Super kondensator drevet Raspberry Pi bærbar datamaskin: 5 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Avhengig av generell interesse for dette prosjektet, kan jeg legge til flere trinn osv. Hvis det hjelper med å forenkle forvirrende komponenter.

Jeg har alltid vært fascinert av den nyere kondensatorteknologien som dukket opp gjennom årene og tenkte at det ville være morsomt å prøve å implementere dem som et slags batteri for moro skyld. Det var mange sære problemer jeg kom over å jobbe med dette, ettersom de ikke er designet med tanke på denne applikasjonen, men ønsket å dele det jeg har funnet ut og testet.

Dette er mer for å markere vanskeligheter med å lade og trekke strøm fra en bank med superkondensatorer i en mobilapplikasjon (men med hvor tung den er, er den ikke så mobil …).

Uten de flotte opplæringsprogrammene nedenfor hadde ikke dette blitt til virkelighet:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Utdypende informasjon om superkapasitorer
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Opplæring i å bygge en lade- og utladningskrets
• Jeg vil prøve å grave opp mer som jeg brukte hvis jeg kan finne/huske dem.

• Hvis du har noen opplæringsprogrammer du synes er relevante, gi meg beskjed så jeg kan kaste den inn her.

Hovedårsakene til at jeg ønsket å prøve dette er:

• Lades for fullt innen SECONDS (involvert høy strømstyrke begrenser dette systemet til minutter … trygt).
• Hundretusener av ladningssykluser uten forringelse (over en million under de riktige forholdene).
• En veldig nisje -teknologi som muligens kan finne veien til den vanlige batteribransjen.
• Miljøbetingelser. Temperaturer på +60C til -60C for kondensatorene som brukes her.
• Ladeeffektiviteten er> 95% (batteriene er i gjennomsnitt <85%)
• Synes jeg de er interessante?

Nå for den alltid nødvendige advarselen når du arbeider med elektrisitet … Selv om det er svært liten sjanse for skade ved lave spenninger på ~ 5V, vil den utrolige mengden ampere som superkondensatorer kan levere føre til brannskader og steke komponenter umiddelbart. Den første artikkelen nevnte gir en utmerket forklaring og trygge trinn. I motsetning til batterier risikerer ikke eksplosjon å fullføre kortslutning av terminalene (selv om det kan forkorte superkondensatorens levetid avhengig av trådmåleren). Virkelige problemer kan oppstå når overspenning (lading forbi den merkede maksimale spenningen) hvor superkondensatorene vil fizzle, 'pop' og dø i et røykfylt rot. Ekstreme tilfeller kan være der selen dukker opp ganske høyt.

Som et eksempel på hvor mye strøm som kan slippes, droppet jeg en 16 gauge kobbertråd over den fulladede banken ved 5V (ved et uhell selvfølgelig) og ble litt blind av at ledningen eksploderte i en hvit og grønn blits da den brant. På under et sekund var det 5 cm stykke ledning borte. Hundrevis av forsterkere som reiser over den ledningen på mindre enn et sekund.

Jeg slo meg ned på en bærbar datamaskin som en plattform da jeg hadde en Raspberry Pi liggende, en koffert i aluminium, et kiosktastatur og en 3D -skriver å prototype på. Opprinnelig var tanken å bygge denne bærbare datamaskinen bare slik at den kunne kjøre i 10-20 minutter med minimal innsats. Med rommet jeg hadde ekstra i kofferten, var det for fristende å prøve å presse mer ut av dette prosjektet ved å stappe inn flere superkondensatorer.

For øyeblikket er mengden brukbar effekt under et ENKELT 3,7V 2Ah litiumionbatteri. Bare omtrent 7Wh strøm. Ikke overraskende, men med en ladetid på mindre enn 15 minutter fra tomt, er det i det minste interessant.

Dessverre kan bare omtrent 75% lagret effekt i kondensatorene trekkes ut med dette systemet … Et mye mer effektivt system kan definitivt implementeres for å trekke strøm ved lavere spenninger rundt 1V eller mindre. Jeg ville bare ikke bruke mer penger på dette, i tillegg til at under 2V i kondensatorene bare gir ca 2Wh strøm tilgjengelig av totalt 11Wh totalt.

Ved å bruke en lav effekt 0,7-5V til 5V omformer (~ 75-85% effektivitet) klarte jeg å lade 11Wh-mobiltelefonbatteriet mitt fra 3% til 65% ved hjelp av kondensatorbanken (selv om telefoner er ekstremt ineffektive ved lading, der 60-80 % av inngangseffekten er faktisk lagret).

For deler som brukes i dette prosjektet, er det sannsynligvis bedre deler å bruke enn jeg hadde for hånden. Men her er de:

• 6x superkondensatorer (2,5V, 2300 Farad - fra et bilregenerativt bremsesystem. Finnes på Ebay, etc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V drevet skjerm (jeg bruker en 5,5 "AMOLED -skjerm med HDMI -kontrollerkort)
• 2x ATTiny85 mikrokontroller (jeg vil inkludere programmeringen)
• 2x 0,7V-5V til konstant 5V 500mA DC-DC-omformere
• 4x 1.9V-5V til konstante 5V 1A DC-DC-omformere
• 1x koffert
• 3x 6A PWM -kompatible mosfeter
• 2x 10A Schottky -dioder
• 10x T-sporramme i aluminium (med ledd etc. avhenger av hva du vil bruke for å holde ting på plass)
• kiosk -tastatur
• 20W 5V solcellepanel
• USB til mikro USB kabler
• HDMI -kabel
• Sortiment av grunnleggende elektriske komponenter og prototyper.
• mange 3D -trykte deler (jeg vil inkludere.stl -filene)

Disse delene kan enkelt byttes ut for mer passende/effektive deler, men dette var det jeg hadde for hånden. Dimensjonsbegrensninger vil også endre seg med hvilke komponenter som velges.

Hvis du har tilbakemelding på designet, ikke nøl med å legge igjen en kommentar!

Trinn 1: Kraftegenskaper

For å gi en ide om hva du kan forvente når du bruker kondensatorer til noe de definitivt ikke var designet for:

Når kondensatorbankens spenning faller for lavt (1,9V), er ATTinys programmert til å ikke slå på noen systemkomponenter. Dette er bare for å sikre at komponentene ikke trekker strøm når de ikke kan kjøre konsekvent ved lavere spenninger.

Dette systemet kjører ved bruk av DC-DC-omformere ved spenningsnivåer på 4,5V til 1,9V fra kondensatorbanken.

Inngangsspenning kan være fra 5V til 5,5V (ikke høyere enn 5A ved 5,5V). Adaptere på 5V 10A eller høyere vil skade mosfeten og brenne den ut med en halv PWM ladehastighet.

Med ladeegenskapene til kondensatorene ville en logaritmisk/eksponentiell ladningshastighet være best, ettersom det blir vanskeligere å presse kraften nærmere du kommer til full ladning … men jeg kunne aldri få matematikkfunksjonen til å fungere med variabler med flytende type på ATTiny av en eller annen grunn. Noe for meg å se på senere …

Ved full prosessorkraft er omtrentlig kjøretid 1 time. På tomgang, 2 timer.

Ved bruk av LowRa -mottaker reduseres livet med ytterligere ~ 15%. Bruk av ekstern lasermus kutter livet med ytterligere ~ 10%.

Lavere kondensatorspenning = mindre effektivitet ved å konvertere til 5V til strømkomponenter. Omtrent 75% ved 2V kondensatorlading, der mye strøm går tapt som varme i omformerne.

Mens den er tilkoblet, kan den bærbare datamaskinen kjøre på ubestemt tid med en 5.3V 8A adapter. Ved bruk av en 2A -adapter krever systemet full lading før den slås på for ubegrenset bruk. ATTiny PWM ladehastighet er bare 6,2% av strøminngangen når kondensatorbanken er 1,5V eller mindre, og klatrer lineært til 100% ladehastighet ved full lading.

Dette systemet tar lengre tid å lade med en lavere strømstyrkeadapter. Ladetid fra 2V til 4,5V uten at noe går fra kondensatorbanken:

• 5.2V 8A adapter er 10-20 minutter (vanligvis rundt 13 minutter).
• 5.1V 2A adapter er 1-2 timer. Fordi dioder senker spenningen med omtrent 0,6V, vil noen adaptere på nøyaktig 5V aldri fullstendig lade dette systemet. Dette er imidlertid ok, da adapteren ikke vil bli negativt påvirket.
• 20W solcellepanel i fullt sollys er 0,5-2 timer. (mye variasjon under testing).

Det er det iboende problemet med å bruke kondensatorer der de ikke holder ladningen veldig lenge jo nærmere du er maks spenning.

I løpet av de første 24 timene tapper kondensatorbanken seg selv fra 4,5V til 4,3V i gjennomsnitt. Da vil de neste 72 timene sakte falle til en ganske konstant 4,1V. ATTinys kombinert med en liten selvutladning vil redusere spenningen med 0,05-0,1V per dag etter de første 96 timene (eksponensielt langsommere ettersom spenningen synker nærmere null). Ved 1,5V og lavere faller kondensatorbankens spenning på rundt 0,001-0,01V per dag, avhengig av temperaturen.

Med alt dette tatt i betraktning, vil en konservativ tilnærming være en utladning til 0,7V på ~ 100 dager. Jeg forlot denne sittende i 30 dager og var fortsatt igjen med litt over 3,5V.

Dette systemet kan kjøre på ubestemt tid i direkte sollys.

* * * MERK: * * Kritisk spenning for dette systemet er 0,7V der DC-DC-omformerne som driver ATTinys vil mislykkes. Heldigvis vil mosfet -kontrollerende ladningshastighet trekke seg ~ 2% høyt når strøm er tilkoblet med denne spenningen eller lavere, noe som tillater langsom lading. Jeg har fortsatt ikke funnet ut HVORFOR dette skjer, men det er en heldig bonus.

Jeg måtte fullstendig lade og tømme kondensatorbanken ~ 15 ganger før de balanserte kjemisk og holdt en anstendig ladning. Da jeg først koblet dem til, var jeg ekstremt frustrert over mengden lagret ladning, men det blir mye bedre i løpet av de første 15 fulle ladesyklusene.

Trinn 2: Pi Power Controller

For å slå Pi på og av måtte jeg implementere en strømkontroll med 4 DC-DC-omformere og en mosfet.

Dessverre trekker Pi omtrent 100mA selv når den er slått av, så jeg måtte legge til mosfet for å kutte strømmen helt. Med strømkontrollen i spill er bare ~ 2mA bortkastet ved full lading (~ 0,5mA ved lav ladning).

I hovedsak gjør kontrolleren følgende:

1. Regulerer spenningsnivået under 2,5V i kondensatorene for å unngå overspenning under lading.
2. Fire DC-DC (1A maks hver, 4A totalt) trekker direkte fra kondensatorene fra 4,5V til 1,9V for en konstant 5,1V.
3. Ved å trykke på en knapp lar mosfeten strømmen strømme til Pi. En annen presse kutter strømmen.
4. ATTiny ser på spenningsnivået til kondensatorbanken. Hvis den er for lav, kan ikke mosfeten slås på.

Sølvknappen, når den er inne, indikerer strømmen som er igjen i kondensatorbanken. 10 blinker ved 4,5V og 1 ved 2,2V. Solcellepanelet kan lade opp til full 5V og blinker 12 ganger på det nivået.

Kondensatorspenningen reguleres med de grønne 2,5V -regulatorene som tømmer overskytende effekt. Dette er viktig fordi solcellepanelet lader kondensatorene passivt gjennom en 10A-diode direkte opp til 5,2V, noe som vil overlade dem.

DC-DC-omformerne kan levere opptil 1A hver og har variabel konstant spenningsutgang. Ved å bruke det blå potensiometeret på toppen, kan spenningen settes til ethvert nivå du trenger. Jeg satte dem til 5,2V hver som faller omtrent 0,1V over mosfet. Den ene vil være den minste litt høyere spenningsutgangen enn de andre og vil bli moderat varm, men de andre vil håndtere strømspiker fra Pi. Alle 4 omformere kan håndtere strømspiker opp til 4A ved full kondensatorlading, eller 2A ved lav ladning.

Omformerne trekker ~ 2mA hvilestrøm ved full ladning.

Vedlagt er Arduino -skissen jeg bruker for å få dette gjort med ATTiny (mange notater lagt til). Knappen er festet til et interrupt for å trekke ATTiny ut av søvn og slå på Pi. Hvis strømmen er for lav, blinker strømlampen 3 ganger og ATTiny settes i dvale igjen.

Hvis du trykker på knappen en gang til, slås Pi -strømmen av og ATTiny settes i dvale til neste knapp trykkes. Dette bruker noen få hundre nano -forsterkere i hvilemodus. ATTiny kjører av en 500mA DC DC-omformer som kan gi en konstant 5V fra en spenningssvingning på 5V-0.7V.

Strømhuset ble designet på TinkerCAD (som alle andre 3D -utskrifter) og skrevet ut.

For kretsen, se den grovt tegnede skjematikken.

Trinn 3: Ladesystem

Ladekontrolleren består av tre deler:

1. Kontrollerkretsen drevet av en ATTiny
2. Mosfeter og dioder (og vifte for kjøling)
3. Jeg bruker en 5.2V 8A vegglader for å drive den bærbare datamaskinen

Kontrollerkretsen våkner hvert åttende sekund for å se etter tilkobling til jord på ladeporten. Hvis ladekabelen er tilkoblet, starter viften og ladeprosessen starter.

Etter hvert som kondensatorbanken kommer nærmere og nærmere full ladning, økes PWM -signalet som styrer mosfeten lineært til 100% ON ved 4,5V. Når målspenningen er nådd, slås PWM -signalet av (4,5V). Vent deretter til den definerte nedre grensen er nådd for å begynne å lade igjen (4,3V).

Fordi dioder senker ladespenningen fra 5,2V til ~ 4,6V, kunne jeg teoretisk sett la laderen være i gang 24/7 med spenningen på rundt 4,6-4,7V. Ladingstid til utladning når den er eller nær full, er omtrent <1 minutt lading og 5 minutter utlading.

Når ladekabelen er frakoblet, går ATTiny i dvale igjen.

Mosfettene er fra Ebay. De kan drives av et 5V PWM -signal og kan håndtere opptil 5A hver. Dette er på den positive linjen ved å bruke tre 10A schottky-dioder for å forhindre tilbakestrømning til veggladeren. Dobbeltsjekk dioderetningen FØR du kobler til veggladeren. Hvis den er orientert feil for å la strømmen strømme fra kondensatorene til veggladeren, vil laderen bli veldig varm og sannsynligvis smelte når den kobles til den bærbare datamaskinen.

5V -viften drives av veggladeren og kjøler de andre komponentene da de blir veldig varme under halvveis ladning.

Ladning ved bruk av en 5.2V 8A lader tar bare noen få minutter, hvor en 5V 2A lader tar over en time.

PWM -signalet til mosfet tillater bare 6% av strømmen ved 1,5V eller mindre klatring lineært til 100% ved full ladning på 4,5V. Dette er fordi kondensatorer fungerer som en død kort ved lavere spenninger, men blir eksponentielt vanskeligere å lade jo nærmere du kommer til utjevning.

20W solcellepanel driver en liten 5,6V 3,5A USB -ladekrets. Denne mates direkte gjennom en 10A diode til kondensatorbanken. 2.5V-regulatorene holder kondensatorene mot overlading. Det er best å ikke la systemet stå i solen i lengre perioder, siden regulatorene og laderkretsen kan bli ganske varm.

Se vedlagte Arduino Sketch, et annet dårlig tegnet kretsdiagram og. STL -filer for 3D -trykte deler.

For å forklare hvordan kretsen er koblet sammen, har ladekontrolleren en linje for å teste for inngangsspenning fra laderen og en linje til pwm -pinnene på mosfet -modulene.

Mosfet -modulene er jordet til kondensatorbankens negative side.

Denne kretsen slås ikke av uten at viften er koblet fra den negative siden av kondensatorene til høysiden av ladeinngangen. Fordi den høye siden er bak dioder og mosfeter, vil veldig lite strøm gå til spill da motstanden er over 40k motstand. Viften trekker høysiden lavt mens laderen ikke er tilkoblet, men tar ikke nok av strømmen til å få den lav mens laderen er plugget inn.

Trinn 4: Kondensatorbank + Ytterligere 3D -utskrifter brukes

Kondensatorene som brukes er 6x 2,5V @ 2300F superkondensatorer. De har blitt arrangert i 2 sett i serie på 3 parallelt. Dette kommer til en bank på 5V @ 3450F. Hvis ALL energi kan trekkes fra kondensatorene, kan de gi ~ 11Wh strøm eller et 3,7V 2,5Ah Li-ion-batteri.

Lenke til datablad:

Ligningene jeg brukte for å beregne kapasitansen og deretter tilgjengelige watt -timer:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2,5V 6900F+2,5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Bruk 4,5V til 1,9V tilgjengelig potensial ved 3450F kondensatorer ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joule Total ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekunder = Wattimer 28704 /3600 = 7,97 Wh (teoretisk maksimal tilgjengelig effekt)

Denne banken er veldig stor. 5 cm høy x 36 cm lang x 16 cm bred. Det er ganske tungt når jeg inkluderer aluminiumsrammen jeg brukte … Omtrent 5 kg eller 11 kg, ikke inkludert kofferten og alle andre eksterne enheter.

Jeg koblet kondensatorterminalene opp ved hjelp av 50A -terminalkontakter loddet sammen med 12 gauge kobbertråd. Dette unngår å motstå flaskehals ved terminalene.

Ved hjelp av en aluminium T-bar ramme, er den bærbare datamaskinen utrolig solid (men også veldig tung). Alle komponenter holdes på plass ved hjelp av denne rammen. Tar minimal plass på den bærbare datamaskinen uten å måtte bore hull overalt i saken.

Mange 3D -trykte stykker ble brukt i dette prosjektet:

• Kondensatorbankholdere fulle
• Kondensatorbankholder bracers
• Kondensatorholdere nederst
• Skiller mellom positive og negative kondensatorterminaler
• Raspberry Pi holder plate
• Toppdeksler for rundt tastatur og kondensatorer (kun for estetikk)
• AMOLED skjermholder og deksel
• AMOLED -styrebrettholder
• HDMI- og USB -kabelguider for å vise kontrolleren fra Pi
• Knapp og LED -plate topp tilgang for strømkontroll
• andre vil legge til mens jeg skriver dem ut

Trinn 5: Konklusjon

Så ettersom dette bare var et hobbyprosjekt, tror jeg at det beviste at superkapasitorer kan brukes til å drive en bærbar datamaskin, men sannsynligvis ikke burde ha størrelsesbegrensninger. Effektdensiteten for kondensatorene som brukes i dette prosjektet er mer enn 20x mindre tett enn Li-ion-batterier. Dessuten er vekten absurd.

Når det er sagt, kan dette ha andre bruksområder enn en konvensjonell bærbar datamaskin. For eksempel bruker jeg denne bærbare datamaskinen hovedsakelig fra solar lading. Den kan brukes ute i skogen uten å bekymre deg for mye om lading og utlading av 'batteriet' gjentatte ganger, flere ganger om dagen. Jeg har litt modifisert systemet siden det ble bygget for å inkludere et 5v 4A -uttak på den ene siden av saken for å drive belysning og lade telefoner når du sjekker sensorer i skogen. Vekten er fremdeles en skuldermorder …

Fordi ladesyklusen er så rask, trenger du ikke bekymre deg for å gå tom for strøm. Jeg kan koble den til i 20 minutter (eller mindre avhengig av gjeldende nivå) hvor som helst og være god til å gå i over en time med intensiv bruk.

En ulempe med dette designet er at det ser veldig mistenkelig ut for en forbipasserende … Jeg ville ikke ta dette på offentlig transport. I det minste ikke bruke den i nærheten av en mengde. Jeg har blitt fortalt av noen venner at jeg burde ha fått det til å se litt mindre "truende" ut.

Men alt i alt hadde jeg det gøy å bygge dette prosjektet, og har lært ganske mye om hvordan jeg skal bruke superkondensatorteknologi til andre prosjekter i fremtiden. Også å passe alt i kofferten var et 3D -puslespill som ikke var altfor frustrerende, til og med en ganske interessant utfordring.

Gi meg beskjed hvis du har spørsmål!