Batteriemanagement mit MPPT- und PWM-Solar-Ladereglern

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Als Verbindungsglied zwischen Solaranlage und Stromspeicher stellt ein Solar-Laderegler sicher, dass die Batterie keinen Schaden aufgrund von Spannungsschwankungen oder Überladung nimmt. Häufig angewandt werden PWM- und MPPT-Laderegler. Ein Überblick über die Vor- und Nachteile.

Wann kommen PWM- oder MPPT-Laderegler im Batteriemanagement zum Einsatz?

Das Batteriemanagement dient dazu, Akkumulatoren (Akkus), also beispielsweise auch Batteriespeicher von Solaranlagen, vor Tiefentladung oder auch Überladung zu schützen. Ein Laderegler ist die simpelste Form des Batteriemanagements. Bei Photovoltaik-Anlagen, wie sie typischerweise in Wohnhäusern zum Einsatz kommen, ist ein solcher Laderegler bereits in den Wechselrichter der Anlage integriert und muss nicht separat gekauft werden.

Bei Inselanlagen, wie sie zum Beispiel für Wohnmobile genutzt werden, ist es sinnvoll zwischen Modulen und Batterie einen zusätzlichen Laderegler einzufügen. Häufig kommen hier die günstigen PWM-Solar-Laderegler zum Einsatz, doch unter Umständen können die in der Regel teureren MPPT-Laderegler vorteilhaft sein. 

Was unterscheidet PWM- und MPPT-Laderegler?

Ein Solar-Laderegler erfüllt zwei wichtige Aufgaben: Er schützt die Batterie einer Solaranlage vor Schäden, indem er bei maximaler Batterieladung die Stromzufuhr unterbricht. Zugleich schöpft er durch Optimierung der Ladeleistung das Potenzial der Solaranlage bestmöglich aus. Somit sind Laderegler ein unverzichtbarer Teil des Batteriemanagementsystems und eine wichtige Sicherheitseinrichtung des PV-Systems. 

Fast immer unterscheidet sich die Eingangsspannung der Solaranlage von der zulässigen Ladespannung der Batterie. Bei Wohnmobilen liefern die Module um die hundert Volt, während die Batterie 12 oder 24 V Ladespannung aufweist. Diesen Unterschied muss der Laderegler ausgleichen. 

Der sogenannte Pulse-width-modulation-Lageregler (PWM-Laderegler) ist eine einfache Form der leistungselektronischen Regelung, bei der nur der Ladestrom geregelt wird. Ist die Batterie geladen, unterbricht der Laderegler die Verbindung zu den Modulen. 

Der MPPT-Laderegler (kurz für Maximum Power Point Tracking, deutsch etwa: „Festlegung des Punkts der maximalen Leistung“) zeichnet sich hingegen dadurch aus, dass er die Leistungskurve des Moduls misst und die Spannung so einstellen kann, dass die maximale Ladeleistung erreicht wird. Ändert sich die Spannung der Batterie während des Ladevorgangs, passt der MPPT-Laderegler die Strom- und Spannungswerte so an, dass wieder die optimale Ladeleistung erreicht wird. Dazu erhöht der Regler schrittweise die Spannung bis zum Leistungsmaximum. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch, sodass auch bei Schwankungen aufgrund von sich ändernden Einstrahlungsverhältnissen immer nahezu die maximale Leistung erreicht wird.

Funktionsweise des MPPT-Ladereglers

Während der PWM-Laderegler die Eingangsspannung der Solaranlage insgesamt reduziert, wandelt der MPPT-Laderegler den überschüssigen Teil dieser Spannung in Ladestrom um. Somit wird die mögliche Leistung der Solaranlage nicht gedrosselt, sondern die gewonnene Energie bleibt nahezu ohne Verlust erhalten. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 98 %.

Dieser Unterschied in der Funktionsweise der Laderegler macht sich insbesondere bei hoher Nennspannung der Solarmodule bemerkbar: Je höher die Nennspannung ist, desto größer ist der Energieverlust, wenn sie auf das Spannungsniveau der Batterie gedrosselt wird. Der MPPT-Laderegler hält die Verluste gering. Auch wenn er in der Regel teurer in der Anschaffung ist, amortisiert er sich mit der Zeit. Insbesondere für Wohnmobile kann ein solcher Solarregler aufgrund der wechselnden Standorte sinnvoll sein. Dabei gibt es jedoch einige Besonderheiten zu beachten.

Nennspannung beim Kauf eines Solar-Ladereglers beachten

Die Nennspannung einer Solaranlage wird durch die Auswahl der Module festgelegt. Je mehr Module, desto höher die Nennspannung und desto rentabler ist der Einsatz eines MPPT-Ladereglers. Daneben haben verschiedene (Umwelt-)Einflüsse Auswirkungen auf die Spannung der Anlage. Da der Einsatz eines MPPT-Solar-Ladereglers umso sinnvoller ist, je stärker Anlagenspannung und Batteriespannung voneinander abweichen, sollten diese Auswirkungen schon beim Kauf mitbedacht werden. Insbesondere sind zu berücksichtigen:

• Verschattungen: Schatten und andere schlechte Lichtbedingungen reduzieren die Spannung im Solarmodul.
• Temperatur: Sehr hohe Temperaturen der Solarzellen verringern die Spannung der Solaranlage. 
• Wind und Isolation: Kann die Luft nicht ungehindert um die installierten Solarmodule zirkulieren, erhöht sich die Temperatur und damit sinkt die Spannung. 

Außerdem ist zu bedenken: Gerade bei sehr hohen Temperaturen kann die Spannung einer PV-Anlage unter die Batteriespannung fallen, wodurch das Aufladen der Batterie verhindert wird. Zwar liegt die Durchschnittstemperatur in Deutschland nur zwischen etwa 9 und 10 Grad, mit Durchschnittswerten im Jahr 2021 von 19 Grad im Juni und 2,6 Grad im Dezember. Die Solarzellen selbst können jedoch deutlich wärmer werden: 50, 60 oder sogar 70 Grad sind bei direkter Sonneneinstrahlung keine Seltenheit. Die Nominalleistung wird bei einer Umgebungstemperatur von 25 Grad gemessen, Abweichungen davon gehen mit einer (geringfügig) reduzierten Leistung einher. 

Wann lohnt sich die Anschaffung eines MPPT-Ladereglers?

Der gegenüber dem PWM-Laderegler höhere Anschaffungspreis eines MPPT-Ladereglers ist gerechtfertigt, wenn der zusätzlich gewonnene Solarstrom über die Zeit mehr Einnahmen bringt (bzw. Kosten spart), als für den Regler Geld investiert wurde. Tests von MPPT-Ladereglern haben ergeben, dass das insbesondere dann der Fall ist, wenn 

• die Temperatur der Solarzellen häufig unter 45 °C oder über 75 °C liegt,
• wenn der Einsatzort in Mitteleuropa (bei vergleichsweise kühlen Temperaturen und geringer Sonneneinstrahlung ) liegt (auch für Solar-Laderegler bei Wohnmobilen relevant), 
• wenn die Solaranlage mit einer Nennspannung arbeitet, die weit über der Batteriespannung liegt, und
• wenn mit der Anlage relativ viel Strom gewonnen wird, da selbst ein geringfügig höherer Wirkungsgrad dank eines MPPT-Ladereglers sich umso stärker auswirkt.

In tropischem oder subtropischem Klima scheint sich der Einsatz eines MPPT-Ladereglers hingegen weniger zu lohnen. 

Damit wirklich alle Faktoren berücksichtigt werden können, empfiehlt es sich, sich vor dem Kauf eines Ladereglers ausführlich beraten zu lassen.