Aktuelle sensorlose MPPT-Methode mit Batteriemanagement für netzunabhängige Einphasen-Systeme auf PV-Basis

Intelligenter Solarstrom für das Leben abseits des Netzes

Immer mehr Häuser, Bauernhöfe und abgelegene Einrichtungen setzen auf Solarstrom. Eine zentrale Frage bleibt dabei: Wie gewinnt man maximal viel Energie aus den Modulen, ohne die Batterien zu schädigen und die Kosten unnötig in die Höhe zu treiben? Dieser Beitrag stellt eine neue Methode für netzunabhängige Solarsysteme vor, die einige der üblichen Hardware- und Messkomplexitäten vermeidet, trotzdem fast die gesamte verfügbare Sonnenenergie nutzt und das Batterieladen sicher steuert.

So funktionieren netzunabhängige Solarsysteme heute

Ein typisches kleines Solarsystem besteht aus einem Modulfeld, Leistungselektronik, die die Modulspannung anhebt und regelt, einem Batterieblock für Nacht- und Schlechtwetterphasen sowie einem Wechselrichter, der Gleichstrom in den vertrauten Haushaltswechselstrom wandelt. Um möglichst viel aus den Modulen herauszuholen, passt eine Regelung kontinuierlich den Arbeitspunkt an den sogenannten „Sweet Spot“ an, an dem die Leistung maximal ist. Diese Aufgabe, bekannt als Maximum-Power-Point-Tracking, beruht üblicherweise auf der Echtzeitmessung von Spannung und Strom der Module. Zusätzliche Sensoren und deren Verkabelung erhöhen jedoch Kosten, führen zu elektrischen Störungen und verkomplizieren das Design – besonders in kleinen netzfernen Systemen mit knappem Budget und begrenztem Platz.

Den Sweet Spot finden ohne Strommessung

Die Autor:innen schlagen eine Variante der verbreiteten „Perturb-and-Observe“-Strategie vor. Anstatt Spannung und Strom direkt zu messen, erfasst die neue Methode nur die Modulspannung und berechnet den Modulstrom indirekt anhand bekannter Eigenschaften des elektrischen Wandlers zwischen Modulen und Rest des Systems. Indem die Regelung beobachtet, wie die Spannung an einer Induktivität innerhalb dieses Wandlers während des Schaltvorgangs ansteigt und abfällt, kann sie den mittleren Modulstrom mit guter Genauigkeit ableiten. Mit diesem geschätzten Strom zusammen mit der gemessenen Spannung kann der Algorithmus weiterhin den maximalen Leistungspunkt ansteuern, jedoch ohne separaten Stromsensor und dessen zugehörige Elektronik. Simulationen und Messungen zeigen, dass die geschätzte Stromgröße etwa ein bis drei Prozent vom tatsächlichen Wert abweicht, was für eine präzise Regelung ausreichend ist.

Spannung anheben und Welligkeit dämpfen

Um diesen sensorlosen Ansatz optimal zu nutzen, verwendet das System einen speziellen „interleavten“ Aufwärtswandler, der zwei Schaltstufen kombiniert, die phasenverschoben arbeiten. Gemeinsam heben sie die häufig niedrige und variable Modulspannung auf ein deutlich höheres, nahezu konstantes Niveau an, das als gemeinsamer Gleichstrombus dient. Dieses Design verdoppelt etwa den nutzbaren Spannungsanstieg im Vergleich zu einem einfachen einstufigen Booster und glättet Stromschwankungen durch Überlagerung der Wellenformen beider Zweige. In der Praxis bedeutet das weniger elektrische Belastung, kleinere Filter und stabileren Betrieb – Eigenschaften, die der Tracking-Logik helfen, bei wechselnder Sonneneinstrahlung schnell zu reagieren, ohne das Gesamtsystem zu destabilisieren.

Die Batterie im Komfortbereich halten

Über die Modulregelung hinaus integriert die Arbeit auch eine Batteriemanagementstrategie, sodass dasselbe System automatisch entscheidet, wann der Batterieblock geladen, entladen oder geschont werden soll. Ein separater bidirektionaler Wandler sorgt für elektrische Trennung und kann Energie in beide Richtungen zwischen dem Hochspannungsbus und einem niedrigeren Batteriespannungsniveau bewegen. Die Steuerung vergleicht ständig, wie viel Leistung die Module am Sweet Spot liefern könnten mit dem aktuellen Bedarf der Verbraucher. Wenn die Solarleistung die Nachfrage übersteigt und die Batterie nicht voll ist, wird der Überschuss ins Ladeverfahren gelenkt; übersteigt die Nachfrage die Sonnenleistung, schaltet der Wandler in Boost-Betrieb und die Batterie unterstützt die Last. Sechs Betriebsfälle decken alles ab, von sonnigem Ladebetrieb über nächtliche Versorgung bis hin zur sicheren Abschaltung, wenn weder Module noch Batterie die Last tragen können.

Praktische Leistung und Bedeutung

Rechenmodelle und Laborversuche mit einigen hundert Watt an Modulen und Batterien zeigen, dass das neue Regelkonzept den zentralen Gleichstrombus nahezu konstant hält und zugleich schnelle Änderungen der Sonneneinstrahlung verfolgt. Nach einer Stufenänderung der Beleuchtungsstärke stellt sich das System in etwa 50 bis 100 Millisekunden auf den neuen maximalen Leistungspunkt ein – schneller als viele Standardverfahren – und weist dennoch nur sehr kleine Leistungsverwerfungen um das Optimum auf. Gemessene Wirkungsgrade liegen bei rund 96 Prozent für die Spannungsanhebung und 94 Prozent für den Wechselrichter, während die Gesamt-Tracking-Effizienz auf etwa 99,4 Prozent geschätzt wird. Für den nicht-technischen Leser lautet die Schlussfolgerung: Dieses Konzept liefert nahezu jeden nutzbaren Watt, den die Module erzeugen können, mit sauberer Leistungsqualität und schonendem Batterieverhalten – bei einfacherer und kostengünstigerer Hardware. Diese Kombination macht es zu einer attraktiven Option für kostenempfindliche netzferne Solaranlagen, bei denen Zuverlässigkeit und Effizienz gleichermaßen wichtig sind.

Zitation: Genc, N., Uzmus, H., Kalimbetova, Z. et al. Current sensorless MPPT method with battery management for PV based single phase standalone system. Sci Rep 16, 9107 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40097-2

Schlüsselwörter: Solarenergie, Netzferne Stromversorgung, Batteriespeicher, Leistungselektronik, Maximum-Power-Point-Tracking