Arduino mit LiPo und Solarzelle

daemon777

Lt. Commander
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Hallo Leute,

für mein erstes richtiges Arduinoprojektt wollte ich dafür sorgen, dass das Gerät praktisch autark laufen kann. Hierfür habe ich mir überlegt das Gerät mit einem LiPo zu versorgen. Da dieser jedoch irgendwann auch leer ist wollte ich Solarstrom nutzen, um ihn aufzuladen. Das soll allerdings während des Betriebs geschehen.

Jetzt gibt es zwar im Internet ein paar Projekte, die so etwas nutzen, aber irgendwie habe ich nirgendwo eine Erklärung zum Aufbau oder eine Schaltung gesehen.

Die einfachste Schaltung (die mir einfällt) würde sowohl Solarzelle, als auch Arduino direkt an den Akku anschließen.Allerdings könnte es doch dann passieren, dass der LiPo entweder überladen wird oder unter einen kritischen Punkt fällt. Insgesamt ist mir einfach nicht klar, wie man so etwas machen kann.

Außerdem wollte ich irgendwie ein Feedback über den Ladungszustand bekommen. Im Zweifelsfall würde mir das auch ausreichen, da ich diese Daten dann funken möchte. So könnte ich im "Notfall" die Solarzelle abklemmen oder den Akku doch manuell auflade.

Aber vielleicht hat ja schonmal jemand hier so etwas gemacht?

viele Grüße
daemon
 
Wenn du mir verrätst wie viel Strom das Teil maximal braucht kann ich dir was über die benötigte Solarzellengröße erzählen.

Edit: Du braucht eine Solarzelle + Stromadapter und eine Powerbank.

Das alles wird vielleicht 2..3 Nummern größer (von der Fläche her) als du gedacht hast.
 
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@LiPo-Problematik:
Da werde ich mich mal ein bisschen weiter einlesen müssen. Hätte ich denn ähnliche Probleme mit NiMH-Akkus? Ansonsten wäre es natürlich auch interessant sich mal mit der Ladeelektronik zu befassen. Im Moment bin ich noch nicht so ganz entschlossen, wie das Ganze ablaufen soll.

@Strombedarf:
Da habe ich jetzt auch noch keine genauen Zahlen. Es soll eine Art kleine Wetterstation werden, die regelmäßig nach Hause funkt. Die Messungen verbrauchen sicher kaum Strom. Ob das Selbe auf das Funken zutrifft weiß ich nicht, allerdings soll das auch nur etwa alle 5min einmal erfolgen. In der restlichen Zeit darf der Arduino schlafen.
Zum Verbrauch habe ich sehr unterschiedliche Dinge gefunden. Bei einem Standard-Arduino scheint 50mA im Normalbereich zu liegen und im Sleepmodus etwa 9mA. Dabei gehe ich davon aus, dass er hier mit 7V betrieben wird.
Allerdings habe ich jetzt eine interessante Lösung gefunden wo direkt ein Atmega betrieben wird (zumindest sieht es beim Überfliegen so aus). Hierbei würde dann wesentlich weniger Strom verbraucht werden.
 
...dass er hier mit 7V betrieben wird.

5V wäre klar besser und einfacher da USB kompatibel.

Aber lass mich das mal mit 7V und deinem Schätzwert an Strom spaßeshalber mal durchrechnen.


Edit:
Die Frage ist auch, wie du das handhaben willst:

Wie lange soll die Wetterstation ohne Solarstrom auskommen?

Und da wir (solartechnisch) leider nicht am Äquator leben, müsstest du dir über die Ausrichtung der Solarzelle über die Zeit Gedanken machen.
 
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Bisher bin ich noch in der Ideenfindung. Eine konkrete Umsetzung habe ich jetzt noch vor Augen, weil mir einfach noch zu viele Punkte unklar sind. Eine erste Lösung muss deswegen auch nicht optimal sein, sondern nur erstmal funktionieren. Wenn ich es irgendwie hinkriege mit 5V zu arbeiten wäre das natürlich super. Das würde ja beim Verbrauch auch deutlich zu Buche schlagen.

Die Ausrichtung wäre im einfachsten Fall Richtung Süd-Osten. Wenn ich das Ganze direkt nach Süden ausrichten wollte wäre das ein etwas größerer Aufwand. Dummerweise wird das Ganze eh irgendwann im Schatten des Hauses liegen. Aber vielleicht schaffe ich es ja doch noch hier etwas rauszuholen.
Tja Zeit ohne Solarstrom? Das Optimum wäre natürlich, wenn sie den Winter ohne größere Ausfälle übersteht. Ob das realistisch ist? Da habe ich in unseren breiten noch so meine Zweifel. Reine gefühlt hatten wir im letzten Winter 1-2 Sonnenstunden :D
Wie gesagt muss aber beim ersten Anlauf auch nicht alles optimal sein. Spätestens wenn man bemerkt, dass alles etwas zu knapp bemessen ist, kann man sich ja über einen weiteren Akku und weitere Solarpanels Gedanken machen. Im Sommer sollte man aber denke ich auch mit einer einfacheren Lösung bereits hinkommen.
 
NiMH Zellen sind unproblematisch. Alles was "Lithium" enthält nicht.
 
Also im Worst-Case Winter-Szenario, im dem nichts funktioniert (Solar, Wind) musst du halt damit rechnen, einen mehr oder weniger großen Bleiakku zu verwenden.

Damit wärst du eher gerüstet als mit einem Lipo. Denn Lipo`s bei unter 0°C ist auch wieder so eine Sache.

Ich habe letztes Jahr meine Smartphones praktisch nur über meine Solaranlage geladen, und auch ein Tablet und Mini-TV liefen über Solarstrom.

Der Mangel an Sonnentagen führte aber dazu das der Akku immer weiter vergrößert werden musste. In deinem Fall
würde das vielleicht irgendwann dazu führen, dass du dir einen großen Akku neben die Wetterstation stellst, und diesen alle paar Monate mal auflädst. Keine Ahnung ob das auf Dauer eine Option für die wäre?

Der Vorteil wäre ein völlig wetter-unabhängiges System, egal ob es wochenlang bedeckt ist, dauer-regnet oder Schnee und Eis die Solarzelle unbrauchbar machen.
 
Ich finde es faszinierend wie viele sich hier über irgendwelche details auslassen obwohl man in 2min Googlen genau das richtige findet... :stacheln:

http://www.adafruit.com/product/390
Solarladeregler für einen lipo akku der nahezu perfekt auf einen arduino abgestimmt ist...

Dazu noch ein Step up wandler, weil der adruino ja 5V braucht und nicht 3,7 die aus dem akku kommen und gut ist

oder natürlich gleich einen passenderen (weil sparsammeren) Controller ;)
http://www.adafruit.com/products/2000
mit
http://www.adafruit.com/products/2124
 
@SmaLitro

Nett wirklich! Und was machste im Winter mit dem Teil?
 
Den Charger muss ich irgendwie übsersehen haben :freak:
Irgendwie bin ich entweder über teurere oder für mich unbrauchbare Lösungen gestolpert. So eine Fertiglösung gibt mir auch ein wenig die Garantie, dass das auch alles auf einander abgestimmt ist. Allerdings finde ich hier die Solarzellen doch etwas teuer.
Einen kleineren Controller zu nehmen hört sich im Hinblick auf Kosten und Stromverbrauch schon sinnvoll an. Im Prinzip reicht ja hier tatsächlich auch ein Atmega mit ein paar weiteren Bauteilen. Das wäre dann allerdings auch wieder mehr Bastelarbeit.

Allerdings scheint das mit der Temperatur ja schon zum Problem werden zu können. Wie sieht es denn eigentlich mit der Möglichkeit aus einen Bleiakku mit Solarstrom aufzuladen?
 
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Auch nicht ganz billig. Aber in unseren Breiten wohl besser geeignet als ein LiPo. Was ich ziemlich cool fände wäre die Möglichkeit den Batteriestand abzufragen. So etwas stelle ich mir jetzt schwierig vor, wenn da ein Modul dazwischen hängt.
 
Was ich ziemlich cool fände wäre die Möglichkeit den Batteriestand abzufragen

Meinst du jetzt am Regler z.B.?

Das geht, wird aber eben wieder teurer.
 
Ein Lipo geht schon. Bei niedrigen Temperaturen sinkt in erster Linier die Leistungsfähigkeit, die aber bei einem Mikrocontroller und einem Funkmodul nicht so wirklich wichtig ist. Ein Mikrocontroller bewegt sich im Sleepmodus eher im Bereich von einem µA inklusive RTC.
Bei einem Funkmodul (zum Beispiel NRF24l01+) ist das ähnlich.
Selbst wenn gesendet wird, sollte der Strom 30mA nicht überschreiten.

Mit einem Bleiakku würde so ein System viele Jahre ohne Solarzelle funktionieren.

Das heißt ich würde mir einen 3,3V AVR/PIC/sonstwas (vermutlich gibt es auch 3,3V Arduinos, die nicht 10mA verbrauchen) und das oben genannte Funkmodul kaufen.
Zur Stromversorgung beispielsweise ein Lipo und dahinter ein LDO um die 3,3V zu erzeugen.
Wenn noch eine Solarzelle angeschlossen werden soll, sollte die über 4,2V + Verluste ausgeben können (Ladeschlussspannung von einem Lipo) und anschließend mit einem LDO eine geeignete Ladespannung erzeugt werden. Hinter dem LDO zwische Solarzelle und Lipo sollte eine Schutzdiode sein, sonst kann bei wenig Licht die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung sein.
Ein spezieller Lader ist nicht notwendig, wenn der maximale Ausgangsstrom der Solarzelle kleiner als der maximale Ladestrom des Lipos ist (was praktisch immer gegeben sein wird).

Um den Ladezustand des Akkus zu messen wird normalerweise die Spannung gemessen. Ich weiß allerdings nicht, ob das bei einem praktisch unbelasteten Akku zuverlässig funktioniert.

EDIT: Schöner ist es natürlich einen extra Lipo Lade-IC zu verwenden, aber wenn die Solarzelle eh maximal 50-100mA schafft, hat ein Lipo mit 1000mAh kein Problem damit.
 
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Den Bateriestand ab zu fragen ist nicht wirklich schwer:

ADC dran - also die Spannung abfragen - wenn sie maximale spannung der Baterie oberhalb derer vom Controller light natürlich mit spannungsteiler. Dann nur noch eine ungefähre ladekurve einmal aufnehmen und im Controller mit ner Lookup table auswerten lassen - halt ein kleines bischen arbeit ;)

Ja kälte ist für einen LiPo nicht schön, aber bevor du dir da zuviel kopfzerbrechen drum machst - Drama mit 3 Akten ist es auch nicht. Einfach den Controller mit dem Akku zusammen gut in Dämmung (z.B. Styropor) einpacken, dann ist die Temperatur wegen der selbstheizung durch verluste kein Problem - wir haben auch schon mal Ballons in die Stratosphäre damit geschickt ;-)
Auch mehrere Tage niedriger Ertrag sind kein Thema - man kann ja einen groß genugen Akku und fast schon riesige Solarzellen dran hängen - dann wird der Akku selbst bei bedenkten Himmel innerhalb von 8h geladen.

Ohne senden musst du pessimistisch gerechnet 20-50mA einrechnen - also 1000mA Akku dran ->24h Stützzeit
1000mAx5V = 5W - wenn eine 10W Solarzelle 1/10 ihrere leistung bei bedektem Himmel bringt -> 5h Ladezeit für den Akku

Aber das sind nur Überschlagsrechnungen
 
Ich weiß nicht, was ihr für eine Vorstellung von dem Stromverbrauch eines µC habt, das ist praktisch nichts.

Einen Atmega ohne den ganzen unnötigen Kram auf dem Arduino, dazu einen Lithium Akku (paar 100 mAh) und so etwas: https://www.fasttech.com/products/1005/10005926/1585501 was mit https://www.fasttech.com/products/0/10009330/1825801-6v-50ma-monocrystalline-photovoltaic-solar-power gespeist wird.

Von niedrigen Temperaturen alleine geht ein Akku nicht kaputt, lediglich seine Leistungsfähigkeit verringert sich (was bei deiner Anwendung aber absolut irrelevant ist *1). Nur laden bei minus Graden vertragen sie nicht so gut.

Wenn du den Stromverbrauch halbwegs in den Griff bekommst, dann läuft das Teil ewig.

*1: Sollte das Senden doch mit mehr Leistung erfolgen, dann einfach noch 2 Kondensatoren (in Reihe) parallel an den Akku.
 
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Vielen Dank für die vielen Ideen und Informationen! Da gibt es jetzt gleich mehrere Möglichkeiten das umzusetzen, was natürlich ideal ist um diese Welt mal richtig kennenzulernen.

Das mit dem BleiAkku werde ich erstmal für spätere Projekte im Hinterkopf behalten. Ich schätze für meinen Fall ist das wohl eher nicht nötig. Meine Wahl fällt also doch erstmal auf den LiPo und ich denke ich werde erstmal einen mit 1200mAh nehmen. Der Grund ist neben dem Geld auch der, dass ich einfach wissen will, ob man damit schon über den Winter kommt. Das ganze Thema finde ich doch mehr als spannend. Nicht umstonst will ich neben Temperatur auch Lichtverhältnisse messen. :)
Um irgendwann auch mal zu starten werde ich mir wohl diesen Charger holen: Charger. Dazu dann noch eine günstige Solarzelle und die ersten Versuche können beginnen. Bei fasttech gibt es ja echt eine ganze Menge günstiger Angebote. Da werde ich also auch ein bisschen mit verschiedenen Kommunikationsmodulen testen können, auch wenn ich denke, dass eine simple Funkverbindung mit 433mhz ausreichend sein sollte.

Ein bisschen hat dieser Thread bei mir jetzt aber auch den Wunsch geweckt doch mal eine Lade-Elektronik zu basteln. Leider fehlt mir dazu noch ein bisschen das Wissen, weshalb das wohl auf ein späteres Projekt verschoben werden muss. Auch Experimente völlig ohne Ladeelektronik müssen wohl noch ein bisschen auf sich warten lassen ^^ Das hätte aber wohl den Vorteil, dass man hier noch ein kleines bisschen an Strom einsparen könnte.

Als uC soll erstmal ein Atmega ohne Board dienen. Falls das nicht klappt werde ich es erstmal mit einem Arduino Uno und anschließend mit einem kleineren Controller probieren.

Danke euch Allen! Ich denke ich werde später noch ein paar weitere Fragen zu dem Thema haben :D

Aber mal rein aus Interesse: würde es theoretisch funktionieren, wenn man direkt die Solarzelle an den Akku anschließt und diese Verbindung mit dem Arduino abgreift? Da sollte ja kein Strom vom Akku zum Panel fließen. Falls das doch passiert könnte man das ja noch mit einer Diode unterbinden. Würde so etwas bereits funktionieren? Ein Tool zum Schaltplanzeichnen habe ich leider gerade noch nicht. Dann wäre die Frage vielleicht etwas eindeutiger ^
 
Der akku sollte auf keinen Fall direkt die Solarzelle laden. Eine (Schottky)Diode wäre ebenfalls nötig, sonst würde sich der Akku bei Nacht über die Solarzelle entladen.

Normalerweise werden Akkus erst mit Constant Current (CC) und danach mit Constant Voltage (CV) geladen. Das heißt erst wird der Strom begrenzt, weil der Akku einfach nicht mehr kann (oder geschont werden soll) und danach wird die Spannung eben auf der Ladeschlussspannung gehalten und der Strom geht gegen null. Irgendwann ist dann der Akku fertig geladen bzw. es wird nur noch der Selbstentladung entgegengewirkt.
(Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Ladeverfahren)

Ungeregelt würde am Akku zu viel Spannung anliegen, was der Lebensdauer nicht sehr zuträglich ist.
Mikrocontroller kann man im Allgemeinen nicht direkt an einen Akku hängen. Wenn allerdings die gesamte Schaltung darauf ausgelegt ist, in einem Bereich von 3,3-4,2V (Lipo mit einer Zelle) zu arbeiten, was ja viele 5V Mikrocontroller können, sollte das funktionieren.
Allerdings empfehle ich die Spannung mit einem Festspannungsregler auf die gewünschte Spannung runter zu regeln, weil der Schaltungsaufwand äußerst gering ist.
Für die 5V eines Arduinos müsste man die Spannung schon wieder hochtransformieren, was erheblich aufwendiger ist oder gleich mit einer höheren Spannung arbeiten. Bei Lipos mit mehr als einer Zelle muss die Spannung jeder einzelnen Zelle überwacht werden (Cell Balancing). Das übernehmen aber auch entsprechende Lade-ICs.
 
Super danke! Für dieses Projekt habe ich mir jetzt sowieso eine vorgefertigte Lade-Elektronik zugelegt, aber es geht ja darum an diesem Projekt so viel zu lernen, wie nur möglich :)

Dass das Ganze ohne Lade-Elektronik nicht ganz so sinnvoll ist habe ich mir schon fast gedacht. Für einen Anfänger wie mich ist das alles noch Neuland. Deswegen sind die ganzen Hinweise hier wirklich hilfreich.
 
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