Лаптоп Raspberry Pi със супер кондензатор: 5 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

В зависимост от общия интерес към този проект, мога да добавя още стъпки и т.н., ако това помага за опростяване на объркващите компоненти.

Винаги съм бил заинтригуван от появата на по-новите кондензаторни технологии през годините и мислех, че би било забавно да се опитам да ги внедря като батерия за забавление. Имаше много странни проблеми, на които попаднах, работейки върху това, тъй като те не са проектирани с оглед на това приложение, но исках да споделя това, което открих и изпробвах.

Това е по -скоро, за да се подчертаят трудностите при зареждането и извличането на мощност от група суперкондензатори в мобилно приложение (макар и с колко тежка, не е толкова мобилна …).

Без страхотните уроци по -долу това нямаше да се осъществи:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-задълбочена информация за суперкондензаторите
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Урок за изграждане на верига за зареждане и разреждане
• Ще се опитам да изровя повече, което използвах, ако мога да ги намеря/запомня.

• Ако имате уроци, които смятате за уместни, уведомете ме, за да мога да ги пусна тук.

Основните причини, поради които исках да опитам това са:

• Зареждането до пълно в рамките на SECONDS (включеният висок ампераж ограничава тази система до минути … безопасно).
• Стотици хиляди цикли на зареждане без разграждане (над милион при подходящи условия).
• Много нишова технология, която евентуално би могла да намери своя път в основната индустрия на батериите.
• Екологични условия на експлоатация. Температури от +60C до -60C за използваните тук кондензатори.
• Ефективността на зареждане е> 95% (батериите са средно <85%)
• Намирам ли ги за интересни?

Сега за винаги необходимото предупреждение при работа с електричество … Въпреки че има много малък шанс за нараняване при работа с ниско напрежение ~ 5V, невероятното количество ампераж, което суперкондензаторите могат да изведат, ще причини изгаряния и незабавно изпържи компоненти. предоставя отлично обяснение и безопасни стъпки. За разлика от батериите, пълното късо съединение не крие риск от експлозия (въпреки че може да съкрати живота на суперкондензатора в зависимост от габарита на проводника). Истински проблеми могат да възникнат при пренапрежение (зареждане над маркираното максимално напрежение), при което суперкондензаторите ще изчезнат, ще „изскочат“и ще умрат в опушена бъркотия. Екстремни случаи могат да бъдат, когато уплътнението изскача доста силно.

Като пример за това колко мощност може да бъде освободена, пуснах меден проводник от 16 габарита през напълно заредената банка при 5V (случайно разбира се) и бях леко заслепен от експлозията на проводника в бяло и зелено светкавица, докато изгаряше. За по -малко от секунда това 5 см парче тел беше ОТХВЪРЛЕНО. Стотици усилватели преминават през този проводник за по -малко от секунда.

Настаних се на лаптоп като платформа, тъй като имах Raspberry Pi, който лежеше наоколо, алуминиев куфар, клавиатура на павилион и 3D принтер, на който да се прототипира. Първоначално идеята беше да се изгради този лаптоп, така че да може да работи 10-20 минути при минимални усилия. Със стаята, която имах допълнително в куфара, беше твърде изкушаващо да се опитам да изтласкам повече от този проект, като натъпках повече супер кондензатори.

Понастоящем количеството използваема мощност е под това на ЕДИНАЛНА 3.7V 2Ah литиево -йонна батерия. Само около 7Wh мощност. Не е зашеметяващо, но с време на зареждане по -малко от 15 минути от празен, поне е интересно.

За съжаление, само около 75% от съхранената мощност в кондензаторите може да бъде изтеглена с тази система … Много по -ефективна система определено би могла да бъде внедрена, за да издърпа мощност при по -ниско напрежение около 1V или по -малко. Просто не исках да харча повече пари за това, както и, под 2V в кондензаторите оставя само около 2Wh налична мощност от общо 11Wh общо.

Използвайки преобразувател с ниска мощност от 0,7-5V до 5V (~ 75-85% ефективност) успях да заредя батерията на мобилния си телефон от 11Wh от 3% до 65% с помощта на кондензаторната банка (въпреки че телефоните са изключително неефективни при зареждане, където 60-80 % от входната мощност действително се съхранява).

За части, използвани в този проект, вероятно има по -добри части за използване, отколкото имах под ръка. Но ето ги:

• 6x супер кондензатори (2.5V, 2300 Farad - от регенеративна спирачна система на автомобил. Може да се намери на Ebay и др.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V захранван дисплей (използвам 5.5 "AMOLED дисплей с HDMI контролна платка)
• 2x микроконтролери ATTiny85 (ще включа програмирането)
• 2x 0.7V-5V към постоянни 5V 500mA DC-DC преобразуватели
• 4x 1.9V-5V към постоянни 5V 1A DC-DC преобразуватели
• 1x куфар
• 3x 6A PWM съвместими MOSFET
• 2x 10A диоди Шотки
• 10x алуминиева Т-образна рамка (със съединения и т.н. зависи от това какво искате да използвате, за да държите нещата на място)
• павилионна клавиатура
• 20W 5V слънчев панел
• USB към micro USB кабели
• HDMI кабел
• Асортимент от основни електрически компоненти и дъски за прототипи.
• много 3D отпечатани части (ще включа.stl файловете)

Тези части могат лесно да се заменят за по -подходящи/ефективни части, но това е, което имах под ръка. Също така, ограниченията на размерите ще се променят в зависимост от това кои компоненти са избрани.

Ако имате някакви отзиви за дизайна, не се колебайте да оставите коментар!

Стъпка 1: Характеристики на мощността

За да дадете представа какво да очаквате по отношение на мощността, когато използвате кондензатори за нещо, за което определено не са предназначени:

Когато напрежението на батерията на кондензатора падне твърде ниско (1.9V), ATTinys са програмирани да не захранват никакви системни компоненти. Това е само за да се гарантира, че компонентите не черпят никаква мощност, когато не могат да работят последователно при по -ниско напрежение.

Тази система работи с DC-DC преобразуватели при нива на напрежение от 4.5V до 1.9V от кондензаторната банка.

Входното зареждащо напрежение може да бъде от 5V до 5.5V (не по -високо от 5A при 5.5V). Адаптери от 5V 10A или по -високи ще повредят MOSFET и ще го изгорят с половин скорост на зареждане PWM.

С характеристиките на зареждане на кондензаторите, логаритмична/експоненциална скорост на зареждане би била най -добрата, тъй като става все по -трудно да се натисне мощността колкото по -близо до пълното зареждане … но никога не можах да накарам математическата функция да работи с променливи с плаващ тип на ATTiny по някаква причина. Нещо, което да разгледам по -късно …

При пълна процесорна мощност приблизителното време на работа е 1 час. На празен ход, 2 часа.

Използването на трансивър LowRa намалява живота с още ~ 15%. Използването на външна лазерна мишка намалява живота с още ~ 10%.

По -ниско напрежение на батерията на кондензатора = по -ниска ефективност, преобразуваща се в 5V към захранващи компоненти. Около 75% при 2V заряд на кондензатор, където много енергия се губи като топлина в преобразувателите.

Докато е включен, лаптопът може да работи безкрайно с помощта на адаптер 5.3V 8A. Използвайки 2A адаптер, системата изисква пълно зареждане, преди да се включи за неограничена употреба. Скоростта на зареждане на ATTiny PWM е само 6.2% от входящата мощност, когато кондензаторната батерия е 1.5V или по -малко, изкачваща се линейно до 100% скорост на зареждане при пълно зареждане.

Тази система отнема повече време за зареждане с адаптер с по -ниска ампераж. Време за зареждане от 2V до 4.5V без нищо да тече от кондензаторната банка:

• Адаптерът 5.2V 8A е 10-20 минути (обикновено около 13 минути).
• Адаптерът 5.1V 2A е 1-2 часа. Тъй като диодите намаляват напрежението с около 0.6V, някои адаптери при точно 5V никога няма да заредят напълно тази система. Това е добре, тъй като адаптерът няма да бъде засегнат отрицателно.
• 20W слънчев панел при пълна слънчева светлина е 0,5-2 часа. (много вариации по време на тестването).

Съществува присъщият проблем с използването на кондензатори, където те не задържат заряда си толкова дълго, колкото по -близо сте до максималното напрежение.

През първите 24 часа кондензаторната батерия се разрежда средно от 4.5V до 4.3V. След това през следващите 72 часа бавно ще спадне до доста постоянни 4.1V. ATTinys, съчетани с малък саморазряд, ще понижат напрежението при 0.05-0.1V на ден след първите 96 часа (експоненциално по-бавно, тъй като напрежението пада по-близо до нула). Когато при 1.5V и по-ниско напрежението на кондензаторната батерия спада при около 0.001-0.01V на ден в зависимост от температурата.

Като се има предвид всичко това, консервативен приблизителен изход би бил разряд до 0.7V за ~ 100 дни. Оставих това заседание за 30 дни и все още остана с малко над 3.5V.

Тази система може да работи неограничено на пряка слънчева светлина.

* * * ЗА ЗАБЕЛЕЖКА: * * Критичното напрежение на тази система е 0.7V, където DC-DC преобразувателите, захранващи ATTinys, ще се провалят. За щастие, MOSFET контролиращата скорост на зареждане ще се издърпа ~ 2% високо, когато захранването е свързано при това напрежение или по -ниско, което позволява бавно зареждане. Все още не съм разбрал ЗАЩО това се случва, но това е бонус за късмет.

Трябваше да зареждам и разреждам напълно кондензаторната батерия ~ 15 пъти, преди да балансират химически и да поддържат приличен заряд. Когато за първи път ги свързах, бях изключително разочарован от количеството съхранено зареждане, но става много по -добре през първите 15 пълни цикъла на зареждане.

Стъпка 2: Pi Power Controller

За да включа и изключва Pi, трябваше да внедря контролер на мощността с 4 DC-DC преобразуватели и MOSFET.

За съжаление Pi черпи около 100mA дори когато е изключен, така че трябваше да добавя MOSFET, за да прекъсна напълно захранването към него. Когато контролерът на захранването е в игра, само ~ 2mA се губят при пълно зареждане (~ 0.5mA при ниско зареждане).

По същество контролерът прави следното:

1. Регулира нивото на напрежение под 2.5V в кондензаторите, за да се избегне пренапрежение по време на зареждане.
2. Четири DC-DC (1A max всеки, 4A общо) издърпва директно от кондензаторите от 4.5V до 1.9V за постоянен 5.1V.
3. С натискане на бутон, MOSFET позволява на захранването да тече към Pi. Друга преса прекъсва захранването.
4. ATTiny следи нивото на напрежение на кондензаторната банка. Ако е твърде ниско, MOSFET не може да се включи.

Сребърният бутон, когато е натиснат, показва оставащата мощност в кондензаторния блок. 10 мига при 4.5V и 1 при 2.2V. Слънчевият панел може да се зарежда до пълните 5V и мига 12 пъти на това ниво.

Напрежението на кондензатора се регулира със зелени дискови 2.5V регулатори, които обезвъздушават излишната мощност. Това е важно, защото слънчевият панел пасивно зарежда кондензаторите през 10A диод директно до 5.2V, което би ги презаредило.

Преобразувателите DC-DC са в състояние да осигурят до 1А всеки и са с променливо постоянно изходно напрежение. Използвайки синия потенциометър отгоре, напрежението може да бъде настроено на всяко необходимо ниво. Настроих ги на 5.2V всяка, която пада около 0.1V през MOSFET. Единият ще бъде най -малкото малко по -високо изходно напрежение от останалите и ще стане умерено горещ, но другите ще се справят със скокове на мощността от Pi. Всичките 4 преобразувателя могат да се справят със скокове на мощност до 4А при пълно зареждане на кондензатора или 2А при ниско зареждане.

Преобразувателите извличат ~ 2mA ток на покой при пълно зареждане.

Приложена е скицата на Arduino, която използвам, за да направя това с ATTiny (добавени са много бележки). Бутонът е прикрепен към прекъсване, за да извади ATTiny от сън и да захрани Pi. Ако мощността е твърде ниска, светодиодът за захранване мига 3 пъти и ATTiny се връща в режим на заспиване.

Ако бутонът е натиснат втори път, захранването на Pi се изключва и ATTiny се връща в режим на заспиване до следващото натискане на бутона. Това използва няколкостотин нано ампера в режим на заспиване. ATTiny работи от 500mA DC DC преобразувател, който може да осигури постоянни 5V от напрежение от 5V-0.7V.

Корпусът за захранване е проектиран на TinkerCAD (както и всички останали 3D разпечатки) и е отпечатан.

За веригата вижте грубо начертаната схема.

Стъпка 3: Система за зареждане

Контролерът за зареждане се състои от три части:

1. Веригата на контролера, задвижвана от ATTiny
2. MOSF и диодите (и вентилатор за охлаждане)
3. Използвам зарядно устройство за стена 5.2V 8A за захранване на лаптопа

Веригата на контролера се събужда на всеки 8 секунди, за да провери за връзка към земята на порта за зареждане. Ако кабелът за зареждане е свързан, вентилаторът се стартира и процесът на зареждане започва.

Тъй като кондензаторната банка става все по -близо до пълното зареждане, PWM сигналът, управляващ MOSFET, се увеличава линейно до 100% ON при 4.5V. След достигане на целевото напрежение, PWM сигналът се изключва (4.5V). След това изчакайте, докато се достигне определената долна граница, за да започнете да зареждате отново (4.3V).

Тъй като диодите намаляват зареждащото напрежение от 5.2V до ~ 4.6V, теоретично бих могъл да оставя зарядното устройство да работи 24/7 с ограничение на напрежението около 4.6-4.7V. Времето за зареждане до разреждане, когато е на или близо до пълно, е около <1 минута зареждане и 5 минути разреждане.

Когато кабелът за зареждане е изключен, ATTiny отново заспива.

MOSFET са от Ebay. Те могат да бъдат задвижвани от 5V ШИМ сигнал и могат да обработват до 5А всеки. Това е на положителната линия, като се използват три 10A диода Шотки, за да се предотврати обратния поток към зарядното устройство за стена. Проверете двукратно ориентацията на диода ПРЕДИ да се свържете със зарядното устройство за стена. Ако е ориентиран неправилно, за да позволи на захранването да тече от кондензаторите към зарядното устройство за стена, зарядното устройство ще се нагрее много и вероятно ще се стопи, когато е включено в лаптопа.

5V вентилаторът се задвижва от зарядното устройство за стена и охлажда останалите компоненти, тъй като те стават много горещи под половината от заредените.

Зареждането с 5,2V 8A зарядно устройство отнема само няколко минути, като като 5V 2A зарядно отнема повече от час.

ШИМ сигналът към MOSFET позволява само 6% от мощността при 1.5V или по -малко изкачване линейно до 100% при пълно зареждане от 4.5V. Това е така, защото кондензаторите действат като мъртво късо при по -ниско напрежение, но стават експоненциално по -трудни за зареждане, колкото по -близо сте до изравняване.

20W слънчевият панел задвижва малка 5.6V 3.5A USB зарядна верига. Това се подава директно през 10A диод към кондензаторната банка. 2.5V регулаторите предпазват кондензаторите от презареждане. Най -добре е да не оставяте системата на слънце за продължителни периоди от време, тъй като регулаторите и веригата на зарядното устройство могат да се нагреят доста.

Вижте приложената Arduino Sketch, друга лошо начертана електрическа схема и. STL файлове за 3D отпечатаните части.

За да обясни как веригата е свързана заедно, контролерът за зареждане има една линия за тестване на входното напрежение от зарядното устройство и една линия към PWM щифтовете на MOSFET модулите.

MOSFET модулите са заземени към отрицателната страна на кондензаторната банка.

Тази верига няма да се изключи, без вентилаторът да е свързан от отрицателната страна на кондензаторите към високата страна на входа на зарядното устройство. Тъй като високата страна е зад диодите и MOSFET, много малко енергия ще се губи, тъй като съпротивлението е над 40k съпротивление. Вентилаторът дърпа високата страна ниско, докато зарядното устройство не е свързано, но не приема достатъчно ток, за да го намали, докато зарядното е включено.

Стъпка 4: Банка кондензатор + Използвани допълнителни 3D отпечатъци

Използваните кондензатори са 6x 2.5V @ 2300F суперкондензатори. Те са подредени в 2 комплекта в серия от 3 паралелно. Това идва в банка от 5V @ 3450F. Ако ВСЯКА енергия може да бъде изтеглена от кондензаторите, те могат да осигурят мощност ~ 11Wh или тази на 3.7V 2.5Ah литиево-йонна батерия.

Връзка към листа с данни:

Уравненията, които използвах за изчисляване на капацитета и впоследствие наличните ватови часове:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Използване на 4.5V до 1.9V от наличния потенциал при кондензатори 3450F ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = общо джаули ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 секунди = Watt часа 28704 /3600 = 7.97 Wh (теоретична максимална налична мощност)

Тази банка е много голяма. при височина 5 см х 36 см дължина х 16 см ширина. Той е доста тежък, когато включва алуминиевата рамка, която използвах … Около 5 кг или 11 фунта, без куфара и всички други периферни устройства.

Закачих клемите на кондензатора с помощта на 50A конекторни съединители, запоени заедно с медна жица с 12 габарити. По този начин се избягва съпротивлението на пречките на терминалите.

Използвайки алуминиева Т-образна рамка, лаптопът е невероятно здрав (макар и МНОГО тежък). Всички компоненти се държат на място с помощта на тази рамка. Заема минимално място в лаптопа, без да се налага да пробивате дупки навсякъде в кутията.

В този проект бяха използвани много 3D отпечатани парчета:

• Пълни държачи на кондензаторни банки
• Скоби за държачи на кондензатор
• Долни държачи на кондензатори
• Разделител между положителни и отрицателни клеми на кондензатор
• Поставка за малини Pi
• Горни капаци за клавиатурата и кондензаторите (само за естетика)
• AMOLED държач на екрана и капак
• Поставка за контролна платка AMOLED
• HDMI и USB проводници за показване на контролера от Pi
• Бутон и LED панел отгоре за контрол на мощността
• други ще бъдат добавени, докато ги отпечатам

Стъпка 5: Заключение

Тъй като това беше просто хоби проект, вярвам, че доказа, че суперкондензаторите могат да се използват за захранване на лаптоп, но вероятно не би трябвало за ограничения на размера. Плътността на мощността на кондензаторите, използвани в този проект, е повече от 20 пъти по-малко плътна от литиево-йонните батерии. Освен това теглото е абсурдно.

Като се има предвид това, това може да има различни приложения от конвенционалния лаптоп. Например, използвам този лаптоп най -вече от слънчево зареждане. Може да се използва в гората, без да се притеснявате твърде много за зареждане и разреждане на „батерията“многократно, няколко пъти на ден. Леко промених системата от първоначалното изграждане, за да включа 5V 4A изход от едната страна на кутията, за да захранвам осветлението и да зареждам телефони, когато проверявам сензорите в гората. Теглото все още е убиец на раменете …

Тъй като цикълът на зареждане е толкова бърз, никога не трябва да се притеснявате за изчерпване на захранването. Мога да го включа за 20 минути (или по -малко в зависимост от текущото ниво) навсякъде и е добре да отида за повече от час интензивна употреба.

Един недостатък на този дизайн е, че изглежда много подозрителен за минувач … Не бих взел това в обществения транспорт. Поне не го използвайте близо до тълпа. Няколко приятели ми казаха, че трябваше да направя това да изглежда малко по -малко „заплашително“.

Но като цяло се забавлявах при изграждането на този проект и научих доста за това как да прилагам технологията на суперкондензатор към други проекти в бъдеще. Също така, поставянето на всичко в куфара беше 3D пъзел, който не беше прекалено разочароващ, дори доста интересно предизвикателство.

Ако имате въпроси, уведомете ме!