Laptop Raspberry Pi alimentato a supercondensatore: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

A seconda dell'interesse generale verso questo progetto, posso aggiungere più passaggi, ecc. Se ciò aiuta a semplificare eventuali componenti confusi.

Sono sempre stato incuriosito dalla nuova tecnologia dei condensatori comparsa nel corso degli anni e ho pensato che sarebbe stato divertente provare a implementarli come una sorta di batteria per divertimento. Ci sono stati molti problemi bizzarri che ho riscontrato lavorando su questo perché non sono progettati con questa applicazione in mente, ma volevo condividere ciò che ho scoperto e testato.

Questo è più per evidenziare le difficoltà di caricare e estrarre energia da un banco di supercondensatori in un'applicazione mobile (anche se con quanto è pesante, non è poi così mobile…).

Senza i fantastici tutorial qui sotto, questo non sarebbe stato possibile:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Informazioni approfondite sui supercondensatori
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial per costruire un circuito di carica e scarica

• Cercherò di scavare più di quelli che ho usato se riesco a trovarli/ricordarli.

• Se hai qualche tutorial che ritieni pertinente, fammelo sapere così posso aggiungerlo qui.

I motivi principali per cui ho voluto provare questo sono:

• Ricarica completa in SECONDI (l'alto amperaggio coinvolto limita questo sistema a pochi minuti… in sicurezza).
• Centinaia di migliaia di cicli di carica senza degrado (oltre un milione nelle giuste condizioni).
• Una tecnologia di nicchia che potrebbe trovare la sua strada nel settore delle batterie mainstream.
• Condizioni operative ambientali. Temperature da +60C a -60C per i condensatori utilizzati qui.
• L'efficienza di ricarica è >95% (le batterie sono in media <85%)
• li trovo interessanti?

Ora per l'avvertimento sempre necessario quando si lavora con l'elettricità … Anche se ci sono pochissime possibilità di lesioni lavorando con basse tensioni di ~ 5 V, l'incredibile quantità di amperaggio che i super condensatori possono emettere causerà ustioni e friggerà all'istante i componenti. Il primo articolo menzionato fornisce una spiegazione eccellente e passaggi sicuri. A differenza delle batterie, il cortocircuito completo dei terminali non comporta il rischio di un'esplosione (sebbene possa ridurre la vita del supercondensatore a seconda della sezione del filo). Possono sorgere problemi reali durante la sovratensione (caricando oltre la tensione massima contrassegnata) in cui i super condensatori si esauriranno, "scoppieranno" e moriranno in un pasticcio fumoso. I casi estremi possono essere quelli in cui il sigillo scoppia abbastanza rumorosamente.

Come esempio di quanta potenza può essere rilasciata, ho lasciato cadere un filo di rame calibro 16 attraverso il banco completamente carico a 5 V (accidentalmente ovviamente) e sono stato leggermente accecato dal filo che esplodeva in un lampo bianco e verde mentre bruciava. In meno di un secondo quel pezzo di filo di 5 cm era SCOMPARSO. Centinaia di amplificatori che attraversano quel filo in meno di un secondo.

Ho optato per un laptop come piattaforma poiché avevo un Raspberry Pi in giro, una valigia di alluminio, una tastiera da chiosco e una stampante 3D su cui prototipare. Originariamente l'idea era di costruire questo laptop in modo che potesse funzionare per 10-20 minuti con il minimo sforzo. Con la stanza che avevo in più nella valigia, era troppo allettante provare a tirare fuori di più da questo progetto stipando più supercondensatori.

Attualmente, la quantità di energia utilizzabile è inferiore a quella di una SINGOLA batteria agli ioni di litio da 3,7V 2Ah. Solo circa 7Wh di potenza. Non sorprendente, ma con un tempo di ricarica inferiore a 15 minuti da vuoto, almeno è interessante.

Sfortunatamente, solo il 75% circa della potenza immagazzinata nei condensatori può essere estratta con questo sistema… Un sistema molto più efficiente potrebbe sicuramente essere implementato per estrarre potenza a tensioni più basse intorno a 1V o meno. Non volevo spendere altri soldi per questo e, sotto i 2V nei condensatori, rimangono disponibili solo circa 2Wh di potenza su un totale di 11Wh.

Utilizzando un convertitore da 0,7-5 V a 5 V a bassa potenza (efficienza ~ 75-85%) sono stato in grado di caricare la batteria del mio cellulare da 11 Wh dal 3% al 65% utilizzando il banco di condensatori (sebbene i telefoni siano estremamente inefficienti nella ricarica, dove 60-80 % della potenza in ingresso viene effettivamente immagazzinata).

Per le parti utilizzate in questo progetto, probabilmente ci sono parti migliori da usare rispetto a quelle che avevo a portata di mano. Ma eccoli:

• 6x supercondensatori (2,5 V, 2300 Farad - da un sistema di frenata rigenerativa per auto. Può essere trovato su Ebay, ecc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x display alimentato da 5V (sto usando un display AMOLED da 5,5" con scheda controller HDMI)
• 2x microcontrollori ATTiny85 (includo la programmazione)
• 2x convertitori DC-DC da 0,7V-5V a 5V 500mA costanti
• 4 convertitori CC-CC da 1,9 V-5 V a 5 V 1 A costanti
• 1x valigia
• 3x 6A mosfet compatibili con PWM
• 2x 10A diodi Schottky
• 10x telaio con scanalatura a T in alluminio (con giunti, ecc. Dipende da cosa si desidera utilizzare per tenere le cose in posizione)
• tastiera del chiosco
• Pannello solare 20W 5V
• Cavi da USB a micro USB
• Cavo HDMI
• Assortimento di componenti elettrici di base e schede di prototipazione.
• molte parti stampate in 3D (includerò i file.stl)

Queste parti possono essere facilmente scambiate con parti più appropriate/efficienti, ma questo è quello che avevo a portata di mano. Inoltre, i vincoli di quota cambieranno con i componenti scelti.

Se hai commenti sul design, non esitare a lasciare un commento!

Passaggio 1: caratteristiche di potenza

Per dare un'idea di cosa aspettarsi dal punto di vista energetico quando si utilizzano i condensatori per qualcosa per cui non sono stati sicuramente progettati:

Quando la tensione del banco di condensatori scende troppo bassa (1,9 V), gli ATTiny sono stati programmati per non alimentare alcun componente del sistema. Questo è solo per garantire che i componenti non assorbano energia quando non possono funzionare in modo coerente a tensioni inferiori.

Questo sistema funziona utilizzando convertitori DC-DC a livelli di tensione da 4,5 V a 1,9 V dal banco di condensatori.

La tensione di carica in ingresso può essere compresa tra 5 V e 5,5 V (non superiore a 5 A a 5,5 V). Gli adattatori da 5V 10A o superiori danneggeranno il mosfet e lo bruceranno a metà della velocità di ricarica PWM.

Con le caratteristiche di carica dei condensatori, una velocità di carica logaritmica/esponenziale sarebbe la cosa migliore, poiché diventa più difficile spingere la potenza più ci si avvicina alla carica completa… ma non potrei mai far funzionare la funzione matematica con variabili di tipo flottante sul ATTiny per qualche motivo. Qualcosa per me da guardare più tardi…

Alla massima potenza di elaborazione, il tempo di esecuzione approssimativo è di 1 ora. Inattivo, 2 ore.

L'uso del ricetrasmettitore LowRa riduce la vita di un altro ~ 15%. L'uso di un mouse laser esterno riduce la vita di un altro ~10%.

Tensione del banco di condensatori inferiore = minore efficienza convertendosi a 5V per alimentare i componenti. Circa il 75% a 2V di carica del condensatore, dove molta potenza viene persa sotto forma di calore nei convertitori.

Mentre è collegato, il laptop può funzionare a tempo indeterminato utilizzando un adattatore da 5,3 V 8 A. Utilizzando un adattatore 2A, il sistema richiede una carica completa prima di accendersi per un uso illimitato. La velocità di carica ATTiny PWM è solo il 6,2% della potenza assorbita quando il banco di condensatori è 1,5 V o meno salendo in modo lineare al 100% della velocità di carica a piena carica.

Questo sistema richiede più tempo per la ricarica utilizzando un adattatore di amperaggio inferiore. Tempo di carica da 2 V a 4,5 V senza che nulla fuoriesca dal banco di condensatori:

• L'adattatore da 5,2 V 8 A dura 10-20 minuti (di solito circa 13 minuti).
• L'adattatore da 5,1 V 2 A è di 1-2 ore. Poiché i diodi abbassano la tensione di circa 0,6 V, alcuni adattatori a esattamente 5 V non caricheranno mai completamente questo sistema. Tuttavia, questo è ok, poiché l'adattatore non sarà influenzato negativamente.
• Il pannello solare da 20 W in piena luce solare è di 0,5-2 ore. (molte variazioni durante i test).

C'è il problema intrinseco dell'uso di condensatori in cui non mantengono la carica molto a lungo quanto più ci si avvicina alla tensione massima.

Nelle prime 24 ore, il banco di condensatori si autoscarica in media da 4,5V a 4,3V. Quindi nelle prossime 72 ore scenderà lentamente a 4,1 V abbastanza costanti. L'ATTiny accoppiato con una piccola autoscarica farà scendere la tensione a 0,05-0,1 V al giorno dopo le prime 96 ore (esponenzialmente più lentamente man mano che la tensione si avvicina allo zero). Quando a 1,5 V e inferiore, la tensione del banco di condensatori scende a circa 0,001-0,01 V al giorno a seconda della temperatura.

Tenendo conto di tutto ciò, un'approssimazione conservativa sarebbe una scarica a 0,7 V in ~ 100 giorni. Ho lasciato questa seduta per 30 giorni ed ero ancora con poco più di 3,5 V.

Questo sistema può funzionare indefinitamente alla luce diretta del sole.

* * * NOTA: * * Il voltaggio critico di questo sistema è 0.7V dove i convertitori DC-DC che alimentano l'ATTinys si guastano. Fortunatamente, la velocità di carica che controlla il mosfet si alzerà di circa il 2% quando l'alimentazione è collegata a questa tensione o inferiore, consentendo una ricarica lenta. Non ho ancora capito PERCHÉ questo accade, ma è un bonus fortunato.

Ho dovuto caricare e scaricare completamente il banco di condensatori circa 15 volte prima che si bilanciassero chimicamente e mantenessero una carica decente. Quando li ho collegati per la prima volta, ero estremamente frustrato dalla quantità di carica immagazzinata, ma migliora molto nei primi 15 cicli di carica completi.

Passaggio 2: controller di alimentazione Pi

Per accendere e spegnere il Pi ho dovuto implementare un controller di potenza con 4 convertitori DC-DC e un mosfet.

Purtroppo il Pi assorbe circa 100 mA anche quando è spento, quindi ho dovuto aggiungere il mosfet per interromperlo completamente. Con il controller di alimentazione in funzione, vengono sprecati solo ~ 2 mA a piena carica (~ 0,5 mA a bassa carica).

In sostanza, il controller fa quanto segue:

1. Regola il livello di tensione al di sotto di 2,5 V nei condensatori per evitare sovratensioni durante la carica.
2. Quattro DC-DC (1A max ciascuno, 4A totali) tirano direttamente dai condensatori da 4.5V a 1.9V per un 5.1V costante.
3. Premendo un pulsante, il mosfet consente alla potenza di fluire verso il Pi. Un'altra pressa taglia la corrente.
4. L'ATTiny controlla il livello di tensione del banco di condensatori. Se è troppo basso, il mosfet non può essere attivato.

Il pulsante argentato, quando premuto indica la potenza rimanente nel banco di condensatori. 10 lampeggi a 4,5V e 1 a 2,2V. Il pannello solare può caricare fino a 5V e lampeggia 12 volte a quel livello.

La tensione del condensatore è regolata con i regolatori a disco verde da 2,5 V che scaricano l'eventuale potenza in eccesso. Questo è importante perché il pannello solare carica passivamente i condensatori attraverso un diodo da 10 A direttamente fino a 5,2 V che li sovraccaricherebbe.

I convertitori DC-DC sono in grado di fornire fino a 1A ciascuno e sono in uscita a tensione costante variabile. Usando il potenziometro blu in alto, la tensione può essere impostata a qualsiasi livello richiesto. Li ho impostati a 5,2 V ciascuno che scende di circa 0,1 V attraverso il mosfet. Uno sarà l'uscita di tensione più piccola rispetto agli altri e diventerà moderatamente caldo, ma gli altri gestiranno i picchi di potenza dal Pi. Tutti e 4 i convertitori possono gestire picchi di potenza fino a 4A a piena carica del condensatore o 2A a bassa carica.

I convertitori assorbono ~2mA di corrente di riposo a piena carica.

In allegato è lo schizzo Arduino che sto usando per farlo con ATTiny (molte note aggiunte). Il pulsante è collegato a un'interruzione per far uscire l'ATTiny dalla modalità di sospensione e alimentare il Pi. Se la potenza è troppo bassa, il LED di alimentazione lampeggia 3 volte e l'ATTiny torna in modalità di sospensione.

Se il pulsante viene premuto una seconda volta, l'alimentazione del Pi viene disattivata e l'ATTiny viene rimesso in modalità di sospensione fino alla successiva pressione del pulsante. Questo utilizza poche centinaia di nano amplificatori in modalità di sospensione. L'ATTiny utilizza un convertitore CC CC da 500 mA in grado di fornire 5 V costanti da un'oscillazione di tensione di 5 V-0,7 V.

L'alloggiamento dell'alimentazione è stato progettato su TinkerCAD (come tutte le altre stampe 3D) e stampato.

Per il circuito, vedere lo schema schematico disegnato.

Passaggio 3: sistema di ricarica

Il regolatore di carica è composto da tre parti:

1. Il circuito del controller pilotato da un ATTiny
2. I mosfet e i diodi (e la ventola per il raffreddamento)
3. Sto usando un caricatore da muro da 5,2 V 8 A per alimentare il laptop

Il circuito del controller si attiva ogni 8 secondi per verificare la connessione a terra sulla porta di ricarica. Se il cavo di ricarica è collegato, la ventola si avvia e inizia il processo di ricarica.

Man mano che il banco di condensatori si avvicina sempre di più alla carica completa, il segnale PWM che controlla il mosfet viene aumentato linearmente al 100% ON a 4,5 V. Una volta raggiunta la tensione target, il segnale PWM viene disattivato (4,5V). Quindi attendere fino al raggiungimento del limite inferiore definito per ricominciare a caricare (4,3 V).

Poiché i diodi riducono la tensione di carica da 5,2 V fino a ~ 4,6 V, teoricamente potrei lasciare il caricabatterie in funzione 24 ore su 24, 7 giorni su 7, con la tensione che si limita a circa 4,6-4,7 V. Il tempo di carica per scaricare quando è quasi pieno o quasi è di circa <1 minuto di carica e 5 minuti di scarica.

Quando il cavo di ricarica viene scollegato, l'ATTiny torna a dormire.

I mosfet sono di Ebay. Possono essere pilotati da un segnale PWM a 5V e possono gestire fino a 5A ciascuno. Questo è sulla linea positiva utilizzando tre diodi Schottky da 10 A per impedire il riflusso al caricatore a muro. Ricontrollare l'orientamento del diodo PRIMA di collegarsi al caricatore a muro. Se orientato in modo errato per consentire all'alimentazione di fluire dai condensatori al caricatore a muro, il caricatore si surriscalda molto e probabilmente si scioglie quando viene collegato al laptop.

La ventola da 5 V è azionata dal caricatore a muro e raffredda gli altri componenti quando si surriscaldano al di sotto della metà della carica.

La ricarica con un caricabatterie da 5,2 V 8 A richiede solo pochi minuti, mentre un caricabatterie da 5 V 2 A richiede più di un'ora.

Il segnale PWM al mosfet consente solo il 6% di potenza attraverso a 1,5 V o meno salendo linearmente al 100% a piena carica di 4,5 V. Questo perché i condensatori agiscono come un cortocircuito a tensioni più basse, ma diventano esponenzialmente più difficili da caricare quanto più ci si avvicina all'equalizzazione.

Il pannello solare da 20 W pilota un piccolo circuito di ricarica USB da 5,6 V 3,5 A. Questo alimenta direttamente attraverso un diodo da 10A al banco di condensatori. I regolatori da 2,5 V impediscono il sovraccarico dei condensatori. È meglio non lasciare il sistema al sole per lunghi periodi di tempo poiché i regolatori e il circuito di ricarica possono diventare piuttosto caldi.

Vedi Arduino Sketch allegato, un altro schema circuitale disegnato male e file. STL per le parti stampate in 3D.

Per spiegare come è collegato il circuito, il controller di carica ha una linea per testare la tensione di ingresso dal caricabatterie e una linea per i pin pwm sui moduli mosfet.

I moduli mosfet sono collegati a terra sul lato negativo del banco di condensatori.

Questo circuito non si spegne senza che la ventola sia collegata dal lato negativo dei condensatori al lato alto dell'ingresso del caricabatterie. Poiché il lato alto è dietro i diodi e i mosfet, verrà sprecata pochissima energia poiché la resistenza supera i 40k di resistenza. La ventola abbassa il lato alto quando il caricabatterie non è collegato, ma non assorbe abbastanza corrente per abbassarlo mentre il caricabatterie è collegato.

Passaggio 4: banca di condensatori + stampe 3D aggiuntive utilizzate

I condensatori utilizzati sono 6x 2,5V @ 2300F supercondensatori. Sono stati disposti in 2 set in serie di 3 in parallelo. Questo arriva a un banco di 5V @ 3450F. Se TUTTA l'energia potesse essere estratta dai condensatori, potrebbero fornire ~ 11 Wh di potenza o quella di una batteria agli ioni di litio da 3,7 V 2,5 Ah.

Link alla scheda tecnica:

Le equazioni che ho usato per calcolare la capacità e successivamente i wattora disponibili:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotale2,5V 6900F + 2,5V 6900F(6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5VUtilizzando da 4,5V a 1,9V di potenziale disponibile a condensatori 3450F ((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joule Totale((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoule / 3600 secondi = Wattora28704 / 3600 = 7,97 Wh (potenza massima disponibile teorica)

Questa banca è molto grande. a 5 cm di altezza x 36 cm di lunghezza x 16 cm di larghezza. È piuttosto pesante se si include il telaio in alluminio che ho usato… Circa 5 kg o 11 libbre, esclusa la valigia e tutte le altre periferiche.

Ho collegato i terminali del condensatore utilizzando connettori terminali da 50 A saldati insieme con filo di rame calibro 12. Ciò evita un collo di bottiglia resistente ai terminali.

Utilizzando un telaio a T in alluminio, il laptop è incredibilmente robusto (anche se MOLTO pesante). Tutti i componenti sono tenuti in posizione utilizzando questo telaio. Occupa uno spazio minimo all'interno del laptop senza dover praticare fori ovunque nella custodia.

Molti pezzi stampati in 3D sono stati utilizzati in questo progetto:

• Portacondensatori pieni
• Bracciali portacondensatori
• Portacondensatori in basso
• Separatore tra i terminali del condensatore positivo e negativo
• Piatto porta Raspberry Pi
• Coperture superiori per tastiera e condensatori (solo per estetica)
• Supporto e cover per schermo AMOLED
• Supporto per scheda controller AMOLED
• Guide dei cavi HDMI e USB per visualizzare il controller da Pi
• Pulsante e piastra LED di accesso superiore per il controllo dell'alimentazione
• altri verranno aggiunti mentre li stampo

Passaggio 5: conclusione

Quindi, poiché questo era solo un progetto per hobby, credo che abbia dimostrato che i supercondensatori possono essere utilizzati per alimentare un laptop, ma probabilmente non dovrebbero per limiti di dimensioni. La densità di potenza per i condensatori utilizzati in questo progetto è più di 20 volte meno densa rispetto alle batterie agli ioni di litio. Inoltre, il peso è assurdo.

Detto questo, questo potrebbe avere usi diversi rispetto a un laptop convenzionale. Ad esempio, uso questo laptop principalmente dalla ricarica solare. Può essere utilizzato nei boschi senza preoccuparsi troppo di caricare e scaricare la "batteria" ripetutamente, più volte al giorno. Ho leggermente modificato il sistema dalla costruzione iniziale per incorporare una presa 5v 4A su un lato del case per alimentare l'illuminazione e caricare i telefoni quando si controllano i sensori nei boschi. Il peso è comunque un killer per le spalle…

Poiché il ciclo di ricarica è così rapido, non devi mai preoccuparti di rimanere senza energia. Posso collegarlo per 20 minuti (o meno a seconda del livello attuale) ovunque ed essere a posto per oltre un'ora di uso intensivo.

Uno svantaggio di questo design è che sembra molto sospetto a un passante… Non lo porterei sui mezzi pubblici. Almeno non usarlo vicino a una folla. Alcuni amici mi hanno detto che avrei dovuto farlo sembrare un po' meno "minaccioso".

Ma tutto sommato, mi sono divertito a costruire questo progetto e ho imparato parecchio su come applicare la tecnologia dei supercondensatori ad altri progetti in futuro. Inoltre, inserire tutto nella valigia è stato un puzzle 3D che non è stato eccessivamente frustrante, anche una sfida piuttosto interessante.

Se avete domande fatemi sapere!