Ladeelektronik

[andreas]

Hallo Jürgen,

letztlich ist es egal, was dort rechnet. Ich möchte mich nur nicht drauf verlassen wollen. So eine Windanlage hat direkten Kontakt zur freien Natur und wird auch mal elektrische Einflüsse von außen erleben und überstehen müssen. Hier gab es mehrfach das Vergnügen mit ordentlichen statischen Ladungen, speziell in Gewitternähe. Wenn es dann in der Ladeschaltung knistert und knackt, hat so ein Rechenknecht ganz schlechte Karten. Meine Erfassungsschaltung ist per Optokoppler an den Rechner angebunden, aber die paar kV, die so ein Koppler aushält, sind dann schnell erreicht. Dann treten auch solche Effekte auf, daß eben ein A/D-Wandler einfach mit dem letzten Wert stehen bleibt und erst nach Unterbrechen der Speisung wieder ordentlich arbeitet. Heute ist das hier alles etwas geerdet und mit Ableitungen versehen, seitdem gab es keine Schäden mehr.

Die Leiterkarte mit den Triggern und die Schaltung einer Stufe hänge ich mal als Bild mit ran. Die Transistoren sind gewöhnliche kleine Universaltypen, die Fets habe ich unnötigerweise auf ein Kühlblech geschraubt, aber so haben sie auch mechanisch Halt.

Geladen wird hier alles mögliche an Akkus, von R3 bis R20 in Ni, diverse alte Bleigelakkus von 2 bis 12 Ah und natürlich Li, soweit es in umgebauten Schraubern drin steckt. Alles, was ein Kfz-Ladegerät hat, kommt an einen der vollen Bleigelakkus ran und darf sich daraus bedienen.

MfG. Andreas

[Bernd]

Jürgen ich habe mir jetzt auch diesen Wandler von ELV bestellt .
Bin schon sehr gespannt auf das Ding.
Und du meinst die Schaltung würde auch 36V am Eingang verkraften ?

Grüsse

Bernd

[jb79]

36V sollte das absolute Maximum darstellen (Impulse), da das IC nur noch von einer Z Diode und einem 10Ohm Widerstand geschützt wird (über den auch die Versorgung des ICs kommt. Besser wäre, da einen kleinen Sicherheitspolster zu lassen. Im Datenblatt des LTV3780 findet sich auf der letzten Seite eine Referenzschaltung die für 32V ausgelegt ist, denke das ist eine gute Maximalspannung. Als Sicherung sollte man evtl. noch eine aktive Z-Diode bauen, die bei höheren Spannungen einfach den Rest verheizt. Würde die Diode z.B. auf 35V einstellen, dann kann eigentlich garnix passieren und der Wandler arbeitet bis 35V.

Ein etwas erhöhter Vorwiderstand wäre machbar, entweder durch Tausch von R12 oder Unterbrechung einer Leiterbahn und Anlöten eines weiteren Widerstandes dort, das ist aber ungetestet, da ich nicht weiß, wie sich das dann bei niedrigen Eingangsspannungen auf die Funktion des ICs auswirkt. Man sollte evtl. auch auf die Power-Good LED Rücksicht nehmen und ihr einen höheren Widerstand verpassen (2,2k von VIN sind schon da), würde sagen ein zusätzlicher 1k Widerstand in eine der Diodenleitungen kann nicht schaden.

[jb79]

Hab gerade einen weiteren Test gemacht mit einem 4-zelligen Lipo (14,8V Nennspannung) und der Autobatterie (hat eine aktuelle Spannung von ca. 12,5-12,6V).

Unter Last ist der Lipo natürlich etwas in die Knie gegangen mit der Spannung, dennoch konnte ich ca. 7,2A Ausgangsstrom erzielen bevor die LED (Spannungsabweichung von der Leerlaufspannung größer +/- 7,5%) ausging. Das Ganze ist im Buck Modus (Eingangsspannung > Ausgangsspannung).
Im Boost Modus (Eingangsspannung < Ausgangsspannung) hab ich das Ganze mit einem 3-zelligen Lipo (11,1V Nennspannung, unter Last auf gut 9V eingebrochen weil nicht voll) probiert. Dort war schon bei ca. 5,2A Schluß und der Wandler hat sich meiner Meinung nach auch stärker erwärmt.

Was mir beim Zurückdrehen des Ausgangsstromes bei großer Eingangsspannung aufgefallen ist: bei sehr niedriger Belastung (war so bei 0,5A)hört man ein hochfrequentes Zirpen. Das läßt sich aber durch umstecken des Jumpers in eine andere Position (Mitte, oder links) ändern. In der mittleren Position war dann garnichts mehr zu hören, in der linken nur sehr sehr leise. Der Jumper ist verantwortlich dafür, wie der Wandler bei niedriger Last arbeitet, da gibts drei verschiedene Modi, die sich besonders im Wirkungsgrad etwas unterscheiden. Das Standardsetting (kein Jumper oder Jumper auf SC/B). Im SC/B Modus werden bei niedriger Last einige Schwingungen ausgelassen, was das Zirpen hervorruft.
Ein Umjumpern kostet aber gerade bei kleiner Leistung viel an Wirkungsgrad.
z.B:
bei 6V Eingang, 12V am Ausgang und 0,1A sinds -5% im DCM (CF) und -12% im CCM Modus(CM)
bei 12V Eingang und 12V Ausgang und 0,1A dann -10% im DCM (CF) und -11% im CCM Modus (CM)
bei 18V Eingang und 12V Ausgang und 0,1A zwischen -5% im DCM (CF) und -22% CCM Modus (CM)
Es empfielt sich also entweder den Jumper auf CF oder auf SC/B zu setzen. Meine persönliche Empfehlung, sofern der Wandler nicht in einem Raum ist, wo man sich ständig aufhält: SC/B, für Wohnräume: CF und fürs Schlafzimmer CM, denn da ist dann wirklich Ruhe.

[miniwindi]

Hallo Jürgen,
schleich mal zu den Kosmetika Deiner Frau und suche den Nagellack.
Damit streichst Du die Spule ein und läßt das schön trocknen.
So haben wir das früher bei den Fernsehgeräten gemacht, wenn Spulen oder Spulenkerne Geräusche gemacht haben.
Viele Grüße Herbert
(Ohne Gewähr, das das hier funktioniert)

[jb79]

Hallo Herbert!

Mit Nagellack werd ich vermutlich nicht weit kommen, es handelt sich um eine SMD Spule, im Bild das graue, quadratische Bauteil etwa über der 9 im LCD Display, da sind keine Wicklungen von außen zu sehen bzw. die Spule ist eigentlich komplett in sich geschlossen. Werds mir aber für herkömliche Spulen merken!

lg Jürgen

[jb79]

Hab gerade den nächsten Test gemacht.
Bei 30V Eingangsspannung (2x 4 Zelliger Lipo in Serie=29,6V Nennspannung)hab ich kurzzeitig bis zu 13A! am Ausgang gemessen. Irgendwo in dem Bereich setzt dann bei so hohen Spannungen die Begrenzung ein.
Leider wird da die Spule schon sehr heiß, bei den Schalttansistoren wirds auch schon recht warm, so daß der Wert sicher nicht für Dauerbelastung verwendet werden kann. Es zeigt aber, was die Schaltung ohne beschädigt zu werden im Stande ist.
Die Strombegrenzung liegt offenbar um so höher, je höher die Eingangsspannung ist.
Leider können wir diese hohen Werte nicht nutzen, weil Spule und Halbleiter schon recht heiß werden, aber für kleinere Generatoren im Bereich bis 100W (14V/7A Ladestrom) sind denke ich ausreichend Reserven vorhanden wenn die Eingangsspannung hoch genug (würde sagen >20V und <35V) ist.
So nun bringe ich einen weiteren IC ins Spiel. Wenn die Spannung hoch genug ist braucht man nämlich keinen so spezialisierten IC wie den LTC3780 mehr, sondern kann sich auf einen Step-Down (=Buck) Converter verlegen der entsprechend stark dimensioniert ist.
Umschalten sollte man aber am besten per FET, idealerweise in der + Leitung, damit die Massepotentiale gleich sind. Hier bietet sich ein BTS660P an, Schaltstrom: 44A, Schaltspannung 5-58V, Einschaltwiderstand: 9mOhm. Das wären theoretisch dann ca. 2,5kW Schaltleistung. Auch eine Parallelschaltung mehrerer dieser ICs soll kein Problem sein, damit erreicht man eine weitere Reduzierung des Widerstandes bzw. einen höheren Maximalstrom. Außerdem besitzt der IC noch einen Pin, über den ein dem Schaltstrom proportionaler kleiner Strom ausgegeben wird. Somit kann praktischerweise man per Widerstand und Analogeingang eines Mikroprozessors auch gleich den Hauptstrom messen. Den "Wunderschalter" gibts für 4,90+ Versand bei Ebay.

Denke das reicht für die meisten Generatoren die wir verwenden werden. Zum Schalten wird ein Pin nach Masse gezogen, der Transistor der das bewerkstelligt sollte mit der Eingangsspannung klarkommen (also 60V und mehr), braucht aber nur 1-2mA zu schalten. Kein Problem für einen Kleinsignal-Transistor wie z.B. den BC546 (NPN Transistor, der kann 80V) oder einen BS170 (FET, der kann bis zu 60V), beide kann recht bequem ein Mikroprozessor direkt schalten.

[Bernd]

Ich kann heute auch mal was zum Thema DC/DC Wandler, im speziellen dem von ELV, beitragen.

Ich habe soeben den Nine Continent Nabenmotor über einen Schottky Gleichrichter mit dem
Wandler verbunden. Zuvor hatte ich die Ausgangsspannung auf 14,1 V eingestellt.

Erstes Ergebnis: Die PowerGood Lampe geht, bei unbelasteten Ausgang des Wandlers, bei ca. 40 U/min an.
Die Drehzahl ist nur geschätzt da meine Fahrradtachos gerade alle verbaut sind.

Es folgte die Belastung des Ausgangs mit einem 10 Ah Bleiakku mit momentanen Ladezustand von ca. 13V.
Ich konnte feststellen das die Powergood Lampe nun nicht mehr bei 40 U/min an ging, sie ging eigentlich
gar nicht mehr an, zumindest nicht bei den Drehzahlen die ich durch drehen von Hand erzeugen konnte.
Trotzdem erfolgte eine Ladung des Akkus, allerdings unter heftiger Vibration des Aufbaus.
Ich vermute ein ständiges An- und Abschalten des DC-Wandlers da er die nötige Ausgangsspannung
nicht erzeugen bzw.konstant halten kann weil diese durch den niederohmigen Bleiakku auf etwas über 13V
herunter gezogen wird.

Ich habe dann die Ausgangsspannung des Wandlers auf 13,1 Volt und später auch etwas höher eingestellt.

Ergebnis:
Der Wandler kann, entsprechende Drehzahl vorausgesetzt, die Power Good Lampe wieder aufleuchten lassen,
das heisst er schafft es die vorgegebene Spannung zu erzeugen. Sofort hören die heftigen Vibrationen im Generator
auf und der Akku wird entsprechend der eingestellten Spannung mit dem zugehörigen Strom geladen.
Subjektiv und auch objektiv sinkt dann sogar die Belastung des Rotors, das heisst sobald der Wandler
korrekt arbeitet ( Power Good lLampe) floss ein geringerer Strom zum Akku als zuvor.

Problem:
Wenn der Wandler die eingestellte Ausgangsspannung nicht "halten" kann, dann kommt es durch die daraus
resultierende impulsartige Leistungsaufnahme zu nicht tolerierbaren Vibrationen im Generator.
Gleichzeitig wird der Windradrotor einer höheren Leistungsentnahme unterzogen als gewünscht.

Lösung ?

Grüsse

Bernd

[jb79]

Schön, du hast ihn also schon bekommen, der Versand war auch bei mir recht flott.

Für die Vibrationen habe ich folgende Erklärung:
Der Wandler versucht mit aller Macht, die eingestellte Ausgangsspannung zu erreichen. Hat jetzt die Batterie aber nur 12V und ist damit leer, so zieht sie den Strom: 14,1V-12V/Leitungswiderstand, also einen sehr großen Strom. Bei kleiner Eingangsspannung bricht diese dann durch die Belastung zusammen und bremst den Generator entsprechend. Da dieser mit sehr niedriger Frequenz arbeitet wird der Wandler von einer Sinuswelle zur nächsten mal bremsen und wenn die Spannung zu klein ist abschalten. Wird die voreingestellte Ausgangsspannung um mehr als 7,5% nicht erreicht, so geht die Power-Good LED aus, z.B. weil die Eingangsleistung nicht reicht und somit die Ausgangsspannung sinkt.
Stellt man die Ausgangsspannung entsprechend niedriger ein, so ist der Ladestrom natürlich kleiner => auch der Generatorstrom sinkt und die Vibrationen werden kleiner bis sie irgendwann ganz aufhören.

Was jetzt fehlt ist ein Regler, der den Akkustrom mißt und die Spannungsvorgabe (machst du derzeit am Poti) so ändert daß der Akkustrom und damit die Ausgangsleistung zur Eingangsleistung paßt.
Bis ich das hingebracht habe wirds aber noch etwas dauern. Will das mit dem PIC hinbiegen der den Spannungsteiler je nach Ladestrom und Eingangsleistung/Ausgangsleistung manipulieren soll. Einstweilen kannst du dir mal die Schaltung aus dem ersten Beitrag bauen, denke mit dieser Grobregelung wird das Vibrieren erstmal kleiner bzw. ganz abgestellt.
Nachteil: der erzielbare Maximalstrom ist erstmal eingeschränkt. Mit der Einstellung der Maximalspannung kann man natürlich etwas variieren (eher nach unten).

Hab vorhin mal nen Test gemacht mit den Widerständen parallel:
Lipo 3S
Uin=11,77V, Iin=2,08A
Uaus=14,06V, Iaus=1,65A.
Das ergibt einen Wirkungsgrad des Wandlers von 94,7%. Rechnet man noch den Verlust in den Widerständen (Pwid=Iaus²*R=1,65²A²*0,5Ohm=1,361W), so bekommt man einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 89%.

Werde schaun, daß ich mehr Versuche (vor allem mit kleinerer Spannung und seriengeschalteten Widerständen) machen kann.

Edit: nächster Versuch mit Widerstand-Serienschaltung (=2Ohm zwischen Wandler und Batterie in der Ladeleitung):
Lipo 2S
Uin=8,18V, Iin=1,3A
Uaus=14,06V, Iaus=0,7A
Hier haben wir dann 92,5% Wirkungsgrad ohne und 83,3% Wirkungsgrad mit Widerstand.

Die Widerstände werden später durch einen niederohmigen Shunt (nur einige Milliohm) ersetzt, somit fällt da kaum mehr Spannung und damit Leistung ab und der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich etwas.

Nächster Versuch:
Lipo 1S
Uin=3,93V => schaffts nicht, 14,06V zu erreichen unter Last., Regler schaltet nicht ein.

neuer Versuch mit reduzierter Ausgangsspannung (immer noch 2 Ohm Widerstand):
Selber Lipo 1S
Uin=3,55V, Iin=1,35A
Uaus=13,06V, Iaus=0,33A
Wirkungsgrad ohne 90%, mit Widerstand 85,3%.

[Bernd]

Was jetzt fehlt ist ein Regler, der den Akkustrom mißt und die Spannungsvorgabe (machst du derzeit am Poti)
so ändert daß der Akkustrom und damit die Ausgangsleistung zur Eingangsleistung paßt.

Genau das wird die Lösung sein, eine Anpassung die die derzeitige "dumme" Wandlung intelligent macht.
So liesse sich dann auch eine kontrollierte Leistungsentnahme aus der Rotorwelle realisieren.

Grüsse

Bernd