ZACplus Citizen-Science workshop vom 05.07. und 06.07.2024

Ort: OpenEcoLab Rahden

Teilnehmer: 5

Entwicklung eines Hardwarekonzeptes für ein solides Mess-Interface. Dies ist notwendig da eine "freifliegende" Verkabelung mit Krokodilklemmen zuviel Sicherheitsrisiken im Hinblick auf den Elektrolyten beinhaltet (zB. Spritzer u.ä.) und ausserdem die Kabeldurchmesser zu dünn sind um zuverlässige Werte damit messen zu können. Stattdessen sind dickere Aderquerschnitte erforderlich und die Messkabel werden mit 4mm Büschelsteckern (auch "Bananenstecker" genannt) konfektioniert,w as gängigen Mess-Labor Standards entspricht.

Um größtmöglichste Flexibilität zu erhalten, definieren wir ein Modul-System mit einem genormten Rack, ähnlich wie man es zB. vom Eurorack-System für Modular-Synthesizer her kennt. In dem Rack können beliebige Module fest einmontiert werden und über Verbindungen mit kürzeren und längere Messkabeln konfiguriert werden. Das gewährt einerseits einen soliden Aufbau, aber andererseits sind auch Änderungen und Weiterentwicklungen möglich indem man einfach entsprechende Module austauscht oder ergänzt.

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Hardware-Konstrukt A: ein verbessertes Mess-Interface

Diverse Lastwiderstände zur Bestimmung des inneren Widerstandes

Der Innere Widerstand eines Akkus oder einer Batterie ist ein wichtiges Maß für den gesundheitszustand einer Zelle.

Zur Bestimmung gibt es mehrere Möglichkeiten und Methoden, wobei wir hier einen Lastwiderstand verwenden wollen.

Genauer gesagt wäre es schön, wenn wir ein Modul bauen könnten, bei dem mehrere unterschiedliche Lastwiderstände getestet werden können. Wir haben hier 3 Lastwiderstände pro Modul konzipiert, wenn man noch mehr haben möchte kann man entweder noch weitere Module dieser Art bauen oder aber einfach die Lastwiderstände, welche auf dem Modul nicht festgelötet sind sondern nnur in Terminal-Klemmen verschraubt, einfach austauschen.

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  Schaltplan für ein Modul mit 3 Lastwiderständen, welche jeweils durch umstöpseln eines Büschelsteckers adressiert werden können.

In die Blende vom Modul werden diverse Büschelstecker-Buchsen einmontiert, welche wiederum über ein Kabel mit der Modulplatine verlötet sind.

Die Blende kann mittels Laser-Cutter aus 3 bis 4 mm starkem Plexiglas ausgeschnitten werden (oder könnte alternativ auch 3D-gedruckt werden). Die Variante für das Lastwiderstand-Modul hat universellen Charakter und kann auch für diverse andere Module verwendet werden (z.B. für Multiplexer, etc.).

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  Laser-Vorlage für Blende

Bestimmung des inneren Widerstands einer Zelle

Der innere Widerstand R_i ist ein Maß für die Güte bzw. den inneren Zustand bzw. die Alterung einer Batterie

Es gibt mehrere Methoden zur Messung des inneren Widerstandes. Eine direkte Messung wäre zB. theoretisch möglich indem man zunächst die Spannung und dann den Kurzschlussstrom misst. Dieses Verfahren ist allerdings ziemlich brachial und es besteht die Gefahr, dass dadurch das Multimeter zerstört wird. Ausserdem fliessen im Moment des Kurzschlusses gewaltige Mengen an Strom so das sich die Zelle binnen kürzester Zeit entlädt und sich somit der innere Ladungszustand fortlaufend ändert.

Darum wollen wir hier eine Anleitung geben, wie es mit der Messung über einen Lastwiderstand und entsprechenden Berechnungen sicherer und genauer geht.

Dazu ist es sinnvoll, den Unterschied zwischen Klemmenspannung und Leerlaufspannung zu verstehen [1].

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Bucht f. Multimeter od. später automatische Mess-Schaltung

Normalerweise werden die Blendenplatten auf der Vorderseite angebracht, aber man kann sie genausogt auch hinten montieren, so dass im Mess-Gehäuse eine Vertiefung entsteht, die aals Bucht genutzt werden kann um die beiden Multimeter dort sicher einzubetten.

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  Die Blendenplatten sind auf der Unterseite befestigt und bilden somit eine Vertiefung.

Akku-Modul zur Stromversorgung

Hier wird die 5V-Pumpe durch einen gängigen Akkuschrauber-Akku der Marke "Einhell Power X-change" versorgt. Der Akku hat eigentlich 18V, aber der 3D-gedruckte Adapter enthält noch einen DC-Wandler. welcher die benötigten 5V bereitstellt. Das Kabel an der Pumpe endet in einem regulären USB-Stecker.

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  Einhell-Akku mit eigens dafür konstruiertem und 3D-gedrucktem Adapter

Der Akku wäre ohne weiteres imstande, auch das Mess-Interface mit Strom zu versorgen, da sowohl das CYD als auch der Raspberry Pi Zero 5V benötigen.

Allerdings hat sich die Entwicklung hier schon wieder überholt, denn nach dem spontanen Langzeitversuch vom 07.06.24 speilken wir jetzt sozusagen in einer höheren Liga und es hat sich gezeigt, das für solche mehrtägigen Versuche die Akkukapazität nicht ausreichend ist, auch wenn man konzeptuell den Akku ja jederzeit wechseln kann. Aber das muss dann auch geschehen und es kann sein das dem Akku mitten in de Ncht die Puste ausgeht oder man es gar nicht so genau vorher abschätzen kann.

Das bedeutet, die Haupt-Stromversorgung muss hier wohl doch über ein Netzteil erfolgen. Allerdings kann man die Akku-Variante im Hinterkopf behalten, als ideale Lösung für mobile Einsätze die zeitlich eher kurz befristet sind, wie etwa einen Schülerworkshop.

Konzeption automatisches Messinterface für Langzeitversuche

Da während des spontanen Langzeitversuchs vom letzten workshop die Messwerte in einem Zeitraum von 9 Tagen noch von Hand notiert wurden, ergab sich dringend die Notwendigkeit die Messungen zu automatisieren. Hierzu planen wir eine Client-Server Anwendung mit einem CYS (ESP32-Board mit Userinterface) als Client (incl. Monitoring) und einem Raspberry Pi Zero 2W als Database- und Web-Server zur Visualisierung und grafischen Auswertung der Messdaten.

Charakterisierung verschiedener Verbraucher (LEDs, DC-Motor)

To Do ... dieses Modul ist nicht so wichtig für die eigentlichen Workshops, aber nice-to-have für insbesondere die Schülerworkshops, weil sich damit sehr gut demonstrieren lässt wie Verbraucher wie z.B. LEDs oder Elektromotoren von der ZACplus-Zelle gut mit Energie versorgt werden können und dabei auch gleichzeitig ein Gefühl für die Mengen vermittelt wird.

Gleichzeitig wird die frühere Konfigurierung mit Krokodilklemmen ersetzt durch Messkabel mit Büschelstecker, die einfach eingestöpselt werden können und somit zum einen eine größere Sicherheit gewährleisten und zum anderen bessere, d.h. genauere Messungen ermöglichen.

Citizen-Science notes

Beobachtung

Integration von neu hinzu Kommenden: Da unser Format sehr offen ist freuen wir uns natürlich über jeden der bei einem workshop neu hinzukommt. Dabei ergab sich vereinzelt das Problem, das ein neuer Teilnehmer naturgemäß noch nicht den gleichen Wissensstand über das Projekt hatte wie die anderen und legitimerweise Fragen dazu stellte. Die Erläuterungen dazu brauchten eine gewisse Zeit und dann kamen noch weitere Fragen hinzu und ehe man sichs versah entspann sich eine Diskussion, die einerseits recht fruchtbar war, aber andererseits auch dazu führte, das wir einen großen Teil der workshop-Zeit eben mit Diskussion verbrachten und stattdessen unser ursprünglich vorgenommenes Etappenziel für diesen workshop nicht mal ansatzweise erreichen konnten.

Dies wurde von den Teilnehmern unterschiedlich bewertet. Ein Teil fand es i.O. oder sogar gut dass die Möglichkeit bestand, aus gegebenem Anlass auch mal spontan vom Ursprungsplan abzuweichen und sozusagen "die Feste so zu feiern wie sie fallen", während ein anderer Teil eher der Meinung war das man zwar zunächst kurz auf die Fragen eingehen sollte, aber dann sobald sich ein Ausufern abzeichnete sozusagen disziplinarisch durchgreifen und auf die Tagesordnung pochen sollte. Ein weiterer Teil sah das zwar auch so, aber andererseits auch das Problem das man hinterher immer schlauer ist, aber am Anfang noch nicht weiss wohin die Debatte führt, d.h. es stellt sich die Frage, wie und an welchem Punkt man ein "Ausufern" überhaupt konkret festmachen kann.

Literatur und Links

Referenz	Beschreibung
[2]	Ein Video welches livestream-artig die Anfänge der Entwicklung des Interfaces zeigt.