Projekt-Review: Energy Harvesting mit BQ25570 & LiPo (Solar)

Leiname S. schrieb:

ich arbeite gerade an einer stromsparenden, solarbetriebenen Fernbedienung mit einem ESP32-S3-Wroom-1, die über eine Solarzelle (und Akku) versorgt werden soll.

Stromsparend und ESP32 beißt sich. Fernbedienung lässt auf Gebrauch innerhalb von Gebäuden schließen, und das wiederum legt eine sehr, sehr geringe Ausbeute der Solarzelle nah.

Vergiss' die Solarzelle, nimm stattdessen einen größeren Akku.

Und warum ausgerechnet ein ESP32? Willst Du etwa WLAN zur Fernbedienung von irgendwas verwenden?

Harald K. schrieb:

Stromsparend und ESP32 beißt sich. Fernbedienung lässt auf Gebrauch innerhalb von Gebäuden schließen, und das wiederum legt eine sehr, sehr geringe Ausbeute der Solarzelle nah.

Tatsächlich ist hier mein Vorbild die Samsung SolarCell Remote. Die nutzt genau das Prinzip. Ich möchte die Fernbedienung später vielleicht mal in mein SmartHome integrieren.

Leiname S. schrieb:

solarbetriebenen Fernbedienung

Kein Problem: Wenn Du nun ein 400W-Modul anschließt, kannst Du jetzt im Winter 3 Watt ernten. Dann rechne die kurzen Sonnenstunden aus. 3W*3h=9 Wh Die Ernte reicht dann völlig aus, um Deinen ESP bei Sonne zu betreiben. 8-)

Wozu der Multiplexer? Der ESP hat doch genügend I/O frei.

Mein ESP läuft natürlich nicht dauerhaft. Meinen Berechnungen zufolge erntet die Zelle selbst bei nur 1% der Nennleistung(Innenraum) als der Deep Sleep verbraucht. Zudem gibt es ja noch einen Akku der über usb-c aufgeladen werden kann. Nur weiß ich nicht ob meine Schaltung korrekt ist, was der Hauptgrund für diesen Post war. P.s. Meine Berechnungen: Deep Sleep: ca. 15uA -> in 24h 0,36mAh Aktivität(ESP-NOW): Ein Sendevorgang dauert inkl. Wake up ca 200ms bei 100mA sind das nur 0,0055mAh. Tagesbedarf (bei 10 Betätigungen): 0,36mAh + 0,055mAh = ca. 0,42mAh Pro Tag. Mein Solar Modul hat eine Pmax von 500mW. Gehen wir im tiefsten Winter/Innenraum von nur 0,5% Wirkungsgrad aus was schon sehr konservativ ist. Das entspricht einer Ernte-Leistung von 2,5mW. Bei 3,3V am Ausgang des BQ25570 fließen also effektiv 0,75mA Ladestrom in den Akku. Selbst wenn nur 2h am Tag dieses minimale Licht vorhanden ist werden 1,5mAh geerntet. Meine Ernte (1,5mAh) ist selbst unter den miesesten Bedingungen fast 4x so hoch wie der Tagesbedarf von meinem ESP32(0,42mAh).

Danke für den Tipp! Ich fand diese Lösung persönlich einfach schöner. Kannst du evtl, falls du dich damit auskennst, mal über meinen Schaltplan schauen und mir sagen ob alles passt?

Du wirst fast ausgeschlossen auf deine 2.5mW kommen. 0.5% der max Leistung eines Solarmodulen in Innenräumen ist ziemlich weit daneben... Die Leistung ist exponentiell mit der Lichtstärke verknüpft.

Schau dir diese Artikel mal an. Im letzten hat's eine Licht-Leistungs Kurve: https://www.research-collection.ethz.ch/entities/publication/7379b008-72aa-468c-b8c1-05ac7f5404f0 https://www.research-collection.ethz.ch/entities/publication/e63806e8-fcb0-46b1-8b8a-1c695698e4d5 https://arxiv.org/abs/2601.03171

Harald K. schrieb:

Stromsparend und ESP32 beißt sich

Da kann ich nur zustimmen. Es gibt viel sparsamere Controller. Der uralte CD74HC4067M ist vermutlich auch nicht so toll.

USB D- und D+ sind an der Buchse vertauscht!

Leiname S. schrieb:

Kleine PET Solarzelle(Vmp: 5V, Imp: 100mA)

Warum benutzt du einen Boost-Converter wenn die Solar-Spannung bereits höher als die maximale Akkuspannung ist? Der Gag an Boost-Convertern ist ja dass du weniger, dafür größere Zellen nutzen kannst, was u.a. Probleme der Teilabschattung reduziert. Die Diode an der Solarzelle ist auch eher sinnlos.

Ich habe ein Spaßprojekt mit einem MikroE Solar energy click (enthält einen BQ25570), einem Anysolar "KXOB121K04F" Mini-Panel und einem STM32U0 gebaut. Der MCU verbraucht kontinuierlich ca 40µs um ein Segment-LCD mit einer lustigen Animation anzusteuern. An einem Fensterplatz oder direkt unter einer Lampe läuft der damit kontinuierlich. Innerhalb eines Zimmers oder künstlicher Indoor-Beleuchtung geht es aus; hab nur einen Kondensator dran, mit einem Akku reicht das Fenster-Licht vielleicht für Dauerbetrieb.

Leiname S. schrieb:

Gehen wir im tiefsten Winter/Innenraum von nur 0,5% Wirkungsgrad aus was schon sehr konservativ ist.

Bei guter Indoor-Beleuchtung kommen < 5µW aus meinem Panel, das reicht gerade für die tiefen Sleep-Modi der MCU... Das sind 0,005% der Pmax (100mW)!

Ich glaub das Projekt kann schon funktionieren, aber du brauchst

• einen viel effizienteren Controller mit Sleep-Strom deutlich unter 1µA und der mit geringerer Spannung auskommt
• Eine aggressiv auf Stromsparen optimierte Firmware
• ein Solarpanel mit passender Spannung. Eventuell eine einzelne hocheffiziente Triple-Junction-Zelle (ist dann teurer als der gesamte Rest des Projekts)
• Vielleicht auch eine Lithium-Titanat-Batterie statt LiPo

Vielen Dank für das Feedback!

Warum benutzt du einen Boost-Converter wenn die Solar-Spannung bereits höher als die maximale Akkuspannung ist? Der Gag an Boost-Convertern ist ja dass du weniger, dafür größere Zellen nutzen kannst, was u.a. Probleme der Teilabschattung reduziert.

Ich hatte den Chip gewählt weil er für Harvesting beworben wurde. Ich werde das Design wohl Richtung buck-converter oder einfacher Linearer Ladung umplanen.

Ich habe ein Spaßprojekt mit einem MikroE Solar energy click (enthält einen BQ25570), einem Anysolar "KXOB121K04F" Mini-Panel und einem STM32U0 gebaut.

Welchen Wirkungsgrad hast du beim Anypanel-Panel im Innenraum real gemessen? Nutzt du einen speziellen MPPT-Algorithmus oder fest eingestellte 80%?

Da von mir auch mal 1-2 Anmerkungen.

1. Wie von den Kollegen schon gesagt, in Innenraeumen liefern Solarzellen erstaunlich wenig Leistung. Es gibt deshalb sogar extra zellen die darauf optimiert sind. https://na.industrial.panasonic.com/products/sensors/amorphous-silicon-solar-cells/lineup/indoor-solar-cells

Wenn man das nicht glaubt, einfach mal eine beschaffen und ausprobieren.

Danach entwickelt man Bewunderung fuer die Leistung der Kollegen die Solartaschenrechner mit so einem 10x50mm grossen Modul entwickelt haben. :)

2. Der ESP32 mag zwar billig und beliebt sein, aber die Teile sind grottenschlecht wenn es ums Energie sparen geht.

3. Es gibt eine neue aufstrebende interessante IC Firma aus Belgien die mir sehr interessante ICs in dem Bereich herzustellen scheint:

https://e-peas.com

Die versprechen 95% Effizienz bei ihrem Ladeschaltregler mit 100uA Eingangsstrom. Eigentlich denke ich schon seit einiger Zeit ueber eine sinnvolle Anwendung nach um mal mit einem ihrer ICs zu spielen. :-D

Das Problem das ist sehe, wenn man ein Design einmal komplett mit realen Werten durchgerechnet hat, dann kann es am Ende sein das man feststellt das die Schaltung auch mit einer Lithiumzelle jahrelang laufen wird und preiswerter ist.

Vanye

Bei heutigem diffusem Winterlicht habe ich direkt am Fenster (Südseite) gerade 100µW gemessen, also immerhin 0,1% der Nennleistung. Mitten im Zimmer sind es 2µW, weniger als von der Deckenlampe nachts.

Leiname S. schrieb:

Ich werde das Design wohl Richtung buck-converter oder einfacher Linearer Ladung umplanen.

Das machts's auf jeden Fall einfacher. Andere Möglichkeit sind noch Shunt-Regler - die Zelle über eine Diode "direkt" mit dem Akku verbinden, und den Shunt-Regler die Energie verheizen lassen wenn die Spannung über 4,2V steigt.

Leiname S. schrieb:

Welchen Wirkungsgrad hast du beim Anypanel-Panel im Innenraum real gemessen?

Ich hab kein Beleuchtungsmessgerät, kann den Wirkungsgrad daher nicht bestimmen.

Leiname S. schrieb:

Nutzt du einen speziellen MPPT-Algorithmus oder fest eingestellte 80%?

Auf dem mikroE board ist der BQ25570 fix auf 80% gestellt. Bei manchen anderen ähnlichen Chips kann man die Zahl konfigurieren, z.B. auf 90%. Aber alle diese Ultra-Low-Power Energy-Harvesting Chips beherrschen nur diesen simplen Open-Circuit Algorithmus, bei dem regelmäßig die Leerlaufspannung der Zelle gemessen und mit dem Faktor multipliziert wird, um dem MPP zu finden. Bei manchen kann man auch einfach eine fixe MPP-Spannung einstellen, auf die die Zelle dann geregelt wird. Smartere MPPT-Algorithmen findet man nur bei größeren Leistungsklassen - solche Chips haben dann auch um Größenordnungen höheren Eigenverbrauch.

Vanye R. schrieb:

Danach entwickelt man Bewunderung fuer die Leistung der Kollegen die Solartaschenrechner mit so einem 10x50mm grossen Modul entwickelt haben.

Oh ja!! Ich glaub das geht nur weil der Haupt-IC ein ASIC mit festverdrahteter Logik ist welche viel effizienter ist als ein vollwertiger Prozessor, und die Taktrate wahrscheinlich extrem niedrig ist. Dennoch funktionieren Solartaschenrechner ohne Batterie nur bei gutem Licht.

Vanye R. schrieb:

https://e-peas.com

Die versprechen 95% Effizienz bei ihrem Ladeschaltregler mit 100uA Eingangsstrom.

Bei genauerer Betrachtung sind deren ICs auch nicht besser als die der Konkurrenz.

Vanye R. schrieb:

das die Schaltung auch mit einer Lithiumzelle jahrelang laufen wird und preiswerter ist.

So ist es. Diese Energy-Harvesting Konzepte sind meistens nur für Anwendungen wirtschaftlich, bei denen man im Feld gar nicht mehr dran kommt für Batteriewechsel, z.B. IoT-Sensorknoten die irgendwo in der Landschaft sitzen. Und natürlich für Spaßprojekte 🙃

So ist es. Diese Energy-Harvesting Konzepte sind meistens nur für Anwendungen wirtschaftlich, bei denen man im Feld gar nicht mehr dran kommt für Batteriewechsel,

Im Feld ist ja IMHO sowas wie "draussen". Da sind Solarzellen schon brauchbar wie man an Parkautomaten oder Aldi-Gartenlampen sieht.

Es gibt aber auch krasse Anwendungen wo man den Seebeck Effekt nutzt um in sehr kalten und lange dunklen Laendern den Temperaturunterschied von Oel(Pipeline) und Umgebung (-20 bis -40) nutzt um damit ein Messgeraet dauerhaft zu betreiben.

Bloss in einer Wohnung wird es schnell fragwuerdig.

Denkbar waere eine Solarzelle IMHO fuer sowas wie eine IR-FB des TV. Wenn die den ganzen Tag Energie sammelt um dann Abends 10-20Tastendruecke zu erlauben, koennte das gehen und es wuerde keine Batterie mehr auslaufen. Gibt es aber wohl nicht weil eine Batterie preiswerter ist.

Vanye