ESP mit Batterien betreiben + beste Batterie-Halterung ever!

ESP mit Batterien betreiben + die beste Batterie-Halterung ever! Welche Batterien und Akkus eignen sich am besten um ESPs oder ähnliche Microcontroller mit Strom zu versorgen? Das klären wir in diesem Artikel. Außerdem zeige ich euch eine des 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!

Hey!

Dein ESP Projekt mit Batterien zu betreiben ist schon praktisch, weil kabellos. Aber welche Batterien sollte man dafür nehmen? Oder lieber Akkus? Oder doch vielleicht eine Powerbank? Wir gehen der Sache auf den Grund.

Ich habe hier mal eine Übersicht der gängigsten Batterie- und Akku-Typen erstellt. Da werden wir gleich mal durchfliegen und aussortieren, was nicht in Frage kommt.

Zunächst aber mal eben geklärt: was brauchen wir eigentlich an Spannung? Ein schneller Blick ins Datenblatt von ESP8266 und ESP32 klärt auf – der ESP32 benötige eine Spannung von mindesten 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 mal in die Batterien-Tabelle.

Tabellen Erklärung 

Kurz zu den Angaben in der Tabelle. Die Kapazität in mAh hängt natürlich vom Hersteller und Modell ab. Ich habe hier einfach Batterie- und Akku-Modelle herausgesucht, die ich bereits verwende oder im Internet als erstes angezeigt wurden. Willkommen in meiner Blase 🙂

Preis pro Batterie: oft gibt es die im Mehrpack, dann habe ich hier zum besseren Vergleich den Preis der einzelnen Batterie ausgerechnet.

Dann habe ich den Preis für eine Ampere-Stunde ausgerechnet. Denn was hilft es, wenn die einzelne Batterie billig ist, aber nur ein drittel so lange durchhält, bis sie leer sind.

Und in der letzen Spalte habe ich den Preis pro Ampere-Stunde bei Beachtung der minimalen Versorgungsspannung des ESPs ausgerechnet. Denn je nach Nenn-Spannung einer Batterie benötigt man auch mal zwei oder drei Batterien- oder Akkus, um den ESP zum laufen zu bekommen. 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.

Bei solchen Umwandlungen entstehen immer Verluste. 

Wenn man diese 5V dann über den USB Port in den ESP füttert, werden auf dem ESP die 5 Volt wieder auf 3,3 Volt heruntergewandelt. Schon wieder Verluste. Im wahrsten Sinne – nicht cool.

Aber das größte Problem: alle Powerbanks, die ich am ESP 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.

Powerbank ist also raus.

Mignon Alkali

Kommen wir zu den Primärzellen, also den nicht wiederaufladbaren Batterien.

Da haben wir zunächst die standard AA oder Mignon Batterie, die auf Alkali-Mangan basiert. Die 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.

Nun gibt es aber 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 nur 50 % der Batterie nutzen kannst, weil dann die Spannung zu niedrig wird.

Brownouts

Was passiert eigentlich bei zu wenig Spannung?

Dann setzen sogenannte Brownouts ein. Der Microcontroller geht nicht einfach aus, sondern es fallen nach und nach Komponenten aus oder werden unzuverlässig. Der Microcontroller „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.

Ok, Alkali Batterien sind auch raus. Was haben wir noch …

CR123A & CR2 Lithium

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 ist quasi das kleine diverse Geschwister. Etwas kleinerer Formfaktor und weniger Kapazität aber ansonsten gleich.

Aus technischer Sicht sind diese Batterien eine gute Wahl, um ESPs mit Batterie-Strom zu versorgen.

Kommen wir jetzt zu den wiederaufladbaren Akkus oder auch Sekundärzellen.

NiMH Akkus

Ein Graus! An was denke ich zuerst, wenn ich an die üblichen Nickel-Metalhydrid Akkus denke? Genau, der immense Selbstentladungs-Effekt. Schön die leeren Akkus aufgeladen und in den Schrank gepackt. Einen Monat später wieder rausgeholt, um die Taschenlampe zu füttern – Akku war leer. Tolle Wurst.

Aber abgesehen von der Selbstentladung, kratzen wir hier mit der Spannung an der Grenze. 

Diese Akkus haben 1,2 Volt Nennspannung. Nehmen wir zwei in Serie geschaltet, kommen wir auf 2,4 Volt. Das sind nur 0.1 Volt vom absoluten Minimum entfernt, was der ESP benötigt. Wenn jetzt der oben erwähnte Spannungsabfall-Effekt einsetzt, können wir wieder nur einen Bruchteil der Kapazität nutzen.

Nehmen wir drei Akkus, sind wir bei 3,6 Volt. 100% geladene Akkus, können auch mal etwas mehr Spannung haben, bevor nach kurzer Zeit der Spannungsabfall-Effekt einsetzt. Drei Nickel-Metalhydrid Akkus empfehlen ich daher nicht – ist mir persönlich „zu heiß“.

NiMH Akkus mit geringer Selbstentladung

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 in 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 gleichen Einschränkung, wie bei den klassischen Nickel-Metalhydrid Akkus: die Spannung liegt zu sehr an der oberen und unteren Grenze.

Lithium Akkus

Kommen wir jetzt noch zu den teureren Lithium basierten Akkus. Alle Lithium Ionen Akkus mit 3,7 Volt können wir schon mal aussen vor lassen – zu viel Spannung oder man muss wieder herunterwandeln, was wir vermeiden wollen.

Ich habe aber Lithium Ionen Akkus im Mignon Format mit 1,5 Volt Nennspannung gefunden. Hier müsste man also zwei Stück in Serie schalten, um auf 3 Volt zu kommen.

Und dann gibt es, ebenfalls im Mignon-Format, Lithium Ferrum Polymer Akkus (Lithium Eisen Phosphat, kurz LiFePo) mit 3,2 Volt. Diese findet man übrigens oft in den Solarlampen, die uns Nachts versuchen den Weg zu leuchten.

Zu guter letzt habe ich noch eine exotischeren Formfaktor gefunden. Ebenfalls LiFePo mit 3,3 Volt und ordentlich Kapazitäts-Wumms, wie Olaf Scholz sagen würde. 

Moment, warum haben die so viel Kapazität? Man darf sich da vom Bild nicht täuschen lassen. Das sind schon ziemliche Klopper. Da sollte man zunächst prüfen, ob die auch ins Projekt-Gehäuse passen – und in euer Ladegerät.

Apropos Ladegerät: bei den Lithium basierten Akkus benötigt ihr ein Ladegerät, das mit Lithium Akkus umgehen kann. Gaanz wichtig – nehmt nicht das Ladegerät, mit dem ihr eure Nickel-Metalhydrid Akkus ladet.

Technisch gibt es an diesen drei Lithium Varianten nichts auszusetzen. Nur der Preis ist natürlich saftiger. Aber dafür sind sie wiederaufladbar.

Fazit

Lithiumd basierte Akkus sind offensichtlich am besten geeignet.

Wenn es wiederaufladbar sein soll, dann kommen alle drei vorgestellten Lithium Akkus in Frage. Dann müsst ihr nur noch abwägen, wieviel Kapazität ihr haben wollt bzw. wieviele Akkus ihr im Gehäuse unterbringen könnt.

Bei den nicht-wiederaufladbaren kommen nur die CR123 oder die kleineren CR2 Batterien in Frage. 

Batterie Flex Holder

So und jetzt zeige ich euch noch ne richtig knorrke Sache, um Batterien in einem Projekt-Gehäuse zu befestigen. Wenn in meinen Projekten Batterien zum Einsatz kommen, verwende ich immer dieses wunderbare Set an Halterungen, dass ich auf Thingiverse entdeckt habe.

Das brauchen wir

• 3D Drucker
• Flex Battery Holder auf Thingiverse
• Silberdraht
• Isolierter Draht (Litze)
• LiFePo Akkus oder CR123 Batterien

Bei Thingiverse steht, der Autor hat den Benutzernamen enif. An anderer Stelle habe ich den Namen Heinz Spiess gefunden. Ich denke, es ist dieselbe Person. Mein Dank für diese hervorragende Konstruktion.

Das fantastische an dieser Halterung ist, dass der Konstrukteur ein 3D gedrucktes Feder-System eingebaut hat, was die Batterien festklemmt.

Im Download von Thingiverse kommen 10 verschiedene Batterie-Formate mit. Und diese dann auch noch in verschiedenen Mengen-Varianten, bei denen man teilweise bis zu sechs Batterien unterbringen kann.

Ausserdem liegt auch eine SCAD Datei bei, mit der man wohl eigene Varianten erstellen kann, wenn man denn mit SCAD umgehen kann. Hab ich bisher aber noch nicht ausprobiert.

Ich zeige euch jetzt, wie ich die Halterungen verwende und vorbereite. Denn bei den Kontakten für die Batterien muss man natürlich ein bissl was basteln.

Dafür drucken wir mal eine der Halterungen für zwei CR123 Batterien aus.

Fazit

Ok, jetzt wisst ihr welche Batterien ich verwenden würde und wie ich diese im Gehäuse befestige. Alle in dem Artikel verwendeten Links, Batterien und Werkzeuge findet ihr nochmal unten aufgeführt.

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Bastelt weiter, bleibt gesund und achtet auf die richtige Spannung – in allen Bereichen.

Tschüß 😉 

Links

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Batterien & Akkus aus dem Artikel

• Anker Powerbank, 5V, 20100 mAh
• Amazon Basics AA Alkali Batterie, 1,5V, 2000 mAh
• Varta CR123A Lithium Batterie, 3V, 1600 mAh
• Varta CR2 Lithium Batterie, 3V, 880 mAh
• Amazon Basics AA NiMh Akkus, 1,2V, 2000 mAh
• LSD-NiMh AA eneloop XX Pro, 1,2V, 2000 mAh
• Lithium AA Akku, 1,5V, 2200 mAh
• LiFePo AA Akkus, 3,2V, 600 mAh
• LiFePo ANR26650M1B Akkus, 3,3V, 2500 mAh

3D Modell & Infos

• Battery Flex Holder auf Thingiverse
• Datenblatt ESP32
• Datenblatt ESP8266
• Liste NiMH Akkus mit geringer Selbstentladung