Super Capacitor Powered Raspberry Pi laptop: 5 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

A projekt iránti általános érdeklődéstől függően további lépéseket adhatok hozzá, stb., Ha ez segít a zavaró összetevők egyszerűsítésében.

Az évek során mindig felkeltette érdeklődésemet az újabb kondenzátor technológia, és úgy gondoltam, szórakoztató lenne kipróbálni őket, mint egyfajta akkumulátort szórakozásból. Sok furcsa problémával találkoztam ezen dolgozva, mivel nem ezt az alkalmazást szem előtt tartva tervezték, hanem meg akartam osztani, amit megtudtam és teszteltem.

Ez inkább a töltés nehézségeinek és a szuperkondenzátorokból származó áramerősségnek a mobil alkalmazásban való kiemelésére mutat rá (bár milyen nehéz, nem olyan mobil…).

Az alábbi nagyszerű oktatóanyagok nélkül ez nem valósult volna meg:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Részletes információk a szuperkondenzátorokról
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Oktatóanyag a töltési és kisütési áramkör felépítéséhez
• Megpróbálok többet kiásni, amit használtam, ha megtalálom/emlékszem rájuk.

• Ha van olyan oktatóanyagod, amelyet szerinted releváns, akkor tudasd velem, hogy ide berakhassam.

A fő okok, amelyek miatt ezt ki akartam próbálni, a következők:

• A töltés SECONDS -on belül (a nagy áramerősség miatt a rendszer percekre korlátozódik… biztonságosan).
• Több százezer töltési ciklus degradáció nélkül (több mint egymillió megfelelő körülmények között).
• Egy nagyon niche technológia, amely utat találhat a mainstream akkumulátoriparba.
• Környezeti működési feltételek. Az itt használt kondenzátorok hőmérséklete +60 ° C és -60 ° C között van.
• A töltési hatékonyság> 95% (az akkumulátorok átlagosan <85%)
• Érdekesnek találom őket?

Most az örökké szükséges figyelmeztetés, amikor elektromos árammal dolgozunk … Annak ellenére, hogy nagyon kicsi a sérülések esélye alacsony, ~ 5 V -os feszültséggel dolgozva, a szuper kondenzátorok hihetetlenül nagy áramerőssége égési sérüléseket okozhat és azonnal megsütheti az alkatrészeket. kiváló magyarázatot és biztonságos lépéseket nyújt. Az akkumulátorokkal ellentétben a kivezetések teljes rövidre zárása nem veszélyezteti a robbanást (bár a vezeték méretétől függően lerövidítheti a szuperkondenzátor élettartamát). Valódi problémák merülhetnek fel, ha túlfeszültség (a jelzett maximális feszültség felett töltődik), ahol a szuperkondenzátorok elpirulnak, „felpattannak” és elhalnak egy füstös rendetlenségben. Szélsőséges esetekben előfordulhat, hogy a pecsét meglehetősen hangosan pattog.

Példaként arra, hogy mennyi áramot szabadíthat fel, leejtettem egy 16 méteres rézhuzalt a teljesen feltöltött parton 5 V -on (természetesen véletlenül), és kissé elvakított a drót, amely fehér és zöld villanásban felrobbant égés közben. Egy másodperc alatt eltűnt az 5 cm -es huzaldarab. Több száz erősítő halad át ezen a vezetéken kevesebb mint egy másodperc alatt.

Letelepedtem egy platformra, mint egy Raspberry Pi, egy alumínium bőrönd, egy kioszk billentyűzet és egy 3D nyomtató prototípus készítéséhez. Eredetileg az volt az ötlet, hogy ezt a laptopot úgy építsük meg, hogy minimális erőfeszítéssel 10-20 percig működjön. Mivel a szobám extra volt a bőröndben, túlságosan csábító volt, hogy több szuper kondenzátort zsúfolva próbáljak többet kihozni ebből a projektből.

Jelenleg az EGYEDI 3.7V 2Ah lítium -ion akkumulátor alatti hasznos energiamennyiség alatt van. Csak körülbelül 7 Wh teljesítmény. Nem megdöbbentő, de a töltési idő kevesebb, mint 15 perc az üresből, legalább érdekes.

Sajnos ezzel a rendszerrel csak a kondenzátorok tárolt teljesítményének csak mintegy 75% -a húzható ki … Egy sokkal hatékonyabb rendszer határozottan megvalósítható lenne az alacsonyabb, 1 V körüli vagy alacsonyabb feszültségeken történő áramellátás érdekében. Csak nem akartam több pénzt költeni erre, valamint, hogy a kondenzátorok 2 V alatt csak körülbelül 2Wh energiát hagynak rendelkezésre a teljes 11Wh -ból.

Kis teljesítményű 0,7-5V-5V átalakító használatával (~ 75-85% -os hatékonyság) a kondenzátor bank segítségével 3% -ról 65% -ra tudtam feltölteni a 11 Wh-s mobiltelefon-akkumulátoromat (bár a telefonok rendkívül nem hatékonyak a töltésben, ahol 60-80 A bemeneti teljesítmény % -a ténylegesen tárolódik).

Az ebben a projektben használt alkatrészekhez valószínűleg jobb alkatrészek használhatók, mint a kezemben. De itt vannak:

• 6x szuperkondenzátor (2.5V, 2300 Farad - autó regeneratív fékrendszerből. Megtalálható az Ebay -en stb.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V -os kijelző (5,5 hüvelykes AMOLED kijelzőt használok HDMI vezérlőpanellel)
• 2x ATTiny85 mikrovezérlő (a programozást is tartalmazza)
• 2x 0,7V-5V-állandó 5V 500mA DC-DC átalakító
• 4x 1,9V-5V-állandó 5V 1A DC-DC átalakító
• 1x bőrönd
• 3x 6A PWM képes mosfets
• 2x 10A Schottky dióda
• 10x alumínium T-horony keret (csuklókkal stb. Attól függ, hogy mit szeretne használni a dolgok rögzítéséhez)
• kioszk billentyűzet
• 20W 5V napelem
• USB - micro USB kábelek
• HDMI kábel
• Alapvető elektromos alkatrészek és prototípus -táblák választéka.
• sok 3D nyomtatott rész (a.stl fájlokat is belefoglalom)

Ezek az alkatrészek könnyen kicserélhetők megfelelőbb/hatékonyabb alkatrészekre, de ez volt a kezemben. Ezenkívül a méretkorlátozások változnak a kiválasztott komponensekkel.

Ha bármilyen véleménye van a tervezéssel kapcsolatban, ne habozzon megjegyzést írni!

1. lépés: Teljesítményjellemzők

Annak érdekében, hogy képet kapjunk arról, mire számíthatunk az energiahatékonyság szempontjából, amikor kondenzátorokat használunk olyan célokra, amelyeket biztosan nem terveztek:

Ha a kondenzátor bank feszültsége túl alacsonyra csökken (1,9 V), akkor az ATTinys programozottan nem kapcsol be semmilyen rendszerkomponenst. Ez csak annak biztosítására szolgál, hogy az alkatrészek ne húzzanak áramot, ha nem tudnak folyamatosan feszültség alatt működni.

Ez a rendszer egyenáramú egyenáramú átalakítókkal működik, a feszültség szintje 4,5V-1,9V a kondenzátor bankból.

A bemeneti töltési feszültség 5 V és 5,5 V között lehet (5,5 V -nál nem magasabb, mint 5A). Az 5V 10A vagy magasabb adapter károsítja a mosfetet, és fél PWM töltési sebesség mellett kiégeti.

A kondenzátorok töltési jellemzői mellett a logaritmikus/exponenciális töltési sebesség lenne a legjobb, mivel egyre nehezebb a teljesítményt közelebb vinni a teljes töltéshez … de soha nem tudtam elérni, hogy a matematikai függvény lebegő típusú változókkal működjön ATTiny valamiért. Valamit meg kell néznem később …

Teljes feldolgozási teljesítmény mellett a hozzávetőleges futási idő 1 óra. Üresjáratban 2 óra.

Az LowRa adó -vevő használata további ~ 15%-kal csökkenti az élettartamot. A külső lézeres egér használata további ~ 10%-kal csökkenti az élettartamot.

Alacsonyabb kondenzátor -feszültség = kisebb hatékonyság, ha 5 V -ra alakítják át tápegységgé. Kb. 75% 2V -os kondenzátor töltésnél, ahol sok áram veszít hőként az átalakítókban.

Csatlakoztatva a laptop korlátlan ideig működhet egy 5,3 V -os 8A -es adapter segítségével. 2A adapter használatával a rendszer teljes feltöltést igényel a bekapcsolás előtt, korlátlan használatra. Az ATTiny PWM töltési ráta csak a beviteli teljesítmény 6,2% -a, ha a kondenzátorbank 1,5 V -os vagy annál alacsonyabb szintje egyenesen 100% -os töltési sebességre emelkedik teljes töltéssel.

Ennek a rendszernek hosszabb ideig tart a töltése alacsonyabb áramerősségű adapter használatával. Töltési idő 2 V -tól 4,5 V -ig, miközben a kondenzátor bankja nem fut le:

• Az 5.2V 8A adapter 10-20 perc (általában körülbelül 13 perc).
• Az 5.1V 2A adapter 1-2 óra. Mivel a diódák körülbelül 0,6 V -kal csökkentik a feszültséget, egyes adapterek pontosan 5 V -on soha nem töltik fel teljesen ezt a rendszert. Ez rendben van, mivel az adapter nem lesz negatív hatással.
• A 20 W-os napelem teljes napsütésben 0,5-2 óra. (sok szórás a tesztelés során).

A benne rejlő probléma a kondenzátorok használata, ahol nem tartják sokáig a töltésüket, minél közelebb van a maximális feszültséghez.

Az első 24 órában a kondenzátorbank átlagosan 4,5 V -ról 4,3 V -ra kisül. Aztán a következő 72 órában lassan lecsökken egy meglehetősen állandó 4,1 V -ra. Az ATTinys kis önkisüléssel párosítva az első 96 óra után napi 0,05-0,1 V-on csökkenti a feszültséget (exponenciálisan lassabb, mivel a feszültség nullához közelebb esik). Amikor 1,5 V-nál alacsonyabb, a kondenzátor bank feszültsége napi 0,001-0,01 V körül csökken a hőmérséklettől függően.

Mindezeket figyelembe véve a konzervatív megközelítő érték 0,7 V -os kisülés ~ 100 nap alatt. Ezt az ülést 30 napra hagytam, és még mindig maradt valamivel több mint 3,5 V.

Ez a rendszer korlátlan ideig működhet közvetlen napfényben.

* * * MEGJEGYZÉS: * * Ennek a rendszernek a kritikus feszültsége 0,7 V, ahol az ATTinys-t tápláló DC-DC átalakítók meghibásodnak. Szerencsére a mosfet vezérlő töltési sebességet ~ 2% -kal magasabbra fogja húzni, ha a tápfeszültség ezen a vagy alacsonyabb feszültségen van csatlakoztatva, ami lehetővé teszi a lassú töltést. Még mindig nem jöttem rá, MIÉRT történik ez, de szerencsés bónusz.

~ 15 -ször kellett teljesen feltöltenem és lemerítenem a kondenzátor bankot, mielőtt kémiailag kiegyensúlyozódtak és tisztességes töltést tartottak. Amikor először csatlakoztattam őket, rendkívül csalódott voltam a tárolt töltés mennyiségében, de az első 15 teljes töltési ciklus alatt sokkal jobb lesz.

2. lépés: Pi Power Controller

A Pi ki- és bekapcsolásához egy tápszabályozót kellett megvalósítanom 4 egyenáramú egyenáramú átalakítóval és egy mosfettel.

Sajnos a Pi kb. Ha a tápfeszültség -szabályozó be van kapcsolva, csak ~ 2mA pazarolódik el teljesen feltöltve (~ 0,5mA alacsony töltésnél).

A vezérlő alapvetően a következőket teszi:

1. Szabályozza a feszültséget 2,5 V alatt a kondenzátorokban, hogy elkerülje a túlfeszültséget töltés közben.
2. Négy DC-DC (egyenként max. 1A, összesen 4A) közvetlenül a kondenzátorokból húzza le 4,5 V-ról 1,9 V-ra az állandó 5,1 V-ot.
3. Egy gombnyomásra a mosfet lehetővé teszi az áram áramlását a Pi -hez. Egy másik sajtó lekapcsolja az áramot.
4. Az ATTiny figyeli a kondenzátor bank feszültségszintjét. Ha túl alacsony, a mosfet nem kapcsolható be.

Az ezüst gomb lenyomva jelzi a kondenzátor bankban maradó energiát. 10 villog 4,5 V -on és 1 2,2 V -on. A napelem 5V -os töltésre képes, és 12 -szer villog ezen a szinten.

A kondenzátor feszültségét a zöld tárcsás 2,5 V -os szabályozók szabályozzák, amelyek eltávolítják a felesleges áramot. Ez azért fontos, mert a napelem passzívan tölti fel a kondenzátorokat egy 10A diódán keresztül közvetlenül 5,2 V-ig, ami túltöltené őket.

Az egyenáramú egyenáramú átalakítók egyenként akár 1 A feszültséget is képesek biztosítani, és állandó kimeneti feszültségűek. A tetején található kék potenciométerrel a feszültség tetszőleges szintre állítható. 5,2 V -ra állítottam őket, ami körülbelül 0,1 V -ot esik le a mosfeten. Az egyik lesz a legapróbb kicsivel magasabb feszültségű kimenet, mint a többi, és mérsékelten felmelegszik, de a többiek kezelni fogják a Pi tápellátását. Mind a 4 átalakító képes kezelni a feszültségcsökkenést akár 4A -ig teljes kondenzátor töltéssel, vagy 2A alacsony töltéssel.

Az átalakítók ~ 2mA nyugalmi áramot húznak teljes feltöltéssel.

Mellékelve az Arduino vázlat, amelyet az ATTiny segítségével végzek (rengeteg megjegyzés hozzáadva). A gomb egy megszakításhoz van csatlakoztatva, hogy kihúzza az ATTiny -t az alvásból, és áramot adjon a Pi -nek. Ha az áramellátás túl alacsony, a bekapcsoló LED 3 -szor felvillan, és az ATTiny alvó állapotba kerül.

Ha a gombot másodszor is megnyomja, a Pi tápellátás kikapcsol, és az ATTiny alvó állapotba kerül a következő gombnyomásig. Ez alvó üzemmódban néhány száz nanoerősítőt használ. Az ATTiny egy 500 mA-es egyenáramú egyenáramú átalakítóból fut, amely állandó 5 V-ot tud biztosítani az 5V-0,7 V feszültségingadozásból.

A tápegységet TinkerCAD -en tervezték (mint a többi 3D -s nyomtatást), és kinyomtatták.

Az áramkört lásd a nyers rajzban.

3. lépés: Töltőrendszer

A töltésvezérlő három részből áll:

1. A vezérlő áramkör, amelyet egy ATTiny hajt
2. A mosfet és dióda (és ventilátor a hűtéshez)
3. A laptop tápellátásához 5,2 V -os 8A -es fali töltőt használok

A vezérlő áramkör 8 másodpercenként felébred, hogy ellenőrizze, nincs -e földelés a töltőporton. Ha a töltőkábel csatlakoztatva van, a ventilátor elindul, és a töltési folyamat megkezdődik.

Ahogy a kondenzátor bank egyre közelebb kerül a teljes töltéshez, a mosfet vezérlő PWM jel lineárisan 100% -ra kapcsol be 4,5 V -nál. A célfeszültség elérése után a PWM jel kikapcsol (4,5 V). Ezután várja meg, amíg eléri a meghatározott alsó határértéket, hogy újra megkezdhesse a töltést (4,3 V).

Mivel a diódák lecsökkentik a töltési feszültséget 5,2 V-ról ~ 4,6 V-ra, elméletileg 24/7 üzemmódban hagyhatom a töltőt úgy, hogy a feszültség felső határa 4,6-4,7 V körül legyen. A töltés ideje a lemerülésig, ha teljesen vagy majdnem teljesen feltöltve, körülbelül 1 perc töltés és 5 perc lemerülés.

Amikor a töltőkábelt lecsatlakoztatja, az ATTiny újra alszik.

A mosfetek az Ebay -ről származnak. Ezeket 5 V -os PWM jel vezérli, és egyenként akár 5 A -t is képesek kezelni. Ez pozitív, három 10A Schottky diódát használva, hogy megakadályozza a fali töltő visszaáramlását. Mielőtt csatlakoztatná a fali töltőhöz, ellenőrizze a dióda tájolását. Ha rosszul van beállítva, hogy az áram áramoljon a kondenzátorokról a fali töltőre, akkor a töltő nagyon felforrósodik, és valószínűleg megolvad, amikor a laptophoz csatlakozik.

Az 5 V -os ventilátort a fali töltő hajtja, és lehűti a többi alkatrészt, mivel azok nagyon felforrósodnak a félig töltés alatt.

Az 5,2 V -os 8A -es töltővel történő töltés csak néhány percet vesz igénybe, míg 5V -os 2A -os töltőnél több mint egy óra.

A PWM jel a mosfethez csak 6% -os áramot enged át 1,5 V -os vagy annál alacsonyabb feszültségen, és lineárisan 100% -ra emelkedik 4,5 V teljes feltöltéssel. Ennek oka az, hogy a kondenzátorok alacsony feszültségnél holtzárlatként működnek, de exponenciálisan nehezebb tölteni, minél közelebb kerül a kiegyenlítéshez.

A 20 W -os napelem egy kis, 5,6 V -os, 3,5 A -os USB töltőáramkört hajt meg. Ez közvetlenül a 10A diódán keresztül jut a kondenzátor bankba. A 2,5 V-os szabályozók megakadályozzák a kondenzátorok túltöltését. A legjobb, ha nem hagyja a rendszert napsütésben hosszabb ideig, mivel a szabályozók és a töltőáramkör felforrósodhatnak.

Lásd a mellékelt Arduino vázlatot, egy másik rosszul rajzolt kapcsolási rajzot és. STL fájlokat a 3D nyomtatott részekhez.

Az áramkör összekapcsolásának magyarázataként a töltésvezérlő egy vonallal teszteli a töltő bemeneti feszültségét, és egy vezetéket a mosfet modulok pwm csapjaihoz.

A mosfet modulok a kondenzátor bank negatív oldalára vannak földelve.

Ez az áramkör nem kapcsol ki anélkül, hogy a ventilátort a kondenzátorok negatív oldaláról a töltő bemenetének magas oldalához csatlakoztatnák. Mivel a magas oldal a diódák és a mosfeték mögött van, nagyon kevés áramot veszítünk el, mivel az ellenállás meghaladja a 40 000 ellenállást. A ventilátor lefelé húzza a magas oldalt, amíg a töltő nincs csatlakoztatva, de nem veszi fel az áramot ahhoz, hogy lecsökkentse, miközben a töltő be van dugva.

4. lépés: Kondenzátorbank és további 3D nyomtatások

A használt kondenzátorok 6x 2,5V @ 2300F szuperkondenzátorok. Párhuzamosan 2 sorozatban, 3 -as sorozatban vannak elrendezve. Ez egy 5V @ 3450F bankra vonatkozik. Ha MINDEN energiát ki lehetne húzni a kondenzátorokból, akkor ~ 11Wh energiát tudnak biztosítani, vagy egy 3,7 V-os 2,5 Ah Li-ion akkumulátort.

Link az adatlaphoz:

A kapacitás és ezt követően a rendelkezésre álló wattórák kiszámításához használt egyenletek:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joules Összesen ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoule / 3600 másodperc = Wattóra 28704/3600 = 7,97 Wh (elméletileg elérhető maximális teljesítmény)

Ez a bank nagyon nagy. 5 cm magas x 36 cm hosszú x 16 cm széles. Elég nehéz, ha belefoglalom az általam használt alumínium keretet … Körülbelül 5 kg vagy 11 font, nem számítva a bőröndöt és az összes többi perifériát.

Csatlakoztattam a kondenzátor kapcsokat 50A -es csatlakozókkal, 12 -es rézhuzalral forrasztva. Ezzel elkerülhető az ellenálló szűk keresztmetszet a terminálokon.

Alumínium T-rudas keretet használva a laptop hihetetlenül erős (bár NAGYON nehéz is). Ezzel a kerettel minden alkatrész a helyén marad. Minimális helyet foglal el a laptopon anélkül, hogy mindenhol lyukat kellene fúrni a tokban.

Ebben a projektben sok 3D nyomtatott darabot használtak:

• Kondenzátor bank tartók tele
• Kondenzátor banktartó merevítők
• Kondenzátor tartók alul
• Elválasztó pozitív és negatív kondenzátor kivezetések között
• Raspberry Pi tartólemez
• Felső burkolatok a billentyűzet és a kondenzátorok körül (csak esztétikai szempontból)
• AMOLED képernyőtartó és borító
• AMOLED vezérlőkártya tartó
• HDMI és USB vezetékek a Pi vezérlő megjelenítéséhez
• Gombos és LED -es fedélzeti hozzáférés a teljesítményszabályozáshoz
• mások hozzáteszik, amikor kinyomtatom őket

5. lépés: Következtetés

Mivel ez csak egy hobbi projekt volt, úgy gondolom, hogy bebizonyosodott, hogy a szuperkondenzátorok használhatók laptop tápellátására, de a méretkorlátozások miatt valószínűleg nem. A projektben használt kondenzátorok teljesítménysűrűsége több mint 20-szor kisebb, mint a Li-ion akkumulátoroké. Ezenkívül a súly abszurd.

Ennek ellenére ennek más felhasználási lehetőségei lehetnek, mint egy hagyományos laptopnak. Például ezt a laptopot leginkább napelemes töltésből használom. Az erdőben használható anélkül, hogy túl sokat kellene aggódnia az „akkumulátor” újratöltése és kisütése miatt, naponta többször. Kicsit módosítottam a rendszert a kezdeti építés óta, hogy a ház egyik oldalán 5V -os 4A -es aljzatot illesszek a világítás és a telefonok feltöltése érdekében, amikor az erdőben lévő érzékelőket ellenőrzik. A súly még mindig vállölő …

Mivel a töltési ciklus olyan gyors, soha nem kell attól tartania, hogy lemerül az áram. Bárhová csatlakoztathatom 20 percre (vagy rövidebb ideig az aktuális szinttől függően), és jó lesz több mint egy órás intenzív használathoz.

Ennek a kialakításnak az egyik hátránya, hogy nagyon gyanúsnak tűnik egy járókelő számára … ezt nem vinném tömegközlekedéssel. Legalább ne használja tömeg közelében. Néhány barátom azt mondta nekem, hogy egy kicsit kevésbé kellett volna fenyegetőnek látnom.

De összességében jól szórakoztam ennek a projektnek az elkészítésén, és elég sokat tanultam arról, hogyan kell a szuperkondenzátor technológiát más projektekre alkalmazni a jövőben. Ezenkívül mindent belehelyezni a bőröndbe egy 3D -s rejtvény volt, ami nem volt túl frusztráló, sőt egészen érdekes kihívás.

Ha bármilyen kérdése van, jelezze!