DE19614861A1 - Universeller Maximum-Power-Tracker für Solarzellenanwendungen - Google Patents

Description

Das Problem

Solarzellen werden üblicherweise aufgrund der niedrigen Spannung der Einzelzelle zu Gruppen von Solarzellen (Solarmodule) in einer Serienschaltung zusammengefaßt. Zum Beispiel ist eine Baugröße von 36 Zellen in einem Modul gängig mit einer nominellen Ausgangsspannung von 12 Volt. Tatsächlich kann die Leerlaufspannung dieser Module über 20 V betragen. Die tatsächlichen Leistungspunkte nach den Kennlinien liegen je nach Zelltemperatur bei ca. 16-18 Volt bei kühlen Temperaturen, bei nur 12-13 V bei heißen Temperaturen.

Besondere Eigenschaften von Solarzellen ist, daß die den jeweiligen Leistungspunkten zugeordneten Ströme relativ konstant bleiben, wenn Lastwiderstände zu klein werden. Solarzellen bzw. Module reagieren damit besonders anfällig auf Leistungsfehlanpassungen durch einen Leistungsverlust. Eine mögliche Arbeitsspannung der Solarzellen im Arbeitspunkt von z. B. 18 V bedeutet in diesem Beispiel einen Leistungsverlust von fast 50%, wenn ein angeschlossener Verbraucher diese Arbeitsspannung durch Belastung auf 9 Volt herunterzieht. Bezogen auf die Energiebilanz der Zelle bedeutet dies, daß statt ca. 14% nur etwa 7% der einfallenden Sonnenstrahalung tatsächlich genutzt werden - nur aufgrund von Leistungsfehlanpassung.

Diese Problematik ist seit langem bekannt. Immer wieder ist versucht worden, durch spezielle Geräte - sogenannte "Maximum Power Tracker" diese Problematik zu lösen. Beschrittene Lösungswege, wie spezielle Pulsbreitenmodulatoren mit die Parameter bzw. deren Zusammenspiel abbildenden Regelschleifen in Verbindung mit Schaltreglern, waren so aufwendig und in der Funktion so unzulänglich, daß solche Geräte heute nicht oder nur für größere Anlagen gebaut werden oder wurden. Oft genug wird die "MPT"- Charakteristik mangels einfacher Hardware-Struktur in Prozeßrechnern lediglich simuliert bzw. nachgebildet (Stand der Technik) (1).

Die hier beschriebene Erfindung bietet eine neuartige, hocheffiziente, sehr aufwandsarme und funktional ideale Methode zur Konstruktion eines Maximum Power Trackers (MPT) für alle Anwendungen wie Batterielader, E-Motorenantrieb, ohmsche Verbraucher etc. Ausgangspunkt dieser Erfindung ist eine Schaltungsanordnung nach Fig. 1: Der Eingang eines Schmitt-Triggers ist über einen Spannungsteiler mit der anliegenden Versorgungsspannung (gleich Solarzellenspannung US=UE) verbunden, der Ausgang schaltet über einen z. B. FET als Leistungsschalter eine Speicherdrossel LS, die in Serie mit der Last RL liegt. Ist die anliegende Spannung so groß, daß der Trigger einschaltet, so wird über die Drossel LS und den Lastwiderstand RL die anliegende Spannungsquelle belastet. Deren Spannung bricht aufgrund inneren Widerstandes oder begrenztem Energieliefervermögen so lange zusammen, bis auch die Speicherkondensatoren c1 und c2 so weit entladen sind, daß nach Durchlaufen der Trigger eigenen Hysterese beim Erreichen des unteren Triggerpunktes die Abschaltung erfolgt.

Die Abschaltung bewirkt einen erneuten Anstieg der anliegenden Versorgungsspannung, bis das Spiel beim Erreichen des oberen Triggerpunktes erneut beginnt. Die anliegende Spannung zeigt dabei je nach Energiedurchsatz einen sägezahn- bis dreieckförmigen Verlauf. Bei jedem Abschalten wird die in der Speicherdrossel LS gespeicherte Energie über die Diode D an die Last ankommutiert. Die Schaltung entspricht damit in ihrem Verhalten dem Typus Abwärtsregler bzw. Tiefsetzsteller.

Diese neuartige, jedoch relativ simple Schaltungsstruktur zeigt ein erstaunliches Verhalten: Sie ist selbstschwingend und selbst modulierend im Sinne der Bereitstellung eines zweckmäßigen Pulsbreitensignals für den Schalter. Aufgrund des Pendelns der Versorgungsspannung zwischen zwei Werten in Abhängigkeit von der Zeit und dem Energieeintrag der Spannungsquelle entsteht ein frequenzvariables Pulsbreitensignal. Die praktische Wirkung in dieser Schaltung ist die, daß diese Schaltung nicht wie ein herkömmlicher Strom oder Spannungsregler arbeitet, sondern als echter Leistungsumsetzer!

Begrifflich kann eine solche Schaltungsstruktur als "eingangsseitig Spannungshysterese und rückwirkungsgesteuerter Pulsfrequenz und Pulsbreiten modulierter (PFM) selbstschwingender Tiefsetzsteller mit Leistungsumsetzung" bezeichnet werden.

Die Hysteresegewinnung geschieht in diesem Beispiel durch einen mitgekoppelten Spannungskomparator. Funktionell identische Strukturen, die auf Bildung einer Hysterese abzielen, sind auch möglich und entsprechen dem Wesen dieser Erfindung. Zum Beispiel kann die Hysterese innerhalb einer Vierschichtdiode, als Teilerwiderstand für einen Spannungskomparator bereitgestellt werden. Auch kann die Hysteresebildung durch digitale Verfahren geschehen, etwa Festhalten des oberen Triggerpunktes durch ein Speicher-Flipflop und Rücksetzung durch den unteren Triggerpunkt.

Wesensmerkmal dieser Erfindung ist insofern, daß, bezogen auf den Steuereingang des Leistungsschalters, ein Schmitt-Trigger-Verhalten bereitgestellt wird.

Kennzeichnend für diese Erfindung ist, daß die Triggerschwellen temperaturabhängig und der Solarkennlinien folgend verschoben werden und so eingangsseitig die Spannung in einem Spannungsfenster gehalten wird, das dem Leistungspunkt des Solarmoduls entspricht. Das ist bereits mit einem NTC möglich, wie in Fig. 1 gezeigt.

Wird entsprechend Fig. 2 der Schmitt-Trigger durch einen als Spannungskomparator genutzten Operationsverstärker mit Mitkoppelwiderstand RH aufgebaut, so ist eine statische analoge Festlegung der Triggerpunkte möglich. Ein temperaturabhängiger Widerstand NTC im Spannungsteilerzweig mit entkoppelter Versorgungsspannung Uref ermöglicht eine temperaturabhängige Verschiebung der Triggerpunkte.

Diese neuartige Struktur ist das Herzstück der hier beschriebenen Erfindung. Auf diese Weise werden die Eingangsparameter Eingangsspannung/Eingangsleistung, Ausgangsspannung/Ausgangsleistung sowie Temperatur so verknüpft, daß für Solarzellenanwendungen eine ideale zweckmäßige Schaltungsstruktur zustande kommt. Diese neuartige Struktur kann dem thermischen und energetischem Verhalten von Solarmodulen und Verbrauchen Rechnung tragen. Diese Struktur ermöglicht optimale Maximum Power Tracker, weil sie nicht nur als oszillationsfähiges System arbeiten kann, sondern daneben auch im Falle kleiner Unterschiede zwischen Solarmodulspannung US und Spannung an der Last RL (UB) ohne Oszillation und PFM-Generierung durchschalten kann. Lediglich durch geeignete Dimensionierung des Mitkoppelwiderstandes wird erreicht, daß diese Schaltung ohne Verluste vom Tracking Modus in den reinen Durchlaßmodus wechseln kann.

Schaltungen dieser Art arbeiten faszinierend ideal und sind gleichzeitig faszinierend simpel. Gemessen an heute auf dem Markt befindlichen, nicht tracking-fähigen Ladereglern entsteht kaum ein nennenswerter Mehraufwand.

Fig. 3A zeigt den Übersichtsschaltplan eines konkreten Ausführungsbeispiels, Fig. 3B den realen Stromlaufplan eines Prototypen. Er ist vornehmlich als Battrielader konzipiert, weil er eine entsprechend geeignete Gleichspannung zur Verfügung stellt. Trotzdem können an dieser Schaltung auch andere Verbraucher wie E-Motore, Heizwiderstände etc. betrieben werden.

Als Temperaturfühler ist eine Standard-Siliziumdiode verwendet, deren Temperaturkennlinie a der von Solarzellen sehr ähnlich ist. Durch Einlaminieren in die Vergußmasse von Solarzellen wird diese zweckmäßig plaziert. Auch ist eine durchaus brauchbare Plazierung gegeben, wenn diese etwa in einem (schwarzen) Röhrchen gekapselt neben den Solarzellen auf Dachziegeln befestigt werden u. ä. Diese Diode hat eine Stromquelle t1 als Arbeitswiderstand, die aus einer stabilisierten Spannung versorgt wird.

Diese Diode bildet eine Schwellenspannung, die ein recht genaues Abbild der thermischen Gegebenheiten (lineare Abnahme der Spannung bei ansteigender Temperatur) ist und die für den Spannungskomparator op1 eine Art temperaturabhängige Referenzspannung darstellt. Der andere Differenzeingang vergleicht die jeweilige Augenblicksspannung der anliegenden Solarzellenspannung US mit ihr. Durch die Belegung des nicht invertierenden Eingangs mit der anliegenden Ist-Spannung US schaltet der mittels Mitkopplungswiderstand zum Schmitt-Trigger gestaltete Spannungskomparator OP1 immer dann durch, wenn die heruntergeteilte Spannung US den oberen Triggerpunkt erreicht. Immer dann wird abgeschaltet, wenn der untere Triggerpunkt durchlaufen wird. Am Ausgang von OP1 entsteht so ein frequenzvariables Pulsbreitensignal. Bei höherem Energieeintrag durch die Solarzellen nimmt dessen Frequenz zu. Je größer der Spannungsunterschied zwischen Eingangsspannung US und Lastspannung UB, desto kürzer die einzelne Ein- Impulsdauer, die über einen steuerbaren Schalter zweckmäßiger Weise ein FET mit Treiber über eine Speicherdrossel die Last RL mit der anliegenden Spannung UB einschaltet. Höhere Spannungsunterschiede zwischen Eingang und Ausgang führen bei gegebenem Scheinwiderstand der Induktivität zu schnellerem und damit vermehrtem Energietransfer an die Last. Bei jedem Abschalten der Speicherdrossel wird deren Magnetfeldenergie über eine Diode DD2 an die Last Energie nutzend kommutiert. Dies geschieht induktivitätsbedingt seh schnell und hoch energiereich, jedoch zeitlich kurz als Energieimpuls, der das pulsfrequente Verhalten der Schaltung insgesamt praktisch nicht nachteilig beeinflußt.

Der Energieumschlag erfolgt in diesen neuartigen Schaltungen also auf zwei Arten abwechselnd:

• 1. Die Speicherdrossel wirkt als induktiver verlustleistungsloser Widerstand für die Ankopplung der höheren Solarmodulspannung US an die niedrigere Lastspannung UB.
• 2. Die Speicherdrossel wirkt als Energiereservoire, dessen Energie beim Abschalten an die Last ankommutiert bzw. rückkommutiert wird.

Der Treiber für den Leistungsschalter ist als Inverterarray-IC CD4584 ausgeführt. T4/t5 vergrößern zusätzlich die Umladungsströme für die Gatekapazität, um zu kurzen und damit effizienten Schaltzeiten zu kommen. Als FET wird ein n-Kanal-Typ eingesetzt, weil nur diese relativ niedrige Drain-Source-Widerstände aufweisen. Insoweit ist die ganze Schaltlogik entsprechend auf n-Kanallogik ausgelegt.

Die Speicherdrossel LS sollte im Interesse geringerem ohmschen Widerstandes eine Ringkerndrossel aus geeignetem Ferritmaterial sein.

Eine Diode DD1 verhindert, daß die Solarzellen ohne Energielieferung als Verbraucher wirken können. DD2 ist die Rückkommutierungsdiode und muß ebenfalls kräftig dimensioniert und durch Shottky-Technologie entsprechend verlustfrei sein.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3A/B ist eine analoge Kontrollogik und eine zweckmäßige Displayfunktion durch LED-Einzelanzeigen vorgesehen. Operationsverstärker OP4 sperrt via Transistor t7/t3 bei lastseitiger Überspannung.

T6/t2 schaltet bei zu geringer Lastspannung den FET dauernd durch und verhindert damit, daß aufgrund von Lastausfall eine unzulässige Verlustleistung im Leistungsteil freigesetzt wird. Trotzdem wird hiermit sichergestellt, daß die Last mit dem reinen Eingangsstrom bedient werden kann.

Im Oszillatorbetrieb - also beim echten Power-Tracking - wird die Gegenspannung der Speicherdrossel LS genutzt, um OP3 anzusteuern, der dann eine Leuchtdiode einschaltet, wenn kein Tracking-Betrieb und keine Überspannungsabschaltung vorliegt. Damit wird reine Durchgangsbetriebsbereitschaft angezeigt. OP2 ist als rein optischer Anzeiger für lastseitige Unterspannung, z. B. 10 V bei Bleiakkumulatoren eingesetzt.

Fig. 4 zeigt eine kleine Variante im Leistungsteil, in der statt Speicherdrossel ein induktiver Verbraucher, wie z. B. ein Elektromotor, liegt. Hier wird an den Verbraucher keine Gleichspannung mehr geliefert.

Die pulsbreitenmodulierte Tastung des Schalttransistors wird in der Wicklung des Motors selbst integriert. So ergibt sich neben der rein energetisch optimalen Leistungsumsetzung deren Angebot als impulsmäßig für diesen Zweck bestens aufbereitete Form: Bestes Drehmomentverhalten und Anlaufvermögen sind die Folge. Zur Erzielung für die jeweilige Motorwicklungsinduktivität passenden Frequenzen wird der Speicherkondensator CX sehr stark vergrößert, z. B. auf Werte von mehreren zigtausend Mikrofarad oder mehr. Je nach Dimensionierung des Kondensators kann so vom stepperartigen Lauf bis hin zum Intervallbetrieb die Motorcharakteristik eingestellt werden. Weil in diesem Fall Last und beim Abschalten die Energie liefernde Quelle (Induktivität!) identisch ist, muß die Energie des zusammenbrechenden Magnetfeldes wieder an die eigentliche Urquelle rückkommutiert werden, sofern diese Energie nicht vernichtet werden soll. Nach Fig. 4 ist dazu zusammen mit der in einem MOS-FET parasitär vorhandenen Diode eine Diodenbrückenanordnung (klassische Grätzbrücke) vorgesehen.

In einer anderen Variante dieser Schaltung ist vorgesehen, daß der Triggerausgang nach Fig. 1/2 nicht direkt den Leistungsschalter ansteuert, sondern ein Impulskettengenerator, z. B. ein gated astabiler Multivibrator, zwischengeschaltet ist. Die so bewirkte Erhöhung der Arbeitsfrequenzen und daraus resultierende niedrigere Gewichte der Speicherdrossel kann dann vorteilhaft sein, wenn Wirkungsgradeffizienz dem Kriterium Gewicht untergeordnet werden. Insofern liegt die simple Aufteilung von Einzelimpulsen auf Impulspakete innerhalb der hier vorgestellten Konzeption.

Literatur:

(1) Muntwyler, Urs: Praxis mit Solarzellen, 3. Auflage, RPB 204, München 1990, Franzis-Verlag. Weitere Literaturverweise dort im Anhang.

Claims (1)

1. Maximum-Power-Tracker (MPT), elektronische Schaltung zur Leistungsanpassung von Solarzellen an elektrische Verbraucher, wie Akkumulatoren, Heizwiderstände, Elektromotoren etc., gekennzeichnet durch:

   • 1. Die Schaltung verwendet einen Temperatursensor zur direkten oder indirekten Messung der Solarzellentemperatur. Die Parameterdarstellung ist analog oder digital ausgeführt. Der Sensor selbst ist ein elektrisch temperaturabhängiges Bauteil, z. B. temperaturabhängiger Widerstand, Halbleiter etc.
   • 2. Die Energie der Solarzellen wird in Kondensatoren partiell zwischengespeichert.
   • 3. Die Schaltung verwendet eine Schmitt-Trigger-Struktur. Schmitt-Trigger-Struktur ist in diesem Sinne jede Form und Anordnung von Bauteilen, die in bezug auf die Eingangsvariable bei zwei Spannungswerten ein Hystereseverhalten in bezug auf die binäre Ausgangsvariable zeigt. Typisch ist ein Schmitt-Trigger ein mitgekoppelter Schaltverstärker. Alle Ersatzschaltungen dieser Grundstruktur liegen innerhalb dieses Anspruchs. Ersatzschaltung in diesem Sinne ist z. B. Hysteresegenerierung durch Triggerdioden (Vierschichtdioden) in Verbindung mit Schaltverstärkern, Auslagerungsverfahren der rein analogen Funktion auf Spannungskomparatoren mit digitaler Gatterverknüpfung und Hysterese-Generierung durch Speicher-Flip-Flops usw.
   • 4. Eine digitale Temperatur-Parameterdarstellung nach Anspruch 1 bzw. deren Schaltungsimplementierung liegt im Rahmen der baulichen Ausgestaltung im Rahmen der nach Anspruch 3, Satz 4, geltend gemachten digitalen Ausführungsformen.
   • 5. Der Eingang dieses Schmitt-Triggers ist durch einen Spannungsteiler so beschaltet, daß, bezogen auf die anliegende Solarzellenspannung, ein Spannungsfenster detektiert wird.
   • 6. Der Eingang dieses Schmitt-Triggers ist so beschaltet, daß die Triggerpunkte und damit das Spannungsfenster temperaturabhängig nach Anspruch 1 verschoben werden.
   • 7. Der Ausgang dieses Schmitt-Triggers steuert einen Leistungsschalter nicht invertierend an. Dieser Leistungsschalter ist ein Halbleiterbauelement, wie z. B. ein MOS-FET, konventioneller Bipolartransistor, IGBT od. ä. Insofern ist ein Ansteuerimpuls bereitgestellt.
   • 8. Die Schaltung kann eine Vorrichtung enthalten, die diese Einzelimpulse in Impulsketten aufteilt. Insofern kann zwischen Schmitt-Trigger-Ausgang und Leistungsschalter eine impulsgenerierende Struktur zwischengeschaltet sein. Eine solche Struktur ist z. B. ein einschaltbarer astabiler Multivibrator.
   • 9. Dieser Leistungsschalter schaltet eine Speicherinduktivität ein. Diese Induktivität ist eine Speicherdrossel. Sie liegt mit dem externen Lastwiderstand bzw. Verbraucher in Serie.
   • 10. Eine Diodenvorrichtung kommutiert die gespeicherte Magnetfeldenergie beim Abschalten an die Verbraucherlast.
   • 11. In einer anderen Variante kann die Speicherinduktivität durch die Last selbst extern bereitgestellt werden. Eine Diodenbrücke in Grätzschaltung kommutiert beim Abschalten die induktive Energie in die Speicherkondensatoren zurück.
   • 12. Die Schaltung beinhaltet eine Kontroll-Logik mit Display, die bei eingangs- oder ausgangsseitigen unzulässigen Bedingungen den Leistungsteil sperrt oder durchschaltet.