Notebook Raspberry Pi poháňaný superkondenzátorom: 5 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

V závislosti od všeobecného záujmu o tento projekt môžem pridať ďalšie kroky atď., Ak to pomôže zjednodušiť všetky mätúce komponenty.

Vždy ma zaujímalo, ako sa v priebehu rokov objavuje novšia kondenzátorová technológia, a myslel som si, že by bolo zábavné skúsiť ich implementovať ako sériu zábavy. Pri práci na tom som narazil na veľa nepredvídateľných problémov, pretože nie sú navrhnuté s ohľadom na túto aplikáciu, ale chceli by som sa podeliť o to, čo som zistil a vyskúšal.

To má viac poukázať na problémy s nabíjaním a čerpaním energie z radu superkondenzátorov v mobilnej aplikácii (aj keď s tým, ako je ťažké, nie je všetko také mobilné …).

Bez nižšie uvedených skvelých návodov by to nešlo:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Podrobné informácie o superkondenzátoroch
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-návod na vybudovanie nabíjacieho a vybíjacieho obvodu
• Pokúsim sa vykopať ďalšie, ktoré som použil, ak ich nájdem/zapamätám si.
• Ak máte nejaké návody, ktoré považujete za relevantné, dajte mi vedieť, aby som ich tu mohol hodiť.

Hlavné dôvody, prečo som to chcel skúsiť, sú:

• Nabíjanie na maximum do SECONDS (vysoká intenzita prúdu obmedzuje tento systém na minúty … bezpečne).
• Státisíce nabíjacích cyklov bez degradácie (viac ako milión za správnych podmienok).
• Veľmi špecializovaná technológia, ktorá by sa mohla dostať do hlavného prúdu batériového priemyslu.
• Prevádzkové podmienky prostredia. Tu používané kondenzátory majú teploty +60 ° C až -60 ° C.
• Účinnosť nabíjania je> 95% (batérie sú v priemere <85%)
• Považujem ich za zaujímavé?

Teraz k stále potrebnému varovaniu pri práci s elektrickou energiou … Napriek tomu, že pri nízkych napätiach ~ 5 V je veľmi malá pravdepodobnosť úrazu, neuveriteľné množstvo prúdu, ktoré môžu produkovať superkondenzátory, spôsobí popáleniny a okamžite vypráža súčiastky. Prvý spomenutý článok poskytuje vynikajúce vysvetlenie a bezpečné kroky. Na rozdiel od batérií úplné skratovanie svoriek neriskuje výbuch (aj keď to môže skrátiť životnosť superkondenzátora v závislosti od rozchodu drôtu). Skutočné problémy môžu nastať pri prepätí (nabíjaní okolo označeného maximálneho napätia), kde super kondenzátory prasknú, „prasknú“a zomrú v dymovom neporiadku. Extrémne prípady môžu byť tam, kde tesnenie dosť hlasno praskne.

Ako príklad toho, koľko energie je možné uvoľniť, som spustil 16 -rozmerný medený drôt cez plne nabitú banku na 5 V (samozrejme náhodne) a bol mierne oslepený tým, ako drôt explodoval v bielo -zelenom záblesku, keď horel. Za menej ako sekundu bol 5 cm kus drôtu PONÚKANÝ. Stovky zosilňovačov cestujúcich po tomto drôte za menej ako sekundu.

Usadil som sa na prenosnom počítači ako na platforme, pretože som mal okolo ležiaci Raspberry Pi, hliníkový kufor, kioskovú klávesnicu a 3D tlačiareň, na ktorej som mohol prototypovať. Pôvodne bola myšlienka postaviť tento prenosný počítač tak, aby mohol bežať 10-20 minút s minimálnym úsilím. S miestnosťou, ktorú som mal v kufri navyše, bolo príliš lákavé pokúšať sa vytlačiť viac z tohto projektu nacpaním ďalších super kondenzátorov.

V súčasnosti je množstvo použiteľného výkonu nižšie ako lithium -iontová batéria SINGLE 3,7V 2Ah. Výkon iba približne 7 Wh. Nie je to ohromujúce, ale s dobou nabíjania kratšou ako 15 minút od vybitia je prinajmenšom zaujímavé.

Tento systém bohužiaľ dokáže vytiahnuť len asi 75% uloženého výkonu v kondenzátoroch … Určite by bolo možné implementovať oveľa efektívnejší systém na ťahanie energie pri nižších napätiach okolo 1 V alebo menej. Len som za to nechcel minúť ďalšie peniaze, pretože pod 2V v kondenzátoroch zostáva k dispozícii iba asi 2Wh energie z celkových 11Wh celkom.

Pomocou meniča 0,7-5V na 5V s nízkym výkonom (účinnosť ~ 75-85%) som dokázal nabiť svoju 11Wh batériu mobilného telefónu z 3% na 65% pomocou kondenzátorovej banky (aj keď telefóny sú extrémne neefektívne pri nabíjaní, kde 60-80 % vstupného výkonu je skutočne uložených).

Pokiaľ ide o diely použité v tomto projekte, pravdepodobne existujú lepšie diely, ktoré som mal k dispozícii. Ale tu sú:

• 6x super kondenzátory (2,5 V, 2300 Farad - z regeneratívneho brzdového systému automobilu. Nájdete na Ebay atď.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V napájaný displej (používam 5,5 palcový AMOLED displej s doskou ovládača HDMI)
• 2x mikroovládače ATTiny85 (priložím programovanie)
• 2x meniče DC-DC 0,7V-5V na konštantné 5V 500mA
• 4x meniče DC-DC 1,9V-5V na konštantné 5V 1A
• 1x kufor
• 3 x 6A MFF s podporou PWM
• 2x 10A Schottkyho diódy
• 10x hliníkový rám s drážkou T (s kĺbmi atď. Závisí od toho, čo chcete použiť na držanie vecí na mieste)
• kiosková klávesnica
• 20W solárny panel 5V
• Káble USB na micro USB
• HDMI kábel
• Sortiment základných elektrických komponentov a prototypových dosiek.
• veľa 3D tlačených dielov (priložím súbory.stl)

Tieto diely je možné ľahko zameniť za vhodnejšie/efektívnejšie diely, ale toto som mal po ruke. Obmedzenia rozmerov sa tiež zmenia podľa toho, ktoré komponenty sú vybrané.

Ak máte k návrhu akúkoľvek spätnú väzbu, neváhajte zanechať komentár!

Krok 1: Charakteristiky výkonu

Aby ste získali predstavu o tom, čo možno očakávať z hľadiska výkonu pri použití kondenzátorov na niečo, na čo rozhodne neboli navrhnuté:

Keď napätie banky kondenzátora klesne príliš nízko (1,9 V), ATTinys boli naprogramované tak, aby nezapínal žiadne súčasti systému. Toto je len zaistenie toho, aby komponenty neodoberali žiaden výkon, keď nemôžu pracovať konzistentne pri nižších napätiach.

Tento systém beží pomocou konvertorov DC-DC na úrovniach napätia 4,5 V až 1,9 V z kondenzátorovej banky.

Vstupné nabíjacie napätie môže byť od 5 V do 5,5 V (maximálne 5 A pri 5,5 V). Adaptéry 5 V 10 A alebo vyššie poškodia mosfet a vyhoria ho pri polovičnej rýchlosti nabíjania PWM.

S nabíjacími charakteristikami kondenzátorov by bola najlepšia logaritmická/exponenciálna rýchlosť nabíjania, pretože je stále ťažšie tlačiť výkon bližšie k úplnému nabitiu … ale nikdy som nedokázal získať matematickú funkciu pracujúcu s premennými plávajúceho typu na ATTiny z nejakého dôvodu. Niečo, na čo sa môžem pozrieť neskôr…

Pri plnom výpočtovom výkone je približný čas chodu 1 hodina. Na voľnobeh, 2 hodiny.

Použitie transceivera LowRa skracuje životnosť o ďalších ~ 15%. Použitie externej laserovej myši skracuje životnosť o ďalších ~ 10%.

Nižšie napätie banky kondenzátora = menšia účinnosť pri konverzii na 5 V na výkonové komponenty. Asi 75% pri 2V nabíjaní kondenzátora, kde sa v meničoch stratí veľa energie ako teplo.

Keď je notebook zapojený, môže fungovať neobmedzene dlho pomocou adaptéra 5,3 V 8 A. Použitím adaptéra 2A systém vyžaduje úplné nabitie pred zapnutím na neobmedzené používanie. Rýchlosť nabíjania ATTiny PWM je iba 6,2% príkonu, keď je kapacita kondenzátora 1,5 V alebo menej a lineárne stúpa k 100% rýchlosti nabíjania pri plnom nabití.

Nabíjanie tohto systému trvá dlhšie pomocou adaptéra s nižším prúdom. Doba nabíjania od 2 V do 4,5 V bez vybitia kondenzátorovej banky:

• Adaptér 5,2 V 8A trvá 10-20 minút (zvyčajne asi 13 minút).
• Adaptér 5,1 V 2A je 1-2 hodiny. Pretože diódy znižujú napätie asi o 0,6 V, niektoré adaptéry presne na 5 V tento systém nikdy úplne nenabijú. Je to však v poriadku, pretože adaptér nebude negatívne ovplyvnený.
• 20W solárny panel na plnom slnečnom svetle je 0,5-2 hodiny. (veľa variácií počas testovania).

Existuje inherentný problém používania kondenzátorov, kde nevydržia svoj náboj veľmi dlho, čím bližšie ste k maximálnemu napätiu.

Za prvých 24 hodín sa banka kondenzátora v priemere vybije z 4,5 V na 4,3 V. Potom v priebehu nasledujúcich 72 hodín pomaly klesne na pomerne konštantných 4,1 V. ATTinys spojený s malým samovybíjaním zníži napätie na 0,05-0,1 V denne po prvých 96 hodinách (exponenciálne pomalšie, keď napätie klesne bližšie k nule). Keď je napätie 1,5 V a nižšie, napätie banky kondenzátora klesne približne o 0,001-0,01 V za deň v závislosti od teploty.

Keď to vezmeme do úvahy, konzervatívny aproximát by bol výboj na 0,7 V za ~ 100 dní. Nechal som to sedieť 30 dní a stále mi zostalo niečo cez 3,5 V.

Tento systém môže fungovať neobmedzene dlho na priamom slnečnom svetle.

* * * UPOZORNENIE: * * Kritické napätie tohto systému je 0,7 V, kde prevodníky DC-DC napájajúce ATTinys zlyhajú. Našťastie sa rýchlosť nabíjania MOSFET sama vytiahne ~ 2% vysoko, keď je napájanie pripojené na toto napätie alebo nižšie, čo umožňuje pomalé nabíjanie. Stále som neprišiel na to, PREČO sa to deje, ale je to šťastný bonus.

Musel som úplne nabiť a vybiť kondenzátorovú banku ~ 15 -krát, kým sa chemicky nevyrovnali a udržali slušný náboj. Keď som ich prvýkrát zapojil, bol som veľmi frustrovaný z množstva uloženého náboja, ale počas prvých 15 cyklov plného nabitia sa to oveľa lepšie zlepšuje.

Krok 2: Ovládač napájania Pi

Aby som mohol zapnúť a vypnúť Pi, musel som implementovať regulátor napájania so 4 meničmi DC-DC a mosfetom.

Bohužiaľ, Pi čerpá asi 100 mA, aj keď je vypnutý, takže som musel pridať mosfet, aby som ho úplne vypol. Keď je regulátor napájania v prevádzke, pri plnom nabití sa minie iba ~ 2mA (~ 0,5mA pri nízkom nabití).

Ovládač v zásade robí nasledovné:

1. Reguluje úroveň napätia v kondenzátoroch pod 2,5 V, aby sa zabránilo prepätiu počas nabíjania.
2. Štyri DC-DC (1A max., 4A celkom) ťahá priamo z kondenzátorov od 4,5 V do 1,9 V pre konštantných 5,1 V.
3. Po stlačení tlačidla umožní mosfet prúdiť energii do Pi. Ďalšie stlačenie vypne napájanie.
4. ATTiny sleduje úroveň napätia banky kondenzátorov. Ak je príliš nízka, mosfet sa nedá zapnúť.

Strieborné tlačidlo po stlačení indikuje zostávajúci výkon v banke kondenzátora. 10 bliknutí pri 4,5 V a 1 pri 2,2 V. Solárny panel sa môže nabiť na plných 5 V a na tejto úrovni 12 -krát zabliká.

Napätie kondenzátora je regulované zeleným kotúčovým 2,5 V regulátorom, ktorý odvádza prebytočný výkon. To je dôležité, pretože solárny panel pasívne nabíja kondenzátory prostredníctvom diódy 10A priamo až do 5,2 V, čo by ich prebíjalo.

Meniče DC-DC sú schopné poskytnúť každý až 1 A a sú výstupom s premenlivým konštantným napätím. Pomocou modrého potenciometra na vrchu môžete napätie nastaviť na akúkoľvek požadovanú úroveň. Nastavil som ich na 5,2 V, ktoré cez mosfet klesli o 0,1 V. Jeden bude najmenší výstup s vyšším napätím ako ostatné a bude sa mierne zahrievať, ale ostatné zvládnu špičky výkonu z Pi. Všetky 4 meniče dokážu zvládnuť špičky výkonu až do 4 A pri plnom nabití kondenzátora alebo 2 A pri nízkom nabití.

Meniče odoberajú ~ 2mA pokojový prúd pri plnom nabití.

V prílohe je náčrt Arduina, ktorý používam na to, aby som to urobil s ATTiny (pridaných veľa poznámok). Tlačidlo je pripevnené k prerušeniu, aby sa ATTiny vytiahli zo spánku a napájali Pi. Ak je napájanie príliš nízke, LED dióda napájania trikrát zabliká a zariadenie ATTiny sa vráti do režimu spánku.

Ak tlačidlo stlačíte druhýkrát, napájanie Pi sa vypne a ATTiny sa prepne do režimu spánku, kým nestlačíte ďalšie tlačidlo. V režime spánku sa používa niekoľko stoviek nano zosilňovačov. ATTiny napája DC menič 500mA, ktorý môže poskytnúť konštantných 5V pri kolísaní napätia 5V-0,7V.

Napájací kryt bol navrhnutý na TinkerCAD (rovnako ako všetky ostatné 3D výtlačky) a vytlačený.

Okruh nájdete v hrubo nakreslenej schéme.

Krok 3: Nabíjací systém

Ovládač nabíjania sa skladá z troch častí:

1. Obvod regulátora poháňaný ATTiny
2. MOSFETY a diódy (a ventilátor na chladenie)
3. Na napájanie prenosného počítača používam nástennú nabíjačku 5,2 V 8A

Obvod regulátora sa prebúdza každých 8 sekúnd, aby skontroloval spojenie so zemou v nabíjacom porte. Ak je pripojený nabíjací kábel, ventilátor sa spustí a začne proces nabíjania.

Keď sa banka kondenzátora stále viac približuje k úplnému nabitiu, signál PWM riadiaci mosfet sa lineárne zvyšuje na 100% ZAP pri 4,5 V. Hneď ako sa dosiahne cieľové napätie, signál PWM sa vypne (4,5 V). Potom počkajte, kým sa nedosiahne definovaný dolný limit, a začnite znova nabíjať (4,3 V).

Pretože diódy znižujú nabíjacie napätie z 5,2 V na ~ 4,6 V, teoreticky by som mohol nechať nabíjačku bežať 24/7 s obmedzením napätia okolo 4,6-4,7 V. Čas nabíjania do vybitia pri plnom alebo takmer úplnom nabití je približne <1 minúta nabíjania a 5 minút vybíjania.

Keď je nabíjací kábel odpojený, ATTiny opäť prejde do režimu spánku.

Mosfety sú z Ebay. Môžu byť poháňané 5V signálom PWM a každý zvládne až 5A. To je na pozitívnej línii pomocou troch 10A schottky diód, aby sa zabránilo spätnému toku do nástennej nabíjačky. Pred pripojením k nástennej nabíjačke dvakrát skontrolujte orientáciu diódy. Ak je nabíjačka nesprávne umiestnená, aby prúdila z kondenzátorov do nástennej nabíjačky, veľmi sa zahriala a po zapojení do prenosného počítača sa pravdepodobne roztaví.

5V ventilátor je poháňaný nástennou nabíjačkou a chladí ostatné súčiastky, pretože pod polovicou nabitia sa veľmi zahriajú.

Nabíjanie pomocou 5,2V 8A nabíjačky trvá iba niekoľko minút, pričom ako 5V 2A nabíjačka trvá viac ako hodinu.

Signál PWM do mosfetu umožňuje iba 6% výkonu pri 1,5 V alebo menšom stúpaní lineárne na 100% pri plnom nabití 4,5 V. Dôvodom je, že kondenzátory pôsobia ako skrat pri nižších napätiach, ale čím viac sa blížite k vyrovnaniu, tým je ich nabíjanie exponenciálne ťažšie.

20W solárny panel poháňa malý 5,6V 3,5A USB nabíjací obvod. Ten sa napája priamo cez diódu 10A do banky kondenzátora. Regulátory 2,5 V zabraňujú prebíjaniu kondenzátorov. Je najlepšie nenechať systém dlhší čas na slnku, pretože regulátory a obvod nabíjačky sa môžu poriadne zahriať.

Pozrite si priložený náčrt Arduino, ďalší zle nakreslený schematický diagram a súbory. STL pre 3D tlačené diely.

Aby sa vysvetlilo, ako je obvod zapojený dohromady, regulátor nabíjania má jednu linku na testovanie vstupného napätia z nabíjačky a jednu linku na kolíky pwm na moduloch mosfet.

Moduly mosfet sú uzemnené na negatívnej strane banky kondenzátora.

Tento obvod sa nevypne bez toho, aby bol ventilátor pripojený z negatívnej strany kondenzátorov k hornej strane vstupu nabíjačky. Pretože vysoká strana je za diódami a mosfetmi, bude sa strácať veľmi málo energie, pretože odpor je vyšší ako 40 tis. Kým nie je nabíjačka zapojená, ventilátor ťahá nízku stranu, ale neodoberá dostatok prúdu, aby sa znížil, kým je nabíjačka zapojená.

Krok 4: Banka kondenzátora + použité ďalšie 3D výtlačky

Použité kondenzátory sú 6x 2,5V @ 2300F superkondenzátory. Sú usporiadané v 2 sadách v sérii po 3 paralelne. Prichádza k banke 5V @ 3450F. Ak je možné z kondenzátorov čerpať VŠETKU energiu, môžu poskytnúť ~ 11 Wh energie alebo lítium-iónovú batériu 3,7 V 2,5 Ah.

Odkaz na technický list:

Rovnice, ktoré som použil na výpočet kapacity a následne dostupných watthodín:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2,5V 6900F+2,5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Použitie 4,5 V až 1,9 V dostupného potenciálu na kondenzátoroch 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Jouly Celkom ((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoulov / 3600 sekúnd = watthodiny 28704 /3600 = 7,97 Wh (teoretický maximálny dostupný výkon)

Táto banka je veľmi veľká. na výšku 5 cm x 36 cm na dĺžku x 16 cm na šírku. Je to dosť ťažké, vrátane hliníkového rámu, ktorý som použil … Asi 5 kg alebo 11 libier, bez kufra a všetkých ostatných periférií.

Pripojil som svorky kondenzátora pomocou koncoviek 50 A, spájkovaných medeným drôtom s rozmerom 12 mm. Tým sa zabráni vzpierajúcim sa prekážkam na termináloch.

Vďaka hliníkovému rámu z tyče T je prenosný počítač neuveriteľne odolný (aj keď VEĽMI ťažký). Všetky komponenty sú držané na svojom mieste pomocou tohto rámu. Zaberá minimálny priestor v prenosnom počítači bez toho, aby ste museli v celom puzdre vŕtať diery.

V tomto projekte bolo použitých mnoho 3D tlačených dielov:

• Plné držiaky kondenzátorovej banky
• Držiaky držiaka kondenzátorovej banky
• Spodné držiaky kondenzátora
• Oddeľovač medzi kladnými a zápornými kondenzátorovými svorkami
• Doska držiaka Raspberry Pi
• Horné kryty okolo klávesnice a kondenzátorov (iba pre estetiku)
• AMOLED držiak obrazovky a kryt
• Držiak dosky ovládača AMOLED
• Vodiče HDMI a USB k ovládaču displeja od spoločnosti Pi
• Horný prístup k tlačidlu a LED doske pre ovládanie napájania
• ďalšie budú pridané, keď ich vytlačím

Krok 5: Záver

Pretože to bol len hobby projekt, domnievam sa, že dokázal, že superkondenzátory je možné použiť na napájanie prenosného počítača, ale pravdepodobne nie na obmedzenie veľkosti. Hustota energie pre kondenzátory použité v tomto projekte je viac ako 20-krát menšia ako lítium-iónové batérie. Váha je tiež absurdná.

To však môže mať iné použitie ako konvenčný prenosný počítač. Tento notebook napríklad používam väčšinou zo solárneho nabíjania. Môže sa používať v lese bez toho, aby ste si museli robiť starosti s nabíjaním a vybíjaním „batérie“opakovane, viackrát za deň. Od počiatočného zostavenia som systém mierne upravil tak, aby zahŕňal 5v 4A zásuvku na jednej strane puzdra na napájanie osvetlenia a nabíjanie telefónov pri kontrole senzorov v lese. Hmotnosť je stále zabijakom ramien, aj keď …

Pretože je nabíjací cyklus veľmi rýchly, nemusíte sa báť, že sa vám vybije. Môžem ho pripojiť na 20 minút (alebo menej v závislosti od aktuálnej úrovne) kdekoľvek a môžem sa pustiť do viac ako hodiny intenzívneho používania.

Jednou z nevýhod tohto dizajnu je, že vyzerá veľmi podozrivo pre okoloidúcich … Nebral by som to verejnou dopravou. Nepoužívajte ho aspoň v blízkosti davu. Niekoľko priateľov mi povedalo, že som to mal urobiť tak, aby to vyzeralo trochu menej „hrozivo“.

Ale celkovo som sa bavil pri stavbe tohto projektu a naučil som sa dosť o tom, ako v budúcnosti aplikovať technológiu superkapacitorov na iné projekty. Tiež zmestiť všetko do kufra bolo 3D puzzle, ktoré nebolo prehnane frustrujúce, ba dokonca celkom zaujímavou výzvou.

Ak máte akékoľvek otázky, dajte mi vedieť!