A
AlpenX
Themenstarter
- Dabei seit
- 24.05.2020
- Beiträge
- 33
- Reaktionspunkte
- 63
- Details E-Antrieb
- KTM Myroon mit Modellbau-Brushless + 3 weitere
Die Grundidee war mit einem kleineren Solarmodul 50x50cm ( die Dinger sind ja schwer und unhandlich) in den Bergen oder abgelegenen Gegenden sowohl die 12V Fahrzeugbatterie ( Caddy als Womo mit kleiner separater Batterie für Licht etc.) als auch die 24V Fahrradbatterie autark zu laden. Das Ganze sollte billig und einfach sein.
Version 1 wäre einfach die 12V Batterie mit handelsüblichem Lader zu laden und von dort aus die Fahrradbatterie mit Modellbaulader zu laden. Das Problem ist, dass dann die Batterie zusätzliche Zyklen bekommt, weniger Wh hat als die Fahrradbatterie und mehr Verluste durch die 2-fache Wandlung entstehen.
Es hat sich aber ein weiteres Problem ergeben. Das ganze System sollte beim Laden der 12V unbeaufsichtigt funktionieren. Die Billig-12V-Regler können kein MPPT ( auch wenn‘s draufsteht) und dadurch verliert man ca. 30% Leistung. Wenige Regler um 60Euro können MPPT, wären eigentlich auch meine Wahl gewesen, wenn sie nicht (wahrscheinlich) beim Anklemmen der Batterie reprogrammiert werden müssten und -das war dann das K.O.- 20mA Leerlaufstrom hätten (da braucht sich mancher WoMo Eigner nicht wundern warum die Batterie den Geist aufgibt, obwohl sie ‚kaum Zyklen‘ hat). Weiterhin waren mir die Geräte auch viel zu sperrig.
Somit Version2, der Eigenbau:
Im Internet sind die 50W/20V-Module am preisgünstigsten zu bekommen. Aufgebaut als ‚normale‘ Module, steif und 3Kg schwer, bringen aber reale 50W. 3A Kurzschlussstrom, 21V Leerlaufspannung und der Arbeitspunkt liegt bei 17-18V. ( laut meinen Messungen mit Wintersonne liegt der Arbeitspunkt eher bei 19V) Da ein MPPT-Tracker Software und einen Prozessor braucht, war mir dies zu aufwändig, demgegenüber der Wirkungsgradverlust der reinen PWM-Regler zu schlecht. Somit entschied ich mich für den Mittelweg. Wenn man sich mal den Arbeitspunkt eines guten Panels anschaut, so erkennt man schnell, dass der Arbeitspunkt im sinnvollen Arbeitsbereich (bei sehr geringer Einstrahlung wird die Batterie auch nur unwesentlich geladen) kaum wandert. MPPT ist eigentlich nur da interessant, wo größere Flächen sind, Teilverschattungen auftauchen oder der Arbeitspunkt nicht bekannt ist. In diesem Fall kann der beste Arbeitspunkt leicht ausgemessen werden ( P~ U*I) und dann diese Spannung fest eingestellt werden. Wen dann mal die Einstrahlung sich leicht ändert ist das immer noch nicht soo schlecht.
Dies bedeutet dass ich eine Schaltung brauche, die den Ladestrom so regelt, dass am Panel immer diese ca. 17 V des besten Arbeitspunktes anliegen. Um den Aufwand so gering wie möglich zu halten, habe ich einen fertigen Step-Down-Regler mit LM2596 (gibt es bei Bedarf auch als Hochvolt-Typ bis 60V) gewählt der auch noch eine Ausgangsstrombegrenzung mitbringt. Problem bei diesem Baustein ist, dass er nicht mit FETs aufgebaut ist und eine deutliche Verlustleistung erzeugt. Daher habe ich ihn mit aufgelöteten Kupferstreifen auf der Platinenunterseite gekühlt und wie im Bild zu sehen auch die Diode & Spule auf der Oberseite gekühlt. Weiterhin habe ich ihn auf ca. 2A Ausgangsstrom begrenzt, da ja auch für den 24V-Akku noch etwas Leistung übrig bleiben soll. Er bleibt jetzt deutlich unter 70°, somit wäre auch ein höherer Strom noch möglich.
Die Z-Diode am Eingang legt natürlich den Arbeitspunkt fest, und muss entsprechend des besten Arbeitspunktes des Panels angepasst werden. Mit den zusätzlichen Dioden & DIL-Schaltern kann dieser Punkt noch variiert werden. Der MPPT kann im Regler sowohl über die Spannungsregelung als auch über die Stromregelung gehalten werden. Ich habe es über die Stromregelung realisert, da ich dann die max. Ausgangsspannung ohne Last fest einstellen kann. Der Transistor dient als Inverter. Der Spannungsteiler 24k/12k am Gate des folgenden FETs dient als Spannungsbegrenzer für Ugs max.(Sollte 10V nicht überschreiten). Bei höherer Leerlaufspannung des Moduls sollte dieser angepasst werden. Bei meinem LM2596-Modul konnte ich an der Mittelanzapfung des Potis für den Strom das Regelsignal anschliessen (Bei meinem Modul war die Stromregelung über einen Shunt zwischen in- und out- realisiert). Die Funktion des mittleren Potis blieb mir schleierhaft… In einer Beschreibung war es als eine Art von Hysterese für Batterieladung beschrieben, was ich aber nicht nachvollziehen konnte.
Da bei Dunkelheit das Modul aber ( wie auch die käuflichen Regler) 20mA aus der Batterie zog, musste der 2.Teil der Schaltung dafür sorgen, dass bei niederen Modulspannungen die Batterie abgeklemmt ist. Eine sehr einfache Version dazu wäre eine Schottky-Diode, die am +Anschluss der Batterie eine Entladung verhindert. Dazu müsste aber die Ladespannung am Regler um ca. 0,4V erhöht werden, um den Spannungsabfall zu kompensieren. Die hier dargestellte Schaltung ist nur dann besser, wenn ein wirklich niederohmiger FET benutzt wird! Weiterhin ist mir beim Test aufgefallen, dass unter bestimmten Bedingungen der FET bei Dunkelheit noch leicht angesteuert ist und wieder ein Strom fliesst. Dies geschah bei meinem Aufbau aber nur sporadisch und ist dadurch verschwunden, dass ich den Wert der Z-Diode von 12V auf 13V verändert habe. Leider ist es mir nicht gelungen, diesen Effekt zu verstehen.
Im dritten Teil ist eine Schaltung dargestellt, die -sofern genug Energie da ist, um zusätzlich zur 12V- Batterie noch etwas zu laden- einen Step-Up Regler versorgt, der den 24V E-Bike Akku lädt.
Die Idee ist, dass bei genug Sonne die Spannung am Modul über den eingestellten MPPT steigt und dann die eingestellte Spannung am LM6009 erhöht wird. Ich greife somit in die Regelung zur Einstellung der Ausgangsspannung ein ( ein LM6009-Modul mit Stromregelung hatte ich nicht zur Hand). Aus diesem Grund muss hier die Einstellung der Spannung bei Sonne und nicht angeschlossenem (oder vollem) 12V-Akku gemacht werden. Für 36V-Akkus wird es mit diesen Modulen eng. Prinzipiell ist der LM6009 in manchen Datenblättern bis 42V spezifiziert. In den Beschreibungen zu den Modulen aber nur bis 36V. Ich denke irgendwo dazwischen wird die Wahrheit liegen, und beim direkten Laden ist es auch kein Problem, nur bis 40 oder 41V zu laden. Es ist besser als ein leerer Akku, und der Reichweitengewinn zwischen 41V und 42V ist sehr gering. Außerdem würde ich mit solchen Schaltung nicht bis zum Limit gehen. Es gibt aber auch Step-Up Regler die bis 80V können, und ebenso über die Regelspannung geführt werden können. Dies wäre insbesondere für 100-200W/ 42V- Module interessant. Der Preis liegt dann aber eher bei 12Euro. Das Angenehme am LM6009 ist, dass die Endstufe mit FETs aufgebaut ist und die Verlustleistung sehr gering ist. Daher habe ich hier nur die Schottky-Diode gedoppelt ( als einfache Vorsichtsmassnahme) und brauche keine zusätzliche Kühlung.
Die Anleitung ist bewusst nicht zum ‚blinden Nachbau‘ gehalten, da man doch ein klein wenig Verständniss mitbringen sollte, und sich die Module auch unterscheiden können. Somit bitte bei wenig Elektronkverständniss den ‚Elektroniker deines Vertrauens fragen‘.
Version 1 wäre einfach die 12V Batterie mit handelsüblichem Lader zu laden und von dort aus die Fahrradbatterie mit Modellbaulader zu laden. Das Problem ist, dass dann die Batterie zusätzliche Zyklen bekommt, weniger Wh hat als die Fahrradbatterie und mehr Verluste durch die 2-fache Wandlung entstehen.
Es hat sich aber ein weiteres Problem ergeben. Das ganze System sollte beim Laden der 12V unbeaufsichtigt funktionieren. Die Billig-12V-Regler können kein MPPT ( auch wenn‘s draufsteht) und dadurch verliert man ca. 30% Leistung. Wenige Regler um 60Euro können MPPT, wären eigentlich auch meine Wahl gewesen, wenn sie nicht (wahrscheinlich) beim Anklemmen der Batterie reprogrammiert werden müssten und -das war dann das K.O.- 20mA Leerlaufstrom hätten (da braucht sich mancher WoMo Eigner nicht wundern warum die Batterie den Geist aufgibt, obwohl sie ‚kaum Zyklen‘ hat). Weiterhin waren mir die Geräte auch viel zu sperrig.
Somit Version2, der Eigenbau:
Im Internet sind die 50W/20V-Module am preisgünstigsten zu bekommen. Aufgebaut als ‚normale‘ Module, steif und 3Kg schwer, bringen aber reale 50W. 3A Kurzschlussstrom, 21V Leerlaufspannung und der Arbeitspunkt liegt bei 17-18V. ( laut meinen Messungen mit Wintersonne liegt der Arbeitspunkt eher bei 19V) Da ein MPPT-Tracker Software und einen Prozessor braucht, war mir dies zu aufwändig, demgegenüber der Wirkungsgradverlust der reinen PWM-Regler zu schlecht. Somit entschied ich mich für den Mittelweg. Wenn man sich mal den Arbeitspunkt eines guten Panels anschaut, so erkennt man schnell, dass der Arbeitspunkt im sinnvollen Arbeitsbereich (bei sehr geringer Einstrahlung wird die Batterie auch nur unwesentlich geladen) kaum wandert. MPPT ist eigentlich nur da interessant, wo größere Flächen sind, Teilverschattungen auftauchen oder der Arbeitspunkt nicht bekannt ist. In diesem Fall kann der beste Arbeitspunkt leicht ausgemessen werden ( P~ U*I) und dann diese Spannung fest eingestellt werden. Wen dann mal die Einstrahlung sich leicht ändert ist das immer noch nicht soo schlecht.
Dies bedeutet dass ich eine Schaltung brauche, die den Ladestrom so regelt, dass am Panel immer diese ca. 17 V des besten Arbeitspunktes anliegen. Um den Aufwand so gering wie möglich zu halten, habe ich einen fertigen Step-Down-Regler mit LM2596 (gibt es bei Bedarf auch als Hochvolt-Typ bis 60V) gewählt der auch noch eine Ausgangsstrombegrenzung mitbringt. Problem bei diesem Baustein ist, dass er nicht mit FETs aufgebaut ist und eine deutliche Verlustleistung erzeugt. Daher habe ich ihn mit aufgelöteten Kupferstreifen auf der Platinenunterseite gekühlt und wie im Bild zu sehen auch die Diode & Spule auf der Oberseite gekühlt. Weiterhin habe ich ihn auf ca. 2A Ausgangsstrom begrenzt, da ja auch für den 24V-Akku noch etwas Leistung übrig bleiben soll. Er bleibt jetzt deutlich unter 70°, somit wäre auch ein höherer Strom noch möglich.
Die Z-Diode am Eingang legt natürlich den Arbeitspunkt fest, und muss entsprechend des besten Arbeitspunktes des Panels angepasst werden. Mit den zusätzlichen Dioden & DIL-Schaltern kann dieser Punkt noch variiert werden. Der MPPT kann im Regler sowohl über die Spannungsregelung als auch über die Stromregelung gehalten werden. Ich habe es über die Stromregelung realisert, da ich dann die max. Ausgangsspannung ohne Last fest einstellen kann. Der Transistor dient als Inverter. Der Spannungsteiler 24k/12k am Gate des folgenden FETs dient als Spannungsbegrenzer für Ugs max.(Sollte 10V nicht überschreiten). Bei höherer Leerlaufspannung des Moduls sollte dieser angepasst werden. Bei meinem LM2596-Modul konnte ich an der Mittelanzapfung des Potis für den Strom das Regelsignal anschliessen (Bei meinem Modul war die Stromregelung über einen Shunt zwischen in- und out- realisiert). Die Funktion des mittleren Potis blieb mir schleierhaft… In einer Beschreibung war es als eine Art von Hysterese für Batterieladung beschrieben, was ich aber nicht nachvollziehen konnte.
Da bei Dunkelheit das Modul aber ( wie auch die käuflichen Regler) 20mA aus der Batterie zog, musste der 2.Teil der Schaltung dafür sorgen, dass bei niederen Modulspannungen die Batterie abgeklemmt ist. Eine sehr einfache Version dazu wäre eine Schottky-Diode, die am +Anschluss der Batterie eine Entladung verhindert. Dazu müsste aber die Ladespannung am Regler um ca. 0,4V erhöht werden, um den Spannungsabfall zu kompensieren. Die hier dargestellte Schaltung ist nur dann besser, wenn ein wirklich niederohmiger FET benutzt wird! Weiterhin ist mir beim Test aufgefallen, dass unter bestimmten Bedingungen der FET bei Dunkelheit noch leicht angesteuert ist und wieder ein Strom fliesst. Dies geschah bei meinem Aufbau aber nur sporadisch und ist dadurch verschwunden, dass ich den Wert der Z-Diode von 12V auf 13V verändert habe. Leider ist es mir nicht gelungen, diesen Effekt zu verstehen.
Im dritten Teil ist eine Schaltung dargestellt, die -sofern genug Energie da ist, um zusätzlich zur 12V- Batterie noch etwas zu laden- einen Step-Up Regler versorgt, der den 24V E-Bike Akku lädt.
Die Idee ist, dass bei genug Sonne die Spannung am Modul über den eingestellten MPPT steigt und dann die eingestellte Spannung am LM6009 erhöht wird. Ich greife somit in die Regelung zur Einstellung der Ausgangsspannung ein ( ein LM6009-Modul mit Stromregelung hatte ich nicht zur Hand). Aus diesem Grund muss hier die Einstellung der Spannung bei Sonne und nicht angeschlossenem (oder vollem) 12V-Akku gemacht werden. Für 36V-Akkus wird es mit diesen Modulen eng. Prinzipiell ist der LM6009 in manchen Datenblättern bis 42V spezifiziert. In den Beschreibungen zu den Modulen aber nur bis 36V. Ich denke irgendwo dazwischen wird die Wahrheit liegen, und beim direkten Laden ist es auch kein Problem, nur bis 40 oder 41V zu laden. Es ist besser als ein leerer Akku, und der Reichweitengewinn zwischen 41V und 42V ist sehr gering. Außerdem würde ich mit solchen Schaltung nicht bis zum Limit gehen. Es gibt aber auch Step-Up Regler die bis 80V können, und ebenso über die Regelspannung geführt werden können. Dies wäre insbesondere für 100-200W/ 42V- Module interessant. Der Preis liegt dann aber eher bei 12Euro. Das Angenehme am LM6009 ist, dass die Endstufe mit FETs aufgebaut ist und die Verlustleistung sehr gering ist. Daher habe ich hier nur die Schottky-Diode gedoppelt ( als einfache Vorsichtsmassnahme) und brauche keine zusätzliche Kühlung.
Die Anleitung ist bewusst nicht zum ‚blinden Nachbau‘ gehalten, da man doch ein klein wenig Verständniss mitbringen sollte, und sich die Module auch unterscheiden können. Somit bitte bei wenig Elektronkverständniss den ‚Elektroniker deines Vertrauens fragen‘.
