Zasilany superkondensatorem laptop Raspberry Pi: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

W zależności od ogólnego zainteresowania tym projektem, mogę dodać więcej kroków itp., jeśli pomoże to uprościć mylące komponenty.

Zawsze intrygowała mnie nowsza technologia kondensatorów, która pojawiła się na przestrzeni lat i pomyślałem, że fajnie byłoby spróbować zastosować je jako rodzaj baterii dla zabawy. Podczas pracy nad tym natknąłem się na wiele dziwacznych problemów, ponieważ nie zostały one zaprojektowane z myślą o tej aplikacji, ale chciałem podzielić się tym, co odkryłem i przetestowałem.

To bardziej podkreśla trudności z ładowaniem i pobieraniem energii z banku superkondensatorów w aplikacji mobilnej (choć zważywszy, jak ciężki jest, nie jest tak mobilny…).

Bez świetnych samouczków poniżej nie doszłoby do tego:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Szczegółowe informacje na temat superkondensatorów
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Samouczek budowania obwodu ładowania i rozładowania
• Spróbuję wykopać więcej niż użyłem, jeśli uda mi się je znaleźć / zapamiętać.

• Jeśli masz jakieś samouczki, które uważasz za istotne, daj mi znać, abym mógł je tutaj wrzucić.

Główne powody, dla których chciałem tego spróbować, to:

• Pełne ładowanie w ciągu SEKUND (wysokie natężenie prądu ogranicza ten system do kilku minut… bezpiecznie).
• Setki tysięcy cykli ładowania bez degradacji (ponad milion w odpowiednich warunkach).
• Bardzo niszowa technologia, która może znaleźć drogę do głównego nurtu branży akumulatorów.
• Środowiskowe warunki pracy. Temperatury od +60C do -60C dla stosowanych tutaj kondensatorów.
• Wydajność ładowania >95% (baterie są średnio <85%)
• Uważam je za interesujące?

A teraz zawsze potrzebne ostrzeżenie podczas pracy z elektrycznością… Chociaż prawdopodobieństwo obrażeń przy niskim napięciu ~5 V jest bardzo małe, niesamowita ilość prądu, jaką mogą wytwarzać superkondensatory, spowoduje oparzenia i natychmiastowe smażenie komponentów. zapewnia doskonałe wyjaśnienie i bezpieczne kroki. W przeciwieństwie do akumulatorów, całkowite zwarcie zacisków nie grozi wybuchem (chociaż może skrócić żywotność superkondensatora w zależności od grubości przewodu). Prawdziwe problemy mogą pojawić się w przypadku przepięcia (ładowanie powyżej oznaczonego maksymalnego napięcia), w którym superkondensatory zasypią, „wyskoczą” i umrą w zadymionym bałaganie. Ekstremalne przypadki mogą mieć miejsce, gdy uszczelka pęka dość głośno.

Jako przykład tego, ile mocy można uwolnić, upuściłem miedziany drut o grubości 16 na w pełni naładowany bank przy 5 V (przypadkowo oczywiście) i zostałem lekko oślepiony przez drut eksplodujący biało-zielonym błyskiem podczas spalania. W niecałą sekundę ten 5-centymetrowy kawałek drutu ZNIKNĄŁ. Setki amperów przepływających przez ten przewód w mniej niż sekundę.

Usiadłem na laptopie jako platformie, ponieważ miałem leżące wokół Raspberry Pi, aluminiową walizkę, klawiaturę kiosku i drukarkę 3D do prototypowania. Pierwotnie chodziło o zbudowanie tego laptopa tak, aby mógł działać przez 10-20 minut przy minimalnym wysiłku. Ponieważ pokój, który miałem w walizce, był zbyt kuszący, aby próbować wycisnąć więcej z tego projektu, wpychając więcej superkondensatorów.

Obecnie ilość użytecznej mocy jest mniejsza niż w przypadku POJEDYNCZEGO akumulatora litowo-jonowego 3,7 V 2 Ah. Tylko około 7Wh mocy. Nie zdumiewające, ale z czasem ładowania krótszym niż 15 minut od pustego, przynajmniej interesujące.

Niestety, tylko około 75% energii zgromadzonej w kondensatorach może zostać wyprowadzone za pomocą tego systemu… Zdecydowanie można by zaimplementować znacznie wydajniejszy system, aby pobierać energię przy niższych napięciach około 1 V lub mniej. Po prostu nie chciałem wydawać na to więcej pieniędzy, ponieważ poniżej 2 V w kondensatorach pozostaje tylko około 2 Wh dostępnej mocy z łącznej liczby 11 Wh.

Używając konwertera o niskiej mocy 0.7-5V do 5V (efektywność ~75-85%) byłem w stanie naładować baterię mojego telefonu komórkowego 11Wh od 3% do 65% za pomocą baterii kondensatorów (chociaż telefony są wyjątkowo nieefektywne w ładowaniu, gdzie 60-80 % mocy wejściowej jest faktycznie przechowywane).

W przypadku części użytych w tym projekcie są prawdopodobnie lepsze części do wykorzystania niż miałem pod ręką. Ale oto one:

• 6x superkondensatory (2,5V, 2300 Farad - z samochodowego układu hamulcowego z odzyskiem energii. Można znaleźć na Ebay itp.)
• 1x Raspberry Pi 3
• Wyświetlacz zasilany 1x 5V (używam wyświetlacza AMOLED 5,5" z płytą kontrolera HDMI)
• 2x mikrokontrolery ATTiny85 (włączę programowanie)
• 2x 0.7V-5V do stałego 5V 500mA DC-DC konwerterów
• 4x 1,9 V-5 V na stałe 5 V 1A konwertery DC-DC
• 1x walizka
• 3x 6A z obsługą PWM mosfetów
• 2x diody Schottky'ego 10A
• 10x aluminiowa rama z rowkami teowymi (z połączeniami itp. zależy od tego, czego chcesz użyć do utrzymania rzeczy na miejscu)
• klawiatura kiosku
• Panel słoneczny 20W 5V
• Kable USB do micro USB
• kabel HDMI
• Asortyment podstawowych elementów elektrycznych i płytek prototypowych.
• wiele części drukowanych w 3D (włączę pliki.stl)

Te części można łatwo wymienić na bardziej odpowiednie/wydajne części, ale to właśnie miałem pod ręką. Również wiązania wymiarowe zmienią się wraz z wybranymi komponentami.

Jeśli masz jakieś uwagi na temat projektu, nie wahaj się zostawić komentarza!

Krok 1: Charakterystyka mocy

Aby dać wyobrażenie, czego można się spodziewać pod względem mocy podczas używania kondensatorów do czegoś, do czego zdecydowanie nie zostały zaprojektowane:

Gdy napięcie baterii kondensatorów spadnie zbyt nisko (1,9 V), ATTinys zostały zaprogramowane tak, aby nie zasilały żadnych elementów systemu. Ma to na celu zapewnienie, że komponenty nie pobierają energii, gdy nie mogą działać konsekwentnie przy niższych napięciach.

Ten system działa przy użyciu konwerterów DC-DC przy poziomach napięć od 4,5 V do 1,9 V z baterii kondensatorów.

Napięcie ładowania wejściowego może wynosić od 5V do 5,5V (nie więcej niż 5A przy 5,5V). Adaptery 5V 10A lub wyższe uszkodzą mosfet i spalą go przy połowie szybkości ładowania PWM.

Przy charakterystyce ładowania kondensatorów najlepsza byłaby logarytmiczna/wykładnicza szybkość ładowania, ponieważ coraz trudniej jest wcisnąć moc w miarę zbliżania się do pełnego naładowania… ale nigdy nie udałoby mi się uzyskać funkcji matematycznej działającej ze zmiennymi typu pływającego na ATtiny z jakiegoś powodu. Coś dla mnie do obejrzenia później…

Przy pełnej mocy obliczeniowej przybliżony czas działania wynosi 1 godzinę. Na bezczynności 2 godziny.

Korzystanie z transceivera LowRa skraca życie o kolejne ~15%. Korzystanie z zewnętrznej myszy laserowej skraca żywotność o kolejne ~10%.

Niższe napięcie baterii kondensatorów = mniejsza wydajność konwersji do 5V na komponenty zasilające. Około 75% przy ładowaniu kondensatora 2V, gdzie duża część mocy jest tracona w postaci ciepła w przetwornikach.

Po podłączeniu laptop może działać przez nieograniczony czas przy użyciu zasilacza 5.3V 8A. Korzystając z zasilacza 2A, system wymaga pełnego naładowania przed włączeniem w celu nieograniczonego użytkowania. Szybkość ładowania ATTiny PWM wynosi tylko 6,2% mocy wejściowej, gdy bateria kondensatorów wynosi 1,5 V lub mniej, wznosząc się liniowo do 100% szybkości ładowania przy pełnym naładowaniu.

Ten system wymaga dłuższego czasu ładowania przy użyciu zasilacza o niższym natężeniu. Czas ładowania od 2V do 4,5V bez spływania z baterii kondensatorów:

• Adapter 5.2V 8A to 10-20 minut (zwykle około 13 minut).
• Adapter 5.1V 2A to 1-2 godziny. Ponieważ diody obniżają napięcie o około 0,6 V, niektóre adaptery przy dokładnie 5 V nigdy nie naładują w pełni tego systemu. Jest to jednak w porządku, ponieważ nie wpłynie to negatywnie na adapter.
• Panel słoneczny 20W w pełnym słońcu to 0,5-2 godziny. (duża wariancja podczas testowania).

Istnieje nieodłączny problem korzystania z kondensatorów, które nie utrzymują ładunku zbyt długo, im bliżej jesteś maksymalnego napięcia.

W ciągu pierwszych 24 godzin bateria kondensatorów samoczynnie rozładowuje się średnio z 4,5V do 4,3V. Następnie w ciągu następnych 72 godzin powoli spadnie do dość stałego poziomu 4,1V. ATTinys w połączeniu z małym samorozładowaniem obniży napięcie o 0,05-0,1 V dziennie po pierwszych 96 godzinach (wykładniczo wolniej, gdy napięcie spadnie bliżej zera). Przy 1,5V i niższych napięcie baterii kondensatorów spada o około 0,001-0,01V dziennie w zależności od temperatury.

Biorąc to wszystko pod uwagę, konserwatywnym przybliżeniem byłoby rozładowanie do 0,7V w ciągu ~100 dni. Zostawiłem to na 30 dni i nadal miałem nieco ponad 3,5V.

Ten system może działać w nieskończoność w bezpośrednim świetle słonecznym.

* * * UWAGA: * * Krytyczne napięcie tego systemu wynosi 0,7 V, przy którym przetwornice DC-DC zasilające ATTinys ulegną awarii. Na szczęście szybkość ładowania kontrolującego mosfet wzrośnie o ~2%, gdy zasilanie zostanie podłączone przy tym napięciu lub niższym, umożliwiając powolne ładowanie. Nadal nie wiem, DLACZEGO tak się dzieje, ale to szczęśliwy bonus.

Musiałem w pełni naładować i rozładować baterię kondensatorów ~15 razy, zanim zrównoważyły się chemicznie i utrzymały przyzwoity ładunek. Kiedy po raz pierwszy je podłączyłem, byłem bardzo sfrustrowany ilością zgromadzonego ładunku, ale w ciągu pierwszych 15 pełnych cykli ładowania jest znacznie lepiej.

Krok 2: Kontroler mocy Pi

Aby włączyć i wyłączyć Pi musiałem zaimplementować kontroler mocy z 4 przetwornikami DC-DC i mosfetem.

Niestety, Pi pobiera około 100mA, nawet gdy jest wyłączony, więc musiałem dodać mosfet, aby całkowicie odciąć do niego zasilanie. Z kontrolerem mocy w grze, tylko ~2mA jest marnowane przy pełnym naładowaniu (~0,5mA przy niskim naładowaniu).

Zasadniczo kontroler wykonuje następujące czynności:

1. Reguluje poziom napięcia poniżej 2,5 V w kondensatorach, aby uniknąć przepięć podczas ładowania.
2. Cztery DC-DC (maks. 1 A każdy, łącznie 4 A) pobierają bezpośrednio z kondensatorów od 4,5 V do 1,9 V, zapewniając stałe napięcie 5,1 V.
3. Po naciśnięciu przycisku mosfet umożliwia przepływ mocy do Pi. Kolejna prasa odcina prąd.
4. ATTiny obserwuje poziom napięcia baterii kondensatorów. Jeśli jest zbyt niski, mosfet nie może zostać włączony.

Srebrny przycisk, gdy jest wciśnięty, wskazuje pozostałą moc baterii kondensatorów. 10 mignięć przy 4,5V i 1 przy 2,2V. Panel słoneczny może ładować się do pełnego 5 V i miga 12 razy na tym poziomie.

Napięcie kondensatora jest regulowane za pomocą zielonych regulatorów tarczowych 2,5 V, które odprowadzają nadmiar mocy. Jest to ważne, ponieważ panel słoneczny pasywnie ładuje kondensatory przez diodę 10 A bezpośrednio do 5,2 V, co spowodowałoby ich przeładowanie.

Przetwornice DC-DC są w stanie dostarczyć do 1A każdy i są zmiennym stałym napięciem wyjściowym. Za pomocą niebieskiego potencjometru na górze można ustawić napięcie na dowolnym poziomie. Ustawiłem je na 5,2 V każdy, co spada o około 0,1 V na mosfet. Jeden będzie miał najmniejsze nieco wyższe napięcie wyjściowe niż pozostałe i będzie umiarkowanie gorący, ale inne będą obsługiwać skoki mocy z Pi. Wszystkie 4 konwertery mogą obsługiwać skoki mocy do 4A przy pełnym naładowaniu kondensatora lub 2A przy niskim naładowaniu.

Przetwornice pobierają prąd spoczynkowy ~2mA przy pełnym naładowaniu.

W załączniku znajduje się szkic Arduino, którego używam, aby to zrobić za pomocą ATTiny (dodano wiele notatek). Przycisk jest dołączony do przerwania, aby wyciągnąć ATTiny ze stanu uśpienia i zasilić Pi. Jeśli moc jest zbyt niska, dioda LED zasilania miga 3 razy, a ATTiny ponownie przechodzi w stan uśpienia.

Jeśli przycisk zostanie naciśnięty po raz drugi, zasilanie Pi zostanie wyłączone, a ATTiny ponownie uśpiony do następnego naciśnięcia przycisku. To zużywa kilkaset nanoamperów w trybie uśpienia. ATTiny korzysta z konwertera DC DC 500mA, który może zapewnić stałe napięcie 5V przy wahaniach napięcia 5V-0,7V.

Obudowa zasilania została zaprojektowana w TinkerCAD (podobnie jak wszystkie inne wydruki 3D) i wydrukowana.

Aby zobaczyć obwód, zobacz z grubsza narysowany schemat.

Krok 3: System ładowania

Kontroler ładowania składa się z trzech części:

1. Obwód sterownika sterowany przez ATTiny
2. Mosfety i diody (oraz wentylator do chłodzenia)
3. Do zasilania laptopa używam ładowarki ściennej 5,2 V 8A

Obwód sterownika budzi się co 8 sekund, aby sprawdzić połączenie z masą na porcie ładowania. Jeśli kabel ładujący jest podłączony, wentylator uruchamia się i rozpoczyna się proces ładowania.

W miarę zbliżania się baterii kondensatorów do pełnego naładowania, sygnał PWM sterujący mosfetem jest zwiększany liniowo do 100% ON przy 4,5V. Po osiągnięciu napięcia docelowego sygnał PWM zostaje wyłączony (4,5V). Następnie poczekaj, aż zostanie osiągnięty określony dolny limit, aby ponownie rozpocząć ładowanie (4,3 V).

Ponieważ diody obniżają napięcie ładowania z 5,2V do ~4,6V, teoretycznie mógłbym pozostawić ładowarkę działającą 24/7 z napięciem przekraczającym 4,6-4,7V. Czas ładowania do rozładowania przy pełnym lub prawie pełnym poziomie wynosi około <1 minuty ładowania i 5 minut rozładowania.

Po odłączeniu kabla ładującego ATTiny ponownie przechodzi w stan uśpienia.

Mosfety pochodzą z serwisu eBay. Mogą być napędzane sygnałem PWM 5V i mogą obsługiwać do 5A każdy. To jest na linii dodatniej za pomocą trzech diod Schottky'ego 10A, aby zapobiec przepływowi wstecznemu do ładowarki ściennej. Dokładnie sprawdź orientację diody PRZED podłączeniem do ładowarki ściennej. W przypadku nieprawidłowej orientacji, aby umożliwić przepływ mocy z kondensatorów do ładowarki ściennej, ładowarka bardzo się nagrzeje i prawdopodobnie stopi się po podłączeniu do laptopa.

Wentylator 5 V jest napędzany przez ładowarkę ścienną i chłodzi inne komponenty, ponieważ stają się bardzo gorące poniżej połowy naładowania.

Ładowanie ładowarką 5,2 V 8 A zajmuje tylko kilka minut, podczas gdy ładowarką 5 V 2 A zajmuje ponad godzinę.

Sygnał PWM do mosfeta pozwala tylko na 6% mocy przy 1,5 V lub mniej, wznoszącej się liniowo do 100% przy pełnym naładowaniu 4,5 V. Dzieje się tak, ponieważ kondensatory działają jak martwe zwarcie przy niższych napięciach, ale stają się wykładniczo trudniejsze do naładowania, im bliżej wyrównania się zbliża.

Panel słoneczny o mocy 20 W napędza mały obwód ładowarki USB 5,6 V 3,5 A. To zasila bezpośrednio przez diodę 10A do baterii kondensatorów. Regulatory 2,5 V zapobiegają przeładowaniu kondensatorów. Najlepiej nie pozostawiać systemu na słońcu przez dłuższy czas, ponieważ regulatory i obwód ładowarki mogą się nagrzewać.

Zobacz załączony szkic Arduino, kolejny źle narysowany schemat obwodu i pliki. STL dla części drukowanych 3D.

Aby wyjaśnić, w jaki sposób obwód jest połączony ze sobą, kontroler ładowania ma jedną linię do testowania napięcia wejściowego z ładowarki i jedną linię do pinów pwm na modułach mosfet.

Moduły mosfet są uziemione po ujemnej stronie baterii kondensatorów.

Ten obwód nie wyłączy się bez podłączenia wentylatora od ujemnej strony kondensatorów do wysokiej strony wejścia ładowarki. Ponieważ wysoka strona znajduje się za diodami i mosfetami, bardzo mało energii zostanie zmarnowane, ponieważ rezystancja przekracza 40k rezystancji. Wentylator obniża wysoki poziom, gdy ładowarka nie jest podłączona, ale nie pobiera wystarczającej ilości prądu, aby obniżyć go, gdy ładowarka jest podłączona.

Krok 4: Bank kondensatorów + dodatkowe wydruki 3D użyte

Zastosowane kondensatory to superkondensatory 6x 2,5V @ 2300F. Zostały one ułożone w 2 zestawy w seriach po 3 równolegle. To dochodzi do banku 5V @ 3450F. Jeśli CAŁĄ energię można pobrać z kondensatorów, mogą one zapewnić ~11 Wh mocy lub akumulator litowo-jonowy 3,7 V 2,5 Ah.

Link do arkusza danych:

Wzory, których użyłem do obliczenia pojemności, a następnie dostępnych watogodzin:

(C1*C2) / (C1+C2) = Cłącznie2,5V 6900F + 2,5V 6900F(6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Używając 4,5V do 1,9V dostępnego potencjału na kondensatorach 3450F ((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Dżule ogółem((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704Jdżule / 3600 sekund = Watogodziny28704 / 3600 = 7,97 Wh (teoretyczna maksymalna dostępna moc)

Ten bank jest bardzo duży. przy 5 cm wysokości x 36 cm długości x 16 cm szerokości. Jest dość ciężki, biorąc pod uwagę aluminiową ramę, której użyłem… Około 5 kg lub 11 funtów, nie licząc walizki i wszystkich innych urządzeń peryferyjnych.

Podłączyłem zaciski kondensatora za pomocą złączy zaciskowych 50A lutowanych razem z drutem miedzianym o grubości 12 mm. Pozwala to uniknąć wąskich gardeł na terminalach.

Dzięki aluminiowej ramie w kształcie litery T laptop jest niesamowicie wytrzymały (choć również BARDZO ciężki). Dzięki tej ramie wszystkie elementy są utrzymywane na miejscu. Zajmuje minimalną ilość miejsca w laptopie bez konieczności wiercenia otworów wszędzie w obudowie.

W tym projekcie wykorzystano wiele elementów wydrukowanych w 3D:

• Pełne uchwyty baterii kondensatorów
• Nakładki na uchwyty baterii kondensatorów
• Uchwyty kondensatorów na dole
• Separator między dodatnimi i ujemnymi zaciskami kondensatora
• Płyta uchwytu Raspberry Pi
• Górne osłony wokół klawiatury i kondensatorów (tylko ze względów estetycznych)
• Uchwyt i osłona ekranu AMOLED
• Uchwyt płyty kontrolera AMOLED
• Prowadnice przewodów HDMI i USB do kontrolera wyświetlacza z Pi
• Dostęp do przycisku i płyty LED od góry do sterowania zasilaniem
• inni zostaną dodani, gdy je wydrukuję

Krok 5: Wniosek

Ponieważ był to tylko projekt hobbystyczny, wierzę, że udowodnił, że superkondensatory mogą być używane do zasilania laptopa, ale prawdopodobnie nie powinno się go ograniczać. Gęstość mocy kondensatorów użytych w tym projekcie jest ponad 20 razy mniejsza niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Również waga jest absurdalna.

Biorąc to pod uwagę, może to mieć inne zastosowania niż konwencjonalny laptop. Na przykład używam tego laptopa głównie z ładowania słonecznego. Można go używać w lesie, nie martwiąc się zbytnio o wielokrotne ładowanie i rozładowywanie „baterii”, kilka razy dziennie. Od czasu pierwszej budowy nieznacznie zmodyfikowałem system, aby włączyć gniazdo 5v 4A po jednej stronie obudowy, aby zasilać oświetlenie i ładować telefony podczas sprawdzania czujników w lesie. Jednak waga wciąż zabija ramiona…

Ponieważ cykl ładowania jest tak szybki, nigdy nie musisz się martwić, że zabraknie energii. Mogę podłączyć go na 20 minut (lub mniej w zależności od aktualnego poziomu) w dowolnym miejscu i dobrze jest iść na ponad godzinę intensywnego użytkowania.

Jedną wadą tego projektu jest to, że wygląda bardzo podejrzanie dla przechodnia… Nie zabrałbym tego komunikacją miejską. Przynajmniej nie używaj go w pobliżu tłumu. Kilku znajomych powiedziało mi, że powinienem był sprawić, by wyglądało to trochę mniej „groźnie”.

Ale ogólnie rzecz biorąc, dobrze się bawiłem tworząc ten projekt i nauczyłem się sporo o tym, jak zastosować technologię superkondensatorów w innych projektach w przyszłości. Również zmieszczenie wszystkiego w walizce było trójwymiarową łamigłówką, która nie była przesadnie frustrująca, nawet dość ciekawym wyzwaniem.

Jeśli masz jakieś pytania, daj mi znać!