Diskussion zu »Autonome Zellen #1-2«

Hardwareentwicklung / hardware development Stromversorgung / Power supply
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Einleitung

@wtf, @weef und @roh haben eine schöne Appliance gebaut und drüben bei Versuchsaufbau "Autonome Zelle" #1 & #2: Solar-Feinstaub-Wetter-Vergleichsding deren Aufbau und einige technische Details beschrieben.

Die Idee ist ein selbst-überwachter Solarbetrieb eines Feinstaub-AirRohrs mit unterschiedlichen Temperatur/Feuchte-Sensoren jeweils im AirRohr und in einer Wetterhütte.

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Diskussion

Hier haben wir die Gelegenheit, Rückfragen dazu zu stellen, Anregungen vorzuschlagen und über weitere Aspekte zu diskutieren.

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Ich hatte gestern mit @Thias auch über verschiedene Feuchte-Sensoren gesprochen. Vor ein paar Jahren hatte ich die DHT33 im Einsatz, die sind aber in den letzten Jahren sehr teuer geworden und schwer zu bekommen, daher dann die DHT22. Von denen sind mittlerweile einige ausgefallen, und ich habe den Eindruck, dass sie im oberen Feuchtebereich nicht so differenziert. Daher möchte ich auch auf den BME280 umschwenken.

Mit meinem ersten Wetterschutz hatte ich thermische Probleme mit gestauter Hitze besonders wenn die Sonne direkt draufschein. Bei der Montage meines luftdaten.info “Air Rohrs” hatte ich auch Bedenken was das Ding bei direkter Sonne macht. Da fände ich Temperaturwerte von einem “Air Rohr” vs. eine Wetterhütte, wenn auch klein, sehr spannend!

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Ich habe noch eine Anregung zur Telemetrie: Ihr könnt auch direkt vom Meßknoten aus Ereignisse über MQTT signalisieren, die dann als Annotationen im Grafana angezeigt werden. Nur, falls da Bedarf bestünde…

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Habe mich gerade über die Heizelemente gewundert, sind aber nur zum Heizen, wenn Sonne scheint und die Akkus bei Minustemperatur geladen werden, wenn ich das bei https://www.tindie.com/products/xorbit/lifepo4weredsolar1/ richtig verstanden habe:

  • Over temperature (58°C to 64°C) and under temperature (-3.2°C to 0.2°C) protection to prevent charging outside of recommended battery temperature range.
  • Heater control that turns on battery heating from the solar panel’s power during under temperature conditions.
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Hallo @weef

Ich hab mir in den letzten Tag so ziemlich alles angeschaut/durchgelesen, was ich über Sloarladeregler in unserem Anwendungsbereich finden konnte, und bin schlussendlich auch beim LiFePo4wered-Solar1 gelandet…
Wie sind deine Erfahrungen mit den beiden Autonomen Zellen über den letzten Winter und generell mit dem Design gewesen? Ist das System ohne Probleme durchgelaufen?

Bevor ich Geld und Zeit in Testaufbauten verwende, möchte ich ein optimales Setup finden.

Gibt es die mittlerweile? :wink:

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Ich bin auch an den Erfahrungen über die letzten Monate interessiert. Lief das wirklich 100% durch? Das Dashboard zeigt ja noch Aktivität… Vielen Dank im Voraus, Arne

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Hi,
vielen Dank für diesen Beitrag. Ich habe auf dieser Basis die Stromversorgung für meinen Feinstaubsensor realisiert. Ich nutze auch den LiFePo4wered Laderegler, eine 20W 12V Solarzelle und einen 5000mAh LiFePo4 Akku.
Als Last hängt bei mir auch das “Airrohr” von Luftdaten.info dran, mit deren Firmware.
Ich überwache auch den Zustand des Ladereglers und der Solarzelle mit einem ESP32, welcher alle 5min aus dem Tiefschlaf erwacht und die Spannung an der Batterie, der Solarzelle, sowie die Ströme zwischen SolarZelle und Laderegler (ACS712) und zwischen Laderegler und Batterie (INA219) an eine InfluxDB schickt. Zwischen dem Laderegler und der Last hängt noch ein Step-Up Converter um von 3.3V auf 5V zu kommmen. Da hab ich zusätzlich noch einen 470µF Elko hingesetzt um Spannungspitzen abzufangen. Den brauche ich wahrscheinlich aber gar nicht.

Ich habe trotzdem noch ein paar Fragen und kleinere Startschwierigkeiten:

  1. Ihr habt zwischen der Solarzelle und dem Laderegler eine Schottky-Diode eingebaut. Welchen Zweck hat die?
  2. Ich habe am Laderegler einen 10k Ohm Widerstand als MPPT Widerstand eingebaut. Die Spannung an der Solarzelle liegt jetzt den ganzen Tag bei 6.2V. Mir ist jetzt nicht ganz klar, ob ich den Widerstand korrekt gewählt habe.
  3. Ich messe Tagsüber einen Strom zwischen Solarzelle und Laderegler von 750-1000mA. Gleichzeitig ist der Strom zwischen Laderegler und Batterie viel geringer. Mir stellt sich die Frage wohin der Strom eigentlich fließt? Irgendwie passt das nicht zusammen.
  4. Gestern ging das gesamte Setup das erste mal “live” auf den Balkon. Und prompt gab es heute Morgen (nach Sonnenaufgang) Probleme. Der ESP meldete einen “Brownout”, hat also nicht genügend Spannung bekommen. Kurz vor Sonnenaufgang lag die Spannung an der Batterie bei 3.0V, als es zum Aussetzer kam waren es jedoch schon wieder 3.4V und es floss ein Strom von der Solarzelle zur Batterie. Kann mir einer erklären was hier das Problem ist? Ich werde das auf jedenfall weiter beobachten.

Viele Grüße,
Matthias

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Ich untersuche auch das Thema. Dazu dieser Thread

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Quatsche grad zu 1-2 Detailfragen dazu mit @roh, erstmal kurz die Antwort, die ich soweit parapraphsieren kann:

Dem Zweck, dass kein Strom zurück in die Zelle fließt. (Zeichnungsfehler: Der Abgriffspunkt zur Messung des ADS1115 sollte korrekterweise aus Sicht der Solarzelle hinter der Schottkydiode stattfinden, im Plan isses davor gezeichnet. Das hat aber keinen Einfluss auf die “konstanten 6.2V”, das scheint mir soweit normal[!?])

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Die Setups haben es noch nicht vom Labor ins Feld geschafft: Beide Autonome Zellen überwinterten baubedingt im Keller, wurden denn Anfang Februar 2020 wieder in die Sonne gestellt. Nach einiger Zeit meldete sich die #1 wieder, #2 (mit Deepsleep mittels RTC und MOSFET) aber nicht. Die Status-LED der RTC von #2 blinkt hektisch. Weitere Studien stehen noch aus.

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@wtf Vielen Dank.
Ich hab inzwschen bei mir auch Fehler entdeckt. Meine Spannungsmessung via ADS1115 an der Solarzelle (die 6.2V), kann ich mit dem Multimeter nicht nachvollziehen. Das Multimeter sagte 14.6V (kurz vor Sonnenuntergang) und nicht 6.2. Da scheine ich einen Fehler zu haben.

Eine Schottky Diode werde ich mal noch verbauen. Könnt ihr mir sagen welche hr bei euren Zellen verbaut habt?

Das wilde Blinken hatte ich heute morgen bei dem vermeintlichen “Brownout” auch. Die LEDs am ESP32 und am ACS712 blinkten extrem schnell. Seltsamerweise gab es das eben (21:45) nochmal, deswegen hab ich die Kiste mal wieder herein geholt.
Sowohl der Feinstaubsensor als auch der “Überwachsungs-ESP” wollen dann nicht mehr.

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Hey,
zu Deinen Fragen:

  1. hat @wtf ja schon eigentlich schon beantwortet. Das Datenblatt des Ladereglers geht da nur zuwenig drauf ein. Theoretisch kann, wenn der Akku nicht komplett voll ist, aber keine Spannung von der Solarzelle kommt, Strom von der Akkuseite in Richtung der Solarzelle fließen. Wieviel das ist müsste man mal ausprobieren, praktisch will man es eh vermeiden, denn Solarzellen finden auch nicht so angenehm. Zudem ist es ein extra Leckstrom der einem bei kleinen Akkus den auch zusätzlich entleert.
    Bei den Strömen, die wir hier benutzen sollte eine gut dimensionierte moderne Schottky-Diode sowenig Spannungsabfall haben, dass der ‘Verlust’ beim Laden geringer ist als der mögliche Kriechstrom, wenn man keine hat.
    Bau einfach eine rein, schadet nicht. Regelt der ‘MPPT’-Tracker eh weg (der regelt auf Spannung) ;)

  2. Welcher Widerstand korrekt ist hängt von Deiner Solarzelle ab.
    Dieser Regler ist ja ein ‘pseudo-MPPT’, weil er nicht wirklich hin-und-her regelt und misst und dann einen vermeintlichen MPPT-Punkt benutzt, sondern schlicht eine definierte Spannung am Eingang ‘einregelt’. in dem er den Strom variiert. https://d3s5r33r268y59.cloudfront.net/datasheets/9948/2017-06-28-22-40-16/LiFePO4wered-Solar1-CC-BY-SA.pdf zeigt das R9/R10 mit 100k/39k als Spannungsteiler am MPPT-Pin hängt.
    Der ‘MPPT’-Widerstand ist parallel zu R10 und default nicht bestückt.
    http://www.consonance-elec.com/seriesCN3801-E.html -> http://www.consonance-elec.com/pdf/datasheet/DSE-CN3801.pdf hier im Datenblatt steht das der MPPT-Pin vom Regler auf 1.205V gebracht wird (Seite 6) -> 4.3V
    Du hast 10k parallel zu den 39k -> Rges=(R1*R2)/(R1+R2)=~8k -> 16.3V
    ich weiss nicht ob das zu Deinem Panel passt, aber es ist kein untypischer Wert fuer ein ‘12V’ Panel.

  3. Das scheint mir ne Menge zu sein… passt aber mit den 6.2V irgendwie nicht. Hast du am Ladestrom gedreht oder sind das die Defaultwerte? Es ist auch wichtig, dass ein Thermistor dranhängt.
    Ich vermute, dass Du da einen Messfehler hast oder z.B. Spikes von den Schaltwandlern die Du mitmisst, siehst.
    Der Strom auf Akkuseite sollte höher liegen als auf der Solarseite und umgekehrt für die Spannung (Verbraucher mal ignoriert). Ein step-down-Schaltwandler schiebt ja hohe Spannung, kleiner Strom auf kleine Spannung, hoher Strom.

  4. 3.0V sind am unteren Ende. bei 2.8V schaltet das Board hart die Load ab, um die Batterie zu schützen.
    Ich hab so das Gefühl da ‘schwingt’ irgendwas … Load geht an, irgendwas braucht genug Strom, damit die Akkuspannung dippt und Strom geht aus … und das schwingt dann hin und her bis genug Sonne da ist um gleichzeitig zu Laden als auch zu Verbrauchen. Sowas ist sehr schwer zu beherrschen und i.d.R. muss man zwei relativ weit voneinander entfernte Hysteresepunkte haben um immer ‘solides’ Verhalten zu haben.
    Ist dein Elko vor (3.fooV ‘Load’-Klemme) oder hinter (5V) Deines step-up-Wandlers? Ich denke mal Du kannst auf beiden Seiten einen ranmachen… den großen an die 3.3V und mindestens 47µF, gerne auch 100 oder 220µF auf der 3.fooV-Seite (Eingang).
    Die 100nF-Blockcaps sind hoffentlich auf Deinem Stepper schon drauf. Wenns immernoch weird wobbelt, gern nochmal 100nF dazu (für den HF-Müll)
    Schaltwandlersysteme sind hart, wenn man unbekannte Klötze zusammenklebt ;)

Ich gehe einfach mal davon aus, dass Deine Massepunkte alle passen und Du keine zu krassen Leckströme oder so über Deine Strommesspunkte hast.

Bin gespannt auf Deine weiteren Experimente.

Im Zweifel mal ein Oszi an verschiedene Stellen halten und schaun, ob die Kurven Sinn ergeben.

Gruß,
roh

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Genau das ist bei mir mit meinem Solarregler und 12V Bleiakku auch passiert. Der Fipy mochte das gar nicht und musste per Flash wiederbelebt werden.

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Hi @roh
nochmal danke für diese ausfürliche Antwort!

  1. wie gesagt, eine Schottky Diode werde ich bestellen. Die sollte die 18V und > 1.2A abkönnen. Das sind die spezifikationen der Solarzelle.

  2. Den Widerstand hab ich demäß der Formel auf der Tindie Seite vom Hersteller ausgerechnet. Da war ich glaube mit 10kOhm schon konservativ. Ich hab das auch anhand des Schaltplans und des Datenblattes von Consonence nachvollzogen. Ich glaube das meine Spannungsmessung falsch ist…

  3. Die Spannungsmessung ist wirklich komisch. Ich hab da, wie ihr auch, einen 1:10 Spannungsteiler mit einem 22kOhm und einem 220kOhm Widerstand. Die kann ich sogar jetzt noch nachmessen und bestätigen. Wenn ich mit der Messpitze testweise an die 5V vom ESP gehe (VIN), dann sagt mir der ADS 22505 counts. Mit dem Skalierungsfaktor 0.1875 und dem Spannungsteiler komme ich auf ~47000. Faktor 10 zuviel! Es liegen (mit Multimeter gemessen) ~4700mV dort an. Die 22505 counts sind auch schon seltsam. Der ADS gibt ja ein int16 raus - kann also maximal 65536 annehmen bevor er überläuft. Wenn ich schon bei 4.7V bei 22505 bin, dann werde ich bei der Solarzellenspannung (ich vermute mal ~18V bei voller Sonne) definitiv einen Überlauf haben. Ich verstehe nicht warum der 1:10 Spannungsteiler nicht funktioniert.
    [EDIT]: Ich hab gerade nochmal genau nach gemessen. Es scheint so als hätte ich R1 und R2 am 1:10 Spannungsteiler vertauscht :-( Dann muss ich die Widerstände wohl tauschen…

Den Heater hab ich nicht angeschlossen. Auf der Tindie Seite stand, man könne die Funktion auch deaktivieren, indem dort ein 10kOhm Widerstand eingesetzt wird.

  1. Ja, es scheint eine kurzzeitige Last zu sein. Ich hab am Ausgang vom Step-Up Konverter den Elko (ich regele dort von 3.2V auf 5V). Was mich stutzig macht ist, dass beide Abstürze, heute morgen und heute abend, stattfanden als die Batterie Spannung eben nicht niedrig war. Heute morgen wurde schon Strom von der Solarzelle gemessen - und das mindestens 30min lang. Heute Abend war die Batterie eigentlich voll (sie zeigt jetzt auch 3.2V an). Der Step-Up Konverter ist ein MT3608.
    Ich hab gerade eine etwas wackeliges Kabel ersetzt. Vielleicht lag es daran werde es morgen früh anschließen und testen.

@didilamken
Ich weiß nicht, ob die Laderegler vergleichbar sind. Wir nutzen hier eine LiFePO4 Batterie Chemie und einen speziell dafür angepassten Laderegler+MPPT. Ich beobachte aber deine Thread auch. Klingt interessant.

VG,
Matthias

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Oh, jetzt sind meine Kollegen mir schon zuvorgekommen und haben meinen draft nochmal altern lassen … ;)

@AarneAarebye und @techanic, beide Geräte liefen im WInter nicht durch, da sie aufgrund von Bauarbeiten abgebaut wurden bzw. werden mußten. Auf der gegenüberliegenden Straßenseite (wie @wtf schrieb, sind sie ja noch in-house und nicht im Feld) wurden inzwischen 60 Wohnungen in neunstöckigen Häusern gebaut, so daß die Horizontsilhouette für die Solarzellen deutlich anders aussieht und sich damit die Energiebilanz der Geräte deutlich verschärft hat: noch weniger nutzbares Licht… aber egal, sie müssen ja ohnehin an die frische Luft! ;)

Zeitraum für dieses Bild hier sind die letzten 12 Monate:

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…dies hier ist der Zeitraum vom 1.2.20 bis 3.5.20

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… und dies das dazugehörige Sonnenenergiangebot des gleichen Zeitraums:

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Die Sonnen-Daten sind DWD-Werte und keine selbstgemessenen (also: am Ort der Solarzelle gemessen), man kann aber dennoch gut sehen, an welchen tagen es ausreicht, damit das Gerät wieder losläuft.

Auf diesem Thermo-Bild sieht man, warum die beiden Wetterhütten und airrohre, obwohl jeweils so dicht zusammen, während der Heizperiode unterschiedliche Werte anzeigen: ein airrohr sowie eine Wetterhütte ragen senkrecht über die Fensterbank, so daß die aufsteigende warme Luft einen halben Meter weiter höher zuerst diese beiden Meßgeräte erwärmt (die Sonne und die resultierenden Abschattungen machen natürlich ebensolche Effekte):

beidezellen-thermo

@Mosquitsch: Zusätzlich noch zu @roh’s Antwort: wenn Du Dir das datenblatt des CN3801 ansiehst, dann schlagen die dort die Diode D1 vor (diese wurde (bewußt und erlaubtermaßen) weggelassen beim Solar1). Wenn die aber nicht verwendet wird, gibt es bei dunkler Solarzelle einen direkten Strompfad über RCS, L und M1, der die dann höhere Akkuspannung (nachts oder bei Abschattung) an die Solarzelle legt - das will man nicht. Daher die Schottky-Diode.
Zur Auswahl dieser Diode bei Deiner gegebenen Solarzelle: mindestens eine SS14, SB140 oder 1N5819 sollten es sein, besser 1N5822, BYS26, SB240, SB360, MBR340 …
Deren Auswahlkriterien sind neben der Strombemessung (hier min. 1A) und Spannungsfestigkeit (min doppelter Wert der Zelle, also 40V)

  • möglichst kleine Vorwärtsspannung (ist lastabhängig; “forward voltage”, VF oder UF)
  • möglichst kleiner Rückwärtsstrom (“max DC reverse current”; IR)
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@weef super, vielen Dank. wird morgen bestellt! :-)

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Die Technik ist unterschiedlich ( 12V Blei <-> 3.7V LiFePo ), die Problematik ähnlich.
Ich wollte mit robuster Technik ( 20W Solarmodul, China-Solarregler, alte 12V Autobatterie ) über den Winter den FiPy mit nur 1W betreiben. Was im September problemlos lief, endete schon Mitte Oktober mit dem Brownout und der Erkenntniss, irgend etwas ist nicht richtig dimensioniert. Dann folgten meine Laufzeitmessungen wie im Thread beschrieben.
Z.Z. teste ich ein 30W-Solarmodul mit einer 145Wh LiPo-Powerbank. Die Ergebnisse folgen.

Bei der Spannungsmessung mit dem ADS1115 rechne ich nicht viel, sondern messe einfach.
Ich habe 4 ADS1115 mit je 4 Kanälen. 2 x 4 Kanäle haben nur einen Schutzwiderstand von 10 kOhm und messen bis 3.3V am RasPi. 2 x 4 Kanäle haben einen Spannungsteiler von 100 kOhm und 10 kOhm. Die sollten temperaturstabil sein ( Metallfilm ), der genaue Wert ist nicht entscheidend.
Zum Abgleich lege ich eine bekannte Spannung ( 5.00 V von einem Präzisions-SpannungsIC ) an den Eingang und lese den Messwert des AD-Wandlers. Dann kommt der Dreisatz zum Einsatz und ergibt einen Korrekturfaktor. Er ist für jeden Kanal geringfügig unterschiedlich, beinhaltet er doch die Toleranzen der Widerstände. Zum Test gibt man eine variable Spannung mit einem Poti an alle 8 Eingänge. Wenn alle 8 Kanäle das gleiche anzeigen, ist alles gut.
So kann ich 0.000 bis 40.000 V mit einer Auflösung von 1 mV anzeigen und auf 16 Kanälen jede Sekunde aufzeichnen. Das ergibt 12 MByte Daten pro Tag. Genug um einzelne Ausreisser aufzuspüren. Ein normales Multimeter ist auch nicht genauer.

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So. Ich hab mir den Patienten #2 nochmal genau angeschaut:

  1. Ein Trennen/Neuverbinden des Akkus trennte die flackernde RTC-LED und ließ sie wieder flackern. Ein Trennen/Neuverbinden der RTC-Knopfzellen-Batterie (samt parallelem Trennen/Neuverbinden des Akkus) erwirkte einen normalen/nicht-flckaernden Zustand der RTC-LED.

  2. Die WLAN-Credentials (das Setup #2 war im Herbst in nem temp. Setup $woanders) waren falsch.

Kurzfassung: Ick gloob dem Ding schon weiterhin. Weitere Doku folgt. Bestimmt. Bald.

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welche LED auch immer Du meinst… (die RTC hat nur eine, die direkt an Vcc hängt)
Jedenfalls dachte ich zwischenzeilich, daß er eine Aufwachzeit gesetzt bekommen hatte, die logischerweise in der Vergangenheit liegt, und die er wg. Energiemangel nicht parieren konnte und daher binkt… das wäre aber eher was für den Messfrequenz bei Verwendung einer RTC -thread ;)

Aber, hurra, Zelle #2 läuft wieder… wifi credentials, kommt ja kein Mensch drauf!

Das ist schon mehr als nur ein MOSFET, darfste ruhig sagen:
das ist ein NCP380 (bzw. TPS2552), ein integrierter point-of-load switch (oder auch: power distribution switch) mit einstellbarer Strombegrenzung (bis zu 2,1A; Versionen mit festen Strömen oder per Programmier-Widerstand einstellbar) und error flag-Ausgang (für Überstrom-, Übertemperatur- und Verpolungsanzeige) sowie mehrere Schutzfunktionen (zu diesen drei eben genannten noch: under voltage lockout). Dessen eingebauter MOSFET (RDSon von 70 mΩ) ist nur ein highlight, der IC hat außerdem noch einen soft start, soft off und einen natürlich logikkompatiblen Schalteingang (ENABLE). - Dürfte hier auch ruhig etwas häufiger verwendet werden! ;)

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Ja, das ist leider nicht alles. Nachm Hardreset & RTC-Batterie-raus-rein-setzen läuft #2 grad immer 1x wunderbar, aber die RTC kriegt ihren Alarm nicht gebacken. Hab auch schon +/- 3600 Sekunden wegen die Sommerwinterscheiße probiert …