Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Projekt: Solar Laderegler Eigenbau


von M. B. (maikomania)


Lesenswert?

Hallo erstmal,

ich möchte einen Laderegler für einen Akku bauen. Mit dem Akku soll ein 
Motor betrieben werden, welcher per Funk angesteuert werden soll. Es 
wird angenommen, dass der Motor höchstens 5 Minuten am Tag laufen soll.
Folgendes ist vorhanden:
-Motor: U=12V +-10%
I=1,4A
P=17W
t=5min=5/60h

W=Pxt=17Wx(5/60h)=1417mWh am Tag

-2-Kanal Funkemfänger:
U:12V
I1:180mA wenn beide Relais angezogen sind (Betrieb)
I2:10mA im Standby
t1:5min=5/60h Betriebszeit
t2:23 55/60h Zeit im Standby

elektrische Arbeit im Betrieb am Tag:
W1=UxI1xt1= 12Vx180mAx(5/60h)=180mWh
elektrische Arbeit im Standby am Tag:
W2=UxI2xt2= 12Vx10mAx(23+55/60)h=2870mAh

Benötigte Gesamtarbeit am Tag:
Wges=Wmotor+W1+W2=1417mWh+180mWh+2870mWh=4464mWh

Um Verluste mit einzurechnen gehe ich von einem Gesamtverbrauch von 
5000mWh aus. Der Verbrauch eines Ladereglers ist dabei noch nicht 
berücksichtigt da es diesen ja noch nicht gibt

-Solarzellen:
Es sind 14 dieser Module vorhanden.
Pro Modul:
Pmax:686mW
Umax:24,5V
Imax:49mA
Impp:38mA
Umpp:18V
A:140,3cm2

Laut Herstellerangaben ist bei einer mittleren Sonneneinstrahlung mit 
folgender Energieerzeugunng pro Tag zu rechnen:
Dezember(schwächster Monat): 2,4mWh/cm2 bei 14 Panels: 3732,4mWh
Juni(stärkster Monat):14,1mWh bei 14 Panels: 27694,8mWh

Um die schwachen Wintermonate zu puffern soll folgender Akku dienen:
-Bleiakku 12V 10Ah
Ladespg: 14,4V-15V
Max. Ladestrom: 3A

Nun möchte ich für diese Anlage einen Laderecger bauen. Ich habe mir 
dazu auch schon ein paar Gedanken gemacht. Allerdings habe mitt 
elektronischen schaltungen in der Praxis noch nicht viel zu tun gehabt 
und bitte deshalb um eure Hilfe.
Die Panel sollten parallel geschaltet werden. Somit würde eine 
Maximalstrom von Imaxges=49mA x 14=686mA fließen. Also gehe ich davon 
aus, dass eine Strombegrenzung nicht nötig ist.
Um die Spannung konstant zu halten könnte ich eine Z-Diode nutzen. 
Allerdings verheize ich ja dann die restliche Spannung an dem 
Vorwiderstand.
1) Habt ihr eine bessere Lösung?

Ausserdem bräuchte ich vermutich noch eine Diode damit kein Strom zurück 
in das Panel fließen kann. Das zweite große Thema ist der 
Teifentladeschutz.
2)Wie könnte ich den realisieren?

Ich hoffe ich konnte euch einen guten Überblick verschaffen. Falls noch 
nötige Informationen fehlen trage ich diese gerne nach. Ich hoffe ihr 
könnt mir helfen.
Gruß Maik

von Elektro L. (mathias_n)


Lesenswert?

Hallo,

was du benötigst ist eine gesteuerte Stromquelle. Wenn viel Sonne da, 
dann kannst du auch viel Strom in den Akku schieben.
Wenn wenig Sonne, dann kannst du auch nur ein wenig Strom in den Akku 
laden.

Als Ansatz würde ich einen Schaltregler nutzen und einen µC der die 
Eingangsspannung überwacht. Der µC erhöht solang den Ladestrom bis die 
Solarzellenspannung anfängt zusammen zubrechen. Bei diesem Punkt hört er 
auf. Dann würdest du das max. aus der Solarplatte ziehen.

Tiefentlade-Schutz macht dann ebenfalls der µC wenn Akkuspannung zu 
klein, dann nicht einschalten.

MFG
Mathias

von Jakob L. (jakob)


Lesenswert?

Zur Laderegelung gibt es mehrere Möglichkeiten:
* Schaltregler mit maximum power tracking: Betrieb der Solarmodule bei 
der Kombination aus Strom/Spannung, bei der die Leistung maximal ist
* Spannungsbegrenzung mit Z-Diode: Verheizung überschüssiger Energie 
nach Erreichen der Ladeschlussspannung
* Abschaltung nach Erreichen der Ladeschlussspannung (und 
Wiedereinschalten bei Sinken der Akkuspannung unter einen Schwellwert). 
Vorteil: Man muss nicht die Maximalleistung der Solarmodule verheizen.
* Keine Laderegelung: Je nach Akkutyp und Maximalstrom der Solarmodule 
kann man auf die Laderegelung auch völlig verzichten. Für die 700 mA der 
Solarmodule müsste der Akku dafür aber etwas größer werden. Bei 
Wartungsfreien Akkus ist das wegen der Gasung eher nicht zu empfehlen.

Es gibt übrigens auch eine Menge relativ günstiger fertiger Laderegler.

Denke auch an eine Diode, die ein Entladen des Akkus über die 
Solarmodule bei Nacht verhindert. Bei manchen (aber nicht allen) 
Solarmodulen ist die Diode integriert.

Zur Einsparung von Energie könnte man überlegen, ob man nicht den 
Funkempfänger nur zeitweise (z.B. alle 5 Minuten für 10 Sekunden) 
anschaltet.

Denke auch an die Selbstentladung des Akkus (siehe Datenblatt) sowie 
einen Tiefentladeschutz.

von M. B. (maikomania)


Lesenswert?

Vielen Dank erstmal für eure Antworten. Ein fertiger Laderegler kommt 
nicht in Frage aber Danke trotzdem für den Tip.
Es ist eine Überlegung wert es mit einem µc zu realisieren.
Momentan hab ich überlegt ob ich eventuell mit einer ZDiode eine 
Spannungsreferenz für einen Komparator erzeuge. wellcher bei 10,8V 
Tiefentlagespannung einen MOSFET abschaltet der dann die Last vom Akku 
trennt. Ich hoffe ihr versteht wie ich das meine :)
Der akku hat einen Max Ladestrom von 3A die werde ich ja nie erreichen, 
aber wie kann ich es am besten realiesieren dass der Akku nur so lange 
geladen wird bis er voll ist? Habt ihr da eventuell eine Idee? Am 
liebsten wäre es mir die Sache mit einer kleinen anallogen Elektronik zu 
lösen... ausser ihr ratet mir davin ab :)

von M. B. (maikomania)


Lesenswert?

Deinen Gedanken mit dem Abschalten des Funkempfängers verstehe ich nicht 
so ganz.... Wie sollte das funktonieren? Wenn ich den Motor dann 
ansteuern will müsste ich jja in deinem Beispiel genau in den 10 
sekunden die fernbedinung drrücken...

von Jakob L. (jakob)


Lesenswert?

Ja. Man kann die Sache natürlich mit halbwegs genauen Uhren auf beiden 
Seiten so machen, dass man weiß, wann man die Signale senden muss. Man 
kann das natürlich auch nur als Notlösung verwenden, wenn im Winter die 
Energie knapp wird.

Noch ein Hinweis zu den Solarmodulen: Im Winter ist eine steilere 
Ausrichtung der Module als im Sommer optimal. Da im Sommer sowieso genug 
Energie verfügbar ist, kann man ganzjährig eine für den Winter 
optimierte Ausrichtung verwenden.

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

> Um die Spannung konstant zu halten könnte ich eine Z-Diode nutzen.
> Allerdings verheize ich ja dann die restliche Spannung an dem
> Vorwiderstand.

Nein, macht man anders:

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9.5

                Diode
      +--------+--|>|---+-----------+-------+
      |        |        |           |       |
      |        |    +-------+       |   Verbraucher
 Solarmodul    I|---|ICL7665|---+  Akku     |
      |       S|    +-------+   +---(------|I MOSEFT
      |        |        |           |       |
      +--------+--------+-----------+-------+
            MOSFET

Der ICL7665 maht beides, Ladekontrolle und Tiefentladeschutz,
weil er 2 Spannungswächter enthält sogar mit einstellbarer
Hysterese (ausschalten des Akkus wenn er unter 11V fällt,
einschlten erst wenn er wieder 12V erreicht hat).

von M. B. (maikomania)


Lesenswert?

Ne das mit den Uhren ist auch zu stressig ;) Ich werd vermutlich für den 
Winter eine Notversorgung einebaun so dass man mit einem Netzteil den 
Akku laden kann. Allerdings ´gehe ich nach den berechnungen nict davon 
aus, dass man es brauchen wird. der Akku ist ja recht groß gewählt und 
man könnte somit zur Not ein paarr Tage überbrücekn... Die Panels werd 
ich wohl im 30° Winkel montieren dass soll die optimale Ausrichtung 
sein...

von Jakob L. (jakob)


Lesenswert?

Die 30° sind dann optimal, wenn man den gesamten Jahresertrag maximieren 
will. Bei den ganzen Anlagen mit Netzeinspeisung ist die Vergütung ja 
unabhängig davon, wann im Jahr man den Strom einspeist und man muss im 
Winter keine autarke Versorgung sicherstellen. Da die Sonne im Winter 
tiefer steht, ist ein größerer Winkel (60-70 Grad) da besser. Das senkt 
zwar den Ertrag im Sommer aber das spielt ja bei so einer autarken 
Anlage keine Rolle, da man im Sommer sowieso genug Strom hat und 
überschüssiger Strom nicht verwendet werden kann.

von M. B. (maikomania)


Lesenswert?

@ MaWin: Sorry hatte deinen Post errst übersehn :) Sehr hilfreich so 
ungefähr hatte ich mir das vorgestellt... ich denke dass ich es so 
machen werde... ich halte euch auf dem laufenden... Danke

@ Jakob: Das stimmt natürlich... Es ist wirklich eine Überlegung werd 
den Winkel so anzupassen. Danke.

von Purzel H. (hacky)


Lesenswert?

Je nach Umgebung und Wetter kann ein verschneiter Boden auch was 
beitragen

von M. B. (maikomania)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Also ich habe mich nun mal mit dem ICL7665 beschätigt und bin mir noch 
nicht ganz schlüssig wie es funktionineren soll.
Laut Datenblatt hat der ICL7665 einen invertierten Ausgang und einen 
nicht invertierten.
Ich habe den ICL hier mal in deine Schaltung eingebaut. Laut Datenblatt 
wäre genau die Abbildung 5 für mich zutreffend.
1) Da der eine Eingang invertiert ist, schaltet der Mosfet doch genau 
umgekehrt als ich es benötige oder? Sprich das Panel wird zugeschaltet 
wenn die Ladeschlussspannung des Akkus erreicht ist. wenn ich mir die 
Schalthysterese in Figure 5 anschaue...
2) Da mein Panel eine Leerlaufspg. von bis zu 24,5 V liefert, wird doch 
der ICL7665 immer davon ausgehen dass die ladeschlussspannung meines 
Akkus erreicht ist!? Oder habe ich da jetzt einen Denkfehler drin? Wenn 
ja bitte mit Begründung ;)
Danke schonmal

von M. B. (maikomania)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Die Diode hat noch gefehlt...

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

> Da der eine Eingang invertiert ist, schaltet der Mosfet
> doch genau umgekehrt als ich es benötige oder?

Wenn du den falschen Ausgang verwendest, ja.
Nicht /OVERVOLTAGE sondern /UNDERVOLTAGE.

Der Ausgang braucht noch einen Pull-Up (so
lange die Akkuspannung unter 20V und damit
der erlaubten Ugsmax bleibt)

Der MOSFET zum Verbraucher sollte plus abschalten,
ein P-Kanal MOSFET, hatte ich falsch gezeichnet.

      +--------+--|>|--+------+-------+---+-------+
      |        |      10k     |      10k  |       |S
      |        |       |  +-------+   +---(------|I P-MOSEFT
 Solarmodul    I|------+--|ICL7665|---+  Akku     |
      |       S|      Out2+-------+Out1   |   Verbraucher
      |        |              |           |       |
      +--------+--------------+-----------+-------+

Klarer ?

von M. B. (maikomania)


Lesenswert?

Nur nochmal verständnishalber, wenn die Ladeschlußspannung erreicht ist 
schaltet "OUT2" auf High und schließt über den N-Kanal MOSFET das Panel 
kurz.
Wenn die untere Spannung am Akku erreicht ist (z.B. 10,8V) schaltet der 
P-Kanal Mosfet aus, da ein High Signal vom Ausgang "OUT1" kommt.
Ich hoffe es ist so richtig :)

"Der Ausgang braucht noch einen Pull-Up (so
lange die Akkuspannung unter 20V und damit
der erlaubten Ugsmax bleibt)"

da verstehe ich dich noch nicht so ganz... Wieso sollte die Akkuspannung 
überhaupt >20V werden?
Vielleicht kannst du mir nochmal erklären wie du das generll mit dem 
Pulup meinst!?
Besten Dank

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

> Ich hoffe es ist so richtig :)

Ja.

> Wieso sollte die Akkuspannung überhaupt >20V werden?

Wenn du die Schaltung für einen 24V Akku verwenden willst.

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

Die Schaltung soll einen 12V Akku laden. Was meinst du zu meinen 
Bedenken wegen der Spannung der Panels? Kann es passieren dass der 
Komparator Den Akku abschaltet weil mein Panel 18V liefert? Die Angaben 
von meinen Panels stehen im ersten Beitrag. Sollte ich nicht vielleicht 
die Spannung vom Panel begrenzen?

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

> Kann es passieren dass der Komparator Den Akku abschaltet
> weil mein Panel 18V liefert?

Nein, dein Panel kann nicht mehr liefern, als die Ladeschlusspannung des 
Akkus, also 13.8 (oder 14.4) V. Darüber wird es kurzgeschlossen.

> Sollte ich nicht vielleicht die Spannung vom Panel begrenzen?

Nein, genau das tut der laderegler, wäre also doppelt gemoppelt.

von M. B. (maikomania)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Ok soweit wirklich erstmal vielen Dank für die Hilfe... aber ich habe da 
noch ein paar Fragen...

1) Wenn Usolar=18V, dann liegen am ILC7665 doch 18V an. Somit schaltet 
der ICL7665 doch den MOSFET welcher das Panel kurzschließt oder? Also 
würde der Akku nie laden, weil das Panel immer kurzgeschlossen ist oder 
bricht die Spannung des Panels auf die Akkuspannung zusammen bis die 
Ladeschlussspannung erreicht ist? Ansonsten hätte ich noch das Problem, 
dass der IC7665 mit V+ bis 16V arbeitet, aber das Pane Umpp= 18V 
liefert!?

2)Die angegebene Ladespannung vom Akku beträgt 14,4V-15V, nun bin ich 
mir nicht sicher wie hoch ich die Ladeschlusshystterese wählen soll. 15V 
Ladeschlussspannung ist schon recht hoch oder?

Dann nochmal interessehalber eine andere Frage
3) Wieso schließt man ein Solarpanel kurz und schaltet es nicht einfach 
in Leerlauf?

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

> 3) Wieso schließt man ein Solarpanel kurz und
> schaltet es nicht einfach in Leerlauf?

Weil man dann Promle mit den 18V und mehr haben würde.
Das Ergebnis (0A  viel V oder viel A  0V) ist gleich: 0 Verlust.

> Wenn Usolar=18V, dann liegen am ILC7665 doch 18V an.

Nein. Am ICL7665 liegt immer die Akkuspannung an, also maximal 13.8, 
14.4, 15V. Nie mehr. Dazu ist er ja da, zu verhindern, daß mehr Spannung 
am Akku ankommt.

Jedoch liegt an deinem Panal nie die Leerlaufspannbung von 18V, denn 
entweder es ist belastet durch den Akku und kann nur die Akkuspannung 
(+0.7V wegen der Dioe) liefern, oder es ist kurzgeschlossen.

> 2)Die angegebene Ladespannung vom Akku beträgt 14,4V-15V, nun bin ich
> mir nicht sicher wie hoch ich die Ladeschlusshystterese wählen soll. 15V
> Ladeschlussspannung ist schon recht hoch oder?

Zu hoch. Da es eher ein Dauerladen ist bei dem der Akku immer voll sein 
sollte, sind 13.8V das höchste der Gefühle. Bei 14.4 gast der Akku, 
verliert Elektrolyt und Kapazität und man müsste ständig nachkippen. 
14.4 macht man nur, wenn er schnell voll werden soll.

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

Hallo mal wieder...
ich habe da noch eine Frage zu dem Pullupwiderstand. Welche Funktion hat 
dieser genau? Und wie muss ich ihn dimensionieren? Sind die 10K ein 
Standartwert der bei meiner Schatung auch passt?

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Die Ausgänge schalten nur nach Masse. Damit der abgeschaltete Ausgang 
eine definierte Spannung bekommt, braucht es einen Pull-Up Widerstand. 
Die Schaltung hab ich so gezeichnet, daß im Moment wo der Akku sowieso 
leer ist, kein Strom durch die PullUps fliesst, also dürfen sie sichere 
10k haben ohne daß der Stromverbrauch der Schaltung eine zu hohe 
Belastung wird. 100k gehen aber auch. Selbst 1M wird funktionieren, die 
Verlustleistung an den MOSFETs wird dabei nicht zu hoch, vorausgesetzt 
du hast den Unterspannungssensoren eine gewisse Hysterese gegeben.

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

Danke... Ich brauche für meinen MosFet IRFP9140 ja min. 2V Uth damit er 
durchschaltet, damit er aber sicher komplett leitend wird brauche ich 
doch ca.5 V!?
Ich hoffe ich interpretiere deine Aussage nun richtig :)
Also... Über den Pullup widerstand darf doch nur eine gewisse Spannund 
abfallen sodass noch genügend Gatespannung anliegt damit der mosfet 
durchschaltet. Wenn nun der ICL den OUT1 auf Masse zieht dann fällt die 
komplette Spannung am Pullup widerstand ab und das Gate hat keine 
Spannung mehr, somit sperrt der MosFet.
So ist es doch oder?

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

> Ich brauche für meinen MosFet IRFP9140 ja min. 2V Uth damit er
> durchschaltet, damit er aber sicher komplett leitend wird brauche ich
> doch ca.5 V!?

Wie kommst du auf das dünne Brett ?
Schwierigkieten, das Datenblatt zu lesen ?

Vgs @ -10V nicht verstanden ? Du brauchst 10V.
Das ist ein uralter MOSFET als es LogicLevel noch nicht mal gab.

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

MaWin schrieb:
> Schwierigkieten, das Datenblatt zu lesen ?

Ja hab ich leider... :) Also ich bin davon ausgegangen dass meine 
Ugs(th) die Thresholdspg ist also Schwellwert spg. ab dem der Mosfet 
schaltet. Laut datenblatt min. -2v und max -4v. Belehre mich eines 
besseren....

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

MaWin schrieb:
> Schwierigkieten, das Datenblatt zu lesen ?

Ja hab ich leider... :) Also ich bin davon ausgegangen dass meine 
Ugs(th) die Thresholdspg ist also Schwellwert spg. ab dem der Mosfet 
schaltet. Laut datenblatt min. -2v und max -4v. Belehre mich eines 
besseren

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Bei Uth verlässt er grade eben den Sperrberich, aber lässt erst wenige 
Mikroampere durch.
Uth ist NICHT die richtige Spannug ab der er leitet.

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

Gut soweit sind un die Unklarheiten beseitigt. Der Laderegler ist nun 
aufgebaut und funktioniert einwandfrei. Nun kommt aber auch schon das 
nächste Problem...
Wenn ich zur Simulation als Verbraucher eine Glühlampe anschließe 
funktioniert alles bestens. Allerding möchte ich ja einen 12V 17W 
Gleichstrommotor damit betreiben. sobald ich diesen einsschalte fängt 
dieser an zu brummen und bewegt sich nicht. Den Motor habe ich natülich 
auch schon seperat getestet und er funktioniert eiinwandfrei. Benötige 
ich eventuell irgendwo einen Entstörkondensator oder so? Es kommt mir so 
vor als würde irgendetwas zu schwingen anfangen wenn ich den Motor 
einschalte... Danke schonmal

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Es würde mich nicht wundern, wennn der Anlaufstrom des Motors einfach 
viel zu hoch ist, z.B. für den P-MOSFET aber auch für den Akku 
(Einschalten des Motors = hohe Belastung, Akkuspannung bricht ein = 
Schaltung glaubt der Akku wäre schon tiefentladen und schaltet ab).
Was hat denn der Motor für einen Innenwiderstand ? 12V/r = Strom, und 
dann mal ein Blick ins Datenblatt des MOEFSTs bei 12V Ugs.
Wenn der MOSFET reicht, ein Kondensator von Set1 nach Masse von -keine 
Ahnung wie viel, du hast die Widerstandwerte NATÜRLICH nicht 
hingeschrieben- 470nF könnte helfen.

von M.B. (Gast)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Ja sorry also hier die Zeichnung mit Widerstandswerten...

von M.B. (Gast)


Lesenswert?

Also der Innenwiderstand ist 1,65 MOhm. Laut Hersteller 17W 12V 1,4A im 
belasteten Betrieb. Bei meinem Test war der Motor natürlich unbeastet 
und dann fließen 0,25 A. Ich habe zwar versucht mit meinem Multimeter 
den Spitzenwert des des Anlaufstroms zu messen allerdings scheint es zu 
träge zu sein.

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Wohl eher 1.65 Ohm und dann 7.2A Anlaufstrom was noch recht harmlos 
wäre, je nach MOSFET. Versuche es mit dem Kondensator.

Bitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.