Die Frage ist,
wo sind die Unterschiede bei Batterien? Wie verhalten sie sich unter bestimmten Bedingungen und vor allem: sind die Alkaline-Teile aus dem Discounter für schlappe 1,59€ pro 8 Stück wirklich schlechter als die kürzlich von mir gekauften Edelteile zu 6,99€ pro 4 Stück? Das ist fast der neunfache (in Worten: neunfache!) Stückpreis. Im Vergleich zu den Zink-Kohle-Zellen (8 für 1€) ist dies sogar fast der Faktor 14. Bisweilen wird man ohnehin von dem Gefühl beschlichen, als zahlender Konsument wo immer es geht, übers Ohr gehauen zu werden. Schau mer mal, ob das auch hier der Fall sein könnte.

Die Messungen laufen.

Nicht ganz knusper?

In der Freizeit Batterien entladen? Bescheuert. So könnte man das sicher sehen und wenn ich darüber nachdenke, kann ich fast zustimmen. Andererseits fallen mir spontan einige Beschäftigungen ein, mit denen auch andere ihre freie Zeit vermeintlich sinnlos verprassen. Rasenballsportarten am 60-Zöller verfolgen zum Beispiel. Oder dabei zusehen, wie andere auf künstlichem Schnee Berge runterrutschen. Jeder wie er möchte und schön, wenn man Begeisterung für das hat, was man macht. Leider wird sich Letzteres wegen des fortschreitenden Klimawandels bald von selbst erledigt haben. Auch wieder nicht gut aber die Hinweise darauf sind eindeutig. Zum Glück entladen sich die Primärzellen im Primärzellenentladelogger über Widerstände quasi von selber und es reicht, beim Zähneputzen ab und an das Blinkmuster der LEDs zu überprüfen, um zu erkennen, wie weit die kleinen Dinger bereits leergelutscht sind. In sofern bleibt dann auch ausreichend Zeit um hier den nächsten Beitrag zu schreiben, für den nächsten Marathon zu trainieren oder eine der inflationär gesendeten Kochsendungen zu gucken.

Wie Knödel essen

Immer schön der Reihe nach. Im vorhergehenden Beitrag hatte ich kurz den Prototyp des Gerätes gezeigt und die grundsätzliche Vorgehensweise dargelegt: eine Primärzelle wird über einen Widerstand kurzgeschlossen, die Spannung dabei abgegriffen und aufgezeichnet. Von der Idee her trivial und gar nicht so schwer, um von einem selber in Hard- und Software umgesetzt zu werden.

Was gelogen ist, sofern man nicht schon im Vorschulalter selber Platinen geätzt und eigene Radios gebaut hat. Ich hatte Freunde, für die trifft das zu. Auf mich allerdings nicht und ich glaube, das ist auch gut so. Mir also bleibt das Internet (das war damals noch nichtmal Science Fiction), diverse Literatur (ja: in Papier! Gebunden und im Buchladen um die Ecke gekauft) und die zeitweise Begeisterung, sich damit auseinandersetzen zu wollen. Eigene Ideen umsetzen. Manchmal scheitern. Weitermachen. Lernen.

Batteriefolterbank #1

Der Prototyp ist, was er ist: ein Prototyp. Funktioniert – zeigt aber gleichzeitig, was besser zu machen ist.

So wurden als Widerstand zum Entladen einfach normale Metallschichtwiderstände mit begrenzter thermischer Belastbarkeit verwendet. Für jede der beiden anzuschließenden Primärzellen drei Stück in Parallelschaltung. Das hat den erwünschten Effekt, dass sich der Strom aufteilen kann muss. Außerdem ist der Gesamtwiderstand niedriger als jeder einzelne der drei nominell gleichen Einzelwiderstände. Physik halt.

Im Prototyp hatte ich drei Stück mit je 33Ohm gewählt, was in der gezeigten Parallelschaltung einen Gesamtwiderstand von 11Ohm ergibt. Die Herleitung sei mir an dieser Stelle erspart. Steht in jedem Physikbuch. Bei angenommenen 1,5V fließt gemäß I=U/R ein Gesamtstrom von etwa 136mA. Das hört sich als anfänglicher Entladestrom doch ganz vernünftig an. Aber vorsicht: ein einzelner der eingesetzten Widerstände verträgt nur bis etwa 0,6W. Das ist die Sache mit Strom x Spannung. Durch jedes der drei Kerlchen fließt zum Glück nur ein Drittel des Gesamtstromes, also etwa 45mA aber es liegt die gesamte Batteriespannung an. Im Neuzustand der Batterie sind das in guter Näherung 1,5V und damit dissipieren ca. 0,07W pro Einzelwiderstand als Wärme auf Nimmerwiedersehen in den Ozean der Entropie. Wieder ein kleiner Beitrag zur Erderwärmung. Aber doch deutlich: zu Beginn der Entladung wird das Widerstandstrio ordentlich warm. Nicht heiß aber doch warm. Das legt sich nach einiger Zeit, wenn die anliegende Spannung nachläßt und damit auch der Strom. Es ist beruhigend, dass es nicht umgekehrt ist. Unschön dabei ist, dass es eine gewisse Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur gibt. Egal wie genau diese Abhängigkeit hier zu beziffern ist, sie hat die Auswirkung, dass der Widerstand während des gesamten Entladevorgangs eben nicht konstant ist.

Erste Messungen

Mit dem Prototyp konnten bereits zahlreiche Entladungskurven bei mehr oder weniger gleichbleibendem Widerstand gewonnen werden. Die Spannungs-Zeit-Verläufe hatte ich schon im Beitrag „Visualisieren hilft“ gezeigt, ohne diese im Detail zu diskutieren.

Was ich auch hier nicht tun werde, weil die ersten Messungen noch mit verschiedenen Unschärfen, wie etwa sich erwärmenden Widerstände, belegt waren. Das wichtigste Ergebnis aber war, dass die Hard- und Software zuverlässig funktionieren. Was auch an den glatten Kurvenverläufen der gezeigten Originaldaten über die relativ langen Zeiträume zu sehen ist.

Messkonzept

Kommen wir zum eigentlichen Messkonzept. Vielleicht wäre ein Begriff wie „Ermittlungskonzept“ etwas besser gewählt, denn für das Ziel, schön glatte Spannungs-Zeit-Verläufe aufzuzeichnen, braucht man zwar einerseits halbwegs verläßliches Equipment, andererseits aber auch ein ebenso halbwegs sinnvoll gewähltes Vorgehen. Da mir kein Labor mit sündhaft teurer Messtechnik zur Verfügung steht, soll ein Arduino (nun, es reicht sein Herz, der ATmega328) mit seiner Möglichkeit, Spannungen von analog auf digital zu wandeln, ausreichen. Dem kommt entgegen, dass wir es mit relativ langsamen Vorgängen zu tun haben und in sofern keine aberwitzigen Samplingraten benötigen: wir haben durchaus Zeit, einzelne Messwerte in aller Ruhe aufzunehmen. Und die zur Verfügung stehende 10bit Auflösung dürfte ausreichend sein. Damit kann die maximale Spannung von (hier) etwa 3,3V in 2^10=1024 Stücke gehackt werden. Das sind Schritte von etwas mehr als 3mV. Klingt gut.
(Übrigens, das wurde mir erst die letzten Tage bewußt, als ich mich wegen eines anderen Projektes etwas intensiver mit dem Raspberry Pi beschäftigte: dort ist von Haus aus gar keine Möglichkeit zur direkten A/D-Wandlung vorgesehen! Dafür werden nochmal separate Module benötigt).
Ausgehend von der vorhandenen Möglichkeit einzelne Messungen vorzunehmen, stellt sich anschließend direkt die Frage, was mit einem aufgenommenen Messwert in der Folge geschehen soll. Zusammen mit der Zeitangabe sofort abspeichern wäre die eine Maßnahme. Das kann man entweder sehr oft nacheinander machen oder eben in gewissen Zeitabständen. Bei den zu beobachtenden Entladevorgängen ist eine sehr große, abgespeicherte Datendichte nicht unbedingt von Vorteil. Führt erstens zu großen Dateien und die Datenpunkte zeigen wahrscheinlich eine relativ große Streuung.
Es hat sich dagegen gut bewährt, durchaus oft zu messen aber nicht jeden Messwert sofort zu speichern, sondern über ein gewisses Intervall von Messungen einen Mittelwert zu bilden und erst diesen zu speichern. Funzt prima und ergibt die gewünscht (ziemlich) glatten Kurven. Im folgenden Blockbild ist die grundsätzliche Abfolge der einzelnen Programmteile mit deren jeweiliger Aufgabe zu sehen:

Blink

Schon wieder eine blinkende LED? Ja – weil das ist schlichtweg die einfachste Möglichkeit, einen Mikrokontroller mit seiner Außenwelt, hier also mit mir selber, komunizieren zu lassen. Keine Spielerei somit. Trotzdem lustig anzuschauen. Man muss sich lediglich einen brauchbaren Code überlegen. Für die Entladestation stellt sich offenkundig die Frage, wie weit denn die Entladung fortgeschritten ist. Es liegt auf der Hand, dies per LED-Geblinke anzeigen zu lassen. Kraft eigener Willkür habe ich verschiedene Spannungsbereiche einem bestimmten Blinkmuster zugeordnet und im Programm umgesetzt. Eigentlich trivial. Und ziemlich effektiv. Seh ich beim Zähneputzen die LED sieben Mal blinken, so weiß ich, der aktuelle Test ist beendet:

Für die Versorgungsbatterien, deren Spannung ebenfalls mitüberwacht wird, gibt es sogar eine eigene LED mit deutlich feiner gestuftem Blinkmuster.

Batteriefolterbank #2

Mittlerweile läuft eine verbesserte Version des Primärzellenentladeloggers. Der wesentliche Unterschied ist die Verwendung von einzelnen Widerständen, die so dimensioniert und aufgebaut sind, dass eine nennenswerte Erwärmung und damit eine deutliche Widerstandsänderung bei den zu erwartenden Entladeströmen weitestgehend ausgeschlossen sein dürfte.

Ausserdem können drei Zellen, wahlweise AA oder AAA, gleichzeitig an je einem eigenen Widerstand entladen werden, so dass ich, unter der Annahme, dass die Widerstände in sehr guter Qualität identisch sind, von einer guten Vergleichbarkeit der drei gleichzeitig ermittelten Entladekurven ausgehen kann, was, bei der Verwendung von drei Zellen aus derselben Packung, zu der legitimen Möglichkeit führt, diese drei Kurven wiederrum zu mitteln um so final zu einer einigermaßen verlässlichen Kurve zu kommen. Immerhin waren die drei Widerstände (je 33Ohm) nicht ganz billig und sind passenderweise gülden eloxiert. Macht echt was her.

Derzeit sind schon einige Messungen im Kasten und ich denke, diese kann ich in Kürze zeigen und diskutieren. Aktuell sind drei der Made-in-USA-AAA-Zellen mit 6,99€ für vier Stück eingespannt. Wir dürfen gespannt sein.