Was muss ich wissen, um mit Batterien zu arbeiten?

Welchen Spannungsbereich kann es akzeptieren? Welche Art von Batterien sind geeignet?

Standard USB verwendet 5V und das Model B Pi soll 700mA benötigen. Entnommen aus den Raspberry Pi FAQs :

Das Gerät sollte mit 4 x AA-Zellen gut funktionieren.

Wenn Sie 1,5-V-Alkalibatterien verwenden, ist die Platine überversorgt. Wie bei den meisten SoC-basierten Computern sollten Sie NiMH-Akkus verwenden, da diese durchschnittlich 1,25 V liefern. Dies würde Ihr Board auf einer sicheren, kontrollierten Spannung von 5 V belassen. Der Pi zieht die richtige Menge an Ampere aus den Batterien, sodass Sie sich dort keine Sorgen machen müssen.

Hier ist ein Vergleich verschiedener billiger Optionen für die Batterieleistung, die alle den Pi innerhalb seiner Spezifikationen versorgen: Ausführen eines Himbeer-Pi aus Batterien [Dieser Link ist tatsächlich tot - und das Durchsuchen der Domäne nach "Himbeerbatterien" schlägt fehl - aber Pikamander2 schlug das unten als edit vor, das angeblich den originalen inhalt enthält (??). Hoffentlich kann dies als gemeinfrei angesehen werden. -> Goldlöckchen]

Einschließlich Inhalt unten:

Betrieb eines Raspberry Pi aus Batterien

Eine der wesentlichen Eigenschaften eines mobilen, auf Raspberry Pi basierenden Roboters ist, dass er mit Batteriestrom betrieben werden muss - das Herumschleppen eines Netzkabels ist wenig sinnvoll.

Das Problem ist, dass der Pi eine nennenswerte Strommenge aufnimmt (z. B. 500 mA, abhängig von der Aktivität und den angeschlossenen Peripheriegeräten) und einen ziemlich engen Eingangsspannungsbereich benötigt (5 V +/- 0,25 V oder so). Da die Batteriespannung je nach Ladezustand sehr unterschiedlich ist, ist es nicht sinnvoll, direkt mit einer Batterie zu arbeiten.

Also habe ich verschiedene Optionen zum Umwandeln von Standardbatteriespannungen in eine für den Pi geeignete Option untersucht.

Verwendung eines Linearreglers

Der traditionelle Ansatz, als ich vor ungefähr 30 Jahren zum ersten Mal an Elektronik bastelte, bestand darin, genügend Batterien zusammenzustellen, um eine deutlich höhere Spannung als 5 V zu erhalten (z. B. 4x nicht wiederaufladbare AA für 6 V oder 6x wiederaufladbare AA für 7,2 V) V) und dann durch einen Linearregler (z. B. IC der Serie 7805) laufen lassen, um konstante 5 V zu erhalten.

Bei diesem Ansatz gibt es zwei Hauptprobleme.

1. Linearregler sind ineffizient und verbrennen die Überspannung effektiv als Wärme. Das bedeutet, dass Sie nur die Batterielebensdauer verschwenden und diese Wärme wahrscheinlich auch über einen Kühlkörper abführen müssen.
2. Der Pi verbraucht ziemlich viel Strom, so dass er einen ziemlich großen Regler zusammen mit einem großen Kühlkörper benötigt.

Glücklicherweise gibt es heutzutage viel bessere Ansätze in Form von Schaltreglern, die auch bei hohen Strömen viel effizienter sind.

Verwendung eines RC-Modells UBEC

Anständige funkgesteuerte Modelle, insbesondere Flugzeuge, benötigen häufig eine effiziente Stromversorgung mit stabiler Spannung, die mit einer kleinen, leichten Batterie betrieben wird. Der Standardansatz hierfür ist die Verwendung eines Akkus, der über ein als UBEC (Ultimate Battery Eliminator Circuit) bekanntes Gerät verbunden ist, das eine höhere Spannung als die erforderliche Ausgangsspannung aufnimmt und diese sehr effizient herunterwandelt. Während ein linearer Regler, der 500mA-Ausgang von einem 6V-Eingang speist, 500mA verbraucht (was zu einer Leistungsverschwendung von (6-5) x0,5 = 0,5W führt), muss ein UBEC nicht die vollen 500mA aus der Eingangsbatterie ziehen und so verschwendet sehr wenig Strom.

Da UBECs so häufig für RC-Modelle verwendet werden, können Sie sie sehr billig abholen und sie können im Allgemeinen mit einigen ziemlich hohen Strömen umgehen. Zum Beispiel habe ich bei eBay ein 4A-Modell für ca. 1,50 € inkl. Porto gefunden.

Der Nachteil ist, dass Sie mehr Eingangsspannung als die gewünschte Ausgangsspannung bereitstellen müssen, was bedeutet, dass Sie möglicherweise viele Zellen im Akkupack benötigen. Dies ist jedoch eine sehr kostengünstige Option und funktioniert gut.

Verwendung eines DC-DC-Wandlers

Wenn Gewicht Priorität hat, ist es wichtig, die Anzahl der Batteriezellen auf ein Minimum zu beschränken. Glücklicherweise gibt es ein Gerät namens DC-DC-Wandler, das ähnlich wie ein UBEC funktioniert, jedoch mit einer Eingangsspannung arbeitet, die niedriger als die erforderliche Ausgangsspannung ist. Diese sind in der Regel auch sehr klein.

Als ich noch einmal bei eBay nachschaute, fand ich einige wirklich schöne, darunter eine USB-A-Buchse. Dies bedeutet, dass Sie dasselbe USB-Kabel verwenden können, das Sie wahrscheinlich für die Stromversorgung Ihres Raspberry Pi verwenden, ohne Änderungen vornehmen zu müssen. Der Preis hier war ungefähr £ 2.50, mit freiem Porto. Die Eingangsspannung beträgt 3-5V (ideal für 3x wiederaufladbare AA), und der Ausgangsstrom beträgt bis zu 1A, was ausreichend sein sollte.

Verwendung eines integrierten Batteriekastens

Schließlich gibt es verschiedene Lösungen, die wiederaufladbare Batterien und einen DC-DC-Wandler in einem speziellen Gehäuse verwenden. Diese können sehr schön sein, da sie keine spezielle Montage (z. B. Löten) erfordern - einige haben sogar die Batterien bereits eingebaut. Die Option, die ich gewählt habe, verwendet Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Kapazität (18650) (z. B. diese für etwa 10 GBP) ein Paar von eBay) und kostet ca. £ 8 inklusive Porto. Es kann bis zu 2,5 A liefern, was mehr als genug ist, und verfügt über eine integrierte USB-B-Buchse zum einfachen Anschließen sowie eine praktische USB-miniA-Buchse zum einfachen Aufladen. Ein weiteres nettes Merkmal dieser Art von Box ist, dass Sie je nach benötigter Akkulaufzeit zwischen 1 und 4 Zellen einsetzen können.

Ein Nachteil ist, dass diese Kästen ziemlich groß sein können. Die von mir gewählte Größe entspricht in etwa der Schachtel, in der mein Pi von Farnell geliefert wurde.

Wenn Sie sich für die 18650-Option entscheiden, lohnt es sich, sorgfältig zu stöbern. Einige Marken, insbesondere Ultrafire, haben einen schlechten Ruf für Qualität und scheinen ihre Nennkapazitäten nicht zu erfüllen. Diese Batterietypen können bei unsachgemäßer Verwendung auch Feuer oder Explosionen auslösen. Daher sollten Sie sehr vorsichtig mit ihnen umgehen und sicherstellen, dass Sie keine zweifelhafte Marke verwenden.

Berechnung der Batterielebensdauer

Ich habe noch keine Angaben zur Akkulaufzeit für eine dieser Optionen experimentell überprüft, obwohl ich getestet habe, dass mein Pi von jeder dieser Optionen problemlos ausgeführt werden kann (mit Ausnahme der UBEC).

Bei der Berechnung der theoretischen Batterielebensdauer können Sie die auf der Batterie aufgedruckten Milliamperestunden (mAh) nicht einfach angeben, da Sie Spannungen umwandeln. Die Umrechnung in Wattstunden ist am einfachsten. Dabei wird die Spannung mit der mAh-Zahl multipliziert. Das RasPi benötigt ca. 500 mA bei 5 V, was 0,5 x 5 = 2,5 Watt entspricht. Unter der Annahme eines perfekten Wirkungsgrades des Konverters (normalerweise mindestens 90%) kann eine 1,5-V-AA-Zelle mit einer Kapazität von 1000 mAh 1,5 Wh liefern, dh einen RasPi für ca. 1,5 / 2,5 = 0,6 Stunden (oder 36 Minuten) betreiben ) allein. Bei einem Switched-Mode-Konverter (dh einer der letzten drei Optionen) spielt es keine Rolle, ob Sie mehrere Zellen in Reihe oder parallel schalten - in jedem Fall multiplizieren Sie die verfügbare Kapazität grob mit der Anzahl der Zellen benutzt.

Hier finden Sie einen einfachen Vergleich der oben aufgeführten Optionen. Ich hoffe, es hilft Ihnen dabei, eine geeignete Batterielösung für Ihr Pi-Projekt zu finden.

Ladezustand überwachen

Wenn Sie mit Batterien arbeiten, sollten Sie versuchen, den aktuellen Ladezustand zu überwachen, damit Sie die verbleibende Batterielebensdauer abschätzen können. Sie können dies tun, indem Sie die Spannung an der Batterie beobachten - diese sinkt, wenn sich die Batterie entlädt. Abgesehen davon, dass nichtlineare Entladungskurven zugelassen werden (jeder Zelltyp verhält sich anders und hat einen anderen Spannungsbereich), gibt es zwei Hauptschwierigkeiten, wenn ein Pi von einem Spannungswandler betrieben wird.

1. Die Eingangsspannung am Pi wird konstruktionsbedingt immer konstant 5 V betragen. Sie müssen also Drähte von der Eingangsbatterie an Ihre Ladungsüberwachungsschaltung anschließen, anstatt die Spannung am Eingang des Pi messen zu können. Bei integrierten Batteriekästen müssen hierfür einige Löcher in den Kasten gebohrt werden, um auf die Batterie zugreifen zu können.
2. Da im Pi kein Analog-Digital-Wandler eingebaut ist, können Sie die Spannung nicht direkt mit dem Pi messen. Sie können kleine, billige, eigenständige ADC-Chips erhalten, die über die GPIO-Pins des Pi (z. B. über I2C) zugänglich sind. Dies ist wahrscheinlich die billigste Option. Persönlich habe ich eine Menge ATTiny85-Mikrocontroller herumliegen (im Wesentlichen ein Mini-Arduino), und ich werde wahrscheinlich einen davon verwenden, um die analoge Spannung zu messen, mit Hilfe von Software auf dem ATTiny in eine prozentuale Restanzeige umzuwandeln, und dann Kommunizieren Sie diesen Pegel über I2C mit dem Pi.

Leider kann man den Pi nicht nur über die Software ordnungsgemäß ausschalten, daher gibt es auch ein potenzielles Miniprojekt, um einen softwaresteuerbaren, selbsthaltenden Ausschalter bereitzustellen. Persönlich erwarte ich, nur den manuellen Aus-Schalter zu verwenden, der in den Batteriekasten eingebaut ist. Wenn Sie Li 18650-Zellen verwenden, lohnt es sich, den geschützten Typ zu verwenden, da dieser bei niedrigen Spannungen automatisch abschaltet.

Ich habe dieses batteriebetriebene USB-Handy-Ladegerät und ein paar Lithium-18650- Batterien. Es hat einen ziemlich guten Job gemacht und lief 5,5 Stunden im Leerlauf und über 4 Stunden beim Ausführen einer Quake 3-Demo-Schleife. Über meine Testmethodik können Sie hier lesen . Diese 18650-Lithim-Batterien funktionieren hervorragend, da sie eine ausreichende Spannung aufweisen, sodass nur 2 Batterien problemlos funktionieren, und sie sind auch wiederaufladbar. Sie bieten auch einiges an Leistung und ermöglichen es Ihnen, den Pi auch unter Volllast viele Stunden lang zu verwenden. Ich würde denken, dass diese Batterien eine gute Wahl für jeden sein würden, der seinen Raspberry Pi mit Batterien betreiben möchte.

Es ist nicht ratsam, das RPi mit Batterien zu betreiben, da es für die Stromversorgung über USB ausgelegt ist. USB-Stromversorgung ist geregelt und genau 5V. Die meisten USB-Anschlüsse können ~ 500 mA liefern, während die meisten USB-Ladegeräte für die Versorgung von 1A ausgelegt sind. Das RPi benötigt eine Mindestversorgung von 700 mA, da es sonst möglicherweise nicht ordnungsgemäß bootet.

Es ist ratsam, stattdessen ein akkubetriebenes USB-Notfalltelefon-Ladegerät zu verwenden oder auf ein LiPo-Schild zu warten, das zweifellos entwickelt wird.

http://elinux.org/R-Pi_Troubleshooter#Troubleshooter_power_problems legt nahe, dass die Spannung zwischen 4,75 und 5,25 V liegen muss, was bedeutet, dass 4 NiMh-Batterien mit jeweils 1,2 V 4,8 V in Reichweite sein sollten. Voll aufgeladene NiMH-Akkus können jedoch bis zu 1,4 V * 4 = 5,6 V liefern, was weit über dem Maximum liegt. Wenn Sie Ihre Batterien testen und feststellen, dass sie bei voller Ladung nur 1,3 V erreichen, sollten sie in Ordnung sein. Die beste Lösung ist wahrscheinlich, einen schaltenden DC-DC-Wandler zu verwenden, um alles, was Ihre Batterien verbrauchen, auf 5 V umzustellen.

Folgendes habe ich getan und es scheint gut zu funktionieren: Sie benötigen einen 8xAA-Akku mit einem 9-V-Akku-ähnlichen Stromanschluss. Ein 2Amp USB-Autoadapter Optional - Ein Stecker zum Einstecken in den Autoadapter, ansonsten nehmen Sie den Adapter einfach auseinander.

Löten Sie den mittleren Stift des Autoadapters auf das Plus des Akkus oder, falls Sie das Kabel verwendet haben, auf das entsprechende Kabel. Und löten Sie das Negativ an der Außenseite des Adapters

Ich habe dann 8xAA 2500mAh wiederaufladbares NiMH für insgesamt 24wH's bekommen. Dies sollte für eine Weile gut sein.

Ich messe eine stabile 5.08V auf dem USB-Stecker vom Adapter. Dies hängt von der Qualität des Produkts ab, das Sie kaufen / haben. Ich habe einen Rayovac-Adapter verwendet.

Die Batterien werden ungefähr 10-11 V vor dem Adapter entladen.

Der Pi benötigt 5 V, wenn nicht etwas mehr. Der Adafruit-Adapter ist 5,25V

http://elinux.org/RPi_5V_PSU_construction ist auch hilfreich.

Ich habe auch den Stromverbrauch des Akkus gemessen, als er 10 V bei 0,54 A betrug. Das Gerät hatte einen Hub, Logitech Quickcam 9000, Netgear N150 und einen USB2Serial-Adapter, und die CPU lag bei 70-100%. Im Leerlauf war es 0,38A. Beim Ausschalten wurden 0,14 A gemessen. Mit nur dem Pi lief es bei 0.24A im Leerlauf. Unter einer Last von 900 MHz wurden nur 0,27 A verwendet. Wenn sich das Gerät im Leerlauf befindet, wird es auf 250 MHz heruntergetaktet. Es sieht nicht so aus, als ob die Taktrate einen großen Unterschied macht oder die CPU-Auslastung.

Also sollte ich bei 5 W mit allen Geräten ungefähr 4 bis 5 Stunden Zeit haben, geben oder nehmen, aber 8 bis 9 Stunden nur mit dem Pi und dem Ethernet.

Ich benutze Rpi mit billigen DC-DC-Wandler . Wird mit Airsoft-Batterien und RC-Modellbatterien (7,2 V und 11,8 V) verwendet. Funktioniert wie ein Zauber. Sehen Sie aus, als ob meine 5000-mAh-11,6-V-Batterie sie tagelang mit Strom versorgen kann.

Seien Sie einfach vorsichtig, um es vor der Verwendung zu konfigurieren. Ich teste es mit jeder neuen Batterie, bevor ich mich mit Rpi verbinde.

Ich sehe mindestens 2 Punkte zu beachten.

1. Wirkungsgrad des Leistungsreglers

Wenn Sie Battteries verwenden, sorgen Sie sich wahrscheinlich um den Stromverbrauch Ihres Rpi. Rpi verwendet einen ineffizienten Linearregler (die typische Leistungseffizienz liegt bei 30-50%. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob es sich um einen Rpi-Lin. -Regler handelt!). Der Linearregler leitet Energie als Wärme ab, um die gewünschte Spannungsschiene, dh 3,3 V, zu erhalten. Die allgemeine Regel für die Übersetzung von Stromleitungen, z. B. USB @ 5V -> [email protected], lautet: Je größer die Eingangsspannung ist, desto größer ist die Verlustleistung am Regler bei gleichen Arbeitsbedingungen. Auf der anderen Seite bietet der Schwenkregler einen höheren Wirkungsgrad, typ. 80-85%, sogar bis zu 97% ( LM2651 ). Und es ist besser geeignet (aber auch teurer!), Wenn Sie einen größeren Spannungsabfall benötigen, z. B. 12 V oder 24 V bis 5 V des Akkus.

Im Internet finden Sie zahlreiche Tutorials, mit denen Sie den ursprünglichen RPI-Regler ersetzen können .

2. Batterietyp

Sie können Ihr eigenes Batterie-Array mit LiPo-Batterien zusammenstellen, um es an Ihr Projekt anzupassen. Anschließend können Sie Abmessungen, Kapazität, min. Spannungs- und Stromspezifikationen usw. Sie können verschiedene Arten von LiPoly auf häufig verwendeten E-Märkten wie eBay oder ähnlichen kaufen. Neben der Kapazität sollten Sie auf max. und Standard-Entladestrom (erforderlich bei Verwendung von Hochleistungsgeräten mit Raspberry-ähnlichen UMTS-Modems), Lebensdauer (normalerweise 200-1000 für billiges LiPoly) und Sicherheits- und Schutzspezifikationen ( Entladung, Kurzschluss, Überspannung, Unterspannung usw. ). Ich habe in vielen Projekten LiPoly-Akkus verwendet, da diese im Verhältnis zu Preis und Verfügbarkeit gut sind .

Weitere Informationen zu LiPoly finden Sie in RC-Foren .

Dies ist ein recht teures USB-Akkupack, aber es ist sehr vielseitig, und Sie werden mehrere Verwendungszwecke finden, abgesehen von einem Batterie-Backup für Ihr Pi.

http://www.adafruit.com/products/962

Dies ist wahrscheinlich falsch, aber haben Sie versucht, 2 Batterien zu entnehmen, dann das Kabel abzutrennen und es an 4 Batterien anzuschließen.