Ноутбук Raspberry Pi с питанием от суперконденсатора: 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

В зависимости от общего интереса к этому проекту, я могу добавить больше шагов и т. Д., Если это поможет упростить любые запутанные компоненты.

Меня всегда заинтриговали новые технологии конденсаторов, появляющиеся на протяжении многих лет, и я подумал, что было бы забавно попробовать реализовать их в качестве батарей для развлечения. При работе над этим я столкнулся с множеством причудливых проблем, поскольку они не предназначены для этого приложения, но я хотел поделиться тем, что я обнаружил и протестировал.

Это больше подчеркивает трудности зарядки и получения энергии от батареи суперконденсаторов в мобильном приложении (хотя, несмотря на то, насколько он тяжелый, это не так уж и много…).

Без отличных руководств, представленных ниже, это не удалось бы:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - подробная информация о суперконденсаторах
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Учебное пособие по созданию схемы зарядки и разрядки
• Я попытаюсь выкопать больше из того, что использовал, если смогу найти / запомнить их.

• Если у вас есть какие-либо уроки, которые, по вашему мнению, актуальны, дайте мне знать, и я могу добавить их сюда.

Основные причины, по которым я хотел попробовать это:

• Полная зарядка за СЕКУНДЫ (высокая сила тока ограничивает эту систему минутами… безопасно).
• Сотни тысяч циклов зарядки без ухудшения работы (более миллиона при правильных условиях).
• Это очень нишевая технология, которая, возможно, может найти свое место в основной индустрии аккумуляторных батарей.
• Окружающие условия эксплуатации. Температуры используемых здесь конденсаторов от + 60C до -60C.
• Эффективность зарядки> 95% (батареи в среднем <85%)
• Мне они интересны?

А теперь самое необходимое предупреждение при работе с электричеством … Несмотря на то, что при работе с низким напряжением ~ 5 В вероятность получения травмы очень мала, невероятная сила тока, которую могут выдавать суперконденсаторы, вызовет ожоги и мгновенно поджарит компоненты. В первой статье упоминалось обеспечивает отличное объяснение и безопасные шаги. В отличие от батарей, полное закорачивание клемм не приводит к взрыву (хотя это может сократить срок службы суперконденсатора в зависимости от калибра провода). Реальные проблемы могут возникнуть при перенапряжении (зарядка выше отмеченного максимального напряжения), когда суперконденсаторы будут выдыхаться, `` лопнуть '' и сгореть в дымном беспорядке. В крайних случаях уплотнение может выскакивать довольно громко.

В качестве примера того, сколько энергии может быть высвобождено, я протянул медный провод 16 калибра через полностью заряженную батарею при 5 В (случайно, конечно) и был слегка ослеплен проводом, взорвавшимся бело-зеленой вспышкой во время горения. Менее чем за секунду этот 5-сантиметровый кусок провода ОТЕЧАЛСЯ. Сотни ампер проходят по этому проводу менее чем за секунду.

Я остановился на ноутбуке в качестве платформы, так как у меня лежал Raspberry Pi, алюминиевый чемодан, клавиатура киоска и 3D-принтер для прототипа. Первоначально идея заключалась в том, чтобы сконструировать этот ноутбук так, чтобы он мог работать 10-20 минут с минимальными усилиями. С помещением, которое у меня было в чемодане, было слишком заманчиво попытаться извлечь из этого проекта больше, втиснув больше суперконденсаторов.

В настоящее время количество полезной энергии ниже, чем у ОДНОЙ литий-ионной батареи 3,7 В 2 Ач. Только примерно 7 Втч мощности. Не удивительно, но при времени зарядки менее 15 минут из разряда, по крайней мере, это интересно.

К сожалению, с помощью этой системы может быть извлечено только около 75% накопленной мощности в конденсаторах… Определенно можно было бы реализовать гораздо более эффективную систему, которая потребляла бы мощность при более низких напряжениях около 1 В или меньше. Я просто не хотел тратить больше денег на это, а также, что при 2 В в конденсаторах остается только около 2 Вт-ч доступной мощности из общего количества 11 Вт-ч.

Используя маломощный преобразователь 0,7-5 В в 5 В (эффективность ~ 75-85%), я смог зарядить аккумулятор своего мобильного телефона 11 Вт-ч с 3% до 65% с помощью конденсаторной батареи (хотя телефоны крайне неэффективны при зарядке, где 60-80%). % входной мощности фактически сохраняется).

Что касается деталей, используемых в этом проекте, вероятно, есть детали получше, чем те, которые были у меня под рукой. Но вот они:

• 6 суперконденсаторов (2,5 В, 2300 Фарад - от системы рекуперативного торможения автомобиля. Можно найти на Ebay и т. Д.)
• 1x Raspberry Pi 3
• Дисплей с питанием от 1x 5 В (я использую 5,5-дюймовый AMOLED-дисплей с платой контроллера HDMI)
• 2x микроконтроллера ATTiny85 (включу программирование)
• 2 преобразователя DC-DC 0,7-5 В в постоянный 5 В 500 мА
• 4 преобразователя DC-DC с 1,9 В-5 В в постоянный 5 В 1 А
• 1x чемодан
• 3 МОП-транзистора с ШИМ 6 А
• 2x 10A диода Шоттки
• 10x алюминиевая рама с Т-образным пазом (с шарнирами и т. Д., В зависимости от того, что вы хотите использовать для удержания вещей на месте)
• киоск клавиатура
• Солнечная панель 20 Вт 5 В
• Кабели USB - Micro USB
• Кабель HDMI
• Ассортимент основных электрических компонентов и макетов плат.
• много деталей, напечатанных на 3D-принтере (я буду включать файлы.stl)

Эти детали можно легко заменить на более подходящие / эффективные детали, но это то, что у меня было под рукой. Кроме того, ограничения размеров изменятся в зависимости от того, какие компоненты будут выбраны.

Если у вас есть отзывы о дизайне, не стесняйтесь оставлять комментарии!

Шаг 1: Характеристики мощности

Чтобы дать представление о том, чего ожидать с точки зрения мощности при использовании конденсаторов для чего-то, для чего они определенно не предназначены:

Когда напряжение конденсаторной батареи падает слишком низко (1,9 В), ATTinys запрограммированы так, чтобы не включать какие-либо компоненты системы. Это сделано для того, чтобы компоненты не потребляли энергию, если они не могут стабильно работать при более низких напряжениях.

Эта система работает с использованием преобразователей DC-DC при уровнях напряжения от 4,5 В до 1,9 В от конденсаторной батареи.

Входное напряжение зарядки может быть от 5 В до 5,5 В (не выше 5 А при 5,5 В). Адаптеры на 5 В 10 А или выше повредят МОП-транзистор и сожгут его при половинной скорости зарядки ШИМ.

С зарядными характеристиками конденсаторов, логарифмическая / экспоненциальная скорость зарядки была бы наилучшей, так как по мере приближения к полной зарядке становится все труднее подтолкнуть мощность … но я никогда не мог заставить математическую функцию работать с переменными плавающего типа на ATTiny по какой-то причине. Есть кое-что, на что я могу взглянуть позже …

При полной вычислительной мощности приблизительное время работы составляет 1 час. На холостом ходу 2 часа.

Использование трансивера LowRa сокращает срок службы еще на ~ 15%. Использование внешней лазерной мыши сокращает срок службы еще на ~ 10%.

Меньшее напряжение конденсаторной батареи = меньший КПД при преобразовании в 5 В для силовых компонентов. Около 75% при заряде конденсатора 2 В, когда большая часть энергии теряется в преобразователях в виде тепла.

Пока ноутбук подключен к сети, он может работать бесконечно при использовании адаптера 5,3 В на 8 А. При использовании адаптера на 2 А система требует полной зарядки перед включением для неограниченного использования. Скорость зарядки ATTiny PWM составляет всего 6,2% от потребляемой мощности, когда батарея конденсаторов составляет 1,5 В или менее, линейно возрастая до 100% скорости зарядки при полной зарядке.

Зарядка этой системы занимает больше времени при использовании адаптера с меньшей силой тока. Время заряда от 2 В до 4,5 В при отсутствии заряда конденсаторной батареи:

• Адаптер 5,2 В 8 А составляет 10-20 минут (обычно около 13 минут).
• Адаптер 5.1V 2A - 1-2 часа. Поскольку диоды понижают напряжение примерно на 0,6 В, некоторые адаптеры при ровно 5 В никогда не смогут полностью зарядить эту систему. Это нормально, так как адаптер не пострадает.
• Солнечная панель мощностью 20 Вт при полном солнечном свете составляет 0,5-2 часа. (много отклонений во время тестирования).

Существует неотъемлемая проблема использования конденсаторов, когда они не удерживают свой заряд очень долго, чем ближе вы находитесь к максимальному напряжению.

В течение первых 24 часов конденсаторная батарея самостоятельно разряжается в среднем с 4,5 до 4,3 В. Затем в течение следующих 72 часов будет медленно падать до довольно постоянного значения 4,1 В. ATTinys в сочетании с небольшим саморазрядом будут снижать напряжение на 0,05-0,1 В в день после первых 96 часов (экспоненциально медленнее, когда напряжение падает ближе к нулю). При 1,5 В и ниже напряжение конденсаторной батареи падает примерно на 0,001–0,01 В в день в зависимости от температуры.

С учетом всего этого, консервативным приближением будет разряд до 0,7 В за ~ 100 дней. Я оставил это сиденье на 30 дней, и все еще осталось чуть более 3,5 В.

Эта система может работать неограниченно долго под прямыми солнечными лучами.

* * * ВНИМАНИЕ: * * Критическое напряжение этой системы составляет 0,7 В, при этом преобразователи постоянного тока в постоянный, питающие ATTinys, выйдут из строя. К счастью, МОП-транзистор, контролирующий скорость заряда, будет увеличивать себя на ~ 2%, когда питание подключено с этим напряжением или ниже, что обеспечивает медленную зарядку. Я до сих пор не понял, ПОЧЕМУ это происходит, но это счастливый бонус.

Мне пришлось полностью зарядить и разрядить батарею конденсаторов ~ 15 раз, прежде чем они химически сбалансируются и удержат приличный заряд. Когда я впервые подключил их, я был крайне разочарован количеством накопленного заряда, но он становится намного лучше за первые 15 полных циклов зарядки.

Шаг 2: контроллер мощности Pi

Чтобы включать и выключать Pi, мне пришлось реализовать контроллер питания с 4 преобразователями постоянного тока в постоянный и МОП-транзистор.

К сожалению, Pi потребляет около 100 мА даже в выключенном состоянии, поэтому мне пришлось добавить МОП-транзистор, чтобы полностью отключить его. При включенном контроллере питания при полной зарядке тратится только ~ 2 мА (~ 0,5 мА при низком заряде).

По сути, контроллер делает следующее:

1. Регулирует уровень напряжения ниже 2,5 В на конденсаторах, чтобы избежать перенапряжения во время зарядки.
2. Четыре DC-DC (1 А макс. Каждый, 4 А общий) потребляют напрямую от конденсаторов от 4,5 В до 1,9 В для постоянного 5,1 В.
3. Одним нажатием кнопки MOSFET позволяет подавать питание на Pi. Другой пресс отключает электричество.
4. ATTiny следит за уровнем напряжения конденсаторной батареи. Если слишком низкий, МОП-транзистор не может быть включен.

Серебряная кнопка при нажатии показывает оставшуюся в конденсаторной батарее мощность. 10 миганий при 4,5 В и 1 при 2,2 В. Солнечная панель может заряжаться до 5 В и на этом уровне мигает 12 раз.

Напряжение конденсатора регулируется зелеными дисковыми регуляторами 2,5 В, которые сбрасывают избыточную мощность. Это важно, потому что солнечная панель пассивно заряжает конденсаторы через диод на 10 А напрямую до 5,2 В, что приводит к их избыточному заряду.

Преобразователи постоянного тока в постоянный могут обеспечивать ток до 1 А каждый и имеют регулируемое постоянное выходное напряжение. С помощью синего потенциометра вверху можно установить любой уровень напряжения, который вам нужен. Я установил их на 5,2 В, каждый из которых падает примерно на 0,1 В. Один из них будет иметь немного более высокое выходное напряжение, чем другие, и будет умеренно горячим, но другие будут обрабатывать скачки мощности от Pi. Все 4 преобразователя могут выдерживать скачки мощности до 4 А при полном заряде конденсатора или 2 А при низком заряде.

Преобразователи потребляют ток покоя ~ 2 мА при полной зарядке.

Прилагаю скетч Arduino, который я использую, чтобы сделать это с помощью ATTiny (добавлено множество примечаний). Кнопка прикреплена к прерыванию, чтобы вывести ATTiny из спящего режима и включить Pi. Если мощность слишком низкая, светодиодный индикатор питания мигнет 3 раза, и ATTiny снова перейдет в спящий режим.

Если кнопку нажать второй раз, питание Pi отключается, и ATTiny возвращается в спящий режим до следующего нажатия кнопки. В спящем режиме используется несколько сотен наноампер. ATTiny питается от преобразователя постоянного тока на 500 мА, который может обеспечивать постоянное напряжение 5 В при размахе напряжения 5–0,7 В.

Корпус питания был разработан на TinkerCAD (как и все другие 3D-принты) и напечатан.

Для схемы см. Грубо нарисованную схему.

Шаг 3: система зарядки

Контроллер заряда состоит из трех частей:

1. Схема контроллера, управляемая ATTiny
2. МОП-транзисторы и диоды (и вентилятор для охлаждения)
3. Я использую настенное зарядное устройство 5,2 В, 8 А для питания ноутбука

Схема контроллера выходит из спящего режима каждые 8 секунд, чтобы проверить заземление порта зарядки. Если зарядный кабель подключен, вентилятор запускается и начинается процесс зарядки.

По мере того, как конденсаторная батарея приближается к полной зарядке, сигнал ШИМ, управляющий МОП-транзистором, линейно увеличивается до 100% ВКЛ при 4,5 В. После достижения целевого напряжения сигнал ШИМ отключается (4,5 В). Затем подождите, пока не будет достигнут определенный нижний предел, чтобы снова начать зарядку (4,3 В).

Поскольку диоды понижают зарядное напряжение с 5,2 В до ~ 4,6 В, теоретически я мог бы оставить зарядное устройство работающим круглосуточно, 7 дней в неделю с максимальным напряжением около 4,6-4,7 В. Время от зарядки до разрядки при полном или близком к нему состоянии составляет менее 1 минуты зарядки и 5 минут разрядки.

При отключении зарядного кабеля ATTiny снова засыпает.

МОП-транзисторы от Ebay. Они могут управляться ШИМ-сигналом 5 В и выдерживать ток до 5 А. Он находится на положительной линии с использованием трех диодов Шоттки на 10 А для предотвращения обратного тока к сетевому зарядному устройству. Дважды проверьте ориентацию диода ПЕРЕД подключением к настенному зарядному устройству. При неправильной ориентации, позволяющей току от конденсаторов к настенному зарядному устройству, зарядное устройство сильно нагревается и, вероятно, расплавляется при подключении к ноутбуку.

Вентилятор 5 В приводится в действие зарядным устройством и охлаждает другие компоненты, поскольку они сильно нагреваются до уровня ниже половины заряда.

Зарядка с помощью зарядного устройства 5,2 В 8 А занимает всего несколько минут, тогда как зарядка с помощью зарядного устройства 5 В 2 А занимает более часа.

Сигнал ШИМ, поступающий на МОП-транзистор, пропускает только 6% мощности при 1,5 В или менее, линейно увеличиваясь до 100% при полной зарядке 4,5 В. Это связано с тем, что конденсаторы действуют как полное короткое замыкание при более низких напряжениях, но по мере приближения к выравниванию их становится экспоненциально сложнее заряжать.

Солнечная панель мощностью 20 Вт управляет небольшой схемой зарядного устройства USB 5,6 В, 3,5 А. Он подается напрямую через диод на 10 А в конденсаторную батарею. Стабилизаторы на 2,5 В предохраняют конденсаторы от чрезмерного заряда. Лучше не оставлять систему на солнце на продолжительное время, так как регуляторы и схема зарядного устройства могут сильно нагреваться.

См. Прилагаемый Arduino Sketch, еще одну плохо нарисованную принципиальную схему и файлы. STL для деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Чтобы объяснить, как схема соединена вместе, у контроллера заряда есть одна линия для проверки входного напряжения от зарядного устройства и одна линия к контактам PWM на модулях mosfet.

Модули MOSFET заземлены на отрицательную сторону конденсаторной батареи.

Эта схема не выключится, если вентилятор не будет подключен от отрицательной стороны конденсаторов к высокой стороне входа зарядного устройства. Поскольку сторона высокого напряжения находится за диодами и МОП-транзисторами, будет потрачено очень мало энергии, поскольку сопротивление превышает 40 кОм. Вентилятор понижает уровень высокого напряжения, когда зарядное устройство не подключено, но не потребляет достаточного количества тока для его понижения, когда зарядное устройство подключено к розетке.

Шаг 4: конденсаторная батарея + дополнительные 3D-отпечатки

Используемые конденсаторы - 6 суперконденсаторов по 2,5 В @ 2300F. Они были расположены в 2 наборах последовательно по 3 параллельно. Речь идет о банке 5V @ 3450F. Если ВСЯ энергия может быть снята с конденсаторов, они могут обеспечить мощность ~ 11 Втч или литий-ионную батарею 3,7 В 2,5 Ач.

Ссылка на техническое описание:

Уравнения, которые я использовал для расчета емкости, а затем и доступных ватт-часов:

(C1 * C2) / (C1 + C2) = Cобщ. 2,5 В 6900F + 2,5 В 6900F (6900 * 6900) / (6900 + 6900) = 3450F при 5 В При использовании от 4,5 В до 1,9 В доступного потенциала при конденсаторах 3450 Ф ((C * (Vmax ^ 2)) / 2) - ((C * (Vmin ^ 2)) / 2) = Всего джоулей ((3450 * (4.5 ^ 2)) / 2) - ((3450 * (1.9 ^ 2)) / 2) = 28704Дж / 3600 секунд = Ватт-часов 28704/3600 = 7,97 Вт · ч (теоретическая максимальная доступная мощность)

Этот банк очень большой. на 5 см в высоту, 36 см в длину и 16 см в ширину. Он довольно тяжелый, включая алюминиевую раму, которую я использовал… Около 5 кг или 11 фунтов, не считая чемодана и всех других периферийных устройств.

Я подключил клеммы конденсатора с помощью клеммных соединителей на 50 А, припаянных вместе медным проводом 12 калибра. Это позволяет избежать появления узких мест на терминалах.

Благодаря алюминиевой Т-образной рамке ноутбук невероятно прочен (хотя и ОЧЕНЬ тяжел). Все компоненты удерживаются на месте с помощью этой рамы. Занимает минимум места внутри ноутбука без необходимости сверлить отверстия повсюду в корпусе.

В этом проекте было использовано много 3D-печатных изделий:

• Держатели конденсаторных батарей заполнены
• Наручи держателя батареи конденсаторов
• Дно держателей конденсаторов
• Разделитель между положительной и отрицательной клеммами конденсатора
• Держатель для Raspberry Pi
• Верхние крышки вокруг клавиатуры и конденсаторов (только для эстетики)
• Держатель экрана AMOLED и крышка
• Держатель платы контроллера AMOLED
• Направляющие кабеля HDMI и USB к контроллеру дисплея от Pi
• Доступ к кнопке и светодиодной панели сверху для управления питанием
• другие будут добавляться по мере того, как я их распечатаю

Шаг 5: Заключение

Так как это был просто хобби-проект, я считаю, что он доказал, что суперконденсаторы можно использовать для питания ноутбука, но, вероятно, не следует из-за ограничений по размеру. Плотность мощности конденсаторов, используемых в этом проекте, более чем в 20 раз меньше, чем у литий-ионных батарей. К тому же вес абсурден.

При этом его можно использовать иначе, чем у обычного ноутбука. Например, я использую этот ноутбук в основном от солнечной зарядки. Его можно использовать в лесу, не беспокоясь о многократной подзарядке и разрядке «аккумулятора», несколько раз в день. Я немного изменил систему с момента первоначальной сборки, чтобы включить розетку 5 В 4 А на одной стороне корпуса для питания освещения и зарядки телефонов при проверке датчиков в лесу. Хотя вес по-прежнему убивает плечи …

Поскольку цикл зарядки очень быстрый, вам не нужно беспокоиться о разрядке. Я могу подключить его на 20 минут (или меньше, в зависимости от текущего уровня) в любом месте и выдержать более часа интенсивного использования.

Один из недостатков этого дизайна - он выглядит очень подозрительно для прохожего… Я бы не стал брать его в общественном транспорте. По крайней мере, не используйте его рядом с толпой. Несколько друзей сказали мне, что мне следовало сделать так, чтобы это выглядело немного менее «угрожающим».

Но в целом, я получил удовольствие от создания этого проекта и довольно много узнал о том, как применять технологию суперконденсаторов в других проектах в будущем. Кроме того, уместить все в чемодане было трехмерной головоломкой, которая не была слишком утомительной, даже довольно интересной задачей.

Если у вас есть какие-либо вопросы, дайте мне знать!