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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bleiakku-Lader: Hilfe bei Auslegung von Lade-Schwellen


Autor: Robin S. (der_r)
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Hallo zusammen,


wenn ich die Forumssuche bemühe, finde ich etliche Beiträge zum Thema 
Bleiakkus laden. Jedoch habe ich einen ziemlichen Spezialfall vorliegen, 
an dem ich gerade hänge.

Hintergrund: Für einen Gartenbrunnen möchte ich gerne mittels 15W 
Solarmodul eine 7.2Ah Blei-Gel-Versorgung aufbauen. Ausgehend von einem 
leeren Akku wird die gesamte Energie des Solarmoduls ins Laden gesteckt. 
Sobald dann der Akku nicht mehr die gesamte Energie aufnimmt, wird der 
Überschuss an die Pumpe geleitet, sodass der Brunnen auch ohne 
Akkubetrieb zu Laufen beginnt (am Abend kann man dann manuell die Pumpe 
auch vom Akku starten).

Das übliche "über 13,8V aus, darunter an" kommt also weniger infrage, da 
so der Brunnen andauernd an- und ausgehen würde.

Da das ja nicht dem klassischen Fall "Laden bei gleichzeitig 
angeschlossener Last" enstpricht (da wirklich nur die überflüssige 
Zufuhr in die Pumpe geleitet werden soll), habe ich mir einige Lösungen 
überlegt (siehe Bild).



1.) Ich baue einen PWM-Laderegler, der ab einer gewissen Spannung des 
Akkus das Tastverhältnis kontinuierlich herunterstellt, wie im linken 
Schaubild. Dabei ließe sich z.B. bei 60% An-Zeit in den restlichen 40% 
der Zeit die Pumpe ans Solarmodul zuschalten.
--> Problem: Ab welcher Spannung (A) fange ich bei einem 12V Blei-Gel 
Akku am besten an, das Tastverhältnis zu verkleinern und bei welcher 
Spannung (B) soll der Akku 0% und die Pumpe 100% der Energie abbekommen?

2.) Ich baue den gleichen Laderegler, allerdings ist das Tastverhältnis 
bei der Ladeschlussspannung (C) direkt auf 0 "abgeschnitten". Etwa so 
wie im rechten Schaubild.



Hat jemand eine Idee, welche dieser beiden Methoden besser ist oder gar 
einen ganz eigenen Vorschlag?
Und: Wie würdet ihr die Spannungen wählen, schließlich soll der Akku 
schon einigermaßen voll geladen, gleichzeitig natürlich auch nicht 
überladen werden. Ich nehme mal an, man könnte C wohl auf 13,8V setzen, 
aber bei der Dimensionierung von A und B tue ich mich schwer.


Danke für die Einschätzungen.


Robin

: Verschoben durch Moderator
Autor: Mark S. (voltwide)
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Wenn Du den Akku bis zum Ladeschluß von 14,4V auflädtst, und danach die 
Ladung abschaltest, fällt auch ohne Last die Akkuspannung innerhalb 
weniger Minuten auf 13..13,5V ab. Bei einem alten Akku noch weiter....

Autor: batman (Gast)
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Robin S. schrieb:
> --> Problem: Ab welcher Spannung (A) fange ich bei einem 12V Blei-Gel
> Akku am besten an, das Tastverhältnis zu verkleinern und bei welcher
> Spannung (B) soll der Akku 0% und die Pumpe 100% der Energie abbekommen?

Schlechte Idee. Da hast du keine Kontrolle über den Ladezustand, 
nichtmal über die momentane Ladeleistung. Ein reiner Blindflug mit 
Zufallsergebnis.

Nicht ohne Grund lädt man Bleiakkus grundsätzlich mit möglichst 
konstanter oder zumindest begrenzter Spannung, in diesem Fall (zyklische 
Verwendung) auf 2,4V/Zelle. Abschalten oder Runterregeln ist dem Fall 
sinnlos, da die Ladeleistung hier von selbst unter 1 Watt fällt, wenn 
der Akku mal voll ist.

Der Pumpe könnte man also immer soviel Saft geben, daß die Ladespannung 
von 14,4V nicht unterschritten wird. Dann ist schon sichergestellt, daß 
die Akkuladung Vorrang hat.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

ich verstehe da was nicht: die Pumpe will bei 12V xxA haben, damit sie 
läuft und so pumpt, das es ein Springbrunnen ist. Dieser nötige Strom 
muß entweder vom Akku, vom Solarmodul oder verteilt von beiden kommen.
Welche Energie willst Du da wie aufteilen? Du kannst nicht bei 12V 
Akkuspannung 0,5 A in den Akku schicken und den Rest in die Pumpe. Wie 
soll das gehen?

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: eagle user (Gast)
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Michael U. schrieb:

> ich verstehe da was nicht: die Pumpe will bei 12V xxA haben, damit sie
> läuft und so pumpt, das es ein Springbrunnen ist.

will haben, bekommt sie aber nicht. Bei 12V bekommt sie sowieso 
garnichts weil der Akku noch (halb) leer ist. Ab z.B. 13.8V Akkuspannung 
bekommt sie den Strom, den der Akku nicht mehr aufnehmen mag. Je nach 
Sonnenstrahlung ergibt das 0 bis 13.x Volt an der Pumpe und mehr oder 
weniger viel Springbrunnen.

Bei dieser Konstruktion wäre der Laderegler ein Shunt-Regler, der die 
überschüssige Leistung nicht direkt verheizt sondern in den Brunnen 
pumpt. Das geht nur, wenn die Pumpe unter allen Umständen mehr Leistung 
aufnehmen kann als das Solarmodul liefern kann; aber davon kann man wohl 
ausgehen. Im Fehlerfall (z.B. die Pumpe läuft leer, weil die Fische das 
Wasser ausgetrunken haben) würde ich bei 13.8V plus x mit einem 
Thyristor das Solarmodul kurzschließen.

Aus dem Akku wird die Pumpe nur im Handbetrieb versorgt wenn die Sonne 
nicht scheint. Dazu könnte man einfach den Sollwert für den Pumpenstrom 
größer machen als der Laderegler vorgibt. Bonus: die Springhöhe wäre 
einstellbar.

Der Tiefentladeschutz muss wahrscheinlich nur den Handbetrieb blockieren 
wenn man die Schaltung stromsparend aufbaut. Gute Schaltregler brauchen 
bei Unterspannung nur wenige uA.

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Autor: Robin S.
>Das übliche "über 13,8V aus, darunter an" kommt also weniger infrage, da
>so der Brunnen andauernd an- und ausgehen würde.

über 13,8V aus, darunter an?
Eher umgekehrt, über 13,8V Pumpe an, darunter Pumpe aus.
Da kommst du nicht drum herum. Wenn das An und Ausschalten
nicht so schnell gehen soll, mußt du eben mit zwei Schaltschwellen
arbeiten, über 13,8V Pumpe an, 12,5V Pumpe aus.

Autor: eagle user (Gast)
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Garnicht an/aus -- stufenlos regelt :)

Autor: Günter Lenz (Gast)
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eagle user schrieb:
>Garnicht an/aus -- stufenlos regelt :)

Stufenlos wird das wohl nicht gehen, wenn der
Motor am Anfang ganz wenig Strom bekommt, kommt
er nicht in Gange, es fließt dann Strom ohne
das er sich dreht.

Autor: eagle user (Gast)
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Günter Lenz schrieb:

> es fließt dann Strom ohne das er sich dreht.

Das stört doch nicht, schliesslich ist der Motor dazu da, die 
überschüssige Leistung aus dem Solarmodul zu verbraten. Wenn dabei eine 
Fontäne raus kommt, ist das ein netter Nebeneffekt ;)

Autor: chris (Gast)
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Du musst erstmal ermitteln wie hoch der Anlaufstrom der Pumpe ist und 
wieviel Strom benötigt wird um die Pumpe am laufen zu halten.

2tens wenn du die 13,8V erreicht hast und dann die Pumpe einschaltest 
wird dir die Spannung am Ausgang wegen dem Anlaufstromes wieder 
einbrechen und unterumständen unter 13,8V bleiben damit wird das gesamte 
Konstrukt schwingen.

Robin S. schrieb:
> Hintergrund: Für einen Gartenbrunnen möchte ich gerne mittels 15W
> Solarmodul eine 7.2Ah Blei-Gel-Versorgung aufbauen. Ausgehend von einem
> leeren Akku wird die gesamte Energie des Solarmoduls ins Laden gesteckt.

Da du BleiGel hast reichen 13,8-14V aus, höher würde ich wegen den 
Gasungseffekt, der hier nicht notwendig ist, nicht gehen.

Würde zwei Shunts einbauen einen Shunt zwischen Solarmodul und Regler 
und einen Shunt zwischen Batterie und Last. Sollte der Stromfluss über 
den ersten Shunt immer weniger werden aufgrund das die Batterieladung 
mehr wird veringert sich der Ladestrom. Wird hier ein gewisser Wert 
unterschritten wird per PWM die Pumpe angefahren so das der Stromfluß 
des ersten Shunts wieder gleich wird. Sollte sich nun im Zuge der 
Batterieentladung bei Schlechtwetter, die Batterie wieder Laden wollen 
steigt der Strom am ersten Shunt wird die Pumpe wieder runtergeregelt. 
Frage die bleibt wie du es haben willst ob auch bei leerer Bat das Modul 
soviel Energie bereistellen kann das die Pumpe auf einem Geringen 
Strompegel läuft und du dir so den Anlaufstrom umgehst ausser beim 
ersten mal... Aber da fehlen weitere Daten von dir

Autor: chris (Gast)
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eagle user schrieb:
> Günter Lenz schrieb:
>
>> es fließt dann Strom ohne das er sich dreht.
>
> Das stört doch nicht, schliesslich ist der Motor dazu da, die
> überschüssige Leistung aus dem Solarmodul zu verbraten. Wenn dabei eine
> Fontäne raus kommt, ist das ein netter Nebeneffekt ;)

Naja stören tuts schon. KANN die Spule abrauchen dann eher grundsätzlich 
das die Fontaine leicht sprudelt

Autor: batman (Gast)
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Die Sonne schaltet sich ja auch nicht sauber an und aus, so daß man bei 
Solarpumpen ohnehin eine Anlaufsteuerung braucht, wenn sie keinen 
"Standstrom" verbrauchen sollen.

Autor: chris (Gast)
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Das kann man mit einer Eingangspannung ja auch erkennen  wie sich die 
Sonne bzw die Wolken verhalten ;)

Autor: batman (Gast)
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Ja oder man pfeift einfach auf den geringen Standstrom, den eine 
Kreiselpumpe vor dem Anlauf zieht und der nichts kostet.

Autor: Thomas B. (thombde)
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Also PWM wäre mir zu umständliches, es gibt Laderegler die die 
überschüssige Energie (wenn Akku voll)  nicht im Shunt verheizen, sonder 
an einen Verbraucher weiterleiten. Voraussetzung ist aber, dass das 
Modul genügend Leistung hergibt um die Pumpe direkt zu betreiben.
Solarpumpen begnügen sich aber eigentlich mit sehr wenig Strom.
Hast Du ein Datenblatt von der Pumpe?

Da ich zu faul zum zeichnen war, habe ich mal ein Beispiel gescannt
20 Jahre alt, aber müsste funktionieren.

Autor: Robin S. (der_r)
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Hallo zusammen,


vielen Dank für die ganzen Antworten und sorry, dass ich mich jetzt erst 
wieder melde. Ich habe in der Zwischenzeit, inspiriert von Thomas B. und 
den anderen Beiträgen, mal mit einem LM239 einen kleinen Laderegler 
gebaut (allerdings für ein Solarlicht mit Dämmerungssensor... wollte ich 
sowieso auch bauen). Das funktioniert soweit, wie ich mir das 
vorgestellt habe. Allerdings natürlich nicht für mein Vorhaben, das 
"harte An/Aus" durch einen fließenden Übergang zu ersetzen.


Thomas B. schrieb:
> Da ich zu faul zum zeichnen war, habe ich mal ein Beispiel gescannt
> 20 Jahre alt, aber müsste funktionieren.

Danke für den Schaltplan! Im Wesentlichen erkenne ich da aber einen 
Komparator mit etwas Hysteresebeschaltung, dann bin ich ja aber doch 
wieder bei "Pumpe an" oder "Pumpe aus", was ich vermeiden will.

eagle user schrieb:
> Bei dieser Konstruktion wäre der Laderegler ein Shunt-Regler, der die
> überschüssige Leistung nicht direkt verheizt sondern in den Brunnen
> pumpt. Das geht nur, wenn die Pumpe unter allen Umständen mehr Leistung
> aufnehmen kann als das Solarmodul liefern kann; aber davon kann man wohl
> ausgehen. Im Fehlerfall (z.B. die Pumpe läuft leer, weil die Fische das
> Wasser ausgetrunken haben) würde ich bei 13.8V plus x mit einem
> Thyristor das Solarmodul kurzschließen.

Die Idee, die Pumpe für einen Shuntregler zu verwenden, finde ich am 
vielversprechendsten. Das Anlaufmoment dürfte in der Tat ziemlich egal 
sein, dann verheizt man eben ein Bisschen was im Motor, aber was soll's.

Daher schwebt mir jetzt vor: Akku (über Schottky-Diode) an die 
Solarzelle hängen und laden lassen, sobald aber der Akku voll wird, die 
Solarzelle periodisch "kurzschließen", wie das ja auch normale 
Parallel-Shuntregler machen. Nur dass eben "kurzschließen" in meinem 
Fall bedeutet, die Pumpe mittels PWM stetig weiter hochzuregeln.
Ab einer gewissen Spannung kann man dann immer noch einen kompletten 
Kurzschluss auslösen (Sicherheit).



Aber auch hier habe ich jetzt das Problem, ab welcher Akku-Spannung (die 
ja auf den Ladezustand schließen lässt) beginne ich, das Tastverhältnis 
der Pumpe von 0 an zu erhöhen?

Und: Käufliche Shuntregler kennen scheinbar nur "kleiner 13,8V oder 
größer", aber so ganz ohne Hysterese werden die wohl nicht arbeiten, 
oder irre ich mich da? Sonst könnte ich ja die beiden 
Hysterese-Schwellen eines üblichen Shuntreglers hernehmen und eine 
Gerade durchlegen, dann habe ich meinen linearen Anstieg des 
PWM-Tastverhältnisses?

Autor: batman (Gast)
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Wenn du den R9 aus Thomas' Schaltung wegläßt, läuft der auch linear ohne 
Hysterese aber es ist ja auch keine große Sache, eine Spannung mit PWM 
aus einem AVR zu regeln. Ab 14,4V fängt er mit 1% Tastrate Motorstrom an 
und wenn er die 100% überschreitet, muß noch evt. eine zweite PWM 
loslaufen und die Panelspannung phasenweise gegen Masse schalten.

Autor: Robin S. (der_r)
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batman schrieb:
> Ab 14,4V fängt er mit 1% Tastrate Motorstrom an
> und wenn er die 100% überschreitet, muß noch evt. eine zweite PWM
> loslaufen und die Panelspannung phasenweise gegen Masse schalten.

An sich klingt das mit 2 PWMs gut, so hatte ich das auch gedacht.

Sind die 14,4V aber nicht etwas hoch? Man liest sehr viel Verschiedenes, 
aber es ist ein Blei-Gel-Akku, wenn etwas durch Gasung entweicht, dann 
ist es weg. Nicht eher 13,8V?

Und wo würdest du dann die Punkte für "100% Motorstrom Pumpe" (ab da 
beginnt ja dann auch das richtige Kurzschließen) und "100% Kurzschluss 
des Solarmoduls" spannungsmäßig hinlegen?


14,4V Pumpe auf 1%, 14,6V Pumpe auf Maximum, 14,7V Solarmodul 
vollständig kurzgeschlossen?

Autor: batman (Gast)
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Was steht denn auf dem Akku drauf? Ich habe dort immer die 
Ladespannungen gefunden.
14,4V ist ein Standardkompromiß, ohne Berücksichtigung der tausend 
Kleinigkeiten und für den Amateurbereich meist gut genug.

Beim PWM Spannungsregelkreis gibts nur eine Sollspannung. Er folgt der 
einfachen Logik:

IF Uist > Usoll THEN  increase_Tastrate
ELSE                  decrease_Tastrate

Dann optinal für die 2.PWM (Panelkurzschluß) noch ein Einschub der Art:
increase_Tastrate:
 IF Tastrate == 100% THEN increase Tastrate2
 ...

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