Für (fast) jeden Akku-Typ Lade-Controller LT8490 für Solar-Applikationen

Linear Technology hat mit dem LT8490 ein kosteneffizientes, einfaches und innovatives Hochspannungs-Buck-Boost-Ladecontroller-IC speziell für Solar-Applikationen entwickelt. Es benötigt keine Software oder Firmware, reduziert Entwicklungszeiten und ermöglicht Applikationen, deren Realisierung in der Vergangenheit durchaus schwierig war.

Die Ausgangsspannung eines Solar-Panel ist abhängig von der einfallenden Lichtenergie, der Zahl der Zellen und der verwendeten Technologie der Solarzellen sowie den aktuellen Betriebsbedingungen wie Temperatur und Abschattung. Das Bild 1 zeigt die Charakteristik eines Panel mit 72 Zellen bei einer Panel-Temperatur von 60 °C. Die blaue Linie zeigt die U-I-Kurve des Panel mit der Spannung auf der x-Achse. Die gestrichelte Linie zeigt die resultierende Ausgangsleistung bei einem Spannungsverlauf von 0 V bis zum Leerlauf unter Verwendung einer einstellbaren Last, die den Verlauf erzwingt. In diesem Fall liegt der sogenannte „Maximum Power Point“ (MPP) bei 32 V und das Panel liefert 140 W. Änderungen der Panel-Temperatur lassen den MPP zwischen 28 V an einem heißen Tag und bis zu 44 V an einem kalten Wintertag variieren.

Viele einfache Solar-Ladesysteme setzen nun die Panel-Spannung auf einen festen Wert, etwa auf 32 V bei 60 °C. Ändert sich die Panel-Temperatur, dann arbeitet das Panel nicht auf dem MPP; dadurch kann die verfügbare Ausgangsleistung um 20 bis 30 % zurückgehen.

Durch Bypass-Dioden im Solarzellen-Array wird das Ganze noch verschlechtert. Diese Dioden sind zur Überbrückung erforderlich, wenn Teile des Panel abgeschattet sind (Bild 2). Mit Bypass-Dioden im Panel ergeben sich bei Abschattung durchaus komplexe Leistungs-/Spannungscharakteristiken (Bild 3).

Bilder: 3

Bilder 1 bis 3

Ein Lade-Controller für (fast) jeden Akku-Typ - Linear Technology LT84900

Herausforderungen beim Design

Typische Wirkungsgrade eines Solar-Panel liegen zwischen 5 und 15 %. Da größere und damit leistungsstärkere Zellen mehr kosten, muss das Design eines solaren Ladesystems auf möglichst geringe Verluste hin optimiert werden. Für eine effektive Energieernte eines Solar-Systems muss es große Variationen am Eingang beherrschen und nahe am MPP arbeiten. Darüber hinaus ist eine Anpassung der Kenngrößen an die Chemie des Akkus erforderlich. Schließlich stellen die langwierige Entwicklung der Firmware und das Debuggen eines Solar-Ladesystems die Hersteller durchaus vor Probleme.

Da die vom Panel gelieferte Spannung je nach Einstrahlung und Temperatur unterhalb oder oberhalb der Ladespannung des Akkus liegen kann, ist für die Ladeschaltung ein Abwärts-/Aufwärtsspannungswandler (Buck/Boost) erforderlich. Eine solche Topologie bietet eine echte Isolation in beide Richtungen. Bei der Verwendung eines Abwärtsreglers gilt dies hingegen nur dann, wenn das Panel nicht angestrahlt wird. Dann wird nämlich der Akku über die Spule und die Body-Diode des NMOS-Transistors entladen. Zum Schutz des Akkus ist eine Spannungsanpassung erforderlich und schließlich, wenn das Panel nicht zuverlässig liefert, ist ein „In-situ-Laden“ des Akkus erforderlich. Dabei wird der Akku geladen und er versorgt gleichzeitig die Last: Die Batterie ist dabei die Versorgungsquelle, arbeitet so aber gleichzeitig als Puffer.

Maximum Power Point Tracking

Das Maximum Power Point Tracking macht es möglich, unter allen Bedingungen die maximale Leistung aus einem Solar-Panel zu erzielen. Einige dieser – nichtidealen – Betriebsbedingungen sind:

  • partielle Abschattung des Panel (Blätter, Vogelkot, Schnee, Schatten usw.)
  • Änderung der Panel-Temperatur
  • Alterung des Panel

 Ein aktives MPPT findet nun den optimalen Betriebspunkt unter allen Bedingungen. Das führt zu geringen Gesamtkosten, da kleinste Solar-Panel und kleinste Akkus verwendet werden können; eine Überdimensionierung wird so vermieden. Das Verfahren findet den optimalen Spitzenleistungspunkt und ignoriert falsche lokale Maxima, die in der Regel in partiell abgeschatteten Panels auftreten. Dabei wird die Größe des partiell abgeschatteten Solar Panels durch die Zahl der Bypass-Dioden im Panel bestimmt.

Ein IC vereinfacht die Aufgabe

Eine Ladeschaltung, die bei den wechselnden Betriebsbedingungen eines Solar-Panel stets die maximale Leistung entnimmt und dabei kostengünstig ist, muss folgende Bedingungen erfüllen:

  • minimale Entwicklungszeit für Software und Firmware
  • flexible Abwärts-/Aufwärtswandlerschaltung
  • aktiver MPPT-Algorithmus
  • einfacher, autonomer Betrieb (ohne Mikroprozessor)
  • Ladeschluss-Algorithmus für die verschiedenen Akku-Typen
  • Versorgung der Last während des Ladens
  • weiter Eingangsspannungsbereich zur Bedienung der verschiedenen Quellen
  • weiter Ausgangsspannungsbereich zur Versorgung von Akku-Stacks
  • hoher Ausgangs-/Ladestrom
  • kosteneffizientes Gesamtsystem
  • Gehäuse mit gutem thermischem Verhalten bei wenig Platzbedarf

Ein typisches Solar-Akkuladesystem besteht aus einem DC/DC-Wandler, einem Mi­krocontroller, weiteren zusätzlichen ICs sowie diskreten Bauteilen für die Ausführung der MPPT-Funktion. Die Entwicklung eines kompletten Solar-Moduls ist jedoch teuer: Die Aufgabenstellung ist nicht trivial, sie erfordert die Entwicklung von Software, Firmware usw. Darüber hinaus wird die Schaltung u.U. nicht auf den korrekten Maxima arbeiten und damit unter dem maximal möglichen Wirkungsgrad bleiben.