Ordinateur portable Raspberry Pi alimenté par super condensateur : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

En fonction de l'intérêt général pour ce projet, je peux ajouter plus d'étapes, etc. si cela aide à simplifier les composants déroutants.

J'ai toujours été intrigué par la nouvelle technologie de condensateur qui a fait son apparition au fil des ans et j'ai pensé qu'il serait amusant d'essayer de les mettre en œuvre comme une sorte de batterie pour le plaisir. Il y a eu beaucoup de problèmes bizarres que j'ai rencontrés en travaillant là-dessus car ils ne sont pas conçus avec cette application à l'esprit, mais je voulais partager ce que j'ai découvert et testé.

Il s'agit plutôt de mettre en évidence les difficultés de charge et d'alimentation d'une banque de super condensateurs dans une application mobile (bien qu'avec son poids, ce n'est pas si mobile…).

Sans les excellents tutoriels ci-dessous, cela n'aurait pas abouti:

• www.instructables.com/id/Lets-learn-about-Super-Ca… - Informations détaillées sur les supercondensateurs
• www.instructables.com/id/How-to-Make-Super… - Tutoriel pour construire un circuit de charge et de décharge

• Je vais essayer d'en trouver plus que j'ai utilisé si je peux les trouver/m'en souvenir.

• Si vous avez des tutoriels que vous jugez pertinents, faites-le moi savoir afin que je puisse les mettre ici.

Les principales raisons pour lesquelles j'ai voulu essayer ceci sont:

• La charge complète en quelques SECONDES (l'ampérage élevé impliqué limite ce système à quelques minutes… en toute sécurité).
• Des centaines de milliers de cycles de charge sans dégradation (plus d'un million dans les bonnes conditions).
• Une technologie très spécialisée qui pourrait éventuellement trouver sa place dans l'industrie des batteries grand public.
• Conditions environnementales de fonctionnement. Des températures de +60C à -60C pour les condensateurs utilisés ici.
• L'efficacité de charge est > 95 % (les batteries sont en moyenne < 85 %)
• Je les trouve intéressants ?

Maintenant, pour l'avertissement toujours nécessaire lorsque vous travaillez avec de l'électricité… Même s'il y a très peu de risque de blessure en travaillant avec de faibles tensions d'environ 5 V, l'incroyable ampérage que les super condensateurs peuvent produire provoquera des brûlures et fera frire instantanément les composants. Le premier article mentionné fournit une excellente explication et des étapes en toute sécurité. Contrairement aux batteries, court-circuiter complètement les bornes ne risque pas d'exploser (bien que cela puisse raccourcir la durée de vie du super condensateur en fonction du calibre du fil). De vrais problèmes peuvent survenir lors d'une surtension (charge au-delà de la tension maximale marquée) où les super condensateurs s'éteindront, "pop" et mourront dans un désordre enfumé. Les cas extrêmes peuvent être ceux où le sceau éclate assez fort.

À titre d'exemple de la quantité d'énergie pouvant être libérée, j'ai laissé tomber un fil de cuivre de calibre 16 sur la banque complètement chargée à 5 V (accidentellement bien sûr) et j'ai été légèrement aveuglé par le fil qui a explosé dans un éclair blanc et vert pendant qu'il brûlait. En moins d'une seconde, ce morceau de fil de 5 cm était parti. Des centaines d'ampères traversant ce fil en moins d'une seconde.

Je me suis installé sur un ordinateur portable comme plate-forme car j'avais un Raspberry Pi qui traînait, une valise en aluminium, un clavier kiosque et une imprimante 3D pour prototyper. À l'origine, l'idée était de construire cet ordinateur portable juste pour qu'il puisse fonctionner pendant 10 à 20 minutes avec un minimum d'effort. Avec la pièce que j'avais en plus dans la valise, il était trop tentant d'essayer de tirer davantage parti de ce projet en entassé plus de super condensateurs.

Actuellement, la quantité d'énergie utilisable est inférieure à celle d'une SEULE batterie lithium-ion 3,7 V 2 Ah. Seulement environ 7Wh de puissance. Pas étonnant, mais avec un temps de charge de moins de 15 minutes à vide, c'est intéressant au moins.

Malheureusement, seulement environ 75% de l'énergie stockée dans les condensateurs peut être extraite avec ce système… Un système beaucoup plus efficace pourrait certainement être mis en œuvre pour tirer de l'énergie à des tensions inférieures autour de 1V ou moins. Je ne voulais tout simplement pas dépenser plus d'argent pour cela et, sous 2 V dans les condensateurs, il ne reste qu'environ 2 Wh de puissance disponible sur un total de 11 Wh au total.

À l'aide d'un convertisseur basse consommation 0,7-5 V à 5 V (efficacité ~ 75-85%), j'ai pu charger ma batterie de téléphone portable 11Wh de 3% à 65% à l'aide de la batterie de condensateurs (bien que les téléphones soient extrêmement inefficaces pour la charge, où 60-80 % de la puissance d'entrée est réellement stocké).

Pour les pièces utilisées dans ce projet, il y a probablement de meilleures pièces à utiliser que celles que j'avais sous la main. Mais les voici:

• 6x super condensateurs (2.5V, 2300 Farad - d'un système de freinage régénératif de voiture. Peut être trouvé sur Ebay, etc.)
• 1x Raspberry Pi 3
• 1x écran alimenté en 5V (j'utilise un écran AMOLED de 5,5" avec carte contrôleur HDMI)
• 2x micro-contrôleurs ATTiny85 (j'inclurai la programmation)
• Convertisseurs DC-DC 2x 0,7V-5V à 5V 500mA constants
• Convertisseurs DC-DC 4x 1.9V-5V à 5V 1A constant
• 1x valise
• 3x mosfets compatibles PWM 6A
• 2x diodes Schottky 10A
• 10x cadre en aluminium à rainures en T (avec des joints, etc., cela dépend de ce que vous voulez utiliser pour maintenir les choses en place)
• clavier kiosque
• Panneau solaire 20W 5V
• Câbles USB vers micro USB
• câble HDMI
• Assortiment de composants électriques de base et de cartes de prototypage.
• de nombreuses pièces imprimées en 3D (j'inclurai les fichiers.stl)

Ces pièces peuvent facilement être échangées contre des pièces plus appropriées/efficaces, mais c'est ce que j'avais sous la main. De plus, les contraintes de dimension changeront avec les composants choisis.

Si vous avez des retours sur le design, n'hésitez pas à laisser un commentaire !

Étape 1: Caractéristiques de puissance

Pour donner une idée de ce à quoi s'attendre en termes de puissance lors de l'utilisation de condensateurs pour quelque chose pour lequel ils n'ont certainement pas été conçus:

Lorsque la tension de la batterie de condensateurs chute trop bas (1,9 V), les ATTinys ont été programmés pour ne mettre sous tension aucun composant du système. C'est juste pour s'assurer que les composants ne consomment pas d'énergie lorsqu'ils ne peuvent pas fonctionner de manière cohérente à des tensions inférieures.

Ce système fonctionne à l'aide de convertisseurs DC-DC à des niveaux de tension de 4,5 V à 1,9 V à partir de la batterie de condensateurs.

La tension de charge d'entrée peut aller de 5V à 5,5V (pas plus de 5A à 5,5V). Les adaptateurs de 5V 10A ou plus endommageront le mosfet et le brûleront à la moitié du taux de charge PWM.

Avec les caractéristiques de charge des condensateurs, un taux de charge logarithmique/exponentiel serait préférable, car il devient plus difficile de pousser la puissance à mesure que vous vous rapprochez de la charge complète… mais je n'ai jamais pu faire fonctionner la fonction mathématique avec des variables de type flottant sur le ATTiny pour une raison quelconque. Quelque chose pour moi de regarder plus tard…

À pleine puissance de traitement, le temps d'exécution approximatif est de 1 heure. Au ralenti, 2 heures.

L'utilisation de l'émetteur-récepteur LowRa réduit la durée de vie d'environ 15%. L'utilisation d'une souris laser externe réduit la durée de vie d'environ 10 % supplémentaires.

Tension de batterie de condensateurs inférieure = moins d'efficacité de conversion en 5V pour alimenter les composants. Environ 75 % à une charge de condensateur de 2 V, où une grande partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur dans les convertisseurs.

Lorsqu'il est branché, l'ordinateur portable peut fonctionner indéfiniment à l'aide d'un adaptateur 5,3 V 8 A. À l'aide d'un adaptateur 2A, le système nécessite une charge complète avant de s'allumer pour une utilisation illimitée. Le taux de charge ATTiny PWM n'est que de 6,2 % de la puissance d'entrée lorsque la batterie de condensateurs est de 1,5 V ou moins, grimpe linéairement jusqu'à 100 % du taux de charge à pleine charge.

Ce système prend plus de temps à charger à l'aide d'un adaptateur d'ampérage inférieur. Temps de charge de 2V à 4,5V sans que rien ne coule de la batterie de condensateurs:

• L'adaptateur 5.2V 8A dure 10-20 minutes (généralement environ 13 minutes).
• L'adaptateur 5.1V 2A dure 1 à 2 heures. Parce que les diodes font chuter la tension d'environ 0,6 V, certains adaptateurs à exactement 5 V ne chargeront jamais complètement ce système. C'est ok cependant, car l'adaptateur ne sera pas affecté négativement.
• Le panneau solaire de 20 W en plein soleil dure 0,5 à 2 heures. (beaucoup de variance lors des tests).

Il y a le problème inhérent à l'utilisation de condensateurs où ils ne conservent pas leur charge très longtemps à mesure que vous vous rapprochez de la tension maximale.

Au cours des premières 24 heures, la batterie de condensateurs se décharge de 4,5V à 4,3V en moyenne. Ensuite, au cours des 72 prochaines heures, il chutera lentement à 4,1 V assez constant. Les ATTinys couplés à une petite autodécharge feront chuter la tension à 0,05-0,1 V par jour après les 96 premières heures (exponentiellement plus lentement à mesure que la tension chute plus près de zéro). À 1,5 V et moins, la tension de la batterie de condensateurs chute d'environ 0,001 à 0,01 V par jour en fonction de la température.

Avec tout cela pris en considération, une approximation prudente serait une décharge à 0,7 V en ~ 100 jours. J'ai laissé cette séance pendant 30 jours et il me restait encore un peu plus de 3,5 V.

Ce système peut fonctionner indéfiniment en plein soleil.

* * * À NOTER: * * La tension critique de ce système est de 0,7 V, là où les convertisseurs CC-CC alimentant l'ATTinys tomberont en panne. Heureusement, le mosfet contrôlant le taux de charge s'élèvera à environ 2% lorsque l'alimentation est connectée à cette tension ou moins, ce qui permet une charge lente. Je n'ai toujours pas compris POURQUOI cela se produit, mais c'est un bonus chanceux.

J'ai dû charger et décharger complètement la batterie de condensateurs environ 15 fois avant qu'elle ne s'équilibre chimiquement et qu'elle conserve une charge décente. Lorsque je les ai branchés pour la première fois, j'étais extrêmement frustré par la quantité de charge stockée, mais cela s'améliore bien au cours des 15 premiers cycles de charge complète.

Étape 2: Contrôleur de puissance Pi

Pour allumer et éteindre le Pi, j'ai dû implémenter un contrôleur de puissance avec 4 convertisseurs DC-DC et un mosfet.

Malheureusement, le Pi consomme environ 100 mA même lorsqu'il est éteint, j'ai donc dû ajouter le mosfet pour lui couper complètement l'alimentation. Avec le contrôleur d'alimentation en jeu, seulement ~ 2 mA sont gaspillés à pleine charge (~ 0,5 mA à faible charge).

Essentiellement, le contrôleur effectue les opérations suivantes:

1. Régule le niveau de tension inférieur à 2,5 V dans les condensateurs pour éviter les surtensions lors de la charge.
2. Quatre DC-DC (1A max chacun, 4A au total) tirent directement des condensateurs de 4,5V à 1,9V pour un 5,1V constant.
3. Sur simple pression d'un bouton, le mosfet permet à l'énergie de circuler vers le Pi. Une autre presse coupe le courant.
4. L'ATTiny surveille le niveau de tension de la batterie de condensateurs. S'il est trop bas, le mosfet ne peut pas être allumé.

Le bouton argenté, lorsqu'il est enfoncé, indique la puissance restante dans la batterie de condensateurs. 10 clignotements à 4,5V et 1 à 2,2V. Le panneau solaire peut se charger au maximum de 5 V et clignote 12 fois à ce niveau.

La tension du condensateur est régulée avec les régulateurs à disque vert 2.5V qui purgent tout excès de puissance. Ceci est important car le panneau solaire charge passivement les condensateurs via une diode 10A directement jusqu'à 5,2V, ce qui les surchargerait.

Les convertisseurs DC-DC sont capables de fournir jusqu'à 1A chacun et sont une sortie de tension constante variable. À l'aide du potentiomètre bleu sur le dessus, la tension peut être réglée à n'importe quel niveau dont vous avez besoin. Je les ai réglés sur 5,2 V chacun, ce qui chute d'environ 0,1 V sur le mosfet. L'une sera la plus petite tension de sortie plus élevée que les autres et deviendra modérément chaude, mais les autres géreront les pointes de puissance du Pi. Les 4 convertisseurs peuvent gérer des pointes de puissance jusqu'à 4A à pleine charge du condensateur, ou 2A à faible charge.

Les convertisseurs consomment un courant de repos d'environ 2 mA à pleine charge.

Ci-joint le croquis Arduino que j'utilise pour faire cela avec l'ATTiny (beaucoup de notes ajoutées). Le bouton est attaché à une interruption pour sortir l'ATTiny du mode veille et alimenter le Pi. Si la puissance est trop faible, le voyant d'alimentation clignote 3 fois et l'ATTiny est remis en veille.

Si vous appuyez une deuxième fois sur le bouton, l'alimentation du Pi est coupée et l'ATTiny se remet en veille jusqu'à la prochaine pression sur le bouton. Cela utilise quelques centaines de nano ampères en mode veille. L'ATTiny fonctionne à partir d'un convertisseur CC CC de 500 mA qui peut fournir une tension constante de 5 V à partir d'une oscillation de tension de 5 V à 0,7 V.

Le boîtier d'alimentation a été conçu sur TinkerCAD (comme toutes les autres impressions 3D) et imprimé.

Pour le circuit, voir le schéma grossièrement dessiné.

Étape 3: Système de charge

Le contrôleur de charge se compose de trois parties:

1. Le circuit contrôleur piloté par un ATTiny
2. Les mosfets et diodes (et ventilateur pour le refroidissement)
3. J'utilise un chargeur mural 5.2V 8A pour alimenter l'ordinateur portable

Le circuit du contrôleur se réveille toutes les 8 secondes pour vérifier une connexion à la terre sur le port de charge. Si le câble de charge est connecté, le ventilateur démarre et le processus de charge commence.

Au fur et à mesure que la batterie de condensateurs se rapproche de la pleine charge, le signal PWM contrôlant le mosfet augmente linéairement jusqu'à 100 % ON à 4,5 V. Une fois la tension cible atteinte, le signal PWM est désactivé (4,5 V). Attendez ensuite que la limite inférieure définie soit atteinte pour recommencer la charge (4,3 V).

Étant donné que les diodes font chuter la tension de charge de 5,2 V à ~ 4,6 V, je pourrais théoriquement laisser le chargeur fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, avec une tension plafonnée autour de 4,6 à 4,7 V. Le temps de charge à décharge lorsqu'il est presque plein ou presque est d'environ <1 minute de charge et 5 minutes de décharge.

Lorsque le câble de charge est débranché, l'ATTiny se remet en veille.

Les mosfets viennent d'Ebay. Ils peuvent être alimentés par un signal PWM 5V et peuvent gérer jusqu'à 5A chacun. C'est sur la ligne positive en utilisant trois diodes Schottky 10A pour empêcher le reflux vers le chargeur mural. Vérifiez l'orientation de la diode AVANT de vous connecter au chargeur mural. S'il est mal orienté pour permettre au courant de passer des condensateurs au chargeur mural, le chargeur deviendra très chaud et fondra probablement lorsqu'il sera branché sur l'ordinateur portable.

Le ventilateur 5V est entraîné par le chargeur mural et refroidit les autres composants car ils deviennent très chauds en dessous de la moitié de la charge.

La charge à l'aide d'un chargeur 5,2 V 8 A ne prend que quelques minutes, alors qu'un chargeur 5 V 2 A prend plus d'une heure.

Le signal PWM vers le mosfet ne permet que 6 % de la puissance à 1,5 V ou moins, grimper linéairement à 100 % à pleine charge de 4,5 V. En effet, les condensateurs agissent comme un court-circuit à des tensions inférieures, mais deviennent exponentiellement plus difficiles à charger à mesure que vous vous rapprochez de l'égalisation.

Le panneau solaire 20W pilote un petit circuit chargeur USB 5,6V 3,5A. Cela alimente directement à travers une diode 10A à la batterie de condensateurs. Les régulateurs 2,5 V empêchent les condensateurs de surcharger. Il est préférable de ne pas laisser le système au soleil pendant de longues périodes, car les régulateurs et le circuit du chargeur peuvent devenir très chauds.

Voir Arduino Sketch ci-joint, un autre schéma de circuit mal dessiné et des fichiers. STL pour les pièces imprimées en 3D.

Pour expliquer comment le circuit est câblé ensemble, le contrôleur de charge a une ligne pour tester la tension d'entrée du chargeur et une ligne vers les broches pwm sur les modules mosfet.

Les modules mosfet sont mis à la terre sur le côté négatif de la batterie de condensateurs.

Ce circuit ne s'éteindra pas sans que le ventilateur ne soit connecté du côté négatif des condensateurs au côté haut de l'entrée du chargeur. Parce que le côté haut est derrière les diodes et les mosfets, très peu d'énergie sera gaspillée car la résistance est supérieure à 40k. Le ventilateur abaisse le côté haut lorsque le chargeur n'est pas connecté, mais ne prend pas assez de courant pour l'abaisser lorsque le chargeur est branché.

Étape 4: Banque de condensateurs + Impressions 3D supplémentaires utilisées

Les condensateurs utilisés sont des supercondensateurs 6x 2.5V @ 2300F. Ils ont été disposés en 2 ensembles en série de 3 en parallèle. Cela revient à une banque de 5V @ 3450F. Si TOUTE l'énergie peut être extraite des condensateurs, ils peuvent fournir une puissance d'environ 11 Wh ou celle d'une batterie Li-ion 3,7 V 2,5 Ah.

Lien vers la fiche technique:

Les équations que j'ai utilisées pour calculer la capacité et par la suite les wattheures disponibles:

(C1*C2) / (C1+C2) = Ctotal2.5V 6900F + 2.5V 6900F (6900*6900) / (6900+6900) = 3450F @ 5VEn utilisant 4,5V à 1,9V de potentiel disponible aux condensateurs 3450F ((C * (Vmax^2)) / 2) - ((C * (Vmin^2)) / 2) = Joules Total((3450 * (4,5^2)) / 2) - ((3450 * (1,9^2)) / 2) = 28704JJoules / 3600 secondes = Wattheures28704 / 3600 = 7,97 Wh (puissance théorique maximale disponible)

Cette banque est très grande. à 5 cm de haut x 36 cm de long x 16 cm de large. Il est assez lourd en incluant le cadre en aluminium que j'ai utilisé… Environ 5Kg ou 11lbs, sans compter la valise et tous les autres périphériques.

J'ai branché les bornes du condensateur à l'aide de connecteurs de borne 50A soudés avec du fil de cuivre de calibre 12. Cela évite un goulot d'étranglement résistant aux terminaux.

Utilisant un cadre en T en aluminium, l'ordinateur portable est incroyablement robuste (mais aussi TRÈS lourd). Tous les composants sont maintenus en place à l'aide de ce cadre. Prend un espace minimal dans l'ordinateur portable sans avoir à percer des trous partout dans le boîtier.

De nombreuses pièces imprimées en 3D ont été utilisées dans ce projet:

• Supports de batterie de condensateurs pleins
• Brassards de support de batterie de condensateurs
• Supports de condensateur en bas
• Séparateur entre les bornes positives et négatives du condensateur
• Assiette support Raspberry Pi
• Couvercles supérieurs pour le clavier et les condensateurs (pour l'esthétique uniquement)
• Support et couvercle d'écran AMOLED
• Support de carte contrôleur AMOLED
• Guides de câbles HDMI et USB pour afficher le contrôleur de Pi
• Bouton et plaque LED accès supérieur pour le contrôle de la puissance
• d'autres seront ajoutés au fur et à mesure que je les imprime

Étape 5: Conclusion

Donc, comme il ne s'agissait que d'un projet de loisir, je pense que cela a prouvé que les supercondensateurs peuvent être utilisés pour alimenter un ordinateur portable, mais ne devraient probablement pas l'être pour des contraintes de taille. La densité de puissance des condensateurs utilisés dans ce projet est plus de 20 fois moins dense que les batteries Li-ion. De plus, le poids est absurde.

Cela étant dit, cela pourrait avoir des utilisations différentes d'un ordinateur portable conventionnel. Par exemple, j'utilise cet ordinateur portable principalement à partir de la charge solaire. Il peut être utilisé dans les bois sans trop se soucier de charger et décharger la « batterie » à plusieurs reprises, plusieurs fois par jour. J'ai légèrement modifié le système depuis la construction initiale pour incorporer une prise 5v 4A sur un côté du boîtier pour alimenter l'éclairage et charger les téléphones lors de la vérification des capteurs dans les bois. Le poids est toujours un tueur d'épaule cependant…

Parce que le cycle de charge est si rapide, vous n'avez jamais à vous soucier de manquer d'énergie. Je peux le brancher pendant 20 minutes (ou moins selon le niveau de courant) n'importe où et être prêt à partir pour plus d'une heure d'utilisation intensive.

Un inconvénient de cette conception est qu'elle semble très suspecte à un passant… Je ne prendrais pas cela dans les transports en commun. Au moins, ne l'utilisez pas près d'une foule. Quelques amis m'ont dit que j'aurais dû le faire paraître un peu moins «menaçant».

Mais dans l'ensemble, je me suis amusé à construire ce projet et j'ai beaucoup appris sur la façon d'appliquer la technologie des supercondensateurs à d'autres projets à l'avenir. De plus, tout mettre dans la valise était un puzzle 3D qui n'était pas trop frustrant, voire un défi assez intéressant.

Si vous avez des questions dites le moi!