Super kondensator drevet Raspberry Pi bærbar computer: 5 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Afhængig af den generelle interesse for dette projekt kan jeg tilføje flere trin osv., Hvis det hjælper med at forenkle forvirrende komponenter.

Jeg har altid været fascineret af den nyere kondensatorteknologi, der dukkede op gennem årene og tænkte, at det ville være sjovt at prøve at implementere dem som et batteri af slagsen for sjov. Der var mange skæve problemer, jeg stødte på, da jeg arbejdede med dette, da de ikke er designet med denne applikation i tankerne, men ville dele det, jeg har fundet ud af og testet.

Dette er mere for at fremhæve vanskelighederne ved at oplade og trække strøm fra en bank med superkondensatorer i en mobilapplikation (selvom hvor tung den er, er den ikke så mobil …).

Uden de store selvstudier herunder, var dette ikke blevet til noget:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Dybdegående information om superkapacitorer
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Vejledning til opbygning af et opladnings- og afladningskredsløb
• Jeg vil forsøge at grave mere op, som jeg brugte, hvis jeg kan finde/huske dem.

• Hvis du har selvstudier, som du synes er relevante, så lad mig det vide, så jeg kan smide det ind her.

De vigtigste grunde til at jeg ville prøve dette er:

• Opladning til fuld inden for SECONDS (involveret høj strømstyrke begrænser dette system til minutter … sikkert).
• Hundredtusinder af opladningscyklusser uden forringelse (over en million under de rigtige forhold).
• En meget niche -teknologi, der muligvis kunne finde vej til den almindelige batteriindustri.
• Miljøbetingelser. Temperaturer på +60C til -60C for de kondensatorer, der bruges her.
• Opladningseffektivitet er> 95% (batterier er i gennemsnit <85%)
• Synes jeg de er interessante?

Nu til den altid nødvendige advarsel, når du arbejder med elektricitet … Selvom der er meget lille risiko for skader ved arbejde med lave spændinger på ~ 5V, vil den utrolige mængde strøm, som superkondensatorer kan levere, forårsage forbrændinger og straks stege komponenter. Den første artikel nævnte giver en glimrende forklaring og sikkert trin. I modsætning til batterier risikerer en fuldstændig kortslutning af terminalerne ikke en eksplosion (selvom det kan forkorte superkondensatorens levetid afhængigt af trådmåleren). Virkelige problemer kan opstå, når overspænding (oplader forbi den markerede maks. Spænding), hvor superkondensatorerne vil bruse, 'pop' og dør i et røgfyldt rod. Ekstreme tilfælde kan være, hvor sælen springer ganske højt.

Som et eksempel på, hvor meget strøm der kan frigives, faldt jeg en 16 gauge kobbertråd hen over den fuldt opladede bank ved 5V (ved et uheld selvfølgelig) og blev lidt blændet af ledningen, der eksploderede i et hvidt og grønt blitz, da den brændte. På under et sekund var det 5 cm stykke ledning væk. Hundredvis af forstærkere, der kører over den tråd på mindre end et sekund.

Jeg slog mig ned på en bærbar computer som en platform, da jeg havde en Raspberry Pi liggende, en kuffert i aluminium, et kiosktastatur og en 3D -printer til at prototype på. Oprindeligt var tanken at bygge denne bærbare, bare så den kunne køre i 10-20 minutter med minimal indsats. Med det rum, jeg havde ekstra i kufferten, var det for fristende at prøve at skubbe mere ud af dette projekt ved at proppe flere superkondensatorer ind.

I øjeblikket er mængden af brugbar strøm under den for et ENKELT 3,7V 2Ah litiumionbatteri. Kun cirka 7Wh strøm. Ikke forbløffende, men med en opladningstid på mindre end 15 minutter fra tom, er det i hvert fald interessant.

Desværre kan kun cirka 75% af den lagrede effekt i kondensatorerne trækkes ud med dette system … Et meget mere effektivt system kunne helt sikkert implementeres for at trække strøm ved lavere spændinger omkring 1V eller mindre. Jeg ville bare ikke bruge flere penge på dette, ligesom under 2V i kondensatorerne kun efterlader omkring 2Wh strøm ud af i alt 11Wh i alt.

Ved hjælp af en lav effekt 0,7-5V til 5V konverter (~ 75-85% effektivitet) kunne jeg oplade mit 11Wh mobiltelefonbatteri fra 3% til 65% ved hjælp af kondensatorbanken (selvom telefoner er ekstremt ineffektive i opladning, hvor 60-80 % af inputeffekten lagres faktisk).

Til dele, der bruges i dette projekt, er der sandsynligvis bedre dele at bruge, end jeg havde ved hånden. Men her er de:

• 6x super kondensatorer (2,5V, 2300 Farad - fra et bilens regenerative bremsesystem. Kan findes på Ebay osv.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V drevet display (jeg bruger en 5,5 "AMOLED -skærm med HDMI -controllerkort)
• 2x ATTiny85 mikrokontroller (jeg inkluderer programmeringen)
• 2x 0,7V-5V til konstante 5V 500mA DC-DC-omformere
• 4x 1.9V-5V til konstante 5V 1A DC-DC-omformere
• 1x kuffert
• 3x 6A PWM -kompatible mosfeter
• 2x 10A Schottky -dioder
• 10x T-slot-ramme i aluminium (med samlinger osv. Afhænger af, hvad du vil bruge til at holde tingene på plads)
• kiosk tastatur
• 20W 5V solpanel
• USB til mikro USB kabler
• HDMI -kabel
• Sortiment af grundlæggende elektriske komponenter og prototyper.
• mange 3D -udskrevne dele (jeg vil inkludere.stl -filerne)

Disse dele kan let udskiftes for mere passende/effektive dele, men det var det, jeg havde ved hånden. Dimensionsbegrænsninger vil også ændre sig med hvilke komponenter der vælges.

Hvis du har feedback på designet, tøv ikke med at efterlade en kommentar!

Trin 1: Strømkarakteristika

For at give en idé om, hvad man kan forvente strømmæssigt, når man bruger kondensatorer til noget, de bestemt ikke var designet til:

Når kondensatorbankspændingen falder for lavt (1,9V), er ATTinys programmeret til ikke at tænde nogen systemkomponenter. Dette er bare for at sikre, at komponenterne ikke trækker strøm, når de ikke kan køre konsekvent ved lavere spændinger.

Dette system kører ved hjælp af DC-DC-omformere ved spændingsniveauer på 4,5V til 1,9V fra kondensatorbanken.

Indgangsspænding kan være fra 5V til 5,5V (ikke højere end 5A ved 5,5V). Adaptere på 5V 10A eller højere vil beskadige mosfeten og brænde den ud med en halv PWM opladningshastighed.

Med kondensatorernes opladningskarakteristika ville en logaritmisk/eksponentiel ladningshastighed være bedst, da det bliver sværere at skubbe strømmen tættere på, når du kommer til fuld opladning … men jeg kunne aldrig få matematikfunktionen til at fungere med variabler med flydende type på ATTiny af en eller anden grund. Noget for mig at se på senere …

Ved fuld processorkraft er den omtrentlige driftstid 1 time. I tomgang, 2 timer.

Brug af LowRa -transceiver reducerer livet med yderligere ~ 15%. Brug af ekstern lasermus reducerer livet med yderligere ~ 10%.

Lavere kondensatorbank spænding = mindre effektivitet konvertering til 5V til strømkomponenter. Cirka 75% ved 2V kondensatoropladning, hvor meget strøm går tabt som varme i omformerne.

Mens den er tilsluttet, kan den bærbare computer køre på ubestemt tid ved hjælp af en 5.3V 8A adapter. Ved hjælp af en 2A -adapter kræver systemet fuld opladning, før den tændes for ubegrænset brug. ATTiny PWM -ladningshastigheden er kun 6,2% af strømindgangen, når kondensatorbanken er 1,5V eller mindre, der stiger lineært til 100% opladningshastighed ved fuld opladning.

Dette system tager længere tid at oplade ved hjælp af en adapter med lavere strømstyrke. Opladningstid fra 2V til 4,5V uden at noget løber ud af kondensatorbanken:

• 5.2V 8A adapter er 10-20 minutter (normalt omkring 13 minutter).
• 5.1V 2A adapter er 1-2 timer. Fordi dioderne sænker spændingen med ca. 0,6V, vil nogle adaptere på præcis 5V aldrig oplade dette system fuldt ud. Dette er dog ok, da adapteren ikke vil blive påvirket negativt.
• 20W solpanel i fuld sollys er 0,5-2 timer. (masser af varians under test).

Der er det iboende problem med at bruge kondensatorer, hvor de ikke holder deres ladning særlig længe, jo tættere du er på maks. Spænding.

I løbet af de første 24 timer aflader kondensatorbanken sig selv fra 4,5V til 4,3V i gennemsnit. Så vil de næste 72 timer langsomt falde til en temmelig konstant 4,1V. ATTinys kombineret med en lille selvafladning vil sænke spændingen med 0,05-0,1V pr. Dag efter de første 96 timer (eksponentielt langsommere, når spændingen falder tættere på nul). Når den er 1,5V og lavere, falder kondensatorbankens spænding med omkring 0,001-0,01V pr. Dag afhængigt af temperaturen.

Med alt dette taget i betragtning ville en konservativ tilnærmelse være en afladning til 0,7V på ~ 100 dage. Jeg forlod dette siddende i 30 dage og var stadig tilbage med lidt over 3,5V.

Dette system kan køre på ubestemt tid i direkte sollys.

* * * BEMÆRK: * * Kritisk spænding for dette system er 0,7V, hvor DC-DC-omformerne, der driver ATTinys, vil mislykkes. Heldigvis vil den mosfet -kontrollerende opladningshastighed trække sig ~ 2% høj, når strømmen er tilsluttet ved denne spænding eller lavere, hvilket muliggør langsom opladning. Jeg har stadig ikke fundet ud af, HVORFOR dette sker, men det er en heldig bonus.

Jeg var nødt til fuldt opladning og afladning af kondensatorbanken ~ 15 gange, før de balancerede kemisk og holdt en anstændig opladning. Da jeg først tilsluttede dem, var jeg ekstremt frustreret over mængden af lagret opladning, men det bliver meget bedre i løbet af de første 15 fulde opladningscyklusser.

Trin 2: Pi Power Controller

For at tænde og slukke for Pi var jeg nødt til at implementere en power controller med 4 DC-DC omformere og en mosfet.

Desværre trækker Pi omkring 100mA, selv når den er slukket, så jeg var nødt til at tilføje mosfet for helt at afbryde strømmen til den. Med strømkontrollen i spil er kun ~ 2mA spildt ved fuld opladning (~ 0,5mA ved lav opladning).

I det væsentlige gør controlleren følgende:

1. Regulerer spændingsniveauet under 2,5V i kondensatorerne for at undgå overspænding under opladning.
2. Fire DC-DC (1A max hver, 4A i alt) trækker direkte fra kondensatorerne fra 4,5V til 1,9V for en konstant 5,1V.
3. Med et tryk på en knap tillader mosfet strømmen til Pi. En anden presse afbryder strømmen.
4. ATTiny overvåger kondensatorbankens spændingsniveau. Hvis den er for lav, kan mosfet ikke tændes.

Sølvknappen, når den trykkes ind, angiver den resterende effekt i kondensatorbanken. 10 blinker ved 4,5V og 1 ved 2,2V. Solpanelet kan oplades til fuld 5V og blinker 12 gange på det niveau.

Kondensatorspændingen reguleres med de grønne skive 2.5V -regulatorer, der udlufter alt overskydende strøm. Dette er vigtigt, fordi solpanelet passivt oplader kondensatorerne gennem en 10A diode direkte op til 5,2V, hvilket ville overoplade dem.

DC-DC-omformerne er i stand til at levere op til 1A hver og er variabel konstant spændingsudgang. Ved hjælp af det blå potentiometer på toppen kan spændingen indstilles til ethvert niveau, du har brug for. Jeg indstiller dem til 5.2V hver, som falder omkring 0.1V over mosfet. Den ene vil være den mindste bit højere spændingsudgang end de andre og bliver moderat varm, men de andre vil håndtere strømspidser fra Pi. Alle 4 omformere kan håndtere strømspidser op til 4A ved fuld kondensatoropladning eller 2A ved lav opladning.

Omformerne tegner ~ 2mA hvilestrøm ved fuld opladning.

Vedhæftet er den Arduino -skitse, jeg bruger til at få dette gjort med ATTiny (masser af noter tilføjet). Knappen er knyttet til en afbrydelse for at trække ATTiny ud af søvn og tænde Pi. Hvis strømmen er for lav, blinker strømindikatoren 3 gange, og ATTiny sættes i dvale.

Hvis der trykkes på knappen en anden gang, slukkes Pi -strømmen, og ATTiny sættes i dvale, indtil næste knap trykkes. Dette bruger et par hundrede nano forstærkere i dvaletilstand. ATTiny kører af en 500mA DC DC-omformer, der kan levere en konstant 5V fra et spændingssving på 5V-0.7V.

Strømhuset blev designet på TinkerCAD (som alle andre 3D -udskrifter) og udskrevet.

For kredsløbet, se den groft tegnede skematisk.

Trin 3: Opladningssystem

Charge Controller består af tre dele:

1. Controller kredsløb drevet af en ATTiny
2. Mosfeterne og dioderne (og ventilatoren til køling)
3. Jeg bruger en 5.2V 8A vægoplader til at drive den bærbare computer

Controllerkredsløbet vågner hvert 8. sekund for at kontrollere, om der er forbindelse til jord på opladningsporten. Hvis ladekablet er tilsluttet, starter blæseren, og opladningsprocessen starter.

Når kondensatorbanken kommer tættere og tættere på fuld opladning, øges PWM -signalet, der styrer mosfeten, lineært til 100% ON ved 4,5V. Når målspændingen er nået, slukkes PWM -signalet (4,5V). Vent derefter til den definerede nedre grænse er nået for at starte opladningen igen (4,3V).

Fordi dioderne sænker opladningsspændingen fra 5,2V til ~ 4,6V, kunne jeg teoretisk lade laderen køre 24/7 med spændingen begrænset til omkring 4,6-4,7V. Opladningstidspunktet til afladning, når den er ved eller tæt på fuld, er cirka 1 minuts opladning og 5 minutter afladning.

Når ladekablet er afbrudt, går ATTiny i dvale igen.

Mosfeterne er fra Ebay. De kan drives af et 5V PWM -signal og kan håndtere op til 5A hver. Dette er på den positive linje ved hjælp af tre 10A schottky-dioder for at forhindre tilbageløb til vægopladeren. Dobbelttjek dioderetningen, FØR du slutter til vægopladeren. Hvis den er orienteret forkert for at lade strømmen strømme fra kondensatorerne til vægopladeren, bliver opladeren meget varm og sandsynligvis smelter, når den tilsluttes den bærbare computer.

5V blæseren drives af vægopladeren og køler de andre komponenter, da de bliver meget varme under halvvejs opladning.

Opladning ved hjælp af en 5.2V 8A oplader tager kun et par minutter, hvor som en 5V 2A oplader tager over en time.

PWM -signalet til mosfet tillader kun 6% af strømmen ved 1,5V eller mindre klatring lineært til 100% ved fuld opladning på 4,5V. Dette skyldes, at kondensatorer fungerer som en død kort ved lavere spændinger, men bliver eksponentielt sværere at oplade, jo tættere du kommer på udligning.

20W solpanelet driver et lille 5,6V 3,5A USB oplader kredsløb. Dette føder direkte gennem en 10A diode til kondensatorbanken. 2.5V-regulatorerne forhindrer kondensatorerne i at blive overopladet. Det er bedst at lade systemet ikke stå i solen i længere tid, da regulatorer og opladerkredsløb kan blive ret varme.

Se vedhæftede Arduino Sketch, et andet dårligt tegnet kredsløbsdiagram og. STL -filer til 3D -printede dele.

For at forklare, hvordan kredsløbet er forbundet, har ladestyringen en linje til at teste for indgangsspænding fra opladeren og en linje til pwm -benene på mosfet -modulerne.

Mosfet -modulerne er jordet til kondensatorbankens negative side.

Dette kredsløb slukker ikke, uden at blæseren er tilsluttet fra den negative side af kondensatorerne til den høje side af opladerindgangen. Fordi den høje side er bag dioderne og mosfeterne, spildes meget lidt strøm, da modstanden er over 40k modstand. Ventilatoren trækker den høje side lavt, mens opladeren ikke er tilsluttet, men tager ikke nok af strømmen til at bringe den lav, mens opladeren er tilsluttet.

Trin 4: Kondensatorbank + Yderligere 3D -print bruges

De anvendte kondensatorer er 6x 2.5V @ 2300F superkapacitorer. De er blevet arrangeret i 2 sæt i serie af 3 parallelt. Dette kommer til en bank på 5V @ 3450F. Hvis AL energi kunne trækkes fra kondensatorerne, kan de levere ~ 11Wh strøm eller et 3,7V 2,5Ah Li-ion batteri.

Link til datablad:

De ligninger, jeg brugte til at beregne kapacitansen og efterfølgende de tilgængelige watt -timer:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2,5V 6900F+2,5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Brug 4,5V til 1,9V af tilgængeligt potentiale ved 3450F kondensatorer ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joules Total ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekunder = Wattimer28704 / 3600 = 7,97 Wh (teoretisk maksimal tilgængelig effekt)

Denne bank er meget stor. 5 cm høj x 36 cm lang x 16 cm bred. Det er ret tungt, når jeg inkluderer aluminiumsrammen, jeg brugte … Omkring 5 kg eller 11 kg, inklusive kufferten og alle andre eksterne enheder.

Jeg tilsluttede kondensatorterminalerne ved hjælp af 50A terminalstik loddet sammen med 12 gauge kobbertråd. Dette undgår en modstandsdygtig flaskehals ved terminalerne.

Ved hjælp af en aluminium T-bar ramme er den bærbare computer utrolig robust (dog også MEGET tung). Alle komponenter holdes på plads ved hjælp af denne ramme. Optager minimal plads inden for den bærbare computer uden at skulle bore huller overalt i etuiet.

Mange 3D -trykte stykker blev brugt i dette projekt:

• Kondensatorbankindehavere fulde
• Kondensator bank holder armbånd
• Kondensatorholdere nederst
• Adskiller mellem positive og negative kondensatorterminaler
• Raspberry Pi holder plade
• Topdæksler til omkring tastatur og kondensatorer (kun til æstetik)
• AMOLED skærmholder og cover
• AMOLED controller board holder
• HDMI- og USB -kabelguider til displaycontroller fra Pi
• Knap og LED -plade -topadgang til strømstyring
• andre tilføjes, når jeg udskriver dem

Trin 5: Konklusion

Så da dette bare var et hobbyprojekt, tror jeg, at det beviste, at superkapacitorer kan bruges til at drive en bærbar computer, men sandsynligvis ikke burde være af størrelsesbegrænsninger. Effektdensiteten for de kondensatorer, der bruges i dette projekt, er mere end 20x mindre tæt end Li-ion-batterier. Vægten er også absurd.

Når det er sagt, kan dette have andre anvendelser end en konventionel bærbar computer. For eksempel bruger jeg denne bærbare computer mest fra solopladning. Det kan bruges ude i skoven uden at bekymre dig for meget om opladning og afladning af 'batteriet' gentagne gange, flere gange om dagen. Jeg har lidt ændret systemet siden den første konstruktion for at inkorporere en 5v 4A stikkontakt på den ene side af sagen for at tænde belysning og oplade telefoner, når man tjekker sensorer i skoven. Vægten er dog stadig en skulderdræber …

Fordi opladningscyklussen er så hurtig, skal du aldrig bekymre dig om at løbe tør for strøm. Jeg kan tilslutte det i 20 minutter (eller mindre afhængigt af det aktuelle niveau) hvor som helst og være god til at gå i over en times intensiv brug.

En ulempe ved dette design er, at det ser meget mistænkeligt ud for en forbipasserende … Jeg ville ikke tage dette med offentlig transport. Brug det i hvert fald ikke i nærheden af en skare. Jeg har fået at vide af et par venner, at jeg skulle have fået det til at se lidt mindre 'truende' ud.

Men alt i alt havde jeg det sjovt med at bygge dette projekt, og har lært en del om, hvordan man anvender superkapacitorteknologi til andre projekter i fremtiden. Montering af alt i kufferten var også et 3D -puslespil, der ikke var overdrevent frustrerende, endda en ganske interessant udfordring.

Hvis du har spørgsmål, så lad mig det vide!