ESP mit Batterien betreiben + beste Batterie-Halterung ever!

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Inhaltsverzeichnis

Tabellen Erklärung
Powerbank
Mignon Alkali
Brownouts
CR123A & CR2 Lithium
NiMH Akkus
NiMH Akkus mit geringer Selbstentladung
Lithium Ionen und Lithium Polymer Akkus
LiFePo4 Akkus
Fazit
Batterie Flex Holder
Fazit
Links
Batterien & Akkus aus dem Artikel
3D Modell & Infos

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.

Stand: 18. Februar 2021

	V	mAh	Selbst- entladung / Monat	Pro	Con	Preis / Batterie in €	Preis / Ah in €	Preis / Ah  bei min. 2,5 V in €
Powerbank	5	20100	ca. 4%	einfache Installation	hohe Energieverschwendung durch mehrmaliges Level-Shiften der Spannung (interne 3,7 V -> 5V -> 3,3 V im ESP), schaltet sich aus, großer Formfaktor	35,99	1,79	1,79
Batterien (Primär-Zellen)
Alkaline AA	1,5	2000	ca. 6%	billig	früh einsetzender Spannungs-Abfall, ca. 50-70 % der Energie bleiben ungenutzt, Stromspitzen des ESPs zu groß bei WiFi, nicht wiederaufladbar	0,24	0,12	0,24
Lithium CR123	3	1600	1-2%	einzige gut funktionierende Variante bei nicht wiederaufladbaren Batterien	nicht wiederaufladbar	2,19	1,53	1,53
Lithium CR2	3	880	1-2%	wie CR123	wie CR123, aber weniger Kapazität	2,19	2,48	2,48
Akkus (Sekundär-Zellen)
NiMH AA	1,2	2000	ca. 25% (!)	billig	hohe Selbstentladung, Memory-Effekt, zu knapp an der Spannungsgrenze	1,60	0,80	2,40
LSD-NiMH AA	1,2	2000	1-3%	kein Memory-Effekt, geringe Selbstentladung	zu knapp an der Spannungsgrenze, teuer	4,98	2,49	7,47
Lithium AA	1,5	2200	ca. 4%	kein Memory-Effekt, geringe Selbstentladung, viel Kapazität	teurer	6,25	2,84	5,68
LiFePo AA	3,2	600	ca. 3-5%	kein Memory-Effekt, geringe Selbstentladung	am teuersten, geringe Kapazität	4,60	7,66	7,66
LiFePo ANR26650M1B	3,2	2500	ca. 3-5%	kein Memory-Effekt, geringe Selbstentladung, viel Kapazität	teuer, großer Formfaktor	10,90	4,36	4,36

Tabelle öffnen

Funktioniert am besten, wenn du das Handy im Querformat hältst.

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.

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 hochgewandelt, weil der USB Standard halt unbedingt 5 Volt haben will.

Mehrfaches Level Shifting beim Betrieb mit einer Powerbank

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

CR123 oder CR123A Batterien werden oft im Kamera-Bereich verwendet. Diese liefern 3 Volt.

Es gibt sie manchmal auch 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 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

Hah, Nickel-Metalhydrid Akkus auf LSD! Es gibt ja auch diese flotten Nickel-Metalhydrid Akkus mit geringer Selbstentladung oder auch LSD-Nickel-Metalhydrid 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 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 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.

LiFePo4 Akkus

Passender sind und ebenfalls im Mignon-Format sind sogenannte Lithium Ferrum Polymer 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! Man findet sie übrigens oft in den Solarlampen, die uns Nachts versuchen den Weg zu leuchten.

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Noch ein Wort zum Ladegerät: für LiFePo4 Akkus benötigt ihr ein spezielles Ladegerät, das mit diesen Akkus umgehen kann. Gaanz wichtig – nehmt nicht das Ladegerät, mit dem ihr eure Nickel-Metallhydrid Akkus ladet. Übrigens für Lithium Ionen Akkus benötigt wieder ein spezielles Ladegerät, da hier andere Spannungen verwendet werden. Es gibt aber Ladegeräte, die man umschalten kann und sowohl Nickel-Metallhydrid als auch Lithium Ionen als auch LiFePo4 Akkus laden können. Ich habe euch nebenstehend mal so ein Ladegerät rausgesucht.

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Technisch gibt es an den LiFePo4 Akkus nichts auszusetzen. Nur der Preis ist natürlich saftiger. Aber dafür sind sie wiederaufladbar.

Im Vergleich zu den LithiumPolymer Akkus, sind sie zudem sicherer, da diese nicht in Flammen aufgehen, falls einmal Luft ran kommt. Dafür haben sie aber etwas weniger Energiedichte, als die Lithium Ionen Varianten.

Fazit

Wenn es wiederaufladbar sein soll, sind LiFePo4 Akkus offensichtlich 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 in Frage, 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.

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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

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 😉