Ladeverfahren

Direct: Direkte Verbindung mit der Spannungsquelle

Bei der direkten Verbindung von Solarmodul mit dem Akku ist darauf zu achten, die elektrischen Parameter des Akkus nicht über die Betriebsparameter hinaus zu strapazieren. Das bedeutet konkret:

  • Beachten der Zellenspannung: Bei erreichen der Zellenspannung muss die Ladung beendet werden bzw. auf Erhaltungsladung umgestellt werden. (Beipielsweise 1/500 der Akkukapazität)
  • Maximaler Ladestrom: Wenn ein Solarpanel 17Volt unter Last liefert muss die Differenz an einem Shunt abfallen. Um den Akku nicht zu zerstören muss der Ladestrom überwacht werden und ggf. die Ladespannung reduziert werden. Das ist besonders bei niedriegem Ladestand der Fall, da dann der Ladestrom zu hoch werden kann.

Das direkte Ladeverfahren ist ein einfaches und praktikables Ladeverfahren, wenn die Spannungsquelle kompatibel zum Akku ist. Das bedeutet, liefert das Solarpanel eine Spannung im Bereich von 11.3V bis 14.4V ist auch eine besondere Elektronik nicht zwingend notwendig. Die Chance den Akku zu überladen ist jetzt mit einfachen Mitteln verhinderbar. Abschalten des Solarpanels, sobald die max. Ladespannung erreicht ist.

Dieses Ladeverfahren hat aber auch Nachteile.

  • Ist die Spannung des Solarpanels unterhalb der Akkuspannung, erfolgt keine Nutzung der Energie.
  • Zu viel erzeugte Energie, wenn die Spannung > 14.4V ist kann nicht genutzt werden.

Fazit:

Das direkte Ladeverfahren ist zeitlich betrachtet immer nur dann interessant, wenn die Akkuspannung und die Spannung des Solarpanels sich in einem gemeinsamen Bereich befinden.

Energie die unterhalb von 10..11 Volt liegt, wird fast gar nicht genutzt. Es sei denn, die Akkuspannung ist ebenfalls darunter. Das Potenzial die erzegugte Energie des Solarpanels ganzheitlicher zu nutzen wird nicht hinreichend ausgenutzt.

Vermutlich ist ein solches System zu orchestrieren nicht ganz einfach, noch schwieriger wird es wenn auch der Verbraucher schwankende und nicht kalkulierbare Entladeparameter hat.

I-U Ladung; CCCV: Ladung über konstanten Strom und Spannung

I-U Ladung (CCCV = Constant current constant voltage) steht für Strom und Spannungsladung. Dieses Ladeverfahren basiert auf dem Ansatz den Akku erst mit einem konstanten Strom zu laden und dann bei erreichen einer definierten Ladung mit einer konstanten Spannung die Ladung zu beenden bzw. zu erhalten.

Diese Art der Ladung ist sehr Zeitintensiv, mit der I-Ladung wird der Akku mit einem Strom von Kapazität / 10 mehere Stunden geladen und bis er ca. 70-80% der Kapazität erreicht hat und dann in mehreren Stunden über die U-Ladung mit einer festen Spannung fertig geladen.

PWM: Pulse Wide Modulation

PWM ermöglicht eine granularere Dosierung der Energie, mit der ein Akku geladen wird. Je größer die Pulsbreite wird, desto geringer ist der Mehrwert im Vergleich zur direkten Ladung.

Die Pulsbreite wird kleiner, desto mehr der Akku an seine max. Betriebsspannung kommt. Jetzt kann PWM seine Vorteile ausspielen, durch die feine Dosierung kann der Akku entsprechend bis zu einem Maximum aufgeladen werden und auch eine Erhaltungsladung kann kontinuierlich stattfinden (Beispiel Kapazität/500).

Während bei der dirketen Ladung im max. Grenzbereich die Parameter eher grob sind, kann die Akku Ladung durch die PWM Methode enger an dem Grenzbereich betrieben werden. Dabei wird der eigentliche Ladezyklus nicht abgebrochen.

Annahme:

  • Liefert das Solarpanel eine kleinere Spannung als die aktuelle Akkuspannung, bringt PWM keinen Vorteil. Ausnahme, die kleinere Spannung des Solarpanels wird in einem DC-DC Wandler über die aktuelle Spannung des Akkus angehoben
  • Liefert das Solarpanel generell eine höhere Spannung als die Akkuspannung, kann PWM den Akku intensiver und feiner Abgestimmt laden
  • Erhaltungsladung ist mit PWM einfacher zu realisieren

MPPT: Maximum Power Point Tracking

Beim MPPT Verfahren ermittelt ein µC permanent die idealen Ladeparameter. Vorraussetzung dafür ist das die Steuerelektronik in der Lage ist eine Leistungsanpassung an das Solarpanel durchzuführen. Dabei ist MPPT genau genommen gar kein Ladeverfahren sondern eine Methode um zu erkennen wie auf eine bestimmte Situation reagiert werden muss.

Die Grundlage für diese Anpassung ist, Leistungsanpassung ist gegeben wenn der Lastwiederstand = Innenwiederstand der Spannungs/ Stromquelle ist. Da diese bei einer Solarzelle bedingt durch Sonneneinstrahlung und Temperatur schwankt, bei dem Akku aber relativ statisch ist, muss eine Steuerelektronik die Anpassung kontinuierlich vornehmen.

Im einfachsten Fall fährt die Steuerelektronik eine Rampe an und vergleicht den gespeicherten Wert mit dem neuen gemessenen Wert. Abhängig vom Ergebnis bewegt sich die Steuerung auf der Rampe hoch oder herunter und passt die Parameter zur Ladung entsprechend an.

Um nicht zum schwingen zu kommen muss der entsprechende Moment erkannt werden und durch geeignete Maßnahmen einen schwingen verhindert werden.

Möglichkeiten die Schwingungen zu vermeiden sind:

  • Umschalten auf ein anderes Ladeverfahren von PWM auf direct
  • Eine Hysterese einbauen