Raspberry Pi mit Sonnenenergie betreiben – Teil 4

In den letzten Teilen dieser Artikelserie um das Thema Raspberry Pi und Sonnenenergie habe ich bereits die Theorie dazu vorgestellt und auch eine mögliche Lösung beschrieben. Im letzten Teil habe ich sogar meine persönliche Lösung vorgestellt. Seit dem Artikel sind nun einige Tage vergangen und ich hatte Zeit, einige Tests durchzuführen. Ich zeige euch nun wie lange mein Raspberry Pi Akku läuft und wie gut diese Lösung ist.

 Raspberry Pi Akku

Der tatsächliche Verbrauch (Raspberry Pi Akku)

In Foren werden offensichtlich einige Mythen rund um den tatsächlichen Stromverbraucht verbreitet und die Herstellerangaben sind wie immer mit Vorsicht zu genießen. Aus diesem Grund will ich mir mit einem einfachen Test selbst ein Bild machen. Dazu habe ich folgende Versuchsanordnung erstellt.

Versuchsanordnung

  1. Test unter voller Last
    Im ersten Test soll herausgefunden werden, wie lange der Raspberry Pi mit einem Akku (mein Raspberry Pi Akku) betrieben läuft. Zusätzlich wird der Raspberry Pi möglichst stark ausgelastet. Ziel ist, herauszufinden wieviel Ampere der Pi unter hoher CPU Auslastung benötigt.
    Zu diesem Zweck habe ich den neuen Akku (EasyAcc 10000mAh PowerBank) voll geladen, den Pi angesteckt und unter voller Last laufen lassen. Mit einem Skript habe ich die Laufzeit protokolliert.
  2. Test unter Leerlauf
    Das Ziel des zweiten Test ist herauszufinden, ob es eine Änderung in der Laufzeit bei geringer bis keiner Last gibt.

Ergebnis

Das Ergebnis ist überraschend! Nach zwei Tagen habe ich nun folgende Werte herausgefunden:

  1. Test unter voller Last
    Laut dem Protokoll wurde der Test am 11.09.2013 um 16:39 Uhr gestartet. Im Log war ersichtlich, dass der letzte Einrag vom 12.09.2013 um 10:03 Uhr stammte. Das bedeutet, der Raspberry Pi ist 17 Stunden und 24 Minuten gelaufen. Bei einer Akkuladung von 10000mAh ergibt das eine benötigte Stromstärke von 571 mA. Bei dieser Rechnung wird angenommen, dass die Spannung konstant 5V war.
  2. Test unter Leerlauf
    Bei diesem Test gab es geringfügig andere Werte. Gestartet wurde am 13.09.2013 um 8:50 Uhr und der letzte Log Eintrag stammte vom 14.09.2013 um 4:05 Uhr. Folglich lief der Raspberry Pi 19 Stunden und 25 Minuten. Wie erwartet länger als im ersten Testlauf, jedoch nur 2 Stunden länger. Mit diesen Werten ergibt sich eine errechnete Stromstärke von 519 mA. Wieder mit den konstanten 5V.

Informationen

Um den Test nachzuvollziehen hier einige Informationen. Der Testaufbau ist im Bild demonstriert. Der Raspberry Pi hängt über USB am Akku und hat lediglich einen Micro WLAN Stick angeschlossen. Dieser wird für eine SSH Verbindung benötigt um folgende Skripts zu starten:

  • Protokollierung
    Um im nachhinein festzustellen, wann dem Raspberry Pi der Strom ausgegangen ist habe ich folgendes kurzes Skript laufen gehabt, welches alle 60 Sekunden die aktuelle Uhrzeit in eine Logdatei schreibt. Die Differenz aus erster und letzter Uhrzeit ist die Laufzeit:
  • Last erzeugen
    Das zweite Skript lief nur in der ersten Versuchsanordnung. Mit diesem Skript wird auf einfache Weise versucht CPU Auslastung zu erzeugen:

Zusammenfassung

Mit diesem Test wollte ich feststellen wie lange der Raspberry Pi läuft, wenn er lediglich mit einem Akku betrieben wird. Diese Information war leider nicht eindeutig im Internet zu finden. Nach zwei Versuchsanordnungen, eine unter voller Last, die andere im Leerlauf, ergab sich ein minimaler unterschied von 2 Stunden. Im Leerlauf war der Raspberry Pi fast 19,5 Stunden online. Das mit einem 10000mAh Raspberry Pi Akku.

Viele Leser werden vermutlich nun enttäuscht sein. Auch mit enttäuscht dieser Wert. Zum einen habe ich es nicht geschafft den Pi mehr als 24 Stunden online zu halten, zum anderen ist der Unterschied zwischen voller Last und Leerlauf kaum nennenswert.

Für eine Solaranlage ergibt sich nun folgendes Bild: sie muss mindestens einmal den Raspberry Pi Akku am Tag komplett laden und nebenbei auch den Raspberry Pi am laufen halten. Es ergibt sich somit folgende Regel: für den Pi der immer 5V benötigt sollte an einem Tag bis zu 20A zur Verfügung stehen. Es ergibt sich somit ein täglicher Stromverbrauch von 5V * 20A = 100 Watt (das ist kein genauer Wert, dieser reicht aber für den Betrieb eines Raspberry Pis).

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25 Antworten

  1. Christoph sagt:

    Hey,
    hm also Deine Rechnung erscheint mir etwas schleierhaft.

    Also wenn man davon ausgeht, dass diese Powerbank auch tatsächlich 10Ah liefert, ( was meist nicht ganz stimmt) dann komme ich mit folgenden Werten auf:

    5V Spannung Akku
    10Ah Kap. Akku
    19,5h Laufzeit

    Stromaufnahme Pi: 512 mAh
    P: 5V * 0,512A = 2,56W
    Macht in 24 h einen Verbrauch von 61W.

    Wären am Tag ca 12A die sich der Pi bei Vollast (3,5W) reinzieht.

    Oder vertue ich mich jetzt irgendwo?

    Gruß
    Christoph

    • Danke für einen Kommentar! Ich bin Programmierer und bin in Elektrotechnik nicht so fit. Aber nach deinem Kommentar zu schließen hast du errechnet, dass der Pi für einen Tag ca. 12 Ah (du hast das h vergessen) Akku Kapazität braucht. Das schaut doch gut aus und passt zu meinem Testergebnis. Oder was genau meinst du mit schleierhaft? Mit einem Messgerät wären die Zahlen natürlich aussagekräftiger. Die 10Ah sind Herstellerangaben und immer mit Vorsicht zu genießen wie du sagst, jedoch bezüglich des Akkus meine einzige fixe Variable.

  2. Che sagt:

    Dass die Auslastung beim Pi nicht viel Unterschied macht und dieser über kein Energiemanagement verfügt ist ja bekannt.
    Interessant wäre es festzustellen ob underclocking / undervolting und das Nutzen der Ethernetschnittstelle anstatt des Wlan Adaptes den Stromverbrauch noch merklich drücken würden.

  3. fg sagt:

    Servus, schaut schon cool aus.
    Gibt’s mittlerweile auch schon Langzeiterfahrung?
    Bin noch am Anfang mit meinem RasPi, aber deine Beschreibung macht Lust, das mal zu testen.

  4. Hallo Werner,

    leider ist Deine Untersuchung nicht vollständig. Kein Akku gibt 5,0 V ab, der verwendete LiPo-Akku hat zwischen 3,7 und 4,2 V. Ohne Schaltregler geht also gar nichts. Damit kannst Du 20% oder mehr der Akkukapazität von 10000 mAh = 10 Ah abschreiben. 10 Ah bedeutet, dass Du 10 A eine Stunde oder 1 A zehn Stunden lang entnehmen kannst. Dies ist natürlich nichtlinear und gilt nur als grobe Näherung. Nun zum Aufladen. Der Akku hat keinen Wirkungsgrad von 100 %, sondern einen solchen von ca. 60%. Dies bedeutet, dass Du 14 Ah in den Akku pumpen musst, um 10 Ah wieder entnehmen zu können, wovon Du dann 8 Ah nutzen kannst. Um den Gesamtüberblick zu haben, ist eine praktische Messung nicht schlecht. Man muss aber die richtigen Schlussfolgerungen ziehen. Ich hoffe, ich konnte die Zusammenhänge etwas aufhellen.

    Beste Grüße
    Gerd

    • Hallo, danke für die Kritik! Diese ist hier immer gern gesehen.
      „Ohne Schaltregler geht also gar nichts“ – ich weiß nicht was du damit meinst. Tatsache ist, dass ich mit dem Akku meinen Pi betreiben kann. Genau wie im Blog beschrieben. Außerdem kann ich diesen mit der auch vorgestellten Solarzelle laden.
      Laut Lithium-Ionen-Akkumulator kann man sehr wohl fast 100% der Akkukapazität nutzen: „Der Coulomb-Wirkungsgrad bzw. die Coulomb-Effizienz beträgt typischerweise annähernd 100 %“. Außerdem scheint der Akku auch einen sehr guten Wirkungsgrad zu haben: „Werden im Verhältnis zur maximalen Strombelastbarkeit des Akkumulators kleine Lade- und Entladeströme verwendet, können auch über 98 % erreicht werden.“ Dies kann ich bestätigen. Denn laut Energieerhaltungssatz müsste Energie ja sonst anderweitig umgesetzt werden und der Akku wird während der Ladephase nicht spürbar wärmer! Vermutlich geht im Netzteil etwas verloren, das ist hier jedoch nicht das Thema.
      Wie dem auch sei. Ich bin kein Elektrotechniker, kann nur das wiedergeben was ich selbst beobachtet habe und das wird durchaus auch durch den Wiki Artikel bestätigt zu werden. Geringfügige Abweichungen von wenigen Prozent (Wirkungsgrad 98%) habe ich der Einfachheit einfach nicht erwähnt.

      • Dr. Gerd Köster sagt:

        Hallo Werner,

        mit dem Ladewirkungsgrad hast Du Recht. Der beträgt in der Tat 90%, da war ich mehr ganz update. Im Prinzip bleibt aber ein Rest der Ladeenergie auf der Strecke. Nun zum Schaltregler. Die Lipo-Akkus haben in der Regel eine Mini- oder Mikro-USB-Buchse als Ladeeingang. Wenn mein Akku aus n-parallel geschalteten Zellen mit einer Gesamtkapazität von 10 Ah besteht, genügen Spannungen im USB-Bereich zur Ladung, die mit einem Spannungsregler je nach Akkutechnologie auf 3,7 – 4,2 V konstant gehalten wird. Problematisch ist hier die unterschiedliche Alterung der Zellen. Nun soll aber der Akku 5 V liefern. Dies geht nur mit einem zusätzlichen Schaltregler, der die Akkuspannung entsprechend anhebt. Dieser sitzt mit im Akkupaket. Sein Störspektrum ist sehr einfach mit einem MW- oder KW-Radio hörbar.

        Beste Grüße
        Gerd

        • Danke für diese Information. Muss ich gleich mal hören ob man das Störspektrum im Babyphon hört.

          • Dr. Gerd Köster sagt:

            Hallo Werner,

            das Babyphon ist ein FM-Gerät. Es arbeitet in der Regel im UHF-Bereich. Es hat im ZF-Verstärker einen Signalbegrenzer zur AM-Störbefreiung, ist also nicht das ideale Gerät um AM-Störspektren im MW + KW Bereich zu hören.

            Beste Grüße
            Gerd

  5. Markus sagt:

    Super Erklärung. Habe in einem Youtube Video gesehen, das man ein 100 Watt Solarpanel braucht um den Pi im Dauerbetrieb zu halten. Glaub ich werd mir mal sowas zulegen zum Bitcoin minen.

  6. Tobi sagt:

    Hey, also ich habe selben Akku im Einsatz und tatsächlich leistet der wirklich nur zwischen 7 und 8Ah.
    Liegt wohl wie schon erwähnt daran, dass zwar die verbauten Zellen die 10Ah schaffen. Diese arbeiten aber nicht mit 5V sondern etwas weniger. Wenn ich jetzt die Spannung durch Regler erhöhe sinkt der verwendbare Strom bzw die Kapazität.
    Also braucht dein RPI doch deutlich weniger Strom als du denkst…

  7. thumbs sagt:

    Wie weit kommt man mit einem modul der diese Daten hat:
    Nennleistung 10 W
    Spannung bei Nennleistung 18 V-
    Strom bei Nennleistung 560 mA

    Kann man damit ein Raspberry betreiben? Im sommer? Und wenn man 2 solcher Panele benutzt?

  8. Ich habe diesen Beitrag durch Zufall gefunden und möchte meine Erfahrungen kurz dazu wiedergeben, da ich selbst einen Raspberry Pi mit einem Solarpanel betreibe. Allerdings nur nebenbei, da die Anlage meinen Wärmetauscher und die Wasserpumpe zur Heizungsunterstützung versorgt. Zusätzlich hängt noch die LED-Aussenbeleuchtung meines Hauses am 12V Netz. Das ist möglich, weil der Wärmetauscher logischerweise nicht in der Nacht läuft, mein 120 Watt Solarpanel jedoch (unerwartet)soviel Strom liefert, dass das ohne Probleme auch im Winter möglich war. Der RasPi soll irgendwann mal die Steuerung übernehmen, um das alles noch effizienter zu gestalten.

  9. Roi Waters sagt:

    Hallo Werner,
    die Kapaziät der Batterypacks bezieht sich üblicher weise auf die Kapaziät des verbauten Akkus und nicht auf die bei 5 Volt zur Verfügung stehenden Kapaziät, wie man leicht annehmen könnten. Daraus ergeben sich etwas andere Werte für den Stromverbrauch.
    Der Akku bietet 10.000mAh bei ca 3,6 bis 3,7 Volt. Wenn wir jetzt 3,7V und 90% Wirkungsgrad des Spannungswandler im Batterypack annehmen, liefert dieses bei 5V dann ca. 6.660mAh.

    Typischerweise hat ein neuer Akku nach einigen wenigen Ladezylen eine etwas höhere Kapaziät und verliert sie nach einigen 100 Ladezyklen immer mehr von seiner ursprünglichen Kapazität, so das die obengenannten 7-8 Ah des Batterypack, bei 12Ah Kapaztät des neuen Akkus durchaus realistisch sind.

    Für deine Messung unter Vollast bedeuted das, der Rasperry hat über die 17,4h (17h 24m) ca. 385mA gezogen, was einer Leistungsaufnahme von 1,9 bis 2 Watt entspräche. In Deiner Versuchsanordnung ist laut Bild ja nur die Stromversorgung und der WLAN-Adapter angeschlossen. Dies entpricht auch in etwa auch den Messungen von Anderen mit Leistungen von 2,1-2,3 Watt in der Bootphase.

    Die üblicherweise genannten 3,5 Watt maximale Leistungsaufnahme des Raspberry Pi (sprich 700mA) beziehen sich auf die Stromversorgung incl. Ethernet, Video, Lautsprecher und USB-Komponenten wie Tastatur, Maus, WLAN etc.

    Roi

  10. Ralf B. sagt:

    Ersetz den NCP1117-3V3 im RPi durch einen StepDown- Converter, damit kannst du rund 1W Leistungsaufnahme sparen. Das macht dann ne ganze Menge aus.

    Bei 700mA Stromaufnahme verheizt der Linearregler rund 1,2W…..

  11. Johannes sagt:

    Hallo Werner,
    wie lange dauert es ungefähr den PowerBank Stützakku über das Solar-Panel aufzuladen? Kann man den Raspberry über den Stützakku betreiben und parallel den Stützakku über den Solar-Panel laden?
    Mich würde auch interessieren, ob du mittlerweile weitere Tests gemacht hast?
    Viele Grüße,
    Johannes

    • Der Akku braucht sicher 2 Wochen um im Hochsommer voll aufgeladen zu werden. Das kleine Solarpanel ist leider zu schwach um damit einen 24 Stunden Betrieb zu realisieren. Laut Hersteller hat es ja nur 7 Watt. Theoretisch würde es gehen. Für den sicheren Betrieb wäre jedoch ein Blei Akku besser und wie von mir in der Artikelserie beschrieben ein leistungsfähiges Solarpanel.

      • hendrik sagt:

        Moin,
        Ich muss da sThema nochmal aufgreifen.. Hatte gerade mein PI über ne Powerbank angeschlosschen und an den Ladeeingang der Powerbank ein Solarpanel. Leider war diese Pufferlösung so nicht möglich da meine Powerbank nur entladen bzw. Laden kann… War das mit deinem Aufbau möglich? oder müsste ich für den Ladevorgang der Powerbank den PI mit einer Alternativen Sormquelle betreiben?

        Vielen Dnak und schönen Gruß
        Hendrik

        • Hallo Hendrik, ja die handelsüblichen Powerbanks können das leider nicht. Da kommt man nicht herum selbst zu basteln.

          • maTTes sagt:

            Also ein Laden und Entladen bei Bleiakkus würde funktionieren?
            Bzw. ein stabiles Betreiben des raspi und bei „zu viel Erzeugnis“ wird das Akku geladen.
            Kenne mich da elektrotechnisch echt null aus 🙁

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