Solar-Lader mit LT3652 - Schaltung braucht mehr Strom bei wenig Solarspannung

[Martin (Gast)]

Hallo zusammen,

folgende Situation:
Ein Steuergerät wird durch einen LiFePO-Akku versorgt, der mit einer 
Solarzelle über einen LT3652 aufgeladen wird.
Der Akku hat maximal 14,4V und 1100 mAh. Das Solarpanel hat seinen MPP 
bei ca. 16,5 V, der LT3652 ist dementsprechend beschaltet.
Grundsätzlich funktioniert das auch ganz gut, Schaltung siehe Anhang.

Nur treten momentan bei Kunden, die das Gerät im Einsatz haben, Probleme 
mit leeren Akkus auf. Ich könnte mir vorstellen, dass das diffuse Licht 
dieser Tage nicht reicht, um den Akku zu laden. Deshalb habe ich das 
Verhalten der Schaltung untersucht:

Die Schaltung braucht im Ruhezustand 600 µA, solange keine Spannung vom 
Panel kommt.
Scheint die Sonne auf das Panel, fängt der LT3652 an zu Laden, Spannung 
stellt sich dann bei 16,5 V ein. Soweit, so gut.
Kritisch ist aber der Bereich, wenn das Panel nur ein bisschen Spannung 
bringt. Also z.B. bei diffusem Licht, was in dieser Jahreszeit wohl sehr 
häufig vorkommt.
Dann fließen nämlich sowohl vom Solarpanel als auch vom Akku ca 2,5 mA 
in die Steuerung.
Dadurch wird der Akku natürlich 4 Mal schneller leergesaugt...

Im Diagramm habe ich Akku- und Solarpanel-Strom mal dargestellt.
(Für die Aufnahme der Kennlinie habe ich aber ein Netzteil verwendet, 
kein Solarpanel.)

Liegt dieses Phänomen bzw. unerwünschte Verhalten am Eigenbedarf des 
LT3652?
Kann man das irgendwie umgehen, indem man eine Art "Bypass" am LT3652 
vorbeilegt? Das würde bei niedrigem Akkustand immerhin für ein bisschen 
Ladung sorgen, bzw. den Eigenbedarf der Schaltung decken.

Testweise habe ich die MPP-Regelung mal entfernt (also V_REG auf V_IN 
gelegt). Das Ladeverhalten war dann noch schlechter. Das ist also keine 
Lösung.

Habt Ihr Vorschläge, wie man diesen kritischen Bereich im Ladeverhalten 
umgehen oder beheben kann?

Danke schon mal.

[Peter L. (Gast)]

warum D1 nicht nach rechts (zwischen Qi und Q2)?

[Alexander S. (esko)]

Martin schrieb:
> Dann fließen nämlich sowohl vom Solarpanel als auch vom Akku ca 2,5 mA
> in die Steuerung.
Der LT3652 hat einen Eigenverbrauch von 2,5 - 3,5 mA. Die erkennt man 
auch gut in deinem Diagramm. Der LT3652 ist um Faktor 20 
überdimensioniert und keine gute Wahl bei wenig Eingangsstrom (<10mA)

> Testweise habe ich die MPP-Regelung mal entfernt (also V_REG auf V_IN
> gelegt).
V_REG gibt es in deinem Schaltplan nicht. Aber du kannst mal versuchen 
den LT3652 komplett wegzulassen und den Akku direkt über eine Diode zu 
laden. Ich denke damit fährst du in fast allen Fällen besser, besonders 
dann, wenn wenig Licht zur Verfügung steht.
Langfristig brauchst du dann natürlich noch ein Überspannungsabschaltung 
oder Ladespannungsbegrenzung. Dafür könnte auch der Balancer herhalten, 
der generell bei LiIon zu empfehlen ist, auch bei LiFePO4.

Dann noch die Frage, warum du nicht die Schaltung aus dem Datenblatt 
verwendest?

Peter L. schrieb:
> warum D1 nicht nach rechts (zwischen Qi und Q2)?
Gute Idee Sollte auf jeden Fall auch getestet werden. Die 
Ladeschlussspannung muss dann natürlich angepasst werden.

[Martin (Gast)]

@Alexander: Kannst du evtl. einen anderen Lade-IC empfehlen? Oder eine 
Ladespannungsbegrenzung?
Wie verhält es sich mit der Leistungsausbeute, wenn man auf das 
MPP-Gedöns verzichtet?

@Peter: D1 ist primär da, um zu verhindern, dass rückwärts Strom ins 
Panel fließt. Aber wenn das durch den LT3652 nicht passieren kann, 
könnte man deinen Vorschlag durchaus testen.

Danke schon mal für die Anregungen, ich werde mal ein bisschen 
experimentieren.

[Arsenico (Gast)]

Ai-ai-ai,die deutsche Sonne reicht nicht mehr… Akku leeeeer !
Die Märchengeschichte geht weiter.
Man muss nicht an alles glauben.

Nur die Sonne kann man nicht manipulieren..

[Alexander S. (esko)]

Martin schrieb:
> @Alexander: Kannst du evtl. einen anderen Lade-IC empfehlen?

Ich denke, dass ein Schaltwandler bei einer maximalen Ladeleistung von 2 
Watt keinen Sinn macht. Mit einem parallelen oder seriellen Linearregler 
zur Strombegrenzung und einer Diode kommt man bei optimal ausgelegten 
Solarzellen auf einen mittleren Wirkungsgrad von ~88%. Da wird man 
allein vom Eigenstromverbrauch eines Schaltwandlers darunter liegen 
müssen. Übrigens kann der

Statt dem Schaltwandler würde ich dir empfehlen "nur" die Solarzellen 
optimal auszulegen, ich würde eine Nennspannung von 14,5 V vorsehen. Das 
ergibt dann 14 V nach der Diode.

Dazu eine Diode, um den Rückstrom zu unterbinden. Deine PMEG4050 ist da 
recht ungeeignet, weil bis zu 0,3 mA Rückstrom bleiben. Besser wäre z.B. 
eine BAT85 oder viele andere.

Um den Strom zu begrenzen brauchst du dann entweder einen Linearregler 
oder einen Parallelregler.


> Wie verhält es sich mit der Leistungsausbeute, wenn man auf das
> MPP-Gedöns verzichtet?

Das musst du durch Messungen herausfinden. Die Leistungsausbeute bei 
schwachem Licht wird besser, bei starkem Sonnenschein etwas schlechter. 
Man sollte den Fokus auf das schwache Licht legen, weil es dann 
besonders wichtig ist, dass genügend Strom produziert wird. Wenn 
genügend Strom produziert wird, ist es egal ob man noch 10% mehr 
bekommen könnte.


> @Peter: D1 ist primär da, um zu verhindern, dass rückwärts Strom ins
> Panel fließt. Aber wenn das durch den LT3652 nicht passieren kann,
> könnte man deinen Vorschlag durchaus testen.

Nein, er meinte das andersherum. Du sollst die Diode nach (rechts) dem 
LT3652 einsetzen.


Generell wäre noch die Frage, was mit dem geringen Strom von 0,6 mA 
versorgt werden soll? Eventuell wäre da eine grundsätzlich andere Lösung 
besser. z.B. Energy Harvesting, Batterien, ...

[Martin (Gast)]

Hallo Alexander,

Danke für deine Ausführungen, die helfen mir schon mal ein ganzes Stück 
weiter.
Da es sich um eine Rollladensteuerung handelt, brauche ich 2 mal am Tag 
für 30 Sekunden ordentlich Strom, d.h. der Akku ist Hauptstromlieferant. 
Nur Energy Harvesting reicht deshalb leider nicht. 600 uA ist der 
Standbystrom.
Deswegen kann ich die Diode auch nicht zwischen Q1 und Q2 platzieren, 
wie Peter schrieb. Sonst würde ich ja nichts aus dem Akku ziehen können.

Danke nochmal und viele Grüße,
Martin.

[Alexander Schmidt (esko) (Gast)]

Martin schrieb:
> Da es sich um eine Rollladensteuerung handelt, brauche ich 2 mal am Tag
> für 30 Sekunden ordentlich Strom, d.h. der Akku ist Hauptstromlieferant.
> Nur Energy Harvesting reicht deshalb leider nicht.

Stimmt.
Auf ein Stromkabel willst du vermutlich verzichten. Wie sieht es mit der 
Lebensdauer des Akkus aus?

> 600 uA ist der Standbystrom.

Du wartest doch nur auf einen Tastendruck?
Dafür ist der Strom zu hoch. Da kann man locker unter 100 µA kommen und 
mit etwas Einsatz auch unter 20µA Die Frage ist ob sich das lohnt. Wie 
viel mAh braucht denn das hoch und runterfahren?
Welchen Spannungsregler setzt du zwischen den 12 Volt und dem µC 
(Mikrocontroller) ein?

> Deswegen kann ich die Diode auch nicht zwischen Q1 und Q2 platzieren,
> wie Peter schrieb.

Ich meinte zwischen dem MPP und den +12V. Damit würdest du die gelbe 
Kurve im angehängten Diagramm erreichen.
Wenn du den MPP ganz weglässt, erreichst du die grüne Kurve im Diagramm.

[Martin (Gast)]

Hallo Alexander,

das ganze ohne Stromkabel zu betreiben ist ja Sinn der Sache ;-)
Über die Lebensdauer der Akkus kann ich nichts sagen, Langzeitmessungen 
gibt es (noch) nicht.

Die Ansteuerung geht nicht über Tasten, sondern über Funk. Hierzu setzen 
wir ein kundenspezifisches Funkmodul ein, da gibt es leider auch keine 
Alternativen und Optimierungsmöglichkeiten mehr. Das Modul braucht ca. 1 
mA bei 3,3V (ja, mir ist es auch zu viel, aber anscheinend haben die 
schon das Minimum an Stromverbrauch erreicht...)
Als DC/DC-Wandler von 12 V auf 3,3 V benutze ich den TPS62160, 
Controller ist ein Atmega168PA (meiste Zeit im Power Down ;-). Bei der 
Peripherie könnte man auch noch ein bisschen optimieren, um den 
Standbystrom zu senken. Aber das Hauptaugenmerk im Moment liegt eher 
darin, den erhöhten Stromverbrauch bei mittlerer Solareinstrahlung weg 
zu bekommen.
Dabei haben mir deine Anregungen schon viel geholfen, vielen Dank dafür.

Ich werde deine Vorschläge mal testen und neue Messungen durchführen. 
Ich poste die Ergebnisse, wenn ich soweit bin.

[Alexander S. (esko)]

Martin schrieb:
> Über die Lebensdauer der Akkus kann ich nichts sagen, Langzeitmessungen
> gibt es (noch) nicht.

Was sagt das Datenblatt dazu?

> Die Ansteuerung geht nicht über Tasten, sondern über Funk. Hierzu setzen
> wir ein kundenspezifisches Funkmodul ein, da gibt es leider auch keine
> Alternativen und Optimierungsmöglichkeiten mehr. Das Modul braucht ca. 1
> mA bei 3,3V

Funk ist natürlich was anderes, da ist klar, dass man mehr braucht. Noch 
dazu, wenn man Sender und Empfänger nicht zeitlich synchronisieren kann.

> Als DC/DC-Wandler von 12 V auf 3,3 V benutze ich den TPS62160,

Scheint mit 70% Wirkungsgrad bei 0,6 mA eine gute Wahl zu sein.

> Ich werde deine Vorschläge mal testen und neue Messungen durchführen.
> Ich poste die Ergebnisse, wenn ich soweit bin.

Das wäre schön.

[Arsenico (Gast)]

Scheint mit 70% Wirkungsgrad bei 0,6 mA eine gute Wahl zu sein.

Größenordnung eines Mäusehaushaltes , LOL.

[Martin (Gast)]

Habe zwei Messungen durchgeführt:
In beiden Fällen die Diode nach den Laderegler gesetzt (siehe 
Schaltplan), einmal die MPP-Regelung unverändert gelassen, einmal die 
MPP-Regelung deaktiviert (ebenfalls siehe Schaltplan),

Messergebnisse siehe Diagramm.
Würde fast sagen, dass durch das Umsetzen der Diode schon viel gewonnen 
ist.
Zumindest ist dann der Stromverbauch bei wenig Licht nicht höher, als 
wenn gar keine Sonne scheint.

Für die nächste Hardware-Revision werde ich die ICL7665-Lösung näher 
untersuchen und evtl. auf den LT3652 verzichten.
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9.5

Herzlichen Dank an Alexander und Peter, die mir mit ihren Konstruktiven 
Beiträgen geholfen haben.

[Alexander S. (esko)]

Martin schrieb:
> Für die nächste Hardware-Revision werde ich die ICL7665-Lösung näher
> untersuchen und evtl. auf den LT3652 verzichten.

Für einen ersten Test kannst du einfach mal den LT3652 weglassen. So wie 
auf dem Bild eingezeichnet.

> Herzlichen Dank an Alexander und Peter,

Gerne. Ich würde mich natürlich freuen, wenn du weitere Ergebnisse, 
falls vorhanden, hier posten könntest.

[Martin (Gast)]

Kleiner Nachtrag:
Eine Teststeuerung lief von August bis November letztes Jahr mit einem 
kleinen, selbstgebauten Datenlogger.

Zum Vergleich im Anhang ein Tag, an dem die Sonne schien und ein trüber 
Tag. (Ich schließe jetzt von den Spannungswerten auf das Wetter, 
Aufzeichnungen darüber habe ich nicht ;-)
Man sieht, dass am trüben Tag die Spannung vom Panel nicht über die 
Akkuspannung kommt. Das ist im ersten Stromdiagramm auch genau der 
Punkt, wo der Regler sowohl vom Akku als auch vom Panel Strom zieht...
Bei Sonnenschein funktioniert der Regler ganz ordentlich, mittags im 
Diagramm war der Akku sogar voll geladen.

@Alexander: Werde die Variante ohne Regler mal mit dem Datenlogger 
laufen lassen und in ein paar Tagen davon berichten.

[Norbert S. (norberts)]

Hi,

die ganze Wandelei und MPPT ist in diesem Fall total kontraproduktiv.
Kritisch sind wie richtig bemerkt ja die schlechten Tage, also braucht 
man auch nur die durchzurechnen.
Im Schnitt sind es im Januar in D pro Tag nur 0,5kWh/m², das sind auf 8h 
verteilt popelige 0,125W oder 7,5mA. Das ist der Schnitt, da gibt es 
auch mal weniger über 2 Wochen.
Nun alleine schon die Hälfte davon für die Laderegelung zu verballern 
ist natürlich Blödsinn.
Dazu kommt, daß die Leistung des Moduls so nahe unterhalb des MPPT kaum 
weniger ist als im MPP. Da müsste der Wandler schon über 95% 
Wirkungsgrad haben, damit überhaupt hinten mehr Leistung rauskommt.

Also: Schmeiss den ganzen Kram raus, Diode in Reihe und dann einen 
Shuntregler der in Ruhe nichts verbraucht.
Alternativ einen LDO-Regler mit ganz wenig Eigenverbrauch.

Gruß,
Norbert

[Dieter P. (low_pow)]

Wenn möglich irgendwie den Energieverbrauch senken, ich nehme an
das PV-Modul ist vorgegeben ( amorph wegen der Optik ? ) und
mehr ist nicht möglich.
Wenn ein neues System schon Probleme macht, wie ists dann erst
bei Alterung oder Verschmutzung des Moduls?
Was auch hilfreich sein könnte, wären Angaben in welcher Richtung
die Problem-Rollos verbaut sind.Bei Fensterrollos auch das Stockwerk,
im EG dürfte weniger Sonne sein.Könnte es Probleme mit Abschattungen
geben?

Gibt es eine Möglichkeit zumindest Teile der Elektronik nachts
abzuschalten? Solargartenleuchten etwa verwenden dazu die
Modulspannung.

[Martin (Gast)]

Hallo zusammen.

Danke für die vielen konstruktiven Ratschläge.
Leider hat es mit dem Datenlogger nicht richtig über längere Zeit 
funktioniert (andere Baustelle...)

Anbei eine kurze Aufzeichnung von heute über die Mittagszeit, da war es 
kurz sonnig, dann fing es an zu regnen.
Während der sonnigen Phase hat es schön geladen. Aber auch danach war 
die Panelspannung noch über der Batteriespannung, so dass zumindest der 
Eigenstrombedarf der Schaltung gedeckt war.

@Dieter: Ja, das Modul ist vorgegeben. Dürften aber eher wirtschaftliche 
Aspekte sein und nicht die Optik ;-)
Die problematischen Rollos waren tatsächlich suboptimal ausgerichtet. 
Irgendein Spezialist hatte seines in Nord-Ausrichtung verbaut. Die Höhe 
dürfte nicht das Problem sein, da es sich ausschließlich um Dachfenster 
handelt.
Zeitweise abschalten kann ich nicht wirklich was. Wir wollen dem Kunden 
nicht aufzwängen, dass er seinen Rollo nur bei einer gewissen Helligkeit 
bedienen kann...

[7-Gscheita (Gast)]

Es heißt auf deutsch Solarpaneel und auf engl. panel!! Dann schreibt man 
solar panel!!

LG