Super -kondensator -aangedrewe Raspberry Pi -skootrekenaar: 5 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

Afhangende van die algemene belangstelling vir hierdie projek, kan ek meer stappe byvoeg, ens., As dit verwarrende komponente help vereenvoudig.

Ek was nog altyd geïnteresseerd in die nuwer kondensatortegnologie wat deur die jare opduik en het gedink dat dit lekker sou wees om dit as 'n soort battery te gebruik. Daar was baie eienaardige probleme waarmee ek hieraan te werk gekom het, aangesien dit nie ontwerp is met hierdie toepassing in gedagte nie, maar wou deel wat ek uitgevind en getoets het.

Dit is meer om die probleme met laai en krag uit 'n bank met superkapasitors in 'n mobiele toepassing te beklemtoon (al is dit nie so mobiel nie).

Sonder die wonderlike tutoriale hieronder, sou dit nie tot stand gekom het nie:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca…-Uitgebreide inligting oor superkapasitors
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super…-Tutoriaal vir die bou van 'n laai- en ontladingsbaan
• Ek sal probeer om meer op te spoor as wat ek gebruik het as ek dit kan vind/onthou.

• Laat weet my as u tutoriale het wat u dink relevant is, sodat ek dit hier kan ingooi.

Die belangrikste redes waarom ek dit wou probeer, is:

• Laai binne sekondes ten volle (hoë stroomsterkte word beperk, beperk hierdie stelsel tot minute … veilig).
• Honderdduisende laaisiklusse sonder agteruitgang (meer as 'n miljoen onder die regte omstandighede).
• 'N Baie nis tegnologie wat moontlik sy weg kan vind in die hoofstroom batterybedryf.
• Omgewingsbedryfsvoorwaardes. Temperature van +60C tot -60C vir die kondensators wat hier gebruik word.
• Laai doeltreffendheid is> 95% (batterye is gemiddeld <85%)
• Ek vind hulle interessant?

Nou vir die altyd noodsaaklike waarskuwing wanneer u met elektrisiteit werk … Alhoewel daar baie min kans is op 'n besering by lae spanning van ~ 5V, sal die ongelooflike hoeveelheid stroom wat superkondensators kan lewer, brandwonde veroorsaak en komponente onmiddellik braai. Die eerste artikel het genoem bied 'n uitstekende verduideliking en veilige stappe. In teenstelling met batterye, is die risiko van 'n ontploffing nie volledig om die terminale te kort nie (alhoewel dit die lewensduur van die superkapasitor kan verkort, afhangende van die draadmeter). Daar kan werklike probleme ontstaan as oorspanning (laai verby die gemerkte maksimum spanning) waar die superkapasitors sal waai, 'pop' en sterf in 'n rokerige gemors. Uiterste gevalle kan die seël redelik hard verskyn.

As 'n voorbeeld van hoeveel krag vrygestel kan word, laat val ek 'n 16 -meter koperdraad oor die volgelaaide bank teen 5V (natuurlik per ongeluk) en word effens verblind deurdat die draad in 'n wit en groen flits ontplof toe dit brand. Binne 'n sekonde was die stuk draad van 5 cm verby. Honderde versterkers ry in minder as 'n sekonde oor die draad.

Ek het my as 'n platform op 'n skootrekenaar gevestig, want ek het 'n Raspberry Pi laat lê, 'n aluminiumtas, 'n kiosk -sleutelbord en 'n 3D -drukker om op te prototipe. Oorspronklik was die idee om hierdie skootrekenaar te bou net sodat dit 10-20 minute met minimale inspanning kon werk. Met die kamer wat ek ekstra in die tas gehad het, was dit te aanloklik om meer uit hierdie projek te probeer druk deur meer superkapasitors in te sit.

Tans is die hoeveelheid bruikbare krag onder die van 'n ENKELE 3.7V 2Ah litiumioonbattery. Slegs ongeveer 7Wh krag. Nie verstommend nie, maar met 'n laai tyd van minder as 15 minute van leeg, is dit ten minste interessant.

Ongelukkig kan slegs ongeveer 75% van die gestoorde krag in die kapasitors met hierdie stelsel onttrek word … 'n Baie doeltreffender stelsel kan beslis geïmplementeer word om krag teen laer spannings van ongeveer 1V of minder te trek. Ek wou net nie meer geld hieraan bestee nie, en onder 2V in die kapasitors laat slegs ongeveer 2Wh krag beskikbaar uit 'n totaal van 11Wh.

Deur 'n laesterkte 0,7-5V tot 5V-omskakelaar (~ 75-85% doeltreffendheid) te gebruik, kon ek my 11Wh-selfoonbattery van 3% tot 65% laai met behulp van die kapasitorbank (alhoewel telefone uiters ondoeltreffend is om te laai, waar 60-80 % van die insetkrag word eintlik gestoor).

Vir onderdele wat in hierdie projek gebruik word, is daar waarskynlik beter onderdele om te gebruik as wat ek byderhand gehad het. Maar hier is hulle:

• 6x superkondensators (2.5V, 2300 Farad - van 'n motorregeneratiewe remstelsel. Kan op eBay gevind word, ens.)
• 1x Framboos Pi 3
• 1x 5V -aangedrewe skerm (ek gebruik 'n 5.5 "AMOLED -skerm met HDMI -beheerbord)
• 2x ATTiny85 mikro-beheerders (ek sal die programmering insluit)
• 2x 0.7V-5V tot konstante 5V 500mA DC-DC omsetters
• 4x 1.9V-5V tot konstante 5V 1A DC-DC omsetters
• 1x tas
• 3x 6A PWM -geskikte mosfette
• 2x 10A Schottky -diodes
• 10x aluminium T-gleufraam (met verbindings, ens. Hang af van wat u wil gebruik om dinge in plek te hou)
• kiosk -sleutelbord
• 20W 5V sonpaneel
• USB na mikro USB kabels
• HDMI -kabel
• Verskeidenheid basiese elektriese komponente en prototipe borde.
• baie 3D -gedrukte dele (ek sal die.stl -lêers insluit)

Hierdie onderdele kan maklik uitgeruil word vir meer geskikte/doeltreffende onderdele, maar dit is wat ek byderhand gehad het. Afmetingsbeperkings sal ook verander met watter komponente gekies word.

As u terugvoer het oor die ontwerp, moet asseblief nie 'n opmerking lewer nie!

Stap 1: Kragkenmerke

Om 'n idee te gee van wat u kragtig kan verwag as u kapasitors gebruik vir iets waarvoor hulle beslis nie ontwerp is nie:

As die kapasitorbankspanning te laag daal (1.9V), is die ATTinys geprogrammeer om geen stelselkomponente aan te skakel nie. Dit is net om te verseker dat die komponente geen krag trek as hulle nie konsekwent teen laer spanning kan werk nie.

Hierdie stelsel werk met DC-DC-omsetters met 'n spanningsvlak van 4.5V tot 1.9V vanaf die kapasitorbank.

Ingang laai spanning kan wees van 5V tot 5.5V (nie hoër as 5A by 5.5V). Adapters van 5V 10A of hoër beskadig die mosfet en verbrand dit teen 'n halwe PWM -laaisnelheid.

Met die laai -eienskappe van die kondensators, sou 'n logaritmiese/eksponensiële laaisnelheid die beste wees, aangesien dit moeiliker word om die krag te versterk hoe nader u die volle lading kom … ATTiny om een of ander rede. Iets waarna ek later kan kyk …

By volle verwerkingskrag is die geskatte tydsduur 1 uur. Onaktief, 2 uur.

Die gebruik van LowRa -ontvanger verminder die lewe met nog ongeveer 15%. Deur eksterne lasermuis te gebruik, verminder die lewe nog 10%.

Laer kapasitor bank spanning = minder doeltreffendheid omskakel na 5V na krag komponente. Ongeveer 75% by 2V kapasitorlading, waar baie krag as hitte in die omsetters verlore gaan.

Terwyl die skootrekenaar ingeprop is, kan dit onbepaald werk met 'n 5.3V 8A -adapter. Deur 'n 2A -adapter te gebruik, benodig die stelsel volle lading voordat dit aanskakel vir onbeperkte gebruik. Die ATTiny PWM -laaisnelheid is slegs 6,2% van die kraginset wanneer die kapasitorbank 1,5V of minder lineair klim tot 100% laai met volle lading.

Hierdie stelsel neem langer tyd om op te laai met 'n laer stroomadapter. Laai tyd van 2V tot 4.5V, met niks wat van die kapasitorbank afloop nie:

• 5.2V 8A-adapter is 10-20 minute (gewoonlik ongeveer 13 minute).
• 5.1V 2A-adapter is 1-2 uur. Omdat die diodes die spanning met ongeveer 0,6V laat daal, sal sommige adapters teen presies 5V hierdie stelsel nooit heeltemal laai nie. Dit is egter goed, aangesien die adapter nie negatief beïnvloed word nie.
• 20W sonpaneel in volle sonlig is 0,5-2 uur. (baie variansie tydens toetsing).

Daar is 'n inherente probleem met die gebruik van kondensators waar hulle nie hul lading hou nie, hoe nader u die maksimum spanning is.

Gedurende die eerste 24 uur ontlaai die kapasitorbank self gemiddeld van 4,5V tot 4,3V. Dan sal die volgende 72 uur stadig daal tot 'n redelik konstante 4.1V. Die ATTinys, tesame met 'n klein selfontlading, sal die spanning na die eerste 96 uur daal met 0.05-0.1V per dag (eksponensieel stadiger namate die spanning nader aan nul daal). As dit by 1.5V en laer is, daal die kondensatorbank se spanning teen ongeveer 0.001-0.01V per dag, afhangende van temperatuur.

As u dit alles in ag neem, is 'n konserwatiewe benadering ongeveer 0,7V in ~ 100 dae. Ek het hierdie sitplek vir 30 dae verlaat en ek het nog net 'n bietjie meer as 3.5V agtergelaat.

Hierdie stelsel kan onbepaald in direkte sonlig werk.

* * * LET WEL: * * Die kritieke spanning van hierdie stelsel is 0.7V waar die DC-DC-omsetters wat die ATTinys aandryf, sal misluk. Gelukkig sal die mosfet -beheersnelheid ~ 2% hoog wees as die krag teen hierdie spanning of laer aangeskakel word, wat stadige laai moontlik maak. Ek het nog nie besef hoekom dit gebeur nie, maar dit is 'n gelukkige bonus.

Ek moes die kondensatorbank ongeveer 15 keer volledig laai en ontlaai voordat hulle chemies gebalanseer en 'n behoorlike lading gehou het. Toe ek hulle die eerste keer aansluit, was ek baie gefrustreerd oor die hoeveelheid gestoor laai, maar dit word baie beter oor die eerste 15 volle laaisiklusse.

Stap 2: Pi Power Controller

Om die Pi aan en uit te skakel, moes ek 'n kragbeheerder implementeer met 4 DC-DC-omsetters en 'n mosfet.

Ongelukkig trek die Pi ongeveer 100mA, selfs as dit af is, so ek moes die mosfet byvoeg om die krag heeltemal te onderbreek. Met die kragbeheerder in die spel, word slegs ~ 2mA vermors by volle lading (~ 0.5mA teen lae lading).

In wese doen die beheerder die volgende:

1. Reguleer die spanningsvlak onder 2.5V in die kapasitors om oorspanning tydens laai te voorkom.
2. Vier DC-DC (1A maks elk, 4A totaal) trek direk van die kapasitors van 4.5V tot 1.9V vir 'n konstante 5.1V.
3. Met die druk van 'n knoppie laat die mosfet krag na die Pi vloei. 'N Ander pers onderbreek die krag.
4. Die ATTiny hou die spanningsvlak van die kapasitorbank dop. As dit te laag is, kan die mosfet nie aangeskakel word nie.

Die silwer knoppie, as dit ingedruk word, dui op die krag wat oorbly in die kapasitorbank. 10 knipper by 4.5V en 1 by 2.2V. Die sonpaneel kan ten volle 5V laai en op daardie vlak 12 keer knip.

Die kondensatorspanning word gereguleer met die groen skyf 2.5V -reguleerders wat enige oortollige krag afblaas. Dit is belangrik omdat die sonpaneel die kondensators passief laai deur 'n 10A-diode direk tot 5.2V, wat dit te veel kan laai.

Die DC-DC-omsetters kan tot 1A elk lewer en het 'n veranderlike konstante spanningsuitset. Deur die blou potensiometer aan die bokant te gebruik, kan die spanning op elke gewenste vlak ingestel word. Ek stel hulle op 5.2V elk, wat ongeveer 0.1V oor die mosfet val. Die een is die kleinste bietjie hoër spanningsuitset as die ander en word matig warm, maar die ander sal kragpieke van die Pi hanteer. Al 4 omsetters kan kragpieke tot 4A teen volle kapasitorlading hanteer, of 2A teen lae lading.

Die omsetters trek ~ 2mA rustende stroom teen volle lading.

Hierby is die Arduino -skets wat ek gebruik om dit gedoen te kry met die ATTiny (baie notas bygevoeg). Die knoppie is aan 'n onderbreking gekoppel om die ATTiny uit die slaap te haal en die Pi aan te skakel. As die krag te laag is, knipper die krag -LED 3 keer en word die ATTiny weer aan die slaap geraak.

As die knoppie 'n tweede keer ingedruk word, word die Pi -krag afgeskakel en word die ATTiny weer aan die slaap gesit totdat die volgende knoppie gedruk word. Dit gebruik 'n paar honderd nano -versterkers in die slaapmodus. Die ATTiny loop uit 'n 500mA DC DC-omskakelaar wat 'n konstante 5V kan lewer vanaf 'n spanningswaai van 5V-0.7V.

Die kragbehuizing is ontwerp op TinkerCAD (net soos alle ander 3D -afdrukke) en gedruk.

Vir 'n kring, sien die grof getekende skema.

Stap 3: Laai stelsel

Die heffingskontroleur bestaan uit drie dele:

1. Die beheerkring wat deur 'n ATTiny aangedryf word
2. Die mosfets en diodes (en waaier vir verkoeling)
3. Ek gebruik 'n 5.2V 8A muurlaaier om die skootrekenaar aan te dryf

Die beheerkring word elke 8 sekondes wakker om te kyk of daar 'n verbinding met die grond op die laaipoort is. As die laadkabel gekoppel is, begin die waaier en die laaiproses begin.

Namate die kapasitorbank al hoe nader aan die volle lading kom, word die PWM -sein wat die mosfet beheer, lineêr verhoog tot 100% AAN by 4.5V. Sodra die teikenspanning bereik is, word die PWM -sein afgeskakel (4.5V). Wag dan totdat die gedefinieerde onderste limiet bereik is om weer te begin laai (4.3V).

Omdat die diodes die laaispanning van 5.2V tot ~ 4.6V laat daal, kan ek die laaier teoreties 24/7 laat werk terwyl die spanning ongeveer 4.6-4.7V uitloop. Laai tyd om te laai wanneer dit byna vol is, is <1 minuut laai en 5 minute laai.

As die laadkabel ontkoppel word, gaan die ATTiny weer aan die slaap.

Die mosfets kom van Ebay. Hulle kan aangedryf word deur 'n 5V PWM -sein en kan tot 5A elk hanteer. Dit is positief met drie 10A schottky-diodes om terugvloei na die muurlaaier te voorkom. Kontroleer die oriëntasie van die diode Voordat u met die muurlaaier aansluit. As die laaier verkeerd gerig is om die krag van die kondensators na die muurlaaier te laat vloei, sal die laaier baie warm word en waarskynlik smelt as dit op die skootrekenaar ingeprop word.

Die 5V -waaier word deur die muurlaaier aangedryf en laat die ander komponente afkoel omdat dit baie warm word as dit halfpad gelaai is.

Laai met 'n 5.2V 8A laaier neem slegs 'n paar minute, waar 'n 5V 2A laaier meer as 'n uur neem.

Die PWM -sein na die mosfet laat slegs 6% van die krag deur op 1.5V of minder, en klim lineêr tot 100% teen 'n volle lading van 4.5V. Dit is omdat kondensators as 'n dooie kort optree by laer spannings, maar eksponensieel moeiliker word om te laai hoe nader jy aan die gelykmaking kom.

Die 20W -sonpaneel dryf 'n klein 5.6V 3.5A USB -laaierstroombaan. Dit voer direk deur 'n 10A -diode na die kapasitorbank. Die 2.5V-reguleerders verhoed dat die kapasitors oorlaai word. Dit is die beste om die stelsel nie vir lang tye in die son te laat nie, aangesien die reguleerders en laaikring redelik warm kan word.

Sien aangehegte Arduino Sketch, nog 'n swak getekende kringdiagram en. STL -lêers vir die 3D -gedrukte dele.

Om te verduidelik hoe die kring aanmekaar gekoppel is, het die laaibestuurder een lyn om te toets vir insetspanning van die laaier en een lyn na die pwm -penne op die mosfet -modules.

Die mosfet -modules is gegrond op die negatiewe kant van die kapasitorbank.

Hierdie stroombaan sal nie afskakel sonder dat die waaier van die negatiewe kant van die kapasitors aan die hoë kant van die laaier -ingang gekoppel is nie. Omdat die hoë kant agter die diodes en die mosfets is, sal baie min krag vermors word, aangesien die weerstand meer as 40k weerstand is. Die waaier trek die hoë kant laag terwyl die laaier nie gekoppel is nie, maar neem nie genoeg van die stroom om dit laag te kry terwyl die laaier ingeprop is nie.

Stap 4: Kapasitorbank + Bykomende 3D -afdrukke gebruik

Die gebruikte kondensators is 6x 2.5V @ 2300F superkapasitors. Hulle is parallel in 2 stelle in reeks van 3 gerangskik. Dit kom by 'n bank van 5V @ 3450F. As ALLE energie uit die kapasitors gehaal kan word, kan hulle ~ 11Wh krag of die van 'n 3,7V 2,5Ah Li-ion battery verskaf.

Skakel na datablad:

Die vergelykings wat ek gebruik het om die kapasitansie en daarna die beskikbare watture te bereken:

(C1*C2) / (C1+C2) = Totaal 2.5V 6900F+2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5V Gebruik 4.5V tot 1.9V beskikbare potensiaal by 3450F kondensators ((C* (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joules Totaal ((3450 * (4.5^2)) / 2) - ((3450 * (1.9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 sekondes = Watture 28704 /3600 = 7,97 Wh (teoretiese maksimum beskikbare krag)

Hierdie bank is baie groot. 5 cm hoog x 36 cm lank x 16 cm breed. Dit is taamlik swaar as ek die aluminium raam insluit wat ek gebruik het … Ongeveer 5 kg of 11 kg, sonder die tas en alle ander randapparatuur.

Ek het die kondensatorterminale vasgemaak met behulp van 50A -aansluitstukke wat saam met 12 gauge koperdraad gesoldeer is. Dit vermy 'n weerstandbiedende knelpunt by die terminale.

Met 'n aluminium T-balkraam is die skootrekenaar ongelooflik stewig (maar ook baie swaar). Alle komponente word op hul plek gehou met behulp van hierdie raam. Dit neem minimale ruimte in die skootrekenaar in, sonder om oral in die tas gate te hoef te boor.

Baie 3D -gedrukte stukke is in hierdie projek gebruik:

• Kapasitorbankhouers vol
• Kondensator bank houers bracers
• Kondensatorhouers onder
• Skeider tussen positiewe en negatiewe kapasitor terminale
• Framboos Pi houerplaat
• Dekblaaie vir sleutelbord en kapasitors (slegs vir estetika)
• AMOLED skermhouer en omslag
• AMOLED -houer vir beheerderbord
• HDMI- en USB -draadgidse om die kontroleerder van Pi te vertoon
• Knoppie en LED -plaatblad toegang vir kragbeheer
• ander sal byvoeg terwyl ek dit druk

Stap 5: Gevolgtrekking

Aangesien dit net 'n stokperdjie -projek was, glo ek dat dit bewys het dat superkapasitors gebruik kan word om 'n skootrekenaar aan te dryf, maar waarskynlik nie weens groottebeperkings nie. Die kragdigtheid vir die kapasitors wat in hierdie projek gebruik word, is meer as 20x minder dig as Li-ioonbatterye. Die gewig is ook absurd.

Dit gesê, dit kan verskillende gebruike hê as 'n konvensionele skootrekenaar. Ek gebruik hierdie skootrekenaar byvoorbeeld meestal deur sonlaai. Dit kan in die bos gebruik word sonder om te veel bekommerd te wees oor die herlaai en ontlading van die 'battery' herhaaldelik, meerdere kere per dag. Ek het die stelsel effens aangepas sedert die eerste konstruksie om 'n 5V 4A -aansluiting aan die een kant van die saak te bevat om beligting aan te skakel en telefone op te laai tydens die kontrole van sensors in die bos. Die gewig is egter steeds 'n skouermoordenaar …

Omdat die laaisiklus so vinnig is, hoef u nooit bekommerd te wees dat die krag opraak nie. Ek kan dit 20 minute lank (of minder afhangende van die huidige vlak) inskakel, en ek kan meer as 'n uur intensief gebruik.

Een nadeel van hierdie ontwerp is dat dit vir 'n verbyganger baie agterdogtig lyk … ek sal dit nie met die openbare vervoer neem nie. Gebruik dit ten minste nie naby 'n skare nie. 'N Paar vriende het my meegedeel dat ek dit 'n bietjie minder' dreigend 'moes laat lyk.

Maar al met al het ek dit baie geniet om hierdie projek te bou, en ek het baie geleer hoe om superkapasitortegnologie in die toekoms op ander projekte toe te pas. Om alles in die tas te pas, was ook 'n 3D -legkaart wat nie te frustrerend was nie, selfs 'n baie interessante uitdaging.

Laat weet my as u enige vrae het!