Super condensator aangedreven Raspberry Pi-laptop - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Afhankelijk van de algemene interesse voor dit project, kan ik meer stappen toevoegen, enz. Als dat helpt om verwarrende componenten te vereenvoudigen.

Ik ben altijd geïntrigeerd geweest door de nieuwere condensatortechnologie die door de jaren heen opduikt en dacht dat het leuk zou zijn om ze te implementeren als een soort batterij voor de lol. Er waren veel eigenaardige problemen die ik tegenkwam toen ik hieraan werkte, omdat ze niet zijn ontworpen met deze applicatie in gedachten, maar ik wilde delen wat ik heb ontdekt en getest.

Dit is meer om de moeilijkheden van opladen en het trekken van kracht uit een reeks supercondensatoren in een mobiele applicatie te benadrukken (hoewel met hoe zwaar het is, het niet zo mobiel is …).

Zonder de geweldige tutorials hieronder zou dit niet tot wasdom zijn gekomen:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Diepgaande informatie over supercondensatoren
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Zelfstudie om een laad- en ontlaadcircuit te bouwen

• Ik zal proberen meer op te graven dan ik heb gebruikt als ik ze kan vinden / onthouden.

• Als je tutorials hebt waarvan je denkt dat ze relevant zijn, laat het me dan weten zodat ik het hier kan plaatsen.

De belangrijkste redenen waarom ik dit wilde proberen zijn:

• Binnen SECONDEN tot vol opladen (hoge stroomsterkte beperkt dit systeem tot minuten… veilig).
• Honderdduizenden laadcycli zonder degradatie (meer dan een miljoen onder de juiste omstandigheden).
• Een zeer nichetechnologie die mogelijk zijn weg zou kunnen vinden naar de reguliere batterij-industrie.
• Omgevingscondities. Temperaturen van +60C tot -60C voor de hier gebruikte condensatoren.
• Oplaadefficiëntie is >95% (batterijen zijn gemiddeld <85%)
• Ik vind ze interessant?

Nu voor de altijd noodzakelijke waarschuwing bij het werken met elektriciteit … Hoewel er zeer weinig kans op letsel is bij het werken met lage spanningen van ~ 5V, zal de ongelooflijke hoeveelheid stroomsterkte die supercondensatoren kunnen produceren brandwonden veroorzaken en componenten onmiddellijk bakken. Het eerste genoemde artikel geeft een prima uitleg en veilige stappen. In tegenstelling tot batterijen, is er bij het volledig kortsluiten van de aansluitingen geen explosiegevaar (hoewel het de levensduur van de supercondensator kan verkorten, afhankelijk van de draaddikte). Er kunnen zich echte problemen voordoen bij overspanning (opladen voorbij de gemarkeerde maximale spanning), waarbij de supercondensatoren sissen, 'ploffen' en sterven in een rokerige puinhoop. In extreme gevallen kan het zegel behoorlijk luid knallen.

Als voorbeeld van hoeveel stroom kan worden vrijgegeven, liet ik een koperdraad van 16 gauge over de volledig opgeladen bank vallen bij 5V (per ongeluk natuurlijk) en werd enigszins verblind door de draad die in een witte en groene flits explodeerde terwijl deze brandde. In minder dan een seconde was dat stuk draad van 5 cm weg. Honderden versterkers gaan in minder dan een seconde over die draad.

Ik koos voor een laptop als platform omdat ik een Raspberry Pi had liggen, een aluminium koffer, een kiosktoetsenbord en een 3D-printer om op te prototypen. Oorspronkelijk was het idee om deze laptop zo te bouwen dat hij met minimale inspanning 10-20 minuten zou kunnen werken. Met de ruimte die ik extra in de koffer had, was het te verleidelijk om te proberen meer uit dit project te halen door er meer supercondensatoren in te proppen.

Momenteel is de hoeveelheid bruikbaar vermogen lager dan die van een ENKELE 3.7V 2Ah lithium-ionbatterij. Slechts ongeveer 7 Wh vermogen. Niet verbazingwekkend, maar met een oplaadtijd van minder dan 15 minuten van leeg, is het in ieder geval interessant.

Helaas kan met dit systeem slechts ongeveer 75% van het opgeslagen vermogen in de condensatoren worden uitgetrokken… Een veel efficiënter systeem zou zeker kunnen worden geïmplementeerd om vermogen te trekken bij lagere spanningen rond 1V of minder. Ik wilde hier gewoon geen geld meer aan uitgeven, want onder de 2V in de condensatoren blijft er slechts ongeveer 2Wh beschikbaar op een totaal van 11Wh in totaal.

Met behulp van een 0,7-5V naar 5V-converter met laag vermogen (~75-85% efficiëntie) kon ik mijn 11Wh mobiele telefoonbatterij opladen van 3% tot 65% met behulp van de condensatorbank (hoewel telefoons extreem inefficiënt zijn bij het opladen, waar 60-80 % van het ingangsvermogen wordt daadwerkelijk opgeslagen).

Voor onderdelen die in dit project worden gebruikt, zijn er waarschijnlijk betere onderdelen om te gebruiken dan ik bij de hand had. Maar hier zijn ze:

• 6x supercondensatoren (2.5V, 2300 Farad - van een regeneratief remsysteem van een auto. Te vinden op Ebay, enz.)
• 1x Framboos Pi 3
• 1x 5V aangedreven display (ik gebruik een 5,5-inch AMOLED-display met HDMI-controllerkaart)
• 2x ATTiny85 microcontrollers (ik zal de programmering opnemen)
• 2x 0,7V-5V naar constante 5V 500mA DC-DC-converters
• 4x 1.9V-5V naar constante 5V 1A DC-DC converters
• 1x koffer
• 3x 6A PWM-compatibele mosfets
• 2x 10A Schottky-diodes
• 10x Aluminium T-slot frame (met verbindingen etc. hangt af van wat je wilt gebruiken om dingen op hun plaats te houden)
• kiosk toetsenbord
• 20W 5V zonnepaneel
• USB naar micro-USB-kabels
• HDMI kabel
• Assortiment van elektrische basiscomponenten en prototyping boards.
• veel 3D-geprinte onderdelen (ik zal de.stl-bestanden opnemen)

Deze onderdelen kunnen gemakkelijk worden verwisseld voor meer geschikte/efficiënte onderdelen, maar dit is wat ik bij de hand had. Ook zullen dimensiebeperkingen veranderen met welke componenten worden gekozen.

Als je feedback hebt op het ontwerp, aarzel dan niet om een reactie achter te laten!

Stap 1: Vermogenskenmerken

Om een idee te geven van wat u qua vermogen kunt verwachten als u condensatoren gebruikt voor iets waarvoor ze absoluut niet zijn ontworpen:

Wanneer de spanning van de condensatorbank te laag wordt (1,9 V), zijn de ATTinys geprogrammeerd om geen systeemcomponenten aan te zetten. Dit is alleen om ervoor te zorgen dat de componenten geen stroom verbruiken wanneer ze niet consistent op lagere spanningen kunnen werken.

Dit systeem werkt met DC-DC-converters op spanningsniveaus van 4,5 V tot 1,9 V vanaf de condensatorbank.

De ingangslaadspanning kan van 5V tot 5,5V zijn (niet hoger dan 5A bij 5,5V). Adapters van 5V 10A of hoger zullen de mosfet beschadigen en doorbranden bij een halve PWM-laadsnelheid.

Met de oplaadkarakteristieken van de condensatoren zou een logaritmische/exponentiële oplaadsnelheid het beste zijn, omdat het moeilijker wordt om de stroom naar binnen te duwen naarmate je dichter bij de volledige lading komt … maar ik zou de wiskundige functie nooit kunnen laten werken met variabelen van het zwevende type op de ATTiny om de een of andere reden. Iets voor mij om later naar te kijken…

Bij volledige verwerkingskracht is de geschatte looptijd 1 uur. Inactief, 2 uur.

Het gebruik van een LowRa-transceiver verkort het leven met nog eens ~15%. Het gebruik van een externe lasermuis verkort het leven met nog eens ~10%.

Lagere condensatorbankspanning = minder efficiëntie bij het omzetten naar 5V naar voedingscomponenten. Ongeveer 75% bij 2V condensatorlading, waarbij veel vermogen als warmte in de omvormers verloren gaat.

Als de laptop is aangesloten, kan hij onbeperkt werken met een 5.3V 8A-adapter. Met behulp van een 2A-adapter moet het systeem volledig worden opgeladen voordat het wordt ingeschakeld voor onbeperkt gebruik. De ATTiny PWM-laadsnelheid is slechts 6,2% van het opgenomen vermogen wanneer de condensatorbank 1,5 V of minder is, lineair klimmend tot 100% laadsnelheid bij volledige lading.

Dit systeem heeft meer tijd nodig om op te laden met een adapter met een lagere stroomsterkte. Oplaadtijd van 2V naar 4,5V zonder dat er iets van de condensatorbank loopt:

• 5.2V 8A-adapter is 10-20 minuten (meestal ongeveer 13 minuten).
• 5.1V 2A-adapter is 1-2 uur. Omdat de diodes de spanning met ongeveer 0,6V verlagen, zullen sommige adapters van precies 5V dit systeem nooit volledig opladen. Dit is echter goed, omdat de adapter niet negatief wordt beïnvloed.
• 20W zonnepaneel in de volle zon is 0,5-2 uur. (veel variatie tijdens testen).

Er is het inherente probleem van het gebruik van condensatoren waarbij ze hun lading niet erg lang vasthouden naarmate je dichter bij de maximale spanning komt.

Gedurende de eerste 24 uur ontlaadt de condensatorbank zichzelf van gemiddeld 4,5V naar 4,3V. Dan zal de komende 72 uur langzaam dalen tot een redelijk constante 4,1V. De ATTiny's in combinatie met een kleine zelfontlading zullen de spanning na de eerste 96 uur met 0,05-0,1 V per dag verlagen (exponentieel langzamer naarmate de spanning dichter bij nul daalt). Bij 1,5V en lager daalt de spanning van de condensatorbank met ongeveer 0,001-0,01V per dag, afhankelijk van de temperatuur.

Met dit alles in overweging genomen, zou een conservatieve benadering een ontlading tot 0,7 V in ~ 100 dagen zijn. Ik liet dit 30 dagen zitten en had nog steeds iets meer dan 3,5V.

Dit systeem kan onbeperkt werken in direct zonlicht.

* * * OPMERKING: * * De kritische spanning van dit systeem is 0,7 V, waarbij de DC-DC-converters die de ATTinys van stroom voorzien, zullen falen. Gelukkig zal de mosfet die de laadsnelheid regelt zichzelf ~2% hoog trekken wanneer de stroom wordt aangesloten op deze spanning of lager, waardoor langzaam opladen mogelijk is. Ik ben er nog steeds niet achter WAAROM dit gebeurt, maar het is een geluksbonus.

Ik moest de condensatorbank ~15 keer volledig opladen en ontladen voordat ze chemisch in evenwicht waren en een behoorlijke lading vasthielden. Toen ik ze voor het eerst aansloot, was ik extreem gefrustreerd over de hoeveelheid opgeslagen lading, maar het wordt veel beter gedurende de eerste 15 volledige oplaadcycli.

Stap 2: Pi-vermogenscontroller

Om de Pi aan en uit te zetten moest ik een power controller implementeren met 4 DC-DC converters en een mosfet.

Helaas trekt de Pi ongeveer 100 mA, zelfs als hij is uitgeschakeld, dus ik moest de mosfet toevoegen om de stroom volledig uit te schakelen. Met de stroomregelaar in het spel, wordt er slechts ~2mA verspild bij volledige lading (~0,5mA bij lage lading).

In wezen doet de controller het volgende:

1. Regelt het spanningsniveau onder 2,5 V in de condensatoren om overspanning tijdens het opladen te voorkomen.
2. Vier DC-DC (1A max elk, 4A totaal) trekt rechtstreeks van de condensatoren van 4,5V tot 1,9V voor een constante 5,1V.
3. Met een druk op de knop laat de mosfet de stroom naar de Pi stromen. Een andere pers zet de stroom uit.
4. De ATtiny houdt het spanningsniveau van de condensatorbank in de gaten. Als deze te laag is, kan de mosfet niet worden ingeschakeld.

De zilveren knop, wanneer ingedrukt, geeft het resterende vermogen in de condensatorbank aan. 10 knipperingen bij 4,5 V en 1 bij 2,2 V. Het zonnepaneel kan opladen tot de volledige 5V en knippert 12 keer op dat niveau.

De condensatorspanning wordt geregeld met de groene schijf 2,5V-regelaars die overtollig vermogen aftappen. Dit is belangrijk omdat het zonnepaneel de condensatoren passief oplaadt via een 10A-diode rechtstreeks tot 5,2 V, waardoor ze te veel zouden worden opgeladen.

De DC-DC-converters kunnen elk tot 1A leveren en hebben een variabele constante uitgangsspanning. Met behulp van de blauwe potmeter aan de bovenzijde kan de spanning op elk gewenst niveau worden ingesteld. Ik heb ze elk op 5,2 V ingesteld, wat ongeveer 0,1 V over de mosfet daalt. De ene zal het kleinste beetje hogere uitgangsspanning hebben dan de andere en zal matig heet worden, maar de anderen zullen stroompieken van de Pi aan. Alle 4 de converters kunnen stroompieken aan tot 4A bij volledige condensatorlading, of 2A bij lage lading.

De omvormers verbruiken ~2mA ruststroom bij volledige lading.

Bijgevoegd is de Arduino-schets die ik gebruik om dit voor elkaar te krijgen met de ATTiny (veel notities toegevoegd). De knop is bevestigd aan een onderbreking om de ATTiny uit de slaapstand te halen en de Pi van stroom te voorzien. Als het vermogen te laag is, knippert de voedings-LED 3 keer en wordt de ATTiny weer in de slaapstand gezet.

Als de knop een tweede keer wordt ingedrukt, wordt de Pi-stroom uitgeschakeld en wordt de ATTiny weer in de slaapstand gezet tot de volgende druk op de knop. Deze gebruikt een paar honderd nano-ampères in de slaapstand. De ATTiny werkt op een 500mA DC DC-converter die een constante 5V kan leveren bij een spanningsschommeling van 5V-0,7V.

De stroombehuizing is ontworpen op TinkerCAD (net als alle andere 3D-prints) en geprint.

Zie voor de schakeling het grof getekende schema.

Stap 3: Oplaadsysteem

De Charge Controller bestaat uit drie delen:

1. Het controllercircuit aangedreven door een ATTiny
2. De mosfets en diodes (en ventilator voor koeling)
3. Ik gebruik een 5.2V 8A-wandoplader om de laptop van stroom te voorzien

Het controllercircuit wordt elke 8 seconden wakker om te controleren op een verbinding met aarde op de oplaadpoort. Als de laadkabel is aangesloten, start de ventilator en begint het laadproces.

Naarmate de condensatorbank steeds dichter bij de volledige lading komt, wordt het PWM-signaal dat de mosfet bestuurt lineair verhoogd tot 100% AAN bij 4,5 V. Zodra de doelspanning is bereikt, wordt het PWM-signaal uitgeschakeld (4,5 V). Wacht vervolgens tot de gedefinieerde ondergrens is bereikt om opnieuw te beginnen met laden (4,3 V).

Omdat de diodes de laadspanning van 5,2 V naar ~ 4,6 V verlagen, zou ik theoretisch de lader 24/7 kunnen laten werken met een spanning van ongeveer 4,6-4,7 V. De tijd van opladen tot ontladen bij of bijna vol is ongeveer <1 minuut opladen en 5 minuten ontladen.

Wanneer de laadkabel wordt losgekoppeld, gaat de ATTiny weer in slaapstand.

De mosfets zijn van Ebay. Ze kunnen worden aangedreven door een 5V PWM-signaal en kunnen elk tot 5A aan. Dit is op de positieve lijn met behulp van drie 10A schottky-diodes om terugstroming naar de wandlader te voorkomen. Controleer nogmaals de oriëntatie van de diode ALVORENS aan te sluiten op de wandoplader. Als de oplader verkeerd is geplaatst om de stroom van de condensatoren naar de wandoplader te laten stromen, wordt de oplader erg heet en smelt hij waarschijnlijk wanneer deze op de laptop wordt aangesloten.

De 5V-ventilator wordt aangedreven door de wandlader en koelt de andere componenten omdat ze tot halverwege de lading erg heet worden.

Opladen met een 5.2V 8A-oplader duurt slechts enkele minuten, terwijl een 5V 2A-oplader meer dan een uur duurt.

Het PWM-signaal naar de mosfet laat slechts 6% van het vermogen door bij 1,5 V of minder, lineair klimmend tot 100% bij volledige lading van 4,5 V. Dit komt omdat condensatoren werken als een kortsluiting bij lagere spanningen, maar exponentieel moeilijker op te laden worden naarmate u dichter bij de egalisatie komt.

Het 20W zonnepaneel drijft een klein 5,6V 3,5A USB-oplaadcircuit aan. Deze voedt rechtstreeks via een 10A-diode naar de condensatorbank. De 2,5V-regelaars zorgen ervoor dat de condensatoren niet overladen. Het is het beste om het systeem niet voor langere tijd in de zon te laten staan, omdat de regelaars en het laadcircuit behoorlijk heet kunnen worden.

Zie bijgevoegde Arduino Sketch, een ander slecht getekend schakelschema en. STL-bestanden voor de 3D-geprinte onderdelen.

Om uit te leggen hoe het circuit met elkaar is verbonden, heeft de laadregelaar één lijn om te testen op ingangsspanning van de lader en één lijn naar de pwm-pinnen op de mosfet-modules.

De mosfet-modules zijn geaard op de negatieve kant van de condensatorbank.

Dit circuit wordt niet uitgeschakeld zonder dat de ventilator is aangesloten vanaf de negatieve kant van de condensatoren naar de hoge kant van de laderingang. Omdat de hoge kant zich achter de diodes en de mosfets bevindt, zal er zeer weinig stroom worden verspild aangezien de weerstand meer dan 40k weerstand is. De ventilator trekt de hoge kant laag terwijl de oplader niet is aangesloten, maar neemt niet genoeg stroom op om hem laag te brengen terwijl de oplader is aangesloten.

Stap 4: Condensatorbank + extra 3D-afdrukken gebruikt

De gebruikte condensatoren zijn 6x 2.5V @ 2300F supercondensatoren. Ze zijn gerangschikt in 2 sets in series van 3 parallel. Dit komt op een bank van 5V @ 3450F. Als ALLE energie uit de condensatoren zou kunnen worden gehaald, kunnen ze ~11Wh aan vermogen leveren of dat van een 3.7V 2.5Ah Li-ion batterij.

Link naar datasheet:

De vergelijkingen die ik heb gebruikt om de capaciteit en vervolgens de beschikbare wattuur te berekenen:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotaal 2,5V 6900F + 2,5V 6900F(6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5VGebruik van 4,5V tot 1,9V beschikbaar potentieel bij 3450F condensatoren((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joule Totaal((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoule / 3600 seconden = Wattuur28704 / 3600 = 7,97 Wh (theoretisch maximaal beschikbaar vermogen)

Deze bank is erg groot. 5 cm hoog x 36 cm lang x 16 cm breed. Het is vrij zwaar inclusief het aluminium frame dat ik heb gebruikt … Ongeveer 5 kg of 11 lbs, exclusief de koffer en alle andere randapparatuur.

Ik heb de condensatorterminals aangesloten met behulp van 50A-terminalconnectoren die aan elkaar zijn gesoldeerd met koperdraad van 12 gauge. Dit voorkomt een weerstand biedend knelpunt bij de terminals.

Met behulp van een aluminium T-bar frame is de laptop ongelooflijk stevig (maar ook ZEER zwaar). Met dit frame worden alle componenten op hun plaats gehouden. Neemt minimale ruimte in beslag in de laptop zonder dat je overal gaten in de behuizing hoeft te boren.

In dit project zijn veel 3D-geprinte stukken gebruikt:

• Condensatorbankhouders vol
• Condensator bank houder bracers
• Condensator houders onderkant
• Scheidingsteken tussen positieve en negatieve condensatoraansluitingen
• Raspberry Pi houderplaat
• Top covers voor rond toetsenbord en condensatoren (alleen voor esthetiek)
• AMOLED-schermhouder en hoes
• AMOLED-controllerkaarthouder
• HDMI- en USB-draadgeleiders om de controller van Pi. weer te geven
• Toegang via knop en LED-plaat voor stroomregeling
• anderen zullen worden toegevoegd terwijl ik ze afdruk

Stap 5: Conclusie

Dus aangezien dit slechts een hobbyproject was, geloof ik dat het bewees dat supercondensatoren kunnen worden gebruikt voor het voeden van een laptop, maar waarschijnlijk niet voor beperkte afmetingen. De vermogensdichtheid voor de condensatoren die in dit project worden gebruikt, is meer dan 20x minder dicht dan bij Li-ion-batterijen. Ook het gewicht is absurd.

Dat gezegd hebbende, kan dit andere toepassingen hebben dan een conventionele laptop. Ik gebruik deze laptop bijvoorbeeld voornamelijk voor opladen op zonne-energie. Hij kan in het bos worden gebruikt zonder dat u zich al te veel zorgen hoeft te maken over het herhaaldelijk opladen en ontladen van de 'batterij', meerdere keren per dag. Ik heb het systeem sinds de eerste build enigszins aangepast om een 5v 4A-uitgang aan één kant van de behuizing op te nemen om de verlichting van stroom te voorzien en telefoons op te laden bij het controleren van sensoren in het bos. Het gewicht is echter nog steeds een schoudermoordenaar …

Omdat de oplaadcyclus zo snel is, hoef je je nooit zorgen te maken dat de batterij leeg raakt. Ik kan het overal 20 minuten (of minder afhankelijk van het huidige niveau) aansluiten en klaar zijn voor meer dan een uur intensief gebruik.

Een nadeel van dit ontwerp is dat het er voor een voorbijganger erg verdacht uitziet… Ik zou dit niet meenemen in het openbaar vervoer. Gebruik het in ieder geval niet in de buurt van een menigte. Ik heb van een paar vrienden gehoord dat ik het wat minder 'bedreigend' had moeten laten lijken.

Maar al met al heb ik plezier gehad bij het bouwen van dit project en heb ik aardig wat geleerd over het toepassen van supercondensatortechnologie op andere projecten in de toekomst. Ook het passen van alles in de koffer was een 3D-puzzel die niet al te frustrerend was, zelfs een behoorlijk interessante uitdaging.

Als je vragen hebt, laat het me weten!