Ordinador portàtil Raspberry Pi alimentat amb supercondensador: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Depenent de l'interès general per aquest projecte, puc afegir més passos, etc. si això ajuda a simplificar qualsevol component confús.

Sempre he estat intrigat amb la nova tecnologia de condensadors que va aparèixer al llarg dels anys i vaig pensar que seria divertit provar d’implementar-los com a bateria per divertir-se. Hi vaig haver molts problemes peculiars que vaig trobar treballant en això, ja que no estan dissenyats pensant en aquesta aplicació, però volien compartir el que he descobert i provat.

Això és més per ressaltar les dificultats per carregar i treure energia d'un banc de supercondensadors en una aplicació mòbil (tot i que amb el pes que té, no és tan mòbil …).

Sense els grans tutorials següents, això no hauria arribat a bon port:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Informació detallada sobre els supercondensadors
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial per construir un circuit de càrrega i descàrrega
• Intentaré desenterrar més dels que he utilitzat si els puc trobar / recordar.

• Si teniu algun tutorial que considereu rellevant, feu-m'ho saber perquè pugui llançar-lo aquí.

Els principals motius pels quals volia provar-ho són:

• La càrrega completa dins de SECONDS (un alt amperatge implicat limita aquest sistema a minuts … amb seguretat).
• Centenars de milers de cicles de càrrega sense degradació (més d’un milió en les condicions adequades).
• Una tecnologia molt especialitzada que podria arribar a la indústria principal de les bateries.
• Condicions ambientals de funcionament. Temperatures de + 60C a -60C per als condensadors que s’utilitzen aquí.
• L'eficiència de càrrega és> 95% (les bateries són de mitjana <85%)
• Els trobo interessants?

Ara, per l’advertència sempre necessària quan es treballa amb electricitat … Tot i que hi ha molt poques possibilitats de lesions treballant amb baixos voltatges de ~ 5V, la increïble quantitat d’amperatge que poden generar els supercondensadors provocarà cremades i fregirà components instantàniament. proporciona una explicació excel·lent i uns passos segurs. A diferència de les bateries, un curtcircuit total dels terminals no suposa cap risc d’explosió (tot i que pot escurçar la vida del supercondensador en funció de l’indicador de cable). Poden sorgir problemes reals quan es fa una sobretensió (carregant més enllà de la tensió màxima marcada), on els súper condensadors es trenquen, "esclaten" i moren en un embolic fumat. Els casos extrems poden ser on el segell apareix amb força força.

Com a exemple de la quantitat d’energia que es pot alliberar, vaig deixar caure un fil de coure de calibre 16 a través del banc totalment carregat a 5 V (per descomptat, per descomptat) i vaig quedar lleugerament encegat per l’explosió del fil en un flaix blanc i verd mentre es cremava. En menys d'un segon, aquell tros de filferro de 5 cm s'havia acabat. Centenars d'amperes que travessen aquest cable en menys d'un segon.

Em vaig instal·lar en un ordinador portàtil com a plataforma, ja que tenia un Raspberry Pi estirat, una maleta d’alumini, un teclat de quiosc i una impressora 3D per prototipar. Originalment, la idea era construir aquest ordinador portàtil perquè funcionés entre 10 i 20 minuts amb un esforç mínim. Amb l’habitació que tenia més a la maleta, era massa temptador provar de treure més partit d’aquest projecte embrutant més condensadors super.

Actualment, la quantitat d’energia útil és inferior a la d’una bateria de ions de liti SENSE 3,7V 2Ah. Només aproximadament 7Wh de potència. No és sorprenent, però amb un temps de càrrega inferior a 15 minuts des del buit, és interessant almenys.

Malauradament, només un 75% de la potència emmagatzemada als condensadors es pot extreure amb aquest sistema … Definitivament, es podria implementar un sistema molt més eficient per treure energia a voltatges inferiors al voltant d’1V o menys. Simplement no volia gastar més diners en això, ja que, a menys de 2 V en els condensadors, només queda disponible aproximadament 2Wh d’un total d’11Wh en total.

Amb un convertidor de 0,7-5V a 5V de baixa potència (~ 75-85% d’eficiència) vaig poder carregar la bateria del mòbil d’11Wh del 3% al 65% mitjançant el banc de condensadors (tot i que els telèfons són extremadament ineficients en la càrrega, on 60-80 % de la potència d’entrada realment s’emmagatzema).

Per a les peces que s’utilitzen en aquest projecte, probablement hi hagi parts millors per utilitzar que les que tenia a mà. Però aquí els teniu:

• Super condensadors 6x (2,5 V, 2300 Farad: d'un sistema de frenada regenerativa del cotxe. Es poden trobar a Ebay, etc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• Pantalla alimentada amb 1 x 5 V (estic fent servir una pantalla AMOLED de 5,5 polzades amb placa de control HDMI)
• 2 microcontroladors ATTiny85 (inclouré la programació)
• Convertidors de 2 x 0,7 V-5 V a 5 V constants de 500 mA CC-CC
• Convertidors 4x-1.9V-5V a 5V 1A DC-DC constants
• 1x maleta
• Mosfets 3x 6A amb capacitat PWM
• 2x díodes Schottky de 10A
• Marc de ranura en alumini 10x (amb juntes, etc. depèn del que vulgueu utilitzar per mantenir les coses al seu lloc)
• teclat de quiosc
• Panell solar de 20W 5V
• Cables USB a micro USB
• Cable HDMI
• Assortiment de components elèctrics bàsics i plaques de prototipatge.
• moltes parts impreses en 3D (inclouré els fitxers.stl)

Aquestes peces es poden intercanviar fàcilment per obtenir parts més adequades / eficients, però això és el que tenia a mà. A més, les restriccions de dimensió canviaran amb els components escollits.

Si teniu algun comentari sobre el disseny, no dubteu a deixar un comentari.

Pas 1: Característiques de potència

Per fer-vos una idea de què podeu esperar en termes de potència quan s'utilitzen condensadors per a alguna cosa que definitivament no estaven dissenyats:

Quan la tensió del banc de condensadors baixa massa (1,9 V), s'han programat els ATTinys per no encendre cap component del sistema. Això és només per assegurar que els components no consumeixen energia quan no poden funcionar constantment a tensions més baixes.

Aquest sistema funciona mitjançant convertidors CC-CC a nivells de tensió de 4,5 V a 1,9 V des del banc de condensadors.

La tensió de càrrega d’entrada pot ser de 5V a 5,5V (no superior a 5A a 5,5V). Els adaptadors de 5V 10A o superiors danyaran el mosfet i el cremaran a la meitat de la taxa de càrrega PWM.

Amb les característiques de càrrega dels condensadors, seria millor una taxa de càrrega logarítmica / exponencial, ja que es fa més difícil empènyer l’alimentació més a prop de la càrrega completa … però mai no podria aconseguir que la funció matemàtica funcioni amb variables de tipus flotant a la ATTiny per alguna raó. Alguna cosa que hauria de mirar més endavant …

A plena potència de processament, el temps d’execució aproximat és d’1 hora. Al ralentí, 2 hores.

Si utilitzeu un transceptor LowRa, es redueix la vida en un 15% aproximadament. L'ús de ratolí làser extern redueix la vida d'un altre ~ 10%.

Voltatge inferior del banc de condensadors = menys eficiència en convertir 5V a components de potència. Al voltant del 75% a una càrrega de condensador de 2 V, on es perd molta energia com a calor als convertidors.

Mentre està connectat, el portàtil pot funcionar indefinidament mitjançant un adaptador de 5,3 V 8A. Amb un adaptador 2A, el sistema requereix una càrrega completa abans d’engegar-lo per a un ús il·limitat. La taxa de càrrega ATTiny PWM és només el 6,2% de la potència d’entrada quan el banc de condensadors és d’1,5 V o menys pujant linealment fins al 100% de càrrega a plena càrrega.

Aquest sistema triga més a carregar-se mitjançant un adaptador d’amperatge inferior. Temps de càrrega de 2V a 4,5V sense que surti res del banc de condensadors:

• L’adaptador de 5,2 V 8A té una durada de 10 a 20 minuts (normalment al voltant de 13 minuts).
• L'adaptador de 5,1 V 2A dura 1-2 hores. Com que els díodes fan caure el voltatge uns 0,6 V, alguns adaptadors a 5 V exactament mai carregaran completament aquest sistema. Tot i això, està bé, ja que l'adaptador no es veurà afectat negativament.
• El panell solar de 20W a plena llum solar és de 0,5 a 2 hores. (molta variació durant les proves).

Hi ha el problema inherent a l’ús de condensadors on no mantenen la càrrega molt llarga com més a prop de la tensió màxima.

Durant les primeres 24 hores, el banc de condensadors es descarrega automàticament de 4,5 V a 4,3 V de mitjana. Aleshores, durant les pròximes 72 hores baixarà lentament fins a un 4,1V bastant constant. Els ATTinys juntament amb una petita descàrrega automàtica faran caure el voltatge a 0,05-0,1 V per dia després de les primeres 96 hores (exponencialment més lent a mesura que el voltatge caigui més a zero). Quan es troba a 1,5 V i baixa, el voltatge del banc de condensadors cau al voltant de 0,001-0,01 V al dia, segons la temperatura.

Tenint en compte tot això, una aproximació conservadora seria una descàrrega a 0,7 V en ~ 100 dies. Vaig deixar aquesta sessió asseguda durant 30 dies i encara em quedava amb poc més de 3,5V.

Aquest sistema pot funcionar indefinidament amb la llum solar directa.

* * * PER NOTAR: * * La tensió crítica d’aquest sistema és de 0,7 V, on fallaran els convertidors DC-DC que alimenten l’ATTinys. Afortunadament, la taxa de càrrega que controla el mosfet augmentarà al voltant del 2% quan la potència estigui connectada a aquest voltatge o més baix, cosa que permet una càrrega lenta. Encara no he entès PER QUÈ passa això, però és un avantatge afortunat.

Vaig haver de carregar i descarregar completament el banc de condensadors ~ 15 vegades abans d'equilibrar-se químicament i mantenir una càrrega decent. Quan els vaig connectar per primera vegada, em va frustrar molt la quantitat de càrrega emmagatzemada, però es millora molt durant els primers 15 cicles de càrrega completa.

Pas 2: controlador de potència Pi

Per activar i desactivar el Pi, vaig haver d’implementar un controlador de potència amb 4 convertidors DC-DC i un mosfet.

Malauradament, el Pi dibuixa uns 100 mA fins i tot quan està apagat, de manera que vaig haver d’afegir el mosfet per tallar-lo completament. Amb el controlador de potència en joc, només es perden ~ 2 mA a plena càrrega (~ 0,5 mA a baixa càrrega).

Bàsicament, el controlador fa el següent:

1. Regula el nivell de tensió per sota dels 2,5 V als condensadors per evitar sobretensions durant la càrrega.
2. Quatre CC-CC (1 A màxim cadascun, 4 A en total) treuen directament dels condensadors de 4,5 V a 1,9 V per obtenir una constant de 5,1 V.
3. En prémer un botó, el mosfet permet que l’energia flueixi cap al Pi. Una altra premsa talla el poder.
4. L'ATTiny vigila el nivell de tensió del banc de condensadors. Si és massa baix, no es pot activar el mosfet.

El botó platejat, quan es prem, indica la potència que queda al banc de condensadors. 10 parpelleigs a 4,5V i 1 a 2,2V. El panell solar es pot carregar a 5 V complet i parpelleja 12 vegades a aquest nivell.

La tensió del condensador es regula amb els reguladors de disc de 2,5 V de color verd que eliminen l'excés de potència. Això és important perquè el panell solar carrega passivament els condensadors a través d’un díode de 10A directament fins a 5,2 V que els carregaria excessivament.

Els convertidors CC-CC són capaços de proporcionar fins a 1 A cadascun i són de sortida de voltatge constant variable. Mitjançant el potenciòmetre blau situat a la part superior, es pot configurar el voltatge a qualsevol nivell que necessiteu. Els he establert a 5,2 V cadascun, que cau aproximadament 0,1 V a través del mosfet. Una serà la sortida de voltatge més petita que les altres i s’escalfarà moderadament, però les altres gestionaran els pics de potència del Pi. Els 4 convertidors poden gestionar pics de potència de fins a 4 A a plena càrrega del condensador o 2A a baixa càrrega.

Els convertidors generen un corrent en repòs de ~ 2 mA a plena càrrega.

S'adjunta l'esbós d'Arduino que estic fent servir per fer-ho amb ATTiny (hi ha moltes notes afegides). El botó està connectat a una interrupció per treure l’ATTiny del son i alimentar el Pi. Si la potència és massa baixa, el LED d'alimentació parpelleja 3 vegades i l'ATTiny torna a dormir.

Si es prem el botó una segona vegada, s'apaga l'alimentació Pi i l'ATTiny torna a dormir fins que es prem el botó següent. Això fa servir uns quants centenars de nanos amplificadors en mode de repòs. L’ATTiny s’està executant amb un convertidor de CC de 500 mA CC que pot proporcionar una constant de 5 V a partir d’una oscil·lació de voltatge de 5 V a 0,7 V.

La carcassa d'alimentació es va dissenyar a TinkerCAD (com ho són totes les altres impressions en 3D) i es va imprimir.

Per al circuit, vegeu l’esquema dibuixat amb cruesa.

Pas 3: sistema de càrrega

El controlador de càrrega consta de tres parts:

1. El circuit del controlador impulsat per un ATTiny
2. Els mosquetes i els díodes (i el ventilador per refredar-se)
3. Estic fent servir un carregador de paret de 5,2 V 8A per alimentar el portàtil

El circuit del controlador es desperta cada 8 segons per comprovar si hi ha una connexió a terra al port de càrrega. Si el cable de càrrega està connectat, el ventilador s’engega i comença el procés de càrrega.

A mesura que el banc de condensadors s’acosta cada cop més a la càrrega completa, el senyal PWM que controla el mosfet s’incrementa linealment fins a un 100% ACTIVAT a 4,5V. Un cop assolit el voltatge objectiu, el senyal PWM es desactiva (4,5V). A continuació, espereu fins que s'assoleixi el límit inferior definit per començar a carregar de nou (4,3 V).

Com que els díodes fan caure el voltatge de càrrega de 5,2 V a ~ 4,6 V, teòricament podria deixar el carregador funcionant 24 hores al dia, 7 dies a la setmana, amb un voltatge de 4,6 a 4,7 V. El temps de càrrega fins a la descàrrega quan està a prop o ple és aproximadament <1 minut de càrrega i 5 minuts de descàrrega.

Quan es desconnecta el cable de càrrega, l’ATTiny torna a dormir.

Els mosquetets són d’Ebay. Es poden accionar mitjançant un senyal PWM de 5V i poden gestionar fins a 5A cadascun. Es tracta de la línia positiva que utilitza tres díodes schottky de 10A per evitar el retrocés al carregador de paret. Comproveu l'orientació del díode ABANS de connectar-vos al carregador de paret. Si s’orienta incorrectament per permetre que l’alimentació flueixi des dels condensadors fins al carregador de paret, el carregador s’escalfarà molt i probablement es fondrà quan es connecti al portàtil.

El ventilador de 5V és accionat pel carregador de paret i refreda els altres components, ja que s’escalfen per sota de la meitat de la càrrega.

La càrrega mitjançant un carregador de 5,2 V 8A només triga uns quants minuts, ja que, com un carregador de 5 V 2 A, triga més d’una hora.

El senyal PWM al mosfet només permet passar un 6% de potència a 1,5 V o menys pujar linealment fins al 100% amb una càrrega completa de 4,5 V. Això es deu al fet que els condensadors actuen com a curtcircuit a tensions més baixes, però es tornen exponencialment més difícils de carregar quan més s’acosta a la igualació.

El panell solar de 20W acciona un petit circuit de carregador USB de 5,6V 3,5A. Això s’alimenta directament a través d’un díode de 10A al banc de condensadors. Els reguladors de 2,5 V impedeixen que els condensadors es sobrecarreguin. És millor no deixar el sistema al sol durant períodes prolongats de temps, ja que els reguladors i el circuit del carregador poden escalfar-se força.

Vegeu Arduino Sketch adjunt, un altre diagrama de circuits mal dibuixats i fitxers. STL per a les parts impreses en 3D.

Per explicar com es connecta el circuit, el controlador de càrrega té una línia per provar la tensió d'entrada del carregador i una línia als pins pwm dels mòduls mosfet.

Els mòduls MOSFET estan connectats a terra al costat negatiu del banc de condensadors.

Aquest circuit no s'apagarà sense que el ventilador estigui connectat des del costat negatiu dels condensadors al costat alt de l'entrada del carregador. Com que el costat alt es troba darrere dels díodes i els mosfets, es malgastarà molt poca energia, ja que la resistència supera els 40k de resistència. El ventilador fa baixar el costat alt mentre el carregador no està connectat, però no pren prou corrent per baixar-lo mentre el carregador està endollat.

Pas 4: Banc de condensadors + impressions 3D addicionals utilitzades

Els condensadors utilitzats són supercondensadors de 6x 2,5V @ 2300F. S'han disposat en 2 conjunts en sèries de 3 en paral·lel. Això arriba a un banc de 5V @ 3450F. Si es podria extreure tota l’energia dels condensadors, poden proporcionar una potència de ~ 11Wh o la d’una bateria de ions de Li de 3,7 V 2,5 Ah.

Enllaç al full de dades:

Les equacions que he utilitzat per calcular la capacitat i, posteriorment, el watt hora disponible:

(C1 * C2) / (C1 + C2) = Ctotal2,5V 6900F + 2,5V 6900F (6900 * 6900) / (6900 + 6900) = 3450F @ 5V Utilitzant 4,5V a 1,9V de potencial disponible a condensadors de 3450F ((C * (Vmax ^ 2)) / 2) - ((C * (Vmin ^ 2)) / 2) = Joules Total ((3450 * (4.5 ^ 2)) / 2) - ((3450 * (1.9 ^ 2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 segons = Watt hores28704 / 3600 = 7,97 Wh (potència màxima disponible teòrica)

Aquest banc és molt gran. a 5cm d'alçada x 36cm de llarg x 16cm d'ample. És bastant pesat en incloure el marc d'alumini que he utilitzat … Aproximadament 5 kg o 11 lliures, sense incloure la maleta i la resta de perifèrics.

Vaig connectar els terminals del condensador amb connectors de terminal 50A soldats junt amb fil de coure de calibre 12. D’aquesta manera s’evita un coll d’ampolla resistent als terminals.

Utilitzant un marc de barres en alumini, el portàtil és increïblement resistent (tot i que també és MOLT pesat). Tots els components es mantenen al seu lloc mitjançant aquest marc. Ocupa un espai mínim dins de l'ordinador portàtil sense haver de foradar qualsevol part de la funda.

En aquest projecte es van utilitzar moltes peces impreses en 3D:

• Els titulars del banc de condensadors estan plens
• Polseres de suport de banc de condensadors
• Suport de condensadors inferior
• Separador entre terminals de condensador positius i negatius
• Plat de suport Raspberry Pi
• Cobertes superiors per al teclat i els condensadors (només per a estètica)
• Suport i tapa de pantalla AMOLED
• Porta placa de controlador AMOLED
• Guies de cable HDMI i USB per mostrar el controlador de Pi
• Accés superior de botó i placa LED per al control de potència
• d'altres s'afegiran a mesura que els imprimeixi

Pas 5: Conclusió

Per tant, com que només era un projecte d’afició, crec que va demostrar que els supercondensadors es poden utilitzar per alimentar un ordinador portàtil, però probablement no ho haurien de fer per a restriccions de mida. La densitat de potència dels condensadors utilitzats en aquest projecte és més de 20 vegades menys densa que les bateries de ions de Li. A més, el pes és absurd.

Dit això, això podria tenir diferents usos que un ordinador portàtil convencional. Per exemple, faig servir aquest ordinador portàtil principalment amb càrrega solar. Es pot utilitzar al bosc sense preocupar-se massa de carregar i descarregar la "bateria" repetidament, diverses vegades al dia. He modificat lleugerament el sistema des de la construcció inicial per incorporar una presa de 5V 4A en un costat de la caixa per encendre la il·luminació i carregar els telèfons quan es comproven els sensors del bosc. Tot i així, el pes segueix sent un assassí a les espatlles …

Com que el cicle de càrrega és tan ràpid, no us preocupeu mai de quedar-vos sense electricitat. Puc connectar-lo durant 20 minuts (o menys segons el nivell actual) a qualsevol lloc i ser bo per passar més d’una hora d’ús intensiu.

Un dels inconvenients d’aquest disseny és que sembla molt sospitós per a un transeünt … No ho assumiria en transport públic. Si més no, no l’utilitzeu a prop d’una multitud. Alguns amics m'han dit que hauria d'haver fet que sembli una mica menys "amenaçador".

Però, en definitiva, em vaig divertir construint aquest projecte i he après bastant sobre com aplicar la tecnologia del supercondensador a altres projectes en el futur. A més, ajustar tot a la maleta era un trencaclosques en 3D que no resultava massa frustrant, fins i tot un repte força interessant.

Si teniu cap pregunta, feu-m'ho saber.