Sensorknoten im Batteriebetrieb

In meinem letzten Post habe ich mein eigenes Board entwickelt um den ESP8266 batterietauglich zu machen, da die Entwicklerboards leider alle zu viel Strom verbrauchen. In diesem Post will ich nun erklären wie ich nun Sensorknoten mit Batterien betreibe.

Ausgangssituation

Mein Board für den Sensorknoten wird alle 5 Minuten eine Messung durchführen und sich dann den Rest der Zeit schlafen legen. Ich gehe davon aus dass 5 Minuten ein guter Kompromiss zwischen aktuellen Informationen und Batterielaufzeit ist. Natürlich kann man den Zeitraum auch ändern.

Der Knoten ist ca. 500 ms aktiv und benötigt während dieser Zeit ca. 70 mA. Beide Werte sind nur grobe Schätzungen da mir für genauere Werte die Messinstrumente fehlen. Im "normalen" Betrieb braucht der Knoten 69 mA (gemessen). Für die Lastspitzen während dem Senden per WLAN habe ich das auf 70 mA aufgerundet. Die 500 ms habe ich anhand der LED geschätzt, die während der Aktivität leuchtet (ca. 250 ms lang). Da in Foren berichtet wird, dass der Chip ein paar Millisekunden lang bootet und ein paar weitere ms benötigt um in den Deep-Sleep Modus zu gehen habe ich das auf 500ms aufgerundet.

Während der Schlafperiode verbraucht der Sensorknoten ca. 25 µA. Auch dieser Wert ist nur grob richtig, da er sehr schwer zu messen war.

Berechnung

Da die Kapazität der Akkus in mAh angegeben ist, rechne ich den Verbrauch pro Messung und im Schlafmodus nun in mAh bzw. µAh um:

• Beim Schlafen benötigt der Sensor also 25 µAh pro Stunde, also ca. 0,6 mAh pro Tag.
• Pro Messung verbraucht der Sensor 70 mA * 0,5 s =~ 10 µAh. Bei 12 Messungen in der Stunde sind das also 2,88 mAh pro Tag.

Der Betrieb des Sensors benötigt also ca. 3,5 mAh am Tag bei einem Intervall von 5 Minuten. Bei einem Intervall von 1 Minute wären es ca. 15 mAh pro Tag und bei 15 Minuten wären es ca. 1,6 mAh pro Tag.

Außerdem läuft das Board mit 3.3 V und kann dank des Spannungsreglers auch mit bis zu 6 V arbeiten.

Batterietechnologien

Zum Betrieb des Sensors stehen nun verschiedene Technologien zur Verfügung.

Herkömmliche Batterien und Akkus

Normale "Mignon"-Batterien laufen mit 1,5 V und haben Kapazitäten von 1200 bis 2000 mAh. Um die benötigten 3,3 V zu erreichen werden also 3 Batterien in Reihe benötigt (wodurch sich die Spannungen, aber nicht die Kapazitäten addieren). Da diese Batterien nicht wiederaufladbar sind, fallen hier sehr viele verbrauchte Batterien an.

Normale NiMH-Akkus haben typische Kapazitäten von 2000 mAh, laufen aber nur mit einer Spannung von 1,2 V statt 1,5 V. Trotzdem würden auch hier 3 Batterien knapp ausreichen. Sinkt die Spannung der Batterien allerdings im Betrieb, fällt die kombinierte Spannung recht schnell unter 3,3 V. Dadurch kann nicht die volle Kapazität genutzt werden. Als Alternative könnte man 4 Akkus nehmen, die voll geladen (jeweils 1,3 V) noch im Limit des Spannungsreglers liegen. Trotzdem sind 4 Akkus recht sperrig und nicht mein Favorit.

Mit einem 9V Block kommt der Spannungsregler nicht zurecht.

LiPo Akkus

Lithium-Polymer Akkus sind eine Technologie, die 3,7 V liefert und diese Spannung bis kurz vor dem Ende konstant hält. Dadurch eignen sich LiPo Akkus sehr gut für den Betrieb von 3,3 V Hardware (natürlich mit einem Spannungsregler gekoppelt). Die Akkus gibt es in den verbreiteten Bauformen 16500 und 18650 mit ca. 1000 bzw. 2500 mAh. Diese Zellen sind in den meisten Akkupacks von Elektronikartikeln wie Laptops und E-Bikes verbaut.

Zu beachten ist allerdings, dass LiPo Akkus nicht einfach frei geladen und entladen werden können wie andere Akkus. Für LiPo benötigt man einen Lade-/Entladeregler, der verhindert, dass der Akku durch zu langes Laden oder zu tiefes Entladen beschädigt wird. Außerdem können diese Akkus bei Beschädigung oder falscher Benutzung heiß werden oder sogar brennen (Stichwort Samsung Note 7). Wenn man sie gut behandelt sind diese Akkus aber optimal für Elektronikomponenten und werden nicht ohne Grund so oft eingesetzt.

Akkus recyclen

Akkus des Typ 18650 kann man recht günstig kaufen. Oft kann man aber auch ältere Akkupacks recyceln und so noch gute Zellen gewinnen. Dabei muss man natürlich aufpassen, dass man die Zellen beim Öffnen des Packs nicht beschädigt. Ich habe auf diese Weise 5 gute Zellen mit jeweils 1200 - 1400 mAh aus einem alten "defekten" Laptopakku gewonnen.

Akkukapazitäten messen

Die Kapazität eines Akkus lässt sich zwar grob an der Spannung abschätzen, dazu muss man allerdings den Spannungsverlauf und die Maximalkapazität kennen. Selbst dann ist die Abschätzung sehr ungenau.

Um die Kapazitäten von Akkus genau zu ermitteln gibt es nur eine sinnvolle Möglichkeit: Man lädt den Akku und entlädt ihn dann wieder während man den Strom misst. Genau dafür gibt es kleine Boards mit einem Prozessor, der genau das macht. Ein geladener Akku wird mit einem Lastwiderstand entladen und dabei der Strom gemessen. Wenn die Spannung unter einen Schwellwert (hier 2,5 V) sinkt ist die Messung beendet.

Der Sensorknoten könnte sogar noch ein wenig mehr Leistung aus den Zellen ziehen als hier ermittelt wird, da die Spannung durch den höheren Entladestrom während der Messung (ca. 500 mA) zusätzlich abgesenkt wird, während der Sensorknoten nur 70 mA für sehr kurze Zeiten ziehen und so den Akku schonen würde. Das macht aber am Ende nur ein paar Prozent aus und eine Messung bei realer Last würde Monate dauern.

Experiment: Sensorknoten mit 18650 Akku

Als Experiment habe ich nun einen Sensorknoten mit einem voll geladenen 18650 Akku versehen und auf ein Intervall von 1 Minute konfiguriert. Die Akkukapazität habe ich noch nicht ermittelt, ich gehe aber davon aus dass der Akku auch etwa 1300 mAh haben wird. D.h. der Knoten sollte knapp 3 Monate mit diesem Akku laufen. Bei dem angestrebten 5 Minuten Intervall wäre das eine Laufzeit von über 12 Monaten.

Wenn der Akku leer ist werde ich die genaue Akkukapazität messen und die Laufzeit und Anzahl der Messungen des Sensorknotens aus dem Server auslesen. Die Werte werde ich dann in einem weiteren Post beschreiben.