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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bau eines MPP-Reglers für ein Solarflugzeug


Autor: Alex (Gast)
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Hallo!

Ich habe mir vor etwa einem Jahr ein einfaches, kleines und 
ungepuffertes Solarmodellflugzeug gebaut.
Dieses besitzt 13 Zellen. Nennspannung ca. 0.5 V * 13 = ~6.5V, 1640 mA
Das Flugzeug flog relativ gut. Nun möchte ich dieses überarbeiten.
Dazu will ich es noch um einen MPP-Regler und einen Pufferakku (oder 
Kondensator) erweitern.
Nun bräuchte ich aber ein paar Tipps zum Bau eines MPP-Reglers. Ich 
weiss, dass ich mit einem uC (wahrscheinlich Mega8) die Spannung vor und 
nach einem Widerstand messen muss, um so die Leistung ausrechnen zu 
können. Dann brauche ich einen Transistor, der den Stromfluss regelt. So 
messe ich die Leistung, ändere den Stromfluss durch den Transistor, 
messe erneut und vergleiche, welches Mal mehr Leistung vorhanden war und 
passe den Stromfluss dann so dauernd an.
Natürlich muss das ganze möglichst verlustarm sein.
1. Wie gross sollte der Widerstand etwa sein, um wenig Verlust zu haben, 
aber dennoch genug genau messen zu können?
2. Wie sollte ich die Spannung beim Messen auf unter 5 Volt bringen? Ist 
da ein Widerstand geeignet?
3. Welcher Transistor eignet sich für diese Anwendung?
Sind meine Überlegungen soweit richtig?

Gruss Alex

PS: Ein 2 Zellen Lipo kann man mit 6.5 Volt nicht überladen, oder? Oder, 
was passiert, wenn der Lipo voll (auf 6.5 Volt) und der Motor 
abgeschaltet ist?
Ein Goldcap, bei dem 2.5 Volt höchstspannung angegeben ist, kann man den 
auch mit z.B. nur 1 Volt vollfüllen?

: Verschoben durch Admin
Autor: pfft. (Gast)
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Ein 2 Zellen LiPo geht auf 7.2V
Ein MPP Regler ist ein Schaltregler, der die Impedanz der Last an die 
Impedanz dert Quelle anpasst. Ja, Dazu muss man zweimal die Spannung und 
zweimal den Strom messen.

Autor: pfft. (Gast)
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Sorry, Ein Zweizellen LiPo geht sogar auf 8.4V

Autor: Alex (Gast)
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>Sorry, Ein Zweizellen LiPo geht sogar auf 8.4V

Ich dachte 7.4 V (2*3.7V). Da ich aber nur mit 6.5 Volt lade kann er 
sich ja somit auch nicht vollladen?!?

Autor: Jim G. (Gast)
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Kurze Frage, damit ich die Thematik richtig verstehe:
Du will ein Akku in das Flugzeug einbauen, der im "Schattenfall" die 
fehlende Energie Kompensiert, oder?

Autor: Alex (Gast)
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>Kurze Frage, damit ich die Thematik richtig verstehe:
>Du will ein Akku in das Flugzeug einbauen, der im "Schattenfall" die
>fehlende Energie Kompensiert, oder?

Ja! Einerseits soll er kurze Abschattung überbrücken (zu viel Querlage 
und dann abdeckung durch den Flügel) und andererseits wäre er auch gut 
um die Energie zu speichern, die verloren geht, wenn man am segeln ist 
oder nicht die volle Leistung braucht.

Autor: Jim G. (Gast)
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okay...

In der Zwischenzeit habe ich mal was über die MPP erkundigt...

Die sehen was "schwer" aus... und da in ein Flugzeug ja jedes Gramm 
zählt hätte ich eine anderen Lösungvorschlag:

Regelung über ein OPV als Differenzierer und ein J-FET zu 
Stromregelung...

Kostet dich wahrscheinlich weniger an Gewicht und Euros... nur muss du 
was Selberlöten...

Autor: pfft. (Gast)
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Sicher nicht. Es muss ein Schaltregler sein, und der muss nicht schwer 
sein.

Autor: Alex (Gast)
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>In der Zwischenzeit habe ich mal was über die MPP erkundigt...
>
>Die sehen was "schwer" aus... und da in ein Flugzeug ja jedes Gramm
>zählt hätte ich eine anderen Lösungvorschlag:
>
>Regelung über ein OPV als Differenzierer und ein J-FET zu
>Stromregelung...
>
>Kostet dich wahrscheinlich weniger an Gewicht und Euros... nur muss du
>was Selberlöten...

Könntest du das etwas genauer erklähren? Ich bin mit den OPVs noch nicht 
sehr vertraut...

Autor: Mario (Gast)
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Kannst du mal Bild vom Flugzeug posten. Ich finde das Thema interessant. 
Hast du ein Standard-(EPP)-Modell verwendet oder eine 
Eigen-Depron/Selitron-Konstruktion. Ich vermute mal es sieht von der 
Form her aus wie ein Elektrosegler...

Evtl. kann ich dir auch beim Thema MPP helfen. Letztenendes besteht der 
Witz in einer intelligenten Laderegelung für den Lipo. Da du die 
Zellenspannung der Solarpanels gar nicht und die Last nur bedingt 
verändern kannst. Du mußt dafür sorgen, das

- wenn der Motor zuviel Strom zieht, er zusätzlich vom Puffer gespeist 
wird
- wenn der Motor zuwenig Strom zeigt, der Pufferakku geladen wird (mit 
dem Differenzstrom zum MPP)
- wenn der Motor zuviel Strom zieht und der Puffer leer ist, der Motor 
runtergeregelt wird (kritisch)
- wenn der Motor zuwenig Strom zieht und der Puffer voll ist, dann ist 
es egal, die zusätzliche Energie verpufft...

Evtl. ist eine Analogschaltung auf Basis von OPV und ein paar Mosfets 
die beste Lösung, da es ja eine Art Regelkreis wird. Der MPP müsste sich 
gut über die Spannung detektieren lassen. Wenn der Strom steigt und die 
Spannung sinkt, ist das Maximum überschritten. Wenn der Strom sinkt und 
die Spannung steigt, näherst du dich dem Leerlauf. Ich glaub mit einer 
Referenzspannung von 0,5 V zu Detektion der Spannung im MPP liegst du 
ganz gut...

Autor: Jim G. (Gast)
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Okay... ist geschmacks Sache, ob man ein fertigen Regler kauft, oder 
selber baut. Ich würde selber bauen, um Gewicht und Kosten zu sparen.


OPV (Operationverstärker) kann zB zwei Spannungen vergleichen und ein 
entsprechendes analoges Ausgangssignal geben. Ist ein IC-baustein und 
wiegt ca. 1-2g.

Wenn du zB jetzt die Spannung an der Batterie und der Zellen vergleichs, 
kannst du somit ohne MC regeln wieviel Strom von der Batterie genommen 
wird, um die gewünschte Motorleistung zu erzielen.
Dazu leites du das Ausgangssignal an den J-FET weiter der quasi wie ein 
"Ventil" wirkt und somit die Stromzufuhr von der Batt. steuert.

Autor: Jim G. (Gast)
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Zitat Mario:
"Evtl. ist eine Analogschaltung auf Basis von OPV und ein paar Mosfets
die beste Lösung, da es ja eine Art Regelkreis wird. Der MPP müsste sich
gut über die Spannung detektieren lassen. Wenn der Strom steigt und die
Spannung sinkt, ist das Maximum überschritten. Wenn der Strom sinkt und
die Spannung steigt, näherst du dich dem Leerlauf. Ich glaub mit einer
Referenzspannung von 0,5 V zu Detektion der Spannung im MPP liegst du
ganz gut..."
^^
Genau mein Gedankengang, nur sind meine noch nicht soweit aus gereift 
:-P

Autor: Alex (Gast)
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Hier habe ich einen Link zu einem Video auf dem man den Solarflieger 
fliegen sehen kann:
www.alex.mirolit.ch/Filme/Solarflieger.wmv

Der Flieger ist eine komplette Eigenkonstruktion. Der Flügel ist aus 
Holz und der Rumpf in Kreuzbauweise aus Depron.
Doch für das überarbeitete Modell werde ich einen neuen Rumpf in 
Kastenbauweise bauen.

Übrigens: Ich verwende einen Brushless Motor. D.H., ich habe da schon 
einen Regler dran, den man auf eine Mindestspannung stellen kann. Somit 
wäre das Unterladen des Lipos kein Problem.
Um also meinen Motor von der Schaltung aus ansteuern zu können, brauche 
ich einen Mikrocontroller (steuert man genau gleich wie ein Servo an).
Ich will sowieso noch bestimmte "Reglererweiterungen" machen, um den 
Motor optimal ansteuern und gebrauchen zu können. D.H. ein Mega 8 wäre 
wahrscheinlich im Modell zur Verfügung...
Doch weiss jemand, wieviel so ein MPP-Regler überhaupt bringt? Wie viel 
mehr Leistung gibt ein MPP-Regler im Vergleich zu einem Regler, der 
einfach die Solarzellen z.B. immer über 6 Volt hält (mit der Regulierung 
der Motorleistung)? Kennt sich da jemand aus?

Gruss Alex

Autor: Ulrich (Gast)
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Wie viel der MPP Laderegler bingt, hängt davon den Akkus und Solarzellen 
ab. Ohne Schaltregler muss die Spannung der Solarzelle höher sein damit 
man sie nutzen kann. Das was die Spannung der Solarzelle höher ist, kann 
man aber so einfach nicht nutzen.

Bei den benannten Solarzellen hat man allerdings ein prinzipielles 
Problem, denn mit 6,5 V von den Solarzelle kann man direkt keine 2 LiPO 
Akkus (5.6... 8,2 V) laden, oder nur einen ganz kleinen Teil der 
Kapazität ausnutzen.
Für die 2 LipoZellen müßten die Solarzellen dann schon etwa 10 V an 
Leerlaufspannung liefern damit es ohne Schaltrgler richtig geht. Die 
Spannung für optimale Leistung sollte dann bei etwa 8 V liegen.
Ohne MPP regler kann man so rund 70% der Spannung und damit Leistung 
nutzen. Außerdem gibt es eine Helligkeitesschwelle unter der man ohne 
MPP Regler nicht mehr genug Spannung hat und so bei wenig Licht gar 
keine Leistung bekommt. Wenn die Solarzelle und Akkus weniger gut 
zueinander passen sinkt der Nutzungsgrad noch.

Mit MPP kann man vielleicht 90%-95% der möglichen Leistung nutzen 
(Wirkungsgrad des Schaltreglers). Die Anpassung von Akku- und 
Solarzellenspannung erledigt der MPP Regler.

Wenn es nur um den Motor geht, hat man ohne MPP noch etwas weniger 
Verluste. Denn die Spannung des Motors bleibt ja konstant. Da sollte ein 
MPP regler nicht so viel bringen (vielleicht 10-20%).  Andererseits 
sollte es möglich sein den Brushless-regler gleich so zu Programmieren, 
das er die MPP-regelung mit macht. Man bräuchte also fast keine extra 
Hardware mehr (nur Strom / Spannungsmessung), sondern nur eine 
erweiterte Software und ggf. eine paar extra Elkos für die Pufferung 
über ein paar ms.

Autor: Alex (Gast)
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Liege ich richtig bei der Annahme, dass die Solarzellen Strom vom Lipo 
nehmen, wenn ihre Spannung tiefer als die Lipospannung liegt? Das wäre 
natürlich nicht akzeptabel und die 0.7 Volt Verlust unter Verwendung 
einer Diode ist auch zu viel. Daher braucht es sicher einen MPP-Regler.
Bei der Analogmethode mit den OPVs verstehe ich nicht genau, wie man 
durch den Vergleich der Spannungen den MPP messen kann. Daher kann ich 
dazu noch nicht viel sagen, bevor mir jemand das noch genauer erklären 
kann...

Doch zu einer Lösung mit dem Mikrocontroller:
Um den Strom zu messen braucht man ja einen Widerstand, dessen 
Spannungsabfall gemessen wird. Um den Verlust klein zu halten, sollte 
man einen möglichst kleinen Widerstand nehmen. Aber ich denke mal, dass 
dann ein mega8 sicher nicht mehr genug genau messen kann, also müsste 
man das ganze verstärken. Ebenfalls müsste man alles auf ein kleineres 
Potential bringen (<5V). Wie würdet ihr sowas machen?

Grüsse Alex

PS: Habe mir mal etwas durchrechnen wollen. Wenn die Solarzellen 6.5 V 
und 1.64 A liefern, dann ist der Gesamtwiderstand bei (R = U/I = 6.5 / 
1.64) 3.96 Ohm. Kann das sein? Ist der nicht viel höher, oder...???

Autor: Blackbird (Gast)
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Ob MPP was bringt oder nicht, kannst Du ganz leicht selbst ermitteln:

An einen wolkenlosen Sommertag legts Du Deine Solarzellen in die Sonne 
und machst ein paar Strom+Spannungs-Messungen mit verschiedenen 
Belastungswiderständen. Anschließend in ein Diagramm die Solar-Leistung 
in Abhängigkeit vom Laststrom eintragen.

Wenn da ein deutlicher Peak zu sehen ist, dann lohnt sich MPP, sonst 
nicht.

Wenn die Entscheidung zu Gunsten MPP fällt, so würde ich einen Regler 
auf µC-Basis (z.B. MSP430) machen, der den Solarstrom immer im besten 
Leistungsmaximum hält. Das kann man damit erreichen, dass man die (per 
Schaltregler erzeugte) Ausgangsspannung geringfügig variiert, die ja 
einen Akku + andere Verbraucher zu versorgen hat. Der 
Schaltregler-Steuerteil kann gleich mit im µC enthalten sein.


Blackbird

Autor: Blackbird (Gast)
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Bevor hier eine Abhandlung über MPP stattfindet:
Der Maximum Power Point (MPP) einer Solaranlage ist auch von der 
absolunten Beleuchtungsstärke, der Temperatur und der Alterung abhängig. 
Deshalb suchen die MPP-"Tracker" ständig den MPP durch Vaiation 
einzelner Parameter, z.B. Stromentnahme.

Das lohnt sich aber nur für große Solatleistungen, für ein 
Modellflugzeug mit seinen eingeschränkten Einsatzbereichen, -orten und 
-zeiten ist der Aufwand einfach zu hoch.

Man muß so eine Schaltung auch zuverlässing zum Laufen bringen und das 
nicht erst Jahre später.

Deshalb der vereinfachte Ansatz.

Blackbird

Autor: Jim G. (jimg)
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Alex schrieb:
> [...]
> Doch zu einer Lösung mit dem Mikrocontroller:
> Um den Strom zu messen braucht man ja einen Widerstand, dessen
> Spannungsabfall gemessen wird. Um den Verlust klein zu halten, sollte
> man einen möglichst kleinen Widerstand nehmen. Aber ich denke mal, dass
> dann ein mega8 sicher nicht mehr genug genau messen kann, also müsste
> man das ganze verstärken. Ebenfalls müsste man alles auf ein kleineres
> Potential bringen (<5V). Wie würdet ihr sowas machen?
>
> [...]

Da deine Zellen ja ingesamt ein Strom von 1,6A liefern und eine Messung 
analog erfolgt, dass heißt du mist Spannungsunterschiede. Also legst du 
ZB 5V an deine Last...
Durch das ohmische Gesetz wird sich bei einer Strom änderung auch die 
Spannung ändern, da der R ja konstant bleibt. Diese Spannung an der Last 
leites du an den ADC des µC weiter.... So weit du es sipperat messen 
wills.

Wenn du aber den Strom am Motor messen wills, so würde ich einfach vor 
den Motor ein kleinen R einbauen, in etwa der größe von 0,62ohm hat. 
Damit liegen am R nur ca. 1V und die "Verlustleistung" wäre nur 1,64W 
groß statt 8W wenn du mit 5V misst.
Oder was noch besser ist, um den Strom ohne Verlust zu messen... Direkt 
am Motor. Da dieser ja im Grunde auch ein R ist und dort auch R konstand 
bleibt (Leiterwiderstand der Spulen). Somit verlierst du für die Messung 
keine Leistung.

Allerdings weiß ich nicht, ob der µC 6,5V max. am Aref verträgt

Autor: Mario (Gast)
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@Blackbird:
Ich glaube schon das sich MPP auch und grade bei kleinen Solaranloagen 
lohnt. Dort ist ja jedes Milliwatt entscheidend.

Das sogenannte "MPP tracking"  kann relativ einfach erfolgen, wenn man 
mit dem Controller mißt: Die Leistungskurve hat ja genau ein Maximum, 
somit reicht es den Wendepunkt der Leistung zu bestimmen. Also immer 
schon Strom und Spannung multiplizieren und den Gradienten zum 
vorherigen Meßwert bilden. Dreht sich das Vorzeichen um (bzw. ist der 
Gradient sehr sehr klein)., ist das Maximum erreicht. Über das 
Vorzeichen weiß man auch immer in welche Richung das Maximum liegt. Dazu 
braucht man natürlich verschiedene Meßwerte, man muß also für 
dastracking am Verbraucher drehen (Akku oder Motor, man könnte zum 
beispiel den Ladestrom des Akkus variieren) oder man geht davon das sich 
in kurzer Zeit die Last sowieso immer ändert (man fliegt ja selten mit 
konstanter Motordrehzahl...

Autor: Mario (Gast)
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@ Alex:
Bist du weitergekommen mit deinem MPP Regler?

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