PWM-Solarladeregler: Funktion, Dimensionierung und Auswahlleitfaden

Was ist ein PWM-Solarladeregler (Pulsbreitenmodulation)?

Was ist Pulsbreitenmodulation oder ein PWM-Laderegler?

Ein PWM (Pulsbreitenmodulation)-Regler ist eine (elektronische) Schnittstelle zwischen Solarmodulen und Batterien:

Der Solarladeregler (oft als Regler bezeichnet) funktioniert wie ein Standard-Batterieladegerät: Er steuert den Stromfluss vom Solarmodul zum Batteriespeicher, um Überladung der Batterien zu verhindern. Wie bei einem Standard-Ladegerät kann er verschiedene Batterietypen unterstützen.

Die Ladeschlussspannung kann die Erhaltungsladungsspannung auswählen, und oft können auch Zeit und Nachladestrom eingestellt werden. Sie eignen sich am besten für Lithium-Eisenphosphat-Batterien, da der Regler bei Vollladung bei fester Erhaltungsladung oder einer Spannung von ca. 13,6 V (3,4 V pro Zelle) für den Rest des Tages verbleibt.

Das beliebteste Ladeprofil ist die gleiche einfache Sequenz wie bei einem qualitativ hochwertigen Netzteil: Bulk-Phase – Absorptionsphase – Erhaltungsladung (Float). Eintritt in den Bulk-Lademodus erfolgt bei:

• Sonnenaufgang morgens
• Wenn die Batteriespannung für länger als einen festgelegten Zeitraum (z. B. 5 Sekunden) unter die spezifizierte Spannung fällt (Wiedereintritt)

Dieser Wiedereintritt in den Bulk-Modus funktioniert besser für Blei-Säure-Batterien, da der Spannungsabfall ausgeprägter ist als bei Lithium-basierten Batterien, die eine höhere, stabilere Spannung während des restlichen Entladezeitraums beibehalten.

• Verwandter Beitrag: MPPT-Solarladeregler – Funktionsweise, Dimensionierung und Auswahl

Im Solarladeregler:

• Der Schalter ist EIN, während der Lademodus im Bulk-Modus ist.
• Der Schalter wird EIN und AUS geschaltet, wenn erforderlich (pulsbreitenmoduliert), um die Absorptions-Batteriespannung zu halten.
• Er ist AUS am Ende der Absorption, wenn die Batteriespannung auf die Erhaltungsladungsspannung absinkt.
• Der Schalter wird wieder EIN und AUS geschaltet, wie erforderlich (pulsbreitenmoduliert), um die Batteriespannung auf der Erhaltungsladungsspannung zu halten.

Beachten Sie: Wenn der Schalter AUS ist, liegt die Modulspannung an der Leerlaufspannung (Voc). Wenn der Schalter EIN ist, liegt die Modulspannung an der Batteriespannung plus dem Spannungsabfall zwischen Modul und Regler.

Die beste Anpassung für einen PWM-Regler:

Das am besten passende Modul für einen PWM-Regler ist ein Modul mit einer Spannung knapp über der zum Laden der Batterie erforderlichen Spannung unter Berücksichtigung der Temperatur – usually ein Modul mit einer V_mp (Maximalleistungsspannung) von ca. 18 V zum Laden einer 12-V-Batterie. Diese werden manchmal als 12-V-Reihe bezeichnet, obwohl sie eine V_mp von ca. 18 V haben.

Unten ist das Blockdiagramm eines typischen PWM-Solarladereglers.

PWM 3-Stufen-Ladung

Bulk-Ladung (Hauptladung): Die Bulk-Ladestufe ist der Bereich, in dem das PV-Gerät den Großteil der Batterieladung durchführt. Das Gerät lädt die Batterie mit hohem Strom und Spannung, wenn die Spannung niedrig ist. Wenn die Spannung am Batterieende diesen Erhaltungswert beim Laden überschreitet, sollte die Direkaufladung stoppen.

Absorptionsladung: Normalerweise wartet die Batterie nach dem ersten Ladeschritt eine Weile, um die Spannung natürlich absinken zu lassen und dann die Ausgleichsladestufe zu erreichen. Diese Stufe wird auch Konstantspannungsladung genannt.

Erhaltungsladung (Float): Es ist die letzte Stufe der 3-Stufen-Ladung, auch als Erhaltungsladung (Trickle Charging) bekannt. Die Erhaltungsladung ist ein geringer Ladestrom zur Batterie bei niedriger Rate und konstant. Die meisten wiederaufladbaren Batterien verlieren Leistung bei voller Ladung durch Selbstentladung. Bleibt der Ladestrom auf demselben niedrigen Niveau wie die Selbstentladungsrate, kann die Kapazität erhalten werden.

PWM-Solarladeregler Vorteile:

• Der PWM-Regler nutzt ausgereifte und etablierte Techniken.
• Einfache Struktur und kosteneffizient
• Einfache Bereitstellung des PWM-Reglers
• Geringeres Budget für kleine Projekte

PWM-Solarladeregler Nachteile:

• Niedrige Umwandlungsrate
• Eingangsspannung muss die Batteriebank-Spannung ausgleichen
• Geringere Skalierbarkeit für Geräteentwicklung
• Weniger Lastmodi
• Weniger Schutzfunktionen

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Funktion des Solarladereglers

Der Laderegler regelt im Wesentlichen die Spannung des Geräts und öffnet den Stromkreis, stoppt das Laden, wenn die Batteriespannung einen bestimmten Wert erreicht. Frühere Laderegler nutzten ein mechanisches Relais, um den Stromkreis zu öffnen oder zu schließen, den Strom vom Energiespeicher zu stoppen oder zu starten.

Generell werden 12-V-Batterien für Solaranwendungen verwendet. Solarmodule können viel mehr Spannung liefern, als die Batterie zum Laden benötigt. Die Ladespannung wird auf dem höchstmöglichen Niveau gehalten, während die Zeit zum vollständigen Laden des Energiespeichers minimal ist. Dies hilft Solarsystemen, kontinuierlich optimal zu laufen. Die Leistungsverlust in den Leitungen ist deutlich geringer, indem man eine höhere Spannung in den Solarmodul-Kabeln zum Laderegler führt.

Solarladeregler können auch den Rückstromfluss steuern. Die Laderegler erkennen, ob keine Leistung von den Solarmodulen kommt, und öffnen den Stromkreis, trennen die Solarmodule von den Batteriegeräten und stoppen den Rückstromfluss.

Arten von Solarladereglern:

Drei Arten von Solarladereglern:

1) Einfache 1- oder 2-Phasen-Regler: Verfügen über geschaltete Transistoren zur Spannungsregelung in ein oder zwei Stufen.

2) PWM (Pulsbreitenmodulation): Dies ist die traditionelle Form des Ladereglers, z. B. Xantrex, Blue Sky usw. Sie sind derzeit der Industriestandard.

3) Maximum Power Point Tracking (MPPT): MPPT identifiziert die optimale Betriebsspannung und -stromstärke des Solarmodul-Arrays und passt diese an den elektrischen Zellenbank an.

Dimensionierung eines PWM-Solarladereglers

PWM-Regler können ihre Stromleistung nicht begrenzen. Sie nutzen einfach den Strom des Arrays. Daher könnte der Regler beschädigt werden, wenn das Solarray 40 Ampere Strom erzeugt, der Regler aber nur für 30 Ampere ausgelegt ist. Es ist essenziell, sicherzustellen, dass Ihr Laderegler parallel, konform und korrekt für Ihre Module dimensioniert ist.

Bei der Betrachtung eines Ladereglers werden viele Merkmale in der Funktionsliste oder auf Etiketten betrachtet. Ein PWM-Regler hätte eine Ampere-Angabe, z. B. ein 30-Ampere-PWM-Regler. Dies gibt an, wie viele Ampere der Regler verarbeiten kann (im Beispiel 30 Ampere). Generell sind die Stromstärke- und Spannungsbewertung die zwei Dinge, die man bei einem PWM-Regler beachten sollte.

Als Nächstes betrachten wir die Nennspannung des Geräts. Sie sagt uns, mit welchen Batteriebank-Spannungen der Regler kompatibel ist. In diesem Fall können Sie 12-V- oder 24-V-Batteriebänke verwenden. Der Regler könnte nicht mit höheren Spannungen wie einer 48-V-Batteriebank arbeiten.

Zweitens ist der Nennstrom der Batterie wichtig. Nehmen wir an, Sie haben einen 30-Ampere-Laderegler. Ein Sicherheitsfaktor von mindestens 1,25 wird empfohlen, was bedeutet, dass Sie den Strom der Module mit 1,25 multiplizieren und mit 30 Ampere vergleichen können. Beispiel: Fünf 100-Watt-Module ergeben 5,29 × 5 = 26,45 Ampere parallel. 26,45 Ampere × 1,25 = 33 Ampere – zu viel für den Regler. Die Module erleben mehr Strom als bewertet, wenn die Sonneneinstrahlung über 1000 W/m² liegt.

Drittens sollten wir die maximale Solareingangsspannung betrachten. Sie zeigt, wie viele Volt der Regler maximal verträgt. Dieser Regler verträgt nicht mehr als 50 Volt. Beispiel: 2 × 100-Watt-Module in Reihe mit je 22,5 V (Leerlaufspannung) × 2 = 45 Volt – in diesem Fall okay für Reihenschaltung.

Viertens sollten wir die Klemmen betrachten. Jeder Regler hat typischerweise eine maximale Klemmenleitergröße. Dies ist kritisch beim Kauf der Verkabelung für Ihre Anlage.

Schließlich der Batterietyp. Er sagt uns, welche Batterien mit dem Laderegler kompatibel sind. Wichtig zu prüfen, da Sie keine Batterien wollen, die der Regler nicht laden kann.

Sehen wir uns ein weiteres grundlegendes Beispiel zur Dimensionierung eines PWM-Solarladereglers an.

Beispiel:

Welche Größe eines PWM-Solarladereglers eignet sich für ein 100-W-, 12-V-Solarmodul mit I_SC (Kurzschlussstrom) von 8 A?

Lösung:

Wir müssen den Sicherheitsfaktor von 25 % Strom hinzufügen, d. h. 1,25 × I_SC, um die passende Größe des Solarladereglers zu finden.

Daher: 8 A × 1,25 = 10 A.

Sie können also sicher einen 10 A, 12 V Solarladeregler für dieses grundlegende Solarmodulsystem verwenden.

Alternativ, wenn die gesamte angeschlossene DC-Last 12 V, 95 W beträgt.

Nennlaststrom = Gesamte DC-Last / Nennsystemspannung = 95 W / 12 V

Nennlaststrom = 7,91 A

Sicherheitsfaktor × Nennlaststrom

1,25 × 7,91 = 9,9 A

Schließlich die grundlegende Leistungsformel: P = V × I

I = (P/V) × 1,25

I = (95 W/12 V) × 1,25

I = 9,9 A

Beachten Sie, dass Sie dieselbe Formel für in Reihe und parallel geschaltete Solarmodule und Batterien entsprechend Spannungs- und Stromwerten anwenden müssen. Weitere gelöste Beispiele zur Dimensionierung von PWM- und MPPT-Ladereglern finden Sie im vorherigen Beitrag.

Unterschied zwischen PWM- und MPPT-Solarladereglern

Der Kern des Unterschieds liegt in:

• Beim PWM-Regler wird der Strom knapp über Batterieniveau aus dem Modul gezogen, während
• Beim MPPT-Regler der Strom am „Maximum Power Voltage“-Punkt aus dem Modul gezogen wird (denken Sie an den MPPT-Regler als „intelligenten DC-DC-Wandler“).

Man sieht Slogans wie „Sie erhalten 20 % oder mehr Energieernte von einem MPPT-Regler“. Dieser Mehrertrag variiert stark. Als Referenz: Ob das Modul in voller Sonne steht und der Regler im Bulk-Modus ist. Spannungsverluste ignorierend, mit einfachem Modul und einfacher Mathematik als Beispiel:

• Modul Maximalleistungstrom (Imp) = 5,0 A
• Modul Maximalleistungsspannung (Vmp) = 18 V

Ladespannung = 13 V (Batteriespannung kann zwischen z. B. 10,8 V tiefentladen und 14,4 V im Absorptionsmodus variieren). Bei 13 V wäre der Modulstrom geringfügig höher als der Maximalleistungstrom, sagen wir 5,2 A.

Mit PWM-Regler: Modulausgang = 5,2 A × 13 V = 67,6 Watt. Diese Leistung wird unabhängig von der Modultemperatur entnommen, sofern die Modulspannung über der Batteriespannung bleibt.

Mit MPPT-Regler: Modulleistung = 5,0 A × 18 V = 90 Watt, also 25 % höher. Dies ist jedoch zu optimistisch, da die Spannung mit steigender Temperatur sinkt; angenommen, die Modultemperatur steigt 30 °C über die STC-Testbedingungen (25 °C). Die Spannung sinkt um 4 % pro 10 °C, also insgesamt 12 %. Der MPPT-Ausgang wäre 5 A × 15,84 V = 79,2 W, also 17,2 % mehr Leistung als der PWM-Regler.

Es gibt also eine Ertragssteigerung bei MPPT-Reglern, aber der prozentuale Zuwachs variiert erheblich über den Tag.

Vorteile von PWM-Ladegeräten

Das Laden einer solarbetriebenen Batterie ist eine einzigartige und anspruchsvolle Aufgabe. In der Vergangenheit wurden einfache Ein-/Aus-Regler verwendet, um das Gasen der Batterie zu reduzieren, wenn das Solarmodul überschüssigen Strom lieferte. Mit der Weiterentwicklung der Solarsysteme wurde deutlich, wie sehr diese simplen Geräte den Ladeprozess beeinträchtigten.

Erfahrungen mit Ein-/Aus-Reglern: Frühe Batterieschäden, steigende Lastabschaltungen und zunehmende Kundenfrustration. PWM hat sich kürzlich als erster Durchbruch beim Laden von Solarbatterien etabliert. PWM-Solarladegeräte nutzen Hardware ähnlich wie die meisten modernen, hochwertigen Batterieladegeräte.

Wenn die Batteriespannung das Steuerlimit überschreitet, verringert der PWM-Algorithmus den Ladestrom langsam, um Erwärmung und Gasen der Batterie zu verhindern, während das Laden beginnt, die gesamte Energiemenge in kürzester Zeit in die Batterie zurückzuführen. Dies führt zu besserer Ladeeffizienz, schnellerem Wiederaufladen und langlebigerer Batterie bei maximaler Leistung.

Diese neue Art des Solarbatterieladens bietet auch einige faszinierende und ungewöhnliche PWM-Pulsationsvorteile:

1. Fähigkeit, reduzierte Batterieleistung wiederherzustellen und die Batterie zu desulfatieren
2. Deutliche Erhöhung der Ladeakzeptanz der Batterie
3. Beibehaltung hoher Gesamtbatteriekapazität (90 % bis 95 %) im Vergleich zu Ein-/Aus-gesteuerten Ladezuständen meist zwischen 55 % und 60 %
4. Ausgleich der Drift der Batteriezellen
5. Begrenzung der Erwärmung und Gasbildung der Batterie
6. Automatische Kompensation des Batterialters
7. Selbstregulierung von Spannungsspitzen und Temperatureffekten in Solarsystemen

Den besten Solarladeregler wählen

PWM ist eine gute kostengünstige Option:

• Für kleinere Anlagen
• Wo die Zuverlässigkeit des Ladevorgangs nicht kritisch ist
• Für Solarmodule mit Nennspannung (Vmp) bis 18 V zum Laden einer 12-V-Batterie (36 V für 24-V-Batterie usw.)

Der MPPT-Regler ist ideal für:

• Größere Anlagen, wo eine zusätzliche Energieernte von 20 %* oder mehr lohnenswert ist
• Wo die Solarray-Spannung deutlich höher als die Batteriespannung ist, z. B. Hausmodule zum Laden von 12-V-Batterien

Anwendungen

In jüngster Zeit ist die Stromerzeugung aus Sonnenlicht häufiger geworden als andere alternative Quellen, und Photovoltaik-Module sind emissionsfrei und wartungsarm. Hier einige Beispiele für Solarnutzung:

• Straßenlaternen nutzen Photovoltaikzellen zur Umwandlung von Sonnenlicht in DC-Strom. Das System nutzt einen Solarladeregler, um DC in Batterien zu speichern und an verschiedenen Orten zu nutzen.
• Heimsysteme nutzen PV-Module für Haushaltszwecke.
• Hybride Solaranlagen nutzen verschiedene Energiequellen für volle Notstromversorgung.

Hinweis: Dieser Artikel wurde von www.electricaltechnology.org veröffentlicht