Batterien 5/5 - Laden aus alternativen Stromquellen

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Veröffentlicht: Montag, 06. Februar 2012 09:09

Geschrieben von Martin Erger

Batterien ist egal woher der Strom kommt mit dem sie geladen werden. Anders als bei den bisher besprochenen Ladeeinrichtungen, bei denen immer reichlich Energie vorhanden ist, ist das bei alternativen Stromerzeugern wie Photovoltaik, Wind- und Schleppgeneratoren nicht so einfach. Dort steht oft nicht nur wesentlich weniger Energie zur Verfügung sondern diese soll auch, da sie meist aufwendig erzeugt werden muss, besonders effektiv genutzt werden. Der Regler sollte also möglichst beiden Ansprüchen gerecht werden, d.h. Mittler zwischen den Geräten sein und beide jeweils im optimalen Arbeitspunkt betreiben. Das ist nicht leicht und viele Lösungen sind ein mehr oder weniger guter Kompromiss.

Die Grafik veranschaulicht, was damit gemeint ist. Sie zeigt blau die typische Arbeitskennlinie eines Solarmoduls. Dieses gibt im MPP (Maximum Power Point) die größtmögliche Leistung ab. Von dort her müsste es Ziel sein, es dort zu betreiben. Die Spannung in diesem Punkt ist mit 17,5 V allerdings entschieden zu hoch für die Batterie. Dies hat zur Folge, das die Spannung des Moduls bei Anschluss an die Batterie auf deren Wert zusammenbricht. Damit geht ein nicht unerheblicher Teil der Energie, die das Modul liefern könnte verloren. Ein guter Regler würde diese Differenzenergie wandeln und ebenfalls der Batterie zum Laden zur Verfügung stellen. Die dafür notwendige Technik ist nicht unerheblich und man muss rechnen ob dieser Aufwand lohnt. Die rot gepunktete Fläche veranschaulicht die unvermeidlichen Verluste des Reglers, die man auch nicht vernachlässigen darf. Aber immer dann, wenn die türkise Fläche größer als die gelbe ist, hat ein solcher Regler einen Vorteil.

Auf dem Markt werden eine Vielzahl von Reglern angeboten, bei denen es sich aber eigentlich nur um wenige in ihrer Funktion unterschiedliche Grundtypen handelt. Zu beachten ist auch, dass diese besonders im Kleinleistungsbereich oft nur mit einer IU-Kennlinie arbeiten. Das ist durchaus verständlich, denn mehr macht nur bei entsprechend leistungsfähigen Stromquellen Sinn.

Kein Regler

Wenn z.B. ein Solarmodul nicht in der Lage ist mehr als den Reststrom  von 1-2% der Kapazität, den auch eine bereits vollständig geladene Batterie noch aufnehmen kann, zu liefern, kann man es auch ohne Zwischenschaltung eines Reglers direkt an die Batterie anschließen. Normalerweise macht ein so kleines Modul aber keinen Sinn. Das immer wieder gehörte Argument damit die Selbstentladung der Batterie ausgleichen zu wollen, ist bei einer typischen Selbstentladungsrate von 3 - 4 % /Monat witzlos. Zweifler mögen mal einen Blick in die Datenblätter aktueller Batterien werfen.

Zweipunktregler

Wenn Solarregler sehr billig angeboten werden, handelt es sich meistens um Zweipunktregler. Man findet sie auch häufig  in Projekten von Elektronikbastlern (z.B. hier). Es handelt sich dabei um einen Schalter, der das Modul von der Batterie trennt, wenn die eingestellte Maximalspannung erreicht ist. Sinkt die Spannung dann wieder schaltet er wieder ein und das Spiel geht von neuem los. Da eine Batterie noch lange nicht geladen ist wenn die max. Spannung erreicht ist (siehe dazu Bordbatterie 1/5 - Hintergrundwissen), sind solche Regler in den oberen 20 % einer Batterieladung sehr ineffektiv. Als Sicherheitsschalter, der die Batterie vor Überladung schützt, sind sie aber durchaus brauchbar.

Serienregler

Anders als der Zweipunktregler schalten Serienregler bei erreichen der Endspannung nicht ab sondern halten die Spannung. Dadurch wird die Batterie weiter geladen. Ihr Nachteil besteht darin, dass immer eine gewisse Spannung über dem Regler abfallen muss damit die Elektronik arbeiten kann. Das setzt eine Stromquelle voraus, deren Spannung entsprechend über der der Batterie liegt. Es gibt sie in zahlreichen Ausführungen von einfachen Modellen, die die Überschüssige Energie einfach in Wärme umsetzen, bis zu aufwendigen getakteten Reglern. Letztere nutzen die zur Verfügung stehende Energie durch PWM (Pulsweitenmodulation) recht effizient, haben aber auch ihren Preis. 

Shuntregler

Shuntregler werden parallel zur Batterie geschaltet Sie werden nicht nur mit Solarmodulen sondern häufig auch zusammen mit Windgeneratoren eingesetzt. Durch die Parallelschaltung fällt über Ihnen keine Spannung ab. Bis zum Erreichen der Maximalspannung sind sie hochohmig. Dann beginnen sie Leistung zu verbrauchen, so dass die Spannung nicht weiter ansteigen kann. Diese Leistung wird über einen Shunt genannten Widerstand in Wärme umgesetzt. Von daher eignen sie sich sich vornehmlich für kleinere Anlagen. Der Hauptvorteil dieses Reglertyps besteht darin auch mit einer Stromquelle arbeiten zu können, deren Ausgangsspannung nur unwesentlich über der der Batterie liegt.

MPP-Regler

Alle bisher vorgestellten Regler nehmen wenig Rücksicht auf die angeschlossenen Stromquellen. Dadurch wird z.B das angeschlossene Solarmodul gnadenlos auf den Arbeitspunkt der Batterie herab gezogen und leistet so weniger als er eigentlich könnte. MPP-Regler (Maximum Power Point) belasten das Modul so, dass diesem die maximale Leistung entnommen wird. Auch wenn sich die Bedingungen z.B durch unterschiedlichen Lichteinfall ändern, passt sich der Regler immer automatisch den aktuellen Verhältnissen an. Die entnommene Leistung wird gewandelt und auf der anderen Seite wiederum optimal auf die Bedürfnisse der Batterie angepasst. So findet man bei solchen Reglern auch häufig welche, die eine IUoU-Kennlinie realisieren. Nachteilig ist die relativ aufwendige Technik und damit der hohe Preis.