Superkondensator Powered Raspberry Pi Laptop: 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:35

Beroende på det allmänna intresset för detta projekt kan jag lägga till fler steg osv om det hjälper till att förenkla förvirrande komponenter.

Jag har alltid varit fascinerad av den nyare kondensatortekniken som dykt upp genom åren och tyckte att det skulle vara kul att prova att implementera dem som ett batteri av olika slag för skojs skull. Det var många knäppa problem jag stötte på när jag arbetade med detta eftersom de inte är utformade med denna applikation i åtanke, men ville dela med mig av vad jag har upptäckt och testat.

Detta är mer för att belysa svårigheterna med laddning och att dra ström från en bank med superkondensatorer i en mobilapplikation (men med hur tung den är är den inte så mobil …).

Utan de stora självstudierna nedan hade detta inte blivit av:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Fördjupad information om superkondensatorer
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Handledning för att bygga en laddnings- och urladdningskrets
• Jag kommer att försöka gräva fram mer som jag använde om jag kan hitta/komma ihåg dem.

• Om du har några självstudier som du tycker är relevanta, meddela mig så jag kan kasta in den här.

De främsta anledningarna till att jag ville prova detta är:

• Laddning för fullt inom SECONDS (involverad hög strömstyrka begränsar detta system till minuter … säkert).
• Hundratusentals laddningscykler utan nedbrytning (över en miljon under rätt förhållanden).
• En mycket nischad teknik som kan hitta sin väg in i den vanliga batteriindustrin.
• Miljöförhållanden. Temperaturer på +60C till -60C för kondensatorerna som används här.
• Laddningseffektiviteten är> 95% (batterierna är i genomsnitt <85%)
• Jag tycker att de är intressanta?

Nu för den alltid nödvändiga varningen när du arbetar med elektricitet … Även om det är mycket liten risk för skada vid låga spänningar på ~ 5V, kommer den otroliga mängden ampere som superkondensatorer kan mata ut att orsaka brännskador och omedelbart steka komponenter. Den första artikeln nämns ger en utmärkt förklaring och säkert steg. Till skillnad från batterier riskerar inte en explosion att kortsluta terminalerna helt (även om det kan förkorta superkondensatorns livslängd beroende på trådmätaren). Verkliga problem kan uppstå när överspänning (laddning förbi den markerade maxspänningen) där superkondensatorerna kommer att fräsa, 'pop' och dör i en rökig röra. Extrema fall kan vara där förseglingen dyker upp ganska högt.

Som ett exempel på hur mycket ström som kan släppas tappade jag en 16 gauge koppartråd över den fulladdade banken vid 5V (av misstag naturligtvis) och blev lite blind av att tråden exploderade i en vit och grön blixt när den brann. På under en sekund var den 5 cm långa ledningen borta. Hundratals förstärkare som färdades över tråden på mindre än en sekund.

Jag bosatte mig på en bärbar dator som en plattform eftersom jag hade en Raspberry Pi liggande, en aluminiumväska, ett kiosktangentbord och en 3D -skrivare att prototypa på. Ursprungligen var tanken att bygga den här bärbara datorn bara så att den kunde köras i 10-20 minuter med minimal ansträngning. Med rummet jag hade extra i resväskan var det för frestande att försöka pressa mer ur detta projekt genom att pressa in fler superkondensatorer.

För närvarande är mängden användbar effekt mindre än för ett ENKELT 3,7V 2Ah litiumjonbatteri. Endast cirka 7Wh effekt. Inte häpnadsväckande, men med en laddningstid på mindre än 15 minuter från tomt, är det åtminstone intressant.

Tyvärr kan bara cirka 75% av lagrad effekt i kondensatorerna dras ut med detta system … Ett mycket mer effektivt system skulle definitivt kunna implementeras för att dra ström vid lägre spänningar runt 1V eller mindre. Jag ville bara inte spendera mer pengar på detta, och under 2V i kondensatorerna lämnar bara cirka 2Wh ström tillgänglig av totalt 11Wh totalt.

Med hjälp av en låg effekt 0,7-5V till 5V omvandlare (~ 75-85% effektivitet) kunde jag ladda mitt 11Wh mobiltelefonbatteri från 3% till 65% med hjälp av kondensatorbanken (även om telefoner är extremt ineffektiva vid laddning, där 60-80 % av ingångseffekten lagras faktiskt).

För delar som används i det här projektet finns det förmodligen bättre delar att använda än jag hade till hands. Men här är de:

• 6x superkondensatorer (2,5V, 2300 Farad - från ett bilens regenerativa bromssystem. Finns på Ebay, etc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V driven display (jag använder en 5.5 "AMOLED -skärm med HDMI -styrkort)
• 2x ATTiny85 mikrokontroller (jag kommer att inkludera programmeringen)
• 2x 0,7V-5V till konstant 5V 500mA DC-DC-omvandlare
• 4x 1.9V-5V till konstant 5V 1A DC-DC-omvandlare
• 1x resväska
• 3x 6A PWM -kapabla mosfeter
• 2x 10A Schottky -dioder
• 10x aluminium T-spårram (med skarvar etc. beror på vad du vill använda för att hålla saker på plats)
• kiosktangentbord
• 20W 5V solpanel
• USB till mikro USB -kablar
• HDMI -kabel
• Sortiment av grundläggande elektriska komponenter och prototyper.
• många 3D -tryckta delar (jag kommer att inkludera.stl -filerna)

Dessa delar kan enkelt bytas ut mot mer lämpliga/effektiva delar, men det här är vad jag hade till hands. Dimensionsbegränsningar kommer också att förändras med vilka komponenter som väljs.

Om du har feedback på designen, tveka inte att lämna en kommentar!

Steg 1: Effektegenskaper

För att ge en uppfattning om vad man kan förvänta sig energimässigt när man använder kondensatorer för något de definitivt inte var avsedda för:

När kondensatorns bankspänning sjunker för lågt (1,9V) har ATTinys programmerats att inte slå på några systemkomponenter. Detta är bara för att säkerställa att komponenterna inte drar någon ström när de inte kan köras konsekvent vid lägre spänningar.

Detta system körs med DC-DC-omvandlare vid spänningsnivåer på 4,5V till 1,9V från kondensatorbanken.

Ingångsladdningsspänning kan vara från 5V till 5,5V (högst 5A vid 5,5V). Adapter på 5V 10A eller högre kommer att skada mosfeten och bränna ut den med en halv PWM laddningshastighet.

Med kondensatorernas laddningsegenskaper skulle en logaritmisk/exponentiell laddningshastighet vara bäst, eftersom det blir svårare att pressa kraften när du kommer till full laddning … men jag kunde aldrig få matematikfunktionen att fungera med variabler med flytande typ på ATTiny av någon anledning. Något för mig att titta på senare …

Vid full bearbetningseffekt är ungefärlig körtid 1 timme. I viloläge, 2 timmar.

Genom att använda LowRa -sändtagare reduceras livslängden med ytterligare ~ 15%. Användning av extern lasermus minskar livet med ytterligare ~ 10%.

Lägre kondensatorbankspänning = mindre effektivitet omvandling till 5V till effektkomponenter. Cirka 75% vid 2V kondensatorladdning, där mycket ström går förlorad som värme i omvandlarna.

När den är ansluten kan den bärbara datorn köras på obestämd tid med en 5.3V 8A -adapter. Med en 2A -adapter kräver systemet full laddning innan den slås på för obegränsad användning. ATTiny PWM -laddningshastigheten är bara 6,2% av effektinmatningen när kondensatorbanken är 1,5V eller mindre och stiger linjärt till 100% laddningshastighet vid full laddning.

Detta system tar längre tid att ladda med en lägre strömstyrka. Laddningstid från 2V till 4,5V utan att något rinner ut från kondensatorbanken:

• 5.2V 8A-adapter är 10-20 minuter (vanligtvis cirka 13 minuter).
• 5.1V 2A adapter är 1-2 timmar. Eftersom dioderna tappar spänningen med cirka 0,6V kommer vissa adaptrar på exakt 5V aldrig att ladda detta system helt. Detta är dock ok, eftersom adaptern inte kommer att påverkas negativt.
• 20W solpanel i fullt solljus är 0,5-2 timmar. (mycket variation under testning).

Det finns det inneboende problemet med att använda kondensatorer där de inte håller sin laddning särskilt länge ju närmare maxspänningen du är.

Under de första 24 timmarna laddar kondensatorbanken själv från 4,5V till 4,3V i genomsnitt. Sedan kommer de närmaste 72 timmarna att sakta sjunka till en ganska konstant 4,1V. ATTinys i kombination med en liten självurladdning kommer att sänka spänningen till 0,05-0,1V per dag efter de första 96 timmarna (exponentiellt långsammare när spänningen sjunker närmare noll). Vid 1,5V och lägre sjunker kondensatorns bankspänning med cirka 0,001-0,01V per dag beroende på temperatur.

Med allt detta beaktat skulle en konservativ approximation vara en urladdning till 0,7V på ~ 100 dagar. Jag lämnade detta sittande i 30 dagar och var fortfarande kvar med drygt 3,5V.

Detta system kan köras på obestämd tid i direkt solljus.

* * * OBS! * * Systemets kritiska spänning är 0,7V där DC-DC-omvandlarna som driver ATTinys kommer att misslyckas. Lyckligtvis kommer mosfet -kontrollerande laddningshastighet att dra sig ~ 2% hög när strömmen är ansluten till denna spänning eller lägre, vilket möjliggör långsam laddning. Jag har fortfarande inte kommit på varför det händer, men det är en lycklig bonus.

Jag var tvungen att ladda och ladda ut kondensatorbanken ~ 15 gånger innan de balanserade kemiskt och höll en anständig laddning. När jag först kopplade till dem var jag extremt frustrerad över mängden lagrad laddning, men det blir mycket bättre under de första 15 hela laddningscyklerna.

Steg 2: Pi Power Controller

För att slå på och av Pi måste jag implementera en effektregulator med 4 DC-DC-omvandlare och en mosfet.

Tyvärr drar Pi cirka 100mA även när den är avstängd, så jag var tvungen att lägga till mosfeten för att helt bryta strömmen till den. Med strömkontrollen i spel slösas endast ~ 2mA bort vid full laddning (~ 0,5mA vid låg laddning).

I huvudsak gör regulatorn följande:

1. Reglerar spänningsnivån under 2,5V i kondensatorerna för att undvika överspänning under laddning.
2. Fyra DC-DC (1A max vardera, 4A totalt) drar direkt från kondensatorerna från 4,5V till 1,9V för en konstant 5,1V.
3. Med ett tryck på en knapp tillåter mosfeten ström till Pi. En annan press bryter strömmen.
4. ATTiny tittar på kondensatorbankens spänningsnivå. Om den är för låg kan inte mosfeten slås på.

Silverknappen, när den är nedtryckt, indikerar den återstående strömmen i kondensatorbanken. 10 blinkar vid 4,5V och 1 vid 2,2V. Solpanelen kan ladda upp till hela 5V och blinkar 12 gånger vid den nivån.

Kondensatorns spänning regleras med de gröna skivans 2.5V -regulatorer som avlägsnar eventuell överflödig effekt. Detta är viktigt eftersom solpanelen passivt laddar kondensatorerna genom en 10A-diod direkt upp till 5.2V vilket skulle överladdas.

DC-DC-omvandlarna kan ge upp till 1A vardera och har variabel konstant spänningsutgång. Med den blå potentiometern på toppen kan spänningen ställas in på vilken nivå du vill. Jag ställde in dem på 5,2V var och en som sjunker cirka 0,1V över mosfeten. Den ena kommer att vara den minsta lite högre spänningsutgången än de andra och blir måttligt varm, men de andra kommer att hantera kraftpikar från Pi. Alla fyra omvandlare kan hantera effektpikar upp till 4A vid full kondensatorladdning, eller 2A vid låg laddning.

Omvandlarna drar ~ 2mA viloläge vid full laddning.

Bifogad är Arduino -skissen jag använder för att få detta gjort med ATTiny (Massor av anteckningar tillagda). Knappen är ansluten till ett avbrott för att dra ATTiny ur sömn och driva Pi. Om strömmen är för låg blinkar strömlampan 3 gånger och ATTiny sätts i viloläge.

Om knappen trycks in en andra gång stängs Pi -strömmen av och ATTiny sätts i viloläge tills nästa knapp trycks. Detta använder några hundra nano -förstärkare i viloläge. ATTiny körs från en 500mA DC DC-omvandlare som kan ge en konstant 5V från en spänningssvängning på 5V-0.7V.

Elhöljet designades på TinkerCAD (liksom alla andra 3D -utskrifter) och trycktes.

För kretsen, se den grovt ritade schemat.

Steg 3: Laddningssystem

Charge Controller består av tre delar:

1. Styrkretsen som drivs av en ATTiny
2. Mosfeterna och dioderna (och fläkten för kylning)
3. Jag använder en 5.2V 8A väggladdare för att driva den bärbara datorn

Styrkretsen vaknar var 8: e sekund för att kontrollera om det finns en jordanslutning på laddningsporten. Om laddningskabeln är ansluten startar fläkten och laddningsprocessen börjar.

När kondensatorbanken kommer allt närmare fulladdning ökas PWM -signalen som styr mosfeten linjärt till 100% ON vid 4,5V. När målspänningen har uppnåtts stängs PWM -signalen av (4,5V). Vänta sedan tills den definierade nedre gränsen har uppnåtts för att börja ladda igen (4,3V).

Eftersom dioderna tappar laddningsspänningen från 5,2V till ~ 4,6V kan jag teoretiskt låta laddaren vara igång 24/7 med spänningen avstängd runt 4,6-4,7V. Laddningstiden till urladdning när den är full eller nästan full är cirka 1 minuts laddning och 5 minuter urladdning.

När laddningskabeln är urkopplad, somnar ATTiny igen.

Mosfeterna är från Ebay. De kan drivas av en 5V PWM -signal och kan hantera upp till 5A vardera. Detta är på den positiva linjen med tre 10A schottky-dioder för att förhindra återflöde till väggladdaren. Dubbelkolla diodorienteringen INNAN du ansluter till väggladdaren. Om den är felriktad så att strömmen kan strömma från kondensatorerna till väggladdaren blir laddaren väldigt varm och troligen smälter när den ansluts till den bärbara datorn.

5V -fläkten drivs av väggladdaren och kyler de andra komponenterna eftersom de blir mycket varma under halvvägs laddning.

Laddning med en 5,2V 8A laddare tar bara några minuter, där som en 5V 2A laddare tar över en timme.

PWM -signalen till mosfet tillåter endast 6% av strömmen genom 1,5V eller mindre klättring linjärt till 100% vid full laddning av 4,5V. Detta beror på att kondensatorer fungerar som en kortslutning vid lägre spänningar, men blir exponentiellt svårare att ladda ju närmare utjämning du kommer.

20W solpanel driver en liten 5,6V 3,5A USB -laddarkrets. Denna matas direkt genom en 10A -diod till kondensatorbanken. 2.5V-regulatorerna hindrar kondensatorerna från överladdning. Det är bäst att inte lämna systemet i solen under längre perioder eftersom regulatorerna och laddarkretsen kan bli ganska het.

Se bifogade Arduino Sketch, ytterligare ett dåligt ritat kretsschema och. STL -filer för 3D -tryckta delar.

För att förklara hur kretsen är ihopkopplad har laddningskontrollen en ledning att testa för ingångsspänning från laddaren och en linje till pwm -stiften på mosfet -modulerna.

Mosfet -modulerna är jordade till kondensatorbankens negativa sida.

Denna krets stängs inte av utan att fläkten är ansluten från kondensatorernas negativa sida till laddarens ingång. Eftersom den höga sidan ligger bakom dioderna och mosfeterna, kommer mycket lite ström att slösas bort eftersom motståndet är över 40k motstånd. Fläkten drar högsidan nedåt medan laddaren inte är ansluten, men tar inte tillräckligt med ström för att få den låg medan laddaren är inkopplad.

Steg 4: Kondensatorbank + Ytterligare 3D -utskrifter används

Kondensatorerna som används är 6x 2.5V @ 2300F superkondensatorer. De har arrangerats i 2 uppsättningar i serie om 3 parallellt. Detta kommer till en bank på 5V @ 3450F. Om ALL energi kunde dras från kondensatorerna kan de ge ~ 11Wh ström eller ett 3,7V 2,5Ah Li-ion-batteri.

Länk till datablad:

Ekvationerna som jag använde för att beräkna kapacitansen och därefter tillgängliga wattimmar:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2,5V 6900F+2,5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Användning 4,5V till 1,9V av tillgänglig potential vid 3450F kondensatorer ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joules Total ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekunder = Wattimmar28704 / 3600 = 7,97 Wh (teoretisk maximal tillgänglig effekt)

Denna bank är väldigt stor. 5 cm hög x 36 cm lång x 16 cm bred. Det är ganska tungt när man inkluderar aluminiumramen jag använde … Cirka 5 kg eller 11 kg, inklusive väskan och alla andra kringutrustning.

Jag kopplade upp kondensatorterminalerna med 50A -kontaktdon lödda tillsammans med 12 gauge koppartråd. Detta undviker att motstå flaskhalsar vid terminalerna.

Med en aluminium T-bar ram är den bärbara datorn otroligt robust (men också mycket tung). Alla komponenter hålls på plats med denna ram. Tar minimal plats i den bärbara datorn utan att behöva borra hål överallt i fodralet.

Många 3D -tryckta bitar användes i detta projekt:

• Kondensatorbankinnehavare fulla
• Kondensatorbankhållare bracers
• Kondensatorhållare botten
• Separator mellan positiva och negativa kondensatorterminaler
• Raspberry Pi hållarplatta
• Topplock för runt tangentbord och kondensatorer (endast för estetik)
• AMOLED skärmhållare och lock
• AMOLED styrkortshållare
• HDMI- och USB -kabelguider för visningskontroller från Pi
• Knapp och LED -plattans toppåtkomst för strömkontroll
• andra kommer att läggas till när jag skriver ut dem

Steg 5: Slutsats

Så eftersom detta bara var ett hobbyprojekt, tror jag att det bevisade att superkondensatorer kan användas för att driva en bärbar dator, men förmodligen inte borde vara för storleksbegränsningar. Effektdensiteten för kondensatorerna som används i detta projekt är mer än 20x mindre tät än litiumjonbatterier. Dessutom är vikten absurd.

Med detta sagt kan detta ha olika användningsområden än en vanlig bärbar dator. Till exempel använder jag den här bärbara datorn mestadels från sol laddning. Den kan användas ute i skogen utan att oroa dig för mycket för att ladda och ladda ur "batteriet" upprepade gånger, flera gånger om dagen. Jag har ändrat systemet något sedan den första byggnaden för att införliva ett 5v 4A -uttag på ena sidan av fodralet för att driva belysning och ladda telefoner när du kontrollerar sensorer i skogen. Vikten är fortfarande en axeldödare …

Eftersom laddningscykeln är så snabb behöver du aldrig oroa dig för att den ska ta slut. Jag kan ansluta den i 20 minuter (eller mindre beroende på nuvarande nivå) var som helst och vara bra att gå i över en timmes intensiv användning.

En nackdel med denna design är att den ser mycket misstänksam ut för en förbipasserande … Jag skulle inte ta detta på kollektivtrafik. Åtminstone inte använda den nära en folkmassa. Jag har fått höra av några vänner att jag borde ha fått det att se lite mindre”hotfullt” ut.

Men allt som allt hade jag roligt med att bygga detta projekt och har lärt mig en hel del om hur man applicerar superkondensatorteknik på andra projekt i framtiden. Att passa allt i resväskan var också ett 3D -pussel som inte var alltför frustrerande, till och med en ganska intressant utmaning.

Om du har några frågor, meddela mig!