Laptop Raspberry Pi alimentat cu super condensator: 5 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

În funcție de interesul general față de acest proiect, pot adăuga mai mulți pași, etc, dacă acest lucru ajută la simplificarea componentelor confuze.

Am fost întotdeauna intrigat de tehnologia mai nouă a condensatorilor care a apărut de-a lungul anilor și m-am gândit că ar fi distractiv să încerc să le pun în aplicare ca o baterie de genul pentru distracție. Au fost o mulțime de probleme ciudate pe care le-am întâmpinat lucrând la acest lucru, deoarece acestea nu sunt concepute având în vedere această aplicație, ci doreau să împărtășesc ceea ce am aflat și testat.

Acest lucru este mai mult pentru a evidenția dificultățile de încărcare și extragere a energiei dintr-o bancă de supercondensatoare într-o aplicație mobilă (deși cu cât de grea este, nu este atât de mobil …).

Fără marile tutoriale de mai jos, acest lucru nu s-ar fi realizat:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Informații detaliate despre supercondensatoare
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial pentru construirea unui circuit de încărcare și descărcare

• Voi încerca să dezgrop mai multe pe care le-am folosit dacă le pot găsi / aminti.

• Dacă aveți tutoriale pe care le considerați relevante, anunțați-mă, ca să le pot arunca aici.

Principalele motive pentru care am vrut să încerc acest lucru sunt:

• Încărcarea completă în SECUNDE (amperajul ridicat implicat limitează acest sistem la minute … în siguranță).
• Sute de mii de cicluri de încărcare fără degradare (peste un milion în condițiile potrivite).
• O tehnologie foarte de nișă care ar putea să-și găsească drumul în industria principală a bateriilor.
• Condiții de funcționare a mediului. Temperaturi de + 60C până la -60C pentru condensatoarele utilizate aici.
• Eficiența de încărcare este> 95% (bateriile sunt în medie <85%)
• Mi se par interesante?

Acum, pentru avertizarea necesară atunci când lucrați cu electricitate … Chiar dacă există foarte puține șanse de rănire care funcționează cu tensiuni scăzute de ~ 5V, cantitatea incredibilă de amperaj pe care o pot produce supercondensatori va provoca arsuri și prăjiți instantaneu componentele. Primul articol menționat oferă o explicație excelentă și pași în siguranță. Spre deosebire de baterii, scurtcircuitarea completă a terminalelor nu riscă o explozie (deși poate scurta durata de viață a supercondensatorului în funcție de indicatorul de sârmă). Probleme reale pot apărea atunci când supratensiunea (încărcarea depășește tensiunea maximă marcată) în care supercondensatoarele vor sclipi, vor „apărea” și vor muri într-o mizerie fumurie. Cazurile extreme pot fi în cazul în care sigiliul apare destul de tare.

Ca exemplu de cât de multă energie poate fi eliberată, am scăpat un fir de cupru de calibru 16 pe banca complet încărcată la 5V (accidental, desigur) și am fost ușor orbit de firul care explodează într-un blitz alb și verde în timp ce ardea. În mai puțin de o secundă, acea bucată de sârmă de 5 cm a fost DURĂ. Sute de amperi care călătoresc peste acel fir în mai puțin de o secundă.

M-am așezat pe un laptop ca platformă, deoarece aveam un Raspberry Pi întins, o valiză din aluminiu, o tastatură de chioșc și o imprimantă 3D pe care să fac prototip. Inițial, ideea a fost de a construi acest laptop doar pentru a putea rula timp de 10-20 de minute cu un efort minim. Cu camera pe care o aveam în plus în valiză, era prea tentant să încerc să scot mai mult din acest proiect prin înghesuire în mai mulți super condensatori.

În prezent, cantitatea de energie utilizabilă este sub cea a unei baterii litiu-ion SINGLE 3.7V 2Ah. Doar aproximativ 7Wh de putere. Nu uluitor, dar cu un timp de încărcare mai mic de 15 minute de la gol, este cel puțin interesant.

Din păcate, doar aproximativ 75% din puterea stocată în condensatori poate fi extrasă cu acest sistem … Un sistem mult mai eficient ar putea fi cu siguranță implementat pentru a extrage puterea la tensiuni mai mici de 1V sau mai puțin. Pur și simplu nu am vrut să cheltuiesc mai mulți bani pe acest lucru și, sub 2V în condensatori, lasă doar aproximativ 2Wh de putere disponibilă dintr-un total de 11Wh în total.

Folosind un convertor de putere redusă de la 0,7-5V la 5V (~ 75-85% eficiență) am reușit să îmi încarc bateria de 11Wh de la 3% la 65% folosind banca de condensatori (deși telefoanele sunt extrem de ineficiente la încărcare, unde 60-80 % din puterea de intrare este stocată efectiv).

Pentru piesele utilizate în acest proiect, există probabil piese mai bune de utilizat decât le aveam la îndemână. Dar iată-le:

• 6x supercondensatori (2,5V, 2300 Farad - de la un sistem de frânare regenerativă pentru mașină. Se găsește pe Ebay etc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x afișaj alimentat de 5V (folosesc un afișaj AMOLED de 5,5 "cu placă de control HDMI)
• 2x microcontrolere ATTiny85 (voi include programarea)
• Convertoare 2x 0,7V-5V la 5V constante de 500mA DC-DC
• Convertizoare 4x 1,9V-5V la 5V 1A DC-DC constante
• 1x valiză
• Mosfete 3x 6A capabile PWM
• 2x diode Schottky 10A
• 10x cadru din aluminiu cu fantă T (cu articulații etc. depinde de ceea ce doriți să utilizați pentru a ține lucrurile la locul lor)
• tastatură chioșc
• Panou solar 20W 5V
• Cabluri USB la micro USB
• Cablu HDMI
• Sortiment de componente electrice de bază și plăci de prototipare.
• multe părți imprimate 3D (voi include fișierele.stl)

Aceste piese pot fi ușor schimbate pentru piese mai adecvate / eficiente, dar asta am avut la îndemână. De asemenea, constrângerile de dimensiune se vor modifica cu ce componente sunt alese.

Dacă aveți feedback despre design, nu ezitați să lăsați un comentariu!

Pasul 1: Caracteristici ale puterii

Pentru a vă face o idee despre ce să vă așteptați în funcție de putere atunci când utilizați condensatori pentru ceva pentru care cu siguranță nu au fost proiectați:

Când tensiunea bateriei condensatorului scade prea jos (1,9V), ATTinys au fost programate să nu alimenteze niciun component al sistemului. Acest lucru este doar pentru a ne asigura că componentele nu consumă energie atunci când nu pot funcționa în mod constant la tensiuni mai mici.

Acest sistem funcționează folosind convertoare DC-DC la niveluri de tensiune de la 4,5V la 1,9V de la banca de condensatori.

Tensiunea de încărcare a intrării poate fi de la 5V la 5,5V (nu mai mare de 5A la 5,5V). Adaptoarele de 5V 10A sau mai mari vor deteriora mosfetul și îl vor arde la jumătate din rata de încărcare PWM.

Cu caracteristicile de încărcare ale condensatoarelor, o rată de încărcare logaritmică / exponențială ar fi cea mai bună, deoarece devine mai greu să împingeți puterea cu cât vă apropiați de încărcarea completă … dar nu aș putea niciodată funcția matematică să funcționeze cu variabile de tip plutitoare pe ATTiny din anumite motive. Ceva la care să mă uit mai târziu …

La putere maximă de procesare, durata aproximativă de funcționare este de 1 oră. La ralanti, 2 ore.

Utilizarea transmițătorului LowRa reduce viața cu încă 15%. Utilizarea mouse-ului laser extern reduce viața cu încă ~ 10%.

Tensiune mai mică a acumulatorului de condensatori = eficiență mai mică, convertind la 5V în componente de alimentare. Aproximativ 75% la încărcarea condensatorului de 2V, unde o mare cantitate de energie se pierde ca căldură în convertoare.

În timp ce este conectat, laptopul poate rula la nesfârșit folosind un adaptor de 5,3V 8A. Folosind un adaptor 2A, sistemul necesită încărcare completă înainte de pornire pentru utilizare nelimitată. Rata de încărcare ATTiny PWM este doar 6,2% din puterea de intrare atunci când banca de condensatori este de 1,5 V sau mai puțin urcând liniar până la o rată de încărcare de 100% la încărcare completă.

Acest sistem durează mai mult timp pentru încărcare utilizând un adaptor de amperaj mai mic. Timp de încărcare de la 2V la 4,5V, fără a rămâne nimic din banca condensatorului:

• Adaptorul de 5,2V 8A este de 10-20 minute (de obicei în jur de 13 minute).
• Adaptorul 5.1V 2A este de 1-2 ore. Deoarece diodele scad tensiunea cu aproximativ 0,6 V unele adaptoare la 5V exact nu vor încărca niciodată complet acest sistem. Totuși, este ok, deoarece adaptorul nu va fi afectat negativ.
• Panoul solar de 20W în plin soare este de 0,5-2 ore. (multă varianță în timpul testării).

Există problema inerentă a utilizării condensatoarelor unde acestea nu își mențin încărcătura foarte mult cu cât ești mai aproape de tensiunea maximă.

În primele 24 de ore, banca condensatoarelor se descarcă în medie de la 4,5V la 4,3V. Apoi, în următoarele 72 de ore, va scădea încet la un 4.1V destul de constant. ATTinys cuplat cu o mică descărcare automată va scădea tensiunea la 0,05-0,1V pe zi după primele 96 de ore (exponențial mai lent pe măsură ce tensiunea scade mai aproape de zero). Când este la 1,5 V și scade tensiunea bateriei condensatorului scade la aproximativ 0,001-0,01 V pe zi, în funcție de temperatură.

Având în vedere toate acestea, o valoare conservativă aproximativă ar fi o descărcare la 0,7V în ~ 100 de zile. Am părăsit această ședință timp de 30 de zile și am rămas încă cu puțin peste 3,5V.

Acest sistem poate funcționa la nesfârșit în lumina directă a soarelui.

* * * DE NOTAT: * * Tensiunea critică a acestui sistem este de 0,7 V, unde convertoarele DC-DC care alimentează ATTinys vor eșua. Din fericire, rata de încărcare a controlului MOSFET se va ridica la ~ 2% când puterea este conectată la această tensiune sau mai mică, permițând încărcarea lentă. Încă nu mi-am dat seama DE CE se întâmplă acest lucru, dar este un bonus norocos.

A trebuit să încărc complet și să descărc bateria condensatorului de ~ 15 ori înainte ca acestea să se echilibreze chimic și să dețină o încărcare decentă. Când le-am conectat pentru prima dată, am fost extrem de frustrat de cantitatea de încărcare stocată, dar devine mult mai bună în primele 15 cicluri de încărcare completă.

Pasul 2: Pi Power Controller

Pentru a porni și opri Pi, a trebuit să implementez un controler de putere cu 4 convertoare DC-DC și un mosfet.

Din păcate, Pi atrage aproximativ 100mA chiar și atunci când este oprit, așa că a trebuit să adaug mosfet-ul pentru a-l întrerupe complet. Cu controlerul de putere în joc, doar ~ 2mA sunt irosiți la încărcare completă (~ 0,5mA la încărcare mică).

În esență, controlerul face următoarele:

1. Reglează nivelul de tensiune sub 2,5V în condensatori pentru a evita supratensiunea în timpul încărcării.
2. Patru DC-DC (1A max fiecare, 4A total) trage direct de la condensatori de la 4,5V la 1,9V pentru o constantă de 5,1V.
3. La apăsarea unui buton, mosfetul permite curgerea puterii către Pi. O altă presă întrerupe curentul.
4. ATTiny urmărește nivelul de tensiune al băncii de condensatori. Dacă este prea scăzut, mosfet-ul nu poate fi pornit.

Butonul argintiu, când este apăsat, indică puterea rămasă în banca de condensatori. 10 clipește la 4,5V și 1 la 2,2V. Panoul solar se poate încărca la maxim 5V și clipește de 12 ori la acel nivel.

Tensiunea condensatorului este reglată cu regulatoarele de disc verde de 2,5V care elimină orice exces de energie. Acest lucru este important, deoarece panoul solar încarcă pasiv condensatorii printr-o diodă de 10A direct până la 5,2V, care le-ar supraîncărca.

Convertoarele DC-DC sunt capabile să furnizeze până la 1A fiecare și au o ieșire de tensiune constantă variabilă. Folosind potențiometrul albastru de sus, tensiunea poate fi setată la orice nivel aveți nevoie. Le-am setat la 5,2V fiecare, care scade aproximativ 0,1V peste MOSFET. Una va fi cea mai mică ieșire de tensiune puțin mai mare decât celelalte și se va încălzi moderat, dar celelalte se vor ocupa de vârfuri de putere de la Pi. Toate cele 4 convertoare pot gestiona creșteri de putere de până la 4A la încărcarea completă a condensatorului sau 2A la încărcare mică.

Convertoarele trag curent de repaus de ~ 2mA la încărcare completă.

Atașat este schița Arduino pe care o folosesc pentru a face acest lucru cu ATTiny (o mulțime de note adăugate). Butonul este atașat la o întrerupere pentru a scoate ATTiny din repaus și pentru a alimenta Pi. Dacă puterea este prea mică, LED-ul de alimentare este intermitent de 3 ori și ATTiny este readus în repaus.

Dacă butonul este apăsat a doua oară, alimentarea Pi este oprită și ATTiny readuce la repaus până când butonul următor este apăsat. Aceasta folosește câteva sute de nano amplificatori în modul de repaus. ATTiny funcționează cu un convertor de 500mA DC DC care poate furniza o constantă de 5V dintr-o oscilare de tensiune de 5V-0,7V.

Carcasa de alimentare a fost proiectată pe TinkerCAD (la fel ca toate celelalte tipăriri 3D) și imprimată.

Pentru circuit, vezi schema desenată grosolan.

Pasul 3: Sistem de încărcare

Controlerul de încărcare este format din trei părți:

1. Circuitul controlerului acționat de un ATTiny
2. Mosfeturile și diodele (și ventilatorul pentru răcire)
3. Folosesc un încărcător de perete de 5,2V 8A pentru a alimenta laptopul

Circuitul controlerului se trezește la fiecare 8 secunde pentru a verifica dacă există o conexiune la masă pe portul de încărcare. Dacă cablul de încărcare este conectat, ventilatorul pornește și începe procesul de încărcare.

Pe măsură ce banca de condensatori se apropie din ce în ce mai mult de încărcarea completă, semnalul PWM care controlează mosfet-ul crește liniar la 100% PORNIT la 4.5V. Odată ce tensiunea țintă este atinsă, semnalul PWM este oprit (4,5V). Apoi, așteptați până la atingerea limitei inferioare definite pentru a începe din nou încărcarea (4,3V).

Deoarece diodele scad tensiunea de încărcare de la 5,2V până la ~ 4,6V, teoretic aș putea lăsa încărcătorul să funcționeze 24/7, cu tensiunea plafonată în jur de 4,6-4,7V. Timpul de încărcare până la descărcare când este aproape sau aproape este de aproximativ <1 minut de încărcare și 5 minute de descărcare.

Când cablul de încărcare este deconectat, ATTiny trece din nou în repaus.

Mosfetele sunt de pe Ebay. Acestea pot fi acționate de un semnal PWM de 5V și pot gestiona până la 5A fiecare. Aceasta este pe linia pozitivă folosind trei diode schottky de 10A pentru a preveni fluxul invers către încărcătorul de perete. Verificați de două ori orientarea diodei ÎNAINTE să vă conectați la încărcătorul de perete. Dacă este orientat incorect pentru a permite curgerea puterii de la condensatori la încărcătorul de perete, încărcătorul se va încălzi foarte mult și probabil se va topi atunci când este conectat la laptop.

Ventilatorul de 5V este acționat de încărcătorul de perete și răcește celelalte componente, deoarece acestea se încălzesc foarte mult sub jumătatea încărcării.

Încărcarea utilizând un încărcător de 5,2V 8A durează doar câteva minute, în cazul în care un încărcător de 5V 2A durează mai mult de o oră.

Semnalul PWM către MOSFET permite doar 6% din putere să treacă la 1,5V sau mai puțin să urce liniar până la 100% la încărcarea completă de 4,5V. Acest lucru se datorează faptului că condensatorii acționează ca un scurtcircuit la tensiuni mai mici, dar devin exponențial mai greu de încărcat cu cât vă apropiați de egalizare.

Panoul solar de 20W acționează un mic circuit de încărcare USB de 5,6V 3,5A. Aceasta se alimentează direct printr-o diodă de 10A către banca de condensatori. Regulatoarele de 2,5V împiedică supraîncărcarea condensatorilor. Este bine să nu lăsați sistemul la soare pentru perioade lungi de timp, deoarece regulatoarele și circuitul încărcătorului se pot încălzi destul de mult.

A se vedea schița Arduino Sketch atașată, o altă schemă de circuite desenate prost și fișierele. STL pentru piesele imprimate 3D.

Pentru a explica modul în care circuitul este conectat împreună, controlerul de încărcare are o linie pentru a testa tensiunea de intrare de la încărcător și o linie la pinii pwm de pe modulele MOSFET.

Modulele MOSFET sunt împământate pe partea negativă a băncii condensatorului.

Acest circuit nu se va opri fără ca ventilatorul să fie conectat din partea negativă a condensatorilor la partea superioară a intrării încărcătorului. Deoarece partea înaltă se află în spatele diodelor și mosfetelor, se va irosi foarte puțină energie, deoarece rezistența este de peste 40k rezistență. Ventilatorul trage partea înaltă jos în timp ce încărcătorul nu este conectat, dar nu ia suficient curent pentru a-l scădea în timp ce încărcătorul este conectat.

Pasul 4: Capacitor Bank + Imprimări 3D suplimentare utilizate

Condensatoarele utilizate sunt supercondensatoare 6x 2.5V @ 2300F. Au fost aranjate în 2 seturi în serie de 3 în paralel. Aceasta ajunge la o bancă de 5V @ 3450F. Dacă toată energia ar putea fi extrasă din condensatori, acestea pot furniza o putere de ~ 11Wh sau cea a unei baterii Li-ion de 3,7 V 2,5 Ah.

Link către foaia de date:

Ecuațiile pe care le-am folosit pentru a calcula capacitatea și ulterior watt-orele disponibile:

(C1 * C2) / (C1 + C2) = Ctotal2,5V 6900F + 2,5V 6900F (6900 * 6900) / (6900 + 6900) = 3450F @ 5V Folosind 4,5V până la 1,9V de potențial disponibil la condensatori 3450F ((C * (Vmax ^ 2)) / 2) - ((C * (Vmin ^ 2)) / 2) = Jouli Total ((3450 * (4.5 ^ 2)) / 2) - ((3450 * (1.9 ^ 2)) / 2) = 28704JJoule / 3600 secunde = Watt ore 28704/3600 = 7,97 Wh (putere teoretică maximă disponibilă)

Această bancă este foarte mare. la 5cm înălțime x 36cm lungime x 16cm lățime. Este destul de greu când includ rama de aluminiu pe care am folosit-o … Aproximativ 5 kg sau 11 lbs, fără a include valiza și toate celelalte periferice.

Am agățat terminalele condensatorului folosind conectori de terminal 50A lipiți împreună cu sârmă de cupru cu calibru 12. Acest lucru evită blocarea rezistentă la terminale.

Folosind un cadru din aluminiu T-bar, laptopul este incredibil de robust (deși, de asemenea, FOARTE greu). Toate componentele sunt ținute pe loc folosind acest cadru. Ocupă spațiu minim în laptop, fără a fi nevoie să găuriți oriunde în carcasă.

Multe piese imprimate 3D au fost utilizate în acest proiect:

• Deținătorii băncii de condensatori sunt plini
• Dispozitive de susținere pentru bănci de condensatori
• Suporturi pentru condensatoare de jos
• Separator între bornele condensatorului pozitiv și negativ
• Placă suport Raspberry Pi
• Huse superioare pentru în jurul tastaturii și condensatoarelor (numai pentru estetică)
• Suport și capac AMOLED
• Suportul plăcii controlerului AMOLED
• Ghidaje de cablu HDMI și USB pentru a afișa controlerul de la Pi
• Buton și placă LED cu acces de sus pentru controlul puterii
• alții vor adăuga în timp ce le imprim

Pasul 5: Concluzie

Deci, deoarece acesta a fost doar un proiect de hobby, cred că s-a dovedit că supercondensatoarele pot fi utilizate pentru alimentarea unui laptop, dar probabil nu ar trebui să facă asta pentru constrângerile de dimensiune. Densitatea de putere a condensatoarelor utilizate în acest proiect este de peste 20 de ori mai mică decât bateriile Li-ion. De asemenea, greutatea este absurdă.

Acestea fiind spuse, acest lucru ar putea avea utilizări diferite față de un laptop convențional. De exemplu, folosesc acest laptop mai ales din încărcarea solară. Poate fi folosit în pădure fără să vă faceți griji prea mult despre încărcarea și descărcarea „bateriei” în mod repetat, de mai multe ori pe zi. Am modificat ușor sistemul de la construcția inițială pentru a încorpora o priză 5v 4A pe o parte a carcasei pentru a alimenta iluminatul și a încărca telefoanele atunci când verificați senzorii din pădure. Cu toate acestea, greutatea este încă un ucigaș de umeri …

Deoarece ciclul de încărcare este atât de rapid, nu trebuie să vă faceți griji cu privire la epuizarea energiei. Îl pot conecta timp de 20 de minute (sau mai puțin în funcție de nivelul curent) oriunde și să fiu bine să merg peste o oră de utilizare intensivă.

Un dezavantaj al acestui design este că pare foarte suspect pentru un trecător … Nu aș lua acest lucru în transportul public. Cel puțin nu-l folosiți lângă o mulțime. Câțiva prieteni mi-au spus că ar fi trebuit să fac să pară puțin mai puțin „amenințător”.

Dar, una peste alta, m-am distrat construind acest proiect și am învățat destul de multe despre cum să aplic tehnologia supercapacitorului în alte proiecte în viitor. De asemenea, potrivirea cu totul în valiză a fost un puzzle 3D care nu a fost prea frustrant, chiar și o provocare destul de interesantă.

Dacă aveți întrebări, anunțați-mă!