MPPT vs. PWM: Den passenden Laderegler für Lithium-Batteriebänke wählen

Ein Solarmodulfeld kann Strom erzeugen, während sich eine Lithiumbatterie langsamer als erwartet lädt. Eine häufige Ursache ist die Wahl des Reglers allein nach Preis oder Nennspannung: PWM und MPPT nutzen die Leistung der Module unterschiedlich, und keiner der beiden kann ein ungeeignetes Ladeprofil ausgleichen.

Bei MPPT oder PWM geht es nicht einfach um die Wahl zwischen fortschrittlich und einfach. Der passende Regler hängt von der Spannung des Solarfelds und der Batterie, der Temperatur, der Systemgröße und der Energiemenge ab, die die Anwendung aufnehmen muss. Bei Telekom-Backup, UPS-Unterstützung, netzunabhängigen Solaranlagen und maritimen Systemen beeinflussen diese Faktoren sowohl die nutzbare Energie als auch den Batteriebetrieb.

Funktionsweise der beiden Reglertypen

Ein PWM-Regler verbindet das Solarfeld mit der Batterie durch schnelle Impulse. Dadurch nähert sich die Modulspannung während des Ladens effektiv der Batteriespannung an. Er ist einfach aufgebaut und kann kostengünstig sein, wenn die Betriebsspannung des Moduls weitgehend der Ladespannung der Batterie entspricht.

Ein MPPT-Regler verwendet eine DC-DC-Wandlerstufe, um das Solarfeld nahe seinem Maximum Power Point zu betreiben, und wandelt die Leistung anschließend auf die von der Batterie benötigte Spannung um. So lassen sich innerhalb der Eingangsgrenzen des Reglers höher gespannte Modulstränge mit einer Batterie niedrigerer Spannung nutzen.

Ein Modul mit 200 W, das nahe 18 V arbeitet, liefert an seinem Maximum Power Point beispielsweise etwa 11,1 A. Wird es über PWM an eine 12-V-Batterie angeschlossen, die nahe 14 V geladen wird, kann der Strom bei etwa 11,1 A und die Leistung auf der Batterieseite bei etwa 155 W bleiben, bevor sonstige Verluste berücksichtigt werden. Ein MPPT-Regler kann einen großen Teil der verfügbaren Modulleistung in einen höheren Strom auf der Batterieseite umwandeln, abhängig von Wirkungsgrad, Betriebsbedingungen und Reglergrenzen.

Was vor dem Kauf verglichen werden sollte

Betrachten Sie diesen beispielhaften Vergleich für eine 12-V-LiFePO4-Batteriebank und ein einzelnes 200-W-Modul. Die tatsächliche Leistung variiert je nach Modultemperatur, Einstrahlung, Verkabelung, Verschattung und Reglerwirkungsgrad.

PWM: Modulbetriebsspannung etwa 18 V; Batteriespannung beim Laden etwa 14 V; ungefähre Leistung auf der Batterieseite unter den genannten Bedingungen etwa 155 W; geringere Gerätekosten; am besten geeignet, wenn Modul- und Batteriespannung eng aufeinander abgestimmt sind.

MPPT: Das Modul arbeitet nahe seinem Maximum Power Point; die Leistung auf der Batterieseite kann sich der Modulleistung abzüglich Umwandlungs- und Leitungsverlusten annähern; höhere Gerätekosten; sinnvoll, wenn die Modulspannung deutlich über der Batteriespannung liegt oder das Solarfeld größer ist.

Das Beispiel ist keine garantierte Ertragsprognose. MPPT-Vorteile fallen bei Kälte, wenn die Modulspannung steigt, und bei Solarfeldern mit höher gespannten Modulsträngen oft stärker ins Gewicht. Eine gut abgestimmte PWM-Konfiguration kann für ein kleines, kostenbewusstes System mit begrenzter Verkabelung und moderatem Energiebedarf dennoch sinnvoll sein.

Kompatibilität mit der Lithium-Batteriebank prüfen

Vergewissern Sie sich, dass der Regler über ein LiFePO4-Ladeprofil verfügt oder Einstellungen für die vom Batteriehersteller vorgegebene Ladespannung sowie das Verhalten in der Absorptions- und Erhaltungsphase zulässt. Wenden Sie bei einer LiFePO4-Batterie keine Ausgleichsladung für Blei-Säure-Batterien an, es sei denn, der Batteriehersteller gibt ausdrücklich ein kompatibles Verfahren vor.

Das BMS ist eine Schutzebene und kein Ersatz für die korrekte Konfiguration des Reglers. Prüfen Sie die Ladegrenzen, die Einschränkungen beim Laden bei niedrigen und hohen Temperaturen sowie das Verhalten des Reglers, wenn das BMS die Batterie trennt. Stimmen Sie die Schutzfunktionen von Regler und Batterie aufeinander ab, um wiederholte Ladeunterbrechungen zu vermeiden.

Prüfungen zur Dimensionierung und Systemauslegung

Vergleichen Sie die maximale Leerlaufspannung des PV-Felds, den Eingangsstrom, den Ausgangsstrom und die Nennleistung des Reglers mit den tatsächlichen Werten von Solarfeld und Batterie. Berücksichtigen Sie bei der Berechnung der Leerlaufspannung auch die PV-Spannung bei kaltem Wetter. Wird die Spannungsgrenze des Reglers überschritten, kann das Gerät beschädigt werden.

Stimmen Sie bei Lithium-Batteriebänken den Ladestrom auf die Batteriespezifikation ab und berücksichtigen Sie die C-Rate: Ladestrom geteilt durch die Nennkapazität in Amperestunden. Beispielsweise entsprechen 20 A bei einer 100-Ah-Batteriebank 0,2C; maßgeblich bleibt jedoch der dokumentierte Grenzwert der Batterie. Prüfen Sie zusätzlich die erwartete DoD, die angestrebte Zyklenlebensdauer und die Überwachung von SOC/SOH sowie den täglichen Energiebedarf.

Berücksichtigen Sie bei der Systemspezifikation folgende Punkte:

- Wählen Sie PWM, wenn die Modulspannung nahe an der Ladespannung der Batterie liegt und der erwartete Energieertrag den Bedarf der Last deckt.

- Wählen Sie MPPT, wenn höher gespannte PV-Modulstränge, begrenzte Verkabelungsmöglichkeiten, wechselnde Bedingungen oder zusätzliche Energiegewinnung die Kosten rechtfertigen.

- Prüfen Sie die LiFePO4-Einstellungen, Temperaturgrenzen, die Abstimmung mit dem BMS und den vom Hersteller freigegebenen Ladestrom.

Prüfen Sie die geltenden Installations- und Produktunterlagen, einschließlich der UN38.3-Transportprüfung für Batterien sowie IEC 62619 oder UL 1973, sofern vom Projekt gefordert.

Beschaffung und Einsatz

Vergleichen Sie die Kosten des Gesamtsystems und nicht nur den Reglerpreis. Höher gespannte PV-Modulstränge können Stromstärke und Kabelverluste verringern, während die MPPT-Wandlung zusätzliche Gerätekosten und Konfigurationsaufwand verursacht. Bei Telekom-, UPS-, Solar- und Marineanwendungen sollten Sie außerdem Überwachungsschnittstellen, Schutzarten für Umgebungsbedingungen, Wartungszugang und Ersatzteilverfügbarkeit prüfen.

Wenn die Batterie bestimmte Anforderungen an Gehäuse, Laufzeit, Schnittstelle oder Umgebungsbedingungen erfüllen muss, kann Newbeebattery als OEM/ODM-Partner ein maßgeschneidertes Batteriepack entwickeln und BMS sowie Ladespezifikationen des LiFePO4-Packs auf die Systemauslegung abstimmen.

Fazit

Bei einem kleinen Solarfeld, dessen Eigenschaften gut auf die Batterie abgestimmt sind, kann PWM die Anforderungen kostengünstig erfüllen. Wenn Spannungsunterschiede oder Energieertrag entscheidend sind, ist MPPT häufig die bessere Wahl. Richten Sie die Entscheidung nach den Berechnungen des Solarfelds, den dokumentierten Ladegrenzen der Batterie und den Betriebsbedingungen des Systems aus.