Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Variable Last realisieren mit Buck Converter


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von rbcn (Gast)


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Die meisten Buck Converter /Tiefsetzsteller arbeiten so, dass auf eine 
konstante Ausgangsspannung geregelt wird, und entsprechent das 
Tastverhältnis angepasst wird.
Wenn man nun aber eine Stromquelle als Eingang hat und diese auf eine 
konstante definierte Eingangsspannung regeln möchte, wie verhält sich 
dann die Ausgangsspannung?
Beispielsweise wenn man eine Solarzelle gerade so belastet, dass sich 
ca. die MPP Spannung einstellt. Wenn wenig Sonne scheint, dann wird der 
Dutycycle sehr gering werden und die Ausgangsspannung ebenfalls....
Ich möchte aber am liebsten auch, dass der Ausgang eine bestimmte 
Spannung nur möglichst kurz unterschreitet. Brauche ich also eine 
Kombination aus einem Buckconverter und danach einen Boostconverter, der 
auf die Ausgangsspannung regelt? Das wäre natürlich vom Wirkungsgrad her 
ziemlich verheerend.
Gibt es bessere Möglichkeiten?

von Sunny (Gast)


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Du brauchst einen Buck-konverter mit einem zweiten Regelkreis, ein Kreis 
regelt die Ausgangsspannung, dieser hat Priorität. Ist die 
Ausgangsspannung unter Umax, wird die Eingangsspannung geregelt, bzw. 
die Eingangsspannung maximiert. Es gibt ICs, die genau das machen.

von rbcn (Gast)


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Das klingt sinnvoll. Wenn am Ausgang des Converters aber nun ein Akku 
hängt, wäre würde dieser dann nicht "nicht" geladen? Da der Regler sehen 
würde, ok, Spannung am Ausgang kleiner als Ladeschlussspannung => ich 
maximiere die Eingangsspannung. Aber wo bliebe dann die Leistung (da 
Pin= etwa Pout)?
Oder würde dann einfach die Spannung am Ausgang die Leerlaufspannung des 
angeschlossenen Akkus so weit übersteigen, dass sich der "richtige" 
Strom einstellt?

von Sunny (Gast)


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Solange die Ausgangsspannung unter der Ladeeendspannung liegt, arbeitet 
der MPP-Regler und die Eingangsleistung geht bis auf die Verluste des 
Wandlers in den Akku. Erreicht der Akku die Ladeendspannung wird die 
Eingangsleistung nicht mehr maximiert, sonder nur noch die 
Ausgangsspannung begrenzt. Das Modul wird dann in einem Arbeitspunkt mit 
nicht maximaler Leistung betrieben.

von rbcn (Gast)


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Ganau das wollte ich wissen! Danke.
Meine Überlegung bzw. mein Unverständnis liegt in folgender Betrachtung:
Annahme 24V sei die MPP Spannung.
Sagen wir, die Eingangsleistung der Schaltung beträgt 12W bei 24V und 
0,5A.
Wir vernachlässigen die Verluste des Wandlers.

a) die Batterie am Ausgang klemmen wir ab, die Regelung auf die 
Ladeendspannung deaktivieren wir und messen einfach die Spannung, die am 
Ausgang über einem Lastwiderstand R abfällt. Nach meinem Verständnis 
würden wir z.B. bei einem 12Ohm Widerstand 12V bei 1A messen. Bei einem 
6Ohm Widerstand 6V bei 2A. und so weiter und so weiter. (Beruhend auf 
der Annahme Pin=Pout) Stimmt diese Überlegung?

b) Wir bauen nun die leere Batterie (Spannung 8V) wieder dazu und nehmen 
an sie habe einen konstanten Innenwiderstand von 6 Ohm. Nun die 
Preisfrage, welche Spannung stellt sich an der Batterie ein? 8+6=14V??

Würde dann die Ausgangsspannung bei Leerlauf nicht unendlich hoch 
werden?

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

rbcn schrieb:
> Würde dann die Ausgangsspannung bei Leerlauf nicht unendlich hoch
> werden?

Nur, wenn die Sonne unendlich hell wird - Das dauert noch ein paar Jahre 
(wobei 'unendlich' da nicht passt, aber 'für uns' sollte Das dann 
trotzdem reichen) - lecker warm wird's dann auch.

MfG

von rbcn (Gast)


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Sehr lustig, nehmen wir an wir hätten am Eingang eine ideale Stromquelle

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

Sofern die offenen Klemmen, wo die Batterie fehlt, mit der 
Ausgangsspannung beaufschlagt werden, sollte auch hier die Spannung 
begrenzt werden und es wird begonnen, an der Eingangsspannung 
rumzuregeln.
Spätestens, wenn die Funkenstrecke nicht mehr ausreicht, sollte eine 
'natürliche' Begrenzung greifen - mit etwas weniger Konstruktion stirbt 
aber zuvor die Elektronik.

Oder von welchen Szenario gehen wir aus?

MfG

von rbcn (Gast)


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Bildlich gesprochen geht es mir darum ob man davon ausgehen kann, dass 
diese Leistung einfach in meine Batterie "gezwungen" wird, sofern nicht 
abgeregelt wird. Dass es also egal ist mit welcher Spannung eine 
Spannungsquelle (Batterie) den Ausgang selbst beaufschlagt.

Beitrag #5101378 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5101380 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5101385 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Sunny (Gast)


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> Würde dann die Ausgangsspannung bei Leerlauf nicht unendlich hoch
> werden?

Bei einem Buck-Wandler kann die Ausgangsspannung maximal die 
Eingangsspannung sein, und das ist die Leerlaufspannung des Solarmoduls.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Patrick J. schrieb:
> rbcn schrieb:

>> Würde dann die Ausgangsspannung bei Leerlauf nicht unendlich hoch
>> werden?
>
> Nur, wenn die Sonne unendlich hell wird

Unsinn.

Wenn in den Wandler vorn eine konstante Leistung reinfließt, dann muß 
(unter Vernachlässigung des Wirkungsgrads) hinten die gleiche Leistung 
auch wieder rausfließen. Wenn der Lastwiderstand variabel ist, dann wird 
auch die Ausgangsspannung variabel gemäß P = U²/R = const.

Und wenn der Lastwiderstand gegen unendlich geht (Leerlauf) dann steigt 
auch die Ausgangsspannung auf unendlich. Die Leistung am Eingang muß 
dafür nicht unendlich groß sein. Einfach die obige Formel nach U 
umstellen. Der einzige Wert von P, für den das bei R -> inf. nicht 
explodiert, ist P=0.

Natürlich nur in der Theorie. In der Praxis findet die Spannung irgendwo 
einen Weg. Es fließt wieder Strom und die Leistungsbilanz gleicht sich 
aus.


PS: ich merke gerade erst, daß die Betreffzeile den Wandler auf "Buck 
Converter" einschränkt. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung 
natürlich nicht über die Eingangsspannung steigen. Im Leerlauf kann 
der Wandler dann schlicht nicht mehr die 12W aus der Quelle aufnehmen, 
weil es keinen Pfad gibt, auf dem der aus der Quelle zu entnehmende 
Strom fließen könnte. Dadurch fällt die Eingangsleistung auf 0 und die 
Gleichung paßt wieder.


rbcn schrieb:
> b) Wir bauen nun die leere Batterie (Spannung 8V) wieder dazu und nehmen
> an sie habe einen konstanten Innenwiderstand von 6 Ohm. Nun die
> Preisfrage, welche Spannung stellt sich an der Batterie ein? 8+6=14V??

Nein.

Wenn 12W aus dem Wandler kommen, dann dürfen bei 14V nur ~0.86A fließen. 
Dann würden aber nur ~5.14V am 6R Widerstand abfallen. Bei einem Strom 
von 1A würde der Wandler hingegen 14W liefern, also mehr als vorne 
reinkommt. Geht also auch nicht. Der Strom liegt irgendwo zwischen den 
beiden Werten und die Spannung etwas unter 14V.

PPS: https://www.wolframalpha.com/input/?i=8+%2B+6*x+%3D+12%2Fx

I ~= 0.897A, U ~= 13.38V


rbcn schrieb:
> Bildlich gesprochen geht es mir darum ob man davon ausgehen kann,
> dass diese Leistung einfach in meine Batterie "gezwungen" wird

Im Prinzip schon. Wobei die Folgen in der Praxis (überkochender 
Bleiakku, explodierender LiPo-Akku) nicht wesentlich erfreulicher sind, 
als der Spannungsüberschlag im Leerlauf.

> Dass es also egal ist mit welcher Spannung eine
> Spannungsquelle (Batterie) den Ausgang selbst beaufschlagt.

Ich nehme an, du meinst nicht Batterie, sondern Akku.

Dann solltest du als erstes mal zur Kenntnis nehmen, daß ein Akku nur 
sehr annähernd als Spannungsquelle mit Innenwiderstand modelliert werden 
kann. Beim Laden und ganz besonders am Ladeende, geht diese Modellierung 
aber in die Hose.

Was die Spannungslage angeht: ja, in der Tat führt der Ladestrom in 
Verbindung mit dem Innenwiderstand zu einem stromabhängigen Anstieg der 
Klemmenspannung. Aber: der ist niemals so hoch wie in deinem Beispiel, 
sondern bewegt sich bei wenigen % der Leerlaufspannung.

Wenn ein 12V Akku einen Innenwiderstand von 6R hätte, dann wäre der 
Ladewirkungsgrad bei 1A Ladestrom bei ziemlich grottigen 66%. Und das 
ist nur der Wirkungsgradverlust, der vom Innenwiderstand kommt. Verluste 
in der Akkuchemie kommen da noch oben drauf.

: Bearbeitet durch User
von Klaus (Gast)


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rbcn schrieb:
> Würde dann die Ausgangsspannung bei Leerlauf nicht unendlich hoch
> werden?

Nein. Eine Solarzelle ist eine Diode. Die Spannung steigt nur bis zu 
einem Diodendrop pro Zelle, ab dann leitet die Diode.

MfG Klaus

von Boris O. (bohnsorg) Benutzerseite


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Ganz so einfach ist das nicht, weil eine Solarzelle mal eine Stromquelle 
(geringe Sonneneinstrahlung, Spannung bricht je nach Lastwiderstand bis 
auf 0V ein, während noch immer Strom fließt) und mal eine 
Spannungsquelle (hohe Einstrahlung, open circuit voltage) ist.

Mit einem Schaltregler verlegst du die Regelung von der Ausgangs- auf 
die Eingangsseite. Die Pulsbreite wird nicht von der Last geregelt, 
sondern vom Algorithmus für den Punkt maximaler Leistung (derer gibt es 
mindestens 5: open circuit voltage, short circuit current, perturb & 
observe, fuzzy logic, incremental conductance – bitte separat 
studieren).

Nun hängt es von der Last und der lastseitigen Regelung ab, welche 
Spannung sich einstellt. Es gäbe im komplexest möglichen Fall (CC-CV mit 
Coulomb-Zähler und Endabschaltung nach unterschreiten der 
Ladestromschwelle) 3 Zustände: 1. Konstantstromregelung alles was 
reinkommt wird abgegeben, bis ein Maximalstrom überschritten wird (Dann 
wird oberhalb des max.Power-Points gearbeitet, d.h. ein Teil der 
Solarenergie wird im Panel in Wärme umgesetzt), ist 2. eine 
Schwellenspannung erreicht, wird auf konstante Spannung geregelt und 
wenn dann 3. der Ladestrom zu klein geworden ist und ausreichend Ladung 
gespeichert wurde, schaltet das System ganz ab, um Überladung zu 
vermeiden.

Es kann also durchaus passieren, dass im Konstantstrommodus die Zelle zu 
wenig Strom liefert, weswegen der MPPT-Algorithmus den Maximalstrom 
bestimmt. Ebenso nimmt die Last nicht genügend Leistung ab und der 
MPPT-Algorithmus wird ausgesetzt, die Eingangsspannung steigt. Weiters 
passiert es im Konstantspannungsbereich, dass der Strommangel auf der 
Eingangsseite eine Unterschreitung des Minimalstromes bedeuten würde und 
die ausgangsseitige Regelung einen Ladeschluss erkennt – die 
Ladungsmenge reicht aber noch nicht aus.

Das geht nicht mit einem einfachen Schaltregler und einem 
Spannungsteiler und es genügt auch nicht, Strom- und Spannung zu messen. 
Im Fall von MPPT per incremental conductance brauchst du sogar einen 
ordentlichen Gleitkommarechner, der wiederum Strom braucht, der von der 
Effizienz abgeht.

Für ein Mini-Panel mit weniger als 5W reicht ein einfacher 
USB-Laderegler mit Stromanpassung, bspw. MCP73871. Bei 10-50W würde ich 
open circuit voltage machen. Ohne Temperaturkompensation genügt ein 
einfacher Baustein wie der BQ24650. Jenseits davon, so ab 100W, lohnen 
sich 2-5mA für einen Mikrocontroller, um perturb&observe zu machen. Erst 
im kW-Bereich würde ich einen 32bit-Prozessor und incremental 
conductance machen. Meistens wird dann aber ein Hauptregler verwendet, 
der an einer Referenzzelle misst und das Steuersignal auf alle weiteren 
plumpen Regler ohne Controller weiterleitet. Und selbst das ist 
Raketentechnik, da Solarparks mit weniger Wissenschaft im Regler 
betrieben werden.

: Bearbeitet durch User
von rbcn (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Ich nehme an, du meinst nicht Batterie, sondern Akku.
>
> Dann solltest du als erstes mal zur Kenntnis nehmen, daß ein Akku nur
> sehr annähernd als Spannungsquelle mit Innenwiderstand modelliert werden
> kann. Beim Laden und ganz besonders am Ladeende, geht diese Modellierung
> aber in die Hose.
>
> Was die Spannungslage angeht: ja, in der Tat führt der Ladestrom in
> Verbindung mit dem Innenwiderstand zu einem stromabhängigen Anstieg der
> Klemmenspannung. Aber: der ist niemals so hoch wie in deinem Beispiel,
> sondern bewegt sich bei wenigen % der Leerlaufspannung.

Danke Axel, dass du auf meinen Beitrag eingegangen bist. Ja ich meine 
natürlich einen Akku, ich habe mich in letzter Zeit viel mit 
Elektromobilität und englischen Texten dazu befasst, und bei denen ist 
alles eine battery ;)
Das hilft mir schon mal weiter.

Boris O. schrieb:
> Mit einem Schaltregler verlegst du die Regelung von der Ausgangs- auf
> die Eingangsseite. Die Pulsbreite wird nicht von der Last geregelt,
> sondern vom Algorithmus für den Punkt maximaler Leistung (derer gibt es
> mindestens 5: open circuit voltage, short circuit current, perturb &
> observe, fuzzy logic, incremental conductance – bitte separat
> studieren).

Danke, das ist mal eine gute und umfassende Zusammenfassung von 
Stichwörtern. Ich wusste, dass der MPP sich in Abghängigkeit von 
Temperatur und vielem mehr verändert, allerdings wollte ich es vorerst 
einfacher halten und lediglich auf die im Datenblatt angegebene ca. MPP 
Spannung eingangsseitig regeln. Da Das Panel 150W Nennleistung liefert 
(meist sehr viel weniger), wollte ich keinerlei Stromregelung 
realisieren, sondern stattdessen den 24V Bleiakkua ausreichend 
dimensionieren und nur bei Erreichen der Ladeschlussspannung abschalten 
und das Modul Kurzschließen. Zweck des ganzen wäre, dass die Solarzelle 
nicht bei 24V-29V in einem nicht effizienten Betriebspunkt betrieben 
wird.
Allerdings ist klar, dass man mit dem Schaltregler sich auch Verluste 
einhandelt.

Beitrag #5102191 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Mani W. (e-doc)


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rbcn schrieb:
> b) Wir bauen nun die leere Batterie (Spannung 8V) wieder dazu und nehmen
> an sie habe einen konstanten Innenwiderstand von 6 Ohm. Nun die
> Preisfrage, welche Spannung stellt sich an der Batterie ein? 8+6=14V??
Die Formel, wonach 8 Volt plus 6 Ohm dann 14 Volt ergibt, die kenne
ich nämlich nicht...

: Bearbeitet durch Moderator

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