Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik NiMH Akku mit Solarzelle laden


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von Steven J. (jodziste)


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Hallo,
ich möchte einen NiMH Akku (140mAh, 1,2V) mit einer Solarzelle mit 1,5V 
und ca. max. 30 mA laden.
Die Schaltung geht dann an einen Schaltregler. Das EN auch, welches 
dafür sorgt das bei ca. 1V Zellenspannung der Schaltregler in 
"Schlafmodus" geht und kaum mehr Strom zieht. Der Regler ist ein 
MCP1640.
Die zwei antiparallelen MOSFET's schalten den Ladestrom der Solarzelle. 
Normalerweise sind die im AN-zustand, damit wenn der µC (AVR) keinen 
Strom mehr (Zelle < 1V -> Schaltregler geht aus) immernoch weiter 
geladen wird aber jedoch nur in die eine Richtung.
Um eine Überladung zu vermeiden schaltet der µC die beiden Mosfet's high 
(ergo aus). Hier kommt auch die Frage auf welche Lademethode verwendet 
werden soll. Die Zeitgesteuerte Methode geht nicht da der Akku oft nicht 
vollkommen leer wieder geladen werden soll. Es soll alles an Energie was 
die Solarzellen geben gespeichert werden.(also geht es nicht erst 
Solarzelle anklemmen wenn der Akku leer ist und dann mit dem µC die Zeit 
stoppen)
Die Temperatur Methode (Zelle wandelt die Energie in Hitze um wenn sie 
Voll ist und weiter geladen wird, das wird erkannt und abgeschaltet) 
geht nach meiner Anschicht auch nicht, da alles sehr klein ist und 
verschiedenen Temperaturen ausgesetzt ist.
Bleibt nur noch die deltaU Methode. Da hab ich aber Zweifel wegen dem 
niedrigen Ladestrom welcher zu einem geringen Spannungsrückgang führt 
und ob dieser mit dem 10bit ADC messbar ist.
Oder einfach bei 1,45V Zellenspannung die Solarzelle abschalten?
Wie soll ich den Akku am besten vor Überladung schützen?
Ist meine Schaltung so funktionsfähig?
MfG, Steven

von asd (Gast)


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Mit der kleinen Solarzelle überlädst du den Akku sowieso nicht so sehr. 
Abschaltung bei Überladung brauchst du gar nicht. "Akku Voll" ist bei 
NiMH sowieso nicht so leicht zu detektieren. Wenn dir 30mA 
Dauerladestrom (sind sowieso max 12h pro Tag) bei 140mAh zu unheimlich 
ist, nimm einen 300mAh Zelle.

von Steven J. (jodziste)


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Danke für die Antwort.
Die 140mAh Zelle ist schon die größt mögliche für mein Vorhaben (kleiner 
Roboter). Ich würde lieber eine "richtige" Lösung vorziehen, da ich auch 
möchte das der Akku lange hält.
Der Besagte Akku ist der hier:
https://www.reichelt.de/Memopuffer/1-100-DKO/3/index.html?ACTION=3&LA=5&ARTICLE=1142&GROUPID=1016&artnr=1%2F100+DKO
Das ist der einzige der von der Form her passt.
MfG, Steven

von THOR (Gast)


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Steven J. schrieb:
> Um eine Überladung zu vermeiden schaltet der µC die beiden Mosfet's high
> (ergo aus)

Du könntest auch einfach die Solarzelle mit dem FET kurzschließen und ne 
Diode vor den Akku setzen. Aber dafür sind die 1,5V natürlich zu knapp 
dimensioniert.

Steven J. schrieb:
> Es soll alles an Energie was
> die Solarzellen geben gespeichert werden.

Das ist ohne Leistungsanpassung eh kaum möglich.

Steven J. schrieb:
> Oder einfach bei 1,45V Zellenspannung die Solarzelle abschalten?

Ja. Macht auch jede Solarlampe so.

Steven J. schrieb:
> Wie soll ich den Akku am besten vor Überladung schützen?

Indem du die Energiezufuhr stoppst. Entweder so wie du: Solarzelle 
abtrennen.
Oder indem du die Solarzelle kurzschließt. Das wiederum ginge schon mit 
nem kleinen NPN, 2n3904 oder so.

Steven J. schrieb:
> Ist meine Schaltung so funktionsfähig?

Im Datenblatt vom BSS83 steht nichts davon, dass der sich bei 1V Ugs 
sicher einschalten lässt.

von THOR (Gast)


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Meine Herangehensweise an das Problem wäre folgende:

-Akku mit höherer Spannung verwenden, beispielsweise Li-Ion oder 
Reihenschaltung von Zellen
-Solarmodul-Leerlaufspannung unter die Nennspannung des Akkus auslegen
- Low Voltage Step-Up wie den MCP1640 zur Spannungserhöhung einsetzen
- Den uC die Spannung des Solarmoduls und des Akkus messen lassen
- Den uC den Step-Up so steuern lassen, dass der MPP ungefähr 
eingehalten wird (nach der Konstantspannungsmethode um eine Strommessung 
zu vermeiden).

Da hat man eine Leistungsanpassung mit drin UND der Step-Up beinhaltet 
schon die Diode die verhindert dass sich der Akku nachts in das 
Solarmodul entlädt. Und man kann den Step-Up abschalten sobald der Akku 
voll ist.

von batman (Gast)


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Steven J. schrieb:
> ich möchte einen NiMH Akku (140mAh, 1,2V) mit einer Solarzelle mit 1,5V
> und ca. max. 30 mA laden.
Durch die Transistoren werden aber kaum viel mehr als 3mA kommen, wenn 
ich das richtig überschlage. Bei so kleinen Spannungen sollte man wohl 
die Spannung besser per Last regeln.

von Steven J. (jodziste)


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Hallo,
ich habe die Frage falsch gestellt:
Wie erkenne ich wenn der Akku voll ist?
Das mit den 1V als Ugs ist mir entgangen. Gibt es selbstleitende (n oder 
p) Mosfets die ab 3V Ugs sperren?
Die Mosfets sind natürlich Antiseriell geschaltet wie im Schaltplan.
Der 1,5V Akku ist wegen der beschränkten Baugröße/Gewicht. Li-Ion/Li-po 
ist schwierig zu laden (CC dann CV) und hätte bedenken wegen der 
Sicherheit ohne einen extra IC (sowas wie MAX1811). Auch ist wenig Platz 
da und der Preis sollte niedrig sein. Mehrere Zellen hab ich nicht 
gefunden die so winzig sind das sie passen würden.
MfG Steven

von THOR (Gast)


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Steven J. schrieb:
> Gibt es selbstleitende (n oder
> p) Mosfets die ab 3V Ugs sperren?

Machs nicht so kompliziert. Es gibt PNP Transistoren die ab ner Ube von 
0,6V leiten. Das sollte reichen.

Steven J. schrieb:
> Li-Ion/Li-po
> ist schwierig zu laden (CC dann CV) und hätte bedenken wegen der
> Sicherheit ohne einen extra IC (sowas wie MAX1811).

Laden ist bei dem geringen Solarmodulstrom kein Problem und es gibt ja 
sowas zum Glück auf fertig. Kauf dir nen Ipod Nano Ersatzakku oder nen 
alten Handyakku.

Ne runde NiMH Industriezelle ist jetzt auch kein Platzwunder, vor allem 
nicht in nem eckigen Gehäuse.

Steven J. schrieb:
> Wie erkenne ich wenn der Akku voll ist?

An der Spannung. Sobald die Ladeschlussspannung erreicht ist, schaltest 
du ab. Bei den geringen Ladeströmen reicht das völlig.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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> Wie erkenne ich wenn der Akku voll ist?

Gut gefragt, das ist nämlich die Königsdisziplin and der immer noch 
viele Ladegeräte aus dem 21. Jahrhundert scheitern. Zumindest wenn man 
auf Zuverlässigkeit Wert legt.

Wenn der Akku voll ist und mit ausreichend Strom weiter geladen wird, 
wird er warm. Diese Temperaturänderung kann man messen und erkennen, 
aber nur, wenn man keine anderen störenden Temperatureinflüsse hat (wie 
Sonnenlicht, Erwärmung durch Laststrom, andere Bauteile, etc).

Zweitens sinkt die Spannung ein kleines bisschen (einstellige mV), wenn 
der Akku wegen Überladung warm wird. Das kann man messen und erkennen. 
Setzt aber auch einen ausreichend hohen Ladestrom voraus.

Mit der kleinen Solarzelle wird das nicht gehen. Sie liefert dazu nicht 
genug Strom und nicht konstant genug.

Der Witz ist: Man kann nicht erkennen, wann der Akku voll ist. Man kann 
nur erkennen, wenn er überladen wird.

Normale Ladegeräte begrezen sicherheitshalber den Ladevorgang zusätzlich 
nach Zeit. Was bei deiner Solar-Anwendung aber auch kaum Sinnvoll 
erscheint.

Bei LiIo Akkus ist das viel einfacher. Schade ist bei denen nur, daß sie 
so gefährlich sind.

: Bearbeitet durch User
von Steven J. (jodziste)


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Danke für die Antworten
@ Thor
Du möchtest also einen Lipo/Li-Ion Akku mit interner Schutzschaltung 
verwenden? Schützt die auch gegen Unterspannung? Ist das sicher?
Dann würde ich das so machen wie Vorgeschlagen, also die Solarzelle an 
den MCP1640 und dahinter den Lithium Akku. Spannung von Akku und 
Solarzelle messen.
Wie würde ich aber mit dem µC den Schaltrgler dazu bringen am MPP der 
Solarzelle zu arbeiten?

von batman (Gast)


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Fürs Gröbste kann man die Spannung als Indikator für die Ladung nehmen. 
Ist aber mit den ganzen Toleranzen aufwändig einzustellen.

Der µC muß ab und zu anlaufen und die Spannung kontrollieren. Ist sie zu 
hoch (Akku überlädt), muß er mit Ballast dagegenhalten.

von THOR (Gast)


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Steven J. schrieb:
> Du möchtest also einen Lipo/Li-Ion Akku mit interner Schutzschaltung
> verwenden? Schützt die auch gegen Unterspannung? Ist das sicher?

So sicher wie ein Handy halt. Keine Samsung Akkus nehmen.

Steven J. schrieb:
> Wie würde ich aber mit dem µC den Schaltrgler dazu bringen am MPP der
> Solarzelle zu arbeiten?

Den Feedback-Pin manipulieren. Strom reindrücken oder rausziehen.

Man kann natürlich auch den uC direkt als Schaltwandler verwenden. Je 
nachdem ob der sowieso ständig läuft oder nicht.

von Steven J. (jodziste)


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Also mit PWM den ENable Pin manipulieren, dass ich an der Solarzelle die 
MPP Spannung messe?
µC direkt als Schaltwandler eher nicht, weil ich nicht genug Pins habe 
und die Schaltfrequenz eh niedrig ist (max. 31khz) und ich keinen Platz 
für große Spulen habe. Auch glaube ich nicht das die Effizienz so 
berauschend wäre. Und der µC schläft wahrscheinlich auch manchmal.

von THOR (Gast)


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Steven J. schrieb:
> und die Schaltfrequenz eh niedrig ist (max. 31khz)

Mein Attiny85 läuft deutlich schneller. Man muss den Timer ja nicht mit 
maximaler Auflösung arbeiten lassen.

Steven J. schrieb:
> Also mit PWM den ENable Pin manipulieren, dass ich an der
> Solarzelle die
> MPP Spannung messe?

Ja. Ich hab das mit der Konstantspannungsmethode gemacht. I=0, 
Leerlaufspannung Voc messen.
Dann I steigern bis U = Voc*Faktor ist. Faktor ist vom Solarmodul 
abhängig. Ich hab so 60% genommen was eigentlich nen Tick zuwenig ist. 
Aber dann bekommt man bei bewölktem Himmel mehr Strom was mir wichtiger 
war als maximaler Erntegrad.
Je nach Füllfaktor des Solarmoduls sind so 70-85% wahrscheinlich. Musst 
du entweder vorher durchmessen oder (wie ich) ein Poti zum Verstellen 
einbauen.

von Steven J. (jodziste)


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Vielen Dank,
Das werde ich mal Probieren.
MfG, Steven

von Ralf G. (ralg)


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@ Steven J.

Darf ich ausnahmsweise mal fragen, was du da für eine Solarzelle geplant 
hast?
Was ich bis jetzt getestet habe, war sicher Bastelkram. Wenn da zur 
Mittagszeit eine Wolke im Norden aufgetaucht ist, war der 
Kurzschlussstrom nur noch im µA-Bereich :-(

von Steven J. (jodziste)


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von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Achte mal auf die Produktbeschreibung.

Kurzschluss-Strom 0,015A
Nennstrom 44mA

Klingt nicht sehr glaubwürdig.

In Wirklichkeit ist der Nennstrom laut Datenblatt 13mA.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Steven J. schrieb:
> Die zwei antiparallelen MOSFET's schalten den Ladestrom der Solarzelle.

Dein BSS83 ist zufällig einer der wenigen MOSFETs mit herausgeführtem 
Bulk, der keine parasitäre Diode hat, die in diesem Fall stört, also 
reicht von ihm einer.

ABER: Der BSS38 braucht zumindest -3.2V bis er leitet, und du hast nur 
-1.2V, bei lerem Akku gar -0.9V, der leitet also nie. Selbst wenn man 
-3.2V per invertierendem Schaltregler erzeugen würde, leitet der BSS83 
mit 120 Ohm was bei deinen gewünschten 33mA zu 4V Spannungsabfall führt. 
Du könntest deinen Akku also gar nicht laden.

Der 140mAh Akku verträgt laut Varta Datenblatt 14mA Ladestrom dauerhaft, 
da kann deine beiden Solarzellen in Reihe direkt dran, denn miss mal was 
bei denen im stockdunmklen bei 1.3V fliesst. Es werden nur Mikroampere 
sein, so sparst du die Rückwärtsstromdiode und deren Verluste. Zudem 
bringt eine 44mA Solarzelle in Deutschland draussen (Hausdach 
Südrichtung ohne Bäume) im Schnitt (nachts wie tags) nur 100uA, ein 
Überladen ist also ausgeschlossen, eher die Frage, ob die 
Selbstentladung (10% pro Monat maximal) nicht grösser ist..

von Ralf G. (ralg)


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Stefan U. schrieb:
> In Wirklichkeit ist der Nennstrom laut Datenblatt 13mA.
Ja, der Praktikant bei Conrad hat dort Mist eingetragen.

Steven J. schrieb:
> die hier zwei mal:
Danke.

Hmm. Ich habe mich mal in Diagrammdeutung versucht:
1000W/m² (feinste Sommersonne) -> Leerlaufspannung 1,89V -> 13mA bei 
1,5V
Ist zwar noch etwas hin. Aber: Winter, wolkenverhangen, 200W/m² -> 
Leerlaufspannung könnte noch bei 1,73V sein, aber fließt da noch Strom? 
Müsste man das aus den Diagrammen rauslesen können (wenn man Ahnung 
hat)?

von Steven J. (jodziste)


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Hallo,
der Fehler mit den 13mA statt 44mA ist mir schon aufgefallen. Conrad 
sollte das mal korrigieren.
Und ich habe mich für einen Lipo Akku entschieden, weil der nur einen 
Euro mehr kostet, kleiner und leichter ist.
der hier:
https://www.reichelt.de/MP3-Player-Smartphone-Akkus/AKKU-IPD-SH-2G-2/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=178971&GROUPID=4351&artnr=AKKU+IPD+SH+2G+2&SEARCH=%252A
MfG, Steven

von THOR (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Zudem
> bringt eine 44mA Solarzelle in Deutschland draussen (Hausdach
> Südrichtung ohne Bäume) im Schnitt (nachts wie tags) nur 100uA

Das ist deutlich zu wenig, selbst wenn man feste 30° Süd Ausrichtung und 
die Nachtphasen mit einbezieht.

Ralf G. schrieb:
> Ist zwar noch etwas hin. Aber: Winter, wolkenverhangen, 200W/m² ->
> Leerlaufspannung könnte noch bei 1,73V sein, aber fließt da noch Strom?
> Müsste man das aus den Diagrammen rauslesen können (wenn man Ahnung
> hat)?

Strom linear zur Beleuchtunsstärke. Aber Winter wolkenverhangen gern 
auch nur 50W/m². Wenn so richtig schwarze Wolken sind.

> Leerlaufspannung könnte noch bei 1,73V sein, aber fließt da noch Strom?

Bei der Leerlaufspannung fließt definitionsgemäß nie Strom.

Umpp wird etwas absacken, so auf 1,4V vielleicht. Impp ist Imppmax * 
50W/m²/1000W/m² = 650uA. Also so ziemlich gar nichts.
Das ist das bereits bekannte Problem der Solartechnik: Im Dunklen 
nutzlos.
Wenn im Winter die Sonne scheint, gehts nochmal auf so 300W/m² hoch, 
aber durch die meistens suboptimale Ausrichtung kommt davon wenig auf 
dem Solarmodul an.

von Ralf G. (ralg)


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THOR schrieb:
> das bereits bekannte Problem der Solartechnik: Im Dunklen nutzlos.

:-)

THOR schrieb:
> Bei der Leerlaufspannung fließt definitionsgemäß nie Strom.
Das ist schon klar. Ich wollte damit nur ausdrücken, dass ist das, was 
man aus dem Datenblatt noch ermitteln kann. Die 'Sommerwerte' kann man 
ja aus den Diagrammen und der Tabelle nachvollziehen.

THOR schrieb:
> Strom linear zur Beleuchtunsstärke. Aber Winter wolkenverhangen gern
> auch nur 50W/m². Wenn so richtig schwarze Wolken sind.
> ...
> Umpp wird etwas absacken, so auf 1,4V vielleicht. Impp ist Imppmax *
> 50W/m²/1000W/m² = 650uA. Also so ziemlich gar nichts.
Die 1,4V: Ist das geraten? Erfahrungswert? Ergibt sich das aus dem 
Verhältnis der Leerlaufspannung bei den verschiedenen 
Beleuchtungsstärken? (Würde bei mir 1,37V ergeben bei 200W/m², bei 
50W/m² noch darunter)

Nochmal zum Thema:
Steven J. schrieb:
> Ist meine Schaltung so funktionsfähig?
Man braucht viel Sonne!

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