico. Además, el cable de cobre debe estar físicamente separado en la zona cercana al NiChrome porque es probable que parte del aislamiento se derrita.

Puede comprar una bobina de 21 pies de cable NiChrome 14 AWG en McMaster por 19,13 dólares. ( Nº de pieza 8880K11 ) También puede comprar una bobina de 6 metros de Jacobs Online por 15,00 dólares .

Answer 2

El problema es doble: se necesita un dispositivo que pueda proporcionar la carga adecuada, y hay que gestionar el calor.

En mi opinión, yo haría lo siguiente (¡pero vea la importante advertencia sobre el cortocircuito de las baterías más abajo!):

Coge un trozo de cable fino (por ejemplo, el cable de "bobina magnética" que puedes comprar en Radio Shack por unos 9 dólares - https://www.radioshack.com/products/magnet-wire-set?variant=5717684613 ). Este juego contiene unos 30 metros de cobre de calibre 22, 26 y 30. La resistencia de estos cables es de 53, 134 y 339 Ohm / km, respectivamente.

Para obtener una corriente de 160 A a partir de una fuente de 14 V se requiere una resistencia de carga total de 14/160 = 88 mOhm. Eso significa que un poco más de 1 metro del más grueso de estos cables proporcionaría la carga adecuada - pero no hay manera de que puedas sacar el calor. Necesitas una superficie suficiente, por lo que te recomiendo que utilices el calibre más fino y dobles los cables, de modo que acabes con varios cables en paralelo que proporcionen la carga. A continuación, puedes soldar los extremos (tienes que raspar un poco el esmalte para poder soldar estos cables) y poner un trozo de termorretracción con adhesivo alrededor de la unión. Utiliza un cable realmente grueso (varios hilos de 6 AWG) para realizar la conexión a tu batería, o tendrás pérdidas masivas donde no las querías.

Ahora sumerge todo en un gran baño de agua. El agua es barata, y tiene una capacidad de calor notablemente alta. El aislamiento del cable hará que toda la corriente fluya a través del cobre, y ahora tienes un área suficiente para disipar el calor al agua circundante. Si tienes una batería de 16000 mAh, debería ser capaz de proporcionar 160 A durante 0,1 horas o 6 minutos. En ese tiempo, en principio disiparía un total de 160 * 14 * 360 = 806 kJ, es decir, aproximadamente 200 kCal. Si sumerges este artilugio en 5 litros de agua (un cubo), se calentará unos 40 C; eso es manejable.

Tenga en cuenta que el cortocircuito de las baterías es extremadamente peligroso: estas cosas tienen una química frágil y pueden explotar. Asegúrate de que cuentas con el equipo de extinción de incendios y la protección personal adecuados.

Por último, ¿cuántos cables necesitas si tienes una longitud total de 30 metros?

Si suponemos que se cortan N hilos de longitud \$\ell\$ de manera que la resistencia final es \$R\$ entonces para una resistencia por unidad de longitud \$\rho\$ escribimos

$$ \frac{\ell\rho}{N} = R$$

También sabemos que la longitud total es \$N\ell\$ que se da como 100 pies ( \$L\$ ). Ahora podemos resolver para \$\ell\$ :

$$ \frac{\ell\rho}{\frac{L}{\ell}} = R\\ \ell = \sqrt{\frac{RL}{\rho}}$$

Con los números anteriores, querrías cortar el cable de calibre 30 en 11 trozos con una longitud de 92 cm cada uno; estos 11 cables en paralelo te darían una resistencia de 84 mOhm, muy cerca del valor que necesitas. Y seguro que tendrás algunos mOhm más de pérdidas en otras partes.

Por último, se carga la batería, se determina la cantidad de agua que hay en el cubo, se conecta todo y se deja de lado. Cuando la corriente deje de fluir, podrás medir el aumento de temperatura en el cubo y sabrás cuánta energía has podido transferir de la batería al agua.

Si el peso del cubo vacío es E, y el del cubo lleno es F, entonces la masa de agua es F - E, y si el aumento de temperatura (en °C) es \$\Delta T\$ entonces la energía total es $$\frac{F-E}{\Delta T} \cdot 4200~J$$

Donde el peso está en kg y la diferencia de temperatura en Celsius.

Divide la energía por el tiempo en segundos y tendrás la potencia media.

No tengo una buena sugerencia para medir directamente corrientes tan grandes, a menos que se tenga la herramienta adecuada (ver por ejemplo este artículo para algunas indicaciones). Un Fluke normal no lo hará... No querrá poner nada directamente en el camino de la gran corriente.

ACTUALIZACIÓN

La pregunta "¿puede un cable tan fino disipar este calor?" puede responderse analíticamente.

Según este documento un alambre fino en el agua (donde el agua se deja hervir) puede disipar \$2\cdot 10^5~\rm{W/m^2/C}\$ . Si suponemos que el cable del imán tiene una temperatura de 180°C y el agua está a 30°C, tenemos un gradiente térmico de 150°C. Para disipar 2 kW, la superficie que necesitamos es

$$ A = \frac{P}{h\Delta T} = 7.3 \cdot 10^{-5}~\rm{ m^2}$$

El cable 30 AWG tiene un diámetro de 0,254 mm, por lo que una superficie de \$8\cdot 10^{-4}~\rm{m^2}\$ por metro de longitud. La longitud total de 30 m le da una superficie de \$2.4\cdot 10^{-2}~\rm{m^2}\$ ; esto es mucho más de lo que necesitábamos. Por lo tanto, aunque el coeficiente de conductividad térmica sea mucho menor (digamos, el valor "sin ebullición" de \$8\cdot 10^3~\rm{W/m^2/C}\$ del mismo artículo) sigue siendo suficiente para sacar el calor.

Tenga en cuenta que dos cables que transportan corriente en la misma dirección se atraerán: esto puede dar lugar a una reducción del área disponible para la disipación del calor. Puedes experimentar un poco con esto (quizás ensartando pequeñas cuentas en los cables para separarlos).

Answer 3

Elijo responder a esta parte de su pregunta que ha sido descuidada por otras respuestas "¿Existe una manera más fácil de probar la capacidad de mi batería?" Sí, usted ya tiene los medios para probar la capacidad de su batería con la función de descarga en su cargador de baterías LiPo a una tasa de 1A (siga las instrucciones del fabricante). O simplemente descargue a una velocidad de 1A y tome el tiempo con un cronómetro. Debería ser algo cercano a los 16000mAh a bajas tasas de descarga y bastante menos a tasas más altas.

Por favor, mida la capacidad primero, en la tasa baja, para asegurarse de que efectivamente tiene un paquete de 16000mAh.

La tasa de descarga máxima 10C, 15C, etc se especifica así por una razón. No es un valor fijo de amperios, sino que depende de la capacidad y el estado del pack en cuestión en ese momento. Es una especificación "difusa" que se elige por seguridad y fiabilidad, no por medición. Por eso nunca se ve una tasa de descarga máxima de 11,2C.

El hecho de que puedas descargar a un ritmo determinado no significa que debas hacerlo. Es perfectamente posible descargar a un ritmo muy alto una vez sin que ocurra nada aparentemente terrible. Sin embargo, el calor y la tensión podrían haber creado un punto débil que provocará un incendio violento la próxima vez que intente la misma prueba.

Todas las cargas no son equivalentes. Un verdadero probador de carga de pila de carbono de automoción (que yo recomendaría si usted lleva a cabo la prueba) es una carga puramente resistiva, pero los motores son cargas altamente inductivas con picos de EMF de vuelta y otros componentes complejos que pueden o no pueden ser llevados de vuelta a la batería sobre el ESC dependiendo de lo bien que se filtra.

En conclusión, es probable que no necesite realizar la prueba que tenía prevista. Calcule la cantidad de corriente que su aplicación consume realmente en el peor de los casos. Si es menos de 32A, está bien. Si es más, puede estar bien, pero la mejor prueba es simplemente probarlo en el hardware real y ver cuánto tiempo funciona. Alrededor de 160A, la siguiente advertencia no es sólo una advertencia. En ningún caso debe exceder la corriente nominal de cualquier cableado, conector o componente. Haga la prueba en una superficie no inflamable, lejos de cualquier cosa que no pueda permitirse que se queme.

Si realmente quiere "c) otra forma de medir la corriente de descarga continua máxima de la batería" (no la corriente de descarga segura) y no está dispuesto o no puede proporcionar parámetros adicionales como la impedancia de la carga, entonces realmente sólo hay una forma. Un cortocircuito en un cable corto y grueso o en una barra colectora. Mida la corriente con una pinza inductiva hasta que se funda. Cualquier método con resistencia de carga, incluso una resistencia de derivación de corriente muy pequeña, no alcanzará el máximo real.

Es casi seguro que se trata de una prueba destructiva y el valor de cualquier resultado es dudoso. Si sabemos más sobre la información que intenta obtener al realizar esta prueba, podremos darle respuestas más útiles.

Answer 4

Busca en Google "resistencia de frenado dinámico". No son baratas, pero están disponibles hasta uno o dos ohmios y hasta varios kilovatios. Básicamente son grandes calentadores, pero lo bueno es que puedes especificar la resistencia, la corriente y la potencia que necesitas.

Answer 5

Puede utilizar un comprobador de carga. Estos dispositivos están diseñados para probar las baterías y los alternadores de los vehículos y están pensados para manejar cientos de amperios en su rango de tensión. Son básicamente una gran resistencia de carbono en una caja con un amperímetro y un voltímetro. Se puede conseguir uno de 500 A por unos 50 dólares (ejemplos 1 2 ).

El único problema es que estarías yendo mucho más allá de su ciclo de trabajo previsto. Están diseñados para soportar esa carga durante 30 segundos más o menos (pico de corriente de arranque del motor) en lugar de los 4-6 minutos que estarías midiendo, aunque estas unidades están diseñadas para 6KW, por lo que podrías hacerlo funcionar durante un minuto más o menos, luego dejarlo enfriar durante un tiempo, y repetir hasta que la batería se agote.