Super Capacitor Powered Raspberry Pi sülearvuti: 5 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

Sõltuvalt üldisest huvist selle projekti vastu võin lisada rohkem samme jne, kui see aitab segadusse ajavaid komponente lihtsustada.

Olen alati olnud huvitatud uuemast kondensaatoritehnoloogiast, mis aastate jooksul esile kerkis, ja arvasin, et oleks lõbus proovida neid lõbu pärast patareideks rakendada. Sellega tegelemisel tekkis palju omapäraseid probleeme, kuna need pole loodud seda rakendust silmas pidades, vaid soovisid jagada seda, mida olen teada saanud ja testinud.

See on pigem rõhutada laadimise ja mobiilirakenduses superkondensaatorite toiteallika toomise raskusi (kuigi kui raske see on, pole see kõik nii mobiilne …).

Ilma suurte õpetusteta poleks see teoks saanud:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Põhjalik teave superkondensaatorite kohta
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Õpetus laadimis- ja tühjendusahela ehitamiseks
• Püüan rohkem üles kaevata, mida kasutasin, kui neid leian/mäletan.
• Kui teil on õpetusi, mis teie arvates on asjakohased, andke mulle sellest teada, et saaksin selle siia lisada.

Peamised põhjused, miks ma seda proovida tahtsin, on järgmised:

• Täislaadimine SECONDS jooksul (suur voolutugevus piirab selle süsteemi minutiteks… ohutult).
• Sadu tuhandeid laadimistsükleid ilma lagunemiseta (üle miljoni õigete tingimuste korral).
• Väga nišitehnoloogia, mis võib leida tee tavalisse akutööstusesse.
• Keskkonnatingimused. Siin kasutatavate kondensaatorite temperatuurid +60C kuni -60C.
• Laadimise efektiivsus on> 95% (akud on keskmiselt <85%)
• Kas mulle tunduvad need huvitavad?

Nüüd aga alati vajalik hoiatus elektriga töötamisel … Kuigi madala pingega (~ 5 V) on vigastuste tekkimise tõenäosus väga väike, põhjustab superkondensaatorite väljundvõimsus põletusi ja osade kohest praadimist. Esimene artikkel pakub suurepärast selgitust ja turvalisi samme. Erinevalt patareidest ei ohusta klemmide täielik lühistamine plahvatust (kuigi see võib lühendada superkondensaatori eluiga sõltuvalt traadi gabariidist). Tõelised probleemid võivad tekkida ülepingega (laadimine üle märgitud maksimaalse pinge), kus superkondensaatorid hakkavad põlema, "hüppama" ja surema suitsuses jamas. Äärmuslikud juhtumid võivad olla sellised, kus hüljes hüppab üsna valjult.

Näitena sellest, kui palju energiat saab vabastada, lasin 16 V mõõtmetega vasktraadi üle täielikult laetud panga 5 V juures (muidugi kogemata) ja olin kergelt pimestatud juhtmest, mis plahvatas valge ja rohelise välguga. Vähem kui sekundiga kadus see 5 cm traat. Sajad võimendid liiguvad üle selle juhtme vähem kui sekundiga.

Ma asusin platvormina sülearvuti juurde, kuna mul oli lamamas Raspberry Pi, alumiiniumist kohver, kioskiklaviatuur ja 3D -printer prototüüpimiseks. Algselt oli idee ehitada see sülearvuti just nii, et see saaks minimaalse vaevaga töötada 10-20 minutit. Kuna mul oli kohvris lisaruumi, oli liiga ahvatlev proovida sellest projektist rohkem välja lükata, toppides sisse rohkem superkondensaatoreid.

Praegu on kasutatav võimsus alla ÜHE 3,7 V 2Ah liitiumioonaku. Ainult umbes 7Wh võimsust. Pole üllatav, kuid laadimisaeg tühjalt on alla 15 minuti, see on vähemalt huvitav.

Kahjuks saab selle süsteemiga välja tõmmata vaid umbes 75% kondensaatorite salvestatud võimsusest … Kindlasti võiks rakendada palju tõhusamat süsteemi, et tõmmata võimsust madalama pingega umbes 1 V või alla selle. Ma lihtsalt ei tahtnud sellele rohkem raha kulutada, samuti jätab kondensaatorite alla 2 V alla 11Wh võimsusest ainult umbes 2Wh energiat.

Kasutades väikese võimsusega 0.7-5V kuni 5V muundurit (efektiivsus ~ 75-85%), suutsin kondensaatoripanga abil laadida oma 11 Wh mobiiltelefoni akut 3% -lt 65% -le (kuigi telefonid on äärmiselt ebaefektiivsed laadimisel, kus 60-80 % sisendvõimsusest on tegelikult salvestatud).

Selles projektis kasutatud osade jaoks on ilmselt paremad osad, kui mul käepärast oli. Aga siin nad on:

• 6x superkondensaatorit (2.5V, 2300 Farad - auto regeneratiivpidurisüsteemist. Leitav Ebayst jne)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V toitega ekraan (kasutan 5,5 -tollist AMOLED -ekraani koos HDMI -kontrollerplaadiga)
• 2x ATTiny85 mikrokontrollerit (lisan programmeerimise)
• 2x 0,7V-5V kuni konstantse 5V 500mA DC-DC muundurid
• 4x 1,9V-5V kuni konstantse 5V 1A DC-DC muundurid
• 1x kohver
• 3x 6A PWM võimelised mosfetid
• 2x 10A Schottky dioodid
• 10x alumiiniumist T-pilu raam (liigestega jne sõltub sellest, mida soovite kasutada asjade hoidmiseks)
• kioski klaviatuur
• 20W 5V päikesepaneel
• USB -mikro -USB -kaablid
• HDMI kaabel
• Elektriliste põhikomponentide ja prototüüpimisplaatide valik.
• palju 3D -prinditud osi (lisan.stl -failid)

Neid osi saab hõlpsasti vahetada sobivamate/tõhusamate osade vastu, kuid see oli mul käepärast. Samuti muutuvad mõõtmete piirangud koos valitud komponentidega.

Kui teil on disaini kohta tagasisidet, ärge kartke kommentaari jätta!

Samm: võimsuse omadused

Et anda ettekujutus sellest, mida oodata võimsalt, kui kasutate kondensaatoreid millekski, mille jaoks need kindlasti ei ole mõeldud:

Kui kondensaatoripanga pinge langeb liiga madalale (1,9 V), on ATTinys programmeeritud nii, et see ei lülita süsteemi komponente sisse. Selle eesmärk on tagada, et komponendid ei tarbiks energiat, kui nad ei saa madalamal pingel pidevalt töötada.

See süsteem töötab DC-DC muundurite abil, mille pinge on kondensaatoripangalt 4,5V kuni 1,9V.

Laadimispinge võib olla 5V kuni 5,5V (mitte kõrgem kui 5A 5,5 V juures). 5V 10A või kõrgemad adapterid kahjustavad mosfeti ja põletavad selle poole PWM laadimiskiirusega.

Kondensaatorite laadimisomaduste korral oleks parim logaritmiline/eksponentsiaalne laadimiskiirus, kuna võimsust läheneb täislaadimisele lähemale… kuid ma ei saanud kunagi kasutada matemaatikafunktsiooni ujuvtüüpi muutujatega ATTiny mingil põhjusel. Midagi mulle hiljem vaadata …

Täieliku töötlemisvõimsuse korral on ligikaudne tööaeg 1 tund. Tühikäigul, 2 tundi.

LowRa transiiveri kasutamine vähendab eluiga veel ~ 15%. Välise laserhiire kasutamine vähendab eluiga veel ~ 10%.

Madalam kondensaatoripinge = väiksem efektiivsus, muundades toiteallikaks 5 V pingeks. Umbes 75% 2V kondensaatori laadimisel, kus muundurites kaob palju soojust.

Kui sülearvuti on ühendatud, saab see 5,3 V 8A adapteri abil lõputult töötada. 2A adapterit kasutades vajab süsteem piiramatuks kasutamiseks enne sisselülitamist täielikku laadimist. ATTiny PWM laadimiskiirus on ainult 6,2% sisendvõimsusest, kui kondensaatoripank on 1,5 V või vähem, tõustes täislaadimisel lineaarselt 100% laadimiskiirusele.

Selle süsteemi laadimine võtab väiksema voolutugevuse adapteri abil kauem aega. Laadimisaeg 2V kuni 4,5V, kondensaatoripangast ei jookse midagi välja:

• 5.2V 8A adapter on 10-20 minutit (tavaliselt umbes 13 minutit).
• 5,1 V 2A adapter on 1-2 tundi. Kuna dioodid vähendavad pinget umbes 0,6 V võrra, siis mõned adapterid täpselt 5 V juures ei lae seda süsteemi kunagi täielikult. See on siiski ok, kuna adapterit see negatiivselt ei mõjuta.
• 20W päikesepaneel täis päikesevalguses on 0,5-2 tundi. (testimisel on palju erinevusi).

Kondensaatorite kasutamisel on probleem, kus nad ei hoia oma laengut kaua, seda lähemal kui olete maksimaalsele pingele.

Esimese 24 tunni jooksul tühjeneb kondensaatoripank keskmiselt 4,5 V -lt 4,3 V -ni. Seejärel langeb järgmise 72 tunni jooksul aeglaselt üsna konstantsele 4,1 V -le. ATTinys koos väikese isetühjenemisega langevad pärast esimest 96 tundi pinget 0,05–0,1 V päevas (eksponentsiaalselt aeglasemalt, kui pinge langeb nulli lähemale). Kui see on 1,5 V ja madalamal, langeb kondensaatoripanga pinge sõltuvalt temperatuurist umbes 0,001-0,01 V päevas.

Kõike seda arvesse võttes oleks konservatiivne ligikaudne tühjenemine 0,7 V -ni ~ 100 päeva jooksul. Ma jätsin selle istumise 30 päevaks ja jäin ikkagi veidi üle 3,5 V.

See süsteem võib otsese päikesevalguse käes töötada lõputult.

* * * MÄRKUS: * * Selle süsteemi kriitiline pinge on 0,7 V, kus ATTinysit toidavad alalis-alalisvoolu muundurid ebaõnnestuvad. Õnneks tõuseb mosfeti laadimiskiirus ~ 2% kõrgeks, kui toide on ühendatud selle või madalama pingega, mis võimaldab aeglast laadimist. Ma pole siiani aru saanud, MIKS see juhtub, aga see on õnnelik boonus.

Ma pidin kondensaatoripanka täielikult laadima ja tühjendama ~ 15 korda, enne kui need keemiliselt tasakaalus olid ja korralikku laengut hoidsid. Kui ma need esmakordselt ühendasin, olin ma väga pettunud salvestatud laengu koguses, kuid see muutub esimese 15 täislaadimistsükli jooksul palju paremaks.

Samm 2: Pi võimsuskontroller

Pi sisse- ja väljalülitamiseks pidin rakendama 4 DC-DC muunduri ja mosfetiga toiteregulaatori.

Kahjuks tõmbab Pi isegi väljalülitatuna umbes 100 mA, nii et ma pidin mosfeti lisama, et toide täielikult katkestada. Kui toiteregulaator on mängus, läheb täislaadimisel raisku ainult ~ 2 mA (madalal laadimisel ~ 0,5 mA).

Põhimõtteliselt teeb kontroller järgmist:

1. Reguleerib kondensaatorite pingetaset alla 2,5 V, et vältida laadimise ajal ülepinget.
2. Neli alalisvoolu alalisvoolu (maksimaalselt 1A, kokku 4A) tõmbab otse kondensaatoritest 4,5V kuni 1,9V konstantse 5,1V jaoks.
3. Ühe nupuvajutusega võimaldab mosfet voolu Pi -le voolata. Teine ajakirjandus katkestab voolu.
4. ATTiny jälgib kondensaatoripanga pingetaset. Kui liiga madal, ei saa mosfeti sisse lülitada.

Hõbedane nupp, kui seda vajutada, näitab kondensaatoripangas allesjäänud võimsust. 10 vilgub 4,5 V ja 1 2,2 V juures. Päikesepaneel saab laadida kuni 5 V ja vilgub sellel tasemel 12 korda.

Kondensaatori pinget reguleeritakse rohelise kettaga 2,5 V regulaatoritega, mis tühjendavad liigse võimsuse. See on oluline, sest päikesepaneel laeb passiivselt kondensaatoreid läbi 10A dioodi otse kuni 5,2 V, mis laeb neid üle.

Alalis-alalisvoolu muundurid on võimelised andma kuni 1A ja on muutuva konstantse pinge väljundiga. Kasutades ülaosas asuvat sinist potentsiomeetrit, saab pinge seadistada mis tahes soovitud tasemele. Ma seadsin need 5,2 V -le, mis langeb umbes 0,1 V üle mosfeti. Üks neist on väikseim natuke kõrgem pingeväljund kui teised ja kuumeneb mõõdukalt, kuid teised tegelevad Pi toiteallikaga. Kõik 4 muundurit saavad toitepingega hakkama kuni 4A täis kondensaatori laadimisel või 2A madala laadimisega.

Muundurid tõmbavad täislaadimisel ~ 2mA vaikivat voolu.

Lisatud on Arduino visand, mida ma kasutan selle ATTiny abil teostamiseks (lisatud palju märkmeid). Nupp on ühendatud katkestusega, et ATTiny unest välja tõmmata ja Pi toide sisse lülitada. Kui toide on liiga madal, vilgub toite LED 3 korda ja ATTiny lülitatakse uuesti unerežiimi.

Kui nuppu vajutatakse teist korda, lülitatakse Pi toide välja ja ATTiny lülitatakse uuesti järgmise nupuvajutuseni. See kasutab unerežiimis mõnisada nanovõimendit. ATTiny töötab 500 mA alalisvoolu alalisvoolu muundurist, mis suudab 5 V-0,7 V pinge kõikumisest tagada püsiva 5 V pinge.

Toite korpus kavandati TinkerCAD -ile (nagu ka kõik muud 3D -väljatrükid) ja trükiti.

Vooluahela kohta vaadake toorelt joonistatud skeemi.

3. samm: laadimissüsteem

Laadimiskontroller koosneb kolmest osast:

1. Kontrolleriahel, mida juhib ATTiny
2. Mosfetid ja dioodid (ja jahutusventilaator)
3. Kasutan sülearvuti toiteks 5.2V 8A seinalaadijat

Kontrolleri ahel ärkab iga 8 sekundi järel, et kontrollida laadimispordi maandusühendust. Kui laadimiskaabel on ühendatud, käivitub ventilaator ja algab laadimisprotsess.

Kui kondensaatoripank jõuab üha lähemale täislaadimisele, suurendatakse mosfeti juhtivat PWM -signaali lineaarselt kuni 100% sisse lülitatud 4,5 V juures. Kui sihtpinge on saavutatud, lülitatakse PWM -signaal välja (4,5 V). Seejärel oodake, kuni saavutatakse määratud alumine piir, et alustada uuesti laadimist (4,3 V).

Kuna dioodid vähendavad laadimispinget 5,2 V-lt ~ 4,6 V-ni, võiksin teoreetiliselt jätta laadija ööpäevaringselt töötama, pinge piirides umbes 4,6-4,7 V. Laadimisaeg kuni tühjenemiseni, kui see on täis või peaaegu täis, on umbes <1 minut laadimist ja 5 minutit tühjenemist.

Kui laadimiskaabel on lahti ühendatud, läheb ATTiny uuesti magama.

Mosfetid on pärit Ebayst. Neid saab juhtida 5 V PWM signaaliga ja nad saavad hakkama kuni 5 A. See on positiivsel joonel, kasutades kolme 10A Schottky dioodi, et vältida tagasivoolu seinalaadijale. Kontrollige dioodi suunda ENNE seinalaadijaga ühendamist. Kui see on valesti orienteeritud, et toide saaks kondensaatoritest seinalaadijale voolata, läheb laadija sülearvutiga ühendamisel väga kuumaks ja tõenäoliselt sulatab.

5 V ventilaatorit juhib seinalaadija ja see jahutab teisi komponente, kuna need lähevad alla poole laadimise ajal väga kuumaks.

Laadimine 5,2 V 8A laadijaga võtab vaid mõne minuti, 5V 2A laadijaga aga üle tunni.

PWM -signaal mosfetile võimaldab ainult 6% võimsusest läbi 1,5 V või vähem tõusta lineaarselt 100% -ni 4,5 V täislaadimisel. Selle põhjuseks on asjaolu, et kondensaatorid toimivad madalama pinge korral tühjana, kuid muutuvad eksponentsiaalselt raskemaks, kui lähete tasandusse.

20 W päikesepaneel juhib väikest 5,6 V 3,5 A USB laadimisahelat. See toidab otse 10A dioodi kaudu kondensaatoripanka. 2,5 V regulaatorid hoiavad kondensaatorid ülelaadimise eest. Parim on mitte jätta süsteemi pikaks ajaks päikese kätte, kuna regulaatorid ja laadija vooluahel võivad üsna kuumaks minna.

Vaadake lisatud Arduino visandit, teist halvasti joonistatud vooluahelat ja 3D -prinditud osade. STL -faile.

Vooluahela ühendamise selgitamiseks on laadimiskontrolleril üks liin laadija sisendpinge kontrollimiseks ja üks liin mosfeti moodulite pwm -kontaktidele.

Mosfeti moodulid on maandatud kondensaatoripanga negatiivse poolega.

See vooluahel ei lülitu välja, ilma et ventilaator oleks ühendatud kondensaatorite negatiivsest küljest laadija sisendi kõrgele küljele. Kuna kõrge külg on dioodide ja mosfettide taga, läheb väga vähe energiat raisku, kuna takistus ületab 40k takistust. Ventilaator tõmbab kõrge külje madalaks, kui laadija pole ühendatud, kuid ei võta piisavalt voolu, et laadija oleks vooluvõrku ühendatud.

Samm 4: Kondensaatoripank + täiendavad 3D -prindid

Kondensaatoriteks on 6x 2,5 V @ 2300F superkondensaatorid. Need on paigutatud 2 komplekti paralleelselt 3 -seeriana. See tuleb pangale 5V @ 3450F. Kui kogu energiat saaks kondensaatoritest ammutada, võivad need anda ~ 11Wh või 3,7V 2,5Ah liitiumioonaku.

Link andmelehele:

Võrrandid, mida kasutasin mahtuvuse ja seejärel saadaolevate vatt -tundide arvutamiseks:

(C1*C2) / (C1+C2) = C kokku (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = džaulid kokku ((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoule / 3600 sekundit = vatt -tund 28704/3600 = 7,97 Wh (teoreetiline maksimaalne saadaolev võimsus)

See pank on väga suur. 5 cm pikk x 36 cm pikk x 16 cm lai. See on üsna raske, kui lisada ka minu kasutatud alumiiniumraam … Umbes 5 kg või 11 naela, välja arvatud kohver ja kõik muud välisseadmed.

Ma ühendasin kondensaatori klemmid üles, kasutades 50A klemmliideseid, mis olid joodetud koos 12 -mõõtmelise vasktraadiga. See väldib klemmide vastupanu.

Kasutades alumiiniumist T-riba raami, on sülearvuti uskumatult vastupidav (kuigi ka VÄGA raske). Selle raami abil hoitakse kõik komponendid paigal. Võtab sülearvutis minimaalselt ruumi, ilma et peaks korpuses kõikjale auke puurima.

Selles projektis kasutati palju 3D -prinditud tükke:

• Kondensaatorpanga hoidjad täis
• Kondensaatori pangahoidja traksid
• Kondensaatorihoidikud all
• Eraldaja positiivse ja negatiivse kondensaatori klemmide vahel
• Vaarika Pi hoidjaplaat
• Klaviatuuri ja kondensaatorite ümbrised (ainult esteetika jaoks)
• AMOLED ekraanihoidja ja kate
• AMOLED kontrollerihoidik
• HDMI- ja USB -juhtmete juhendid Pi -i kontrolleri kuvamiseks
• Nupp ja LED -plaadi ülemine juurdepääs toite juhtimiseks
• teised lisavad neid printides

5. samm: järeldus

Kuna see oli lihtsalt hobiprojekt, usun, et see tõestas, et superkondensaatoreid saab kasutada sülearvuti toiteks, kuid tõenäoliselt ei tohiks seda kasutada suuruse piirangute tõttu. Selles projektis kasutatavate kondensaatorite võimsustihedus on enam kui 20 korda väiksem kui liitiumioonakudel. Lisaks on kaal absurdne.

Nagu öeldud, võib sellel olla erinevaid kasutusvõimalusi kui tavalisel sülearvutil. Näiteks kasutan seda sülearvutit enamasti päikeseenergia laadimisest. Seda saab metsas kasutada, muretsemata liiga palju aku laadimise ja tühjendamise pärast korduvalt, mitu korda päevas. Olen süsteemi esialgsest ehitamisest alates pisut muutnud, et lisada korpuse ühele küljele 5v 4A pistikupesa valgustuse toiteks ja telefonide laadimiseks, kui metsas andureid kontrollitakse. Kaal on siiski õla tapja …

Kuna laadimistsükkel on nii kiire, ei pea te kunagi muretsema, et vool otsa saab. Võin selle ühendada 20 minutiks (või vähem, sõltuvalt praegusest tasemest) kõikjal ja olla hea üle tunni intensiivseks kasutamiseks.

Selle disaini üks puudus on see, et see tundub möödujale väga kahtlane … ma ei võtaks seda ühistranspordiga. Vähemalt ärge kasutage seda rahvahulga lähedal. Mõned sõbrad on mulle öelnud, et oleksin pidanud selle välja nägema veidi vähem "ähvardavana".

Aga kokkuvõttes oli mul selle projekti ülesehitamine lõbus ja olen üsna palju õppinud, kuidas superkondensaatorite tehnoloogiat tulevikus teistele projektidele rakendada. Samuti oli kõik kohvrisse mahutamine 3D -pusle, mis ei olnud ülemäära masendav, isegi päris huvitav väljakutse.

Kui teil on küsimusi, andke mulle sellest teada!