Laderegler und Ladestrom-Verteilung für Solar-Anlagen

Bernhard Bornschein - Berlin

Shunt-Laderegler

Marlec-Shunt-Regler

Alte Solar-Ladetechnik - nicht mehr geeignet.

Bei einem Shunt-Regler wird bei Erreichen der maximalen Batteriespannung von 13,8 V (bei Blei-Gel-Batterien) der Solarstrom an der Batterie 'vorbeigeleitet' und an einem Leistungs-Transistor in Wärme umgewandelt. Über den Kühlkörper wird die Wärme an die Umluft abgegeben.
Das ist nur für kleine Solar-Generatoren geeignet. Ausserdem ist die Einstellung des Schwellwertes sehr kritisch.  Dennoch für kleine Experimente auch auf einer Lochrasterplatte realisierbar.

Für kleine Windgeneratoren ist ein Shuntregler auch bestens geeignet, wie ich herausfand.

Es zeigte sich, dass bei diesem Shuntregler die Regelschwelle von 13,8 V sehr kritisch einzustellen war. Das liegt auch an dem 'einfachen' Trimmpoti für diese Funktion - mit einem 'Cermet-Poti' dürfte das schon besser gehen. Wenn der Akku bereits gut geladen ist und der Transistor die überschüssige Energie 'verbraten' muss, wurde der Kühlkörper extrem warm. Da ich nun mit der teuer erworbenen Solar-Energie nicht mein Zimmer heizen wollte, beschaffte ich einen MOSFET-Laderegler.

Ansonsten ist diese Schaltung einfach und wirkungsvoll - für ähnliche Experimente und kleinen Solar oder Windenergie Versuche durchaus geeignet. Die paar Bauteile bringt man auch leicht auf einer Lochraster-Platine unter.

MOSFET-Laderegler

Diese MOSFET-Typen unterbrechen den Ladestrom, sowie die maximale Batterie-Ladespannung von 13,8 V erreicht ist. Sinkt die Ruhe- / oder Lastspannung wieder auf einen voreingestellten Wert von (12,6 V - 12,8 V) ab, schaltet der MOSFET den Solarstrom wieder zur Batterie durch.

Soweit so gut . . .

Ich erkannte jedoch ein Problem : Wenn die Batterie schon gut geladen ist - also hochohmiger wird, fließt weniger Strom im Batterie-Ladestromkreis – der Spannungsabfall an den Solar-Paneelen wird geringer und Solar-(Lade)-Spannung steigt an. Wenn die Ladespannung an der Batterie 13,8 V übersteigt wird der MOSFET im Laderegler gesperrt und es fließt kein Ladestrom mehr. Das soll er machen um die Batterie zu schützen. Denn oberhalb von 13,8 V fängt eine Bleibatterie an zu 'gasen', was es zu verhindern gilt. Ist die Batteriespannung wieder auf den Einschaltwert des Ladereglers von 12,6 V - 12,8 V abgesunken, schaltet der MOSFET wieder durch und es fliesst wieder Solar-Ladestrom . Ist die Batterie unbelastet, was tagsüber der Fall ist, wenn ich beruflich unterwegs bin, kann die die Unterbrechnung des Ladestromes viele Minuten dauern. In dieser Zeit wird die Batterie nicht geladen - weil der Laderegler sie vor zu hoher Ladespannung schützen musste - obwohl die Batterie noch lange nicht voll ist. Ist die Einschaltespannung dann wieder erreicht, geht die Batteriespannung sehr schnell wieder nach 13,8 V - worauf der Ladestrom wieder unterbrochen werden muss . . .

Fazit : Bei viel Sonne und wenig Last und kleiner Batterie können die Abschalte-Zyklen länger als die Lade-Zyklen sein. Ist die Batterie gross genug oder durch Verbraucher belastet, tritt oder fällt dieser Effekt nicht so schnell auf. Meine relativ kleine 80 Ah Batterie kann somit nicht genug Energie aufnehmen - weil der MOSFET-Laderegler sie ja dauernd vor zu hoher Ladespannung schützen musste.

Modifikation am MOSFET-Laderegler

Nun kam die Idee, den Solar-Strom während der Abschaltung der Haupt-Batterie auf eine andere, schon vorhandene Batterie mit 17 Ah umzuleiten, damit die teuer eingefangene Energie nicht verloren geht. Mit dieser kleineren Batterie könnte man ja kleinere Verbraucher wie den DSL-Router speisen. Der gerade benutzte Laderegler SR-100 wurde zu diesem Zweck analysiert. Das heisst, es wurde anhand der Leiterbahnen der Platine die Schaltung zu Papier bzw. mit einem Schaltplan-Programm zu PC gebracht. Anschliessend wird überlegt, was zu tun ist um das Problem zu lösen.

Von dem OpAmp, der den negativen Spannungspegel zum Sperren des internen MOSFET erzeugt, wird die ebenfalls zur Verfügung stehende positive Spannung abgegriffen und zusammen mit der am Eingang des Ladereglers anliegende Solar-Spannung den MOSFET's im externen Gehäuse zugeführt. Auch hier werden zwei BUZ 11 zur Verringerung des Drain / Source Widerstandes parallel geschaltet - wie im SR-100. Des weiteren muss die 'Haupt- / und Nebenbatterie' durch Dioden entkoppelt werden. Ich benutze dazu zwei parallel geschaltete 9 A Schottky-Dioden, die aus Platzgründen ausserhalb des Gehäuses an den Schraubklemmen angebracht wurden.

Der modifizierte SR-100 mit MOSFET-Erweiterung

An den Ausgang der 'MOSFET-Erweiterung' wird ein weiterer Ladereglers angeschlossen. Hier habe ich den ebenfalls preiswerten Solara SR-80 benutzt, der außerdem eine Tiefentladungs-Schutzschaltung besitzt. An den Batterie-Anschluss des SR-80 wird nun die 'Neben-Batterie' angeschaltet.

Achtung ! Am Last-Ausgang des 'Slave-Ladereglers' dürfen nur 'erdfreie' Verbraucher angeschaltet werden wie z.B. NiCd / NiMh Ladegeräte, Transistor-Radio, mp3-Player ect., wenn bereits am 'Master-Laderegler' Verbraucher angeschlossen sind, die mit einer Netz- oder Antennen-Erde verbunden sind. Weil sonst der MOSFET im 'Master-Laderegler' durch die Erdverbindung überbrückt wäre und im Abschaltefall wirkungslos ist. Es würde dann weiterhin die volle Solar-Spannung an der Hauptbatterie anliegen. Das bedeutet mehr als 13,8 V und die Batterie beginnt zu Gasen - was einer Blei-Gel-Batterie sehr schadet. Wird der Innendruck der Batterie durch das Gasen zu hoch, öffnet sich das 'Notventil' der jeweiligen Zelle und mit dem Gas entweicht auch Feuchtigkeit - das Gel trocknet aus.

Modifizierter MOSFET 80 W Laderegler

An den herausgeführten Anschlüssen und der externen Schottky-Diode erkennt man, das der SR-80 ebenfalls zum Anschluss eines externen MOSFET modifiziert ist. Beide Laderegler funktionieren mit der MOSFET-Erweiterung einwandfrei.

Der Nachteil für die 'Slave-Batterie' ist, dass sie keinen Ladestrom bekommt, solange die Abschalt-Spannung der Hauptbatterie erreicht ist. Aus diesem Grund wurde auch ein Schalter für 'manuelles Laden' eingebaut, mit dem die 'Slave-FET's' bei Bedarf durchgeschaltet werden können, um die Nebenbatterie 'mit' zu laden.

Dieser Aufbau von kaskadierten Ladereglern funktioniert zwar prinzipiell gut , ist aber nicht der Weissheit letzter Schluss.

Konstantspannung für Bleibatterien

Bleibatterien werden grundsätzlich mit 'Konstantspannung' geladen. 12 Volt Blei-Gel-Typen mit 13,8 Volt. Die genaue Ladespannung hängt vom Batterietyp und von der Umgebungstemeratur ab. Man muss sich schon genau an die Hersteller-Angaben halten, um die gewünschte Kapazität und eine lange Lebensdauer zu erreichen. Es geht um zehntel und hundertstel Volt. An hochwertige Laderegler kann ein Batterie-Temperaturfühler angeschlossen werden, der ihm diesen wichtigen Wert liefert.

Mit einem MOSFET-Laderegler hat man aber keine Konstantspannung zur Verfügung. Der Solarsrom wird 'glatt' durchgereicht. Und zwar so verlustfrei wie möglich - dank der MOSFET's. Detektiert der Laderegler mehr als 13,8 V am Batterieanschluß, so wird der Solarstromfluß sofort durch den gesperrten MOSFET unterbrochen.

Besser wäre, die Solarspannung wird auf 13,8 Volt herunter geregelt bzw. stabilisiert und die Batterie würde dann mit reduziertem Ladestrom weiter geladen. Der Innenwiderstand einer Bleibatterie ändert sich mit dem Ladezustand der Batterie - somit bestimmt die Batterie selbst wieviel Ladestrom sie gern 'möchte' – Hauptsache die Ladespannung bleibt konstant. Bei konstanten 13,8 V kann und muss eine Bleibatterie Tage- lang an einer Spannungsquelle 'nuckeln' bis sie wirklich 'voll' ist. Der Ladestrom wird immer weiter absinken - bis fast auf Null. Das ist 'Wellness' für eine Bleibatterie.

Solar-Laderegler mit Konstanter-Ausgangsspannung

Bei der Suche nach einem Solar-Laderegler der für meine Zwecke besser geeignet ist, bin ich auf den Chargemaster CHM-120W gestoßen. Dieser Typ stellt eine geregelte Ausgangsspannung von 13,8 V an seinem Batterie und / oder Last-Ausgang bereit. Somit ist gewährleistet, dass die Batterie niemals mehr als 13,8 Volt vom Laderegler bekommt - selbst wenn die Solar-Generatoren volle Leistung liefern könnten, weil sie 'voll unter unter Sonne' stehen. Eine ausgeklügelte Elektronik steuert die Leistungsentnahme aus den Solar-Paneelen. Ausserdem ergibt sich auch ein höherer Ladestrom bei diffusem Licht. Morgens, wenn die Sonne noch hinter den Häusern ist - oder bei Bewölkung - fliesst schon auffällig mehr Ladestrom als mit anderen Ladereglern. Da die Batterie nun optimaler geladen wird, habe ich deutlich mehr Energie zur Verfügung, wie ich am Batterie-Voltmeter erkennen kann. Ich benutzte diesen Laderegler nur zum Laden der Batterien - entnehme den Laststrom also nicht über den Laderegler.

Mehrere Batterien wahlweise Laden

Mit dem Chargemaster CHM-120 lassen sich problemlos mehrere Batteriestromkreise betreiben. Dazu müssen die Batterien jedoch über Dioden gegeneinander entkoppelt sein, damit es keinen Querstrom von einer zur anderen Batterie geben kann. Um den Spannungsabfall an den Schottky-Dioden (ca. 0,35 V) zu kompensieren, wird die Ausgangsspannung des CHM-120 um diesen Betrag erhöht. Das lässt sich mit dem Spindelpoti sehr feinfühlig einstellen. In dieser Betriebsart muss der Laststrom von der jeweiligen Batterie abgenommen werden, da ja nun durch die Entkopplungs-Dioden kein Strom in Richtung Laderegler fliessen kann. Der Last-Ausgang bleibt unbeschaltet.

Ladeverteiler für drei Nebenbatterien

Jede Batterie wird über Schottky-Dioden gegeneinander entkoppelt an den Ausgang des Ladereglers CHM-120 angeschaltet. Für die kleineren Nebenbatterien habe ich eine Schalterbox gebaut, um sie wahlweise zu- / oder abschalten zu können. Es wird zweipolig geschaltet – plus und minus. In Sonnen armen Zeiten kann man somit auch Lade-Prioritäten setzen.

Mehrere Batterien zu benutzen hat den Vorteil, das man relativ dünne Ladekabel in verschiedene Räume verlegen kann. Die Ladeströme sinken rasch mit steigendem Ladezustand der Batterie. Ab der Batterie im Ziel-Raum hat man kurze Lastkabel und weniger Verluste.

Da der Chargemaster stabile 13,8 V bereitstellt, könnten an dieser Box auch direkt Verbraucher angeschaltet und betrieben werden.

Die Verbraucher-Stromkreise sind über 'Akku-Save' – Module an die jeweilige Batterie angeschaltet, sodass bei erreichen der Entladeschlussspannung von (spätestens) 11,0 V die Verbraucher abgeschaltet werden.

Ein weiterer Vorteil : Man hat nicht alle Verbraucher an einem Stromkreis. Sollte also Beispielsweise die Last-Abschalte-Spannung der Funk-Batterie erreicht sein, geht nicht auch noch das Licht aus, - oder die Internetverbindung würde zusammenbrechen - schlimmstenfalls beides.