Zinc-Air Cell Meter (ZACmeter)

Das ZACmeter - Messung der Kapazität und Entlade-Charakteristik

Das ZACmeter ist ein Teilprojekt der Zn/O-Brennstoffzelle.

Ergänzend zum Testsystem wird auch ein Mess-System benötigt, mit welchem sich die Kapazität genau bestimmen lässt und z.B. Entladungskurven aufzeichnen lassen.

Hardware

Mainboard

Das ZACmeter wurde zunächst getestet auf einem als Arduino konfigurierten AVR-NetIO-Board, sowie einem originalen Arduino-Mega, aber jeder andere Arduino dürfte genausogut funktionieren.

Das AVR-NetIO Board bietet allerdings zwei Vorteile:

1. es kostet nur 20,- EUR (als Bausatz, bei Pollin, ist dort aber auch für 27,- EUR fertig gelötet erhältlich)

2. es beinhaltet bereits ein Ethernet-Interface zur Datenübertragung, bei einem Originalen Arduino benötigt man noch ein Ethernet-Shield (für rund 20,- EUR) oder muss halt die Daten sonstwie übertragen, zb. per serieller Schnittstelle.

• Der Gesamtaufbau
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  Der gesamte Aufbau: Vom AVR-NetIO-Board ist nicht viel zu sehen, es befindet sich unterhalb der Platine mit dem LCD und der Tastatur (welche sonst anderen Zwecken dient, aber hier der Bequemlichkeit halber zum Einsatz kam). Rechts im Bild das Mess-Interface sowie ein Batterienhalter als Spannungsquelle für erste Tests

Mess-Interface

Das Messinterface besteht aus einem kleinen Stück Lochrasterplatine, zwei Anreihklemmen, einem Lastwiderstand (z.B. 1.5 Ohm), sowie einem Mosfet. Hier wurde ein BUZ11 verwendet, empfehlenswerter wäre allerdings ein logic level type mit niedrigerer Ugs, wie zB. der IRFZ44N.

Aufgrund der Anreihklemmen ist der Lastwiderstand variabel austauschbar gegen andere Größen und auch verschiedene Spannungsquellen können flexibel angeklemmt werden.

• Schaltplan Mess-Interface
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  Der Schaltplan. Am Arduino werden zwei analoge Eingänge sowie ein digitaler Ausgang benötigt und GND.

• Hardware Mess-Interface
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  Das Mess-Interface von oben

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  Das Mess-Interface von unten. Die Verdrahtung wurde einfach mit etwas Lötzinn realisiert.

Software

Im Falle des AVR-NetIO wird als Erweiterung der Arduino-IDE 1.0.1 die Anpaasungssoftware "AVR-Netino" benötigt (einfach in die entsprechenden Verzeichnisse der Arduino-IDE kopieren und dann kann man das NetIO als Arduino benutzen). Erhältlich unter:[1]

Das ZACmeter-Anwendungsprogram (download Github-Repository ) selbst kann in der Arduino-IDE dann bearbeitet und in den Arduino hochgeladen werden.

Die Software arbeitet wie folgt:

Zunächst wird in einer Dauerschleife einfach nur die Batteriespannung gemessen und auf dem LCD angezeigt.

• Messung der Leerlaufspannung
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  Zunächst wird nur die Leerlaufspannung angezeigt.

Auf einen Tastendruck hin wird über einen digitalen Ausgang vom Arduino der Mosfet durchgeschaltet und somit der Entladungsvorgang über den Lastwiderstand gestartet.

Über die beiden Analogeingänge wird nun die Klemmspannung über dem Lastwiderstand (abzüglich der minimalen Spannung über dem Mosfet-Widerstand zwischen Drain und Source) gemessen und daraus die Stromstärke (in mA) bestimmt. Der Messvorgang wird in einem Intervall von zwei Sekunden wiederholt und die jeweils ermittelte Strommenge (oder Leistungsmenge) für diesen Zeitraum aufaddiert zur Gesamt-Kapazität in mAh oder Gesamt-Leistunng in mWh.

Dieses erfolgt solange bis entweder die zu testende Spannungsquelle komplett entladen ist (Tiefentladung) oder aber, im Falle das man den Akku gerne noch weiter verwenden möchte, solange bis eine vorgegbene Entlade-Endspannung erreicht ist (bei einem NimH Akku beträgt diese beispielsweise 0.95V). Danach wird der Mosfet wieder geöffnet und damit die Entladung unterbrochen und es wird wieder wie zu Beginn die Leerlaufspannung gemssen bzw. angezeigt.

• Messung des Entladestroms
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  Der Entladevorgang, mit Anzeige der Spannung, des fliessenden Stroms, der bislang aufaddierten Kapazität sowie der bisherigen Zeit bzw. Entladungsdauer.

Die jeweiligen Messwerte werden zum einen auf dem LCD angezeigt, zum anderen aber auch auf einem im Programm enthaltenen (und quasi parallel mitlaufenden) "Minimal-Webserver" angezeigt.

D.h., sobald über das Ethernet-Interface und somit über das angeschlossene LAN eine Anfrage per Webbrowser erfolgt, wird eine dynamisch generierte Webseite mit den Messwerten ausgegeben. Somit lassen sich die Messwerte recht einfach über das Lan z.B. von einem Desktop-PC aus mitloggen. Im vorliegenden Fall wird dazu ein per Crontab minütlich aufgerufenes Script getriggert, welches per wget die Messwerte vom Arduino abholt und in einer lokalen Datenbank (hier kommt eine Ring-Datenbank namens "rrdtool" zum Einsatz) ablegt. Alle 2 Minuten wird daraus dann die Kurvengrafik erstellt, welche in einer lokalen Webseite eigebunden ist, die sich mittels <meta http-equiv='refresh' content='4'> alle 4 Minuten wieder selbst aufruft und refresht, man kann also sehr schön und bequem den Verlauf der Messung und die Aufzeichnung der Messkurve vom lokalen Desktop-Rechner im Webbrowser beobachten.

Natürlich geht es auch einfacher, indem man an den Arduino eine SD-Karte anklemmt und die Messwerte dort fortlaufend in einer Datei einträgt, aus welcher wiederum später manuell die Kurvengrafik erzeugt werden kann. Aber eine Live-Messung via Lan ist natürlich etwas komfortabler.

Vergleichs-Tests an kommerziellen Batterien

• Messung einer Batterie
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  Zum testen des ZACmeters wurde hier die Entladungskurve einer Batterie "TopCraft Ultra" aufgezeichnet - und zwar bis zum bitteren Ende (da die Batterie eh anschliessend entsorgt wird), man sieht sehr schön, wie nach 104 Minuten die Spannung plötzlich drastisch bis auf 0.18V einbricht und der Stromfluss von vorher rund 600 mA auf 50 mA sinkt. Erreicht bzw. entladen wurden in dieser Zeit 1041 mWh.

Hier noch eine Testmessung, diesmal an einem NiMh-Akku.

• Messung eines NiMh-Akkus
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  Test eines Marken-Akkus "Varta Longlife Accu". Damit der Akku nicht dauerhaft geschädigt wird, wurde hier die Entladung bei einer Entlade-Endspanung von 0.95 V gestoppt und anschliessend wieder auf Leerlaufspannung gesetzt. Bis dahin wurde binnen 48 Minuten eine Leistung von 508 mWh entnommen.

Vergleichs-Test mit dem Kathodentester

• Messung des ZAC Kathodentesters
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  Hier die Charakterisierung bzw. Messkurve unseres Kathodentesters, d.h., gemessen unter genau den gleichen Bedingungen wie bei Batterie und dem NiMH-Akku. Genau wie beim Akku wurde hier das Erreichen einer Entlade-Endspannung von 0.95V gestoppt. Der Test hätte natürlich noch weiter laufen können, da die Zelle anders als der Akku nicht zerstört werden kann, es wäre einfach nur irgendwann das ganze Zink aufgebraucht. Aber eine "definierte" Endspannung von 0.95V ist ein guter Wert im Hinblick auf viele Anwendungen aund ausserdem ist somit ist die Messung auch besser vergleichbar. Wie beim Akku weist auch hier die Entladekurve einen sehr flachen, fast waagerechten Verlauf auf, hält aber Im Unterschied dazu wesentlich länger durch, hier waren es gerade 3h 25 min. und während dieser Zeit wurden 2871 mWh an Leistung freigesetzt - ein sehr guter Wert, zumal am Ende der Messung die Zinkplatte noch weitgehend intakt war und somit vielleicht noch weitere Messungen bzw. Energiegewinnung erlaubt.