Ladeelektronik

[Bernd]

Hallo Andreas und herzlich willkommen hier in unserem Forum.
einen spannenden Bericht hast du uns hier gleich als dein erstes Posting geliefert.
Es hört sich sehr interessant an wie du deine "Ladestation" übewachst und protokollierst.
Auch der geringe Stromverbrauch deiner Technik gefällt mir gut.

Auch ich habe die Erfahrung gemacht das ein zu frühes bzw. zu starkes Belasten des Windrades
eher kontraproduktiv ist. Ich hatte einen Spannungsverdoppler im Einsatz der zu einem zu frühen
Ladebeginn führte.
Derzeit geht es uns aber nicht darum super kleine Windgeschwindigkeiten in Strom zu verwandeln,
sondern eher darum das wir durch die extrem geringen Drehzahlen Probleme haben bei normaler
Startwindgeschwindigkeit von ca. 3m/s überhaupt auf Ladespannung zu kommen. Nur deshalb der
Einsatz eines Step up Wandlers.

Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Bernd,

miß bitte mal die Stromergiebigkeit deiner benannten Lösung bei Startgeschwindigkeit über einige Minuten nach (die Spannung ist nur die halbe Miete!) und rechne die verfügbare Leistung aus. Umgesetzt auf die Ladespannung ergibt sich gewöhnlich ein mittlerer Ladestrom, der vernachlässigbar gering ist, selbst für kleine Akkus. Denn dummerweise gilt die kubikweise Zunahme der Windleistung pro Tempo auch für die Gegenrichtung, dort fällt es nämlich genauso rapide ganz in den Keller.

Insofern halte ich es für besser, die Generatoren nur auf hohe Spannung zu trimmen und später bei Wind die Ladung über das Leistungsmaximum per Schaltwandler und Rechner einzupegeln. Dort sind die Ströme eher beherrschbar, mit Spannungen hat man heute kaum noch ein Problem.

MfG. Andreas

[jb79]

Hallo Andreas!

Interessante Ladestation, die du da hast. Laß mich raten: Modellbauer?

Unsere Lösung zielt eher auf diejenigen ab, die einen großen 12V Bleiakku haben wollen und aus dem 12V Verbraucher oder einen Wechselrichter speisen.
Eine Spannungsbegrenzung per aktiver Z-Diode (Mosfet?) will ich auch bauen, hast du da vielleicht einen Schaltplan, ich muß ja nicht unbedingt das Rad neu erfinden, werds aber modifizieren.

Zur Ladung bei kleinen Spannungen: die Schaltung soll im fertigen Zustand Ladestrom, Akkuspannung und Eingangsspannung überwachen, bei niedriger Eingangsspannung kann man dann die Soll-Ausgangsspannung= Ladespannung per Elektronik so verändern, daß das Produkt Ladestrom * Ladespannung maximal wird. Wie das geht, versuche ich dir mal kurz zu beschreiben:

Ok, Erfassung der aktuellen Werte, Berechnung der Ausgangsleistung. Nun erhöht man die Soll-Ausgangsspannung um einen Schritt (z.B. 0,1V). Dann startet die Programmschleife erneut und der neue Leistungswert wird mit dem alten verglichen. Ist er höher (weil das Windrad genug Energie hat), so wird die Soll-Ausgangsspannung weiter erhöht (bis zum Maximum, das durch die maximale Akku-Ladespannung vorgegeben ist). Ist hingegen die neue Leistung kleiner als die vorher gemessene, so wird die Soll-Ausgangsspannung zurückgedreht, der Eingangsstrom sinkt dadurch. Das Ganze geht solange, bis die Leistung wieder größer ist. Somit pendelt das Ganze um den Wert mit der maximalen Leistung die jeweils aus dem Windrad zu holen ist.
Steigt oder fällt die Windgeschwindigkeit, so geht das System mit sehr kleiner Verzögerung nach (ms Bereich).

[Bernd]

Hallo Andreas

Umgesetzt auf die Ladespannung ergibt sich gewöhnlich ein mittlerer Ladestrom, der vernachlässigbar gering ist

Das kommt darauf an wo man seinen Ladebeginn hin legt. Wenn man diesen natürlich sehr tief legt,
dann erzielt man wirklich fast nichts. Auch bei etwas mehr Wind kommt noch wenig, aber das
liegt nun mal in der Natur der Sache und lässt sich nicht beeinflussen. Andererseits finde ich die Nutzung
auch kleiner Leistungsabgaben nicht unbedingt verkehrt, denn man hat sehr häufig eher geringe
Windgeschwindigkeiten zur Verfügung, gerade im Gartenbereich.
Eine Leistungsabgabe auf sagen wir oberhalb 4m/s zu beschränken ist zumindest nicht das was ich favorisiere.
Im Gegenteil, wir versuchen an anderer Stelle durch eisenlose Generatoren nach unten hin den Nutzbereich
zu vergrössern.

Insofern halte ich es für besser, die Generatoren nur auf hohe Spannung zu trimmen....

Uns geht es im konkreten Fall um die Verwendung eines kostengünstigen gegebenen Generators, der viele
Vorteile bietet aber dessen Spannungen leider ein wenig zu niedrig liegen.
Dafür arbeiten wir gerade an einer Lösung, bzw.eigentlich hauptsächlich Jürgen.

Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Jürgen,

von den Windgeschichten abgesehen, habe ich nichts mit dem Modellbau zu tun. Aber bloß zum Selbstzweck sollte man so etwas nicht betreiben, es darf auch einen praktischen Nutzen haben. Spätestens, wenn der ursprünglich vorgesehene Akku randvoll ist und man gerade keine offensichtliche Verwendung für diese Energie hat, kommt man mit etwas Überlegung auf andere (mobile) Verbraucher. Und die ziehen immer etwa, weil meist dauernd eingeschaltet. Viele Kleinverbraucher im Haushalt kommen mit eigenen Ladegeräten und miesen Wirkungsgraden daher, solche kann man relativ leicht auf Windstrom umstellen - ich habe das konsequent getan. Bei den meist anzutreffenden schwachen Winden ist die fast ständige Ladung kleiner Akkus wesentlich sinnvoller, als nur auf dem dicken Akku zu hocken und auf besseren Wind zu warten.

Bei den kleinen Winden und Spannungen setze nicht zu viel Aufwand dort rein, sonst verbraucht die ganze Regelung mehr, als das Windrad liefern kann. Solche Überlegungen sind eher für besseren Wind nötig, denn dort wird die Fehlanpassung zwischen Windrad und starrem Verbraucher ohne Regelung sehr schnell für einen schlechten Wirkungsgrad sorgen. Es nutzt leider wenig, wenn man sich mit sehr viel Aufwand ein Windrad mit guten Werten erstellt hat und es dann stumpf auf einen Akku mit einer festen Spannung schickt. Aber es ist zunächst besser als gar nichts, denn die Windenergie kostet uns ja nichts.

Zu der Spannungsbegrenzung ist nicht so viel zu sagen, das ist eine Standardschaltung aus einer kleinen Z_Diode, drei Transistoren npn/pnp/npn zur Stromverstärkung, hinten ein To3 auf großen Kühlkörper. Schaltbeispiele findest Du sicher auf das-elko.de.

MfG. Andreas

[jb79]

OK, hab mal eine Power-Z Diode mit einem Power-Mosfet in einem meiner Elektronik Bücher gesehen, muß das mal rauskramen, liegt glaub ich bei meinen Eltern daheim rum.

Die Ladung diverser Akkus ist auch nicht schlecht, erfordert aber viele einzelne Ladeschaltungen, das kann man aber mit einem Mikroprozessor auch hinbekommen, der einfach die Leistung mißt und dann die einzelnen Akkus je nach zur Verfügung stehender Leistung bzw. Spannung zuschaltet.

Ich bevorzuge einen zentralen Akku, meine /Modellbau-) Akkus lade ich nämlich von dort raus mit einem einzigen Ladegerät, damit ich nicht immer einstellen muß was gerade dranhängt gibts da nen kleinen Chip der auf den Akku geklebt ist und vor dem Start des Ladevorgangs per Kabel ans Ladegerät angesteckt wird. Dann reichen 2 Tastendrücke und das Laden startet (alle notwendigen Daten wie Ladestrom, Ladespannung und Akkutyp stehen am Chip, der auch noch die maximal geladene Kapazität sowie die letztgeladene Kapazität speichert.).

So, bin mal wieder etwas abgeschweift. Zurück zur Schaltung. Hab gerade ein paar Versuche angestellt, hab aber gerade den großen Bleiakku (12V/70Ah Autobatterie) nicht da, darum mit anderer Zielbatterie.

Versuchsaufbau:
Lipo (1 Zelle) am Eingang, Lipo (3 Zellen) am Ausgang. Ein Lipo hat eine Nominalspannung von 3,7V, 4,2V ist voll, 3,0V gaaaanz leer). Der Eingangsakku ist ziemlich voll (4,05V im Leerlauf), der zu ladende recht leer (9,3V). Den eigentlich nötigen Balancer hab ich mal weggelassen weil ich eh nur kurz probiere und so die Abschaltspannung eh nie erreicht wird. Zwischen der Zelle am Ausgang und dem Wandler sind noch 2 Widerstände (1Ohm/5w) in Serie zur Strombegrenzung (auch gut zum Strom messen geeignet).

Mit dem Poti hab ich die Spannung mal runtergedreht und dann probiert was ich maximal rausbekomme, bis der Wandler abschaltet. Ergebnis:
9,73V am Wandlerausgang, Ladestrom ca. 350mA, am Akku also ca. 9,43V, der Wandler läuft am Eingang mit ca. 3,6V, knapp darunter schaltet er ab.
Ergibt folgendes Ergebnis für den Eingangsstrom: Iein=Uaus*Iaus/Uein=9,73V*0,35A/3,6V=0,95A. Wenn man nun den Wandlerwirkungsgrad berücksichtigt, so liegt der Eingangsstrom irgendwo bei gut 1A. Macht in Summe etwa 3,6Watt.
Bemerkenswert: der Wandler arbeitet auch unter Last nun mit nur 3,6V.

@Bernd: Welche Leistungen sind bei Spannungen um 3,6V zu erreichen? Denke mal daß man da noch unter 3,6W sein wird.

Noch was: Der Wandler arbeitet auch bei "Kurzschluß" gut, in meinem Fall sind mir die Enden der Widerstände aneinandergekommen (bei 14V Ausgangsspannug und nem 3 Zelligen Lipo am Eingang), das bedeutet: 14V/2 Ohm=7A, jetzt haben meine Widerstände nen braunen Ring , 49W ist doch zu viel für nen 5W Widerstand, die Bauelemente am Wandler sind aber trotzdem nicht mehr als handwarm.

Ich glaube, daß der Wandler mit mehr als den angegebenen Leistungswerten aufwarten kann und halte Ausgangsleistungen von 14V und 6-7A (also knapp unter 100W) für möglich.

[Bernd]

Hallo Jürgen, danke für deinen interessanten Test.
ich hätte nicht gedacht das der Wandler schon bei 3,6 Volt seine Arbeit ausführt.
Ist es evtl. möglich das, wenn man am Ausgang nicht 9,4 sondern sagen wir 13 Volt einstellt, das
dann auch am Eingang eine höhere Spannung nötig ist damit er arbeitet ? Wenn nein wäre das sehr gut.

Welche Leistung ich genau aus dem geplanten Windrad bei einer Abgabespannung von 3,6 Volt entnehmen
kann, weiss ich noch nicht genau. Ich kann nur sagen das der Nabenmotor bei ca. 25 U/min diese
Spannung erzeugen wird.

Eine Idee wäre mal die Spannungskurve und die Kurve der mechanischen Leistung zu vergleichen.
Dann könnte man in etwa abschätzen wieviel zu erwarten ist.

Grüsse

Bernd

[jb79]

Je größer das Verhältnis Eingangsspannung/Ausgangsspannung ist, desto kleiner wird der Ladestrom. Wenn man die Verluste vernachlässigt dann würde in unserem Beispiel (3,6V/1A am Eingang) bei 14V Ausgangsspannung maximal 3,6V*1A/14V=ca. 0,26A Ladestrom rausschauen, die Funktion dürfte aber nicht beeinträchtigt werden dadurch.
Hier das Bild vom Wandler in Aktion:
Das Multimeter zeigt die Wandler-Ausgangsspannung, darunter liegt die einzelne LiPo Zelle (3800mAh), rechts der fast leere LiPo (2200mAh, 3S=3Zellen), den ich über den Balancer Anschluß angehängt habe. Das dicke Kabel am Akku ist normalerweise das Kabel über das geladen/entladen wird.
Am Wanler erkennt man eine kleine 3mm Led, die als Power-Good Signal arbeitet. Sie leuchtet immer dann, wenn der Wandler korrekt arbeitet und die am Spindeltrimmer (am Bild durch Multimeter verdeckt) am Ausgang ansteht.
Wie schon gesagt: Die Lastausregelung ist super, zwischen Leerlauf und 7A (2Ohm an 14V) ändert sich die Ausgangsspannung eigentlich garnicht (max. in der 2. Kommastelle).

Wandler_in_Aktion.jpg (85.15 KiB) 9424-mal betrachtet

[andreas]

Hallo Jürgen,

für so eine simple Spannungsbegrenzung reichen auch gewöhnlich bipolare Transistoren. Derer gibt es hier genug, allemal zum Verheizen von Leistung ausreichend. Es macht nur eher wenig Sinn, einen Spannungsbegrenzer möglichst leistungsarm anzusteuern, wie das per Fet möglich ist - denn er wird ja letztlich doch nur die Leistung verheizen, dabei dürfen die Vorstufen durchaus mithelfen.

Die Ladung mehrerer Akkus ist sehr simpel, siehe meinen ersten Beitrag zum Thema. Pro Akkustufe habe ich nur einen Komplementärtrigger zur Schwellenerkennung drin, dahinter eine simple Gegentaktstufe zur schnellen Fet-Umschaltung und den Leistungs-Fet als masseseitigen Schalter. Wobei ich generell eine komplette Steuerung per Software ablehne, solche darf bestenfalls zusätzlich eingreifen. Alle Grundfunktionen muß die Hardware selber können, lediglich die Feinheiten darf ein Prozessor oder Controller hintrimmen. Software ist mitunter launisch, auf (solide) Hardware ist da schon mehr Verlaß. Insofern darf ein laufender Rechner doch hier und dort mit Impulsen helfend eingreifen, beim Verstummen derselben sollte allein die Hardware weiter laufen können und eine normale, wenn vielleicht auch nicht optimale Funktion sicherstellen. Vergiß mir bitte nicht, daß wir hier mit Wind arbeiten. Im Zweifelsfall muß die ganze Technik auch ohne Prozessor arbeiten können, damit es nicht die Mechanik zerlegt. Dabei darf der Ertrag durchaus in den Keller oder sogar auf Dauer-Null gehen, sofern keine weiteren Schäden zu befürchten sind.

MfG Andreas

[jb79]

Also als "Prozessor" bezeichne ich hier keine CPU in einem PC sondern einen PIC Prozessor, den ich prinzipiell hardwarenah (also in Assembler) programmiere. Normalerweise laufen die Dinger sehr störunempfindlich und stürzen auch nicht ab. Die Leistungsbegrenzung würde ich auch vom PIC steuern lassen, eine zusätzliche Sicherung per Power-Z Diode die unabhängig davon bei weiter ansteigender Spannung eingreift sollte aber trotzdem mit rein, doppelt hält besser.
Kannst du vielleicht mal Photos deines Aufbaus reinstellen, würde mich interessieren wie das ganze ausschaut bzw. was du da so alles lädst.