[Из песочницы] Проект Lenergy, как переосмысление портативных источников питания08.02.2019 21:19

Привет, Хабр! Хочу рассказать о своём виденье универсального программируемого портативного источника энергии. Как я к этому пришёл, каким в итоге проект стал в железе, для чего он нужен и варианты применения, а так же его дальнейшее развитие. Одной статьи будет явно недостаточно, поэтому при должном интересе к этому проекту следующая статья будет посвящена моментам разработки и использованных решений во всех подробностях. Прошу под кат, я очень хочу вам рассказать о своём проекте!

В данном материале я хочу поделиться не только описанием и назначением устройства, но и идейной составляющей, которая мотивировала меня в данном творении. Поэтому хочу заранее извинится перед читателями, которым может показаться некая объёмность данного материала. Я просто не мог написать иначе.

Генезис

Я уверен, человечество когда-нибудь сможет прийти к единому решению передачи энергии, но пока мы с вами находимся в зоопарке всеразличных стандартов. Да, USB-C Power Delivery ещё не так повсеместен в портативной технике, как хотелось бы, но и он не будет панацеей для особо продвинутых.

Я же хотел поистине универсальный и гибкий источник эл. энергии. Чтобы профессионалы своего дела могли в нём найти надёжный и максимально универсальный инструмент для своих задач. Чтобы в путешествиях дал возможность брать любую технику, не переживая, порой, о её внезапном печальном превращение в мёртвый груз и был при этом гибким в отношении веса/ёмкости. Дома на столе был как лабораторный БП. Да и в целом в работе и повседневной жизни не подвёл. Однако такого очевидного устройства почему-то не нашлось в продаже. За одним исключением под названием: «Вампирчик». Концепция и подход мне понравились, но его характеристик, а именно мощности было явно недостаточно.

Время шло, я по мере необходимости продолжал «колхозить» различные решения. Данное положение начинало уже изрядно утомлять. За все эти года сформировалось весьма чёткое понимание концепции желаемого устройства, а так же накопилась «критическая масса» мотивации пройти этот путь самостоятельно! Признаюсь, он оказался весьма длинным и ещё не закончен.

Если с концепцией сложностей не было от слова совсем то, с компонентной базой и схемотехникой всё было не так однозначно. Необходимо было точно определится с тем, что станет базой не только для данной версии, но и возможных последующих вариаций. В поисках наиболее сбалансированного решения было спроектировано и изготовлено несколько прототипов, на которых я провёл все мыслимые и немыслимые эксперименты. Времени на данном этапе я откровенно не жалел. Конечно же, как писал во вступлении, это заслуживает отдельной статьи. Итогом всех этих итераций получилось то, что изображено на фото выше и ниже. В целом я доволен!

Концепция

Это — программируемый универсальный накопитель энергии с двумя высокоэффективными преобразователями на входе и на выходе. Всё это дело управляется через мобильное приложение, а также через приложение на ПК. Сразу успокою противников данного подхода. Есть удобная функция сохранения пресетов на устройстве с конфигурированием через приложение последующая работа, с которыми осуществляется одной лишь кнопкой и уже без каких либо приложений. В базовой версии может накапливать порядка 45 Вт*ч энергии в виде 4-х элементов типа 18650. Многие могут отметить не столь высокую ёмкость внутренней батареи, но такова плата за адекватные размеры и вес. Так или иначе, за счёт специального разъёма вы имеете гибкую возможность увеличения ёмкости внешними блоками или любыми однотипными аккумуляторами. Выходная мощность не ограниченна и кратковременно может значительно превышать 100 Вт, продолжительная 50–75 Вт в зависимости от температуры. На торцах по обе стороны расположены наиболее распространённые разъёмы для подключения всего и вся.

Со временем, я хочу прийти к открытому API и позволить вам менять не только встроенные аккумуляторы, но и даже некоторые компоненты ;)

ТТХ:

Выход: 3 — 25 В / 0,01 — 10 А / 50–100 Вт в зависимости от температуры
Вход: 4,5 — 25 В, МРРТ
Ёмкость: ~45–50 Вт*ч (13600 мА*ч) в виде 4×18650 элементов
КПД каждого преобразователя 90–96%
Работа в режиме сквозной зарядки (по типу ИБП)
Гипотетическая возможность бесконечно наращивать ёмкость
Bluetooth LE и microUSB для управления с телефона под Android/iOS и ПК
Поддержка Quick Charge для обоих microUSB на входе
Поддержка ускоренной зарядки для Apple и др. на выходе
Размеры: 133×84х31 мм
Вес: 300 грамм

Концепция.Акцент

Изначально, самой главной целью была эффективность. От неё зависело всё. Сколько мощности можно будет получить на выходе, прежде чем начнётся перегрев. Сколько драгоценной энергии будет утеряно в тепло при преобразовании в походных условиях, где каждый грамм батареи на счету и, конечно же, скажется на его размерах. Наряду с эффективностью огромное внимание уделяется мелочам, ведь именно они определяют качество использования устройством. Не менее важным являлась высокая точность выходных значений, что тоже не было упущено.

Разумеется, не смотря на его превосходные ТТХ убогий интерфейс, мог вмиг испоганить «юзабилити» всех функций. Осознавая это, я так же сконцентрировался на этом моменте, как когда-то на «железе» без оглядки на время.

Концепция.Предназначение

Здесь я не могу конкретно сказать, как вам его использовать, лишь полёт вашей мысли и потребности определят его место в вашей жизни. Проще привести несколько примеров.

Давайте представим, вы видеограф. Видеосъёмка дело, весьма энергоёмкое, и штатных аккумуляторов для камеры не напасёшься. Можно купить дорогущий выносной фирменный блок, который, заметьте, зачастую состоит из штатных аккумуляторов и/или подключается к розетке. А можете купить дешёвый адаптер штатной батареи с проводом на али и подключить к моему устройству! Даже встроенные аккумуляторы в устройстве будут ёмче в 3–4 раза, чем типичная оригинальная батарея, но сила не в этом. Разместить устройство на поясе можно наряду с дополнительными внешними блоками аккумуляторов (или бросить в рюкзак) в таком случае запас энергии будет поистине колоссальным.

На природе подключив солнечную батарею, вы сможете зарядить аккумуляторы от дрона или даже авто, запитать от него ноутбук, зарядить телефон. Избытки энергии будут одновременно заряжать само устройство на будущее. Если вы его оставили, а солнце село он продолжит обеспечивать вашу технику энергией из «собственных запасов», работая как ИБП. Встроенные профили в приложение упростят зарядку аккумуляторов напрямую.

Дома на рабочем столе он станет вам верным помощником в ваших DIY-стремлениях за счёт высокой мощности и точности выходных значений. Софт для компьютера помимо основных функций управления и мониторинга позволит писать даже скрипты.

В повсеместных ежедневных процессах он будет незаменимым и очень надёжным Powerbank«ом. Его мощности хватит заряжать ноутбуки, камеры, телефоны, планшеты и т.д.

Разъёмы

Все разъёмы сгруппированы как принимающие с одной стороны, так и отдающие на противоположной стороне энергию. К принимающей группе вы можете подключиться к авторозетке, подключить блоки питания от ноутбука, БП от компа (кабель питания ЦП), другие аккумуляторы, солнечные панели, велосипедный генератор постоянного тока, термоэлектрический генератор, просто зарядка от телефона и т.д. Соответственно, к выходам подключается всё то, что вы будете заряжать и запитывать — потребители.

Каждый разъём не имеет смысла описывать, они идентичны, что на входе, что на выходе. Некоторые моменты всё же стоит прояснить, а именно строенные клеммники выбраны для меньшей путаницы с полярностью, где »+» располагается по центру, а »-» по бокам. Два круглых DC-разъёма на выходе имеют разную толщину центрального штыря (2,1 и 2,5 мм). Также надо отметить, два microUSB на входе имеют поддержку Quick Charge, а вот два USB на выходе уже нет, но за то, поддерживают ускоренную зарядку для Apple и техники прочих производителей. Есть вероятность, что Quick Charge будет добавлен путём обновления прошивки позже, как и другие технологии быстрой зарядки, но пока не до этого. Все разъёмы защищены от обратной полярности, иначе говоря, на тот случай если перепутаете плюс с минусом. Вот перечень разъёмов:

Круглые DC 5,5×2,½,5 мм
Нажимные клеммные разъёмы для голых проводов
Два входных microUSB с QuickCharge
Два выходных USB (Apple 2,4 A, USB Battery Charging
Molex 4 pin — как на питание ЦП на материнских платах. Данный провод вы всегда сможете найти от сгоревшего БП ATX. Я посчитал его простым и надёжным.

Разъёмы. ОсобыйMolex

Исключением входящих разъёмов является один Molex. В базовом сценарии использования этот разъём предназначен для подключения внешних батарейных блоков или однотипных аккумуляторов в неограниченном количестве. Однако в следующей статье я планирую раскрыть все технические особенности устройства, и вы поймёте, насколько этот разъём универсален и многофункционален, а дальнейшее развитие интерфейса обновит его функциональные возможности.

Интерфейс

Как намекнул выше на устройстве всего две кнопки и три светодиода, которые отвечают за индикацию общего состояния или выбранного на данный момент пресета. Если одна кнопка отвечает за общие функции и пресеты то, вторая за аварийный останов.

Вариантов применения устройства чуть больше, чем просто много и невозможно всё предусмотреть. Логично было реализовать основную логику работы и интерфейс взаимодействия с устройством на программном уровне. Тем самым я планирую в дальнейшем продолжить совершенствовать интерфейс и алгоритмы добавляя новые функции путём обновления ПО. Да и надо понимать, что одним требуется максимально простой и доступный способ взаимодействия, а другим наоборот профессиональные расширенные функции. Всё это легко сделать в приложении.

Мне крайне не хотелось бы оставлять данный раздел без детального описания интерфейса, мобильного и приложения для ПК. Поскольку есть уверенность и чуточка гордости, что я меня получился функционально уникальный и не менее универсальный интерфейс без излишеств, который идеально подойдёт для большинства сценариев применения. Но и превращать этот раздел в унылую инструкцию нет никакого желания. Всё же не могу не привести совсем краткое описание.

Запуская приложение, вы попадаете на основной экран, в котором можно манипулировать основными тремя значениями: напряжение (U), ток (I) и мощность (P). Заметьте, на скрине подчёркнута U это означает, что напряжение на данный момент является целевым, т.е. установив его, устройство будет поддерживать заданное вами напряжение на выходе. Так же с током и мощностью. Если помимо целевого значения вы установите остальные два то, они будут являться верхней допустимой границей, ограничением.

Приведу пример: у вас есть ноутбук, он ассоциируется с красным цветом (например, имеет элементы дизайна из красного). Вам необходимо смахнуть на соседний экран, который выглядит точно так же, но оформлен не в зелёных цветах, а в красных, что соответствует цвету светодиода на устройстве, который в свою очередь отвечает за данный пресет. На нём вы прокручиваете напряжение до желаемого, к примеру, 19,5 В. Всё. Можете немедленно применить, что включит устройство либо просто закрыть, что автоматический сохранит его как красный пресет. Когда вам потребуется зарядиться, достаточно лишь нажатием кнопки выбрать пресет соответствующий красному светодиоду без участия телефона.

Дальнейшее развитие

Поскольку изначально я закладывал модульную конструкцию не только железа, но и софта это позволит сделать мне как минимум несколько вариаций. Обязательно будет вариация с USB-C Power Delivery. Очень хочется сделать компактную версию без аккумуляторов, как дешёвую альтернативу лабораторного БП с возможностью программирования, возможно, даже в полифазной/многоканальной компоновке. На базе существующей платы, очевидно, будет проф. ревизия с повышенной мощностью и напряжением до 36 В, без оглядки на себестоимость.

На этом пока всё. Надеюсь, вам понравилось!

Хочу выразить отдельное спасибо за бескомпромиссные и настоятельные рекомендации в написании данной статьи maiorovx