Notebook Raspberry Pi napájený super kondenzátorem: 5 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

V závislosti na obecném zájmu o tento projekt mohu přidat další kroky atd., Pokud to pomůže zjednodušit jakékoli matoucí komponenty.

Vždycky mě zaujala novější kondenzátorová technologie, která se v průběhu let objevovala, a myslel jsem si, že by bylo zábavné zkusit je implementovat jako baterii svého druhu pro zábavu. Při práci na tom jsem narazil na spoustu zvláštních problémů, protože nebyly navrženy s ohledem na tuto aplikaci, ale chtěly se podělit o to, co jsem zjistil a vyzkoušel.

Toto je spíše pro zdůraznění problémů s nabíjením a odebíráním energie z řady superkondenzátorů v mobilní aplikaci (ačkoli s tím, jak je to těžké, není to všechno tak mobilní …).

Bez níže uvedených skvělých tutoriálů by to neproběhlo:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Podrobné informace o superkondenzátorech
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-návod k vybudování nabíjecího a vybíjecího obvodu
• Pokusím se vykopat více, které jsem použil, pokud je najdu/zapamatuji si.

• Pokud máte nějaké návody, které považujete za relevantní, dejte mi vědět, abych je sem mohl vložit.

Hlavní důvody, proč jsem to chtěl zkusit, jsou:

• Nabíjení na maximum během SECONDS (vysoká intenzita proudu omezuje tento systém na minuty… bezpečně).
• Stovky tisíc nabíjecích cyklů bez degradace (přes milion za správných podmínek).
• Velmi specializovaná technologie, která by si možná mohla najít cestu do běžného bateriového průmyslu.
• Provozní podmínky prostředí. Teploty +60 ° C až -60 ° C pro zde použité kondenzátory.
• Účinnost nabíjení je> 95% (baterie jsou v průměru <85%)
• Považuji je za zajímavé?

Nyní ke stále nezbytnému varování při práci s elektřinou … I když je velmi malá šance na zranění při práci s nízkým napětím ~ 5 V, neuvěřitelné množství proudu, které mohou superkondenzátory produkovat, způsobí popáleniny a okamžitě smaží součástky. První zmíněný článek poskytuje vynikající vysvětlení a bezpečné kroky. Na rozdíl od baterií úplné zkratování svorek neriskuje výbuch (i když to může zkrátit životnost superkondenzátoru v závislosti na rozchodu drátu). Skutečné problémy mohou nastat při přepětí (nabíjení kolem vyznačeného maximálního napětí), kde super kondenzátory prasknou, „prasknou“a zemřou v kouřovém nepořádku. Extrémní případy mohou být tam, kde těsnění hlasitě praská.

Jako příklad toho, kolik energie lze uvolnit, jsem upustil měděný drát o průměru 16 přes plně nabitou banku na 5V (samozřejmě náhodou) a byl mírně oslepen tím, jak drát explodoval v bílém a zeleném záblesku, jak hořel. Za necelou sekundu byl 5 cm kus drátu. Stovky zesilovačů cestujících přes tento drát za méně než sekundu.

Usadil jsem se na notebooku jako platformě, protože jsem měl povalený Raspberry Pi, hliníkový kufr, kioskovou klávesnici a 3D tiskárnu, na které jsem mohl prototypovat. Původně byla myšlenka postavit tento notebook jen tak, aby mohl běžet 10-20 minut s minimálním úsilím. S místností, kterou jsem měl navíc v kufru, bylo příliš lákavé pokoušet se vytlačit více z tohoto projektu nacpáním dalších super kondenzátorů.

V současné době je použitelný výkon nižší než u lithium -iontové baterie SINGLE 3,7V 2Ah. Pouze přibližně 7 Wh elektřiny. Není to ohromující, ale s dobou nabíjení méně než 15 minut od vybití je to přinejmenším zajímavé.

Tímto systémem lze bohužel vytáhnout jen asi 75% energie uložené v kondenzátorech … Určitě by mohl být implementován mnohem efektivnější systém, který by odebíral energii při nižších napětích kolem 1 V nebo méně. Jen jsem za to nechtěl utrácet další peníze a pod 2V v kondenzátorech zbývá k dispozici jen asi 2Wh energie z celkových 11Wh celkem.

Pomocí nízkoenergetického měniče 0,7-5V na 5V (účinnost ~ 75-85%) jsem dokázal nabít svoji 11Wh baterii mobilního telefonu z 3% na 65% pomocí kondenzátorové banky (ačkoli telefony jsou extrémně neefektivní při nabíjení, kde 60-80 % vstupního výkonu je skutečně uloženo).

U dílů použitých v tomto projektu pravděpodobně existují lepší díly k použití, než jsem měl po ruce. Ale tady jsou:

• 6x super kondenzátory (2,5 V, 2300 Farad - z regeneračního brzdového systému automobilu. Najdete na Ebay atd.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V napájený displej (používám 5,5 "AMOLED displej s HDMI řadičem)
• 2x mikrokontroléry ATTiny85 (zahrnu programování)
• 2x měniče DC-DC 0,7V-5V na konstantní 5V 500mA
• 4x měniče DC-DC 1,9V-5V na konstantní 5V 1A
• 1x kufr
• 3x 6A PWM schopné mosfety
• 2x 10A Schottkyho diody
• 10x hliníkový rám T-drážky (s klouby atd. Závisí na tom, co chcete použít k uchycení věcí na místě)
• kiosková klávesnice
• 20W solární panel 5V
• Kabely USB na micro USB
• HDMI kabel
• Sortiment základních elektrických komponentů a prototypovacích desek.
• mnoho 3D tištěných dílů (zahrnu soubory.stl)

Tyto díly lze snadno zaměnit za vhodnější/efektivnější díly, ale právě to jsem měl po ruce. Také omezení kót se změní podle toho, jaké komponenty jsou vybrány.

Pokud máte k návrhu jakoukoli zpětnou vazbu, neváhejte zanechat komentář!

Krok 1: Charakteristiky výkonu

Chcete-li získat představu o tom, co očekávat z hlediska výkonu při použití kondenzátorů pro něco, pro co rozhodně nebyly určeny:

Když napětí banky kondenzátoru klesne příliš nízko (1,9 V), ATTinys byly naprogramovány tak, aby nespouštěly žádné součásti systému. To je jen proto, aby zajistily, že komponenty nebudou odebírat žádnou energii, když nemohou běžet konzistentně při nižších napětích.

Tento systém běží pomocí měničů DC-DC na napěťových úrovních 4,5 V až 1,9 V z kondenzátorové banky.

Vstupní nabíjecí napětí může být od 5V do 5,5V (ne více než 5A při 5,5V). Adaptéry 5V 10A nebo vyšší poškodí mosfet a spálí ho při poloviční rychlosti nabíjení PWM.

S nabíjecími charakteristikami kondenzátorů by byla nejlepší logaritmická/exponenciální rychlost nabíjení, protože je čím dál těžší tlačit energii blíže k plnému nabití … ale nikdy jsem nemohl dostat matematickou funkci pracující s proměnnými typu plovoucí na ATTiny z nějakého důvodu. Něco, na co se podívám později…

Při plném výpočetním výkonu je přibližná doba běhu 1 hodina. Na volnoběh, 2 hodiny.

Použití transceiveru LowRa snižuje životnost o dalších ~ 15%. Použití externí laserové myši zkracuje životnost o dalších ~ 10%.

Nižší napětí banky kondenzátoru = menší účinnost při převodu na 5V na napájecí komponenty. Asi 75% při 2V nabíjení kondenzátoru, kde se ztrácí hodně energie jako teplo v převodnících.

Když je notebook zapojen, může pracovat neomezeně dlouho pomocí adaptéru 5,3 V 8 A. Pomocí adaptéru 2A systém vyžaduje úplné nabití před zapnutím pro neomezené používání. Rychlost nabíjení ATTiny PWM je pouze 6,2% příkonu, když je kapacita kondenzátoru 1,5 V nebo méně a lineárně stoupá na 100% rychlost nabíjení při plném nabití.

Nabíjení tohoto systému trvá déle pomocí adaptéru s nižším proudem. Doba nabíjení od 2V do 4,5V bez vybití kondenzátoru:

• 5.2V 8A adaptér je 10-20 minut (obvykle kolem 13 minut).
• Adaptér 5,1 V 2A je 1–2 hodiny. Protože diody snižují napětí přibližně o 0,6 V, některé adaptéry přesně na 5 V tento systém nikdy plně nenabijí. To je však v pořádku, protože adaptér nebude negativně ovlivněn.
• 20W solární panel na plném slunci je 0,5-2 hodiny. (spousta odchylek během testování).

Existuje inherentní problém používání kondenzátorů, kde neudrží svůj náboj příliš dlouho, čím blíže jste k maximálnímu napětí.

Během prvních 24 hodin se banka kondenzátoru sama vybije v průměru od 4,5 V do 4,3 V. Poté během následujících 72 hodin pomalu klesne na poměrně konstantní 4,1 V. ATTinys spojený s malým samovybíjením sníží napětí o 0,05-0,1 V za den po prvních 96 hodinách (exponenciálně pomaleji, jak napětí klesá blíže k nule). Při 1,5 V a nižším napětí kondenzátoru klesne přibližně na 0,001 až 0,01 V za den v závislosti na teplotě.

Když to vezmeme v úvahu, konzervativní aproximace by byla vybití na 0,7 V za ~ 100 dní. Nechal jsem to sedět 30 dní a stále mi zůstalo něco přes 3,5 V.

Tento systém může běžet neomezeně dlouho na přímém slunci.

* * * UPOZORNĚNÍ: * * Kritické napětí tohoto systému je 0,7 V, kde DC-DC měniče napájející ATTinys selžou. Naštěstí se rychlost nabíjení ovládající mosfet sama vytáhne ~ 2% vysoko, když je napájení připojeno na toto napětí nebo nižší, což umožňuje pomalé nabíjení. Stále jsem nepřišel na to, PROČ se to děje, ale je to šťastný bonus.

Musel jsem plně nabít a vybít kondenzátorovou banku ~ 15krát, než se chemicky vyrovnaly a udržovaly slušný náboj. Když jsem je poprvé připojil, byl jsem extrémně frustrován množstvím uloženého náboje, ale během prvních 15 cyklů plného nabití se to mnohem lépe zlepšuje.

Krok 2: Pi Power Controller

Aby bylo možné zapnout a vypnout Pi, musel jsem implementovat regulátor výkonu se 4 DC-DC měniči a mosfetem.

Bohužel Pi čerpá asi 100 mA, i když je vypnutý, takže jsem musel přidat mosfet, abych do něj úplně vypnul napájení. Když je regulátor napájení ve hře, při plném nabití se ztrácí pouze ~ 2mA (~ 0,5mA při nízkém nabití).

Řadič v zásadě provádí následující:

1. Reguluje úroveň napětí v kondenzátorech pod 2,5 V, aby nedošlo k přepětí při nabíjení.
2. Čtyři DC-DC (1A max., 4A celkem) táhne přímo z kondenzátorů od 4,5V do 1,9V pro konstantní 5,1V.
3. Po stisknutí tlačítka umožní mosfet proudit do Pi. Další stisk vypne napájení.
4. ATTiny sleduje úroveň napětí kondenzátorové banky. Pokud je příliš nízká, mosfet nelze zapnout.

Stříbrné tlačítko po stisknutí indikuje zbývající energii v kondenzátorové bance. 10 bliká při 4,5 V a 1 při 2,2 V. Solární panel se může nabít na plných 5 V a na této úrovni 12krát zabliká.

Napětí kondenzátoru je regulováno zeleným kotoučovým 2,5V regulátorem, který odvádí přebytečný výkon. To je důležité, protože solární panel pasivně nabíjí kondenzátory přes 10A diodu přímo do 5,2 V, což by je přebíjelo.

Převodníky DC-DC jsou schopné poskytovat každý až 1 A a jsou výstupem s proměnným konstantním napětím. Pomocí modrého potenciometru nahoře lze napětí nastavit na libovolnou požadovanou úroveň. Nastavil jsem je na 5,2 V, což přes mosfet klesá asi o 0,1 V. Jeden bude nejmenší o něco vyšší výstup napětí než ostatní a bude se mírně zahřívat, ale ostatní zvládnou výkonové špičky z Pi. Všechny 4 převodníky zvládnou výkonové špičky až 4 A při plném nabití kondenzátoru nebo 2 A při nízkém nabití.

Převodníky odebírají klidový proud ~ 2mA při plném nabití.

V příloze je skica Arduina, kterou používám, abych to udělal s ATTiny (přidáno mnoho poznámek). Tlačítko je připojeno k přerušení, aby vytáhlo ATTiny ze spánku a napájelo Pi. Pokud je napájení příliš nízké, kontrolka napájení 3x zabliká a ATTiny se uvede zpět do režimu spánku.

Pokud je tlačítko stisknuto podruhé, napájení Pi se vypne a ATTiny se vrátí do režimu spánku, dokud nestisknete další tlačítko. To používá několik stovek nano zesilovačů v režimu spánku. ATTiny je napájen stejnosměrným měničem 500mA DC, který může poskytovat konstantní 5V při kolísání napětí 5V-0,7V.

Napájecí skříň byla navržena na TinkerCADu (stejně jako všechny ostatní 3D výtisky) a vytištěna.

Okruh najdete v hrubě nakresleném schématu.

Krok 3: Systém nabíjení

Regulátor nabíjení se skládá ze tří částí:

1. Obvod řadiče poháněný ATTiny
2. MOSFETY a diody (a ventilátor pro chlazení)
3. K napájení notebooku používám nástěnnou nabíječku 5,2 V 8 A

Obvod ovladače se probouzí každých 8 sekund, aby zkontroloval připojení k uzemnění na nabíjecím portu. Pokud je připojen nabíjecí kabel, ventilátor se spustí a začne proces nabíjení.

Jak se banka kondenzátorů stále blíží plnému nabití, signál PWM ovládající mosfet se lineárně zvyšuje na 100% ZAP při 4,5V. Jakmile je dosaženo cílového napětí, signál PWM se vypne (4,5 V). Poté počkejte, až se dosáhne definované spodní hranice, a začněte znovu nabíjet (4,3 V).

Protože diody snižují nabíjecí napětí z 5,2 V na ~ 4,6 V, teoreticky bych mohl nechat nabíječku běžet 24/7 s napětím omezujícím kolem 4,6-4,7 V. Doba nabíjení do vybití při plném nebo téměř úplném nabití je přibližně <1 minuta nabíjení a 5 minut vybíjení.

Po odpojení nabíjecího kabelu přejde ATTiny znovu do režimu spánku.

Mosfety jsou z Ebay. Mohou být napájeny signálem 5V PWM a každý zvládne až 5A. To je na kladné linii pomocí tří 10A schottky diod, aby se zabránilo zpětnému toku do nástěnné nabíječky. Před připojením k nástěnné nabíječce dvakrát zkontrolujte orientaci diody. Při nesprávné orientaci, aby proud mohl proudit z kondenzátorů do nástěnné nabíječky, se nabíječka velmi zahřeje a při připojení k notebooku se pravděpodobně roztaví.

5V ventilátor je poháněn nástěnnou nabíječkou a ochlazuje ostatní součásti, protože jsou pod polovinou nabití velmi horké.

Nabíjení pomocí 5,2V 8A nabíječky trvá jen několik minut, kdežto jako 5V 2A nabíječka přes hodinu.

Signál PWM do mosfetu umožňuje pouze 6% výkonu při 1,5 V nebo méně stoupání lineárně na 100% při plném nabití 4,5 V. Důvodem je, že kondenzátory fungují při nižších napětích jako mrtvé, ale čím více se blížíte k vyrovnání, tím jsou exponenciálně těžší nabíjet.

20W solární panel pohání malý 5,6V 3,5A USB nabíjecí obvod. To vede přímo přes 10A diodu do kondenzátorové banky. Regulátory 2,5 V zabraňují nadměrnému nabíjení kondenzátorů. Nejlepší je nenechávat systém delší dobu na slunci, protože regulátory a nabíjecí obvod se mohou docela zahřát.

Viz 3D Arduino Sketch, další špatně nakreslené schéma zapojení a. STL soubory pro 3D tištěné díly.

Abychom vysvětlili, jak je obvod zapojen dohromady, má regulátor nabíjení jednu linku pro testování vstupního napětí z nabíječky a jednu linku na pwm piny na modulech mosfet.

Moduly mosfet jsou uzemněny na negativní straně kondenzátoru.

Tento obvod se nevypne bez připojení ventilátoru z negativní strany kondenzátorů k horní straně vstupu nabíječky. Vzhledem k tomu, že vysoká strana je za diodami a mosfety, bude velmi málo energie ztraceno, protože odpor je přes 40k odpor. Když není připojena nabíječka, ventilátor stáhne horní stranu nízko, ale neodebírá dostatek proudu, aby se snížil, když je nabíječka zapojena.

Krok 4: Banka kondenzátoru + další použité 3D výtisky

Použité kondenzátory jsou 6x 2,5V @ 2300F superkondenzátory. Byly uspořádány do 2 sad v sérii 3 paralelně. To přichází do banky 5V @ 3450F. Pokud by z kondenzátorů bylo možné čerpat VŠECHNU energii, mohou poskytnout ~ 11 Wh energie nebo Li-ion baterii 3,7 V 2,5 Ah.

Odkaz na datový list:

Rovnice, které jsem použil k výpočtu kapacity a následně dostupných watthodin:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2,5V 6900F+2,5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Použití 4,5 V až 1,9 V dostupného potenciálu na kondenzátorech 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Jouly Celkem ((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoulů / 3600 sekund = Watt hodin 28704/3600 = 7,97 Wh (teoretický maximální dostupný výkon)

Tato banka je velmi velká. na výšku 5 cm x 36 cm na délku x 16 cm na šířku. Je to docela těžké, včetně hliníkového rámu, který jsem použil… Asi 5 kg nebo 11 liber, bez kufru a všech ostatních periferií.

Připojil jsem svorky kondenzátoru pomocí 50A koncových konektorů pájených dohromady měděným drátem o průměru 12. Tím se zabrání odolnému zúžení na terminálech.

Notebook je díky hliníkovému rámu T-baru neuvěřitelně robustní (i když VELMI těžký). Všechny komponenty jsou drženy na svém místě pomocí tohoto rámu. Zabírá minimální prostor v notebooku, aniž byste museli všude v pouzdru vyvrtávat otvory.

V tomto projektu bylo použito mnoho 3D tištěných kusů:

• Plné držáky kondenzátorové banky
• Držáky kondenzátorové banky
• Dno držáků kondenzátoru
• Oddělovač mezi kladnými a zápornými vývody kondenzátoru
• Talíř držáku Raspberry Pi
• Horní kryty kolem klávesnice a kondenzátorů (pouze pro estetiku)
• Držák a kryt obrazovky AMOLED
• Držák desky ovladače AMOLED
• Vodiče HDMI a USB k zobrazení ovladače z Pi
• Tlačítko a LED deska přístup shora pro ovládání napájení
• další budou přidány, když je vytisknu

Krok 5: Závěr

Protože se jednalo pouze o hobby projekt, věřím, že se ukázalo, že superkondenzátory lze použít k napájení notebooku, ale pravděpodobně by to nemělo být kvůli omezení velikosti. Hustota výkonu kondenzátorů použitých v tomto projektu je více než 20krát nižší než u Li-ion baterií. Také váha je absurdní.

Jak již bylo řečeno, toto by mohlo mít jiné využití než konvenční notebook. Například tento notebook používám převážně ze solárního nabíjení. Lze jej použít v lese, aniž byste se příliš starali o nabíjení a vybíjení „baterie“opakovaně, několikrát denně. Od počátečního sestavení jsem systém mírně upravil tak, aby na jedné straně pouzdra obsahoval zásuvku 5v 4A pro napájení osvětlení a nabíjení telefonů při kontrole senzorů v lese. Ta váha je stále zabiják ramen, i když…

Protože je nabíjecí cyklus tak rychlý, nemusíte se nikdy obávat, že vám dojde energie. Mohu jej připojit kamkoli na 20 minut (nebo méně, v závislosti na aktuální úrovni) a je dobré jít na více než hodinu intenzivního používání.

Jednou nevýhodou tohoto designu je, že to kolemjdoucímu připadá velmi podezřelé … Nebral bych to veřejnou dopravou. Alespoň jej nepoužívejte v blízkosti davu. Několik přátel mi řeklo, že jsem to měl vypadat trochu méně „hrozivě“.

Celkově mě ale bavilo stavět tento projekt a docela jsem se naučil, jak v budoucnu aplikovat superkondenzátorovou technologii na jiné projekty. Také vše, co se do kufru vešlo, bylo 3D puzzle, které nebylo příliš frustrující, dokonce docela zajímavá výzva.

Pokud máte nějaké dotazy, dejte mi vědět!