ESP mit Batterien betreiben: Welche Batterien und Akkus eignen sich am besten, um ESPs oder ähnliche Mikrocontroller mit Strom zu versorgen?
In diesem Artikel geht es mir dabei um Effizienz und Aufwand. Ich bekomme oft Feedback, dass man doch auch den Batterie-Typ XY verwenden kann. Ja, das geht natürlich auch, aber nur mit zusätzlichem Aufwand, wie Spannungswandlern und Energieverlusten. Ich wollte jedoch wissen:
Mit welcher Batterie oder Akku kann man einen ESP direkt betreiben – ohne zusätzliche Bauteile und ohne Spannungsumwandlung.
Außerdem zeige ich euch eine der besten Methoden, um Batterien in deinem Projekt-Gehäuse zu befestigen und wie man eine aufgeräumte Stromversorgung erstellt: mit dem Flex Battery Holder aus dem 3D-Drucker!
Die wichtigsten Fakten für dich zusammengefasst
Welche Batterien passen für einen ESP32 am besten
- Bei wiederaufladbaren Akkus, sind LiFePo Akkus am besten geeignet, da die Spannung genau zum Bedarf des ESP32 passt – hier muss nichts umgewandelt werden.
- Bei nicht-wiederaufladbaren Batterien passen die CR123 oder die kleineren CR2 Batterien am besten. Auch hier passt die Spannung am besten zum Bedarf des ESP32.
- Andere Akku-Typen, wie z.B. LiIon könnten zu viel Spannung liefern. Hier muss die Spannung ggf. gesenkt werden, z.B. mit einem Step-Down-Wandler.
- Damit Batterien nicht im Projekt-Gehäuse herumfliegen, kann man sich eine Batterie-Halterung wie den Battery Flex Holder ausdrucken.
René AyeHead of Kurzschluss @ raydiy
Versorgt seine Microcontroller-Herde stets mit Strom und liebevollem Code.
RAYDIY Newsletter
Jetzt anmelden
und kostenloses eBook bekommen!Welche Spannung benötigt ein ESP32 oder ESP8266
Ein ESP32 Projekt mit Batterien zu betreiben, ist schon praktisch. Aber welche Batterien sollte man dafür nehmen? Oder lieber wiederaufladbare Akkus? Oder doch vielleicht eine Powerbank? Wir gehen der Sache auf den Grund.
Ich habe hier eine Übersicht der gängigsten Batterie- und Akku-Typen erstellt. Diese schauen wir uns gemeinsam an und sortieren aus, was nicht infrage kommt.
Zunächst müssen wir aber eine wichtige Frage beantworten: Welche Spannung benötigen wir, um einen ESP zu betreiben?
Ein schneller Blick ins Datenblatt von ESP8266 und ESP32 klärt auf – der ESP32 benötige eine Spannung von mindestens 2,3 bis maximal 3,6 Volt. Der ESP8266 benötigt mindestens 2,5 und maximal 3,6 Volt.
Empfohlene Spannung: 3,3 Volt.
Das wäre geklärt. Schauen wir nun in die Batterien-Tabelle.
Übersichts-Tabelle Batterien & Akkus
Erklärung zur Tabelle
mAh
Die Kapazität in mAh hängt vom Hersteller und Typ der Batterie ab. Ich habe hier Batterie- und Akku-Modelle herausgesucht, die ich bereits verwende oder die mir im Internet zuerst angezeigt wurden.
Preis pro Batterie
Oft gibt es Batterien im Mehrpack. Daher habe ich zum besseren Vergleich den Preis der einzelnen Batterie ausgerechnet.
Preis pro Ah
Dann habe ich den Preis für eine Ampere-Stunde ausgerechnet. Denn was hilft es, wenn die einzelne Batterie billig ist, aber im Vergleich nur ein Drittel so lange hält.
Preis pro Ah bei min. 2.5 V
Und in der letzten Spalte habe ich den Preis pro Ampere-Stunde bei Beachtung der minimalen Versorgungsspannung des ESPs ausgerechnet. Je nach Nenn-Spannung einer Batterie benötigt man zwei oder drei Batterien oder Akkus, um den ESP zu betreiben. Dafür habe ich die minimale Spannung des ESP8266 von 2.5 Volt zugrunde gelegt. So ist der ESP32 mit minimal 2.3 benötigten Volt auch abgedeckt.
Powerbank
Kommen wir zuerst zur Powerbank: zwei Sachen stören mich hier – Powerbanks werden in der Regel aus 3,7 Volt Lithium Zellen gebaut. D.h. intern werden 3,7 Volt auf 5 Volt hoch gewandelt, weil der USB Standard eine 5 Volt Ausgangsspannung haben will.
Powerbanks, sowie alle Lithium-Ionen-Zellen, fallen in diesem Fall durchs Raster, weil die benötigte Spannung für ESPs nur durch Spannungsumwandlung zu erreichen ist.
Lorem ipsum color ...
Bei solchen Umwandlungen entstehen immer Verluste.
Wenn man diese 5V dann über den USB-Port in den ESP führt, werden auf dem ESP die 5 Volt wieder auf 3,3 Volt heruntergewandelt. Also eine weitere Spannungsumwandlung.
Ein weiteres Problem: alle Powerbanks, die ich am ESP32 ausprobiert habe, haben sich automatisch abgeschaltet, spätestens wenn der ESP im DeepSleep Modus läuft. Dann verbraucht der ESP so wenig Strom, dass die Powerbank denkt, es ist kein Verbraucher mehr angeschlossen.
Powerbanks sind zwar technisch möglich, aber nicht optimal und daher raus.
Alkali Batterien
Kommen wir zu den sog. Primärzellen, also den nicht wiederaufladbaren Batterien.
Da haben wir zunächst die Standard AA oder Mignon-Batterie, die auf Alkali-Mangan basiert.
AA oder Mignon beschreibt den Formfaktor von Batterien oder Akkus (siehe auch Tabelle mit den Größenbezeichnungen). Alkali bezieht sich auf die chemische Zusammensetzung innerhalb der Batterie.
Diese haben eine Nennspannung von 1,5 Volt. Davon können wir zwei Stück in Serie schalten, damit sich die Spannung auf 3 Volt addiert.
Bei Batterien, die in Serie geschaltet sind, also die gegenteiligen Pole verbunden werden, addiert sich die Spannung und die Kapazität bleibt gleich.
Bei parallel geschalteten Batterien, also wenn die gleichen Pole verbunden werden, addiert sich die Kapazität, und die Spannung bleibt gleich.
Batterien parallel geschaltet
Man sollte meinen, die Spannung (Volt) eine Batterie sei immer gleich und nur der gespeicherte Strom (mAh) wird bei Benutzung der Batterie weniger. Dem ist leider nicht so.
Es gibt es bei allen Batterie- und Akkutypen einen Spannungsabfall-Effekt. Und dieser Spannungsabfall nimmt zu, je leerer die Batterie ist. Die Stärke dieses Effekts ist auch von Batterie- oder Akku-Typ abhängig.
Bei Alkali-Batterien ist dieser Effekt recht stark. So kann es passieren, dass du nur 30, 40 oder sogar nur 50 % der Batterie nutzen kannst, weil dann die Spannung zu niedrig wird.
Übrigens tritt der Effekt auch andersherum auf: frisch geladene Akkus haben zu Anfang eine höhere Spannung als die eigentliche Nennspannung.
Gängige Größenbezeichnungen von Batterien
Welche Größenbezeichnungen bzw. Formfaktoren gibt es bei Batterien? Tatsächlich sind das gar nicht wenige. Ich habe hier nur einen kleinen Auszug der gängigsten zylindrischen Batteriegrößen angelegt. Schön auch zu sehen, wie chaotisch die Bezeichnungen teilweise sind, weil jede Standardisierungs-Organisation natürlich ihr eigenes Süppchen kochen muss. Aber selbst innerhalb einer Organisation ... 🙄
Brownouts
Was passiert bei zu wenig Spannung am Mikrocontroller?
Bei zu wenig Spannung setzen zunächst sogenannte Brownouts ein. Der Mikrocontroller geht nicht einfach aus, sondern es fallen nach und nach Komponenten aus oder werden unzuverlässig. Der Mikrocontroller „spielt dann verrückt“.
Weiteres Problem: wenn der ESP WiFi verwendet, können durchaus Stromspitzen von bis zu 400 mA entstehen. Alkali Batterien kommen damit nicht zurecht.
Alkali Batterien sind zwar technisch möglich, aber nicht optimal und daher raus.
ESP32 DevKit C von AZ Delivery*
Amazon Link*
* Bei dem Link handelt es sich um einen Affiliate Link. Als Amazon-Partner verdiene ich an qualifizierten Verkäufen.
CR123A & CR2 Lithium
CR123 oder CR123A Batterien werden oft im Kamera-Bereich verwendet. Diese liefern 3 Volt.
Es gibt sie manchmal als wiederaufladbare Akkus zu finden. Dann allerdings oft mit 3,7 Volt – für unsere Zwecke leider zu viel Spannung.
Bei Lithium Batterien ist der Spannungsabfall-Effekt sehr gering, so kann man viel der Batterie-Kapazität nutzen. Gerade weil diese Batterien auch mit Kamera-Blitzen und deren kurzen aber hohen Strombedarf umgehen können, sind die WiFi bedingten Stromspitzen des ESPs kein Problem.
Die CR2 hat einen kleineren Formfaktor als die CR123 und weniger Kapazität, ist ansonsten aber gleich.
Aus technischer Sicht und im Sinne der Anforderungen dieses Artikels sind diese Batterien eine gute Wahl, um ESPs mit Batterie-Strom zu versorgen.
NiMH Akkus
Kommen wir jetzt zu den wiederaufladbaren Akkus, den sog. Sekundärzellen.
Ein Graus! Woran denke ich zuerst, wenn ich an die üblichen Nickel-Metallhydrid Akkus denke? An den immensen Selbstentladungs-Effekt. Gerade habe ich noch die leeren Akkus aufgeladen und im Schrank verstaut, da sind sie einen Monat später schon wieder leer – nur durchs Herumliegen.
Abgesehen von der Selbstentladung, kratzen wir hier mit der Spannung auch an der Grenze.
Diese Akkus haben eine Nennspannung von 1,2 Volt. Schalten wir zwei in Serie, kommen wir auf 2,4 Volt. Das sind nur 0.1 Volt von dem absoluten Minimum entfernt, was der ESP benötigt. Wenn nun zusätzlich der oben erwähnte Spannungsabfall-Effekt einsetzt, können wir wieder nur einen Bruchteil der Kapazität nutzen.
Schalten wir drei Akkus in Serie, sind wir bei 3,6 Volt. 100 % geladene Akkus, können mehr Spannung als die Nennspannung haben, bevor nach kurzer Zeit der Spannungsabfall-Effekt einsetzt.
Nickel-Metallhydrid sind zwar technisch möglich, aber nicht optimal und daher raus.
NiMH Akkus mit geringer Selbstentladung
Nickel-Metallhydrid Akkus auf LSD? Ja, aber ein anderes LSD.
Es gibt Nickel-Metallhydrid Akkus mit geringer Selbstentladung, sog. LSD-Nickel-Metallhydrid Akkus. LSD steht, in diesem Fall, für low self-discharge.
Da wären z.B. die bekannten enerloops oder Ikea LADDA oder Aktiv Energy von Aldi, um nur mal drei zu nennen. Unten habe ich einen Link hinzugefügt, da findet ihr bestimmt 40 verschiedene Anbieter.
Bei der LSD Variante ist tatsächlich die Selbstentladung hervorragend optimiert worden und soll sogar besser sein, als bei den üblichen Alkali-Batterien. Bei meiner Recherche waren die Selbstentladungswerte der Herstellerangaben nur bei den CR123 Batterien besser. Nachgemessen habe ich das aber nicht.
Für Standard-Geräte Anwendungen, die mit Akkus betrieben werden sollen, würde ich immer solche Akkus nehmen.
Für den Gebrauch am ESP8266 oder ESP32 gelten allerdings die gleiche Einschränkung, wie bei den klassischen Nickel-Metallhydrid Akkus: die Spannung liegt zu sehr an der oberen und unteren Grenze.
Nickel-Metallhydrid sind zwar technisch möglich, aber nicht optimal und daher raus.
Lithium-Ionen und Lithium-Polymer-Akkus
Kommen wir jetzt noch zu den teureren Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer Akkus.
Alle Lithium-Ionen-Akkus mit 3,7 Volt können wir schon mal außen vor lassen – sie haben zu viel Spannung oder man muss diese wieder herunterwandeln, was wir ja vermeiden wollen. Ich hatte es ja schon bei den Powerbanks erwähnt.
Lithium-Polymer-Akkus sind von den technischen Strom- und Spannungs-Daten her gleich zu den Lithium-Ionen-Akkus. Hier ist nur der Vorteil, dass sich Lithium-Polymer-Akkus flexibler in der Formgestaltung des Akkus ist. Wenn der Akku also eine bestimmte Form haben muss, weil er sonst nicht ins flache Notebook-Gehäuse passt, dann werden in der Regel Lithium-Polymer-Akkus verwendet, weil die Geräte-Designer hier freier in der Gestaltung sind.
Lithium-Ionen bzw. Lithium-Polymer-Akkus sind zwar technisch möglich, aber nicht optimal und daher raus.
Varta CR123A Batterien*
Amazon Link*
* Bei dem Link handelt es sich um einen Affiliate Link. Als Amazon-Partner verdiene ich an qualifizierten Verkäufen.
LiFePO4 Akkus
Passender und ebenfalls im Mignon-Format sind sogenannte Lithium-Ferrum-Phosphat-Akkus (Lithium Eisen Phosphat, in der Regel mit LiFePO4 abgekürzt). Diese LiFePO4 Akkus liefern eine Spannung von 3,2 Volt – genau die Spannung, die wir benötigen!
Kleiner Tipp: Man findet LiFePO4 oft in den kleinen Garten-Solarlampen, die uns Nachts versuchen den Weg zu leuchten. Bevor ihr diese in den Müll gebt, schaut doch mal, ob da nicht noch brauchbare LiFePO4 (und Solarzellen) drin sind – denn die sind gar nicht so günstig.
LiFePO4 haben gegenüber Lithium-Ionen etwas weniger Energiedichte – das bedeutet, bei gleichem Formfaktor passt etwas weniger Strom hinein.
Zusätzlich zum Sicherheitsaspekt (siehe unten), passen LiFePO4-Akkus gut zur Spannung von ESPs und sind daher meine erste Wahl, wenn es um wiederaufladbare Batterien für ESP32 und ESP8266 geht.
Der Sicherheitsaspekt von LiFePO4 Akkus
Der Preis von LiFePos ist deutlich höher, allerdings zahle ich den Aufpreis gern, denn vor Lithium-Ionen-Akkus habe ich Mords-Respekt. Diese gehen schnell in Flammen auf, sobald einmal Luft oder Wasser dran kommt.
Wer so wie ich gern mal ein Altgerät öffnet, um es sich mal genauer anzuschauen oder auszuschlachten – Vorsicht: Ich habe mal ein Smartphone zu forsch mit einem Spatel geöffnet und dabei den Akku beschädigt. Dadurch ist der Akku innerhalb von Sekunden in Brand geraten.
Oft blähen sich Lithium-Ionen-Akkus mit der Zeit auf. So kann die Schutzhülle reißen und es kommt Luft dran.
Das alles passiert bei LiFePo nicht und lassen mich daher ruhiger schlafen.
AA LiFePO4 Akkus*
Amazon Link*
* Bei dem Link handelt es sich um einen Affiliate Link. Als Amazon-Partner verdiene ich an qualifizierten Verkäufen.
Wie lädt man LiFePO4 Akkus
Ein Wort zum Ladegerät: Für LiFePO4 Akkus benötigt ihr ein spezielles Ladegerät, das mit diesen Akkus umgehen kann. Nehmt nicht das Ladegerät, mit dem ihr Nickel-Metallhydrid Akkus ladet! Diese werden mit anderen Spannungs- und Stromkurven geladen, die LiFePO4 Akkus zum Kochen bringen (habe ich leider selbst erfahren müssen).
Übrigens, für Lithium-Ionen-Akkus benötigt ihr auch ein spezielles Ladegerät, da hier wieder andere Spannungskurven verwendet werden.
Es gibt aber Ladegeräte, die man umschalten kann und sowohl Nickel-Metallhydrid als auch Lithium-Ionen als auch LiFePO4 und auch Nickel-Cadmium Akkus laden können. Ich habe euch nebenstehend mal so ein Ladegerät herausgesucht.
Fazit
Wenn es wiederaufladbar sein soll, sind LiFePo Akkus am besten geeignet. Die Spannung passt und es muss nichts umgewandelt werden.
Bei den nicht-wiederaufladbaren kommen nur die CR123 oder die kleineren CR2 Batterien infrage, da hier die Spannung genau passt.
Wenn euch eine zusätzliche Spannungs-Umwandlung und die damit einhergehenden Verluste egal sind, habt ihr natürlich eine viel größere Auswahl. Dann müsst ihr aber darauf achten, einen entsprechenden Spannungswandler in die Schaltung zu integrieren.
Ladegerät für Li-Ion, LiFePO4, Ni-MH und NI-Cd*
Amazon Link*
* Bei dem Link handelt es sich um einen Affiliate Link. Als Amazon-Partner verdiene ich an qualifizierten Verkäufen.
Links & Produktempfehlungen
Produkt-Empfehlungen aus diesem Artikel
Links zum Thema Stromversorgung
RAYDIY Newsletter
Jetzt anmelden
und kostenloses eBook bekommen!