PWM en MPPT zonnepaneellaadregelaars accuspanningsbeveiliging

PWM en MPPT zonnepaneellaadregelaars zijn, uitzondering daargelaten, zogenaamde "niet galvanisch gescheiden apparaten". Dat betekent dat bij een defect de hoge spanning van de zonnepanelen op de accuklemmen terecht kan komen. Dat kan enorme schade en zelfs brand tot gevolg hebben. In dit artikel gaan we in op de techniek van de zonnepaneellaadregelaars en kijken we hoe deze problemen opgelost kunnen worden.

Introductie

Zonnepaneellaadregelaars, zowel van het PWM- als het MPPT type, zijn niet alleen bij Victron maar bij alle fabrikanten, vrijwel allemaal gebaseerd op een eenvoudige en daardoor goedkope techniek die buck-converter wordt genoemd.

Zonder heel diep in de techniek te duiken zou je deze buck-converter (emmer-converter) als volgt kunnen voorstellen (we doen de technische werkelijkheid wel geweld aan maar zo blijft het begrijpelijk voor leken). Aan de ingang hebben we een hoge spanning van de zonnepanelen, bijvoorbeeld 140 Volt. Die is te hoog voor de aan te sluiten accu van 12, 24 of 48 Volt.

Wat een buck converter nou doet is een soort emmertje vullen met de hoge spanning uit de zonnepanelen. Zodra de spanning in die emmer (grootte naar keuze) 12, 24 of 48 Volt is, stopt de zonnepaneellaadregelaar met het vullen van die emmer en wordt de elektrische energie in die emmer geleegd in de accu. Als de emmer leeg is, dan begint het vullen van de emmer weer opnieuw.

De "klep" die bij het vullen opengezet wordt en als de emmer vol zit weer gesloten wordt, is een elektronische schakelaar in dit geval in de vorm van een FET (een soort transistor, FET staat voor Field Effect Transistor).

Het probleem: niet galvanisch gescheiden

Deze buck-converter is een bekende en enorm veel toegepaste techniek, maar heeft één probleem, de aansluitingen van de zonnepanelen, waar in ons voorbeeld 140 Volt op staat, staan via de FET in verbinding met de accu.

Normaal geen enkel probleem, want de "emmer vultechniek" zorgt dat de spanning die uit de zonnepaneellaadregelaar komt nooit hoger wordt dan de gewenste accuspanning (technisch: de absorptiespanning).

Maar stel dat die FET defect raakt? Die FET is elektrisch gezien een schakelaar, hij kan open of gesloten staan. Als hij defect raakt en open staat, dan is de zonnepaneelspanning geïsoleerd van de accu, heel fijn.

Maar als de FET defect raakt en hij staat in de gesloten stand, dan staat de zonnepaneelspanning dus ook op de accu. Niet fijn. Heel erg niet fijn. Mogelijk desastreus. Bij een LFP accu kans op gassen een thermal runaway en mogelijk brand.

Zou jij een zo'n zonnepaneellaadregelaar in je woning/camper/boot willen hebben? Vast niet. Wij denken altijd dan: het is elektronica, de vraag is niet óf het kapot gaat, maar wanneer. En dan zit je in dit geval met de gebakken (want brand?) peren. Heerlijk trouwens met kaneel, rode kool en appelmoes.

Oplossing 1: galvanische scheiding

Een oplossing voor dit probleem is om de buck-converter te voorzien van een transformator – we houden het hierna zo simpel mogelijk en snijden hier en daar technische hoeken af om het leesbaar te houden voor leken–. Een transformator (die een ingang en een uitgang heeft) scheidt de spanning op de ingang van de uitgang, maar is toch in staat energie over te dragen.

Door gebruik van een transformator is het technisch onmogelijk dat de zonnepaneelspanning op de accupolen komt te staan. De transofmator vormt hiermee een "galvanische scheiding".

De term "galvanisce scheiding" houdt in dat, in elektrische zin, geen directe elektrische verbinding bestaat tussen de ingang en de uitgang. Dus dat de PV-ingang elektrisch gezien geïsoleerd is van de BATTERY-uitgang. Ondanks die elektrische isolatie kan, via de ingebouwde transformator, wel energie overgedragen worden van ingang naar uitgang.

Ter illustratie, in iedere 230 Volt USB lader zit ook een héle kleine transformator en daarna een buck-converter. Die (hele kleine) transformator, zorgt voor de galvanische scheiding tussen het elektriciteitsnet en de USB aansluiting. Je wilt immers geen 230 Volt in je telefoon krijgen mocht de USB lader defect raken.

Het is dus een bekende techniek, maar het vergt extra onderdelen en die worden duurder naarmate het vermogen van de buck-converter toeneemt.

Een USB lader is relatief goedkoop omdat deze circa 20 Watt kan leveren. Maar een zonnepaneellaadregelaar gaat het om vermogens die liggen tussen de 240 Watt bij het kleinste model van Victron, de MPPT 75/10, want: 10 Ampère x 24 Volt = 240 Watt, bij een doorsnee model (de MPPT 150/35) is dit 1680 Watt want: 35 Ampère x 48 Volt = 1680 Watt) tot zelf 9600 Watt bij de MPPT RS 450/200: 200 Ampère x 48 Volt = 9600 Watt.

Bij de SmartSolar RS MPPT modellen (de wat duurdere en fysiek grotere modellen) heeft Victron gekozen voor een ontwerp mét galvanische scheiding. Maar alle andere modellen is die scheiding er niet. En daardoor is dit in het verleden af en toe flink fout gegaan bij de gebruikers van zo'n model. Voor die niet-galvanische gescheiden modellen moest dus een andere oplossing verzonnen worden.

Oplossing 2: accu overspanningsbewaking

Als je wil zorgen dat bij het falen van de elektronica niet een onveilige situatie ontstaat, kan ook gekozen worden om de mogelijke foutsituatie te bewaken en dan in te grijpen waardoor het gevaar weggenomen wordt.

Victron heeft daarbij gekozen om de spanning op de accuaansluitingen (BATTERY-aansluitingen) te bewaken. Als deze té hoog wordt, dan wordt een relais in de zonnepaneellaadregelaar geactiveerd en die sluit de PV-ingang van de zonnepaneellaadregelaar kort.

Doordat de PV-ingang kortgesloten wordt, dan daalt de spanning (in ons voorbeeld) van 140 Volt naar 0 Volt. Doordat de zonnepaneelspanning als het ware "weggenomen wordt" kan aan de BATTERY zijde (de accu) geen onveilige sitatuatie ontstaan.

Victron is

Uitgezonderd een aantal (duurdere) modellen, zijn alle zonnepaneellaadregelaars (PWM en MPPT) gebaseerd op een "buck-converter" techniek. Hierbij wordt de hoge(re) spanning van de zonnepanelen omgezet in een lagere spanning die geschikt is voor de accu. Zo wordt bijvoorbeeld een zonnepenaalspanning van 140 Volt omgezet naar een spanning van 12, 24 of 48 Volt afhankelijk van de instellingen op de zonnepaneellaadregelaar.

Bij deze buck-converter techniek is via een halfgeleider (een FET, een soort elektronische schakelaar, noem het desnoods een transistor) de PV-ingang verbonden met de BAT-uitgang.

Normaal geen enkel probleem, de elektronica zorgt er voor dat de spanning op de BAT aansluiting nooit hoger wordt dan circa 12, 24 of 48 Volt (feitelijk de ingestelde absorptiespanning).

Hoewel het haast nooit voorkomt, maar het is mogelijk dat deze halfgeleider (die FET) die zich tussen de PV- en BAT aansluiting bevindt defect raakt waardoor hij "in geleiding" komt. Op dat moment staat de PV-spanning van bijvoorbeeld 140 Volt op de BAT aansluiting, dus krijgt de accu een spanning van 140 Volt voor zijn kiezen.

Als de accu nog niet vol zit zal dit nog wel loslopen omdat de accu zoveel stroom absorberen (de accu wordt dan geladen) dat de spanning van zonnepanelen daalt tot het nivo van de accu, dus geen 140 Volt maar bijvoorbeeld 25 Volt (als je een 24 Volt accu gebruikt).

Tot zover dus geen probleem. Dus de kans dát het gebeurd is zeer klein, en mocht het toch gebeuren, en de accu is nog niet volgeladen, dan zal dit ook nog geen probleem opleveren. Maar mocht de accu wel (haast) volgeladen zijn, dan kan de energie uit de zonnepanelen niet meer door de accu geabsorbeerd worden. Houston, we have a problem.

Een goede accu heeft een BMS die de accuspanning bewaakt en als deze té hoog wordt zal de BMS de accu loskoppelen. Maar die BMS is ontworpen voor maximale spanningen die een stukje hoger liggen dan je normaal gesproken zou verwachten. Maar de spanning van de zonnepanelen is wel erg hoog. Grote kans dat de BMS daardoor defect raakt.

Mocht de BMS niet defect raken, dan mogelijk wel de apparatuur die op de accu is aangesloten. Denk hierbij aan de inverter. Hoe dan ook, bij een defect in een zonnepaneellaadregelaar kán dit tot een zeer gevaarlijke situatie leiden. Brand is hierbij niet uitgesloten (en we hebben hierover meerde verslagen gelezen van gebruikers in forums).

Nogmaals, dit probleem is niet Victron specifiek, het geld voor alle fabrikanten van zonnepaneellaadregelaars, zowel de PWM als de MPPT modellen.

Dit probleem is op twee manieren op te lossen. Door géén gebruik te maken van de traditionele (en relatief goedkope) buck-converter techniek, maar een galvanische scheiding te maken tussen de PV- en de BAT-aansluiting. Die galvanische scheiding is mogelijk door gebruik te maken van een transformator.

Victron heeft dit probleem onderkend en heeft het ontwerp aangepast. Nog steeds zijn dit niet-galvanisch gescheiden zonnepaneellaadregelaars, maar heeft men een accuspanningsbewakingscircuit ingebouwd. Een stukje elektronica bewaakt continue de accuspanning en als deze (door het falen van de FET in de buck-converter) té hoog wordt, dan wordt een ingebouwd relais geactiveerd die de PV-ingang kortsluit.

Dat kortsluiten van de PV-ingang, dus het kortsluiten van de zonnepanelen, kan zonder enkel risico. De zonnepanelen gaan daardoor niet defect. Hoewel technisch geheel correct, maar we treden nu even niet in op details, zal het vermogen dat ze leveren (door die kortsluiting) niet hoger zijn dan dat zij zouden leveren tijdens maximale productie. Kortsluiten van zonnepanelen is dus zonder enkel gevolg (en mag je zolang je wilt doen).

Door deze beveiliging worden, bij een defect van de buck-converter in de zonnepaneellaadregelaar, de zonnepanelen in praktische zin "uitgeschakeld" door ze kort te sluiten. En bij het kortsluiten daalt de spanning van de zonnepanelen naar 0 Volt, dus zal dit niet meer leiden tot een gevaarlijke situatie aan de accu-zijde.

Welke MPPT's van Victron galvanisch gescheiden, dan wel een overspanningsbeveiliging hebben (en vanaf welke productdatum) tref je aan in het overzicht van MPPT's.