MPP Solarladeregler

Geschrieben von Andreas am 10. November 2018

Dieses Jahr gab es einige Umbauten an unserer Gartenbewässerung. Deswegen war ein größerer Speicherakku notwendig, ein zusätzliches Solarpanel ist für nächstes Jahr eingeplant. Der vorhandene Laderegler reicht dafür jedoch nicht aus. Deswegen habe ich dieses Jahr wiedermal ein neuen Solarladeregler entwickelt. Diesmal jedoch vollkommen analog und mit Standardbauteilen.

Die neue Schaltung ist für 200W Solarleistung ausgelegt. Um die Sonnenenergie möglichst effektiv zu verwerten ist es wieder ein Schaltregler geworden, der die Solarmodulspannung im optimalen Bereich hält und auf die Ladespannung herunterregelt. Zusätzlich wird die Ladespannung temperaturabhängig geregelt und bei einer stärkere Entladung bis zu einer höheren Ladeendspannung wieder aufgeladen.

Das KiCad Projekt inklusive der Schaltpläne und Platinelayouts sind im Git Projekt Archiv [1] zu finden.

Schaltung

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Schaltung besteht darin, einen Blei-Akkumulator möglichst effektiv zu mittels Solarstrom zu laden und geladen zu halten. Das heißt konkret:

  • Wenn der Akku voll ist, muss er durch Erhaltungsladung auf diesem Stand gehalten werden. Der Akku darf dabei nicht überladen werden. Dazu muss die Erhaltungsladespannung auf einen temperaturabhängigen Wert begrenzt werden
  • Um den Akku nach größerer Energieentnahme möglichst schnell wieder aufzuladen, sollte bis zu einer höheren Ladeschlusspannung wieder aufgeladen werden (normalladung) und erst dann auf die niedrigere Erhaltungsladespannung umgeschaltet werden.
  • Der Ladestrom muss je nach Größe des Akkumulators begrenzt werden. Insbesondere wenn die Ladespannung so hoch wird so dass eine verstärkte Gasung eintritt.
  • Die Solarenergie soll möglichst effektiv genutzt werden. Daher sollte die Spannung der Solarmodule im optimalen Betriebspunkt gehalten werden.

Der letzte Punkt erfordert eine Umwandlung der typischerweise höheren Solarmodulspannung in die niedrigere Spannung des Bleiakkumulators. Dieser Laderegler ist daher als Abwärtsschaltregler aufgebaut. Entsprechend dem Schaltreglerprinzip ergibt sich das Verhältnis zwischen Eingangs und Ausgangsspannung aus dem Tastverhältnis im Idealfall zu

\[\frac{U_{in}}{U_{out}} = \frac{T_{on} + T_{off}}{T_{on}} = \frac{1}{D}\]

Aus dieser Gleichung erhält man mit der Bedingung \(\partial U_{in}/\partial U_{out} \stackrel{!}{=} 0\)

\[0 \stackrel{!}{=} \frac{\partial U_{in}}{\partial U_{Out}} = \frac{D - U_{Out} \frac{\partial D}{\partial U_{Out}}}{D^2}\]

woraus sich

\[\frac{\partial D}{\partial U_{Out}} = \frac{D}{U_{Out}}\]

ergibt. Damit erhält man für das Tastverhältnis bei fester Eingangspannnung (Arbeitspunkt Solarmodul) und variabler Ausgangsspannung (Batteriespannung)

\[D(U_{out}) = a * U_{out}\]

mit der Konstanten \(a\) die je nach gewünschter Eingangsspannung zu wählen ist. Aus obigiger Rechnung folgt, dass wenn das maximale Tastverhältnis des Abwärtswandlers proportional zur Ausgangsspannung ist, wird das Solarmodul automatisch im gewünschten Arbeitspunkt betrieben.

Links

[1]https://github.com/amesser/circuits/tree/mpp-solar-charger