Raspberry Pi und ESP8266 mobil betreiben – solares Energiemanagement

Der Raspberry Pi mit 120mA Strombedarf in der Zero W Variante und der ESP8266 mit 40mA stellen solares Energiemanagement bei Dauerbetrieb vor Herausforderungen. Wenn nur alle paar Minuten z.B. Messwerte erfasst werden müssen, kann es sinnvoll sein, einen geringen Solarstrom mit Akkus zu puffern und den Messrechner nur kurz einzuschalten. Mit ein paar Elektronikkomponenten unter 10 € kann das gelingen. Im Folgenden ist der Aufbau und die Programmierung gezeigt. Im weiteren wurden zwei Konzepte mit 12 Volt Campingtechnik untersucht, mit denen der Beitrag startet.

Anwendungsbeispiel für solares Energiemanagement

Die konkrete Herausforderung war die Messung der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit in einem Hummelnistkasten. Da der Kasten spontan im Garten umziehen soll, wäre die Verlegung eines Stromkabels ungünstig. Eine Lösung mit einem großen (20W) Solarpanel und einem Bleigelakku steht bereits aus einem Vogelnistkastenprojekt zur Verfügung, allerdings sollte hier auch ein schlankerer Aufbau besprochen werden.

Solares Energiemanagement mit 12 Volt Campingtechnik

Die Solare Energieversorgung gelingt mit wenigen Komponenten aus dem Elektronik-Versandhandel und einem preiswerten 12-Volt Bleigel-Akku z.B. für Motorräder. Der Bleigel-Akku liefert 5 Ah und einen hohen Maximalstrom. Durch einen 5 V DC-DC-Wandler wird der Strom noch einmal heraufgesetzt, so dass 120 mA für den Raspberry den Akku mit lediglich 80 mA belasten – entscheiden ist die Energiemenge pro Zeit.

Anmerkung: mit einem Längsregler z.B. aus der 7805-Serie funktioniert die Stromumsetzung nicht, hier wird die überschüssige Energie schlicht in Wärme „verbraten“. Daher wurde eine solche Lösung, wenn auch einfach, verworfen.

Testszenarien für solares Energiemanagement mit 12 V-Technik

Zwei Aufbauten kommen für den Test zum Einsatz:

  1. Einmal ein Fertiggerät, das vielen China-Solarmodulen beiliegt: Ein „Solar Charge Controller“ von Allpowers.
  2. Zum  anderen eine Kombination aus  einem Solar-Laderegler (H-Tronic), einem Tiefentladungsschutz aus Deutschland (Kemo #148 Battery Guard) und ein einfacher 5 V DC-DC-Konverter.

Messwerte für Ströme und Spannung liefert ein Digitalmultimeter Voltcraft VC404.

Die Vergleichbarkeit der Tests erfordert, dass das Solarpanel immer gleiche Leistung bringt. Das ist aber bei wechselnden Umweltbedingungen kaum zu gewährleisten. Daher ersetzt für die Tests ein Steckernetzteil (Universelles Netzgerät Modell MW79GS) mit 12 V Spannung und einem Maximalstrom von 850 mA die solare Energieversorgung, was in etwa dem bevorzugten 20-Watt-Solarpanel entspricht.

Erster Test: Anlaufladung eines tiefentladenen Akkus

Ein auf 5 V tiefentladener Akku wurde zunächst mit dem Solar Charge Controler verbunden. Da der Solar Charge Controler anscheinend etwas Akkuspannung zum funktionieren benötigt, zeigte der Solar Charge Controler keine Funktion, das Display blieb aus.

Mit Hilfe des H-TRONIC Solar Ladereglers startete das Akku-Laden mit den Messwerten in Tab. 1 (etwa 10 Minuten nach Ladebeginn):

Solarspannung: 12,02

Akkuspannung: 11,91

Ladestrom zwischen Laderegler und Akku: 0,67 A

Ladestrom zwischen Solarmodul und Laderegler: 0,67 A

Tab. 1: Ladeparameter H-TRONIC Laderegler nach Tiefentladung

Fazit: Für das Szenario „Notbetrieb mit tiefentladenem Akku“ scheint die Lösung mit einem einfacheren Laderegler die bessere Lösung.

Zweiter Test: Messung des Eigenverbrauchs  der Laderegelungen

Mit einem teilgeladenen Akku funktionieren beide Varianten. Die Messwerte im Vergleich zeigt Tab. 2. Zu beobachten ist, dass sowohl der DC-DC-Wandler als auch der Spannungswächter die Funktion mit einer LED anzeigt. Das ist praktisch, braucht aber Strom.

 

Messwert H-TRONIK Battery Guard Battery Guard und 5V Konverter Allpowers
Spannungsdifferenz Laderegler – Akku 60 mV 40 mV
Eigenverbrauch ohne Solarspannung 3 mA 0,3 mA 18,9 mA 13,4 mA

Tab 2: Ladeparameter bei teilgeladenem Akku im Vergleich

Fazit: Etwa ein fünftel des Stroms für den Betrieb eines Raspberry Pi Zero benötigen die Laderegelungs- und Schutzkomponenten bei der Einzelkomponentenlösung. Das Komplettmodul von Allpowers scheint für dieses Szenario geeigneter zu sein.

Dritter Test: Abschalten des Solarladestroms

Aus nach erreichen der auf 14 V eingestellten Schlussspannung fließen durch den Allpowers noch dauerhaft 0,34 A zum Akku Der H-TRONIC Laderegler schaltet den Strom zum Akku ab auf 0 A, kurze Strompeaks werden durchgeschaltet. Damit verhält sich der H-TRONIC Laderegler wie ein Batterieladegerät mit Regenerationsfunktion (z. B. Erhaltungsladegerät von Merzedes oder von Aldi).

Fazit: Für das Szenario „Schutz des Akkus vor Überladen“ scheint die Einzelkomponentenlösung mit dem H-TRONIC Laderegler die bessere Variante zu sein.

Vierter Test: Schutz des Akkus bei niedriger Spannung und Abschalten der Last

Als Last dient ein Raspberry Pi 3B mit Tastatur, Maus und Display über HDMI. Der vom Akku bereitgestellte Strom beträgt um die 0,35 A.

Die Kombination aus Kemo Battery Guard und 5 V DC-DC-Konverter schaltet zuverlässig bei 11,67 V ab, danach entnimmt der Aufbau nur noch einen Reststrom von 0,5 mA.

Der Allpowers Solar Charge Controler schaltet den Verbraucher auch bei 11,7 V ab und braucht dann selbst noch 10,5 mA.

Für den Schutz vor Tiefentladung scheint die Kombination Kemo Battery Guard und 5V DC-DC-Adapter besser geeignet.

Konzept für eine stromsparende Betriebsweise mit NiMH-Akkus

Die grundsätzliche Idee ist, einen stromsparenden einfachen Mikrorozessor zu verwenden, um zeitgesteuert die „Stromfresser“ – in diesem fall ein ESP8266 oder ein Raspberry Pi Zero W – einzuschalten und nach einer festgelegten Zeit wieder auszuschalten. Für das Ein- und Ausschalten soll ein verschleißfreier MOSFET eingesetzt werden.

Materialliste

Benötigt werden nur wenige Bauteile:

  1. Ein Mikroprozessor ATtiny85. Wer einen Programmer dafür hat, kann einen „nackten“ ATtiny85 für 1€ kaufen. Hier kam eine komplettes Board Olimex85 für 6€ . Das Olimex85 hat einen ATtiny85 in einem Sockel an Board. Nach dem Programmieren kann der ATtiny entnommen und auf einem Breadboard montiert werden. In dem hier verwendeten Aufbau benötigt der ATtiny nur 2mA. Es funktioniert auch mit einem Digisparc, allerdings ist der ATtiny dort fest verlötet und das Board braucht mehr Strom (20 mA)
  2. Ein MOSFET z.B. IRLB3034PBF für 2,30€. Es können auch kleinere und leistungsschwächere MOSFET verwendet werden.
  3. Vier Dioden 1N4148. Zwei Dioden dienen dazu, die Betriebsspannung für den ATtiny85 und damit den Stromverbrauch zu senken. Zwei Dioden sperren die Solarpanels gegen die Akkuspannung, wenn nicht genügend Licht vorhanden ist.
  4. Vier AA Akkus ab 1900 mAh und ein Batteriehalter. Getestet wurden Eneloop und Aldi Akkus.
  5. Zwei Widerstände, etwa 10 kOhm und 100 Ohm. 10 kOhm sorgen dafür, dass das Gate des MOSFET auf negativem Potenzial liegt. 100 Ohm unterdrücken die Schwingneigung durch die Kapazität der Gate-Source-Strecke des MOSFET.
  6. Zwei kleine Solarpanels 6 Volt, z.B.
  7. Ein paar Kabel
  8. Der eigentliche „Verbraucher“. In diesem Projekt war das ein ESP8266 in der Ausführung als NodeMCU und zwei DHT22, um außen und innen Temperatur und Luftfeuchte messen zu können. Die Schaltung wurde ebenfalls mit einem Raspberry Pi Zero W erfolgreich getestet.

Tests verschiedener kleiner Solarpanels für solares Energiemanagement mit NiMH-Akkus

Vorgesehen ist eine Stromversorgung über vier AA-Akkus. Über Solarzellen sollen die Akkus nachgeladen werden. Für die Vorauswahl wurden drei Kandidaten getestet. Gemessen wurde der Ladestrom eines Panels an zwei in Reihe geschalteten AA-Akkus (für vier Akkus werden dann zwei identische Panels benötigt) unter zwei Bestrahlungsbedingungen: Schatten unter einem Glasdach und Morgensonne Ende Februar um 10:00. Die Ergebnisse zeigt Tab. 1. Den Messaufbau können Sie Abb. 1 entnehmen.

Solarpanel Größe (cm x cm) Strom im Schatten (mA) Strom in der Sonne (mA)
groß 16 x 11,5 6,2 119,0
mittel 5 x 11 2,2 41,0
klein 5 x 7 1,2 19,7

Tab. 1: Ergebnis der Messung an drei Solarpanels unter zwei Belichtungsbedingungen

Messaufbau für solare Energieversorgung

Abb. 1: Aufbau der Messung an drei Solarpanels

Aufbau

Der einfache Aufbau kann dem Prinzipschaltbild in Abb. 1 entnommen werden. Das Titelbild der Beitrags zeigt die Schaltung auf dem Breadboard, Abb. 2 zeigt die Schaltung als Fritzing.

Der ATtiny wird mit Pin 4 an GND und mit Pin 8 über zwei Dioden an Plus angeschlossen. Die zwei Dioden vermindern die Betriebsspannung um 1,4V. Pin5 des ATtiny ist der Ausgang 0, der über den 100 Ohm Widerstand das Gate des MOSFEET steuert. Zwischen Gate und Source sorgt der 10 kOhm Widerstand für die negative Vorspannung und damit dafür, dass der MOSFET sperrt. Erst wenn der Ausgang des ATtiny85 positiv wird, schattet der MOSFET durch und versorgt den Verbraucher mit Strom.

Die Solarpanels erhalten jeweils eine Diode in Reihe. Eine Solarpanel-Dioden-Kombination versorgt je zwei Akkus. Die Leerlaufspannung ist etwa 6V, sie bricht jedoch wegen des geringen Innenwiderstandes der Akkus sofort auf die Betriebsspannung der Akkus zusammen. Der Ladestrom kann bis zu 30 mA betragen. Ggf. werden damit die Akkus überladen, da der Ladestrom jedoch sehr viel kleiner ist als der mögliche Ladestrom, werden die Akkus trotzdem länger halten als das gesamte Projekt. Ein separates Management der Ladespannung ist daher nicht erforderlich.

Prinzipskizze solares Energiemanagement

Abb. 2: Prinzipskizze

In der Prinzipskizze bedeuten:

  • (S) Solarzellen. Es werden zwei Solarzellen eingesetzt. Jede versorgt über eine eigene Diode zwei in Reihe geschaltete NiMH-Akkus
  • (A) Akkupack. Es werden vier Akkus der Größe AA mit jeweils 1900 mAh verwendet.
  • (Z) Zeitsteuerschaltung. Sie besteht i Wesentlichen aus dem ATtiny85 und einem Leistungs-MOSFET.
  • (V) Verbraucher. In diesem Projekt war das ein Raspberry Pi mit zwei DHT22-Sensoren (etwa 120 mA mittleren Strombedarf) und alternativ ein NodeMCU (ESP8266) mit zwei DHT22-Sensoren (etwa 45 mA mittleren Strombedarf).
  • (1) Zwei Zuleitungen zum Akkupack über Schutzdioden. Der Strom beträgt jeweils bis zu 19 mA bei jeweils etwa 2,45V Spannung.
  • (2) direkte Zuleitung vom Akkupack zur Zeitsteuerschaltung. Der Strom beträgt minimal 1 mA und kann auf bis zu 250 mA als kurzfristige Stromspitze anwachsen bei einer Spannung von 4,8V bis 5,2 V.
  • (3) Stromversorgung des Verbrauchers. Im ausgeschalteten Zustand ist der Strom nahe Null und kann beim Einschalten bis zu 250 mA ansteigen.
  • (4) über eine Signalisierungsleitung kann der Verbraucher der Zeitsteuerung mitteilen, wenn er seine Aufgabe erledigt hat. Dann kann er früher als nach einer festen Zeitspanne stromlos geschaltet werden.
  • (5) Auf eine  Gleichspannungskonversion wird verzichtet. somit können alle Komponenten auf eine Plusleitung gelegt werden. Zu beachten ist, dass die Masseleitung des Verbrauchers durch den MOSFET getrennt wird.

Abb. 2: Fritzing folgt

Programmierung des ATtiny

folgt

Erste Erfahrungen und Fazit

Auch das Konzept mit kleinen Solarzellen bei einer Reduzierung der Betriebszeit und damit der benötigten Energiemenge funktioniert.

Somit stehen zwei unterschiedliche Konzepte zur Verfügung, mit denen ein Raspberry Pi, ein Arduino oder ein ESP mobil mit Energie versorgt werden können. Wenn der Raspberry durchlaufen muss (etwa jede Minute Messwerte o.ä.) ist die Lösung mit 12 V Technik und Bleigelakku passend, wenn der Raspberry nur jede Stunde für wenige Minuten arbeiten muss, kann auf eine Lösung mit weniger Solarzellen und NiMH-Akkus zu Einsatz kommen.

 

Quellen

Datenblatt ATtiny85 https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/ATTINY25-ATTINY45-ATTINY85_DATASHEET.pdf

Beschreibung des Olimex85 Boards https://www.olimex.com/Products/Duino/AVR/OLIMEXINO-85-ASM/resources/OLIMEXINO-85_manual.pdf

Funktionsweise eines N-Kanal MOSFETS https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0510161.htm

Datenblatt MOSFET IRLB 3034 https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/FILES/irlb3034pbf.pdf

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