LiFePo4 mit Solar direkt laden

Mit der Sonne mobil sein:

Die Elektromobilität könne jetzt noch viel effektiver werden, wenn wir sie nicht immer nur aus dem 230V Stromnetz nachladen müssten. Das geht natürlich auch über eine Insel-Solaranlage mit 230 Wandler. Aber die Lithium-Fahrrad-Akkus ganz direkt von den Solarpanelen aufzuladen ist natürlich noch weitaus effizienter, weil es damit keinerlei Transport oder Umwandlungsverluste mehr gibt. 

Mit dem Solarstrom wird ja sonst üblicher Weise erst einmal eine 12V Pufferbatterie geladen, dann mit einem Wandler von 12V auf 230V hochtransformiert, nur um durch das Lithium-Batterie-Ladegerät dann wieder auf 36V oder 48V runtertransformiert zu werden. Umständlicher geht’s kaum noch, und jedesmal gibt es dabei viele unnötige Verluste. Eine Bleibatterie hat beim Aufladen nur einen Wirkungsgrad von max.80%. Ein guter Sinuswandler schafft höchstens 90%. Rechteckwandler nur um die 70%. Zuletzt das Ladegerät mit ca. 75%, das meistens noch durch einen Lüfter gekühlt werden muss. Alles unnötige Energieverschwendung. Durch all diese Prozeduren verlieren wir am Ende fast die Hälfte des Solarstroms. Aber es geht auch ganz anders!

Und so wird gemacht:

Es ist fast nicht zu glauben, denn es geht im Grunde wirklich so einfach, dass ich mich fragen muss, wieso das nicht schon seit langem praktiziert wird. Doch vielleicht wird sich das bald ändern, denn die dazu benötigte Regeltechnik ist jetzt selbst für Elektronik-Anfänger ganz einfach nachzubauen.
 

Für E-Bike-Akkus brauchen wir:

2 Solarpaneele in Reihe (40V) für einen 24V Akku, 

3 Paneele (60V) für einen 36V Akku, und 

4 Paneele (80V) für einen 48V Akku. 

Bitte darauf achten, dass die verwendeten Solarpaneele alle etwa die gleiche Leistung haben und beim Laden nicht nur eines abgeschattet werden kann.

Der max. Ladestrom der Module sollte für den Akku angemessen sein. Für kleine Akkus bis 7Ah besser nur 50W Panele verwenden (2,5A). Größere Akkus bis 20Ah vertragen da schon mehr, z.B: 90W Panele, die dann mit 4,5A laden.

Wer ein Elektro-Auto direkt aufladen will braucht schon eine recht große Solar-Anlage mit großen Spannungen die auch nicht mehr ganz ungefährlich sind. Eine Solar-Anlage im Kilowatt-Bereich ist auch immer eine große Investition, die dann nicht nur zum Auto-Aufladen genutzt werden sollte.

Wir könnten, nur für die Zeit des Auto-Ladens, einfach passende Strings mit 120V (für 72V-Akkus) oder 160V (für 96V-Akkus) aus einer solchen großen Einspeise Anlage abkoppeln.

Doch Achtung! Bei diesen großen Spannungen ist hier ist große Vorsicht geboten. Die Strings dürfen niemals unter Last abgetrennt werden!, da sonst ein Lichtbogen die Stecker und Kontakte verbrennen würde. Aber eine praktikable Lösung mit elektronischen Relais sollte hier für gute Fachkräfte kein wirklich großes Problem darstellen.

ACHTUNG: Ohne Regler gehts hier gar nicht:

Wer seinen empfindlichen Lithium-Akku beim Solar-Direktladen nicht schon beim ersten Mal zerstören will, muss natürlich noch einen 2 stufigen Regler dazu haben, der beim Erreichen der maximalen Ladespannung die Solarpaneele sicher vom Akku trennt. Damit die Balancer, die meist im Akku eingebaut sind, ihren Dienst tun können, muss zusätzlich der Ladestrom etwa 1V vor Erreichen dieser Spannung auf ca 500mA begrenzt werden. 

Die hier beschriebene Schaltung ist speziell für den einfachen Nachbau entwickelt worden. Es wurde absichtlich auf komplizierte Elektronik verzichtet, aber ohne dabei die ausreichende Genauigkeit in Frage zu stellen. Die verwendeten Bauteile lassen sich für wenig Geld beschaffen, oder können sogar aus altem Elektronik-Schrott recyclet werden. Die hier beschriebene Schaltung wurde für 48V-Akkus konzipert, ist aber recht einfach auch auf 36V modifizierbar durch die Verwendung einer 39V Zehner-Diode.

Der Aufbau der Schaltung:

Den linken Teil der Schaltung brauchen wir 2x. Einmal für Relais 1, das die Endabschaltung des Ladestroms bei 57,5V übernimmt. Zur weiteren Sicherheit laden wir die 48V LiFePo4 Akkus vorssichtshalber auch nur bis 0,9V vor der maximalen Nennspannung von 58,4V. (Zum vergrößern einfach jeweils auf die Zeichnungen klicken)

Eine Spannungsfeste Schottki-Diode (MBR2045) verhindert einen versehentlichen Rückstrom in der Nacht, nur falls man Abends mal vergessen hat den Akku vom Ladegerät zu trennen.

Die zweite Schaltung mit Relais 2 öffnet den Ladestrom nochmal ein Volt früher (bei 56,5V), so dass nur noch ca. 0,6A über einen dicken 40 Ohm Hochlastwiderstand fließen kann der zwischen Solar Minus und Batterie Minus gesetzt wird. So können die Balancer in Ruhe ihre Arbeit tun und alle Zellen im Akku gut ausbalancieren ohne von einem zu großen Ladestrom überfordert zu werden. Wobei sonst oft einzlne Zellen dabei überladen werden würden und ganz schnell dabei kaputtgehen könnten.

TIPP: Bei alten oder stark verbrauchten Zellen empfielt es sich diese Strombremse schon etwas früher einzustellen (z.B: bei 55,5V), dadurch dauert das Voll-laden aber etwas länger. Bei einen Verdacht auf schlecht balancierte Zellen (recht plötzlicher Kapazitätsverlust und zu frühes Abschalten beim Fahren, oder zu kurze Ladezeiten nach leerem Akku), ist es sehr hilfreich die ganzen Zellverbindungen im Akku mit dünnen Käbelchen und einem Multi-Stecker nach draußen zu legen, um die einzelnen Zellspannungen kontrollieren und sie gegebenfalls manuell nachladen oder entladen zu können.

Die 0,22µF Folienkondensatoren verhindern Funkenbildung an den Relais-Kontakten und erhöhen somit die Lebensdauer enorm. Die LED´s geben den Schaltzustand an und man kann daran erkennen ob der Akku schon kurz vor fertig, oder ganz fertig geladen ist.

Der 150K Ohm Widerstand erzeugt eine Hysterese von ca. 3V, damit sollte das Ladegerät, einmal abgeschaltet, nicht wieder zum Laden zurückschalten. Über das 5K-Ohm Poti kann die Maximalspannung mit einem Bereich von 53V bis 60V eingestellt werden. Der 220µF und der 22µF verhindern ein Flackern der Schaltung. Bitte hier nur spannungsfeste Kondensatoren (mit min. 63V) und für diese große Spannung entsprechende Transitoren verwenden (z.B: BC546 und BD139).

Die 12V-Relais (290 Ohm) können mit dem 7W starken 1K-Ohm Widerstand auch an 48V betrieben werden. Die Diode an der Relais-Spule verhindert für die Schaltung gefährliche Hochspannungs-Stromströße.

Hier sind diese beiden Schaltungen mit der Schottki-Diode und dem dicken 40-Ohm Hochlastwiderstand zusammen mit selbstgebauten 16 Balacern (siehe mein Blog: www.Lithium-Balancer.blogspot.com) in einer Alukiste (zwecks Kühlung) untergebracht. Ein selbstbau Volt- und Amperemeter geben Auskunft über Sonneneinstrahlung und Ladezustand.

TIPP: Ein Piepser, evtl. mit dickem Kondensator und einem 1K Ohm Widerstand in Reihe neben der LED, auch zwischen Plus und dem Collektor angeschlossen, macht kurz mal etwas Lärm wenn der Akku voll aufgeladen ist. Ein Ah-Zähler ist sehr praktisch als Ergänzung zur Akku-Überwachung. 

Die Schaltung arbeitet mit 0,05V! Abweichung super genau, ist aber sehr empfindlich gegen Staub und Feuchtigkeit. Auch starke Temperaturschwankungen können die Schalt-Spannungen leicht verändern, was aber bei einem ganzen Volt Sicherheitsabstand zur Maximal-Nennspannung nicht gefährlich werden sollte. Ich wünsche euch viel Spass beim Nachbauen und fröhliches Fahren mit der puren Energie der Sonne! 
Bei weiteren Fragen oder Anregungen wendet euch gerne an mich:
solarmichel@hotmail.com