Experimenteller MPPT-Solarladeregler

Bei diesem Projekt handelt es sich um einen experimentellen Solarladeregler mit "Maximum Power Point Tracking" Funktion.
Da das Gerät seit zwei Jahren sehr zuverlässig seinen Dienst verrichtet, möchte ich die Pläne hier zum "Weiterbasteln" veröffentlichen.

Warum selbst bauen, wenn man die Dinger heute für kleines Geld fertig kaufen kann?
... weil man dabei etwas lernen kann!

Wozu dient ein Solarladeregler?
Kurz: Der Laderegler hat dafür zu sorgen, dass ein an ein Photovoltaikmodul (PV-Modul) angeschlossener Akku optimal geladen wird.

Hier geht es um das Laden von Blei oder auch LiFePO4 Akkus.
Diese Akkutypen werden zunächst mit einem konstanten Strom geladen und zum Ende der Ladephase wird die Ladespannung konstant gehalten.
Konstantstrom entspricht bei einem Solarladeregler dem maximalen Strom, den das PV-Modul liefern kann!

Ein Photovoltaik Modul ist im Grund eine Stromquelle, deren Ausgangsspannung von der Belastung abhängig ist.
Ein 12V Modul liefert im Leerlauf eine Spannung von teilweise über 20V, die bei Belastung einbricht.
Wird ein solches Modul direkt auf einen teilentladenen 12V Akku mit einem Ladestand von angenommen 11V geklemmt, bricht die Spannung auf 11V zusammen und es fließt der maximal mögliche Strom, den das Modul liefern kann.

Nun ist es so, dass jedes PV-Modul einen Punkt hat, bei dem es seine maximale Leistung abgibt.
Das ist der Maximalwert aus Spannung und Strom bei dem die maximale elektrische Leistung entnommen werden kann.
Möchte man die maximale Leistung aus einem PV-Modul holen, muss man dafür sorgen, dass das Modul an diesem Punkt betrieben wird!
Das ist bei Wikipedia gut beschrieben.

Dummerweise liegt dieser Punkt bei keinem bekannten Wert, sondern ändert sich in Abhängigkeit von Sonneneinstrahlung und Temperatur.
Möchte man also die maximale Leistung aus einem PV-Modul holen, muss man das PV-Modul ständig an den angeschlossenen Akku neu "anpassen".
Genau das macht ein MPP Tracker!

In der Praxis wird mit einem Tiefsetzsteller / Abwärtswandler / Buck Konverter eine höhere Eingangsspannung auf eine niedrigere Ausgangsspannung umgesetzt.

Ein MPP Tracker erlaubt es bei geeigneter Auslegung auch PV Module mit höheren Ausgangsspannungen zu verwenden, die eigentlich für Wechselrichterbetrieb vorgesehen sind!
Ohne MPP Tracker würde man bei Anschluss an einen 12V Akku gut 2/3 der vom Modul gelieferten Leistung verschenken.

Die praktische Umsetzung:
Mit einem Mikrocontroller werden die Akkuspannung, die Spannung des PV-Moduls, sowie der in den Akku fließende Strom erfasst.
Als Ergebnis aus diesen Werten wird ein Abwärtswandler mit einem PWM Kanal des Mikrocontrollers entsprechend angesteuert.

Als Mikrocontroller kommt hier ein ATtiny85 zum Einsatz, da dieser neben diversen Analog Eingängen eine hohe PWM Frequenz erlaubt!
Er erhält seine Versorgungsspannung über einen 5V Linearregler aus dem angeschlossenen Akku.

Der Abwärtswandler besteht aus zwei N-Kanal Mosfets, die über einen IR2184 Halbbrückentreiber vom Mikrocontroller angesteuert werden.
Die Spule ist eine Speicherdrossel mit ca. 60µH (war gerade vorhanden).
Zur Berechnung von Induktivitäten empfehle ich übrigens die geniale Seite von Dr. Heinz Schmidt-Walter.
Die Spule ist auf den maximal zu erwartenden Strom auszulegen.

Der Ladestrom wird mit einem Stromwandler (Typ LTS 15-NP) erfasst.
Der Messwandler ist leider recht teuer, aber ich hatte ihn kostenlos aus einem Schrottgerät zur Verfügung.
Andere Messwandler, Stichwort Hall-Effekt Stromsensor, erfüllen den Zweck vermutlich ebenso.
Es kommt nicht auf eine hohe Genauigkeit an, da in dieser Anwendung nur die Größenänderung des Messwertes von Bedeutung ist.
Diese Wandler haben den Vorteil, dass sie ein ausreichend großes Signal liefern, welches ohne weitere Verstärkung dem ADC des Mikrocontrollers zugeführt werden kann.

Wirklich genau gemessen wird nur die Ladespannung des Akkus!
Für die Spannung PV-Moduls gilt nur, dass die Spannung über der Spannung des Akkus liegen muss.
Der Strom wird auf Maximalwert geregelt, die tatsächliche Größe ist nicht wichtig.
Die Begrenzung des Ladestroms ergibt sich aus der Lieferfähigkeit des PV-Moduls.

Zuletzt sitzt vor dem Akku noch eine Schottky Diode (D1, 40A Diode aus einem altem PC-Netzteil), die einen Rückstrom verhindern soll.
Die Diode erwärmt sich deutlich und benötigt einen Kühlkörper.
Sie ist eigentlich verzichtbar, soll aber bei dem Testaufbau verhindern, dass sich die Schaltung bei einem Programmierfehler in Rauch auflöst.
Sollte Q2 aus irgendeinem Grund dauerhaft durchschalten (PWM 0%), brennt anderenfalls alles zwischen Akku und dem Mosfet ab :-(.

Ansonsten läuft der Wandler sehr effizient.
Die Drossel und die Mosfets erwärmen sich bei einem angeschlossenen 50W PV-Modul nur minimal.

Die praktische Schaltung: (klick zum vergrößern)

Der Software Regelkreis: (ggf. verbesserungsbedürftig)

Klick zum Download des Basic Programms!

Wenn die Spannung des PV Moduls über der Akkuspannung liegt wird der Abwärtswandler eingeschaltet (Disable-Eingang des IR 2185 Treibers auf "high") und mit Timer1 ein PWM Signal mit ca. 80 KHz erzeugt.
Ist der Akku entsprechend entladen und wird eine "BULK" = Konstantstrom Ladephase benötigt, wird der MPP (Maximum Power Point) ermittelt.
Hierzu wird das PWM Verhältnis des Wandlers von Minimum auf Maximum durchlaufen und nach jeder Änderung der in den Akku fließende Strom gemessen.
Bevor gemessen wird, wartet der Mikrocontroller 10ms damit sich die Spannungen und Ströme stabilisieren können.
Der höchste Messwert wird dann als Stellgröße für den PWM Wert eingestellt.
Der Suchlauf dauert weniger als zwei Sekunden.
Damit ist das Ziel erreicht, der maximal mögliche Strom fließt in der "BULK" Ladephase in den Akkumulator!

Kurz vor Erreichen der Ladeschlussspannung wird das MPP Tracking aufgegeben und es wird der PWM Wert so eingestellt, dass die Ladeschlussspannung des Akkus gehalten wird.

In der Praxis funktioniert das sehr gut.
Misst man mit einem Multimeter nach, stellt man fest, dass das die Spannung am PV Modul während der Konstantstromphase bei ca. 18V liegt und ein deutlich höherer Strom in den Akku fließt wie wenn das PV Modul direkt am Akku angeschlossen wäre.

Im Hintergrund läuft noch ein Timer, der nach einer Minute eine neue Suche des MPP auslöst.
Den Wert kann man sicherlich im "Wirkbetrieb" vergrößern.

Besser wäre es vermutlich, das Wegdriften der Messwerte zu beobachten und aufgrund deren Änderung eine neue MPP Suche zu starten.
Das ist eine Option für die Zukunft.

Viel Spaß beim Basteln und Weiterentwickeln!