Laptop Raspberry Pi con supercondensador: 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:39

Dependiendo del interés general hacia este proyecto, puedo agregar más pasos, etc. si eso ayuda a simplificar cualquier componente confuso.

Siempre me ha intrigado la nueva tecnología de condensadores que ha aparecido a lo largo de los años y pensé que sería divertido intentar implementarlos como una especie de batería para divertirme. Hubo muchos problemas extravagantes con los que me encontré trabajando en esto, ya que no están diseñados con esta aplicación en mente, pero quería compartir lo que descubrí y probé.

Esto es más para resaltar las dificultades de cargar y extraer energía de un banco de supercondensadores en una aplicación móvil (aunque con lo pesado que es, no es tan móvil…).

Sin los excelentes tutoriales a continuación, esto no se habría realizado:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Información detallada sobre supercondensadores
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial para construir un circuito de carga y descarga
• Intentaré desenterrar más de los que usé si puedo encontrarlos / recordarlos.

• Si tiene algún tutorial que crea que sea relevante, avíseme para que pueda incluirlo aquí.

Las principales razones por las que quería probar esto son:

• Carga completa en SEGUNDOS (el alto amperaje involucrado limita este sistema a minutos … de manera segura).
• Cientos de miles de ciclos de carga sin degradación (más de un millón en las condiciones adecuadas).
• Una tecnología muy especializada que posiblemente podría abrirse camino en la industria de las baterías convencional.
• Condiciones ambientales de funcionamiento. Temperaturas de + 60C a -60C para los condensadores utilizados aquí.
• La eficiencia de carga es> 95% (las baterías tienen un promedio de <85%)
• ¿Los encuentro interesantes?

Ahora, para la advertencia siempre necesaria cuando se trabaja con electricidad … Aunque hay muy pocas posibilidades de lesiones al trabajar con voltajes bajos de ~ 5V, la increíble cantidad de amperaje que pueden producir los supercondensadores provocará quemaduras y freirá los componentes instantáneamente. proporciona una excelente explicación y pasos seguros. A diferencia de las baterías, el cortocircuito completo de los terminales no supone un riesgo de explosión (aunque puede acortar la vida útil del supercondensador según el calibre del cable). Pueden surgir problemas reales cuando se sobrevoltaje (carga más allá del voltaje máximo marcado) donde los supercondensadores fallarán, 'explotarán' y morirán en un desastre lleno de humo. Los casos extremos pueden ser en los que el sello hace estallar con bastante fuerza.

Como ejemplo de la cantidad de energía que se puede liberar, dejé caer un cable de cobre de calibre 16 a través del banco completamente cargado a 5 V (accidentalmente, por supuesto) y el cable que explotó en un destello blanco y verde mientras ardía me cegó un poco. En menos de un segundo, ese trozo de alambre de 5 cm desapareció. Cientos de amperios viajan a través de ese cable en menos de un segundo.

Me decidí por una computadora portátil como plataforma, ya que tenía una Raspberry Pi, una maleta de aluminio, un teclado de quiosco y una impresora 3D para hacer un prototipo. Originalmente, la idea era construir esta computadora portátil solo para que pudiera funcionar durante 10-20 minutos con el mínimo esfuerzo. Con la habitación que tenía extra en la maleta, era demasiado tentador intentar sacar más provecho de este proyecto metiendo más supercondensadores.

Actualmente, la cantidad de energía utilizable es inferior a la de una batería ÚNICA de iones de litio de 3,7 V 2 Ah. Solo aproximadamente 7 Wh de potencia. No es sorprendente, pero con un tiempo de carga de menos de 15 minutos desde vacío, es interesante al menos.

Desafortunadamente, solo alrededor del 75% de la energía almacenada en los capacitores se puede extraer con este sistema … Un sistema mucho más eficiente definitivamente podría implementarse para extraer energía a voltajes más bajos alrededor de 1 V o menos. Simplemente no quería gastar más dinero en esto y, por debajo de 2 V en los condensadores, solo quedan 2 Wh de energía disponible de un total de 11 Wh en total.

Usando un convertidor de baja potencia de 0.7-5V a 5V (~ 75-85% de eficiencia) pude cargar la batería de mi teléfono celular de 11Wh del 3% al 65% usando el banco de condensadores (aunque los teléfonos son extremadamente ineficientes en la carga, donde 60-80 % de la potencia de entrada se almacena realmente).

Para las piezas utilizadas en este proyecto, probablemente haya mejores piezas para usar que las que tenía a mano. Pero aquí están:

• 6x supercondensadores (2.5V, 2300 Farad - de un sistema de frenado regenerativo de automóvil. Se pueden encontrar en Ebay, etc.)
• 1x frambuesa Pi 3
• 1 pantalla con alimentación de 5 V (estoy usando una pantalla AMOLED de 5,5 "con placa controladora HDMI)
• 2x microcontroladores ATTiny85 (incluiré la programación)
• 2x convertidores CC-CC de 0,7 V-5 V a 5 V 500 mA constantes
• Convertidores DC-DC 4x 1.9V-5V a 5V 1A constante
• 1x maleta
• 3 mosfets con capacidad PWM de 6 A
• 2x diodos Schottky 10A
• Marco de aluminio con ranura en T de 10x (con juntas, etc., depende de lo que desee usar para mantener las cosas en su lugar)
• teclado del quiosco
• Panel solar de 20W 5V
• Cables USB a micro USB
• cable HDMI
• Surtido de componentes eléctricos básicos y tableros de prototipos.
• muchas piezas impresas en 3D (incluiré los archivos.stl)

Estas piezas se pueden intercambiar fácilmente por piezas más apropiadas / eficientes, pero esto es lo que tenía a mano. Además, las restricciones de dimensión cambiarán con los componentes que se elijan.

Si tiene algún comentario sobre el diseño, ¡no dude en dejar un comentario!

Paso 1: Características de potencia

Para dar una idea de qué esperar en cuanto a energía cuando se usan condensadores para algo para lo que definitivamente no fueron diseñados:

Cuando el voltaje del banco de capacitores cae demasiado bajo (1.9V), los ATTinys han sido programados para no encender ningún componente del sistema. Esto es solo para garantizar que los componentes no consuman energía cuando no pueden funcionar de manera constante a voltajes más bajos.

Este sistema funciona con convertidores DC-DC a niveles de voltaje de 4.5V a 1.9V desde el banco de capacitores.

El voltaje de carga de entrada puede ser de 5 V a 5,5 V (no más de 5 A a 5,5 V). Los adaptadores de 5V 10A o más dañarán el mosfet y lo quemarán a la mitad de la tasa de carga de PWM.

Con las características de carga de los condensadores, una tasa de carga logarítmica / exponencial sería lo mejor, ya que se vuelve más difícil impulsar la potencia cuanto más se acerca a la carga completa … pero nunca pude hacer que la función matemática funcione con variables de tipo flotante en el ATTiny por alguna razón. Algo para que lo mire más tarde …

A plena potencia de procesamiento, el tiempo de ejecución aproximado es de 1 hora. En inactivo, 2 horas.

El uso del transceptor LowRa reduce la vida útil en otro ~ 15%. El uso de un mouse láser externo reduce la vida útil en otro ~ 10%.

Voltaje más bajo del banco de capacitores = menos eficiencia al convertir a 5V en componentes de energía. Aproximadamente el 75% con una carga de condensador de 2 V, donde se pierde mucha energía en forma de calor en los convertidores.

Mientras está enchufado, la computadora portátil puede funcionar indefinidamente con un adaptador de 5.3V 8A. Con un adaptador de 2 A, el sistema requiere una carga completa antes de encenderse para un uso ilimitado. La tasa de carga de ATTiny PWM es solo el 6.2% de la entrada de energía cuando el banco de capacitores es de 1.5V o menos y asciende linealmente a una tasa de carga del 100% con carga completa.

Este sistema tarda más en cargarse con un adaptador de amperaje más bajo. Tiempo de carga de 2 V a 4,5 V sin que nada salga del banco de condensadores:

• El adaptador de 5.2V 8A es de 10 a 20 minutos (generalmente alrededor de 13 minutos).
• El adaptador de 5,1 V 2 A es de 1 a 2 horas. Debido a que los diodos reducen el voltaje en aproximadamente 0,6 V, algunos adaptadores a exactamente 5 V nunca cargarán completamente este sistema. Sin embargo, esto está bien, ya que el adaptador no se verá afectado negativamente.
• El panel solar de 20 W a plena luz del sol es de 0,5 a 2 horas. (mucha variación durante la prueba).

Existe el problema inherente de usar condensadores en los que no mantienen su carga por mucho tiempo cuanto más cerca está del voltaje máximo.

Durante las primeras 24 horas, el banco de condensadores se descarga automáticamente de 4,5 V a 4,3 V en promedio. Luego, durante las próximas 72 horas, caerá lentamente a 4.1V bastante constantes. Los ATTinys junto con una pequeña autodescarga bajarán el voltaje a 0.05-0.1V por día después de las primeras 96 horas (exponencialmente más lento a medida que el voltaje cae más cerca de cero). Cuando está a 1,5 V y más bajo, el voltaje del banco de condensadores cae a alrededor de 0,001-0,01 V por día, dependiendo de la temperatura.

Teniendo en cuenta todo esto, una aproximación conservadora sería una descarga a 0,7 V en ~ 100 días. Dejé esto sentado durante 30 días y todavía me quedaba poco más de 3,5 V.

Este sistema puede funcionar indefinidamente bajo la luz solar directa.

* * * PARA TENER EN CUENTA: * * El voltaje crítico de este sistema es 0,7 V donde fallarán los convertidores CC-CC que alimentan los ATTinys. Afortunadamente, la tasa de carga que controla el mosfet se elevará aproximadamente un 2% cuando la energía esté conectada a este voltaje o menos, lo que permite una carga lenta. Todavía no he descubierto POR QUÉ sucede esto, pero es un bono de la suerte.

Tuve que cargar y descargar completamente el banco de condensadores ~ 15 veces antes de que se equilibraran químicamente y mantuvieran una carga decente. Cuando los conecté por primera vez, estaba extremadamente frustrado con la cantidad de carga almacenada, pero mejora mucho durante los primeros 15 ciclos de carga completa.

Paso 2: Controlador de energía Pi

Para encender y apagar el Pi tuve que implementar un controlador de potencia con 4 convertidores DC-DC y un mosfet.

Lamentablemente, el Pi consume alrededor de 100 mA incluso cuando está apagado, por lo que tuve que agregar el mosfet para cortar la energía por completo. Con el controlador de potencia en juego, solo se desperdician ~ 2 mA con carga completa (~ 0,5 mA con carga baja).

Básicamente, el controlador hace lo siguiente:

1. Regula el nivel de voltaje por debajo de 2,5 V en los condensadores para evitar la sobretensión durante la carga.
2. Cuatro CC-CC (1 A máx. Cada uno, 4 A en total) extraen directamente de los condensadores de 4,5 V a 1,9 V para una constante de 5,1 V.
3. Con solo presionar un botón, el mosfet permite que la energía fluya hacia el Pi. Otra prensa corta el suministro eléctrico.
4. El ATTiny observa el nivel de voltaje del banco de capacitores. Si es demasiado bajo, el mosfet no se puede encender.

El botón plateado, cuando se presiona, indica la energía restante en el banco de capacitores. 10 parpadeos a 4.5V y 1 a 2.2V. El panel solar puede cargarse hasta los 5 V completos y parpadea 12 veces a ese nivel.

El voltaje del capacitor se regula con los reguladores de disco verde de 2.5V que eliminan cualquier exceso de energía. Esto es importante porque el panel solar carga pasivamente los condensadores a través de un diodo de 10 A directamente hasta 5,2 V, lo que los sobrecargaría.

Los convertidores CC-CC son capaces de proporcionar hasta 1 A cada uno y tienen una salida de voltaje constante variable. Usando el potenciómetro azul en la parte superior, el voltaje se puede ajustar a cualquier nivel que necesite. Los configuré a 5.2V cada uno, lo que cae alrededor de 0.1V a través del mosfet. Una será la salida de voltaje un poco más alta que las otras y se calentará moderadamente, pero las otras manejarán picos de potencia del Pi. Los 4 convertidores pueden manejar picos de potencia de hasta 4 A con carga completa del capacitor o 2 A con carga baja.

Los convertidores consumen ~ 2 mA de corriente de reposo con carga completa.

Se adjunta el boceto de Arduino que estoy usando para hacer esto con el ATTiny (muchas notas agregadas). El botón está conectado a una interrupción para sacar el ATTiny del modo de suspensión y encender el Pi. Si la energía es demasiado baja, el LED de encendido parpadea 3 veces y el ATTiny se vuelve a poner en suspensión.

Si se presiona el botón por segunda vez, la alimentación del Pi se apaga y el ATTiny se vuelve a poner en suspensión hasta que se presione el siguiente botón. Esto usa unos cientos de nanoamperios en modo de suspensión. El ATTiny funciona con un convertidor CC CC de 500 mA que puede proporcionar 5 V constantes a partir de una oscilación de voltaje de 5 V a 0,7 V.

La carcasa de alimentación se diseñó en TinkerCAD (al igual que todas las demás impresiones 3D) y se imprimió.

Para el circuito, vea el esquema toscamente dibujado.

Paso 3: sistema de carga

El controlador de carga consta de tres partes:

1. El circuito del controlador impulsado por un ATTiny
2. Los mosfets y diodos (y ventilador para enfriar)
3. Estoy usando un cargador de pared de 5.2V 8A para alimentar la computadora portátil

El circuito del controlador se activa cada 8 segundos para comprobar si hay una conexión a tierra en el puerto de carga. Si el cable de carga está conectado, el ventilador se enciende y comienza el proceso de carga.

A medida que el banco de condensadores se acerca cada vez más a la carga completa, la señal PWM que controla el mosfet aumenta linealmente hasta el 100% de encendido a 4,5 V. Una vez que se alcanza el voltaje objetivo, la señal PWM se apaga (4.5V). Luego espere hasta que se alcance el límite inferior definido para comenzar a cargar nuevamente (4.3V).

Debido a que los diodos reducen el voltaje de carga de 5.2V a ~ 4.6V, teóricamente podría dejar el cargador funcionando las 24 horas del día, los 7 días de la semana con un límite de voltaje de alrededor de 4.6-4.7V. El tiempo de carga a descarga cuando está lleno o casi lleno es de aproximadamente <1 minuto de carga y 5 minutos de descarga.

Cuando se desconecta el cable de carga, el ATTiny vuelve a dormir.

Los mosfets son de Ebay. Pueden funcionar con una señal PWM de 5 V y pueden manejar hasta 5 A cada uno. Esto está en la línea positiva usando tres diodos Schottky de 10 A para evitar el reflujo al cargador de pared. Verifique la orientación del diodo ANTES de conectarlo al cargador de pared. Si está orientado incorrectamente para permitir que la energía fluya desde los capacitores al cargador de pared, el cargador se calentará mucho y probablemente se derretirá cuando se conecte a la computadora portátil.

El ventilador de 5 V es impulsado por el cargador de pared y enfría los otros componentes a medida que se calientan mucho por debajo de la mitad de la carga.

La carga con un cargador de 5,2 V 8 A solo lleva unos minutos, mientras que un cargador de 5 V 2 A tarda más de una hora.

La señal PWM al mosfet solo permite el 6% de la potencia a 1,5 V o menos subiendo linealmente al 100% con una carga completa de 4,5 V. Esto se debe a que los condensadores actúan como un cortocircuito a voltajes más bajos, pero se vuelven exponencialmente más difíciles de cargar cuanto más se acerca a la ecualización.

El panel solar de 20 W impulsa un pequeño circuito de cargador USB de 5,6 V y 3,5 A. Este se alimenta directamente a través de un diodo de 10 A al banco de condensadores. Los reguladores de 2,5 V evitan que los condensadores se sobrecarguen. Es mejor no dejar el sistema al sol durante períodos prolongados, ya que los reguladores y el circuito del cargador pueden calentarse bastante.

Consulte el Arduino Sketch adjunto, otro diagrama de circuito mal dibujado y archivos. STL para las piezas impresas en 3D.

Para explicar cómo se conecta el circuito, el controlador de carga tiene una línea para probar el voltaje de entrada del cargador y una línea a los pines pwm en los módulos mosfet.

Los módulos mosfet están conectados a tierra en el lado negativo del banco de condensadores.

Este circuito no se apagará sin que el ventilador esté conectado desde el lado negativo de los condensadores al lado alto de la entrada del cargador. Debido a que el lado alto está detrás de los diodos y los mosfets, se desperdiciará muy poca energía ya que la resistencia supera los 40k. El ventilador tira del lado alto hacia abajo mientras el cargador no está conectado, pero no toma suficiente corriente para bajarlo mientras el cargador está enchufado.

Paso 4: banco de condensadores + impresiones 3D adicionales utilizadas

Los condensadores utilizados son supercondensadores 6x 2.5V @ 2300F. Se han dispuesto en 2 juegos en serie de 3 en paralelo. Esto llega a un banco de 5V @ 3450F. Si se pudiera extraer TODA la energía de los condensadores, estos pueden proporcionar ~ 11 Wh de potencia o la de una batería de iones de litio de 3,7 V y 2,5 Ah.

Enlace a la hoja de datos:

Las ecuaciones que utilicé para calcular la capacitancia y posteriormente los vatios-hora disponibles:

(C1 * C2) / (C1 + C2) = Ctotal2.5V 6900F + 2.5V 6900F (6900 * 6900) / (6900 + 6900) = 3450F @ 5V Usando 4.5V a 1.9V de potencial disponible en capacitores 3450F ((C * (Vmax ^ 2)) / 2) - ((C * (Vmin ^ 2)) / 2) = Julios totales ((3450 * (4.5 ^ 2)) / 2) - ((3450 * (1.9 ^ 2)) / 2) = 28704J Julios / 3600 segundos = Watt horas 28704/3600 = 7,97 Wh (potencia máxima disponible teórica)

Este banco es muy grande. a 5 cm de alto x 36 cm de largo x 16 cm de ancho. Es bastante pesado al incluir el marco de aluminio que utilicé … Aproximadamente 5 kg o 11 libras, sin incluir la maleta y todos los demás periféricos.

Conecté los terminales del condensador usando conectores de terminales de 50 A soldados con alambre de cobre de calibre 12. Esto evita un cuello de botella resistente en las terminales.

Con un marco de barra en T de aluminio, la computadora portátil es increíblemente resistente (aunque también MUY pesada). Todos los componentes se mantienen en su lugar usando este marco. Ocupa un espacio mínimo dentro de la computadora portátil sin tener que perforar agujeros en todas partes del estuche.

En este proyecto se utilizaron muchas piezas impresas en 3D:

• Soportes del banco de condensadores llenos
• Brazales del soporte del banco de condensadores
• Parte inferior de los portacondensadores
• Separador entre terminales de condensador positivo y negativo
• Placa de soporte para Raspberry Pi
• Cubiertas superiores para el teclado y los condensadores (solo por motivos estéticos)
• Soporte y cubierta de pantalla AMOLED
• Soporte para placa controladora AMOLED
• Guías de cable HDMI y USB para el controlador de pantalla de Pi
• Botón y acceso superior a la placa LED para control de energía
• otros se agregarán a medida que los imprima

Paso 5: Conclusión

Entonces, como esto fue solo un proyecto de hobby, creo que demostró que los supercondensadores se pueden usar para alimentar una computadora portátil, pero probablemente no deberían hacerlo por limitaciones de tamaño. La densidad de potencia de los condensadores utilizados en este proyecto es más de 20 veces menos densa que las baterías de iones de litio. Además, el peso es absurdo.

Dicho esto, esto podría tener usos diferentes a los de una computadora portátil convencional. Por ejemplo, utilizo esta computadora portátil principalmente a partir de la carga solar. Se puede usar en el bosque sin preocuparse demasiado por cargar y descargar la 'batería' repetidamente, varias veces al día. He modificado ligeramente el sistema desde la construcción inicial para incorporar un tomacorriente de 5v 4A en un lado de la caja para encender la iluminación y cargar teléfonos cuando revise los sensores en el bosque. Sin embargo, el peso sigue siendo un asesino para los hombros …

Debido a que el ciclo de carga es tan rápido, nunca tendrá que preocuparse por quedarse sin energía. Puedo enchufarlo durante 20 minutos (o menos según el nivel actual) en cualquier lugar y estar listo para más de una hora de uso intensivo.

Un inconveniente de este diseño es que le parece muy sospechoso a un transeúnte… No lo tomaría en transporte público. Al menos no lo use cerca de una multitud. Algunos amigos me han dicho que debería haberlo hecho parecer un poco menos "amenazante".

Pero en general, me divertí construyendo este proyecto y he aprendido bastante sobre cómo aplicar la tecnología de supercondensadores a otros proyectos en el futuro. Además, encajar todo en la maleta fue un rompecabezas en 3D que no fue demasiado frustrante, ni siquiera un desafío bastante interesante.

¡Si tiene alguna pregunta, hágamelo saber!