Super Capacitor Powered Raspberry Pi -kannettava: 5 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Riippuen yleisestä kiinnostuksesta tätä projektia kohtaan, voin lisätä muita vaiheita jne., Jos se auttaa yksinkertaistamaan hämmentäviä osia.

Olen aina ollut kiinnostunut uudemmasta kondensaattoritekniikasta, joka ilmestyy vuosien varrella, ja ajattelin, että olisi hauskaa kokeilla niiden käyttöönottoa akun parina. Työskentelin tämän parissa paljon omituisia ongelmia, koska niitä ei ole suunniteltu tätä sovellusta silmällä pitäen, mutta halusin kertoa, mitä olen löytänyt ja testannut.

Tämä korostaa enemmän lataamisen ja virran ottamisen vaikeuksia mobiilisovelluksen superkondensaattoripankista (vaikka kuinka raskas se on, se ei ole niin mobiili …).

Ilman alla olevia suuria opetusohjelmia tämä ei olisi toteutunut:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Perusteellisia tietoja superkondensaattoreista
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Opetus lataus- ja purkauspiirin rakentamiseen
• Yritän kaivaa esiin enemmän käyttämiäni, jos löydän/muistan ne.
• Jos sinulla on aiheeseen liittyviä opetusohjelmia, kerro minulle, jotta voin heittää sen tänne.

Tärkeimmät syyt, miksi halusin kokeilla tätä, ovat:

• Lataus täyteen SECONDS: ssa (suuri ampeeri rajoittaa tämän järjestelmän minuutteihin… turvallisesti).
• Sadat tuhannet latausjaksot ilman hajoamista (yli miljoona oikeissa olosuhteissa).
• Erittäin kapealla tekniikalla, joka voisi löytää tiensä valtavirran akkuteollisuudelle.
• Ympäristöolosuhteet. Tässä käytettävien kondensaattoreiden lämpötilat +60C --60C.
• Lataustehokkuus on> 95% (akut ovat keskimäärin <85%)
• Minusta ne ovat mielenkiintoisia?

Nyt aina tarpeellinen varoitus sähköllä työskenneltäessä … Vaikka loukkaantumisriski on hyvin pieni työskennellessään matalalla ~ 5 V: n jännitteellä, superkondensaattoreiden tuottama uskomaton määrä ampeeria aiheuttaa palovammoja ja paistaa välittömästi komponentteja. tarjoaa erinomaisen selityksen ja turvalliset vaiheet. Toisin kuin paristot, liittimien täydellinen oikosulku ei aiheuta räjähdysvaaraa (vaikka se voi lyhentää superkondensaattorin käyttöikää johdinmitasta riippuen). Todellisia ongelmia voi syntyä, kun ylijännite (latautuu merkityn maksimijännitteen ohi), jossa superkondensaattorit vilisevät, "ponnahtavat" ja kuolevat savuisessa sotkussa. Äärimmäisissä tapauksissa sinetti ponnahtaa melko äänekkäästi.

Esimerkkinä siitä, kuinka paljon virtaa voidaan vapauttaa, pudotin 16 G: n kuparilangan täyteen ladatun pankin poikki 5 V: n virralla (tietysti vahingossa), ja johdin sokaisi hieman valkoisen ja vihreän salaman räjähtäessä palaessaan. Alle sekunnissa 5 cm: n lanka oli poissa. Satoja vahvistimia kulkee langan yli alle sekunnissa.

Astuin kannettavaksi alustana, kun minulla oli Raspberry Pi makaamassa, alumiininen matkalaukku, kioskinäppäimistö ja 3D -tulostin prototyyppiä varten. Alun perin ajatus oli rakentaa tämä kannettava tietokone vain siten, että se voisi toimia 10-20 minuuttia pienellä vaivalla. Kun huone oli ylimääräinen matkalaukussa, oli liian houkuttelevaa yrittää saada enemmän irti tästä projektista täyttämällä lisää superkondensaattoreita.

Tällä hetkellä käytettävän virran määrä on alle YKSI KOKO 3,7 V: n 2 Ah: n litiumioniakun. Vain noin 7 Wh teho. Ei hämmästyttävää, mutta latausaika on alle 15 minuuttia tyhjästä, se on ainakin mielenkiintoinen.

Valitettavasti vain noin 75% kondensaattoreihin tallennetusta tehosta voidaan vetää pois tämän järjestelmän avulla … Paljon tehokkaampi järjestelmä voitaisiin ehdottomasti ottaa käyttöön virran ottamiseksi pienemmillä jännitteillä noin 1 V tai vähemmän. En vain halunnut käyttää enemmän rahaa tähän, samoin kuin alle 2 V kondensaattoreissa jättää vain noin 2Wh tehoa 11Wh: n kokonaismäärästä.

Käyttämällä pienitehoista 0,7-5 V-5 V -muunninta (~ 75-85%: n hyötysuhde) pystyin lataamaan 11 Wh: n matkapuhelimen akun 3%: sta 65%: iin kondensaattoripankin avulla (vaikka puhelimet ovat erittäin tehottomia latauksessa, jossa 60-80 % syöttötehosta on todella tallennettu).

Tässä projektissa käytettäville osille on luultavasti parempia osia kuin minulla oli käsillä. Mutta tässä ne ovat:

• 6x superkondensaattorit (2.5V, 2300 Farad - auton regeneratiivisesta jarrujärjestelmästä. Löytyy Ebayssa jne.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x 5V virtalähde (käytän 5,5 "AMOLED -näyttöä HDMI -ohjainkortilla)
• 2x ATTiny85-mikro-ohjainta (sisällytän ohjelmoinnin)
• 2x 0,7V-5V-vakio 5V 500mA DC-DC-muuntimet
• 4x 1,9V-5V-vakio 5V 1A DC-DC-muuntimet
• 1x matkalaukku
• 3x 6A PWM -yhteensopivat mosfetit
• 2x 10A Schottky -diodit
• 10x alumiininen T-urakehys (liitoksilla jne. Riippuu siitä, mitä haluat käyttää esineiden pitämiseen paikoillaan)
• kioskin näppäimistö
• 20W 5V aurinkopaneeli
• USB -mikro -USB -kaapelit
• HDMI -kaapeli
• Valikoima sähköisiä peruskomponentteja ja prototyyppikortteja.
• monia 3D -tulostettuja osia (sisällytän.stl -tiedostot)

Nämä osat voidaan helposti vaihtaa sopivampiin/tehokkaampiin osiin, mutta tämä oli minulla käsillä. Myös ulottuvuusrajoitukset muuttuvat sen mukaan, mitä komponentteja valitaan.

Jos sinulla on palautetta suunnittelusta, älä epäröi jättää kommenttia!

Vaihe 1: Virtaominaisuudet

Antaa käsityksen siitä, mitä odottaa tehollisesti käytettäessä kondensaattoreita johonkin, jota niitä ei todellakaan ole suunniteltu:

Kun kondensaattoripankin jännite putoaa liian alhaiseksi (1,9 V), ATTinys on ohjelmoitu olemaan kytkemättä virtaa mihinkään järjestelmän osiin. Tämä on vain varmistaaksemme, että komponentit eivät saa virtaa, kun ne eivät voi toimia tasaisesti pienemmillä jännitteillä.

Tämä järjestelmä toimii DC-DC-muuntimilla jännitteillä 4,5 V-1,9 V kondensaattoripankista.

Latausjännite voi olla 5V - 5,5V (korkeintaan 5A 5,5V). 5V 10A tai korkeammat adapterit vahingoittavat mosfetia ja polttavat sen puoleen PWM -latausnopeuteen.

Kondensaattoreiden latausominaisuuksien perusteella logaritminen/eksponentiaalinen latausnopeus olisi paras, koska tehon työntäminen on vaikeampaa, kun lähetät täyden latauksen … mutta en koskaan saanut matemaattista toimintoa toimimaan kelluvien tyyppisten muuttujien kanssa ATTiny jostain syystä. Jotain katseltavaa myöhemmin …

Täydellä prosessointiteholla arvioitu käyttöaika on 1 tunti. Tyhjäkäynnillä 2 tuntia.

LowRa -lähetin -vastaanottimen käyttö lyhentää käyttöikää vielä ~ 15%. Ulkoisen laserhiiren käyttö lyhentää elämää vielä ~ 10%.

Alempi kondensaattoripankin jännite = vähemmän tehokkuutta muuntamalla 5 V: ksi teho -osiksi. Noin 75% 2 V: n kondensaattorin latauksella, jolloin muuntajissa häviää paljon lämpöä lämmönlähteenä.

Kun tietokone on kytketty, se voi toimia loputtomasti käyttämällä 5,3 V: n 8A -sovitinta. Käyttämällä 2A -sovitinta järjestelmä vaatii täyden latauksen ennen käynnistämistä rajoittamatonta käyttöä varten. ATTiny PWM -latausnopeus on vain 6,2% syötetystä tehosta, kun kondensaattoripankki on 1,5 V tai vähemmän, joka nousee lineaarisesti 100%: n latausnopeuteen täydellä latauksella.

Tämän järjestelmän lataaminen kestää kauemmin pienemmällä virrankulutussovittimella. Latausaika 2–4,5 V ilman, että kondensaattoripankista virtaa mitään:

• 5,2 V: n 8A-sovitin kestää 10-20 minuuttia (yleensä noin 13 minuuttia).
• 5.1V 2A-sovitin kestää 1-2 tuntia. Koska diodit pudottavat jännitettä noin 0,6 V, jotkut adapterit täsmälleen 5 V: lla eivät koskaan lataa tätä järjestelmää täyteen. Tämä on kuitenkin ok, koska sovitin ei vaikuta negatiivisesti.
• 20 W: n aurinkopaneeli täydessä auringonvalossa on 0,5-2 tuntia. (paljon vaihtelua testauksen aikana).

On luontainen ongelma käyttää kondensaattoreita, joissa ne eivät pidä varaustaan kovin kauan, mitä lähempänä olet maksimijännitettä.

Ensimmäisten 24 tunnin aikana kondensaattoripankki purkautuu keskimäärin 4,5 V: sta 4,3 V. Sitten seuraavien 72 tunnin aikana se laskee hitaasti melko vakioon 4,1 V. ATTinys yhdistettynä pieneen itsepurkautumiseen alentaa jännitettä 0,05-0,1 V päivässä ensimmäisen 96 tunnin jälkeen (eksponentiaalisesti hitaampi, kun jännite putoaa lähemmäksi nollaa). Kun jännite on 1,5 V ja sitä pienempi, kondensaattoripankin jännite laskee noin 0,001-0,01 V päivässä lämpötilan mukaan.

Kun tämä kaikki otetaan huomioon, konservatiivinen arvio on purkaus 0,7 V: een ~ 100 päivässä. Jätin tämän istunnon 30 päiväksi ja minulla oli edelleen hieman yli 3,5 V.

Tämä järjestelmä voi toimia loputtomasti suorassa auringonvalossa.

* * * HUOMAUTUS: * * Tämän järjestelmän kriittinen jännite on 0,7 V, jossa ATTinys-virtalähteen DC-DC-muuntimet epäonnistuvat. Onneksi mosfet -latausnopeus ohjaa itseään ~ 2% korkealle, kun virta kytketään tällä tai pienemmällä jännitteellä, mikä mahdollistaa latautumisen. En ole vieläkään ymmärtänyt MIKSI näin tapahtuu, mutta se on onnekas bonus.

Minun piti ladata ja purkaa kondensaattoripankki ~ 15 kertaa, ennen kuin ne tasapainottivat kemiallisesti ja pitivät kunnollisen varauksen. Kun liitin ne ensimmäistä kertaa, olin erittäin turhautunut ladatun latauksen määrään, mutta se paranee paljon ensimmäisten 15 täyden lataussyklin aikana.

Vaihe 2: Pi -tehonsäädin

Jotta Pi kytkettäisiin päälle ja pois, minun täytyi ottaa käyttöön tehonsäädin, jossa on 4 DC-DC-muunninta ja mosfet.

Valitettavasti Pi vetää noin 100 mA, vaikka se olisi pois päältä, joten minun oli lisättävä mosfet, jotta se katkaisi virran kokonaan. Kun tehonsäädin on käynnissä, vain ~ 2 mA hukkaantuu täydellä latauksella (~ 0,5 mA pienellä latauksella).

Pohjimmiltaan ohjain toimii seuraavasti:

1. Säätää kondensaattoreiden jännitetasoa alle 2,5 V, jotta vältetään ylijännite latauksen aikana.
2. Neljä DC-DC-laitetta (enintään 1A, yhteensä 4A) vetää suoraan kondensaattoreista 4,5 V-1,9 V vakio 5,1 V: lle.
3. Painikkeen painalluksella mosfet antaa virran virrata Pi: hen. Toinen puristin katkaisee virran.
4. ATTiny tarkkailee kondensaattoripankin jännitetasoa. Jos liian alhainen, mosfetia ei voi kytkeä päälle.

Hopeapainike, kun sitä painetaan, osoittaa kondensaattoripankin jäljellä olevan tehon. 10 vilkkuu 4,5 V ja 1 2,2 V jännitteellä. Aurinkopaneeli voi ladata täyden 5 V: n virran ja vilkkuu 12 kertaa tällä tasolla.

Kondensaattorin jännitettä säädetään vihreillä 2,5 V: n säätimillä, jotka poistavat ylimääräisen tehon. Tämä on tärkeää, koska aurinkopaneeli lataa passiivisesti kondensaattoreita 10A-diodin kautta suoraan 5,2 V: iin asti, mikä lataisi ne liikaa.

DC-DC-muuntimet kykenevät tuottamaan jopa 1A kukin, ja ne ovat muuttuvaa vakiojännitettä. Käyttämällä yläosassa olevaa sinistä potentiometriä jännite voidaan asettaa mille tahansa haluamallesi tasolle. Asetin ne 5,2 V: ksi, joka putoaa noin 0,1 V mosfetin poikki. Yksi on pienin hieman korkeampi jännite kuin muut ja kuumenee kohtalaisesti, mutta toiset käsittelevät Pi: n virtapiikkejä. Kaikki 4 muunninta voivat käsitellä jopa 4 A: n virtapiikkejä täydellä kondensaattorin latauksella tai 2 A pienellä varauksella.

Muuntimet vetävät ~ 2mA lepovirtaa täydellä latauksella.

Liitteenä on Arduino -luonnos, jota käytän tämän tekemiseen ATTiny -ohjelmalla (paljon muistiinpanoja lisätty). Painike on liitetty keskeytykseen vetääksesi ATTiny pois unesta ja käynnistääksesi Pi: n. Jos virta on liian alhainen, virran merkkivalo vilkkuu 3 kertaa ja ATTiny asetetaan takaisin nukkumaan.

Jos painiketta painetaan toisen kerran, Pi -virta katkaistaan ja ATTiny siirtyy nukkumaan seuraavaan painallukseen saakka. Tämä käyttää muutamaa sataa nanovahvistinta lepotilassa. ATTiny käyttää 500 mA: n tasavirtamuuntajaa, joka voi tarjota vakion 5 V: n jännitteen vaihtelusta 5 V-0,7 V.

Virtakotelo on suunniteltu TinkerCADilla (kuten kaikki muut 3D -tulosteet) ja painettu.

Katso piiristä karkeasti piirretty kaavio.

Vaihe 3: Latausjärjestelmä

Latausohjain koostuu kolmesta osasta:

1. Ohjainpiiri, jota käyttää ATTiny
2. Mosfetit ja diodit (ja tuuletin jäähdytykseen)
3. Käytän kannettavan tietokoneen virtalähteenä 5.2V 8A -laturia

Ohjainpiiri herää 8 sekunnin välein ja tarkistaa, onko latausportissa maadoitus. Jos latausjohto on kytketty, tuuletin käynnistyy ja latausprosessi alkaa.

Kun kondensaattoripankki lähestyy ja lähenee täyttä latausta, mosfetia ohjaava PWM -signaali kasvaa lineaarisesti 100%: iin PÄÄLLÄ 4,5 V: n jännitteellä. Kun tavoitejännite on saavutettu, PWM -signaali kytketään pois päältä (4,5 V). Odota sitten, kunnes määritetty alaraja saavutetaan, jotta lataus alkaa uudelleen (4,3 V).

Koska diodit pudottavat latausjännitteen 5,2 V: sta ~ 4,6 V: iin, voisin teoriassa jättää laturin toimimaan 24/7 jännitteen katolla noin 4,6-4,7 V. Latausaika purkautumiseen täyteen tai lähes täyteen on noin <1 minuutti latausta ja 5 minuuttia purkamista.

Kun latausjohto irrotetaan, ATTiny siirtyy uudelleen nukkumaan.

Mosfetit ovat Ebaysta. Niitä voidaan ohjata 5 V: n PWM -signaalilla, ja ne voivat käsitellä jopa 5 A. Tämä on positiivisella linjalla, jossa käytetään kolmea 10A Schottky-diodia estämään takaisinvirtaus seinälaturiin. Tarkista diodin suuntaus ENNEN kuin kytket seinälaturiin. Jos virta on suunnattu väärin, jotta virta kulkee kondensaattoreista seinälaturiin, laturi kuumenee hyvin ja todennäköisesti sulaa, kun se kytketään kannettavaan tietokoneeseen.

5 V: n tuuletinta ohjaa seinälaturi ja se jäähdyttää muita komponentteja, kun ne kuumenevat alle puoleen lataukseen.

Lataaminen 5,2 V: n 8 A: n laturilla kestää vain muutaman minuutin, kun 5 V: n 2 A: n laturilla kestää yli tunnin.

PWM -signaali mosfetille sallii vain 6% tehosta 1,5 V: n tai sitä pienemmällä nopeudella kiipeämällä lineaarisesti 100%: iin 4,5 V: n täyteen varaukseen. Tämä johtuu siitä, että kondensaattorit toimivat kuolleena oikosulkuna pienemmillä jännitteillä, mutta niitä tulee eksponentiaalisesti vaikeampaa ladata sitä lähemmäksi tasausta.

20 W: n aurinkopaneeli käyttää pientä 5,6 V: n 3,5 A: n USB -latauspiiriä. Tämä syötetään suoraan 10A diodin kautta kondensaattoripankkiin. 2,5 V: n säätimet estävät kondensaattoreita ylikuormittamasta. On parasta olla jättämättä järjestelmää auringossa pidemmäksi aikaa, koska säätimet ja latauspiiri voivat kuumentua melkoisesti.

Katso liitteenä oleva Arduino Sketch, toinen huonosti piiritetty piirikaavio ja. STL -tiedostot 3D -tulostetuille osille.

Piirin kytkennän selittämiseksi latausohjaimessa on yksi rivi laturin tulojännitteen testaamiseksi ja yksi linja mosfet -moduulien pwm -nastoihin.

Mosfet -moduulit on maadoitettu kondensaattoripankin negatiiviselle puolelle.

Tämä piiri ei sammu ilman puhallinta, joka on kytketty kondensaattoreiden negatiiviselta puolelta laturin tulon yläpuolelle. Koska korkea puoli on diodien ja mosfettien takana, hyvin vähän virtaa menee hukkaan, koska vastus on yli 40 kt. Tuuletin vetää yläpuolen matalalle, kun latauslaite ei ole kytkettynä, mutta ei vie tarpeeksi virtaa sen laskemiseksi, kun laturi on kytkettynä.

Vaihe 4: Kondensaattoripankki + käytetyt muut 3D -tulosteet

Käytetyt kondensaattorit ovat 6x 2.5V @ 2300F superkondensaattoreita. Ne on järjestetty kahteen sarjaan kolmen rinnakkain. Tämä tulee pankki 5V @ 3450F. Jos KAIKKI energia voitaisiin ottaa kondensaattoreista, ne voivat tuottaa ~ 11Wh virtaa tai 3,7V 2,5Ah litiumioniakkua.

Linkki tietolomakkeeseen:

Yhtälöt, joita käytin kapasitanssin ja sen jälkeen käytettävissä olevien wattituntien laskemiseen:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Käytetään 4,5V - 1,9V käytettävissä olevaa potentiaalia 3450F kondensaattoreilla (((C*) (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joulea Yhteensä ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoulea / 3600 sekuntia = Wattituntia 28704/3600 = 7,97 Wh (suurin käytettävissä oleva teoreettinen teho)

Tämä pankki on erittäin suuri. 5 cm pitkä x 36 cm pitkä x 16 cm leveä. Se on melko raskasta, kun se sisältää käyttämäni alumiinirungon … Noin 5 kg tai 11 lbs, ilman matkalaukkua ja kaikkia muita oheislaitteita.

Liitin kondensaattorin liittimet 50A -liittimillä, jotka oli juotettu yhdessä 12 -kokoisen kuparilangan kanssa. Tämä välttää vastustavan pullonkaulan liittimissä.

Käyttämällä alumiinista T-palkkikehystä kannettava tietokone on uskomattoman tukeva (tosin myös erittäin raskas). Kaikki komponentit pidetään paikallaan tällä kehyksellä. Vie vain vähän tilaa kannettavassa tietokoneessa ilman, että sinun tarvitsee porata reikiä kaikkialle koteloon.

Tässä projektissa käytettiin monia 3D -tulostettuja kappaleita:

• Kondensaattoripankkien haltijat täynnä
• Kondensaattoripankin pidikkeet
• Kondensaattoripidikkeet alhaalla
• Erotin positiivisten ja negatiivisten kondensaattoriliittimien välillä
• Raspberry Pi -pidikelevy
• Yläsuojat näppäimistön ja kondensaattoreiden ympärille (vain esteettinen)
• AMOLED -näytön pidike ja kansi
• AMOLED -ohjainkortin pidike
• HDMI- ja USB -johto -ohjaimet Pi -ohjaimen näyttöön
• Painike ja LED -levyn yläosa pääsy virranhallintaan
• muut lisätään, kun tulostan ne

Vaihe 5: Johtopäätös

Koska tämä oli vain harrastusprojekti, uskon sen osoittaneen, että superkondensaattoreita voidaan käyttää kannettavan tietokoneen virtalähteenä, mutta luultavasti ei pitäisi käyttää kokorajoituksia. Tässä projektissa käytettyjen kondensaattoreiden tehotiheys on yli 20 kertaa vähemmän tiheä kuin litiumioniakut. Lisäksi paino on järjetön.

Tästä huolimatta tällä voi olla eri käyttötarkoituksia kuin perinteisellä kannettavalla tietokoneella. Esimerkiksi käytän tätä kannettavaa tietokonetta enimmäkseen aurinkolatauksesta. Sitä voidaan käyttää metsässä murehtimatta liikaa akun lataamisesta ja purkamisesta useita kertoja päivässä. Olen hieman muuttanut järjestelmää alkuperäisen rakentamisen jälkeen siten, että kotelon toisella puolella on 5v 4A -pistorasia valaistuksen ja puhelimien lataamiseksi, kun tarkistat antureita metsässä. Paino on silti olkapää tappaja…

Koska latausjakso on niin nopea, sinun ei tarvitse koskaan huolehtia siitä, että virta loppuu. Voin kytkeä sen 20 minuutiksi (tai vähemmän riippuen nykyisestä tasosta) mihin tahansa ja olla hyvä mennä yli tunnin intensiiviseen käyttöön.

Yksi tämän suunnittelun haittapuoli on se, että se näyttää ohikulkijalle erittäin epäilyttävältä… En ottaisi tätä julkiseen liikenteeseen. Älä ainakaan käytä sitä väkijoukon lähellä. Muutamat ystävät ovat sanoneet minulle, että minun olisi pitänyt saada se näyttämään hieman vähemmän "uhkaavalta".

Mutta kaiken kaikkiaan minulla oli hauskaa rakentaa tämä projekti ja olen oppinut melko paljon siitä, miten soveltaa superkondensaattoritekniikkaa muihin projekteihin tulevaisuudessa. Kaiken matkalaukkuun asettaminen oli myös 3D -palapeli, joka ei ollut liian turhauttava, jopa varsin mielenkiintoinen haaste.

Jos sinulla on kysyttävää, kerro minulle!