Solarbox Zustandsraummodell

Ein System zur unabhängigen Photovoltaik-Stromversorgung und -Speicherung mittels LiFePo4-Akkus
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case
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Solarbox Zustandsraummodell

Beitrag von case » Sa 10. Dez 2016, 15:47

Hi Michael,

Michael schrieb im Telegramm-Chat:
ich dachte da die einzelnen systemkomponenten - Akkuzellen, Balancer, Solarpanels und Laderegler/BMS- als Zustandsraummodell zu beschreiben. Der Laderegler sollte ja eigtl ableitend aus den Streckenkomponenten entworfen werden können, aber da er bereits fertig entwickelt ist, könnte man ja verschiedene laderegler entwürfe gegeneinander testen. ich hab mir den code vom laderegler noch nicht angeschaut. wie habt ihr diesen entworfen? dann wäre es eben interessant die regelung frei an die akku und panel parameter anzupassen.
Ja, zu der Solarbox und den einzelnen Komponenten gibts bislang noch nicht viel Doku, da mir bislang die Zeit dazu gefehlt hat. Ich träume aber immer noch von einer Art Übersichts-Diagramm/Infographics, welches diese Zusammenhänge beschreibt. Ausserdem beinhaltet das Projekt Solarbox den Gedanken, im Grunde mehrere verschiedene Anwendungsebenen (also von Powerbank über Ev bis hin zur Hausanlage) auf ihre gemeinsamen Nenner hin zu untersuchen und dieses als abstrahiertes Modell oder Schema darzustellen ... ursprünglich, um überhaupt das Prinzip einer Inselanlage bzw. eines Ladereglers zu verstehen, aber auch, um die verschiedenen Anwendungsbereiche systematisch abzudecken.

Ich vermute aber mal, das das nicht genau das ist was Du meinst, daher die Frage was eigentlich genau der Zweck eines solchen Zustandsraummodells wäre. Dem Wort nach erinnert mich das an etwas, das mir selbst neulich mal in den Sinn kam, nämlich mit den Logging-Datensamples ein neuronales Netzwerk vom Typ Kohonen/SOFM zu trainieren in der Hoffnung, daraus vielleicht Informationen über den SOC (state of charge) und SOH (state of health) der Akkus gewinnen zu können (vor allem letzteres wäre interessant, den SOC kann man aber auch durch einfaches Coulomb-Counting erhalten) ... aber das wäre dann mehr so eine Art nette Spielerei am Rande und hat angesichts dringenderer Sachen gerade keine besonders hohe Priorität für mich. ;)

Der Laderegler ist auch noch nicht als fertig zu bezeichnen, sondern im Moment stehen drei Entwürfe im Raum:

1. Das SBMS4080 von Dacian Todea. Dieses ist tatsächlich bereits fertig.

2. Eine Arduino-basierte Variante mit diskretem Aufbau, die hier https://forum.opensourceecology.de/view ... f=45&t=744 beschrieben ist und eigentlich nur für "educational purposes", also zu Lern- und Übungs-Zwecken dienen sollte. Die läuft bereits halbwegs, wird aber künftig nicht mehr weiterentwickelt, da sie ihren Zweck soweit erfüllt hat und ich mich mittlerweile verstärkt auf die Mitarbeit an der dritten Variante konzentriere, nämlich

3. Das LibreSolar-Projekt von Martin Jäger. Diese Variante kommt sozusagen in 3 "Flavours", nämlich eine für 48V und 36V ("BMS48V"), eine für 24V ("BMS24V") und eine für 12V ("BMS12V"). die ersten beiden existieren bereits als Prototyp und treten gerade in die Test- und Firmware-Entwicklungs-Phase ein und die letztere wird gerade als Entwurf daraus abgeleitet.

Diese dritte Variante ist ab sofort das "Herz" der Solarbox und bietet nahezu den gleichen Leistungsumfang wie das etwas ältere SBMS4080 nebst einigen zusätzlichen Features:

* kann auch 48V und 36V (daher auch gut für EV geeignet)

* Modularisierter Aufbau

* verbesserte Sicherheits-Features

Ich erwähne das extra so ausführlich, da Du ja auch einen Vergleich vorgeschlagen hattest ... es ist aber so, das eigentlich gar nicht die Frage im Raum steht, für welche Variante man sich nun entscheiden sollte ;) sondern das SBMS4080 und das Libresolar-BMS sind sich im Grunde schon relativ ähnlich, letzteres hat sich in manchen Details (zB. welcher Typ von Power-Mosfet verwendet wird) auch an ersterem orientiert aber es gibt auch ein paar Unterschiede (zB. welcher Laderegler-IC verwendet wird). Wo allerdings noch ein kleiner Vergleich im Sinne der von Dir angesprochenen Gegenüberstellung stattfindet, das ist in Bezug auf den balancing-Algorithmus, siehe dazu auch die Diskussion unter https://forum.opensourceecology.de/view ... f=47&t=750 .

Dies ist allerdings eine Sache, die komplett auf der Software-Ebene abgehandelt werden kann und wir beabsichtigen das so zu implementieren, das man einfach einstellen kann, welche Art von balancing man haben möchte und somit beide Varianten später gut testen und vergleichen kann.

Vielleicht entspricht das ja dem was Du mit "Regelung" meinst. Abgesehen davon sind die "Regelungs-Tasks" bei einem BMS aber relativ klar vorgegeben und von daher eher statisch: Bei überschreiten des oberen Spannungslimits wird das PV-Panel abgeschaltet und bei unterschreiten des unteren Limits der Verbraucher. Ansonsten wird bei überschreiten eines Delta-Limits zwischen den einzelnen Zellen das Balancing aktiviert. Und das ist es eigentlich auch schon im Wesentlichen ;)

Und eine weitere Anpassung der Regelung an Akku- und Panel-Paramter kommt quasi aufgrund der Natur der Sache nicht vor, sondern es gibt da eine einfache Abhängigkeits-Kette:

Die Ampere-Leistungsfähigkeit des Ladereglers gibt die Panel-Größe vor und davon hängt widerum ab, welche Akkus man verwendet bzw. zwingend verwenden muss. Und die Topologie der Panels und des Akkus richtet sich nach der Volt-Vorgabe.

D.h., es gibt in dem Sinne keinen Allround-Laderegler, der sämtliche Anwendungsbereiche etwa durch eine entsprechende Regelungsanpassung abdecken könnte, aber wir begegnen diesem Umstand durch jeweilige Implementierung der ansonsten gemeinsamen Laderegler-Architektur in den drei oben bereits erwähnten Leistunsgklassen von 36V und 48V, 24V und 12V.

Joa, soweit erstmal das, was mir zu Deinem Vorschlag spontan einfällt, aber vielleicht habe ich Dich noch nicht so richtig verstanden und Du könntest vielleicht nochmal näher erläutern, was Du meintest bzw. was es mit dem Modell auf sich hat.

Gruss, Oliver
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Re: Solarbox Zustandsraummodell

Beitrag von mikele » Di 20. Dez 2016, 18:21

Hi Oliver,
... dieses als abstrahiertes Modell oder Schema darzustellen ...
genau das wäre das Ziel von einem Zustandsraumodell (ZRM) oder von Modellbildung generell :)
Anhand eines ZRM soll das Verhalten eines Systems simuliert werden um es an gegebene Spezifikationen anpassen zu können. Stichwort 'Modellbasierter Regelungsentwurf'.

Dafür ist ein mathematisches Modell des betrachtenden Systems notwendig.
In Fall SolarBox besteht das System aus den Systemkomponenten Akkuzelle, Solarpanel und Balancer.
Bei elektrischen Systemen leitet sich ein ZRM meist aus den elektrischen Schaltplänen ab (nur die physikalischen Größen U,I,R,C,L). Der Detaillierungsgrad oder auch Abstrahierungsgrad hängt dabei ganz vom Modellierer ab. z.B kannst du Leitungswiderstände berücksichtigen oder auch vernachlässigen. Entscheidend sind für die Problemstellung relevanten Parameter.

Ableitend aus dem erstellten Modell kann ein Regler entworfen werden, welcher die geforderten Spezifikation erfüllt.

Ich werde mal deine Schaltpläne durchstöbern und schauen ob ich ein Modell der SolarBox erstellt bekomme, dann wird das ganze vllt etwas klarer :)

LG Michel

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Re: Solarbox Zustandsraummodell

Beitrag von case » Di 20. Dez 2016, 23:38

Hi Michel,
Ich werde mal deine Schaltpläne durchstöbern und schauen ob ich ein Modell der SolarBox erstellt bekomme, dann wird das ganze vllt etwas klarer
jo, mach mal ;) und falls ich dazu noch irgendwelche hilfreichen Infos beisteuern kann sag bescheid.

In Fall SolarBox besteht das System aus den Systemkomponenten Akkuzelle, Solarpanel und Balancer.
Ich weiss nicht ob das für Dein Modell wichtig ist, aber eine weitere Komponente wäre ev. noch der Verbraucher bzw. die Last. Dieser wiederum besteht im Normalfall aus einem AC-Inverter, hinter welchem noch der eigentliche AC-Verbraucher hängt. Ev. gibts auch noch einen weiteren Ausgang für DC-Verbraucher.

Ich glaube die einfachste Modellform die ich mir vorstellen kann ist einfach eine Blackbox mit einem Ausgang und einem Eingang. An den Eingang wird ein Solarpanel angestöpselt und an den Ausgang ein AC-Verbraucher. Und solange Saft im Akku ist wäre das auch möglich wenn die Sonne nicht scheint.

Das wäre so in etwa die Perspektive des Anwenders. Achja, und eine weitere Komponente wäre vielleicht noch ein Display (zwecks Ladezustandsanzeige) und/oder gar ein Userinterface für individuelle Settings.

Ausserdem gibt es noch eine übergeordnete Ebene (von der ich aber auch nicht weiss ob sie relevant für Dich ist) und das wäre ein live-Monitoring / Datenvisualisierung. Das sieht bei mir i.d. Praxis so aus, das (zb. über WLAN) auf einem externen Server (kann ein Raspi sein) die Logging-Daten in einer Ringpuffer-Datenbank abgelegt und graphisch als Verlaufsdiagramm dargestellt werden, wobei dieser externe Server allerdings auch gleichzeitig mehrere SolarBoxen visualisieren kann.

Und es gibt noch eine übergeordnete Ebene, das ist das "OpenEnergy NanoGrid"-Konzept, welches allerdings (per Definition) schon weit über die reine SolarBox hinausgeht. Ich erwähne das aber dennoch, weil dies genau der Bereich wäre, wo ein ZRM soweit ich das verstehe wirklich extrem viel Sinn machen und Nutzen bringen würde und wo es auch ganz konkret um eine Regelungs-Anforderung geht, die nicht trivial ist (nämlich um ein intelligentes Last-Ausgleichs-Management und Priorisierung). Das existiert bislang nur als als Theorie bzw. Draft und beschreibt aber die zukünftige Richtung die wir anpeilen. Falls Dich das auch interessiert kannst Du hier näheres dazu finden: https://blog.opensourceecology.de/de/20 ... -bruessel/

Gruss, Oliver
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