Batterien vs. Akkus für LEGO-Projekte: was ist besser?

Vor gut einem Jahr wurde ein 3rd Party Akku für den Powered Up Hub in diesem Blog vorgestellt: der Keybrick One. Unter dem Beitrag wurde gefragt, ob ein paar Vergleichstests angestellt werden können. Schließlich sind Akkus für LEGO-Projekte ein wichtiges Thema. Dieser Frage möchten wir mit diesem Beitrag nachkommen. Allerdings soll es nicht explizit um den Keybrick One gehen. Vielmehr gehen wir allgemein der Frage nach, wie sich unterschiedliche Energieversorgungen im Vergleich schlagen.

Es gilt zu beachten, dass dieser Vergleich keinerlei wissenschaftlichen Anspruch hat. Aufgrund der bis zu 10-stündigen Dauer einiger Tests wurde jeweils nur eine Messreihe aufgenommen. Bei einem anderen Versuchsaufbau, anderen Ladegeräten oder anderen Umständen können die Ergebnisse abweichen. Die Ergebnisse dieses Tests scheinen soweit plausibel.

Der Versuchsaufbau

Der Aufbau besteht aus vier Elementen. Ganz rechts ist die Energiequelle, die gerade getestet wird. Das kann ein Akku oder eine Batteriebox sein. Wichtig ist, dass das Gerät einen Power Functions Anschluss hat, da das Messgerät diesen Anschluss nutzt. In einigen Fällen wurde ein Adapterkabel eines Drittherstellers genutzt.

Das bringt uns zum zweiten Objekt: dem Energiemesser aus dem Ergänzungsset Erneuerbare Energien (9688). Dabei handelt es sich um ein Multimeter aus der LEGO Education-Reihe, das gleichzeitig Eingangsspannung, Eingangsstrom, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom aufnehmen kann. Mit den jeweiligen Werten lassen sich Eingangsleistung und Ausgangsleistung berechnen (P = U * I).

Vorne an das Energiemeter ist der Verbraucher angeschlossen. Nach einem ersten Test mit einem M-Motor wurden die Tests mit 6 Power Functions LEDs durchgeführt, die aufeinander gestapelt sind. Dadurch wurde stundenlanges Surren des Motors vermieden. Ziel war es, einen Stromverbrauch von ungefähr 100mA zu erreichen.

Das Programm

Damit kommen wir zur Messwertaufnahme. Um die aktuelle Spannung nicht ständig selbst vom Display des Messgerätes ablesen zu müssen und damit die Messungen genauer sind, wurde ein LEGO Mindstorms EV3 mit einem eigenen Programm genutzt. Es fragt ungefähr alle 30 Sekunden die Eingangsspannung und die Ausgangsleistung ab und speichert die Werte zusammen mit dem Zeitpunkt des Ablesens intern in einer Datei. Diese Datei kann später auf den Computer übertragen werden, um sie dort weiter zu verarbeiten. Der EV3 wird übrigens dauerhaft über ein Netzteil mit Strom versorgt und gibt ein Geräusch aus, wenn die getesteten Batterien leer sind.

Für die Akkubox von BlueBrixx, die wir auch getestet haben, war eine kleine Ergänzung notwendig: nach 15 Minuten stellt sie sich automatisch aus. Deshalb wurde in diesem Fall ein Motor an der Fernbedienung befestigt, der sich alle 13 Minuten dreht.

Der LEGO Akku stellt sich selbst nach 2 Stunden aus. Dieser wurde manuell direkt nach einer Messung aus und wieder eingeschaltet, sodass die folgende Messung davon nicht direkt beeinflusst wurde. Zur Erinnerung: das Intervall zwischen den Messungen beträgt ungefähr 30 Sekunden.

Eine andere Besonderheit gibt es für die Powered Up Hubs. Die meisten Messungen wurden mit einem angepassten Programm in Pybricks aufgenommen, das Lokal auf den Hubs ausgeführt wurden. Dadurch wurde sichergestellt, dass die Empfänger sich nicht selbst ausschalten. Ob es einen Unterschied zwischen Pybricks und der Powered Up App mit Bluetooth gibt, wird im Verlauf des Artikels untersucht.

Was gemessen wurde – und was nicht

Es wurde die Eingangsspannung und die Ausgangsleistung aufgenommen – aber nicht der Eingangsstrom. Der Grund dafür ist, dass das Messgerät einen „Energiespeicher“ hat. Die Lichter wurden nicht direkt über die externe Batteriebox angetrieben, sondern die Batterien laden den Energiespeicher in Stößen auf und aus dem Energiespeicher wird das Licht betrieben. Dabei liegt die Ausgangsspannung des Energiespeichers oft über der Eingangsspannung des Messgerätes.

Um zu schauen, ob die Werte vergleichbar sind, wurde neben der Eingangsspannung die Ausgangsleistung aufgezeichnet. Diese wird im Folgenden allerdings nicht beachtet.

Die Darstellung

Nun ein paar Worte dazu, wie die Diagramme aufgebaut sind. Es gibt zwei Achsen: die Eingangsspannung in Volt auf der Y-Achse, also der vertikalen Achse und die Zeit in Stunden, die das Programm läuft, auf der horizontalen X-Achse. Man kann also nicht nur Anfangsspannung und Dauer sehen, sondern den gesamten zeitlichen Verlauf der Spannung. Anfangs hat in diesem Beispiel der Powered Up Technic Hub eine Ausgangsspannung von 8 Volt. Normalerweise fällt die Spannung anfangs etwas. Dann gibt es eine längere, fast konstante Phase und gegen Ende fällt die Spannung immer stärker, bis sie die 0-Linie erreicht. In diesem Fall ist das kurz bevor die 8h-Marke geknackt wurde, geschehen. Das heißt, dass der Akku bei einem solchen Anwendungsfall mit 6 LEDs ungefähr 8h durchhält. Mit einem M-Motor, der etwas weniger Strom benötigt, würden die Akkus vermutlich etwas länger durchhalten.

Allerdings erreichen nicht alle Graphen die 0-Linie, da das Messgerät nur für eine begrenzte Zeit niedrige Spannungen messen kann, bevor der „Energiespeicher“ leer ist.

Bei einigen Graphen gibt es gegen Ende Stufen. Das liegt daran, dass die Batterieboxen 6 Batterien oder Akkus nutzen und nicht alle gleichzeitig leer sind. Es kann also gegen Ende vorkommen, dass nur noch 4 der 6 Batterien einen Beitrag liefern.

Batterien vs. Akkus in Batterieform

Zuerst schauen wir uns an, ob man eher zu Batterien oder zu Akkus in Form von Batterien greifen sollte. Dazu werden AA und AAA Batterien von Intenso mit AA und AAA Akkus von Eneloop verglichen. Mit anderen Batterien oder Akkus können die Ergebnisse natürlich abweichen.

Leider war die Spannung der AA Batterien zu lange zu niedrig. Dadurch konnte das Messgerät die Reihe nicht vollständig aufnehmen. Ein zweiter Versuch wurde nicht gestartet, da das Ergebnis vermutlich ähnlich wäre und dadurch noch mehr leere Batterien entstanden wären. Da die Reihe für AAA Batterien vollständig ist und ähnliche Charakteristika aufweist, verhalten sie sich schätzungsweise ähnlich.

Zuerst fällt auf, dass Batterien eine höhere Anfangsspannung als Akkus haben. Das ist auch zu erwarten: Batterien sind mit 1.5V deklariert, Akkus nur mit 1.2V. Trotzdem liegen beide Reihen nie auf oder über 9V, was man bei 6 Batterien erwarten würde. Das liegt daran, dass alle vier Reihen mit Powered Up Hubs aufgenommen wurden. In den Hubs selbst wird schon ungefähr 1V „verloren“.

Allerdings ändert sich die Führung der Batterien bereits nach rund einem Sechstel der Zeit: die Akkus haben einen sehr langen Bereich, der fast gerade ist. Das heißt, dass sie relativ lange gleich viel Energie abgeben. Die Batterien haben im Vergleich dazu eine stärker abfallende Spannung. Das kann sich zum Beispiel darin äußern, dass Motoren schneller langsamer werden als bei Akkus. Insbesondere für Automatisierungen bzw. eigenständige Programme ist eine gerade Kurve hilfreich, da man so genaueres bzw. besser vorhersehbares Verhalten bekommt.

Größere Batterien halten länger als kleine. Das war so zu erwarten. Ein Aspekt, der dabei nicht betrachtet wird, ist das Gewicht der Batterien. Bei Fahrzeugen, die sich bewegen, könnten sich trotzdem leichtere Batterien lohnen – selbst wenn sie nicht so lange halten.

In diesem Fall haben Akkus und Batterien insgesamt ungefähr gleich lange gehalten. Diese Messungen gelten allerdings nur für die von mir verwendeten Batterien und Akkus. Bei anderen Produkten können die Eigenschaften abweichen.

Akkuboxen

Als Nächstes werden Akkuboxen untereinander und mit AAA Akkus vergleichen. Antreten tun der reguläre Power Functions Akku von LEGO, der Keybrick One in den Betriebsmodi Normal und Boost und der Akku von BlueBrixx. Außerdem gibt es zum Vergleich die Kurve von AAA Akkus in einem Powered Up Hub mit dem Pybricks Programm. Der Keybrick One wurde mit dem gleichen Hub mit dem gleichen Pybricks Programm genutzt.

Was direkt auffällt ist, dass die Kurven für den Keybrick nicht mit der Zeit abfallen. Das widerspricht den bisherigen Kennlinien und den Kennlinien der anderen Akkus. Der Grund dafür ist, dass der Keybrick einen Schaltkreis enthält, der die Ausgangsspannung vom „Entladezustand“ des Akkus entkoppelt. Es kann selbst bei fast vollständig entladenem Akku weiterhin die Zielspannung ausgegeben werden. Durch den Schaltkreis, der das ermöglicht, hat der Akku drei Betriebsmodi, die mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen unterschiedlich lange halten.

Leider kann der Eco-Modus des Keybricks nicht bewertet werden, da die Spannung für das Messgerät über die Dauer der Zeit zu niedrig war.

Am Kürzesten hält der Akku von BlueBrixx. Das ist nicht verwunderlich, da der BlueBrixx Akku dauerhaft den Empfänger betreibt und die Kapazität von BlueBrixx selbst mit 500mAh angegeben wird. Die Kapazität vom LEGO Power Functions Akku wird übrigens mit 1100mAh und die des Keybrick Ones ist mit 1200mAh angegeben.

In Anbetracht der Kapazität müsste der Keybrick eigentlich länger als der Akku von LEGO halten, insbesondere wenn er weniger Spannung liefert. Dem ist allerdings nicht so. Das könnte u.a. an dem Schaltkreis zum Entkoppeln der Spannung von dem Entladezustand liegen. Ein weiterer Grund könnte der Extraverbrauch durch den Powered Up Hub sein.

Batteriebox vs. Hub

In diesem Test soll überprüft werden, ob es einen großen Unterschied macht, ob man „einfache“ Batterieboxen oder „intelligente“ Hubs verwendet. Alle drei Testsubjekte wurden mit den gleichen AA Akkus von Eneloop betrieben.

Was auffällt ist, dass die Power Functions Batteriebox zwar am niedrigsten anfängt, aber fast so lange wie die Control+ Batteriebox hält. Übrigens ist der niedrigere Startpunkte der Power Functions Batteriebox nicht in dem Ladezustand der Akkus begründet. Selbst wenn man die gleichen Akkus direkt nacheinander in die Batterieboxen tut und die Spannung misst, liegen bei frischen Akkus zwischen beiden Boxen ungefähr 0.5V Differenz. Es scheint also wirklich so zu sein, dass die Control+ Batteriebox länger als die Power Functions Batteriebox hält.

Der Hub, auf dem das Pybricks Programm läuft, hat die Energie in den Batterien zuerst verbraucht. Er kann 2 Stunden weniger lange als die Batteriebox genutzt werden. Das kann daran liegen, dass der Hub deutlich mehr Elektronik als die Batterieboxen enthält.

Damit bleibt noch zu schauen, ob ein Programm mit der Powered Up App mehr Energie benötigt als ein Programm, das mit Pybricks auf dem Hub gespeichert wurde. Hier hält Pybricks etwas länger, aber da der Unterschied nicht sehr groß ist, kann die Differenz im Rahmen der Messungenauigkeit sein. Einen großen Unterschied scheint es zwischen beidem nicht zu geben.

Fazit

Am Ende kommt die optimale Lösung natürlich immer darauf an, was man tun möchte. Wie viel Platz hat man im Modell, wie viel Gewicht darf die Energiequelle haben, wie viel Geld möchte man investieren und welches System möchte man nutzen. Die offizielle Akkubox von LEGO hat sehr positiv überrascht. Das deckt sich auch mit dem Gefühl, dass man sie „fast nie“ laden muss. Im Gegenzug dazu kostet die BlueBrixx Akkubox sehr wenig, aber sie muss deutlich häufiger geladen werden. Der Keybrick One hat eher enttäuscht aber hält dafür die Spannung konstant, was gerade für Automation sehr sinnvoll sein kann.

Bei AA oder AAA Batterien im Vergleich zu entsprechenden Akkus für LEGO-Projekte ist das Ergebnis auch relativ eindeutig. Die Einweg-Batterien haben zwar für einen kurzen Zeitraum mehr Spannung aber langfristig halten Akkus die Energie stabiler – und sie produzieren weniger Müll. Einweg-Batterien kosten weniger, aber der preisliche Vorsprung dürfte sich bereits nach einigen leeren Batterien relativieren. Eine gute Nachricht für Pybricks-Nutzer ist, dass es kaum einen Unterschied macht, ob man die Powered Up App oder Pybricks nutzt. Letzteres könnte eher noch etwas energiesparender sein.

Programme und Rohdaten

Damit kommen wir zum Ende des Vergleichs. Falls du deine eigenen Messreihen aufnehmen möchtest oder anhand meiner Messreihen eigene Diagramme erstellen möchtest, zum Beispiel für einen Vergleich, der in diesem Beitrag nicht gemacht wurde, kannst du hier sämtliche Programme und Rohdaten herunterladen. Die Reihen beginnen immer mit dem letzten „Start“-Eintrag in der Datei.