Optimieren eines DC/DC-Konverters für ein Solar-Auto

Optimieren eines DC/DC-Konverters für ein
Solar-Auto
Nathanael Baumann, Christoph Hugentobler, Elias Müggler, Erich Singer, Ilenia Vecchi
Guido Lang
Kantonsschule Kreuzlingen
Naturwissenschaftliche Woche 2004
Kreuzlingen, 24. September 2004
Optimieren eines DC/DC-Konverters für ein
Solar-Auto
Nathanael Baumann, Christoph Hugentobler, Elias Müggler, Erich Singer, Ilenia Vecchi
Guido Lang
Kantonsschule Kreuzlingen
Zusammenfassung
Im Rahmen einer Naturwissenschaftlichen Woche an der Kantonsschule Kreuzlingen
wurde das Anpassen eines Solar-Panels an einen Elektromotor durch eine DC/DC-Schaltung
untersucht. Es wurde berchnet, wie dem Motor eine möglichst hohe Leistung zugefügt werden
kann und das Solar-Panel optimal ausgenützt werden kann. Die gesteckten Ziele wurden nicht
vollumfänglich erreicht: Die Schaltung funktionierte, aber brachte zu wenig Leistung auf den
Motor.
Summary
In the scientific week at Kantonsschule Kreuzlingen we tried to optimize a solar panel on an
electric motor with a DC/DC-converter. We assayed how to maximize the output power of the
solar panel. Our device worked, but it stabilized the voltage on a too low level. That means we
couldn't reach the maximal power point of the solar panel.
Einleitung
Im Projekt „Solar Car“ werden verschiedene Aspekte rund um Solartechnik und ihre
Anwendung auf Fahrzeuge untersucht. Motiviert durch die Möglichkeiten der neuen
Energiequellen und deren Anwendung auf alternative Antriebsmöglichkeiten für Fahrzeuge
stellen wir uns die Frage, wie die von einem Solar-Panel erzeugt elektrische Energie
bestmöglich genutzt werden kann. Unser Ziel ist es, eine Elektronik zu bauen, welche eine
optimale Energieübertragung vom Solar-Panel zum Elektromotor gewährleistet. Da das SolarPanel nicht immer die gleiche Spannung liefert, muss ein Weg zu dessen Stabilisierung
gefunden werden. Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist der Einbau eines DC/DCKonverters.
Sonnenenergie
Das Modell der Kernfusion, die Sonne, ist unsere wichtigste Energiequelle. Sie liefert soviel
Energie wie keine andere Quelle auf unserem Planeten. Zudem ist ihre Energie sauber, das
heisst, sie verschmutzt unsere Umwelt in keiner Weise. Die Sonne scheint jeden Tag auf
unsere Erde und liefert einige tausend mal so viel Energie, wie wir heute benötigen. In weniger
als 3 Tagen erzeugt die Sonne auf der Erde mehr Energie als alle heutigen Erdölreserven
zusammenDie Frage ist, warum wir Sonnenenergie nicht vermehr nützen. Die Antwort ist
einfach und doch verblüffend: wir nützen die Sonne seit jeher sehr stark. Auch die
Erdölreserven entstanden dank der Sonne, unser ganzes Klima, die Nahrungsproduktion und
vieles mehr wird direkt von der Sonne beeinflusst. Trotzdem müssen wir uns weiterentwickeln
und uns die Sonne mit ihrer unerschöpflichen Energie noch mehr zu Nutzen machen. Zum
Beispiel in Form von Solarzellen, die uns mit Strom versorgen.
Problem
Zur Verfügung hatten wir ein Solar-Panel und ein ferngesteuertes Elektro-Auto. Da aber bei
einem direkten Anschluss zu viel Spannung und viel zu wenig Leistung vorliegt (Abb. 1),
mussten wir eine Schaltung entwerfen, die die Spannung konstant hält und eine möglichst
hohe Leistung aus dem Solar-Panel holt (Abb. 2). Diese Aufgabe übernimmt ein sogenannter
DC/DC-Konverter (auch Buck-Konverter genannt).
Solar-Panel
DC-Motor
Abb. 1: Anschluss direkt, zu wenig Leistung um Motor in Betrieb zu setzen
Solar-Panel
DC/DC-Koverter
DC-Motor
Abb. 2: Anschluss über DC/DC-Konverter, genung Leistung um Motor in Betrieb zu setzen
Lösungsansatz
Wir bekamen eine Vorlage der ETH Zürich1, die selbst dieses Projekt in Form eines
Wettbewerbes durchgeführt hatte. Diese Vorlage wurde aber für einen anderen Motor und ein
anderes Solar-Panel konstruiert, sodass wir diese Schaltung für unsere eigenen Bedürfnisse
anpassen mussten.
Was macht der DC/DC-Konverter?
Falls der Motor ohne DC/DC-Konverter an einer Konstantstromquelle angeschlossen ist, sieht
der Graph wie in Abb. 3 aus.
20
Spannung U [V]
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
Zeit t [ms]
Abb. 3: Konstanter Strom ohne DC/DC-Konverter
Der DC/DC-Konverter hat zwei wesentliche Eigenschaften: Duty (Betriebsart) und Frequency
(Frequenz). Die Duty ist das Verhältnis zwischen eingeschalteter Zeit und Gesamtzeit sowie
auch Ausgangsspannung und Eingangsspannung (s. Abb. 4).
D max =
U output T on
=
U input
T
Abb. 4: Duty
Der Konverter schaltet dann, wie ein Schalter, den Strom mit der Frequenz f an und ab. Der
Graph dazu kann in Abb. 5 angesehen werden.
1Kolar, Prof. Dr. J. W.: Projekt – Solar Car Race. Zürich 2004, 3. Auflage, ETH Zürich
20
Spannung U [V]
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zeit t [ms]
Abb. 5: Mit DC/DC-Konverter ohne Kondensator
Mit einem Kondensator kann dies ausgeglichen werden, damit aus dem rechteckigen Graph
annähernd eine Linie entsteht (Abb. 6).
20
Spannung U [V]
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Zeit t [ms]
Abb. 6: Mit DC/DC-Konverter mit Kondensator
Realisierung
Als erstes machten wir uns daran einige Messungen durchzuführen um einige Zahlen
herauszufinden, die wir später brauchten, wie zum Beispiel bei welchem Punkt wir die
maximale Leistung aus dem Solar-Panel ziehen können (Abb. 7). Den Maximal Power Point
(MPP) konnten wir auf 13.5V bestimmen, der Hersteller gab 17V an. Wir gehen davon aus,
dass unsere UV-Lampe das Licht mit einer anderen Wellenlänge als die Sonne ausschickt.
Nebst Messungen wurden Simulationen mit Simplorer gemacht, mit welchen wir auch
möglichst optimale Einstellungen für den DC/DC-Konverter herausfanden.
20
18
Spannung U [V]
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Strom I [A]
Abb. 7: U-I-Diagramm der Solarzelle
Als nächstes haben wir versucht einen DC/DC-Konverter nachzubauen. Der erste Eindruck war
gut, denn wir brachten den Motor zum laufen. Doch schon bald standen wir vor einem Problem:
Der DC/DC-Konverter erfüllte zwar seine Hauptaufgabe, die Spannung stabil zu halten, doch
hatten wir einen Spannungsabfall (wir erhielten ca. 9V statt den 17V). Wir stellten die ganze
Schaltung auf den Kopf und glaubten den Fehler gefunden zu haben. Tatsächlich hatten wir
nun eine stabile Spannung ohne Spannungsverlust doch der Strom war nun viel zu schwach,
sodass wir eine viel zu kleine Leistung erhielten. Resultat: Der Motor lief nicht mehr.
Obwohl wir den ganzen DC/DC-Konverter versuchten neu zu bauen und auch Herr Zurmühle
kurz am Werk war, fanden wir keine Lösung. Also blieb uns nichts anderes übrig als einen
Spannungsabfall in Kauf zu nehmen. Immerhin lief der Motor, zwar lahm, aber er bewegte sich.
Nun ging es ans Löten. Ein Teil der Gruppe war schon am Vortag damit beschäftigt gewesen
und machte sich nun an den Konverter. Der andere Teil der Gruppe versuchte die Solarplatte
auf eine möglichst einfache Art provisorisch am Wagen zu befestigen. Dazu wurde gesägt und
gefeilt, aber wenigstens hat das geklappt.
Resultate
Bedauerlicherweise mussten wir schlussendlich aufgeben, da unsere Schaltung nie korrekt
funktioniert hatte. Wir haben in dieser Woche viel über diese Schaltung und die Funktionsweise
diverser elektronischer Bauteile gelernt, zudem konnten wir uns im Ein- und Auslöten solcher
üben. Obwohl wir unsere Schaltungen (wir haben drei, voneinander unabhängige Schaltungen
entworfen, Abb. 8) viele Male kontrollierten und mit der ETH-Vorlage verglichen, fanden wir
keine Unterschiede und konnten deshalb auch nie gezielt versuchen, einen Fehler zu beheben.
Abb. 8: Schaltungen (v.l.n.r): zerlegte Schaltung, 1. Entwurf, 3. Entwurf, 2. Entwurf
Diskussion
Es wurde ein DC/DC-Konverter konstruiert, der aber nicht in der Lage war, die Spannung auf
dem gewünschten Niveau zu halten.
Für Projekte dieses Ausmasses sollte mehr Zeit eingeplant werden. Weiter sollten alle
Datenblätter sämtlicher Komponenten im voraus besorgt worden sein. Bei elektronischen
Projekten muss mit einem Miss- oder Teilerfolg gerechnet werden.
Nachwort
Obwohl wir nur einen Teilerfolg genossen, konnten wir wertvolle Erfahrungen sammeln. Das
Projekt hat uns Spass gemacht und wir würden uns wieder einmal an einem ähnlichen Projekt
versuchen.
Dank
–
Guido Lang (Betreuung des Projekts)
–
Res Müller (technische Unterstützung)
–
Daniel Zurmühle (Tipps und Tricks)
–
Patrick Barth (Unterstützung im Bereich Informatik)
–
Luca Dalessandro (Vorlage und Hilfe, ETHZ)
Literaturverzeichnis
–
Kolar, Prof. Dr. J. W.: Projekt – Solar Car Race. Zürich 2004, 3. Auflage, ETH Zürich
Anhänge
–
diverse, von uns selbst erstellte Schaltungsskizzen
–
Originalschaltungsplan der ETH Zürich