Laptop Raspberry Pi com supercondensador: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Dependendo do interesse geral para este projeto, posso adicionar mais etapas, etc, se isso ajudar a simplificar quaisquer componentes confusos.

Sempre fiquei intrigado com a tecnologia de capacitores mais recente surgindo ao longo dos anos e pensei que seria divertido tentar implementá-los como uma espécie de bateria para se divertir. Encontrei muitos problemas peculiares ao trabalhar nisso, pois eles não foram desenvolvidos com esse aplicativo em mente, mas queria compartilhar o que descobri e testei.

Isso é mais para destacar as dificuldades de carregar e extrair energia de um banco de supercapacitores em um aplicativo móvel (embora seja muito pesado, não é tão móvel …).

Sem os ótimos tutoriais abaixo, isso não teria se concretizado:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Informações detalhadas sobre Supercapacitores
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutorial para construir um circuito de carga e descarga
• Vou tentar desenterrar mais coisas que usei se puder encontrar / lembrar deles.

• Se você tiver algum tutorial que considere relevante, me avise para que eu possa colocá-lo aqui.

Os principais motivos pelos quais eu queria tentar isso são:

• Carregar totalmente em SEGUNDOS (a alta amperagem envolvida limita este sistema a minutos … com segurança).
• Centenas de milhares de ciclos de carga sem degradação (mais de um milhão nas condições certas).
• Uma tecnologia de nicho que possivelmente poderia encontrar seu caminho para a indústria de baterias mainstream.
• Condições ambientais de operação. Temperaturas de + 60C a -60C para os capacitores usados aqui.
• A eficiência de carregamento é> 95% (as baterias têm em média <85%)
• Eu os acho interessantes?

Agora, para o aviso sempre necessário ao trabalhar com eletricidade … Mesmo que haja muito pouca chance de ferimentos trabalhando com baixas tensões de ~ 5V, a incrível quantidade de amperagem que os supercapacitores podem produzir irá causar queimaduras e fritar componentes instantaneamente. O primeiro artigo mencionado fornece uma explicação excelente e etapas seguras. Ao contrário das baterias, encurtar totalmente os terminais não corre o risco de explosão (embora possa encurtar a vida do supercapacitor dependendo da bitola do fio). Problemas reais podem surgir durante o over-volting (carregando além da voltagem máxima marcada), onde os supercapacitores irão explodir, 'estourar' e morrer em uma bagunça esfumaçada. Casos extremos podem ser onde o selo estala muito alto.

Como um exemplo de quanta energia pode ser liberada, coloquei um fio de cobre de calibre 16 em todo o banco totalmente carregado a 5 V (acidentalmente, é claro) e fiquei ligeiramente cego pelo fio explodindo em um flash branco e verde enquanto queimava. Em menos de um segundo aquele pedaço de arame de 5 cm desapareceu. Centenas de amplificadores viajando por esse fio em menos de um segundo.

Decidi usar um laptop como plataforma, pois tinha um Raspberry Pi por perto, uma mala de alumínio, um teclado de quiosque e uma impressora 3D para fazer o protótipo. Originalmente, a ideia era construir este laptop apenas para que pudesse funcionar por 10-20 minutos com o mínimo de esforço. Com o espaço que eu tinha extra na mala, era muito tentador tentar tirar mais proveito desse projeto colocando mais supercapacitores.

Atualmente, a quantidade de energia utilizável é inferior à de uma bateria de íon de lítio ÚNICA 3,7 V 2Ah. Apenas cerca de 7Wh de potência. Não é surpreendente, mas com um tempo de carga de menos de 15 minutos de vazio, é interessante, pelo menos.

Infelizmente, apenas cerca de 75% da energia armazenada nos capacitores pode ser extraída com este sistema … Um sistema muito mais eficiente definitivamente poderia ser implementado para extrair energia em tensões mais baixas em torno de 1V ou menos. Eu só não queria gastar mais dinheiro com isso também, sob 2V nos capacitores deixa apenas cerca de 2Wh de potência disponível de um total de 11Wh.

Usando um conversor de 0,7-5 V para 5 V de baixa potência (eficiência de ~ 75-85%), consegui carregar a bateria do meu celular de 11 Wh de 3% a 65% usando o banco de capacitores (embora os telefones sejam extremamente ineficientes no carregamento, onde 60-80 % da potência de entrada é realmente armazenada).

Para as peças usadas neste projeto, provavelmente há peças melhores para usar do que as que eu tinha em mãos. Mas aqui estão eles:

• 6x supercapacitores (2,5 V, 2300 Farad - de um sistema de freio regenerativo de carro. Pode ser encontrado no Ebay, etc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x monitor alimentado por 5 V (estou usando um monitor AMOLED de 5,5 "com placa controladora HDMI)
• 2 microcontroladores ATTiny85 (irei incluir a programação)
• 2x 0,7 V-5 V para conversores 5 V 500 mA DC-DC constantes
• 4x 1,9V-5V para conversores 5V 1A DC-DC constantes
• 1 mala
• 3 mosfets com capacidade PWM 6A
• 2x diodos Schottky 10A
• Estrutura com ranhura em T de 10x de alumínio (com juntas etc. depende do que você deseja usar para manter as coisas no lugar)
• teclado quiosque
• Painel solar 20W 5V
• Cabos USB para micro USB
• cabo HDMI
• Variedade de componentes elétricos básicos e placas de prototipagem.
• muitas partes impressas em 3D (incluirei os arquivos.stl)

Essas peças podem ser facilmente trocadas por peças mais adequadas / eficientes, mas isso é o que eu tinha em mãos. Além disso, as restrições de dimensão mudarão de acordo com os componentes escolhidos.

Se você tiver algum feedback sobre o design, não hesite em deixar um comentário!

Etapa 1: Características de energia

Para dar uma ideia do que esperar em termos de energia ao usar capacitores para algo para o qual eles definitivamente não foram projetados:

Quando a tensão do banco de capacitores cai muito (1,9 V), os ATTinys foram programados para não ligar nenhum componente do sistema. Isso é apenas para garantir que os componentes não estejam consumindo energia quando não puderem funcionar de forma consistente em tensões mais baixas.

Este sistema funciona com conversores DC-DC em níveis de tensão de 4,5 V a 1,9 V do banco de capacitores.

A tensão de carregamento de entrada pode ser de 5 V a 5,5 V (não superior a 5 A a 5,5 V). Adaptadores de 5V 10A ou superior danificarão o mosfet e o queimarão na metade da taxa de carregamento PWM.

Com as características de carga dos capacitores, uma taxa de carga logarítmica / exponencial seria melhor, pois fica mais difícil empurrar a potência quanto mais perto você chega da carga total … mas eu nunca poderia fazer a função matemática funcionar com variáveis do tipo flutuante no ATTiny por algum motivo. Algo para eu olhar mais tarde …

Com potência total de processamento, o tempo de execução aproximado é de 1 hora. Em inatividade, 2 horas.

O uso do transceptor LowRa reduz a vida em aproximadamente 15%. O uso de um mouse a laser externo reduz a vida em aproximadamente 10%.

Tensão do banco de capacitores mais baixa = menos eficiência na conversão para 5 V para componentes de energia. Cerca de 75% com carga do capacitor de 2 V, onde muita energia é perdida na forma de calor nos conversores.

Enquanto conectado, o laptop pode funcionar indefinidamente usando um adaptador 5,3 V 8A. Usando um adaptador 2A, o sistema requer carga completa antes de ser ligado para uso ilimitado. A taxa de carregamento ATTiny PWM é de apenas 6,2% da entrada de energia quando o banco de capacitores é de 1,5 V ou menos, aumentando linearmente para 100% da taxa de carregamento com carga total.

Este sistema leva mais tempo para carregar usando um adaptador de menor amperagem. Tempo de carga de 2 V a 4,5 V sem nada saindo do banco de capacitores:

• O adaptador de 5,2 V 8A dura de 10 a 20 minutos (normalmente cerca de 13 minutos).
• Adaptador de 5,1 V 2A é de 1-2 horas. Como os diodos diminuem a tensão em cerca de 0,6 V, alguns adaptadores com exatamente 5 V nunca carregam totalmente este sistema. Isso está ok, pois o adaptador não será afetado negativamente.
• Painel solar de 20 W em plena luz do sol é de 0,5-2 horas. (muita variação durante o teste).

Existe o problema inerente de usar capacitores onde eles não mantêm sua carga por muito tempo quanto mais perto você estiver da tensão máxima.

Nas primeiras 24 horas, o banco de capacitores descarrega automaticamente de 4,5 V a 4,3 V em média. Então, nas próximas 72 horas, cairá lentamente para 4,1V razoavelmente constante. O ATTinys acoplado a uma pequena autodescarga reduzirá a tensão em 0,05-0,1 V por dia após as primeiras 96 horas (exponencialmente mais lento conforme a tensão cai para perto de zero). Quando em 1,5 V e inferior, a tensão do banco de capacitores cai em torno de 0,001-0,01 V por dia, dependendo da temperatura.

Com tudo isso levado em consideração, um conservador aproximado seria uma descarga para 0,7 V em ~ 100 dias. Deixei esta sessão por 30 dias e ainda estava com pouco mais de 3,5V.

Este sistema pode funcionar indefinidamente sob luz solar direta.

* * * PARA NOTA: * * A tensão crítica deste sistema é de 0,7 V, onde os conversores DC-DC que alimentam o ATTinys irão falhar. Felizmente, o mosfet que controla a taxa de carga aumentará cerca de 2% quando a energia for conectada a esta tensão ou inferior, permitindo um carregamento lento. Ainda não descobri POR QUE isso acontece, mas é um bônus de sorte.

Tive que carregar e descarregar totalmente o banco de capacitores ~ 15 vezes antes que eles se equilibrassem quimicamente e mantivessem uma carga decente. Quando os conectei pela primeira vez, fiquei extremamente frustrado com a quantidade de carga armazenada, mas fica muito melhor nos primeiros 15 ciclos completos de carga.

Etapa 2: Controlador de energia Pi

Para ligar e desligar o Pi, tive que implementar um controlador de energia com 4 conversores DC-DC e um mosfet.

Infelizmente, o Pi consome cerca de 100mA mesmo quando desligado, então tive que adicionar o mosfet para cortar completamente a energia dele. Com o controlador de energia em funcionamento, apenas ~ 2mA são desperdiçados com carga total (~ 0,5mA com carga baixa).

Essencialmente, o controlador faz o seguinte:

1. Regula o nível de tensão abaixo de 2,5 V nos capacitores para evitar sobretensão durante o carregamento.
2. Quatro DC-DC (1A máx. Cada, 4A no total) puxa diretamente dos capacitores de 4,5 V a 1,9 V para uma constante de 5,1 V.
3. Ao pressionar um botão, o mosfet permite que a energia flua para o Pi. Outra impressora corta a energia.
4. O ATTiny observa o nível de tensão do banco de capacitores. Se muito baixo, o mosfet não pode ser ligado.

O botão prateado, quando pressionado, indica a energia restante no banco de capacitores. 10 piscadas em 4.5V e 1 em 2.2V. O painel solar pode carregar até 5 V e pisca 12 vezes nesse nível.

A tensão do capacitor é regulada com os reguladores de disco verde de 2,5 V que eliminam qualquer excesso de energia. Isso é importante porque o painel solar carrega passivamente os capacitores por meio de um diodo de 10A diretamente até 5,2 V, o que os sobrecarregaria.

Os conversores DC-DC são capazes de fornecer até 1A cada e têm saída de tensão constante variável. Usando o potenciômetro azul na parte superior, a voltagem pode ser ajustada para qualquer nível que você precisar. Eu os configurei para 5,2 V cada, o que cai cerca de 0,1 V no mosfet. Um terá uma saída de tensão um pouco mais alta do que os outros e ficará moderadamente quente, mas os outros lidarão com picos de energia do Pi. Todos os 4 conversores podem lidar com picos de potência de até 4A com carga total do capacitor ou 2A com carga baixa.

Os conversores consomem uma corrente quiescente de ~ 2 mA com carga total.

Em anexo está o esboço do Arduino que estou usando para fazer isso com o ATTiny (muitas notas adicionadas). O botão está conectado a uma interrupção para tirar o ATTiny do repouso e ligar o Pi. Se a energia estiver muito baixa, o LED de energia piscará 3 vezes e o ATTiny será colocado novamente em hibernação.

Se o botão for pressionado uma segunda vez, o Pi é desligado e o ATTiny colocado de volta no modo de espera até o próximo pressionamento do botão. Isso usa algumas centenas de nano amperes no modo de suspensão. O ATTiny está funcionando com um conversor CC de 500mA CC que pode fornecer 5 V constantes a partir de uma oscilação de tensão de 5 V a 0,7 V.

A caixa de alimentação foi projetada no TinkerCAD (como todas as outras impressões 3D) e impressa.

Para o circuito, veja o esquema toscamente desenhado.

Etapa 3: sistema de carregamento

O controlador de carga consiste em três partes:

1. O circuito controlador conduzido por um ATTiny
2. Os mosfets e diodos (e ventilador para resfriamento)
3. Estou usando um carregador de parede de 5,2 V 8 A para alimentar o laptop

O circuito do controlador é ativado a cada 8 segundos para verificar se há uma conexão com o aterramento na porta de carregamento. Se o cabo de carregamento estiver conectado, o ventilador liga e o processo de carregamento começa.

Conforme o banco de capacitores fica cada vez mais perto da carga total, o sinal PWM que controla o mosfet é aumentado linearmente para 100% LIGADO a 4,5V. Uma vez que a tensão alvo é alcançada, o sinal PWM é desligado (4,5 V). Em seguida, espere até que o limite inferior definido seja alcançado para começar a carregar novamente (4,3 V).

Como os diodos diminuem a tensão de carga de 5,2 V para ~ 4,6 V, teoricamente eu poderia deixar o carregador funcionando 24 horas por dia, 7 dias por semana, com a tensão limitada em torno de 4,6-4,7 V. O tempo de carregamento para descarregar quando está cheio ou quase cheio é de cerca de <1 minuto para carregar e 5 minutos para descarregar.

Quando o cabo de carregamento é desconectado, o ATTiny entra em hibernação novamente.

Os mosfets são do Ebay. Eles podem ser acionados por um sinal PWM de 5 V e podem lidar com até 5 A cada. Isso está na linha positiva, usando três diodos schottky 10A para evitar o refluxo para o carregador de parede. Verifique a orientação do diodo ANTES de conectar ao carregador de parede. Se for orientado incorretamente para permitir que a energia flua dos capacitores para o carregador de parede, o carregador ficará muito quente e provavelmente derreterá quando conectado ao laptop.

A ventoinha de 5 V é acionada pelo carregador de parede e resfria os outros componentes à medida que ficam muito quentes abaixo da metade da carga.

O carregamento com um carregador de 5,2 V 8 A leva apenas alguns minutos, enquanto um carregador de 5 V 2 A leva mais de uma hora.

O sinal PWM para o mosfet permite apenas 6% da potência a 1,5 V ou menos, subindo linearmente para 100% com carga total de 4,5 V. Isso ocorre porque os capacitores atuam como um curto-circuito em tensões mais baixas, mas se tornam exponencialmente mais difíceis de carregar quanto mais perto você chega da equalização.

O painel solar de 20 W aciona um pequeno circuito carregador USB de 5,6 V 3,5 A. Isso alimenta diretamente através de um diodo de 10A o banco de capacitores. Os reguladores de 2,5 V evitam que os capacitores carreguem demais. É melhor não deixar o sistema ao sol por longos períodos de tempo, pois os reguladores e o circuito do carregador podem esquentar bastante.

Veja em anexo o Arduino Sketch, outro diagrama de circuito mal desenhado e arquivos. STL para as peças impressas em 3D.

Para explicar como o circuito é conectado, o controlador de carregamento tem uma linha para testar a tensão de entrada do carregador e uma linha para os pinos pwm nos módulos mosfet.

Os módulos mosfet são aterrados no lado negativo do banco de capacitores.

Este circuito não desligará sem que a ventoinha seja conectada do lado negativo dos capacitores ao lado alto da entrada do carregador. Como o lado alto está atrás dos diodos e mosfets, muito pouca energia será desperdiçada, pois a resistência é superior a 40k. A ventoinha puxa o lado alto para baixo enquanto o carregador não está conectado, mas não leva corrente suficiente para baixá-la enquanto o carregador está conectado.

Etapa 4: Banco de capacitores + impressões 3D adicionais usadas

Os capacitores usados são supercapacitores 6x 2,5 V @ 2300F. Eles foram organizados em 2 conjuntos em série de 3 em paralelo. Isso chega a um banco de 5V a 3450F. Se TODA a energia puder ser extraída dos capacitores, eles podem fornecer ~ 11Wh de energia ou de uma bateria de íon-lítio 3,7V 2,5Ah.

Link para a folha de dados:

As equações que usei para calcular a capacitância e, posteriormente, os watts-hora disponíveis:

(C1 * C2) / (C1 + C2) = Ctotal2,5V 6900F + 2,5V 6900F (6900 * 6900) / (6900 + 6900) = 3450F @ 5V Usando 4,5V a 1,9V de potencial disponível em capacitores 3450F ((C * (Vmáx ^ 2)) / 2) - ((C * (Vmin ^ 2)) / 2) = Joules total ((3450 * (4,5 ^ 2)) / 2) - ((3450 * (1,9 ^ 2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 segundos = Watt horas 28704/3600 = 7,97 Wh (potência máxima teórica disponível)

Este banco é muito grande. com 5 cm de altura x 36 cm de comprimento x 16 cm de largura. É bastante pesado incluindo a moldura de alumínio que usei… Cerca de 5kg ou 11 libras, sem incluir a mala e todos os outros periféricos.

Eu conectei os terminais do capacitor usando conectores de terminal 50A soldados junto com fio de cobre de calibre 12. Isso evita um gargalo de resistência nos terminais.

Usando uma estrutura em T de alumínio, o laptop é incrivelmente robusto (embora também seja MUITO pesado). Todos os componentes são mantidos no lugar usando esta estrutura. Ocupa um espaço mínimo dentro do laptop sem ter que fazer furos em todo o gabinete.

Muitas peças impressas em 3D foram usadas neste projeto:

• Suportes de banco de capacitor cheios
• Braçadeiras de suporte de banco de capacitor
• Suporte de capacitores na parte inferior
• Separador entre os terminais do capacitor positivo e negativo
• Placa porta-framboesa Pi
• Tampas superiores para teclado e capacitores (apenas para estética)
• Suporte de tela AMOLED e tampa
• Suporte de placa controladora AMOLED
• Guias de fio HDMI e USB para exibir o controlador de Pi
• Botão e acesso superior da placa de LED para controle de energia
• outros serão adicionados quando eu os imprimir

Etapa 5: Conclusão

Portanto, como este era apenas um projeto de hobby, acredito que provou que os supercapacitores podem ser usados para alimentar um laptop, mas provavelmente não deveriam devido a restrições de tamanho. A densidade de potência para os capacitores usados neste projeto é mais de 20x menos densa do que as baterias de íon-lítio. Além disso, o peso é absurdo.

Dito isso, ele pode ter usos diferentes de um laptop convencional. Por exemplo, eu uso este laptop principalmente por carregamento solar. Ele pode ser usado na floresta sem se preocupar muito em carregar e descarregar a 'bateria' repetidamente, várias vezes por dia. Eu modifiquei um pouco o sistema desde a construção inicial para incorporar uma tomada 5v 4A em um lado do gabinete para acender a iluminação e carregar telefones ao verificar os sensores na floresta. O peso ainda é um assassino de ombro …

Como o ciclo de carregamento é muito rápido, você nunca precisa se preocupar em ficar sem energia. Posso ligá-lo por 20 minutos (ou menos, dependendo do nível atual) em qualquer lugar e ser bom para mais de uma hora de uso intensivo.

Uma desvantagem desse design é que parece muito suspeito para um transeunte … Eu não levaria isso no transporte público. Pelo menos não o use perto de uma multidão. Alguns amigos me disseram que eu deveria ter feito isso parecer um pouco menos "ameaçador".

Mas, no geral, me diverti construindo este projeto e aprendi um pouco sobre como aplicar a tecnologia do supercapacitor a outros projetos no futuro. Além disso, colocar tudo na mala era um quebra-cabeça 3D que não era muito frustrante, até mesmo um desafio bastante interessante.

Se você tiver alguma dúvida me avise!