Ladekonzepte Solar-Ladegeräte für Anwendungen mit einer Li-Ion-Akkuzelle

Um Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) zuverlässig aufzuladen, ist die präzise Kontrolle des Ladeprofils erforderlich. Bei Solar-Ladegeräten sind außerdem noch ganz spezielle Überlegungen notwendig.

Anbieter zum Thema

ACTRON AG

Bicker Elektronik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Texas Instruments Deutschland GmbH

Das Spektrum der Leistungsaufnahme portabler Geräte umfasst mehr als acht Zehnerpotenzen – angefangen bei elektronischen Schaltungen mit extrem niedriger Stromaufnahme (z. B. drahtlose Sensorknoten, die nur wenige Mikrowatt aufnehmen) bis hin zu Elektronik mit hoher Leistung (hierzu gehören auch Elektrofahrzeuge mit einigen hundert Watt Leistungsaufnahme). In diesem gesamten Leistungsspektrum ergänzen solargespeiste Ladegeräte zunehmend die traditionellen Lösungen zum Aufladen von Akkus. Ladekonzepte, die Steckernetzteile oder den USB-Port nutzen, sind die am weitesten verbreitete Lösungen zum Laden der vielfältigen portablen Elektronikprodukte wie etwa Multimedia-Player, Mobiltelefone und Tablets.

Beim Design eines mit Solarstrom versorgten Ladegeräts sind aber ganz spezielle Überlegungen notwendig, denn Solar-Panels haben einen relativ hohen Innenwiderstand und ihre abgegebene Ladeleistung hängt von der Stärke des auftreffenden Lichts und von der Temperatur ab. Zu den wichtigen Themen in diesem Zusammenhang gehören die Unterbindung von Rückströmen aus dem Ladegerät in das Solar-Panel, der Kaltstart, das Maximum Power Point Tracking (MPPT), die Bestimmung des Ladeendes und die Vorsorge, dass es zu keinem Kollaps des Solar-Panels kommt.

Die Wandler-Topologie für Ladegeräte

Ein simpler Linearregler ist die einfachste Topologie für ein Ladegerät. Für einen zuverlässigen Betrieb muss dafür gesorgt werden, dass die Ausgangsspannung des Solar-Panels bei allen Einstrahlungsbedingungen größer ist als die vom Linearregler benötigte Eingangsspannung. Ist dies nicht der Fall, können Rückströme auftreten. Zu diesem Phänomen kommt es, wenn die Akkuspannung größer ist als die Spannung der Energiequelle und die gespeicherte Energie deshalb in die Quelle zurückfließt. Solange man sich einer konventionellen Energiequelle (USB-Port) bedient, tritt dieser Effekt normalerweise nicht auf, da die Spannung der Quelle mit 5,0 V stets größer ist als die Spannung einer einzelnen Li-Ion-Zelle (ca. 4,2 V).

Ein gravierender Nachteil des Linearreglers darf hier nicht verschwiegen werden: Sein Wirkungsgrad ist unzureichend, sobald sich Ein- und Ausgangsspannung stark unterscheiden. Effizienter ist hier ein Schaltregler, der die Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang zur Bereitstellung eines höheren Stroms nutzen kann, um den Akku zügiger zu laden. Das Laden funktioniert sogar dann noch, wenn die Ausgangsspannung des Solar-Panels niedriger ist als die Akkuspannung.

Der Punkt maximaler Leistung: Maximum Power Point Tracking

Das Solar-Panel ist in seiner Ausgangsleistung begrenzt. Eine maximale Leistungsabgabe ist mit einer bestimmten Kombinationen aus Spannung und Strom möglich. Deutlich wird dies an Bild 3, das für ein aus zwei Zellen bestehendes Solar-Panel die Ausgangsleistung und den Ausgangsstrom als Funktion der Panel-Spannung darstellt.

Die Wahl des richtigen MPPT-Verfahrens für ein Ladegerät wird in jedem Fall ein Kompromiss zwischen Kostenaufwand und Wirkungsgrad sein, der in hohem Maße von den spezifischen Bedingungen der jeweiligen Applikation bestimmt wird. Der Aufwärtswandler bietet eine per Widerstand programmierbare Technik, um ein Maximum an Leistung aus dem Solar-Panel herauszuholen.

Die Bestimmung des optimalen Ladeendes

Eine präzise Kontrolle des Ladeprofils ist notwendig, um die Kapazität von Li-Ion-Akkus langfristig zu maximieren und den Akku zuverlässig auf seine größtmögliche Kapazität aufzuladen. Ein typisches Ladeprofil für einen Li-Ion-Akku besteht aus der Vorkonditionierung, einer Konstantstrom-Ladephase und einer sich daran anschließenden Konstantspannung-Ladephase (Bild 4).

Der Ladestrom kann bei einem Solar-Ladegerät allerdings auch dadurch zurückgehen, weil das Panel weniger Energie abgibt. Das Panel könnte also potenziell unbegrenzt lange mit dem Ladegerät verbunden bleiben, ohne dass die Kapazität des Akkus zunimmt. Um hier zu verhindern, dass der Akku Schaden nimmt, verwendet man einen Timer mit langer Zeitkonstante, um das Ladegerät vom Solar-Panel zu trennen, wenn der Ladevorgang nach einer bestimmten Zeitspanne nicht beendet ist.

Dynamisches Management von Strom und Spannung

Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom von USB-Ports und Steckernetzteilen sind genau bekannt. Ladegeräte können deshalb genau auf diese Rahmenbedingungen abgestimmt werden. Anders ist es bei solargespeisten Ladegeräten: Spannung und Strom werden hier von den jeweils herrschenden Umgebungsbedingungen diktiert. Ein Solar-Ladegerät darf beim Versuch, das Ladeprofil des Li-Ion-Akkus einzuhalten, keinen unbeabsichtigten Kollaps des Solar-Panels herbeiführen, wenn das Panel die dafür benötigte Energie nicht liefern kann. Zu diesem Zweck ist ein dynamisches Management von Strom und Spannung nötig. Die entsprechenden ICs sind deshalb mit der Möglichkeit ausgestattet, Grenzwerte für die Eingangsspannung und den Eingangsstrom zu setzen. Sobald der Strom oder die Spannung auf diese Grenzwerte fällt, wird der Ladevorgang beendet, um einen Kollaps des Solar-Panels zu verhindern. Die ICs des Typs BQ2416x von Texas Instruments besitzen diese Fähigkeit, die Eingangsspannung zu programmieren.

* * Karthik Kadirvel... ist Mixed-Signal Design Engineer und

* John Carpenter... Design Engineer in der Battery Monitoring Solutions Group von TI, Dallas.

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