Schon lange schwebte mir die Idee im Kopf, die Akkus meiner IoT-Geräte wie z.B. der ESP8266 Wetterstation im Garten über ein Solarpanel aufzuladen. Diese hat aufgrund der WLAN-Verbindung einen relativ hohen Strombedarf, auch wenn sie sich außerhalb der Messungen im Deep-Sleep Modus befindet. Um die Akkus nicht mehr alle paar Monate händisch aufladen zu müssen, wurde der im Folgenden beschriebene Laderegler entwickelt.

Er eignet sich zum Aufladen von einer oder mehreren LiIon oder LiFePO4 Zellen. Ladestrom und Akkuspannung werden dabei über entsprechend dimensionierte Widerstände festgelegt. Mit einem 5-10 Wp Solarpanel lässt sich der Akku auch bei schlechten Lichtverhältnissen geladen halten.

Solarzellen erreichen ihr Leistungsmaximum bei einer definierten Spannung. Bricht diese ein, reduziert der Laderegler den Ladestrom, um die eingestellte Eingangsspannung konstant zu halten. Somit wird in jeder Lichtsituation der höchstmögliche Ladestrom erreicht. Dieses Verfahren nennt sich Maximum Power Point Tracking. Für gängige 36 Zellen Solarmodule liegt das Leistungsmaximum beispielsweise bei etwa 16-18 Volt.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Temperaturüberwachung des Akkus. Eine Ladung unterhalb von 0 °C schädigt die Zellen irreparabel, während Lagerung und Entladung unproblematisch sind. Daher ist ein NTC-Temperaturfühler vorgesehen, der wahlweise auf der Platine verlötet ist, oder über eine Buchse extern angeschlossen und am Akkupack befestigt werden kann. Bei Temperaturen über 50 °C wird der Ladevorgang zur Sicherheit ebenfalls unterbrochen.

Entwicklung

Im Laufe des Projektes hatte ich verschiedene Ladecontroller ICs evaluiert. Die Auswahl fiel letztendlich auf den CN3722 von Consonance, da dieser als effizienter Step-Down (Buck) Schaltregler aufgebaut ist und sowohl MPPT als auch eine Temperaturüberwachung mitbringt. Dazu ist das IC sehr günstig und es gibt bereits fertige Platinen bei Aliexpress.

Theoretisch wäre damit das Problem gelöst, wären diese Platinen nicht für einen deutlich höheren Ladestrom dimensioniert. Mit sinkendem Ladestrom erhöht sich die benötigte Induktivität der Spule, und ich konnte keine in passender Bauform ausfindig machen. Außerdem hatten die Boards statt dem NTC einen Festwiderstand verlötet, und es war nur eine einzige Befestigungsbohrung vorhanden. Ich entschloss mich daher, eine eigene Platine zu entwerfen.

Schaltungsbeschreibung

Die Bauteilbezeichner entsprechen, sofern möglich, denen aus dem Datenblatt. Der Anschluss des Solarpanels erfolgt an die Schraubklemme K1, der Akku wird an die JST XH Buchse K2 (Rastermaß 2,5mm) - korrete Polarität beachten - angeschlossen. Es dürfen nur Akkus mit Schutzschaltung (BMS) verwendet werden. Als zusätzlicher Kurzschlussschutz ist die Selbstrückstellsicherung F1 zwischengeschaltet. Der Verbraucher wird an die Klemme K3 angeschlossen. Die Kondensatoren C1 und C8 stabilisieren die Eingangsspannung. Der Elektrolytkondensator C1 kann wahlweise in SMD oder bedrahtet (Rastermaß 3,5mm) bestückt werden. Der Spannungsteiler aus R3, R8 und dem Präzisionspotentiometer R11 erlaubt die Einstellung der MPPT-Spannung im Bereich von 8,5 bis 27 Volt und deckt damit den kompletten Betriebsspannungsbereich ab. Wird der NTC-Temperatursensor R2 (SMD, Bauform 0603) auf der Platine bestückt, so wird R12 durch einen 0 Ohm Widerstand ersetzt und D5 entfällt. Dies gilt ebenfalls, wenn kein Temperaturfühler eingesetzt werden soll. R2 wird dann mit 10 kOhm bestückt. Soll ein externer Temperaturfühler verwendet werden, so entfällt R2 und der externe NTC wird mit der JST PH Buchse K4 (Rastermaß 2,0mm) verbunden. Der Widerstand R12 (200 Ohm) und die Diode D5 schützen den Eingang vor Überspannung beim Umstecken des Sensors. Die Bauteile C3 / R9, C4 / R4, C2 sowie C5 stabilisieren interne Regelschleifen und Spannungen des Ladecontrollers. Der Feldeffekttransistor T1, die Dioden D1 und D2 sowie die Spule L1 bilden einen Abwärts-Schaltregler. Dabei bestimmt R10 den maximalen Ladestrom. Der Spannungsteiler bestehend, aus R6 und R7 bestimmt die Ladespannung. C7 stabilisiert die Spannungsregelung. Der Ladestatus wird mit den LEDs D3 und D4 angezeigt. R1 und R5 sind die dazugehörigen Vorwiderstände. Bei Eingangsspannungen über 21 Volt sollten deren Werte gegebenenfalls etwas erhöht werden, um die zulässige Verlustleistung nicht zu überschreiten. Der Tantalkondensator C6 stabilisiert die Ausgangsspannung des Schaltreglers.

Bauteildimensionierung

Die Werte von R6, R7, C7, R10 und L1 ergeben sich aus den Parametern von Solarpanel und Akku. Hier sind sie beispielhaft für einen 1S LiIon Akku (4,2V) und 1A Ladestrom ausgelegt. Die Berechnungsgrundlagen sind dem Datenblatt und der Beispielschaltung entnommen.

Die Widerstände R6 und R7 bestimmen die Ladeschlussspannung. Bei Lithium-Akkus muss diese mit einer Genauigkeit von +-50mV eingehalten werden. Da auch die Referenzspannung des Ladereglers eine minimale Temperaturdrift hat, empfiehlt es sich, die Spannung möglichst exakt oder etwas darunterliegend zu wählen. Es sind Widerstände mit einer Toleranz von 1% nötig. Um die Berechnung (Datenblatt Seite 6) zu vereinfachen, habe ich ein LibreOffice Calc Dokument erstellt. Außerdem habe ich eine Tabelle generiert, die sämtliche zu verschiedenen Akkutypen passende Kombinationen aus Widerständen der Reihen E24 und E48 enthält. Diese kann am Ende der Seite heruntergeladen werden.

Da der Spannungsteiler permanent am Akku verbleibt, gilt es auch den Ruhestrom zu beachten. Ein besonders hochohmiger Spannungsteiler bedeutet zwar eine geringere Stromaufnahme, ist jedoch leichter zu beeinflussen. Ich habe mich daher an dem bestehenden Teiler mit etwa 50µA orientiert. Aus den beiden Widerstandswerten berechnet sich anschließend der Kondensator C7.

Akkutyp	Spannung soll (ist)		Widerstand R6	Widerstand R7	Kondensator C7
LiIon 1S	4,2V	(4,204V)	48,7kΩ	36kΩ	12pF
LiIon 2S	8,4V	(8,375V)	48,7kΩ	120kΩ	3,3pF
LiIon 3S	12,6V	(12,596V)	48,7kΩ	205kΩ	2,2pF
LiFePO4 1S	3,6V	(3,593V)	48,7kΩ	23,7kΩ	18pF
LiFePO4 2S	7,2V	(7,197V)	82kΩ	162kΩ	4,7pF
LiFePO4 3S	10,8V	(10,809V)	48,7kΩ	169kΩ	3,3pF

Der Ladestrom (Datenblatt Seite 7) wird durch R10 festgelegt. Dabei ist unbedingt zu bedenken, falls nötig die Selbstrückstellsicherung F1 anzupassen. Auch der Sättigungsstrom der Spule L1 sollte ausreichend (etwa Faktor 1,5-2) über dem Ladestrom dimensioniert sein.

Ladestrom	Widerstand R10
1A	200mΩ
1,5A	130mΩ
2A	100mΩ
2,5A	82mΩ
3A	68mΩ

Wie bereits erwähnt, ist die Induktivität der Spule abhängig von Ladestrom und Eingangsspannung, wobei generell ein niedrigerer Strom eine höhere Induktivität erfordert. Die Tabelle (Auszug von Seite 9) zeigt die nötigen Werte; hier im Bereich von 1-3 Ampere, limitiert durch die verwendeten Dioden.

Ladestrom	Eingangsspannung	Induktivität L1
1A	> 20V	40µH
	< 20V	30µH
2A	> 20V	30µH
	< 20V	20µH
3A	> 20V	20µH
	< 20V	15µH

Als NTC Temperaturfühler kann entweder ein NCP18XH103F03RB direkt auf der Platine oder ein externer MF52 (10kΩ) eingesetzt werden. Der Widerstand von 10kΩ wird bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C angegeben. Letzterer Sensor ist mit verschiedenen B-Werten erhältlich. Das ist eine Materialkonstante, angegeben in Kelvin, die die Charakteristik des NTCs definiert. Vergleichen wir die MF52 Fühler mit unterschiedlichen B_25/85 Werten bei sinkender Temperatur, so steigt der Widerstandswert bei der Variante mit höherer B-Konstante steiler an und führt damit schon früher zur Abschaltung.

	tempLow (≈28kΩ)	tempHigh (≈3,2kΩ)
MF52B (3435K)	< 0 °C	> 57 °C
MF52B (3950K)	< 3 °C	> 52 °C

Der NCP18XH103F03RB weist eine B_25/85 Konstante von 3434K auf und ist daher mit dem MF52B (3435K) vergleichbar. Wer auf der sicheren Seite sein möchte und bereits kurz vor 0 °C den den Ladevorgang unterbrechen will, greift zum MF52B (3950K). Fertig konfektionierte NTCs mit Kabel sind auf Aliexpress erhältlich. Diese können mit etwas Kapton Tape direkt am Akku befestigt oder sogar im Akkupack mit eingeschrumpft werden.

Ladeverfahren

Der Ladevorgang beginnt, sobald die MPPT-Spannung erreicht wird. Hierzu verwendet der Ladecontroller ein bei Lithium Akkus gängiges CCCV-Verfahren, bei dem bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung mit Konstantstrom und anschließend mit Konstantspannung geladen wird. Fällt der Ladestrom nun weit genug ab, wird der Ladevorgang beendet. Wenn die Akkuspannung unterhalb einer definierten Schwelle sinkt, wird der Ladevorgang wieder aufgenommen. Zudem werden tiefentladene Akkus mit geringem Strom vorgeladen.

Zwei Status LEDs zeigen den Ladezustand an, sofern Spannung vom Solarpanel anliegt. Die rote LED leuchtet, wenn die Ladeschlussspannung noch nicht erreicht wurde. Dies ist unabhängig davon, ob gerade geladen wird oder nicht (z.B. weil MPPT-Spannung nicht erreicht oder unzulässiger Temperaturbereich). Ein vollgeladener Akku wird durch die grüne LED signalisiert.

Abgleich der MPPT-Spannung

Zum Abgleich wird der Aufbau ohne Akku an ein Labornetzteil angeschlossen und die Spannung am Eingang auf die gewünschte MPPT-Spannung eingestellt. Nun wird der Präzisionstrimmer R11 justiert, bis der Punkt zwischen dauerhaftem Leuchten der roten LED und schnellem Flackern beider LEDs gefunden ist.

Wenn zu dem verwendeten Solarpanel kein Datenblatt existiert, kann die passende MPPT-Spannung durch eine Messreihe ermittelt werden. Dazu wird das Panel bei starkem Sonnenschein optimal ausgerichtet und mit einer elektronischen Last im Konstantstrom-Modus mehrere Messpunkte von Strom und Spannung aufgenommen. So kann zu jedem Punkt die Leistung errechnet und die Spannung bei bester Leistung gewählt werden.

Links

• Leiterplatte bei Aisler
• Leiterplatte bei OSH Park
• Herstellerseite des Ladecontrollers
• Datenblatt CN3722
• Beispielschaltung CN3722

Downloads

• Schaltplan (PDF)
• Stückliste (PDF)
• Layout, Stückliste und Berechnungen
• Layout im Gerber Format

Weitere interessante Projekte

• LiFePO4wered/Solar1
• SparkFun Sunny Buddy

Lizenz

Das von mir erstellte Platinenlayout darf für privaten Gebrauch frei verwendet werden, der Name des Autors muss darauf jedoch erhalten bleiben (CC BY-NC-SA). Der Schaltplan unterliegt keinen Beschränkungen.