EP3642955A1 - Photovoltaikmodul, steuerschaltung für ein photovoltaikmodul und verfahren zur steuerung eines photovoltaikmoduls - Google Patents

Photovoltaikmodul, steuerschaltung für ein photovoltaikmodul und verfahren zur steuerung eines photovoltaikmoduls

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Publication number
EP3642955A1
EP3642955A1 EP18803547.1A EP18803547A EP3642955A1 EP 3642955 A1 EP3642955 A1 EP 3642955A1 EP 18803547 A EP18803547 A EP 18803547A EP 3642955 A1 EP3642955 A1 EP 3642955A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
buck converter
cell
bridge
voltage
node
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18803547.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Merz
Angelika NAUMANN
Timm CZARNECKI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hochschule Karlsruhe
Original Assignee
Hochschule Karlsruhe
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule Karlsruhe filed Critical Hochschule Karlsruhe
Publication of EP3642955A1 publication Critical patent/EP3642955A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • Photovoltaic module control circuit for a photovoltaic module and method for
  • the invention relates to a photovoltaic module, a control circuit for a photovoltaic module and a method for controlling a photovoltaic module.
  • Photovoltaic modules are the main component of photovoltaic systems for converting solar radiation into electricity.
  • photovoltaic systems usually consist of a plurality of photovoltaic strings, each having a plurality of photovoltaic modules connected in series.
  • Photovoltaic modules in turn usually consist of a series circuit of individual solar cells, which are hermetically encapsulated, and are no longer accessible for repair.
  • Commercially available photovoltaic modules have, for example, 60 series-connected solar cells.
  • photovoltaic systems are also referred to as PV systems, photovoltaic systems as PV lines and photovoltaic modules as PV modules or modules.
  • PV modules The efficiency of PV modules depends significantly on their ability to respond to changing external conditions such as reduced solar radiation and Under normal operating conditions to have the lowest possible power loss. It is therefore desirable to increase the efficiency of PV modules by integrating a simple and inexpensive control circuit without having to change the standard layout of PV modules.
  • each module In conventional PV modules, each module generally has at least one freewheeling diode or bypass diode arranged in parallel therewith. Frequently, freewheeling diodes are arranged in parallel to all partial cell strings of a PV module.
  • the module or the Teiizellstrang In the case of a fault, for example by shading or a failure of the module or a sub-cell string, the module or the Teiizellstrang can be bypassed via the freewheeling diodes and the bridged module or the bridged sub-cell strand provides no contribution to the output power.
  • the affected PV string of a PV system can be operated even in case of failure of the module or the sub-cell strand.
  • step-down converters are configured between the inputs of the entire PV module or between the inputs of each individual part cell string of the PV module in advanced PV modules instead of free-wheeling diodes.
  • buck converters between the inputs of each individual sub-cell strand of a PV module
  • the prior art has the problem that either the sub-cell strands have to be electrically separated from one another via the respective buck converters and therefore no standard PV modules are used can, or that the inputs and outputs of the buck converter must be galvanically isolated from each other. This results in each case a power reduction for the PV module, which depends on the efficiency of the buck converter.
  • connection is always understood to mean electrical connection.
  • the connections of the buck converters which are located on the side of the sub-cell strands or connected to the terminals of the sub-cell strands, are also referred to as buck-set inputs.
  • the terminals of the buck converters which are on the side of the PV module terminals or connected to the PV module terminals, are referred to as buck converter outputs.
  • the terms “input” and “output” here do not refer to the operation of the buck converter, where the input voltage is greater than the output voltage, but only on their spatial arrangement.
  • One aspect for achieving the object relates to a PV module having a first module connection and a second module connection and at least one cell strand, wherein at least one cell strand comprises n partial cell strands connected in series with n ⁇ 2 and
  • the buck converter switching means of the x-th buck converter is activatable as long as a voltage dropping in the xth buck converter is less than or equal to a predetermined respective voltage limit
  • the buck converter switching means of the xth buck converter is deactivatable as long as a voltage falling in the xth buck converter is greater than the predetermined respective voltage limit
  • the first buck converter has exactly one buck converter output connected to the first module terminal
  • the nth down-converter has exactly one buck converter output connected to the second module terminal
  • PV modules in which the subcell cords continue to be connected in series by default, and the first and nth buck converters are only connected to one of the two module connections via their buck converter outputs, offers the advantage of optimizing the performance of the PV module to limit the optimization of the individual sub-cell strands.
  • a PV module is understood to mean that part of a solar power system or PV system in which solar radiation converts part of the solar radiation into electrical energy.
  • the typical direct type of energy conversion from solar energy to electrical energy is called photovoltaic.
  • the components of the PV module are preferably mounted on a standard connection box.
  • the connection box of the PV module can have two electrical contacts or module connections, to which an external load can be directly coupled or connected, or to which other PV modules can be connected or connected in series or in parallel to form a PV system.
  • the two module connections are designed as anodes and cathodes and are preferably freely accessible at the connection box of the PV module for external connection.
  • the PV module comprises at least one cell string, which is connected between the two module connections of the PV module. It is also possible a plurality of parallel cell strands between the Moduian yorkn. At least one cell strand comprises at least two partial cell strands, but generally three or more partial cell strands, which are connected in series between the module connections.
  • Each subcell line has an input terminal and an output terminal. Input terminal and output terminal are each connected to a node of the junction box of the PV module.
  • the input terminal of the first sub-cell string of a cell string can be coupled to a first node and the output terminal can be coupled to a second node.
  • the input terminal of the second subcell line may then be coupled in series with the output terminal of the first subcell line at the second node and the output terminal of the second subcell line at a third node.
  • the input terminals of further sub-cell strings are then respectively coupled to the output terminal of the preceding sub-cell string at the associated node and the respective output terminals of the further sub-cell strings to the subsequent node.
  • n sub-cell strands for a cell strand n + 1 nodes of the connection box.
  • the nodes of the junction box can be freely accessible for the coupling of other electrical circuits in addition to the sub-cell strands, thus circuits can also be retrofitted.
  • the partial cell strands usually consist of a series circuit of individual solar cells, which are hermetically encapsulated, and are no longer accessible for repair.
  • Commercially available PV modules have, for example, a cell strlind with three Teiizelistrnature, each having 20 series-connected solar cells. By the series connection of the solar cells, each with a voltage of only about 0.5 V and the series connection of the sub-cell strands added in the example, the voltage to 30 V, which is available at the PV module.
  • the PV module according to the invention has step-down converters parallel to the sub-cell strands.
  • Each subcell line of the PV module is assigned a buck converter.
  • a buck converter also called down converter or step-down controller
  • the expert in electronics understands a form of switching DC-DC converter.
  • the buck converters according to the invention each have two electrical input contacts or inputs and at least two electrical output contacts or outputs. In this case, only one electrical output contact is externally coupled in the first and nth buck converter.
  • the electrical inputs and Outputs are each formed as anode and cathode.
  • each buck converter An input of each buck converter, usually the input anode, is coupled to the input terminal of the respective associated sub-cell string at the node in question.
  • the other input of each buck converter usually the input cathode, is coupled to the output terminal of the respective associated sub-cell string at the respective node.
  • the inputs of the buck converter are connected in parallel to the associated sub-cell string.
  • the buck converters each have a buck converter switching device, which comprises one or more buck converter switches, wherein the buck converter switches are preferably designed as transistors.
  • each buck converter via its buck converter switching device can be activated by a controller and deactivated by the buck converter switch the buck converter switching device depending on the operating state on and off or in other words closed and opened.
  • Activatable means in this context that the buck converter switch the respective buck converter switching device not remain closed or open, but alternately opened and closed at short time intervals to adjust the output power of the respective buck converter to the affected cell strand.
  • the switching frequency of the buck converter switch in a range of 100 kHz to 1 MHz, ie a switching cycle duration between 1 microseconds and 10 microseconds.
  • the respective buck converter in particular the buck network switching device of the buck converter, after activation via a controllable buck converter switching device also again deactivated or is no longer activated when the buck converter switch the respective buck converter switching device remain closed or open.
  • the activation of the respective buck converter switching device takes place in the event that the voltage within the step-down divider drops to or below a predetermined first threshold value.
  • the drop in voltage within the buck converter is often caused by shading of the solar cells of the sub-cell strand, but can also be due to aging processes and defects in the solar cells of the sub-cell strand.
  • the deactivation of the respective buck converter circuit means takes place in the event that the voltage within the buck converter again rises above the predetermined first threshold value.
  • the voltage within the buck converter increases again when the shading of the solar cells of the sub-cell strand is canceled.
  • the activation or deactivation of the respective buck converter usually takes place during the course of a day only for very few cycles, for example in each search for a maximum power point (MPP) for a cell string every 5 to 10 minutes. This results in a typical summer day with about 16 hours sunshine duration only about 200 alternations between activation and deactivation of the respective buck converter.
  • MPP maximum power point
  • the number of buck converters connected to a partial cell string is 1, although multi-phase buck converters can also be used.
  • the buck converters which are assigned to the first sub-cell string and the n-th sub-cell string, ie the last sub-cell string in the series connection of sub-cell strings of at least one cell string, have exactly two outputs with an output anode and an output cathode. The number of outputs is therefore 2.
  • Of the two outputs of these buck converters in contrast to conventional PV modules, only one output is connected. The other output is not connected, or only via internal components of the Tiefse tzste Hers. Thus, this port is not externally coupled.
  • the first step-down converter is preferably connected via its output anode to the first module connection or the module anode while the output cathode is not coupled.
  • the nth buck converter is preferably connected via its output cathode to the second module terminal or the module cathode while the output anode is not coupled.
  • the output voltage between the anodes and cathodes of the outputs of the first and nth Tiefsetzsteliers is always smaller than the amount of input voltage at the buck converter.
  • n 3 and
  • the first module connection is connected and the y-th buck converter has a second buck converter output, which is connected to the second module terminal.
  • at least one cell string of the PV module is equipped with at least three sub-cell strands, and all buck converters that are not assigned to the first or nth sub-cell string of this cell string have at least one buck converter output, which is connected to the module anode and at least one Buck converter output connected to the module cathode.
  • at least one output anode of the respective buck converter is connected to the module anode and at least one output cathode of the respective buck converter is connected to the module cathode.
  • the voltage between the anodes and cathodes of the outputs of the y-th buck converter is always greater than or equal to the amount of voltage between the anodes and cathodes of the inputs on the buck converter.
  • the buck converter inputs and the buck converter outputs of the xth buck converter are directly electrically connected to each other by internal circuitry within the xth buck converter.
  • the internal circuit within the buck converter of the PV module thus has no galvanic isolation of buck converter inputs and buck converter outputs as in the buck converters of known PV modules.
  • the buck converters which are assigned to the first sub-cell string and the n-th sub-cell string, have, for example, exactly one buck converter switch each for the buck converter switching device.
  • Within the first enquiriesetzsteliers is here connected in series between the anode of the buck converter input and the anode of the buck converter output of the buck converter and an inductance or coil.
  • a diode is connected in parallel with the associated subcell line.
  • the diode is connected in the reverse direction, the anode of the diode at the cathode of the buck converter input and the cathode of the diode between Tiefsetzsteilerschalter and inductance is applied.
  • the cathode of the buck converter input is usually connected directly to the cathode of the buck converter output.
  • the buck converter shaiter and the inductor are connected in series.
  • the anode of the diode is connected between the low-side I rsc ha I r and inductance, and the cathode of the diode is connected to the anode of the step-down converter input.
  • the anode of the buck converter input is connected directly to the anode of the buck converter output.
  • the first and nth step-down converters usually have a capacitance between the anode and the cathode of the step-down converter output, that is, parallel to the step-down converter outputs.
  • An output voltage is applied between the output anode and the output cathode at the buck converter outputs of the first and nth bucking stages of a cell string and can be measured by a voltmeter. Without shading, this output voltage is greater than the predetermined voltage limit for the respective buck converter and the Tiefsetsteilerschalter the buck converter remain disabled and permanently closed.
  • the power loss due to the use of these two step-down converters without shading merely results from the ohmic losses at the inductances of these step-down converters. In the case of a drop in the output voltage to or below the predetermined voltage limit at these buck converters by shading the buck converter switching device of the buck converter is activated.
  • the buck converter switch in the case of the activated buck converter, a few hundred to several million switching cycles per second are carried out at the buck converter switch.
  • This will transfer electrical energy from the connected voltage source to the connected load.
  • the two energy storage coil and capacitor can Allow the load to be supplied during the phases when the switch is open.
  • the inductance of the coil keeps the higher input voltage of the load fem.
  • the output can be adjusted by controlling the on and off times of the buck converter switch. This control is done, for example, by a regulator to keep output voltage or current at a desired value.
  • a load current flows through the coil and through the load and the diode blocks.
  • the energy stored in the coil is dissipated: the current through the load continues to flow, but now through the diode and out of the capacitor.
  • the coil and the capacitor form a second order low pass in the example.
  • the actual down conversion is achieved by filtering out the DC component from the square-wave voltage.
  • the value of the DC component can be adjusted by the duty cycle.
  • the affected buck converter is preferably operated in such a way that the output power of the sub-cell string is maximized and the current through the other sub-cell strings is not limited.
  • the buck converters which are assigned to the sub-cell strands between the first sub-cell strand and the n-th Teiizellstrang, for example, exactly two buck converter switch for the buck converter switching device, two Output anodes and two output cathodes.
  • the number of buck converter switches is thus 2 and the number of outputs is 4.
  • a first inductance is preferably arranged between the input anode and a first buck converter node.
  • the first step-down switch is preferably coupled between the first step-down converter node and the module anode, and between the module cathode and the first step-down node, preferably a first diode is arranged in the reverse direction.
  • a second inductance is preferably arranged between the input cathode and a second buck converter node.
  • the second step-down switch is preferably coupled between the second buck converter node and the module cathode, and preferably between the second buck converter node and Moduianode is a second diode arranged in the reverse direction.
  • the y-th buck converter exclusively supplies the y-th subcell line with a step-down converter power unidirectionally, as long as the voltage which drops in the y-th step-down converter is less than or equal to the predetermined voltage limit value.
  • a voltage measurement is carried out in each case between the first buck converter node and the second buck network node. Without shading, this voltage is greater than the predetermined voltage limit for the respective buck converter and the buck converter switch the buck converter switching device remain disabled and permanently open. Thus, no current flows through the respective buck converter without shading, the current through the sub-cell string is identical to the module current and there is no additional power loss by using this buck converter. In the case of a drop in the voltage at or below the predetermined voltage limit to these buck converters by shading the buck converter switching device of the buck converter is activated.
  • the first buck converter and the nth buck converter exclusively supply the buck converter power to the yth buck converter in a unidirectional manner.
  • the first, the nth or both partial cell strands are in normal operation and deliver power via the associated buck converter to the buck converter of the shaded sub-cell string to increase its performance.
  • the predetermined voltage limit of the xth buck converter has a value less than or equal to zero volts on and the x-th activated buck converter increases a partial cell strand performance of the x-th subcellular strand.
  • the step-down converter switching device of the x-th buck converter when activated, periodically switches in order to increase the partial cell strand power of the xth partial cell strand.
  • the power of the shaded x-th sub-cell string can be suitably adjusted without limiting a cell-string current of the PV module.
  • the predetermined voltage limit of the xth buck converter in each case has a fixed voltage limit.
  • the PV module comprises a buck converter control, by means of which the buck converter switching device of the xth buck converter is controlled in order to maximize a photovoltaic module power of the photovoltaic module and the buck converter control is formed with MPPT (Maximum Power Point Tracking).
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • the MPPT can optimally adapt and maximize the output power of the xth sub-cell string during shading. In the interaction of the control of the buck converter switching devices of all buck converter with MPPT while the output power of the entire PV module is maximized.
  • the buck converter switching devices of the first and the nth buck converter each have a buck converter switch
  • the buck converter switching device of the y-th buck converter has a first and a second buck converter switch.
  • a module current and a partial cell string current is monitored by the x-th sub-cell string and the buck converter switches of the first and n-th buck are closed and the buck-boost switches of the y-th buck are opened when the difference between the module current and the partial cell string current through the x-th partial cell strand falls below a predetermined x-th current limit for the x-th partial cell strand.
  • the deviation between the module current and the partial cell phase current in each case represents a hysteresis, which can either be set or is predetermined by the minimum switch-off time of a transistor for the respective activated buck converter by the components.
  • the predetermined current limit value for the x-th subcellular strand has a fixed current limit value or the deviation between module current and partial cell strand current is in a range of less than 1% up to a deviation of less than 10%. This may be, for example, a deviation between modulus flow and partial cell strand flow of 10%, preferably of 5% and particularly preferably of 1%.
  • an xth capacitor is connected in parallel with the xth subcell line.
  • the xth step-down converter usually has a capacitance between the anode and the cathode of the step-down converter input, that is to say in parallel with the step-down converter inputs. Due to the interaction of capacitors and inductors within the step-down converter, the output voltage of the respective step-down converter is made uniform, which has an advantageous effect on a trouble-free operation.
  • at least one cell strand of the PV module has three partial cell strands connected in series, and more preferably, the PV module has only one cell strand. With this configuration, the PV module can be implemented on a standard junction box for PV modules without modification.
  • a further aspect for achieving the object relates to a control circuit having a plurality of buck converters for a PV module,
  • the photovoltaic module has a first module connection and a second module connection Module connection and at least one cell strand,
  • n ⁇ 2 and at least one cell strand has n partial cell strands connected in series;
  • the buck converter switching means of the x-th buck converter is activatable as long as a voltage dropping in the xth buck converter is less than or equal to a predetermined respective voltage limit
  • the buck converter switching means of the xth buck converter is deactivatable as long as a voltage falling in the xth buck converter is greater than the predetermined respective voltage limit
  • the first buck converter has exactly one buck converter output connected to the first module terminal
  • the nth buck converter has exactly one buck converter output which is connected to the second module terminal.
  • the xth buck converter is designed to replace a free-wheeling diode of the xth sub-cell string of the PV module.
  • the control circuit can thus be used as a retrofit kit for conventional PV modules with parallel freewheeling diodes to the Generalzeilstrnatureen.
  • the contacts of the freewheeling diodes in a standard PV module for reconfiguration are accessible, the freewheeling diodes are removable and the control circuit can be used on the intended contacts.
  • a further aspect for achieving the object relates to the use of the control circuit as described above as a control circuit for a PV module.
  • a further aspect for achieving the object relates to a method for controlling a photovoltaic module having at least one cell strand, wherein at least one Zeilstrang n series-connected partial cell strands with n ⁇ 3 and
  • Buck converter is associated with a buck converter switching device
  • Step-down divider circuit means of the xth step-down converter as long as the voltage dropping across the xth sub-line is greater than the predetermined x-th voltage limit
  • Another aspect of solving the problem concerns a photovoltaic module! with a first module connection and a second module connection and at least one cell strand,
  • At least one cell strand comprises n series connected partial cell strings (16_1..16_n) connected at n + 1 nodes and wherein the first node point at the beginning of the cell string and the ⁇ + 1th node point at the end of the cell string
  • Cell strand is connected and a half-bridge node between the two switching devices to the x + 1-th node of the cell strand is connected, wherein the first half-bridge for providing a target voltage on the associated first sub-cell strand is activated, as long as a voltage that drops in the first sub-cell strand, smaller or is equal to a predetermined respective voltage limit and the first half-bridge is deactivated, as long as a Voltage falling in the first Operazeilstrang, greater than the predetermined respective voltage limit is, and
  • the ⁇ -1-th half-bridge for providing a target voltage at the associated n-th sub-cell strand can be activated, as long as a voltage that drops in the n-th sub-cell strand is less than or equal to a predetermined respective voltage limit and the ⁇ -1-th half bridge can be deactivated is as long as a voltage that drops in the n-th sub-cell string is greater than the predetermined respective voltage limit.
  • the half bridges thus provide a balance function for the potentials between the Teiizellstrnature and it is spoken below for the arrangement of the half bridges of a balance circuit for the cell strand.
  • a reduced partial cell strand provides a lower partial cell current, which is compensated by equalizing currents across the respective half-bridge.
  • the cell string current is thus reduced by the equalization currents and not brought directly to the desired value of the module output current as in the case of the arrangement with parallel buck converters.
  • the conversion of the cell strand current to a desired photovoltaic string current takes place in the arrangement with half bridges in a subsequent step.
  • a partial cell strand capacitor and a partial cell strand voltage measuring device which monitors the voltage at the partial cell strand, may be connected in parallel between the x th node and the x + 1 node of the cell strand for each of the n th cell strand of the cell strand natural number that is greater than or equal to 1 and less than or equal to n-1.
  • Alternative voltage measurements for example with a common reference node for calculating the partial cell voltages, are also possible.
  • the voltages determined by the partial cell voltage measuring devices which drop across the partial cell strings are transmitted to a half-bridge control.
  • a cell strand capacitor can be connected in parallel to the entire cell strand with its n series-connected partial cell strands.
  • n-1 half bridges are connected.
  • Each half bridge consists of two series-connected switching devices with a half-bridge node between the switching devices.
  • the half-bridge node of the x-th half-bridge is connected to the x + 1-th node of the cell string.
  • the input of the xth half-bridge is at the input of its first switching device and is connected to an ith node of the cell string, where i is again a natural number and is greater than or equal to 1 and less than or equal to x.
  • the input of the xth half-bridge is thus connected to a node of the cell strand which is closer to the beginning of the cell strand than the node of the cell strand which is connected to the half-bridge node of the xth half bridge.
  • the output of the xth half-bridge is at the output of its second switching device and is connected to a jth node of the cell string, where j is again a natural number and is greater than or equal to x + 2 and less than n + 1.
  • the output of the xth half-bridge is thus connected to a node of the cell string which is closer to the end of the cell string than the node of the cell string which is connected to the half-bridge node of the xth half-bridge.
  • the switching devices of the half bridges each have at least one Switch on. These switches can be designed as transistors, for example. Typical switching frequencies, which are needed for the operation of the half-bridges, are here at 250 Hz to 1 MHz. Parallel to the respective switch of a switching device, a diode may be connected. The diodes are each arranged in the reverse direction and allow a regulated current flow through the switching device during the time of the switching operation.
  • a half-bridge inductance can be arranged in each case between the half-bridge nodes of the half-bridges and the nodes between the partial cell strings.
  • the half-bridges in particular their respective switching devices, are each controllable via the half-bridge control.
  • each sub-cell string defines a sub-cell-string current for the sub-cell-line voltage.
  • the cell strand voltage results from the series connection of the partial cell strands.
  • a current flows through the corresponding half-bridge inductance. It follows from the node equations for the nodes between the sub-cell strands that the half-bridge inductor currents can control the sub-cell strands.
  • the half-bridge control activates those half-bridges, which are arranged around the sub-cell string around. In partial cell strands at the beginning or at the end of the cell strand only one half-bridge is thus activated, while for the other partial cell strands two half-bridges are activated.
  • the half-bridge controller controls switching devices of the half-bridges by specifying a setpoint voltage for the node between the respective sub-cell strings. The specification of the setpoint voltage is operated in the MPPT.
  • the control is effected by periodic asynchronous switching of the respective switching devices with a pulse width modulated controlled signal with duty cycle with the turn-on time TON of the respective switching unit with respect to the period of the half-bridge. This turns the
  • the increased partial cell voltage causes in the shaded sub-cell strand a reduced partial cell extraneous current, but is compensated by the current through the half-bridge inductance.
  • the ith node of the cell strand is the first node of the cell strand and the jth node of the cell strand is the n + 1 node of the cell strand.
  • the input of the x-th half-bridge is connected to the first node of the cell string and the output of the x-th half-bridge to the ⁇ + 1-th node of the cell string.
  • all inputs of the n-1 half-bridges are connected to the first node of the cell string and all outputs of the n-1 half-bridges are connected to the n + 1 node of the cell string.
  • all n-1 half-bridges can be individually and independently controlled by the half-bridge controller. When shading a partial cell strand only the activation of one or two half-bridges is necessary.
  • the ith node of the cell strand is the xth node of the cell strand and the jth node of the cell strand is the ⁇ + 2nd node of the cell strand.
  • the input of the xth half-bridge to the xth node of the cell string, the half-bridge node of the xth half-bridge to the x + 1th node of the cell string, and the output of the xth half bridge to the ⁇ + 2 -th node of the cell strand connected.
  • the index of the three ports is incremented by one for the consecutive half-bridges.
  • All inputs of the n-1 half-bridges are connected to a different node of the cell string and all outputs of the n-1 half-bridges are also connected to a different node of the cell string.
  • the n-1 half-bridges are always jointly controlled by the half-bridge control. When one or more partial cell strands are shaded, equalizing currents thus flow through all half-bridge inductances of the n-1 half bridges.
  • the half-bridges with the odd-numbered indices and the half-bridges with even indexes can be configured in each case to form a half-bridge line.
  • Straight in this context means that the index of the xth half-bridge, which represents a natural number, is divisible by two. Accordingly, odd in this context means that when dividing the index of the xth half-bridge by two, a remainder of one remains.
  • the output of the half-bridge with the lower index is connected to the input of the half-bridge with the higher index.
  • the half-bridge strings can also be realized by programmable standard IC components, which in turn makes the balance circuit as a whole efficient and inexpensive.
  • the xth and the x + 1th half bridges can be activated to provide a setpoint voltage at the assigned x + 1st subcell line, as long as a voltage falling in the x + 1st subcell line is less than or equal to a predetermined respective voltage limit value and
  • the x-th and the x + 1-th half-bridge can be deactivated as long as a voltage falling in the x + 1-th sub-cell string is greater than the specified respective voltage limit.
  • the configuration of a balance circuit can be realized for cell strands with at least two partial cell strands. The number of partial cell strands of a cell strand is often at three partial strands, but is not limited thereto.
  • the activatable half-bridges periodically switch their two switching devices asynchronously when activated in order to provide the setpoint voltages of the associated sub-cell strands.
  • Asynchronous switching of the switching means means that for the duration of time, the switch of the first switching device of the half-bridge
  • TOFFI TON2 the switch of the first switching device of the half-bridge and the switch of the second switching device of the half-bridge is closed. If diodes are arranged in the switching device parallel to the switch, these diodes ensure that the current through the half-bridge can continue to flow, even if, during the change of state of the half-bridge from the state of the period to the state of the period TOFFI
  • the photovoltaic module comprises a half-bridge control, by means of which the activatable half-bridges are activated and controlled, and
  • the half-bridge control controls the target voltages of the associated sub-cell strands with maximum power point tracking, MPPT.
  • the half-bridge control can be realized here as an independent circuit or as a programmable standard IC component.
  • an x-th half-bridge inductance is connected between the half-bridge node of the x-th semiconductor bridge and the x + 1-th node of the cell string.
  • a cell string capacitor is connected between the first node and the ⁇ + 1-th node of the cell string.
  • a y-th sub-cell strand capacitor is connected in parallel with the y-th sub-row train. Due to the interaction of capacitors and inductors within the balancing circuit, the currents are made uniform by the half-bridge inductance of the respective half-bridge, which has an advantageous effect on trouble-free operation.
  • the cell strand is connected to the first module connection and the second module connection at the first and the ⁇ -1-th node via a cell string setting converter.
  • the half-bridge controller controls the cell strand setting converter and the setpoint voltages of the associated partial cell strings with maximum power point tracking, MPPT, and supplies a desired photovoltaic string current as the output current of the cell string setting converter.
  • the cell string bottom converter comprises the following configuration:
  • an nth controllable half-bridge comprising two asynchronously switchable switching devices between the first node and the ⁇ + 1-th node the cell strand;
  • a node between the two switching devices which is connected via a buck converter inductance to the first module terminal of the photovoltaic module;
  • the cell strand low converter adjusts the cell string current to the current that is specified at the module output for feeding into the photovoltaic string.
  • the cell strand low-voltage converter consists of a half-bridge, a buck converter inductance and a buck converter capacitor.
  • the half-bridge is arranged between the start and end nodes of the cell string parallel to the cell string and consists of two series-connected switching devices with a half-bridge node between the switching devices.
  • the switching devices each have at least one switch.
  • a diode can be connected in parallel with the switch.
  • the diodes are each arranged in the reverse direction.
  • the buck converter inductance is arranged between the half-bridge node and the module connection, and the buck converter capacitor is arranged between the first module connection and the second module connection.
  • the half-bridge controller activates the half-bridge of the column transformer Ile rs and controls its switching devices by specifying the photovoltaic pole current in the MPPT. This is done by periodic asynchronous switching of the switching devices with a pulse width modulated controlled signal with duty cycle with the turn-on time TONI from the first switching unit with respect to the period the half bridge.
  • Further MPP tracking capabilities measure the individual currents and optimize the performance of the sub-cell strands via known methods, such as the hill-climbing method or the analog based on the peak-detect circuit Method.
  • the patent DE 10 2011 1 1 1 255 B4 there are possibilities for communication-less partial cell string optimization and reliable avoidance of hot spots in PV modules and systems.
  • a further aspect for achieving the object relates to a control circuit having a plurality of controllable half-bridges for a photovoltaic module,
  • the photovoltaic module has a first module connection and a second module connection and at least one cell strand
  • the first half-bridge for providing a target voltage on the associated first sub-cell strand can be activated as long as a voltage that drops in the first sub-cell string, smaller or is equal to a predetermined respective voltage limit value and the first half-bridge is deactivatable, as long as a voltage which drops in the first Operazeilstrang, is greater than the predetermined respective voltage limit, and
  • the ⁇ -1-th half-bridge for providing a target voltage at the associated n-th sub-cell strand can be activated, as long as a voltage falling in the n-th sub-cell strand is less than or equal to a predetermined respective voltage limit and the ⁇ -1-th half bridge can be deactivated is as long as a voltage that drops in the n-th sub-cell string is greater than the predetermined respective voltage limit.
  • the entirety of the n-1 half-bridges of Cell strand designed to replace a whole of freewheeling diodes of the cell strand of the photovoltaic module.
  • the entirety of the n-1 half-bridges is to be understood as meaning all components which are necessary in order to configure the half-bridges for the time sequence.
  • This set of components represents a balancing circuit that compensates deviations of individual partial cell phase voltages from the setpoint.
  • balance circuit lithium-ion batteries dar.
  • the control circuit then has the goal of preventing a falling below a discharge limit or the exceeding of a charging limit of the cell voltages.
  • Such a control circuit is activated via a connected battery management system (BMS) or by independent voltage monitoring.
  • BMS battery management system
  • An additional interlock signal provided by the half-bridge controller may serve to shut down the loader / unloader.
  • a further aspect for achieving the object relates to a method for controlling a photovoltaic module having at least one cell strand,
  • At least one cell strand has n series-connected partial cell strands, with n ⁇ 2 and
  • Figure 1 shows various simplified representations of PV modules, each with only one cell strand consisting of three sub-cell strands according to the prior art
  • Figure 2 shows two simplified representations of the power flow within a PV module with shading of partial cell strands according to the present invention.
  • Figure 3 shows a simplified representation for retrofitting a
  • Control circuit in a PV module on a standard junction box according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a first sub-cell string of a PV module with an associated buck converter.
  • FIG. 5 shows a schematic circuit diagram of a central sub-cell string of a PV module with an associated buck converter.
  • Figure 6 shows a schematic diagram of the entire circuit of a
  • FIG. 7 shows a schematic circuit diagram of a cell strand with three
  • FIG. 8 shows a schematic circuit diagram of a cell strand with five
  • Figure 9 shows a schematic diagram of the entire circuit of a
  • PV module according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 8 relate by way of example to PV modules 10 with exactly one cell strand 14 divided into three partial cell strands 16_1, 16_2, 16_3.
  • the structural and functional features of these examples can also be transferred to PV modules with more than one cell strand, wherein at least one cell strand has more than two partial cell strands.
  • FIG. 1 shows simplified representations of PV modules 10 with in each case only one cell strand 14 according to the prior art.
  • the cell strand 14 in each case has three partial cell strands 16_1, 16_2, 16_3.
  • An output voltage V m is applied to all PV modules 10 between their module terminals 12_1 and 12_2.
  • Different measures for optimizing performance or for protection against thermal damage of the PV module in case of partial shading are shown.
  • FIG. 1a shows a PV module! 10 without measures against partial shading or failure of one of the partial cell strands 16_1, 16_2 and 16__3.
  • the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 are connected in series between the module connections 12_1 and 12_2 of the PV module.
  • the output voltage V m of the cell strand 14 or of the PV module 10 results from the sum of the voltages Vi, V2 and V3 at the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3.
  • the partial cell extruded currents h, I2 and at the partial cell strands 16 1, 16 2 and 16_3 all correspond to the module current Im.
  • the modulatory current depends on the smallest of the partial cell extruded currents , Thus, in the case of shading of a subcellular strand, the modulo flow Im is limited to the subcellular strand current of this subcellular strand. If one of the partial cell strands completely fails due to shading or interference, the entire cell strand 14 or the entire PV module 10 fails and no output power is provided at the PV module. Due to the limited output of the output power of unshaded sub-cell strands, the PV module can be thermally damaged during partial shading.
  • FIG. 1b shows a PV module 10 with subcell strands 16 1, 16_2 and 16_3 arranged in series with a freewheeling diode or bypass diode 40_1, 40_2 and 40_3 arranged in parallel in each case.
  • the affected partial cell strand can be bridged via the respective freewheeling diode.
  • the partial cell strand 16_3 is disturbed and is bridged over the freewheeling diode 40_3.
  • the partial cell strand 16_3 thereby fails completely and no longer delivers any output power.
  • the output voltage Vm of the cell strand 14 or of the PV module 10 thus results approximately from the sum of the voltages Vi and V2 to the operating in normal operation partial cell strands 16 1 and 16 2.
  • FIG. 1 c shows a PV module 10, in which the serial coupling of the partial cell strands 16_1, 16 2, 16 3 and the PV module can not therefore be implemented on a standard connection box for PV modules.
  • the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 are connected in parallel to the inputs of a respective buck converter 18_1, 18_2 and 18_3.
  • the buck converter 18_1 is coupled via an output to the module terminal 12 1 and to a first output of the buck converter 18 2.
  • a second output of the buck converter 18_2 is coupled to an output of the buck converter 18_3 and to the module terminal 12 2.
  • the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 are each operated via the buck converters 18_1, 18_2 and 18_3.
  • the partial cell strands 16_1, 16_2 and 16_3 each deliver their maximum achievable output voltage to the respective step-down converter 18_1, 18_2 and 18 3.
  • the affected partial cell line is operated by the assigned step-down converter with MPPT and supplies a reduced output voltage VX.MPPT to the assigned output voltage step-down converter. Due to the occurrence of power loss within all buck converters 18_1, 18_2 and 18_3, a power reduction of the PV module occurs both in normal operation and in the event of shading. The power reduction is dependent on the efficiencies of the buck converters 18_1, 18_2 and 18_3.
  • FIG. 1d shows a PV module 10 with partial cell strands 16_1, 16_2 and 16_3 arranged in series.
  • the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 are connected in parallel to the inputs of a galvanically separated DC-DC converter 18_1, 18_2 and 18_3.
  • the galvanically isolated DC-DC converter 18 1, 18_2 and 18_3 are each coupled via a first output to the module terminal 12_1 and via a second output to the module terminal 12_2.
  • the galvanically isolated DC-DC converter 18_1, 18_2 and 18_3 are based on bidirectional galvanically isolated DC-DC converters, each with a transformer for galvanic isolation of the input and output of the galvanically isolated DC-DC converter 18_1, 18_2 and 18_3.
  • the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 are each operated via the galvanically isolated DC voltage converters 18_1, 18_2 and 18_3 for power optimization. Without shading, the partial cell strands 16_1, 16_2 and 16_3 each deliver their maximum achievable output voltage at the respective galvanically isolated DC-DC converter 18_1, 18_2 and 18_3. In the event of shading, the affected subcell line is operated by the associated galvanically isolated DC voltage converter with MPPT and provides a reduced output voltage at the subcell line. This results from the occurrence of
  • FIG. 2 shows simplified representations of a PV module 10 with only one cell strand 14 according to the present invention and examples of the power flow within the PV module in the case of partial shading.
  • the cell strand 14 has three series-arranged partial cell strands 16_1, 16_2, 16_3.
  • An output voltage Vm is applied to the PV module 10 between the module connections 12_1 and 12_2.
  • the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 are connected in parallel to the inputs of a respective buck converter 18_1, 18 2 and 18 3.
  • the buck converter 18_1 is coupled via an output to the module terminal 12 1 and to a first output of the buck converter 18_2.
  • a second output of the buck converter 18_2 is coupled to an output of the buck converter 18 3 and to the module terminal 12 2.
  • the input and output of the buck converters 18_1, 18_2 and 18 3 are each not electrically isolated.
  • FIG. 2a shows the power flow of the PV module when the partial cell strand 16_1 is shaded at the beginning of the cell strand 14. The shading causes the partial cell strand current to sink below the module current Im and the buck converter 18_1 is activated.
  • the buck converter 18_1 operates by MPPT the sub-cell string 16_1 at the voltage
  • the reduced partial cell extraneous current flows from the sectionzellstrang 16_1 and on the other hand Electricity from the power line 16_2.
  • Mallsetzstelier 18 1 is about
  • the switching cycle duration d with the output current is set to the value of the modulo current Im.
  • FIG. 2b shows the power flow of the PV module when the partial cell strand 16_2 is shaded between the partial cell strands 16_1 and 16_3. Due to the shading, the partial cell strand current drops below the module current and the buck converter 18 2
  • the buck converter 18_2 operates by MPPT the sub-cell string 16_2 at the voltage V2, MPP.
  • the unshaded partial cell strands 16 1 and 16_3 lead via the outputs of the buck converters 18 1 and 18_3 the benefits and to the outputs of the buck converter 18 2 and
  • Partial cell string 16_2 can be operated at V2, MPP, without limiting the total module current Im.
  • the performance of the entire PV module results in:
  • FIG. 3 shows a simplified representation for retrofitting a control circuit in a PV module of a standard connection box according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the PV module in the standard connection box comprises the module connections 12_1 and 12_2 and the nodes 28_1, 28 2, 28 3 and 28_4.
  • a divisional string 16_1, 16_2, 16_3 and a freewheeling diode 40_1, 40_2, 40_3 are each connected in parallel by default.
  • the free-wheeling diodes 40_1, 40_2 and 40_3 are first removed and the wiring between the module connection 12_1 and node 28_1 and between the module connection 12 2 and node 28_4 is interrupted.
  • step-down converter 18_1 1 is connected to module connection 12_1, step-down converter input 20_11 to node node 28_1, and step-down converter input 20_12 to node node 28 2.
  • step-down converter 18_2 buck converter output 22 21 is connected to module terminal 12_1, buck converter output 22 22 is connected to module terminal 12 2, buck converter input 20_21 is connected to node node 28_2, and buck converter input 20_22 is connected to node node 28_3.
  • the buck converter output 22_32 is connected to the module terminal 12_2, the buck converter input 20_31 to the node pin 28_3 and the buck converter input 20 32 to the node pin 28_4. All electronic components of the retrofitted PV module are thus completely within the standard connection box and only the two module connections 12_1 and 12_2 lead to the outside for external connection. There is no need for additional external wiring between multiple retrofitted PV modules to build a PV system.
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a first sub-cell string 16_1 of PV module 10 with associated buck converter 18_1.
  • the first sub-cell string 16_1 and the buck-set input are connected in parallel between the nodes 28_1 and 28 2.
  • the first buck converter output 22__11 is coupled to the module terminal 12_1.
  • the buck converter 18_1 has a buck converter switching device 24_1 with exactly one buck converter switch 26_1, which is controlled by the buck converter control 36.
  • Within the buck converter 18_1 is connected between the buck converter input 20_11, or the input anode, and the buck converter output 22 1 1, or the output anode, in series, the buck converter switch 26_1 and an inductance or coil 30_1.
  • a diode 32_1 is connected in parallel with the associated subcell line 16_1.
  • the Diode 32_1 is connected in the reverse direction, the anode of the diode 32_1 being applied to the step-down converter input 20_12 or the input cathode, and the cathode of the diode 32_1 being present between the step-down converter switch 26_1 and the inductor 30_1.
  • the buck converter input 20_12 is connected directly to the buck converter output 22 12.
  • a capacity 34_1 1 and between the buck converter outputs 22 1 1 and 22 12 a capacity 34_12 connected.
  • an output voltage VIA is measured at the voltage measuring device 38_1. Without shading this output voltage VIA is greater than the predetermined voltage limit VIG for the buck converter 18 1 and the buck converter switch 26_1 remains disabled and permanently closed. In the case of a drop in the output voltage VIA by shading to or below the predetermined voltage limit VIG the buck converter switching device 24 1 is activated and performed a few hundred to several million switching cycles per second on Tiefsetzstellerschalter 26 1.
  • the output voltage VIA or the output current Im can be adjusted by controlling the on and off times of the buck converter switch 26 1 with the buck converter control 36.
  • FIG. 5 shows a schematic circuit diagram of a middle sub-cell strand 16_2 of a PV module 10 with associated buck converter 18_2.
  • the partial cell string 16_2 and the buck converter input are connected in parallel between the nodes 28_2 and 28_3.
  • the buck converter 18_2 has two output anodes or step-down steplete outputs 22_21 and 22 23 and two output cathodes or buck converter outputs 22_22 and 22_24.
  • the buck converter outputs 22_21 and 22_23 are coupled to the module terminal 12 2 as well as buck converter outputs 22 22 and 22_24 to the module terminal 12 2.
  • a first inductor 30_21 is arranged between the input anode or buck converter input 20_21 and a first buck converter node 42_21.
  • a first buck converter switch 26_21 is coupled between the first buck converter node 42 21 and the module terminal 12 1 and connected between the module terminal 12_2 and the first buck converter.
  • node 42_21 is a first diode 32 21 arranged in the reverse direction.
  • a second inductance 30 22 is arranged between the input cathode or step-down divider input 20_22 and a second step-down step node 42_22.
  • a second buck converter switch 26_22 is coupled between the second buckle splitter node 42_22 and the module pad 12 2, and a second diode 32_22 is connected in the reverse direction between the second buckle splitter node 42_22 and the module terminal 12_1.
  • a capacitor 34_2 is connected in parallel to the part cell line 16_2.
  • a step-down converter voltage V2T is applied between the first step-down stepping node 42 21 and the second step-down stepping node 42_22 and is measured at the voltage measuring device 38_2. Without shading, the buck converter voltage V2T is greater than the predetermined voltage limit value V2G, and the buck converter switches 26_21 and 26_22 of the buck converter switching device 24_2 remain deactivated and permanently open. Thus, no current flows through the buck converter 18_2 without shading, the current h through the sub-cell strand 16_2 is identical to the module ström IM and there is no power dissipation at the buck converter 18 2.
  • the buck converter 18_2 In the case of a sinking the buck converter voltage V2T at or below the predetermined voltage limit V2G the buck converter 18_2 by shading the buck converter switching device 24_2 is activated and a few hundred to several million switching cycles per second performed on the two buck converter switches 26 21 and 26_22.
  • electrical power is unidirectionally transferred from the two normal-operating partial cell strings 16_1 and 16_3 to the buck converter output of the buck converter 18_2 and through the buck converter 18_2 to the associated partial cell string 16_2.
  • the unidirectional transfer of power to the shaded partial cell string 16_2 can be achieved by controlling the input voltage. and OFF times of the buck converter switches 26_21 and 26 22 are set with the buck converter control 36.
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of the entire circuit of a PV module 10 with exactly one cell strand 14 divided into three serially coupled partial cell strands 16_1, 16_2, 16_3 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the construction of the buck converter 18_3 represents an alternative to the construction of the buck converter 18_1 according to FIG. 4, with essentially the connections of the anodes and cathodes of the buck converter 18_1 being mirrored, with the exception of the reverse reverse direction of the diode 32_3.
  • the three voltages VIA, V2T and V3A are detected by the voltage measuring devices 38_1, 38_2 and 38_3 and forwarded to the buck converter control 36.
  • the buck converter control 36 then controls the four buck converter switches 26_1, 26_21, 26_22 and 26_3 with four control signals.
  • the PV module power optimization circuit utilizes the supply of power from unshaded sub-cell strings to shaded sub-cell strings.
  • a galvanic isolation by a transformer in the buck converter is not required.
  • FIG. 7 shows a schematic circuit diagram of a cell strand 14 with three series-connected partial cell strings 16_1, 16_2 and 16 3 and a balance circuit 70 for optimizing the partial cell string powers Pi, P2 and P3.
  • the voltages determined by the partial cell voltage measuring devices 58 1, 58_ 2 and 58_ 3 which drop over the partial cell strings 16_ 1, 16_ 2 and 16_ 3 are transmitted to a half-bridge controller 52.
  • Parallel to the cell strand 14 with its partial cell strands 16_1, 16_2 and 16_3, two half bridges 44_1 and 44_2 and one cell strand capacitor 60 are connected between the nodes 28_1 and 284.
  • the half-bridge 44_1 consists of two series-connected switching devices 46_11 and 46_12 with a half-bridge node 50_1 between the switching devices.
  • the half bridge 44 2 consists of two series-connected switching devices 46 21 and 46 22 with a half-bridge node 50_2 between the switching devices.
  • the switching devices 46_11, 46_12, 46_21 and 46_22 each have a switch and a diode 48_11, 48_12, 48_21 and 48_22, which are connected in parallel.
  • the diodes 48_11, 48_12, 48_21 and 48_22 are each arranged in the reverse direction.
  • a half-bridge inductor 54_1 is arranged between the half-bridge node 50_2 of the half-bridge 44 2 and the node 28_3 and a half-bridge inductance 54_2.
  • the half-bridges 44_1 and 44_2, in particular their respective switching devices 46_11 and 46 12 and 46_21 and 46_22, are each controllable via the half-bridge controller 52.
  • the lighting-dependent current-voltage characteristic of the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3 define a current h for each voltage Vi, a current b for V2 and a current b for V3.
  • the cell strand voltage Vzst V1 + V2 + V3 results from the series connection of the partial cell strings 16_1, 16_2 and 16_3.
  • a current flows through the half-bridge inductance 54_1.
  • Inductance 54 2 a current IL2. From the node equations for the nodes 28_2 and 28_3 it follows that the currents IL 1 and IL 2 control the currents
  • the half-bridge controller 52 activates the half bridge 44_2 and controls its switching devices 46_21 and 46_22 by presetting a setpoint voltage V3S in the MPPT. This is done by periodic asynchronous switching of the switching devices 46_21 and 46 22 with a pulse width modulated controlled signal with duty cycle
  • the increased setpoint voltage V3S Vzst * D2 at the node point 28_3 sets in and the partial cell voltage * D2 drops in partial cell strand 16_3.
  • the increased partial cell voltage Va.ypp causes in the shaded sectionzelistrang 16_3 a reduced Operazellstrangstrom b, but which is compensated by the current IL2.
  • Asynchronous switching of the switching devices 46_21 and 46 22 means that for the duration of time, the switch of the switching device 46_21
  • the half-bridge controller 52 activates the half-bridges 44 2 and 44_1 and controls their switching devices 46_21 and 46_22 and 46_1 1 and 46_12 by presetting desired voltages Vss and V2S in the MPPT. For the half bridge 44 2, this is done as already described above.
  • the half-bridge 44_1 becomes by periodically asynchronously switching the switching devices 46_11 and 46_12 with a pulse-width-modulated regulated signal with duty cycle
  • Asynchronous switching of the switching devices 46_11 and 46 12 again means that for the duration of time the switch of the switching device 46_11 is closed and the switch of the switching device 46__12 is open and for the duration of time the switch of the switching device 46_11 is opened and the switch of the switching device 46 12 is closed.
  • the diodes 48_11 and 48_12 thereby ensure that the current IL 1 can continue to flow, even if the state change of the half-bridge 44_1 from the state of the period to the state of the period neither
  • the half-bridge controller 52 activates the half-bridge 44 1 and controls its switching devices 46_1 1 and 46_12 by presetting a nominal voltage Vis in the MPPT. This is done by periodic asynchronous switching of the switching devices 46_11 and 46_12 with a pulse width modulated controlled signal with duty cycle with the turn-on time of switching unit 46_11 in relation to the period the half-bridge 44_1. It turns at the junction the reduced setpoint voltage and the
  • Part cell voltage falls off in the partial cell strand 16_1.
  • the increased partial cell voltage caused in the shaded sub-cell strand 16_1 a reduced Operazellstrangstrom but by the current
  • the cell current Izst results in:
  • Half-bridge inductors 54 1 and 54 2 are de-energized.
  • Partial cell voltage remain unchanged from the normal case. Then follows from the fact that the cell current Izst on a the cell strand decreases and the cell strand output P decreases emits. The same value results
  • FIG. 8 shows a schematic circuit diagram of a cell strand 14 with five series-connected partial cell strings 16_1, 16_2, 16_3, 16_4 and 16_5 of a further embodiment of a balance circuit 70 for optimizing the partial cell strand powers ⁇ , P2, P3, P4 and P5.
  • a partial cell strand capacitor 56_1 and a Operazeilstrangmentsmess réelle 58_1 is connected between the nodes 28 1 and 28_2 parallel to the partial cell strand 16_1 connected, which monitors the voltage Vi on the partial cell strand 16_1.
  • the voltages determined by the partial cell voltage measuring devices 58_1, 58_2, 58 3, 58_4 and 58_5, which drop across the partial cell strings 16_1, 16_2, 16_3, 16_4 and 16_5, are transmitted to a half-bridge controller 52.
  • Parallel to the cell strand 14 with its sub-cell strands 16_1, 16_2, 16_3, 16_4 and 16_5, a cell strand capacitor 60 is connected between the nodes 28_1 and 28_6.
  • the four partial cell strings 16_1, 16_2, 16_3, 16_4 and 16_5 are assigned four half bridges 44_1, 44_2, 44_3 and 44_4.
  • the half bridges each consist of two series-connected switching devices 46_1 1 and 46_12, 46_21 and 46_22, 46_31 and 46_32 and 46_41 and 46 42.
  • the switching devices each have one Switch and a diode (48_11, 48_12, 48_21, 48_22, 48_31, 48_32, 48_41 and 48_42), which are connected in parallel.
  • the diodes are each arranged in the reverse direction. In contrast to the embodiment in FIG. 7, however, the half bridges are not all connected between the first node 28 1 and the sixth node 28 6 of the cell strand 14.
  • the half-bridge 44_1 is connected between the first node 28_1 and the third node 28_3 of the cell string 14, and the half-bridge node 50_1 between the switching devices 46_11 and 46_12 is connected to the node 28_2 of the cell string 14 via the half-bridge inductor 54_1.
  • the half-bridge 44 2 is connected between the second node 28 2 and the fourth node 28 4 of the cell string 14, and the half-bridge node 50_2 between the switching devices 46_21 and 46_22 is connected to the node 28_3 of the cell string 14 via the half-bridge inductor 54_2.
  • the half-bridge 44_3 is connected between the third node 28_3 and the fifth node 28_5 of the cell string 14, and the half-bridge node 50_3 between the switching devices 46_31 and 46_32 is connected to the node 28_4 of the cell string 14 via the half-bridge inductor 54_3.
  • the half-bridge 44_4 is connected between the fourth node 28_4 and the sixth node 28 6 of the cell string 14, and the half-bridge node 50_4 between the switching devices 46_41 and 46_42 is connected to the node 28_5 of the cell string 14 via the half-bridge inductor 54_4.
  • first half-bridge 44_1 and the third half-bridge 44_3 are connected in series to a first half-bridge line 68_1 via the node 28_3 of the cell string 14.
  • the second half-bridge 44_2 and the fourth half-bridge 44_4 are in turn connected via the node 28_4 of the cell string 14 in series to a second half-bridge string 68_2.
  • the half-bridges 44_1, 44_2, 44_3 and 44_4, in particular their respective switching devices 46_1 1 and 46_12, 46_21 and 46_22, 46_31 and 46_32 and 46_41 and 46_42, are each controllable via the half-bridge controller 52.
  • the illumination-dependent current-voltage characteristics of the partial cell strings 16_1, 16_2, 16_3, 16_4 and 16_5 each define a current for the voltages Vi, V2, V3, V4 and V5.
  • the cell-string voltage Vzst V1 + V2 + V3 + V4 + V5 yields
  • one or more of the sub-cell voltages decreases
  • the half-bridge controller 52 activates all half-bridges 44_1, 44_2, 44_3 and 44_4 and controls their switching devices by specifying a respective target voltage Vi, 2,3,4,5s in MPPT. This is done by periodic asynchronous switching of the respective switching devices with a pulse width-modulated controlled signal with duty cycle with the turn-on time from the respective first switching unit with respect to the period of the half bridge 44_1, 2,3,4.
  • FIG. 9 shows a schematic circuit diagram of the entire circuit of a PV module according to another preferred embodiment of the present invention.
  • the circuit from FIG. 7 is supplemented by a cell strand setting plate 62 operated in the MPPT.
  • the circuit from FIG. 8 can also be supplemented by a cell strand setting plate 62 operated in the MPPT.
  • the cell strand subplacer 62 consists of a half bridge 44_3, a buck converter inductance 64 and a buck converter capacitor 66.
  • the half bridge 44_3 is arranged between the nodes 28_1 and 284 parallel to the cell string 14 and consists of two series-connected switching devices 46_31 and 46_32 with a half-bridge node 50_3 between the switching devices.
  • the switching devices 46_31 and 46_32 each have a switch and a diode 48_31 and 48_32, which are connected in parallel.
  • the diodes 48_31 and 48_32 are each arranged in the reverse direction.
  • the buck converter inductance 64 is arranged between the half-bridge node 50 3 and the module terminal 12_1 and the buck converter capacitor (66) between the first module terminal (12_1) and the second module terminal (12_2).
  • the node 28_4 is connected to the module port 12 2.
  • the PV module 10 has only one cell strand 14.
  • the PV string current Ipvst reduces to the current resulting from the cell string current Izst.
  • the photovoltaic string current Ipvst would have to be added from the resulting currents of the cell string currents.
  • the cell strand sinker 62 sets the cell string current Izst to the desired PV string current Ipvst at the module output 12 1.
  • the half-bridge controller 52 activates the half-bridge 44_3 and controls its switching devices 46_31 and 46_32 by specifying the PV string current Ipvst in the MPPT. This is done by periodic asynchronous switching of the switching devices 46_31 and 46_32 with a pulse width modulated controlled signal with duty cycle with the turn-on time of switching unit 46_31 with respect to the period
  • Baianc circuit 70 operates the sub-cell strands 16_1, 16_2 and 16_3 symmetrically and in combination with the cell strand foundation 62 in each case with voltages close to the MPP voltage of the sub-strands and

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Photovoltaikmodul (10) mit einem ersten Modulanschluss (12_1) und einem zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14), wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist mit Tiefsetzsteller (18_x) mit zwei Tiefsetzstellereingängen (20_x1, 20_x2) und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist, wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_11) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1) verbunden ist, und wobei der n-te Tiefsetzsteller (18_n) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_n2) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.

Description

"Photovoltaikmodul, Steuerschaltung für ein Photovoltaikmodul und Verfahren zur
Steuerung eines Photovoltaikmoduls"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul, eine Steuerschaltung für ein Photovoltaikmodul und ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls. Photovoltaikmodule sind der Hauptbestandteil von Photovoltaikanlagen zur Umsetzung von Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom. Dabei bestehen Photovoltaikanlagen in der Regel aus einer Mehrzahl von Photovoltaiksträngen, die jeweils eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Photovoltaikmodulen aufweisen. Photovoltaikmodule wiederum bestehen in der Regel aus einer Serienschaltung von einzelnen Solarzellen, welche hermetisch gekapselt, und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Handelsübliche Photovoltaikmodule besitzen beispielsweise 60 in Serie geschaltete Solarzellen. Durch die Serienschaltung der Solarzellen, mit einer Spannung von nur etwa 0,5 V, und der Serienschaltung der Photovoltaikmodule addiert sich die Spannung, die an der Photovoltaikanlage zur Verfügung steht. Bei diesen Photovoltaikmodulen werden häufig jeweils 20 in Serie geschaltete Solarzellen zu Teilzellsträngen zusammengefasst und bilden somit drei in Serie geschaltete Teilzellstränge. Die Anschlüsse der drei Teilzellstränge sind dabei im Photovoltaikmodul jeweils für eine zusätzliche elektrische Verschattung zugänglich. Nachfolgend werden abgekürzt Photovoltaikanlagen auch als PV-An lagen, Photovoltaikstränge als PV-Stränge und Photovoltaikmodule als PV-Module oder Module bezeichnet.
Der Wirkungsgrad von PV-Modulen hängt maßgeblich von deren Fähigkeit ab, auf sich ändernde äußere Bedingungen wie reduzierte Sonneneinstrahlung zu reagieren und unter normalen Betriebsbedingungen eine möglichst geringe Verlustleistung aufzuweisen. Es ist daher wünschenswert, den Wirkungsgrad von PV-Modulen durch Integration einer einfachen und kostengünstigen Steuerschaltung zu erhöhen, ohne dabei das Standard-Layout von PV-Modulen verändern zu müssen.
Bei herkömmlichen PV-Modulen weist jedes Modul in der Regel mindestens eine dazu parallel angeordnete Freilaufdiode oder Bypassdiode auf. Häufig sind aber zu allen Teilzellsträngen eines PV-Moduls Freilaufdioden parallel angeordnet. Im Falle einer Störung, zum Beispiel durch Abschattung oder eines Ausfalls des Moduls oder eines Teilzellstrangs, kann das Modul oder der Teiizellstrang über die Freilaufdioden überbrückt werden und das überbrückte Modul oder der überbrückte Teilzellstrang liefert keinen Beitrag mehr zur Ausgangsleistung. Somit kann der betroffene PV-Strang einer PV-Anlage auch bei Ausfall des Moduls oder des Teilzellstrangs betrieben werden.
Um bei Teilabschattung noch einen Beitrag zur jeweiligen PV-Strangleistung einer PV- Anlage erzielen zu können, werden bei weiterentwickelten PV-Modulen anstelle von Freilaufdioden Tiefsetzsteller zwischen den Eingängen des gesamten PV-Moduls oder zwischen den Eingängen jedes einzelnen Teilzellstrangs des PV-Moduls konfiguriert. Im Falle einer Konfiguration von Tiefsetzstellern zwischen den Eingängen jedes einzelnen Teilzellstrangs eines PV-Moduls ergibt sich allerdings beim Stand der Technik das Problem, dass entweder die Teilzellstränge elektrisch voneinander getrennt über die jeweiligen Tiefsetzsteller angeschlossen werden müssen und deshalb keine Standard-PV-Module verwendet werden können, oder dass die Eingänge und Ausgänge der Tiefsetzsteller galvanisch getrennt voneinander sein müssen. Dabei ergibt sich für das PV-Modul jeweils eine Leistungsreduktion, die vom Wirkungsgrad der Tiefsetzsteller abhängt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein PV-Modul, eine Steuerschaltung für ein PV-Modul und ein Verfahren zur Steuerung eine PV-Moduls bereitzustellen, welche/welches die Effizienz eines PV-Moduls erhöht und zudem kostenoptimiert für ein Standard-PV-Modul konfigurieren werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff "Verbinden" stets ein elektrisches Verbinden verstanden. Im Folgenden werden zudem die Anschlüsse der Tiefsetzsteller, die auf der Seite der Teilzellstränge liegen oder mit den Anschlüssen der Teilzellstränge verbunden sind, als Tiefsetzstellereingänge bezeichnet. Entsprechend werden die Anschlüsse der Tiefsetzsteller, die auf der Seite der PV-Modulanschlüsse liegen oder mit den PV- Modulanschlüssen verbunden sind, als TiefsetzsteIlerausgänge bezeichnet. Die Begriffe "Eingang" und "Ausgang" beziehen sich hierbei nicht auf die Funktionsweise der Tiefsetzsteller, bei denen die Eingangsspannung größer als deren Ausgangsspannung ist, sondern ausschließlich auf deren räumliche Anordnung.
Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein PV-Modul mit einem ersten Modulanschluss und einem zweiten Modulanschluss und mindestens einem Zellstrang, wobei zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist mit n≥ 2 und
wobei, für 1 ≤ x≤ n und einem x-ten Teiizeilstrang jeweils ein x-ter
Tiefsetzsteller mit zwei Tiefsetzstellereingängen und einer Tiefsetzstellerschaltein- richtung zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller über die zwei Tiefsetzstellereingänge parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss verbunden ist, und wobei der n-te Tiefsetzsteiler genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist.
Der Einsatz von PV-Moduien, bei denen die Teilzellstränge weiterhin standardmäßig in Serie geschalten bleiben und der erste und n-te Tiefsetzsteller über ihre Tiefsetz- stellerausgänge nur mit einem der beiden Modulanschlüsse verbunden ist, bietet den Vorteil eine Leistungsoptimierung des PV-Moduls nicht nur auf die Optimierung der einzelnen Teilzellstränge zu beschränken. Bei dieser Anordnung ist es vielmehr möglich durch Leistungszufuhr vom ersten und n-ten Teilzellstrang zu den Teilzell- strängen zwischen den ersten und n-ten Teilzellstrang die Leistung des gesamten PV- Moduls zu optimieren.
Unter einem PV-Modul wird im Sinne der Erfindung der Teil einer Solarstromanlage oder PV-Anlage verstanden, in der mittels Solarzeilen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die dabei typische direkte Art der Energiewandlung von Sonnenenergie zu elektrischer Energie bezeichnet man als Photovoltaik.
Die Bestandteile des PV-Moduls sind vorzugsweise an einer Standard-Anschlussbox montiert. Die Anschlussbox des PV-Moduls kann dabei zwei elektrische Kontakte beziehungsweise Modulanschlüsse aufweisen, an die direkt eine externe Last gekoppelt oder angeschlossen werden kann oder an die andere PV-Module seriell oder parallel gekoppelt oder angeschlossen werden können, um eine PV-Anlage zu bilden. Die zwei Modulanschlüsse sind als Anode und Kathode ausgebildet und sind an der Anschlussbox des PV-Moduls für das externe Anschließen vorzugsweise frei zugänglich. Das PV-Modul umfasst mindestens einen Zellstrang, der zwischen den zwei Modulanschlüssen des PV-Moduls geschaltet ist. Möglich ist auch eine Mehrzahl von parallel angeordneten Zellsträngen zwischen den Moduianschlüssen. Zumindest ein Zellstrang umfasst mindestens zwei Teilzellstränge, in der Regel aber drei oder auch mehr Teilzellstränge, die zwischen den Modulanschlüssen in Serie hintereinander geschaltet sind. Dabei weist jeder Teilzellstrang einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss auf. Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss sind jeweils an einem Knotenpunkt der Anschlussbox des PV-Moduls angeschlossen. Dabei können der Eingangsanschluss des ersten Teilzellstrangs eines Zellstrangs an einem ersten Knotenpunkt und der Ausgangsanschluss an einem zweiten Knotenpunkt gekoppelt sein. Der Eingangsanschluss des zweiten Teilzellstrangs kann dann in Serie mit dem Ausgangsanschluss des ersten Teilzellstrangs am zweiten Knotenpunkt gekoppelt sein und der Ausgangsanschluss des zweiten Teilzellstrangs an einem dritten Knotenpunkt. Die Eingangsanschlüsse weiterer Teilzellstränge sind dann jeweils mit dem Ausgangsanschluss des vorausgehenden Teilzellstrangs an dem dazugehörigen Knotenpunkt gekoppelt und die jeweiligen Ausgangsanschlüsse der weiteren Teilzellstränge mit dem darauf folgenden Knotenpunkt. Insgesamt ergeben sich damit bei n Teilzellsträngen für einen Zellstrang n+1 Knotenpunkte der Anschlussbox. Die Knotenpunkte der Anschlussbox können für das Koppeln weiterer elektrischer Schaltungen neben den Teilzellsträngen frei zugänglich sein, somit können auch Schaltungen nachträglich nachgerüstet werden. Allerdings ist es bei Standardmodulen nicht möglich, Knotenpunkte aufzutrennen um Teilzellstränge elektrisch voneinander zu entkoppeln. Die Teilzellstränge bestehen in der Regel aus einer Serienschaltung von einzelnen Solarzellen, welche hermetisch gekapselt, und für eine Reparatur nicht mehr zugänglich sind. Handelsübliche PV-Module besitzen beispielsweise einen Zell sträng mit drei Teiizelisträngen, die jeweils 20 in Serie geschaltete Solarzellen besitzen. Durch die Serienschaltung der Solarzellen mit jeweils einer Spannung von nur etwa 0,5 V und der Serienschaltung der Teilzellstränge addiert sich in dem Beispiel die Spannung zu 30 V, die an dem PV-Modul zur Verfügung steht.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen PV-Modulen mit Freilaufdioden parallel zu den Teilzellsträngen weist das erfindungsgemäße PV-Modul Tiefsetzsteller parallel zu den Teilzellsträngen auf. Jedem Teilzellstrang des PV-Moduls ist dabei ein Tiefsetzsteller zugeordnet. Unter einem Tiefsetzsteller, auch Abwärtswandler oder Abwärtsregler genannt, versteht der Fachmann in der Elektronik eine Form von schaltendem Gleichspannungswandler. Die Tiefsetzsteller im Sinne der Erfindung weisen jeweils zwei elektrische Eingangskontakte oder Eingänge und mindestens zwei elektrische Ausgangskontakte oder Ausgänge auf. Hierbei ist beim ersten und n-ten Tiefsetzsteller nur ein elektrischer Ausgangskontakt extern gekoppelt. Die elektrischen Eingänge und Ausgänge sind jeweils als Anode und Kathode ausgebildet.
Ein Eingang jedes Tiefsetzstellers, in der Regel die Eingangsanode, ist mit dem Eingangsanschluss des jeweils zugeordneten Teilzellstrangs an dem betreffenden Knotenpunkt gekoppelt. Der andere Eingang jedes Tiefsetzstellers, in der Regel die Eingangskathode, ist mit dem Ausgangsanschluss des jeweils zugeordneten Teilzellstrangs an dem betreffenden Knotenpunkt gekoppelt. Somit sind die Eingänge des Tiefsetzstellers jeweils parallel zu dem zugeordneten Teilzellstrang angeschlossen. Zudem weisen die Tiefsetzsteller jeweils eine Tiefsetzstellerschalteinrichtung auf, die ein oder mehreren Tiefsetzstellerschaltern umfasst, wobei die Tiefsetzstellerschalter vorzugsweise als Transistoren ausgebildet sind. Dabei ist jeder Tiefsetzsteller über dessen Tiefsetzstellerschalteinrichtung von einer Steuerung aktivierbar und deaktivierbar, indem die Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzstellerschalteinrichtung je nach Betriebszustand ein- und ausgeschaltet oder mit anderen Worten geschlossen und geöffnet werden. Aktivierbar heißt in diesem Zusammenhang, dass die Tiefsetzstellerschalter der jeweiligen Tiefsetzstellerschalteinrichtung nicht geschlossen oder geöffnet bleiben, sondern in kurzen zeitlichen Abständen abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, um die Ausgangsleistung des jeweiligen Tiefsetzstellers an den betroffenen Zellstrang anzupassen. Vorzugsweise liegt die Schaltfrequenz der Tiefsetzstellerschalter in einem Bereich von 100 kHz bis 1 MHz, also einer Schaltzyklusdauer zwischen 1 μs und 10 μs. Der jeweilige Tiefsetzsteller, im speziellen die Tief- setzstellerschalteinrichtung des Tiefsetzstellers, ist nach der Aktivierung über eine steuerbare Tiefsetzstellerschalteinrichtung auch wieder deaktivierbar beziehungs- weise ist nicht mehr aktiviert, wenn die Tiefsetzstellerschalter der jeweiligen Tiefsetz- stellerschalteinrichtung geschlossen oder geöffnet bleiben. Die Aktivierung der jeweiligen Tiefsetzstellerschalteinrichtung erfolgt für den Fall, dass die Spannung innerhalb des Tiefsetzsteilers auf oder unter einen vorgegebenen ersten Schwellwert absinkt. Das Absinken der Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers wird dabei häufig durch eine Verschattung der Solarzellen des Teilzellstrangs verursacht, kann aber auch auf Alterungsprozesse und Defekte der Solarzellen des Teilzellstrangs zurückzuführen sein. Durch das Ein- und Ausschalten der Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzstellerschalteinrichtungen beginnt der jeweilige Tiefsetzsteller zu arbeiten, wodurch dessen Ausgangsstrom erhöht wird. Üblicherweise werden nach der Aktivierung des jeweiligen Tiefsetzstellers während des Verschattungsfalls einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde an den Tiefsetzstelierschaltern durchgeführt. Die Deaktivierung der jeweiligen Tiefsetzstellerschaiteinrichtung erfolgt dann für den Fall, dass die Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers wieder über den vorgegebenen ersten Schwellwert steigt. Dabei steigt die Spannung innerhalb des Tiefsetzstellers wieder, wenn die Verschattung der Solarzellen des Teilzellstrangs aufgehoben ist.
Die Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung des jeweiligen Tiefsetzstellers erfolgt üblicherweise während des Verlaufs eines Tages nur für sehr wenige Zyklen, beispielsweise bei jeder Suche nach einem Maximum-Power-Point (MPP) für einen Zellstrang alle 5 bis 10 Minuten. Daraus ergeben sich an einem typischen Sommertag mit etwa 16 Stunden Sonnenscheindauer nur etwa 200 Wechsel zwischen Aktivierung und Deaktivierung der jeweiligen Tiefsetzsteller.
Die Anzahl der an einen Teilzellstrang angeschlossenen Tiefsetzsteller ist 1 , wobei auch mehrphasige Tiefsetzsteller zum Einsatz kommen können. Die Tiefsetzsteller, die dem ersten Teilzellstrang und dem n-ten Teilzellstrang, also dem letzten Teilzellstrang in der Serienschaltung von Teilzellsträngen von zumindest einem Zellstrang zugeordnet sind, weisen genau zwei Ausgänge mit einer Ausgangsanode und einer Ausgangskathode auf. Die Anzahl der Ausgänge ist somit 2. Von den zwei Ausgängen dieser Tiefsetzsteller ist im Gegensatz zu herkömmlichen PV-Modulen nur ein Ausgang angeschlossen. Der andere Ausgang ist nicht angeschlossen, beziehungsweise nur über interne Bauteile des Tiefse tzste Hers. Somit ist dieser Anschluss nicht extern gekoppelt. Der erste Tiefsetzsteller ist dabei bevorzugt über seine Ausgangsanode mit dem ersten Modulanschluss oder der Modulanode verbunden während die Ausgangskathode nicht gekoppelt ist. Der n-te Tiefsetzsteller ist dagegen bevorzugt über seine Ausgangskathode mit dem zweiten Modulanschluss oder der Modulkathode verbunden während die Ausgangsanode nicht gekoppelt ist. Die Ausgangsspannung zwischen den Anoden und Kathoden der Ausgänge des ersten und n-ten Tiefsetzsteliers ist stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung am Tiefsetzsteller.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist für n ä 3 und
und y der y-te Tiefsetzsteller einen ersten Tiefsetzstellerausgang auf, der mit dem
ersten Modulanschluss verbunden ist und der y-te Tiefsetzsteller weist einen zweiten Tiefsetzstellerausgang auf, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist also zumindest ein Zellstrang des PV-Moduls mit mindestens drei Teilzellsträngen ausgestattet und alle Tiefsetzsteller, die nicht dem ersten oder n-ten Teilzellstrang dieses Zellstrangs zugeordnet sind, weisen mindestens einen Tiefsetzstellerausgang auf, der mit der Modulanode verbunden ist und mindestens einen Tiefsetzstellerausgang, der mit der Modulkathode verbunden ist. Dabei ist bevorzugt mindestens eine Ausgangsanode des jeweiligen Tiefsetzstellers mit der Modulanode und mindestens eine Ausgangskathode des jeweiligen Tiefsetzstellers mit der Modulkathode verbunden. Die Spannung zwischen den Anoden und Kathoden der Ausgänge der y-ten Tiefsetzsteller ist dabei stets größer oder gleich dem Betrag der Spannung zwischen den Anoden und Kathoden der Eingänge am Tiefsetzsteller. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Tiefsetzstellereingänge und die Tiefsetzstellerausgänge des x-ten Tiefsetzstellers mittels interner Schaltung innerhalb des x-ten Tiefsetzsteliers direkt elektrisch miteinander verbunden. Die interne Schaltung innerhalb der Tiefsetzsteller des PV-Moduls weist also keine galvanische Trennung von Tiefsetzstellereingängen und Tiefsetzstellerausgängen wie bei den Tiefsetzstellern von bekannten PV-Modulen auf. Bei den bekannten PV- Modulen ist eine galvanische Trennung durch einen Transformator im Tiefsetzsteller notwendig, da eine Leistungsoptimierung der einzelnen Teilstränge auf dem Einsatz von bidirektionalen DC-DC-Wandlern basiert. Die Tiefsetzsteller, die dem ersten Teilzellstrang und dem n-ten Teilzellstrang zugeordnet sind, weisen für die Tiefsetzstellerschalteinrichtung beispielsweise jeweils genau einen Tiefsetzstellerschalter auf. Innerhalb des ersten Tiefsetzsteliers ist dabei zwischen der Anode des Tiefsetzstellereingangs und der Anode des Tiefsetzsteller- ausgangs in Serie der Tiefsetzsteilerschalter und eine Induktivität oder Spule angeschlossen. Außerdem ist parallel zum zugeordneten Teilzellstrang eine Diode angeschlossen. Die Diode ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, wobei die Anode der Diode an der Kathode des Tiefsetzstellereingangs und die Kathode der Diode zwischen Tiefsetzsteilerschalter und Induktivität anliegt. Außerdem ist die Kathode des Tiefsetzstellereingangs üblicherweise direkt mit der Kathode des Tiefsetzsteller- ausgangs verbunden. Innerhalb des n-ten Tiefsetzstellers ist zwischen der Kathode des Tiefsetzstellereingangs und der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs derTiefsetz- stellerschaiter und die Induktivität in Serie angeschlossen. Außerdem liegt die Anode der Diode zwischen Tief se tzste I le rsc h a Ite r und Induktivität an und die Kathode der Diode liegt an der Anode des Tiefsetzstellereingangs an. Außerdem ist die Anode des Tiefsetzstellereingangs direkt mit der Anode des Tiefsetzstellerausgangs verbunden. Zudem weisen der erste und n-te Tiefsetzsteller üblicherweise eine Kapazität zwischen der Anode und der Kathode des Tiefsetzstellerausgangs auf, also parallel zu den Tiefsetzstellerausgängen .
An den Tiefsetzstellerausgängen des ersten und n-ten Tiefsetzsteliers eines Zellstrangs liegt jeweils zwischen der Ausgangsanode und Ausgangskathode eine Ausgangsspannung an und kann von einem Spannungsmesser gemessen werden. Ohne Verschattung ist diese Ausgangsspannung größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert für den jeweiligen Tiefsetzsteller und die Tiefsetzsteilerschalter der Tiefsetzsteller bleiben deaktiviert und dauerhaft geschlossen. Die Verlustleistung durch Einsatz dieser beiden Tiefsetzsteller ohne Verschattung resultiert lediglich aus den ohmschen Verlusten an den Induktivitäten dieser Tiefsetzsteller. Im Falle eines Absinkens der Ausgangsspannung auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert an diesen Tiefsetzstellern durch Verschattung wird die Tiefsetzsteller- schalteinrichtung des betroffenen Tiefsetzstellers aktiviert. Dabei werden bei dem aktivierten Tiefsetzsteller einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde am Tiefsetzsteilerschalter durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der angeschlossenen Spannungsquelle zur angeschlossenen Last transferiert. Beispielsweise können die beiden Energiespeicher Spule und Kondensator die Versorgung der Last in den Phasen ermöglichen, in denen der Schalter geöffnet ist. Die Induktivität der Spule hält dabei die höhere Eingangsspannung von der Last fem. Die Ausgangsgröße kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Tiefsetzstellerschalters eingestellt werden. Diese Steuerung erfolgt beispielsweise durch einen Regier, um Ausgangsspannung oder -ström auf einem gewünschten Wert zu halten. Während einer Einschaltzeit des Schalters fließt beispielsweise ein Laststrom durch die Spule und durch den Verbraucher und die Diode sperrt. Während der Ausschaltphase des Schalters wird die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut: Der Strom durch den Verbraucher fließt weiter, nun jedoch durch die Diode und aus dem Kondensator. Die Spule und der Kondensator bilden in dem Beispiel einen Tiefpass zweiter Ordnung. Die eigentliche Abwärtswandlung wird dadurch erreicht, dass aus der Rechteckspannung der Gleichanteil herausgefiltert wird. Der Wert des Gleichanteils kann durch das Tastverhältnis eingestellt werden. Bevorzugt wird der betroffene Tiefsetzsteller derart betrieben, dass die Ausgangsleistung des Teilzellstrangs maximiert und der Strom durch die anderen Teilzellstränge nicht begrenzt wird.
Für den Fall dass zumindest ein Zellstrang des PV-Moduls mit mindestens drei Teilzellsträngen ausgestattet ist, weisen die Tiefsetzsteller, die den Teilzellsträngen zwischen dem ersten Teilzellstrang und dem n-ten Teiizellstrang zugeordnet sind, beispielsweise jeweils genau zwei Tiefsetzstellerschalter für die Tiefsetzstellerschalt- einrichtung, zwei Ausgangsanoden und zwei Ausgangskathoden auf. Die Anzahl der Tiefsetzstellerschalter ist somit 2 und die Anzahl der Ausgänge ist 4. Bei diesen Zwischentiefsetzstellern ist vorzugsweise zwischen der Eingangsanode und einem ersten Tiefsetzstellerknoten eine erste Induktivität angeordnet. Der erste Tiefsetzschalter ist vorzugsweise zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten und der Modulanode gekoppelt und zwischen der Modulkathode und dem ersten Tiefsetzstellerknoten ist vorzugsweise eine erste Diode in Sperrrichtung angeordnet. Außerdem ist vorzugsweise zwischen der Eingangskathode und einem zweiten Tiefsetzstellerknoten eine zweite Induktivität angeordnet. Der zweite Tiefsetzschalter ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Tiefsetzstellerknoten und der Modulkathode gekoppelt und vorzugsweise zwischen dem zweiten Tiefsetzstellerknoten und der Moduianode ist eine zweite Diode in Sperrrichtung angeordnet. in einerweiteren bevorzugten Ausführungsform führt der y-te Tiefsetzsteller dem y-ten Teilzellstrang ausschließlich unidirektional eine Tiefsetzstellerleistung zu, solange die Spannung, die im y-ten Tiefsetzsteller abfällt, kleiner oder gleich dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert ist.
In den Tiefsetzstellern zwischen dem ersten und n-ten Tiefsetzsteller eines Zellstrangs wird jeweils zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten und dem zweiten Tiefsetz- steilerknoten eine Spannungsmessung durchgeführt. Ohne Verschattung ist diese Spannung größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert für den jeweiligen Tiefsetzsteller und die Tiefsetzstellerschalter der Tiefsetzstellerschalteinrichtung bleiben deaktiviert und dauerhaft geöffnet. Somit fließt ohne Verschattung kein Strom durch die jeweiligen Tiefsetzsteller, der Strom durch den Teilzellstrang ist identisch dem Modulstrom und es entsteht keine zusätzliche Verlustleistung durch Einsatz dieser Tiefsetzsteller. Im Falle eines Absinkens der Spannung auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert an diesen Tiefsetzstellern durch Verschattung wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des betroffenen Tiefsetzstellers aktiviert. Dabei werden bei dem aktivierten Tiefsetzsteller jeweils einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde an den beiden Tiefsetzstellerschaltem durchgeführt. Dadurch wird elektrische Leistung unidirektional von den Tiefsetzstellerausgängen durch den Tiefsetzsteller zum zugeordneten Teilzellstrang transferiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform führen der erste Tiefsetzsteller und der n-te Tiefsetzsteller dem y-ten Tiefsetzsteller ausschließlich unidirektional die Tiefsetzstellerleistung zu. Dabei befindet sich der erste, der n-te oder beide Teilzellstränge im Normalbetrieb und liefern Leistung über die zugeordneten Tiefsetzsteller zu dem Tiefsetzsteller des verschatteten Teilzellstrangs um dessen Leistung zu erhöhen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene Spannungsgrenzwert des x-ten Tiefsetzstellers einen Wert kleiner oder gleich Null Volt auf und der x-te aktivierte Tiefsetzsteller erhöht eine Teilzellstrangleistung des x-ten Teilzellstrangs.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schaltet die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers bei Aktivierung periodisch, um die Teilzellstrangleistung des x-ten Teilzellstrangs zu erhöhen. Auf diese Weise kann die Leistung des verschatteten x-ten Teilzellstrangs in geeigneter Weise angepasst werden ohne einen Zellstrangstrom des PV-Moduls zu limitieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene Spannungsgrenzwert des x-ten Tiefsetzstellers jeweils einen festen Spannungsgrenzwert auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das PV-Modul eine Tiefsetzstellersteuerung, mittels derer die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers gesteuert wird, um eine Photovoltaikmodulleistung des Photovoltaikmoduls zu maximieren und die Tiefsetzstellersteuerung ist mit MPPT (Maximum-Power-Point-Tracking) ausgebildet. Durch das MPPT kann die Ausgangsleistung des x-ten Teilzellstrangs bei Verschattung in optimaler Weise angepasst und maximiert werden. Im Zusammenspiel der Steuerung der Tiefsetzstellerschalteinrichtungen aller Tiefsetzsteller mit MPPT wird dabei auch die Ausgangsleistung des gesamten PV-Moduls maximiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Tiefsetzsteller- schalteinrichtungen des ersten und des n-ten Tiefsetzstellers jeweils einen Tiefsetz- stellerschalter auf und die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des y-ten Tiefsetzstellers weist einen ersten und einen zweiten Tiefsetzstellerschalter auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Modulstrom und ein Teilzellstrangstrom durch den x-ten Teilzellstrang überwacht und die Tiefsetzstellerschalter des ersten und n-ten Tiefsetzstellers werden geschlossen sowie die Tiefsetzstellerschalter der y-ten Tiefsetzsteller werden geöffnet, wenn die Differenz zwischen dem Modulstrom und dem Teilzellstrangstrom durch den x-ten Teilzellstrang unter einen vorgegebenen x-ten Stromgrenzwert für den x-ten Teilzellstrang absinkt. Die Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom stellt dabei jeweils eine Hysterese dar, die entweder eingestellt werden kann oder durch die Mindestausschalt- zeit eines Transistors bei dem jeweiligen aktiviertem Tiefsetzstellers durch die Bauteile vorgegeben ist. Wird der Modulstrom annähernd gleich groß wie der Teilzellstrangstrom, so befindet sich der Teilzellstrang im Normalbetrieb ohne Verschattung und eine Aktivierung des Tiefsetzstellers ist nicht mehr nötig. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der vorgegebene Stromgrenzwert für den x-ten Teilzellstrang einen festen Stromgrenzwert auf oder die Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom liegt in einem Bereich von kleiner als 1 % bis zu einer Abweichung von kleiner als 10%. Dabei kann es sich etwa um eine Abweichung zwischen Modulstrom und Teilzellstrangstrom von 10%, bevorzugt von 5% und besonders bevorzugt von 1% handeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein x-ter Kondensator parallel zum x-ten Teilzellstrang geschaltet. Dabei weist der x-te Tiefsetzsteller üblicherweise eine Kapazität zwischen der Anode und der Kathode des Tiefsetzstellereingangs auf, also parallel zu den Tiefsetzstellereingängen. Durch das Zusammenspiel von Kondensatoren und Induktivitäten innerhalb der Tiefsetzsteller wird die Ausgangsspannung des jeweiligen Tiefsetzstellers vergleichmäßigt, was sich vorteilhaft auf einen störungsfreien Betrieb auswirkt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist zumindest ein Zellstrang des PV-Moduls drei in Serie geschaltete Teilzellstränge auf und weiter bevorzugt weist das PV-Modul nur einen Zellstrang auf. Mit dieser Konfiguration kann das PV-Modul ohne Modifikationen auf einer Standard-Anschlussbox für PV-Module implementiert werden. Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von Tiefsetzstellern für ein PV-Modul,
wobei das Photovoltaikmodul einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss und mindestens einem Zellstrang aufweist,
wobei, für n ≥ 2 und zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist;
wobei, für 1 ≤ x≤ n und einem x-ten Teilzellstrang jeweils ein x-ter
Tiefsetzsteller mit zwei Tiefsetzstellereingängen und einer Tiefsetzstellerschaltein- richtung zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller über die zwei Tiefsetzstellereingänge parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im x-ten Tiefsetzsteller abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss verbunden ist, und
wobei der n-te Tiefsetzsteller genau einen Tiefsetzstellerausgang aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Steuerschaltung ist der x-te Tiefsetzsteller dazu ausgebildet, eine Freilaufdiode des x-ten Teilzellstrangs des PV- Moduls zu ersetzen. Die Steuerschaltung kann somit als Nachrüstsatz für herkömmliche PV-Module mit parallelen Freilaufdioden zu den Teilzeilsträngen eingesetzt werden. Dabei sind die Kontakte der Freilaufdioden in einem Standard-PV- Modul zur Umkonfiguration zugänglich, die Freilaufdioden sind entnehmbar und die Steuerschaltung ist an den vorgesehenen Kontakten einsetzbar.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft die Verwendung der Steuerschaltung wie oben beschrieben als Steuerschaltung für ein PV-Modul. Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls mit mindestens einem Zellstrang, wobei zumindest ein Zeilstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist mit n≥ 3 und
wobei, für 1 ≤ x≤ n und einem x-ten Teilzeilstrang jeweils ein x-ter
Tiefsetzsteller mit einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung zugeordnet ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Aktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers, solange eine Spannung, die über dem x-ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen x-ten Spannungsgrenzwert ist,
- Deaktivieren der Tiefsetzsteilerschaiteinrichtung des x-ten Tiefsetzstellers, solange die Spannung, die über dem x-ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene x-te Spannungsgrenzwert ist, und
- Übertragen von elektrischer Leistung zwischen einem Tiefsetzstellereingang und einem Tiefsetzstellerausgang des x-ten Tiefsetzstellers mittels interner Schaltung über eine direkte elektrische Verbindung im x-ten Tiefsetzsteller.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Photovoltaikmodu! mit einem ersten Modulanschluss und einem zweiten Modulanschluss und mindestens einem Zellstrang,
wobei zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist, die an n+1 Knotenpunkten verbunden sind und wobei der erste Knotenpunk am Beginn des Zellstrangs und der η+1-ten Knotenpunkt am Ende des
Zellstrangs liegt, mit n ≥ 2 und
wobei, für 1≤ x≤ n-1 und eine x-te steuerbare Halbbrücke umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen zwischen dem i-ten Knotenpunkt, mit 1≤ i≤ x und i e i, und dem j~ten Knotenpunkt, mit x+2≤ j≤ n+1 und des
Zellstrangs geschaltet ist und ein Halbbrückenknotenpunkt zwischen den beiden Schalteinrichtungen mit dem x+1 -ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden ist, wobei die erste Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten ersten Teilzellstrang aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im ersten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist und die erste Halbbrücke deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im ersten Teilzeilstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist, und
wobei die η-1-te Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten n-ten Teilzellstrang aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im n-ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist und die η-1-te Halbbrücke deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im n-ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist. Neben dem Einsatz von PV-Modulen, bei denen die in Serie geschalteten Teilzellstränge eines Zellstrangs parallel mit Tiefsetzstellern konfiguriert werden, ergibt sich auch die Möglichkeit zur Effizienzsteigerung eines PV-Moduls, indem parallel zu dem Zellstrang für n Teilzellstränge n-1 Halbbrücken mit jeweils zwei Schalteinrichtungen angeordnet werden, deren Halbbrückenknotenpunkte zwischen den Schaltein- richtungen mit den Knotenpunkten zwischen den Teilzellsträngen verbunden sind. Über diese Anordnung lassen sich bei reduzierter Leistung eines oder mehrerer Teilzellstränge die Potentiale an den Knotenpunkten zwischen den Teilzellsträngen vorgeben und somit auch die Spannungen, die an den Teilzellströmen abfallen. Die Halbbrücken leisten somit eine Balancefunktion für die Potentiale zwischen den Teiizellsträngen und es wird im Folgenden für die Anordnung der Halbbrücken von einer Balanceschaltung für den Zellstrang gesprochen. Durch die Erhöhung der Teilzellstrangspannung stellt aber ein reduziert arbeitender Teilzellstrang einen geringeren Teilzellstrangstrom bereit, der durch Ausgleichsströme über die jeweilige Halbbrücke ausgeglichen wird. Der Zellstrangstrom wird somit um die Ausgleichsströme reduziert und nicht wie bei der Anordnung mit parallelen Tiefsetzstellern direkt auf den gewünschten Wert des Modulausgangsstroms gebracht. Die Wandlung des Zellstrangstroms zu einem gewünschten Photovoltaikstrangstrom erfolgt bei der Anordnung mit Halbbrücken in einem nachgelagerten Schritt. Der Vorteil der Balanceschaltung für den Zellstrang ergibt sich durch eine signifikante Reduktion an benötigten Bauteilen durch den Wegfall der Tiefsetzsteller und zudem durch eine signifikante Reduktion des Steuerungsaufwandes. Bei der Anordnung der Balanceschaitung kann für jeden der n Teilzellstränge des Zellstrangs jeweils parallel zwischen dem x-ten Knotenpunkt und dem x+1 Knotenpunkt des Zellstrangs ein Teilzellstrangkondensator und ein Teilzellstrang- spannungsmessgerät angeschlossen sein, welches die Spannung am Teilzellstrang überwacht, x ist hierbei eine natürliche Zahl, die größer gleich 1 sowie kleiner gleich n- 1 ist. Alternative Spannungsmessungen, zum Beispiel mit einem gemeinsamen Bezugsknoten zur Berechnung der Teilzellspannungen sind ebenfalls möglich. Die von den Teilzellstrangspannungsmessgeräten ermittelten Spannungen, die über den Teilzellsträngen abfallen, werden zu einer Halbbrückensteuerung übermittelt. Parallel zum gesamten Zellstrang mit seinen n in Serie geschalteten Teilzellsträngen kann ein Zellstrangkondensator angeschlossen sein.
Parallel zum gesamten Zellstrang oder parallel zu einem Teil der n Teilzellsträngen sind n-1 Halbbrücken angeschlossen. Jede Halbbrücke besteht dabei aus zwei in Serie geschalteten Schalteinrichtungen mit einem Halbbrückenknotenpunkt zwischen den Schalteinrichtungen. Der Halbbrückenknotenpunkt der x-ten Halbbrücke wird dabei mit dem x+1 -ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden. Der Eingang der x-ten Halbbrücke liegt am Eingang seiner ersten Schalteinrichtung und wird mit einem i-ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden, wobei i wiederum eine natürliche Zahl ist und größer gleich 1 sowie kleiner gleich x ist. Der Eingang der x-ten Halbbrücke ist somit mit einem Knoten des Zellstrangs verbunden, der näher am Beginn des Zellstrangs liegt, als der Knoten des Zellstrangs, der mit dem Halbbrückenknotenpunkt der x-ten Halbbrücke verbunden ist. Der Ausgang der x-ten Halbbrücke liegt am Ausgang seiner zweiten Schalteinrichtung und wird mit einem j-ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden, wobei j wiederum eine natürliche Zahl ist und größer gleich x+2 sowie kleiner gleich n+1 ist. Der Ausgang der x-ten Halbbrücke ist somit mit einem Knoten des Zelistrangs verbunden, der näher am Ende des Zellstrangs liegt, als der Knoten des Zellstrangs, der mit dem Halbbrückenknotenpunkt der x-ten Halbbrücke verbunden ist.
Die Schalteinrichtungen der Halbbrücken weisen dabei jeweils zumindest einen Schalter auf. Diese Schalter können zum Beispiel als Transistoren ausgebildet sein. Typische Schaltfrequenzen, die für den Betrieb der Halbbrücken benötigt werden, liegen hierbei bei 250 Hz bis 1 MHz. Parallel zum jeweiligen Schalter einer Schalteinrichtung kann eine Diode geschaltet sein. Die Dioden sind dabei jeweils in Sperrrichtung angeordnet und ermöglichen einen geregelten Stromfluss über die Schalteinrichtung auch während der Zeit des Schaltvorgangs. Zwischen den Halbbrückenknotenpunkten der Halbbrücken und den Knotenpunkten zwischen den Teilzellsträngen kann jeweils eine Halbbrückeninduktivität angeordnet sein. Die Halbbrücken, im Besonderen ihre jeweiligen Schalteinrichtungen, sind jeweils über die Halbbrückensteuerung steuerbar.
Die beleuchtungsabhängige Stromspannungscharakteristik jedes Teilzellstrangs definiert zur Teilzellstrangspannung einen Teilzellstrangstrom. Die Zellstrangspannung ergibt sich aus der Reihenschaltung der Teilzellstränge. Für den Fall, dass eine Halbbrücke aktiviert ist, fließt durch die entsprechende Halbbrückeninduktivität ein Strom. Aus den Knotengleichungen für die Knoten zwischen den Teilzellsträngen folgt, dass die Halbbrückeninduktivitätsströme die Teilzellstränge steuern können.
Sinkt die Teilzelispannung eines Teilzellstrangs zum Beispiel durch Verschattung unter einen festgelegten Spannungsgrenzwert ab, so aktiviert die Halbbrückensteuerung diejenigen Halbbrücken, die um den Teilzellstrang herum angeordnet sind. Bei Teilzellsträngen am Anfang oder am Ende des Zellstrangs wird somit nur eine Halbbrücke aktiviert, während für die anderen Teilzellstränge zwei Halbbrücken aktiviert werden. Die Halbbrückensteuerung steuert Schalteinrichtungen der Halbbrücken durch Vorgabe einer Sollspannung für den Knotenpunkt zwischen den jeweiligen Teilzellsträngen. Dabei wird die Vorgabe der Sollspannung im MPPT betrieben. Die Steuerung erfolgt durch periodisches asynchrones Schalten der jeweiligen Schalteinrichtungen mit einem pulsweitenmodulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis mit der Anschaltzeit TON der jeweiligen Schalteinheit bezogen auf die Periode der Halbbrücke. Dabei stellt sich die
Sollspannung am jeweiligen Knotenpunkt ein. Die dadurch erhöhte Teilzellspannung verursacht im verschatteten Teilzellstrang einen herabgesetzten Teilzellstrangstrom , der aber durch den Strom durch die Halbbrückeninduktivität ausgeglichen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist für die x-te Halbbrücke der i-te Knotenpunkt des Zellstrangs der erste Knotenpunkt des Zellstrangs und der j-te Knotenpunkt des Zell Strangs ist der n+1 Knotenpunkt des Zellstrangs.
Bei dieser Ausführungsform ist der Eingang der x-ten Halbbrücke mit dem ersten Knotenpunkt des Zellstrangs und der Ausgang der x-ten Halbbrücke mit dem η+1 -ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden. Somit sind alle Eingänge der n-1 Halbbrücken mit dem ersten Knotenpunkt des Zellstrangs und alle Ausgänge der n-1 Halbbrücken mit dem n+1 Knotenpunkt des Zellstrang verbunden. Somit lassen sich alle n-1 Halbbrücken individuell und unabhängig voneinander von der Halbbrückensteuerung steuern. Bei Verschattung eines Teilzellstrangs ist dabei nur die Aktivierung einer oder zwei Halbbrücken nötig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist für die x-te Halbbrücke der i-te Knotenpunkt des Zellstrangs der x-te Knotenpunkt des Zellstrangs und der j-te Knotenpunkt des Zellstrangs ist der χ+2-te Knotenpunkt des Zellstrangs. Bei dieser Ausführungsform sind der Eingang der x-ten Halbbrücke mit dem x-ten Knotenpunkt des Zellstrangs, der Halbbrückenknotenpunkt der x-ten Halbbrücke mit dem x+1-ten Knotenpunkt des Zellstrangs und der Ausgang der x-ten Halbbrücke mit dem χ+2-ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden. Der Index der drei Anschlüsse wird für die fortlaufenden Halbbrücken jeweils um eins erhöht. Alle Eingänge der n-1 Halbbrücken sind mit einem unterschiedlichen Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden und alle Ausgänge der n-1 Halbbrücken sind ebenfalls mit einem unterschiedlichen Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden. Die n-1 Halbbrücken werden immer im Verbund gemeinsam von der Halbbrückensteuerung gesteuert. Bei Verschattung eines oder mehrerer Teilzellstränge fließen somit durch alle Halbbrückeninduktivitäten der n-1 Halbbrücken Ausgleichsströme.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind für n ≥ 3 und 1≤ k≤ n/2 und
alle ungeraden Halbbrücken in einem ersten Halbbrückenstrang in Serie geschalten und alle geraden Halbbrücken in einem zweiten Halbbrückenstrang in Serie geschalten. Bei der Ausführungsform mit den fortlaufenden Indizes der Anschlüsse der n-1 Halbbrücken lassen sich jeweils die Halbbrücken mit den ungeraden Indizes und die Halbbrücken mit geraden Indizes zu jeweils einem Halbbrückenstrang konfigurieren. Gerade heißt in diesem Zusammenhang, dass der Index der x-ten Halbbrücke, der eine natürliche Zahl darstellt, durch zwei teilbar ist. Entsprechend bedeutet ungerade in diesem Zusammenhang, dass beim Teilen des Index der x-ten Halbbrücke durch zwei ein Rest von ein bleibt.
Beim Verbinden der Halbbrücken zu Halbbrückensträngen wird der Ausgang der Halbbrücke mit dem niedrigeren Index jeweils mit dem Eingang der Halbbrücke mit dem höheren index verbunden.
Da die bereitzustellenden Sollspannungen an den jeweiligen Halbbrücken verhältnismäßig geringe Spannungswerte erfordern, können die Halbbrückenstränge auch durch programmierbare Standard-IC-Bauteile realisiert werden, wodurch wiederum die Balanceschaltung als Ganzes effizient und kostengünstig gestaltet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind für
die x-te und die x+1-te Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten x+1 -sten Teilzellstrang aktivierbar, solange eine Spannung, die im x+1 - ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist und die x-te und die x+1-te Halbbrücke sind deaktivierbar, solange eine Spannung, die im x+1 -ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist. Die Konfiguration einer Balanceschaltung lässt sich für Zellstränge mit mindestens zwei Teilzellsträngen realisieren. Die Anzahl der Teilzellstränge eines Zellstrangs liegt häufig bei drei Teiizellsträngen, ist aber nicht darauf beschränkt. Konfigurationen mit einer deutlich höheren Anzahl an Teilzellsträngen, beispielsweise 10 bis 100 Teilzellstränge sind hierbei möglich. Allerdings erhöht sich hierbei dann auch der Steuerungsaufwand . Bei genau zwei Teilzellsträngen für einen Zellstrang ergibt sich somit nur eine Halbbrücke in der Konfiguration. Über diese Halbbrücke kann dabei sowohl der erste, als auch der zweite Teilzellstrang gesteuert werden. Bei mehr als zwei Teilzellsträngen für einen Zellstrang werden der erste und der letzte Teilzellstrang wiederum nur von einer Halbbrücke gesteuert, alle anderen Teilzellstränge werden über zwei Halbbrücken gesteuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform schalten die aktivierbaren Halbbrücken ihre zwei Schalteinrichtungen bei Aktivierung periodisch asynchron, um die Sollspannungen der zugeordneten Teilzellstränge bereitzustellen.
Asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen bedeutet dabei, dass für die Dauer der Zeit der Schalter der ersten Schalteinrichtung der Halbbrücke
geschlossen und der Schalter der zweiten Schalteinrichtung der Halbbrücke geöffnet ist und für die Dauer der Zeit TOFFI = TON2 der Schalter der ersten Schalteinrichtung der Halbbrücke geöffnet und der Schalter der zweiten Schalteinrichtung der Halbbrücke geschlossen ist. Sind in der Schalteinrichtung Dioden parallel zum Schalter angeordnet, stellen diese Dioden sicher, dass der Strom durch die Halbbrücke weiter fließen kann, selbst dann wenn beim Zustandswechsel der Halbbrücke von dem Zustand der Periode zum Zustand der Periode TOFFI
keiner der beiden Schalter für eine vernachlässigbar kleinen Totzeit Ττοτ geschlossen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Photovoltaikmodul eine Halbbrückensteuerung, mittels derer die aktivierbaren Halbbrücken aktiviert und gesteuert werden, und
wobei die Halbbrückensteuerung die Sollspannungen der zugeordneten Teilzellstränge mit Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, steuert. Die Halbbrückensteuerung kann hierbei als eigenständige Schaltung oder als programmierbare Standard-IC Komponente realisiert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Halbbrückenknotenpunkt der x-ten Halbleiterbrücke und dem x+1-ten Knotenpunkt des Zellstrangs eine x-te Halbbrückeninduktivität geschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem η+1-ten Knotenpunkt des Zellstrangs ein Zellstrangkondensator geschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist für 2 ≤ y ≤ n-1 und y e i , ein y-ter Teilzellstrangkondensator parallel zum y-ten Teilzeilstrang geschaltet. Durch das Zusammenspiel von Kondensatoren und Induktivitäten innerhalb der Balanceschaltung werden die Ströme durch die Halbbrückeninduktivität der jeweiligen Halbbrücke vergleichmäßigt, was sich vorteilhaft auf einen störungsfreien Betrieb auswirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Zellstrang an dem ersten und η-1-ten Knotenpunkt über einen Zellstrangtiefsetzsteller an den ersten Modulanschluss und den zweiten Modulanschluss angeschlossen.
In einer bevorzugten Ausführungsform steuert die Halbbrückensteuerung den Zellstrangtiefsetzsteller und die Sollspannungen der zugeordneten Teilzellstränge mit Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, und liefert als Ausgangsstrom des Zellstrangtiefsetzstellers einen gewünschten Photovoltaikstrangstrom.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Zellstrangtiefsetzsteller folgende Konfiguration:
- eine n-te steuerbare Halbbrücke umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem η+1-ten Knotenpunkt des Zellstrangs;
- einen Knotenpunkt zwischen den beiden Schalteinrichtungen, der über eine Tiefsetzstellerind uktivität mit dem ersten Modulanschluss des Photovoltaikmoduls verbunden ist;
- ein Tiefsetzstellerkondensator zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss; und
- dem η+1-ten Knotenpunkt des Zellstrangs, der mit dem zweiten Modulanschluss verbunden ist. Der Zellstrangtiefsetzsteller passt dabei den Zellstrangstrom an den Strom an, der am Modulausgang zur Einspeisung in den Photovoltaikstrang vorgeben ist. Der Zellstrangtiefsetzsteller besteht dabei aus einer Halbbrücke, einer Tiefsetzstellerinduktivität und einem Tiefsetzstellerkondensator. Die Halbbrücke ist zwischen den Anfangs- und Endknoten des Zellstrangs parallel zum Zellstrang angeordnet und besteht aus zwei in Serie geschalteten Schalteinrichtungen mit einem Halbbrückenknotenpunkt zwischen den Schalteinrichtungen. Die Schalteinrichtungen weisen dabei jeweils zumindest einen Schalter auf. Hierbei kann wiederum jeweils eine Diode parallel zum Schalter geschaltet sein. Die Dioden sind dabei jeweils in Sperrrichtung angeordnet. Zwischen dem Halbbrückenknotenpunkt und dem Modulanschluss ist die Tiefsetzstellerinduktivität angeordnet und zwischen dem ersten Modulanschluss und dem zweiten Modulanschluss der Tiefsetzstellerkondensator.
Zur Maximierung der Photovoltaikmoduileistung aktiviert die Halbbrückensteuerung die Halbbrücke des ZeIIstrangtiefsetzste I le rs und steuert deren Schalteinrichtungen durch Vorgabe des Photovoltaikstangstrom im MPPT. Dies erfolgt durch periodisches asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen mit einem pulsweitenmodulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis mit der Anschaltzeit TONI von der ersten Schalteinheit bezogen auf die Periode der Halbbrücke. Weitere MPP-Tracking Möglichkeiten messen die einzelnen Ströme und optimieren die Leistung der Teilzellstränge über bekannte Verfahren, wie zum Beispiel das Hill- Climbing Verfahren oder das auf der Peak-Detect-Schaltung beruhende analoge Verfahren. Insbesondere in Kombination mit dem Patent DE 10 2011 1 1 1 255 B4 ergeben sich Möglichkeiten zur Kommunikationslosen Teilzellstrangoptimierung und zuverlässigen Vermeidung von Hot Spots in PV-Modulen und Anlagen. Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von steuerbaren Halbbrücken für ein Photovoltaikmodul,
wobei das Photovoltaikmodul einen ersten Modulanschluss und einen zweiten Modulanschluss und mindestens einem Zellstrang aufweist,
wobei, für n≥ 2 und zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete
Teilzeilstränge aufweist, die an n+1 Knotenpunkten verbunden sind und wobei der erste Knotenpunk am Beginn des Zellstrangs und der η+1-te Knotenpunkt am Ende des Zelistrangs liegt;
wobei, für 1 ≤ x≤ n-1 und eine x-te steuerbare Halbbrücke umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen zwischen dem i-ten Knotenpunkt, mit 1 ≤ i≤ x und und dem j-ten Knotenpunkt, mit x+2≤ j≤ n+1 und des
Zellstrangs geschaltet ist und ein Knotenpunkt zwischen den beiden Schalteinrichtungen mit dem x+1 -ten Knotenpunkt des Zellstrangs verbunden ist, wobei die erste Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten ersten Teilzellstrang aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im ersten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist und die erste Halbbrücke deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im ersten Teilzeilstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist, und
wobei die η-1-te Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten n-ten Teilzellstrang aktivierbar ist, solange eine Spannung, die im n-ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist und die η-1-te Halbbrücke deaktivierbar ist, solange eine Spannung, die im n-ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gesamtheit der n-1 Halbbrücken des Zellstrangs dazu ausgebildet, eine Gesamtheit von Freilaufdioden des Zellstrangs des Photovoltaikmoduls zu ersetzen.
Hierbei sind mit der Gesamtheit der n-1 Halbbrücken alle Bauteile zu verstehen, die nötig sind, um die Halbbrücken für den Ze listrang zu konfigurieren. Diese Gesamtheit an Bauteilen stellt eine Balanceschaltung dar, die Abweichungen einzelner Teilzellstrangspannungen vom Sollwert ausgleicht.
Eine weitere Anwendung der Balanceschaltung stellen Lithium-Ionen Akkus dar. In einem Strang aus n Lithium-Ionen Akkus sollen alie Zellen immer genau dieselbe Spannung aufweisen. Die Steuerschaltung hat dann das Ziel, eine Unterschreitung eines Entladegrenzwertes oder die Überschreitung eines Ladegrenzwertes der Zellspannungen zu verhindern. Aktiviert wird eine solche Steuerschaltung über ein angeschlossenes Batteriemanagementsystem (BMS) oder durch selbständige Spannungsüberwachung. Ein zusätzliches Interiock-Signal, bereitgestellt von der Halbbrückensteuerung, kann zur Abschaltung der Lade-/ Entladeeinrichtung dienen. Allgemein kann eine identische Aufteilung einer Gesamtspannung aus n in Reihe geschalteten realen Quellen / Lasten mit spannungsabhängigen Strömen über die Tastverhältnisse Halbbrücken und x = 1 ...n-1 mit der Balanceschaltung
realisiert werden.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls mit mindestens einem Zellstrang,
wobei zumindest ein Zellstrang n in Serie geschaltete Teilzellstränge aufweist, mit n≥ 2 und
wobei, für 1≤ x≤ n-1 und eine x-te steuerbare Halbbrücke, umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen, konfiguriert ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Aktivieren der ersten Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten ersten Teilzellstrang, solange eine Spannung, die im ersten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist, - Deaktivieren der ersten Halbbrücke, solange eine Spannung, die im ersten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist, und
- Aktivieren der η-1 -ten Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten n-ten Teilzellstrang, solange eine Spannung, die im n-ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist,
- Deaktivieren der η-1-ten Halbbrücke, solange eine Spannung, die im n-ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist für n≥ 3 und das
Verfahren folgende zusätzliche Schritte auf:
- Aktivieren der x-ten und der x+1 -ten Halbbrücke zum Bereitstellen einer Sollspannung am zugeordneten x+1 -sten Teilzellstrang, solange eine Spannung, die im x+1-ten Teilzellstrang abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert ist
- Deaktivieren der x-ten und der x+1-ten Halbbrücke, solange eine Spannung, die im x+1 -ten Teilzellstrang abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert ist. Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt verschiedene vereinfachte Darstellungen von PV-Modulen mit jeweils nur einem Zellstrang bestehend aus drei Teilzellsträngen nach dem Stand der Technik;
Figur 2 zeigt zwei vereinfachte Darstellungen des Leistungsflusses innerhalb eines PV-Moduls bei Verschattung von Teilzellsträngen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Nachrüstung einer
Steuerschaltung in ein PV-Modul auf einer Standard- Anschlussbox gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Teilzellstrangs eines PV-Moduls mit zugeordnetem Tiefsetzsteller. Figur 5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mittleren Teilzellstrangs eines PV-Moduls mit zugeordnetem Tiefsetzsteller. Figur 6 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Schaltung eines
PV-Moduls gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 7 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Zellstrangs mit drei
Teilzellsträngen und einer Balanceschaltung zur Optimierung der Teilzellstrangleistungen.
Figur 8 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Zellstrangs mit fünf
Teilzeilsträngen und einer weiteren Ausführungsform einer
Balanceschaltung zur Optimierung der Teilzellstrangleistungen.
Figur 9 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Schaltung eines
PV-Moduls gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren Die Figuren 1 bis 8 beziehen sich beispielhaft auf PV-Module 10 mit genau einem Zellstrang 14 aufgeteilt in drei Teilzellstränge 16_1 , 16_2, 16_3. Die strukturellen und funktionellen Merkmale aus diesen Beispielen lassen sich aber gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf PV-Module mit mehr als einem Zellstrang übertragen, wobei zumindest ein Zellstrang mehr als zwei Teilzellstränge aufweist.
Die Figur 1 zeigt vereinfachte Darstellungen von PV-Modulen 10 mit jeweils nur einem Zellstrang 14 nach dem Stand der Technik. Der Zellstrang 14 weist dabei jeweils drei Teilzellstränge 16_1 , 16_2, 16_3 auf. An allen PV-Modulen 10 liegt zwischen ihren Modulanschiüssen 12_1 und 12_2 eine Ausgangsspannung Vm an. Dabei werden unterschiedliche Maßnahmen zur Leistungsoptimierung beziehungsweise zum Schutz vor thermischen Beschädigungen des PV-Moduls bei Teilverschattung aufgezeigt. Figur 1a zeigt ein PV-Modu! 10 ohne Maßnahmen gegen Teilverschattung oder Ausfalls einer der Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16__3. Die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 sind zwischen den Modulanschlüssen 12_1 und 12_2 des PV-Moduls in Serie hintereinander angeschlossen. Die Ausgangsspannung Vm des Zellstrangs 14 beziehungsweise des PV-Moduls 10 ergibt sich aus der Summe der Spannungen Vi , V2 und V3 an den Teilzellsträngen 16_1 , 16_2 und 16_3. Die Teilzellstrangströme h, I2 und an den Teilzellsträngen 16 1 , 16 2 und 16_3 entsprechen dabei alle dem Modulstrom Im, Der Modulstrom richtet sich dabei nach dem kleinsten der Teilzellstrangströme . Somit ist bei Verschattung eines Teilzellstrangs der Modul- ström Im auf den Teilzellstrangstrom dieses Teilzellstrangs begrenzt. Fällt einer der Teilzellstränge durch Verschattung oder Störung ganz aus, fällt der gesamte Zellstrang 14 beziehungsweise das gesamte PV-Modul 10 aus und es wird keine Ausgangsleistung am PV-Modul bereitgestellt. Durch die eingeschränkte Abgabe der Ausgangsleistung von unverschatteten Teilzellsträngen kann das PV-Modul während einer Teilverschattung thermisch beschädigt werden.
Figur 1 b zeigt ein PV-Modul 10 mit in Serie angeordneten Teilzellsträngen 16 1 , 16_2 und 16_3 mit einer jeweils parallel angeordneten Freilaufdiode oder Bypassdiode 40_1 , 40_2 und 40_3. Im Falle einer Störung, zum Beispiel durch Verschattung oder Ausfalls eines oder mehrerer der Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3, kann der betroffene Teilzellstrang über die jeweilige Freilaufdiode überbrückt werden. Als Beispiel ist der Teilzellstrang 16_3 gestört und wird über die Freilaufdiode 40_3 überbrückt. Der Teilzellstrang 16_3 fällt dabei komplett aus und liefert keine Ausgangsleistung mehr. Die Ausgangsspannung Vm des Zellstrangs 14 beziehungsweise des PV-Moduls 10 ergibt sich somit annähernd aus der Summe der Spannungen Vi und V2 an den im Normalbetrieb arbeitenden Teilzellsträngen 16 1 und 16 2. Die Teilzellstrangströme und I2 an den Teilzellsträngen 16_1 und 16 2 und der Strom an der Freilaufdiode
40_3 entsprechen dabei alle dem Modulstrom Im. Somit fällt bei Ausfall eines der Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 durch Verschattung oder Störung nicht der gesamte Zellstrang 14 beziehungsweise das gesamte PV-Modul 10 aus.
Figur 1c zeigt ein PV-Modul 10, bei dem die serielle Kopplung der Teilzellsträngen 16_1 , 16 2, 16 3 aufgetrennt ist und das PV-Modui somit nicht auf einer Standard- Anschlussbox für PV-Moduie implementiert werden kann. Die Teilzellsträngen 16_1 , 16_2 und 16_3 werden parallel zu den Eingängen jeweils eines Tiefsetzsteller 18_1 , 18_2 und 18_3 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller 18_1 ist über einen Ausgang mit dem Modulanschluss 12 1 und mit einem ersten Ausgang des Tiefsetzstellers 18 2 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 ist mit einem Ausgang des Tiefsetzstellers 18_3 und mit dem Modulanschluss 12 2 gekoppelt. Die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 werden jeweils über die Tiefsetzsteller 18_1 , 18_2 und 18_3 betrieben. Ohne Verschattung liefern die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 jeweils ihre maximal erreichbare Ausgangsspannung an den jeweiligen Tiefsetzsteller 18_1 , 18_2 und 18 3. Im Verschattungsfall wird der betroffene Teilzellstrang durch den zugeordneten Tiefsetzsteller mit MPPT betrieben und liefert eine reduzierte Ausgangsspannung VX.MPPT an den zugeordneten Tiefsetzsteller. Dabei tritt durch das Auftreten von Verlustleistung innerhalb aller Tiefsetzsteller 18_1 , 18_2 und 18_3 sowohl im Normalbetrieb als auch im Verschattungsfall eine Leistungsreduktion des PV-Moduis auf. Die Leistungsreduktion ist dabei abhängig von den Wirkungsgraden der Tiefsetzsteller 18_1 , 18_2 und 18_3.
Figur 1d zeigt ein PV-Modul 10 mit in Serie angeordneten Teilzellsträngen 16_1 , 16_2 und 16_3. Die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 werden parallel zu den Eingängen jeweils eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers 18_1 , 18_2 und 18_3 angeschlossen. Die galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18 1 , 18_2 und 18_3 sind jeweils über einen ersten Ausgang mit dem Modulanschluss 12_1 und über einen zweiten Ausgang mit dem Modulanschluss 12_2 gekoppelt. Die galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1 , 18_2 und 18_3 basieren dabei auf bidirektionalen galvanisch getrennten Gleichspannungswandlern mit jeweils einem Transformator zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang der galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1 , 18_2 und 18_3. Die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 werden jeweils über die galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1 , 18_2 und 18_3 zur Leistungsoptimierung betrieben. Ohne Verschattung liefern die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 jeweils ihre maximal erreichbare Ausgangsspannung an dem jeweiligen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1 , 18_2 und 18_3. Im Verschattungsfall wird der betroffene Teilzellstrang durch den zugeordneten galvanisch getrennten Gleichspannungswandler mit MPPT betrieben und liefert eine reduzierte Ausgangsspannung am Teilzellstrang. Dabei ergibt sich durch das Auftreten von
Verlustleistung innerhalb aller galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 18_1 , 18_2 und 18 3 sowohl im Normalbetrieb als auch im Verschattungsfall eine Leistungsreduktion des PV-Moduls. Die Leistungsreduktion ist dabei abhängig von den Wirkungsgraden der galvanisch getrennten Gleichspannungswandler und 18_3. Zudem wird der Modulstrom durch die Schaltung reduziert. Durch die serielle Kopplung der Teilzellstränge kann das PV-Modul auf einer Standard-Anschlussbox für PV-Module implementiert werden. Dabei ist eine äußere Verkabelung zwischen den Strängen notwendig.
Die Figur 2 zeigt vereinfachte Darstellungen eines PV-Moduls 10 mit nur einem Zellstrang 14 gemäß der vorliegenden Erfindung und Beispiele für den Leistungsfluss innerhalb des PV-Moduls bei Teilverschattung. Der Zellstrang 14 weist dabei drei seriell angeordnete Teilzellstränge 16_1 , 16_2, 16_3 auf. Am PV-Modul 10 liegt zwischen den Modulanschlüssen 12_1 und 12_2 eine Ausgangsspannung Vm an. Die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 werden parallel zu den Eingängen jeweils eines Tiefsetzstellers 18_1 , 18 2 und 18 3 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller 18_1 ist über einen Ausgang mit dem Modulanschluss 12 1 und mit einem ersten Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 gekoppelt. Ein zweiter Ausgang des Tiefsetzstellers 18_2 ist mit einem Ausgang des Tiefsetzstellers 18 3 und mit dem Modulanschluss 12 2 gekoppelt. Der Eingang und Ausgang der Tiefsetzsteller 18_1 , 18_2 und 18 3 ist jeweils nicht galvanisch getrennt.
Figur 2a zeigt den Leistungsfluss des PV-Moduls bei Verschattung des Teilzellstrangs 16_1 am Anfang des Zellstrangs 14. Durch die Verschattung sinkt der Teilzellstrangstrom unter den Modulstrom Im auf und der Tiefsetzsteller 18_1 wird aktiviert.
Dabei betreibt der Tiefsetzsteller 18_1 durch MPPT den Teilzellstrang 16_1 bei der Spannung In die zwei Eingänge des Tiefsetzstellers 18_1 fließt einerseits der reduzierte Teilzellstrangstrom vom Teilzellstrang 16_1 und andererseits der Strom vom Teiizeilstrang 16_2. Im Tiefsetzstelier 18 1 wird über
die Schaltzyklusdauer d mit der Ausgangsstrom auf den Wert des Modulstroms Im hochgesetzt. Die Leistung am Teilzellstrang 16_1 ergibt sich damit zu:
Die Leistung des gesamten PV-Moduls ergibt sich zu:
Figur 2b zeigt den Leistungsfluss des PV-Moduls bei Verschattung des Teilzellstrangs 16_ 2 zwischen den Teilzellsträngen 16_1 und 16_3. Durch die Verschattung sinkt der Teilzellstrangstrom unter den Modulstrom und der Tiefsetzsteller 18 2
wird aktiviert. Dabei betreibt der Tiefsetzsteller 18_2 durch MPPT den Teilzellstrang 16_2 bei der Spannung V2,MPP. Die unverschatteten Teilzellstränge 16 1 und 16_3 führen dabei über die Ausgänge der Tiefsetzsteller 18 1 und 18_3 die Leistungen und zu den Ausgängen des Tiefsetzstellers 18 2 und
erhöhen dabei die Leistung am Teilzellstrang 16_2 über den Strom I2,LCMPP aus dem Eingang des Tiefsetzstellers 18_2. Die Leistung am Teilzellstrang 16_2 ergibt sich damit zu:
Teilzellstrang 16_2 kann bei V2,MPP betrieben werden, ohne den gesamten Modulstrom Im zu begrenzen. Die Leistung des gesamten PV-Moduls ergibt sich zu:
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung zur Nachrüstung einer Steuerschaltung in ein PV-Modul einer Standard-Anschlussbox gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das PV-Modul in der Standard-Anschlussbox umfasst dabei die Modulanschlüsse 12_1 und 12_2 und die Knotenpunkte 28_1 , 28 2, 28 3 und 28_4. Zwischen den Knotenpunkten sind standardmäßig jeweils parallel ein Teilze!lstrang 16_1 , 16_2, 16_3 und eine Freilaufdiode 40_1 , 40_2, 40_3 angeschlossen. Bei der Nachrüstung werden zunächst die Freilaufdioden 40_1 , 40_2 und 40_3 entfernt und die Verkabelung zwischen dem Modulanschluss 12_1 und Knotenpunkt 28_1 sowie zwischen dem Modulanschluss 12 2 und Knotenpunkt 28_4 wird unterbrochen. Danach werden die Tiefsetzsteller 18 1 , 18_2 und 18_3 in die Standard-Anschlussbox integriert. Für den Tiefsetzsteller 18_1 wird derTiefsetzsteller- ausgang 22_1 1 an den Modulanschluss 12_1 , der Tiefsetzstellereingang 20_11 an den Knotenpunk 28_1 und der Tiefsetzstellereingang 20_12 an den Knotenpunk 28 2 angeschlossen. Für den Tiefsetzsteller 18_2 wird der Tiefsetzstellerausgang 22 21 an den Modulanschluss 12_1 , der Tiefsetzstellerausgang 22 22 an den Modulanschluss 12 2, der Tiefsetzstellereingang 20_21 an den Knotenpunk 28_2 und der Tiefsetzstellereingang 20_22 an den Knotenpunk 28_3 angeschlossen. Für den Tiefsetzsteller 18_3 wird der Tiefsetzstellerausgang 22_32 an den Modulanschluss 12_2, der Tiefsetzstellereingang 20_31 an den Knotenpunk 28_3 und der Tiefsetzstellereingang 20 32 an den Knotenpunk 28_4 angeschlossen. Sämtliche elektronischen Bauteile des nachgerüsteten PV-Moduls befinden sich somit komplett innerhalb der Standard- Anschlussbox und nur die beiden Modulanschlüsse 12_1 und 12_2 führen nach außen zum externen Anschließen. Es ist keine zusätzliche äußere Verkabelung zwischen mehreren nachgerüsteten PV-Modulen zum Aufbau einer PV-Anlage erforderlich.
Figur 4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Teilzellstrangs 16_1 von PV- Modul 10 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_1. Dabei ist der erste Teilzellstrang 16_1 und der Tiefsetzstellereingang parallel zwischen den Knotenpunkten 28_1 und 28 2 angeschlossen. Außerdem ist der erste Tiefsetzstellerausgang 22__11 mit dem Modulanschluss 12_1 gekoppelt. Der Tiefsetzsteller 18_1 weist eine Tiefsetzsteller- schalteinrichtung 24_1 mit genau einem Tiefsetzstellerschalter 26_1 auf, die von der Tiefsetzstellersteuerung 36 gesteuert wird. Innerhalb des Tiefsetzstellers 18_1 ist zwischen dem Tiefsetzstellereingang 20_11 , oder der Eingangsanode, und dem Tiefsetzstellerausgang 22 1 1 , oder der Ausgangsanode, in Serie der Tiefsetzstellerschalter 26_1 und eine Induktivität oder Spule 30_1 angeschlossen. Außerdem ist parallel zum zugeordneten Teilzellstrang 16_1 eine Diode 32_1 angeschlossen. Die Diode 32_1 ist dabei in Sperrrichtung angeschlossen, wobei die Anode der Diode 32_1 am Tiefsetzstellereingang 20_12 oder der Eingangskathode anliegt und wobei die Kathode der Diode 32_1 zwischen Tiefsetzstellerschalter 26_1 und Induktivität 30_1 anliegt. Außerdem ist der Tiefsetzstellereingang 20_12 direkt mit dem Tiefsetzsteller- ausgang 22 12 verbunden. Zudem ist zwischen den Tiefsetzstellereingängen 20_1 1 und 20_12 eine Kapazität 34_1 1 und zwischen den Tiefsetzstellerausgängen 22 1 1 und 22 12 eine Kapazität 34_12 angeschlossen.
Zwischen den Tiefsetzstellerausgängen 22 1 1 und 22_12 wird eine Ausgangs- Spannung VIA am Spannungsmessgerät 38_1 gemessen. Ohne Verschattung ist diese Ausgangsspannung VIA größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert VIG für den Tiefsetzsteller 18 1 und der Tiefsetzstellerschalter 26_1 bleibt deaktiviert und dauerhaft geschlossen. Im Falle eines Absinkens der Ausgangsspannung VIA durch Verschattung auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert VIG wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24 1 aktiviert und einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde am Tiefsetzstellerschalter 26 1 durchgeführt. Die Ausgangsspannung VIA oder der Ausgangsstrom Im kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Tiefsetzstellerschalters 26 1 mit der Tiefsetzstellersteuerung 36 eingestellt werden.
Figur 5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mittleren Teilzellstrangs 16_2 eines PV-Moduls 10 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_2. Dabei ist der Teilzellstrang 16_2 und der Tiefsetzstellereingang parallel zwischen den Knotenpunkten 28_2 und 28_3 angeschlossen. Der Tiefsetzsteller 18_2 weist zwei Ausgangsanoden oder Tiefsetz- Steilerausgänge 22_21 und 22 23 und zwei Ausgangskathoden oder Tiefsetz- stellerausgänge 22_22 und 22_24 auf. Dabei sind die Tiefsetzstellerausgänge 22_21 und 22_23 mit dem Modulanschluss 12_1 sowie Tiefsetzstellerausgänge 22 22 und 22_24 mit dem Modulanschluss 12 2 gekoppelt. Zwischen der Eingangsanode oder Tiefsetzstellereingang 20_21 und einem ersten Tiefsetzstellerknoten 42_21 ist eine erste Induktivität 30_21 angeordnet. Ein erster Tiefsetzstellerschalter 26_21 ist zwischen dem ersten Tiefsetzstellerknoten 42 21 und dem Modulanschluss 12 1 gekoppelt und zwischen dem Modulanschluss 12_2 und dem ersten Tiefsetzsteller- knoten 42_21 ist eine erste Diode 32 21 in Sperrrichtung angeordnet. Außerdem ist zwischen der Eingangskathode oder Tiefsetzsteilereingang 20_22 und einem zweiten Tiefsetzsteiierknoten 42_22 eine zweite Induktivität 30 22 angeordnet. Ein zweiter Tiefsetzstellerschalter 26_22 ist zwischen dem zweiten Tiefsetzsteiierknoten 42_22 und dem Modulanschluss 12 2 gekoppelt und zwischen dem zweiten Tiefsetzsteiierknoten 42_22 und dem Modulanschluss 12_1 ist eine zweite Diode 32_22 in Sperrrichtung angeordnet. Zwischen dem Tiefsetzsteilereingang 20_21 und dem Tiefsetzsteilereingang 20_22 ist parallel zum Teilzellstrang 16_2 ein Kondensator 34_2 geschaltet.
Zwischen dem ersten Tiefsetzsteiierknoten 42 21 und dem zweiten Tiefsetzsteiierknoten 42_22 liegt eine Tiefsetzstellerspannung V2T an und wird am Spannungsmessgerät 38_2 gemessen. Ohne Verschattung ist die Tiefsetzsteller-spannung V2T größer als der vorgegebene Spannungsgrenzwert V2G und die Tiefsetzstellerschalter 26_21 und 26_22 der Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24_2 bleiben deaktiviert und dauerhaft geöffnet. Somit fließt ohne Verschattung kein Strom durch den Tiefsetzsteller 18_2, der Strom h durch den Teilzellstrang 16_2 ist identisch dem Modul ström IM und es entsteht keine Verlustleistung am Tiefsetzsteller 18 2. Im Falle eines Absinkens der Tiefsetzstellerspannung V2T auf oder unter den vorgegebenen Spannungsgrenzwert V2G des Tiefsetzstellers 18_2 durch Verschattung wird die Tiefsetzstellerschalteinrichtung 24_2 aktiviert und einige hundert bis mehrere Millionen Schaltzyklen je Sekunde an den beiden Tiefsetzstellerschaltern 26 21 und 26_22 durchgeführt. Dabei wird elektrische Leistung unidirektional von den beiden im Normalbetrieb arbeitenden Teiizellsträngen 16_1 und 16_3 zu den Tiefsetzsteller- ausgingen des Tiefsetzstellers 18_2 und durch den Tiefsetzsteller 18_2 zum zugeordneten Teilzellstrang 16_2 transferiert Das unidirektionale Transferieren von Leistung zum verschatteten Teilzell-strang 16_2 kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten der Tiefsetzsteller-schalter 26_21 und 26 22 mit der Tiefsetzsteller- steuerung 36 eingestellt werden.
Figur 6 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Schaltung eines PV-Moduls 10 mit genau einem Zellstrang 14 aufgeteilt in drei seriell gekoppelte Teilzellstränge 16_1 , 16_2, 16_3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Für die gesamte Schaltung des PV-Moduls 10 wird das schematische Schaltbild des ersten Teilzellstrangs 16_1 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_1 aus Figur 4 durch serielles Anschließen des zweiten Teilzellstrangs 16_2 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_2 aus Figur 5 am Knotenpunkt 28_2 fortgeführt und durch serielles Anschließen des dritten Teilzellstrangs 16_3 mit zugeordnetem Tiefsetzsteller 18_3 am Knotenpunkt 28 3 abgeschlossen. Dabei stellt der Aufbau des Tiefsetzstellers 18_3 eine Alternative zum Aufbau des Tiefsetzstellers 18_1 gemäß der Figur 4 dar, wobei im Wesentlichen die Anschlüsse von Anoden und Kathoden des Tiefsetzstellers 18_1 gespiegelt angeschlossen sind, mit Ausnahme der umgekehrter Sperrrichtung der Diode 32_3. Für die Steuerung der gesamten Schaltung des PV-Moduls werden die drei Spannungen VIA, V2T und V3A durch die Spannungsmessgeräte 38_1 , 38_2 und 38_3 erfasst und an die Tiefsetzstellersteuerung 36 weitergeleitet. Die Tiefsetzsteller- steuerung 36 steuert dann mit vier Steuerungssignalen die vier Tiefsetzstellerschalter 26_1 , 26_21 , 26_22 und 26_3.
Im Gegensatz zu bekannten PV-Modulen, die auf einer Leistungsoptimierung der einzelnen Stränge mit Hilfe von bidirektionalen, galvanisch getrennten Flusswandlern basieren, nutzt die erfindungsgemäße Schaltung zur Leistungsoptimierung des PV- Moduls das Zuführen von Leistung aus unverschatteten Teilzellsträngen zu verschatteten Teilzellsträngen. Für die unidirektionale Leistungszufuhr ist eine galvanische Trennung durch einen Transformator im Tiefsetzsteller nicht erforderlich.
Figur 7 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Zellstrangs 14 mit drei in Serie geschalteten Teilzellsträngen 16_1 , 16_2 und 16 3 und einer Balanceschaltung 70 zur Optimierung der Teilzellstrangleistungen Pi, P2 und P3.
Dabei ist zwischen den Knotenpunkten 28_1 und 28_2 parallel zum Teilzellstrang 16_1 ein Teiizellstrangkondensator 56_1 und ein Teiizeilstrangspannungsmessgerät 58 1 angeschlossen, welches die Spannung Vi am Teilzellstrang 16_1 überwacht. Zwischen den Knotenpunkten 28_2 und 28_3 parallel zum Teilzellstrang 16_2 ist entsprechend ein Teiizellstrangkondensator 56 2 und ein Teiizellstrangspannungs- messgerät 58_2 und zwischen den Knotenpunkten 28_3 und 28 4 parallel zum Teilzeilstrang 16_3 ist ein Teiizellstrangkondensator 56_3 und ein Teilzellstrang- spannungsmessgerät 58_3 angeschlossen. Die von den Teilzellstrangspannungs- messgeräten 58 1 , 58_2 und 58_3 ermittelten Spannungen, die über den Teilzellsträngen 16_1 , 16_2 und 16_3 abfallen, werden zu einer Halbbrückensteuerung 52 übermittelt. Parallel zum Zellstrang 14 mit seinen Teilzellsträngen 16_1 , 16_2 und 16_3 sind zwischen den Knotenpunkten 28_1 und 28 4 zwei Halbbrücken 44_1 und 44_2 und ein Zellstrangkondensator 60 angeschlossen. Die Halbbrücke 44_1 besteht dabei aus zwei in Serie geschalteten Schalteinrichtungen 46_11 und 46_12 mit einem Halbbrückenknotenpunkt 50_1 zwischen den Schalteinrichtungen. Entsprechend besteht die Halbbrücke 44 2 aus zwei in Serie geschalteten Schalteinrichtungen 46 21 und 46 22 mit einem Halbbrückenknotenpunkt 50_2 zwischen den Schalteinrichtungen. Die Schalteinrichtungen 46_11 , 46_12, 46_21 und 46_22 weisen dabei jeweils einen Schalter und eine Diode 48_11 , 48_12, 48_21 und 48_22 auf, die parallel geschaltet sind. Die Dioden 48_11 , 48_12, 48_21 und 48_22 sind dabei jeweils in Sperrrichtung angeordnet. Zwischen dem Halbbrückenknotenpunkt 50_1 der Halbbrücke 44_1 und dem Knotenpunkt 28_2 ist eine Halbbrücken Induktivität 54_1 angeordnet und zwischen dem Halbbrückenknotenpunkt 50_2 der Halbbrücke 44 2 und dem Knotenpunkt 28_3 ist eine Halbbrückeninduktivität 54_2. Die Halbbrücken 44_1 und 44_2, im Besonderen ihre jeweiligen Schalteinrichtungen 46_11 und 46 12 sowie 46_21 und 46_22, sind jeweils über die Halbbrückensteuerung 52 steuerbar.
Die beleuchtungsabhängige Stromspannungscharakteristik der Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 definieren zu jeder Spannung Vi einen Strom h, zu V2 einen Strom b und zu V3 einen Strom b. Die Zellstrangspannung Vzst = V1+V2+V3 ergibt sich aus der Reihenschaltung der Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3. Für den Fall, dass die Halbbrücke 44_1 aktiviert ist, fließt durch die Halbbrückeninduktivität 54_1 ein Strom III Entsprechend fließt bei aktivierter Halbbrücke 44_2 durch die Halbbrücken- Induktivität 54 2 ein Strom IL2. Aus den Knotengieichungen für die Knoten 28_2 und 28_3 folgt, dass die Ströme IL1 und IL2 die Ströme steuern
können. Sinkt die Teilzellspannung V3 zum Beispiel durch Verschattung des Teilzellstrangs 16_3 unter einen festgelegten Spannungsgrenzwert V3G ab, so aktiviert die Halbbrückensteuerung 52 die Halbbrücke 44_2 und steuert deren Schalteinrichtungen 46_21 und 46_22 durch Vorgabe einer Sollspannung V3S im MPPT. Dies erfolgt durch periodisches asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen 46_21 und 46 22 mit einem pulsweitenmodulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis
mit der Anschaltzeit T0N.4e_.21 von Schalteinheit 46_21 bezogen auf die Periode
der Halbbrücke 44_2. Dabei stellt sich anstelle der abgesunkenen Teilzellspannung V3 die erhöhte Sollspannung V3S = Vzst * D2 am Knotenpunkt 28_3 ein und die Teilzellspannung * D2 fällt im Teilzellstrang 16_3 ab. Die erhöhte Teilzellspannung Va.ypp verursacht im verschatteten Teilzelistrang 16_3 einen herabgesetzten Teilzellstrangstrom b, der aber durch den Strom IL2 ausgeglichen wird.
Asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen 46_21 und 46 22 bedeutet dabei, dass für die Dauer der Zeit der Schalter der Schalteinrichtung 46_21
geschlossen und der Schalter der Schalteinrichtung 46 22 geöffnet ist und für die Dauer der Zeit TOFF,46_2I = TON,46_22 der Schalter der Schalteinrichtung 46_21 geöffnet und der Schalter der Schalteinrichtung 46_22 geschlossen ist. Die Dioden 48_21 und 48_22 stellen dabei sicher, dass der Strom IL2 weiter fließen kann, selbst dann wenn beim Zustandswechsei der Halbbrücke 44_2 von dem Zustand der Periode TON.46_2I = TOFF,46_22 zum Zustand der Periode keiner der beiden Schalter für
eine vernachlässigbar kleinen Totzeit TTOT,44 2 geschlossen ist.
Bei Absinken der Teilzellspannung V2 am Teilzellstrang 16_2 unter einen festgelegten Spannungsgrenzwert V2G aktiviert die Halbbrückensteuerung 52 die Halbbrücken 44 2 und 44_1 und steuert deren Schalteinrichtungen 46_21 und 46_22 sowie 46_1 1 und 46_12 durch Vorgabe von Sollspannungen Vss und V2S im MPPT. Für die Halbbrücke 44 2 erfolgt dies wie oben bereits beschrieben. Die Halbbrücke 44_1 wird durch periodisches asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen 46_11 und 46_12 mit einem pulsweitenmodulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis
mit der Anschaltzeit TON,46_H von Schalteinheit 46_1 1 bezogen auf die Periode gesteuert. Dabei stellt sich am Knotenpunkt 28 2 die
Sollspannung und am Knotenpunkt 28_3 die Sollspannung V3S = (Vzst
* D2) ein und die Teilzellspannung fällt im
Teilzellstrang 16_2 ab. Die damit erhöhte Teilzellspannung verursacht im verschatteten Teilzellstrang 16_2 einen herabgesetzten Teilzellstrangstrom I2, der aber durch den Strom IL1 ausgeglichen wird.
Asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen 46_11 und 46 12 bedeutet wiederum, dass für die Dauer der Zeit der Schalter der Schalteinrichtung 46_11 geschlossen und der Schalter der Schalteinrichtung 46__12 geöffnet ist und für die Dauer der Zeit der Schalter der Schalteinrichtung 46_11 geöffnet und der Schalter der Schalteinrichtung 46 12 geschlossen ist. Die Dioden 48_11 und 48_12 stellen dabei sicher, dass der Strom IL1 weiter fließen kann, selbst dann wenn beim Zustandswechsel der Halbbrücke 44_1 von dem Zustand der Periode zum Zustand der Periode keiner der beiden
Schalter für eine vernachlässigbar kleinen Totzeit geschlossen ist.
Sinkt die Teilzellspannung V1 zum Beispiel durch Verschattung des Teilzellstrangs 16_1 unter einen festgelegten Spannungsgrenzwert VIG ab, so aktiviert die Halbbrückensteuerung 52 wiederum die Halbbrücke 44 1 und steuert deren Schalteinrichtungen 46_1 1 und 46_12 durch Vorgabe einer Sollspannung Vis im MPPT. Dies erfolgt durch periodisches asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen 46_11 und 46_12 mit einem pulsweitenmodulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis mit der Anschaltzeit von Schalteinheit 46_11 bezogen auf die Periode der Halbbrücke 44_1. Dabei stellt sich am Knotenpunkt die herabgesetzte Sollspannung ein und die
Teilzellspannung fällt im Teilzellstrang 16_1 ab. Die damit erhöhte Teilzellspannung verursacht im verschatteten Teilzellstrang 16_1 einen herabgesetzten Teilzellstrangstrom der aber durch den Strom
ausgeglichen wird.
Bei Sinken ein oder mehrerer der Teüzellspannungen Vi, V2 und V3 im Zell sträng 14 ergibt sich somit die Zellstrangspannung durch die Reihenschaltung zu:
Entsprechend der beleuchtungsabhängigen Strom-Spannungskennlinien der Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 ergibt sich der Zellstrangstrom Izst zu:
Beziehungsweise zu:
Für den Normalfail, dass alle Teilzellstränge gleich stark beleuchtet sind und denselben Strom liefern, ergeben sich die Ströme IL1 = I2 - I1 und IL2 = I3 - I2 über eine Periode T44j zuIL1 = 0 A und über eine Periode T44_2 zu IL2 = 0 A. Für den Normalfail kann somit auf ein Schalten der Halbbrücken 44_1 und 44_2 verzichtet werden und alle Schalter ausgeschaltet bleiben. Die Balanceschaltung 70 befindet sich dann in einem inaktiven Zustand.
Als ein Beispiel für Verschattung soll nun die Halbbrückensteuerung 52 die Tastverhältnisse D1 und D2 mit Di = 66% und D2 = 33% vorgeben, also die Sollspannungen Dabei werden die
Ströme Li und IL2 verursacht. Daraufhin stellen sich gemäß den Kennlinien der Teilzellstränge 16 1 , 16_2 und 16_3 die Ströme ein und ergeben nach o.g. Knotengleichungen, den zugehörigen Zellstrangstrom Izst. Für identische Kennlinien der Teilzellstränge gilt dabei und die
Halbbrückeninduktivitäten 54 1 und 54 2 sind stromlos. Für eine beispielhafte Verschattung des Teilzellstrangs 16_2 soll gelten und die
Teilzellspannung gegenüber dem Normalfall unverändert bleiben. Dann folgt daraus, dass der Zellstrangstrom Izst auf einen absinkt und der Zellstrang die Zellstrangleistung P abgibt. Der gleicher Wert ergibt sich aus
Figur 8 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Zellstrangs 14 mit fünf in Serie geschalteten Teilzellsträngen 16_1 , 16_2, 16_3, 16_4 und 16_5 einer weiteren Ausführungsform einer Balanceschaltung 70 zur Optimierung der Teilzellstrangleistungen Ρι, P2, P3, P4 und P5.
Dabei ist zwischen den Knotenpunkten 28 1 und 28_2 parallel zum Teilzellstrang 16_1 ein Teilzellstrangkondensator 56_1 und ein Teilzeilstrangspannungsmessgerät 58_1 angeschlossen, welches die Spannung Vi am Teilzellstrang 16_1 überwacht. Zwischen den Knotenpunkten 28_2 und 28_3 parallel zum Teilzellstrang 16_2 ist entsprechend ein Teilzellstrangkondensator 56_2 und ein Teilzellstrangspannungs- messgerät 58 2, zwischen den Knotenpunkten 28_3 und 28_4 parallei zum Teilzellstrang 16_3 ein Teilzellstrangkondensator 56_3 und ein Teilzellstrang- spannungsmessgerät 58_3, zwischen den Knotenpunkten 28 4 und 28_5 parallel zum Teilzellstrang 16_4 ein Teilzellstrangkondensator 56_4 und ein Teilzellstrang- spannungsmessgerät 58_4 und zwischen den Knotenpunkten 28_5 und 28_6 parallel zum Teilzellstrang 16 5 ein Teilzellstrangkondensator 56_5 und ein Teilzellstrang- spannungsmessgerät 58_5 angeschlossen. Die von den Teilzellstrangspannungs- messgeräten 58_1 , 58_2, 58 3, 58_4 und 58_5 ermittelten Spannungen, die über den Teilzellsträngen 16_1 , 16_2, 16_3, 16_4 und 16_5 abfallen, werden zu einer Halb- brückensteuerung 52 übermittelt. Parallel zum Zellstrang 14 mit seinen Teilzellsträngen 16_1 , 16_2, 16_3, 16_4 und 16_5 ist zwischen den Knotenpunkten 28_1 und 28_6 ein Zellstrangkondensator 60 angeschlossen.
Den fünf Teilzellsträngen 16_1 , 16_2, 16_3, 16_4 und 16_5 sind vier Halbbrücken 44_1 , 44_2, 44_3 und 44_4 zugeordnet. Die Halbbrücken bestehen jeweils aus zwei in Serie geschalteten Schalteinrichtungen 46_1 1 und 46_12, 46_21 und 46_22, 46_31 und 46_32 und 46_41 und 46 42. Die Schalteinrichtungen weisen dabei jeweils einen Schalter und eine Diode (48_11 , 48_12, 48_21 , 48_22, 48_31 , 48_32, 48_41 und 48_42) auf, die parallel geschaltet sind. Die Dioden sind dabei jeweils in Sperrrichtung angeordnet. Im Unterschied zur Ausführungsform in Figur 7 sind die Halbbrücken aber nicht alle zwischen dem ersten Knotenpunkt 28 1 und dem sechsten Knotenpunkt 28 6 des Zellstrangs 14 geschaltet. Stattdessen ist die Halbbrücke 44_1 zwischen dem ersten Knotenpunkt 28_1 und dem dritten Knotenpunkt 28_3 des Zellstrangs 14 geschaltet und der Halbbrückenknotenpunkt 50_1 zwischen den Schalteinrichtungen 46_11 und 46_12 ist über die Halbbrückeninduktivität 54_1 mit dem Knotenpunkt 28_2 des Zellstrangs 14 verbunden. Die Halbbrücke 44 2 ist zwischen dem zweiten Knotenpunkt 28 2 und dem vierten Knotenpunkt 28 4 des Zellstrangs 14 geschaltet und der Halbbrückenknotenpunkt 50_2 zwischen den Schalteinrichtungen 46_21 und 46_22 ist über die Halbbrückeninduktivität 54_2 mit dem Knotenpunkt 28_3 des Zellstrangs 14 verbunden. Entsprechend ist die Halbbrücke 44_3 zwischen dem dritten Knotenpunkt 28_3 und dem fünften Knotenpunkt 28_5 des Zellstrangs 14 geschaltet und der Halbbrückenknotenpunkt 50_3 zwischen den Schalteinrichtungen 46_31 und 46_32 ist über die Halbbrückeninduktivität 54_3 mit dem Knotenpunkt 28_4 des Zellstrangs 14 verbunden. Die Halbbrücke 44_4 ist zwischen dem vierten Knotenpunkt 28_4 und dem sechsten Knotenpunkt 28 6 des Zellstrangs 14 geschaltet und der Halbbrückenknotenpunkt 50_4 zwischen den Schalteinrichtungen 46_41 und 46_42 ist über die Halbbrückeninduktivität 54_4 mit dem Knotenpunkt 28_5 des Zellstrangs 14 verbunden. Dabei ist die erste Halbbrücke 44_1 und die dritte Halbbrücke 44_3 über den Knotenpunkt 28_3 des Zellstrangs 14 in Serie zu einem ersten Halbbrückenstrang 68_1 geschaltet. Die zweite Halbbrücke 44_2 und die vierte Halbbrücke 44_4 ist wiederum über den Knotenpunkt 28_4 des Zellstrangs 14 in Serie zu einem zweiten Halbbrückenstrang 68_2 geschaltet.
Die Halbbrücken 44_1 , 44_2, 44_3 und 44_4, im Besonderen ihre jeweiligen Schalteinrichtungen 46_1 1 und 46_12, 46_21 und 46_22, 46_31 und 46_32 und 46_41 und 46_42, sind jeweils über die Halbbrückensteuerung 52 steuerbar.
Die beleuchtungsabhängige Stromspannungscharakteristik der Teilzellstränge 16_1 , 16_2, 16_3, 16_4 und 16_5 definieren zu den Spannungen Vi, V2, V3, V4 und V5 jeweils einen Strom Die Zellstrangspannung Vzst = V1+V2+V3+V4+V5 ergibt
sich aus der Reihenschaltung der Teilzellstränge 16_1 , 16_2, 16_3, 16_4 und 16_5. Für den Fall, dass die Halbbrücke 44_1 aktiviert ist, fließt durch die Halbbrückeninduktivität 54_1 ein Strom Entsprechend fließt bei aktivierter Halbbrücke 44_2 durch die Halbbrückeninduktivität 54_2 ein Strom IL2, bei aktivierter Halbbrücke 44_3 durch die Halbbrückeninduktivität 54_3 ein Strom IL3 und bei aktivierter Halbbrücke 44 4 durch die Halbbrückeninduktivität 54_4 ein Strom IL4. AUS den Knotengleichungen für die Knoten 28_2, 28_3, 28_4 und 28_5 folgt, dass die Ströme I,L I1L2, IL3 und IL4 die Ströme steuern können.
Sinkt eine oder mehrere der Teilzellspannungen zum Beispiel durch
Verschattung des jeweiligen Teilzellstrangs unter einen festgelegten Spannungsgrenzwert Vi,2.3,4,5G ab, so aktiviert die Halbbrückensteuerung 52 alle Halbbrücken 44_1 , 44_2, 44_3 und 44_4 und steuert deren Schalteinrichtungen durch Vorgabe einer jeweiligen Sollspannung Vi ,2,3,4,5s im MPPT. Dies erfolgt durch periodisches asynchrones Schalten der jeweiligen Schalteinrichtungen mit einem pulsweiten- modulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis mit der Anschaltzeit von der jeweiligen ersten Schalteinheit bezogen auf die Periode der Halbbrücke 44_1 ,2,3,4. Dabei
stellt sich anstelle der abgesunkenen Teilzellspannung Vi ,2,3,4,5 die erhöhte Soll- Spannung Vi, 2,3,4.5s am jeweiligen Knotenpunkt ein und die Teilzellspannung fällt im jeweiligen Teilzeilstrang ab. Die erhöhte Teilzellspannung verursacht im jeweilig verschatteten Teilzellstrang einen herabgesetzten Teilzeilstrangstrom 11.2,3,4.5 , der aber durch die Ströme ausgeglichen
wird.
Figur 9 zeigt ein schematisches Schaltbild der gesamten Schaltung eines PV-Moduls gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird die Schaltung aus Figur 7 ergänzt um einen im MPPT betriebenen Zellstrangtiefsetzsteller 62. Entsprechend kann auch die Schaltung aus Figur 8 um einen im MPPT betriebenen Zellstrangtiefsetzsteller 62 ergänzt werden. Der Zellstrangtiefsetzsteller 62 besteht dabei aus einer Halbbrücke 44_3, einer Tiefsetzstellerinduktivität 64 und einem Tiefsetzstellerkondensator 66. Die Halbbrücke 44_3 ist zwischen den Knoten 28_1 und 28 4 parallel zum Zellstrang 14 angeordnet und besteht aus zwei in Serie geschalteten Schalteinrichtungen 46_31 und 46_32 mit einem Halbbrückenknotenpunkt 50_3 zwischen den Schalteinrichtungen. Die Schalteinrichtungen 46_31 und 46_32 weisen dabei jeweils einen Schalter und eine Diode 48_31 und 48_32 auf, die parallel geschaltet sind. Die Dioden 48_31 und 48_32 sind dabei jeweils in Sperrrichtung angeordnet. Zwischen dem Halbbrückenknotenpunkt 50 3 und dem Modulanschluss 12_1 ist die Tiefsetzstellerinduktivität 64 angeordnet und zwischen dem ersten Modulanschluss (12_1 ) und dem zweiten Modulanschluss (12_2) der Tiefsetzstellerkondensator (66). Der Knoten 28_4 ist mit dem Modulanschluss 12 2 verbunden.
Bei dem aufgezeigten Beispiel weist das PV-Modul 10 nur einen Zellstrang 14 auf. Somit reduziert sich der PV-Strangstrom Ipvst auf den aus dem Zellstrangstrom Izst resultierenden Strom. Bei einer Mehrzahl von Zellsträngen müsste der Photovoltaikstrangstrom Ipvst aus den resultierenden Strömen der Zellstrangströme addiert werden. Zur Maximierung der Photovoltaikmodulleistung PM = Ipvst * VM stellt der Zellstrangtiefsetzsteller 62 den Zellstrangstrom Izst auf den gewünschten PV- Strangstrom Ipvst am Modulausgang 12 1. Hierzu aktiviert die Halbbrückensteuerung 52 die Halbbrücke 44_3 und steuert deren Schalteinrichtungen 46_31 und 46_32 durch Vorgabe des PV-Strangstrom Ipvst im MPPT. Dies erfolgt durch periodisches asynchrones Schalten der Schalteinrichtungen 46_31 und 46_32 mit einem pulsweitenmodulierten geregelten Signal mit Tastverhältnis mit der Anschaltzeit von Schalteinheit 46_31 bezogen auf die Periode
der Halbbrücke 44_3. Um die maximale Ausgangsleistung des
PV-Moduls einzustellen, kann die Halbbrückensteuerung 52 sequentiell die Werte von Di, D2 und D3 nach einem beliebigen Algorithmus zur MPP-Suche variieren und die Spannung VM maximieren. Auf Grund des logarithmischen Spannungsverlaufs einer Solarzelle in Abhängigkeit vom Kurzschlussstrom bzw. der Beleuchtung ist auch ein vereinfachtes Verfahren mit Di = 66% und D2 = 33% denkbar, bei dem die Spannungen gilt und geringe Mismatchverluste zu Gunsten einer schnellen
Optimierung und einem minimalen Regelaufwand in Kauf genommen werden. Das Eingreifen der Baianceschaltung 70 betreibt die Teilzellstränge 16_1 , 16_2 und 16_3 symmetrisch und in Kombination mit dem Zellstrangtiefsetzstelier 62 in jedem Fall mit Spannungen nahe der MPP-Spannung der Teilzellstränge und
verhindert zuverlässig die Ausbildung von Hotspots.

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaikmodul (10) mit einem ersten Modulanschluss (12_1 ) und einem zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14),
wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist mit n ≥ 2 und
wobei, für 1 ί χ ί η und einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein
x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit zwei Tiefsetzstellereingängen (20_x1 , 20_x2) und einer Tiefsetzstellerschaiteinrichtung (24_x) zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller (18_x) über die zwei Tiefsetzstellereingänge (20_x1 , 20_x2) parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang (16_x) verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) aktivierbar ist, solange eine Spannung die im x-ten
Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VXG) ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers
(18_x) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (VIA, VnA, VyT), die im x-ten Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VXG) ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1 ) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_11 ) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1 ) verbunden ist, und wobei der n-te Tiefsetzsteller (18_n) genau einen Tiefsetzstellerausgang (22_n2) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.
2. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 1 , wobei, für n 3≥ und und für
2 ≤ y ≤ n-1 und der y-te Tiefsetzsteller (18__y) einen ersten
Tiefsetzstellerausgang (22_y1 , 22_y3) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1 ) verbunden ist und der y-te Tiefsetzsteller (18_y) einen zweiten Tiefsetzstellerausgang (22_y2, 22_y4) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12 2) verbunden ist.
3. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Tiefsetzstellereingänge (20_x1 , 20_x2) und die Tiefsetzstellerausgänge (22_x1 , 22_x2, 22_y1 , 22_y2, 22_y3, 22_y4) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) mittels interner Schaltung innerhalb des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) direkt elektrisch miteinander verbunden sind.
4. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der y-te Tiefsetzsteller (18_y) dem y-ten Teilzellstrang (16_y) ausschließlich unidirektional eine Tiefsetzstellerieistung zuführt, solange die Spannung (VyT), die im y-ten Tiefsetzsteller (16_y) abfällt, kleiner oder gleich dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert (VYG) ist.
5. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 4, wobei der erste Tiefsetzsteller (18_1 ) und der n-te Tiefsetzsteller (18_n) dem y-ten Tiefsetzsteller (18_y) ausschließlich unidirektional die Tiefsetzstellerieistung
zuführt.
6. Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spann ungsgrenzwert (VXG) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) einen Wert kleiner oder gleich Null Volt aufweist und der x-te aktivierten Tiefsetzsteller (18_x) eine Teilzelistrangleistung (ΡΧ,ΜΡΡ) des x-ten Teilzellstrangs (16_x) erhöht.
7. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 6, bei der die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) bei Aktivierung periodisch schaltet, um die Teilzelistrangleistung (ΡΧ,ΜΡΡ) des x-ten Teilzellstrangs (16_x) zu erhöhen.
8. Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Spannungsgrenzwert des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) jeweils einen festen Spannungsgrenzwert (VG) aufweist.
9. Photovoitaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Photovoitaikmodul (10) eine Tiefsetzsteliersteuerung (36) umfasst, mittels derer die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) gesteuert wird, um eine Photovoitaikmodulieistung (PM) des Photovoltaikmoduls (10) zu maximieren und die Tiefsetzsteliersteuerung (36) mit Maximum-Power- Point-Tracking, MPPT, ausgebildet ist.
10. Photovoitaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtungen (24_1 , 24_n) des ersten und des n-ten Tiefsetzstellers (18 _1 , 18_n) jeweils einen Tiefsetzstellerschalter (26_11 , 26_n1 ) aufweisen und die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_y) des y-ten Tiefsetzsteilers (18_y) einen ersten und einen zweiten Tiefsetzstellerschalter (26_y1 , 26_y2) aufweist.
1 1. Photovoitaikmodul (10) nach Anspruch 10, bei dem ein Modulstrom (IM) und ein Teiizellstrangstrom (lx) durch den x-ten Teilzellstrang (16_x) überwacht wird und die Tiefsetzstellerschalter (26_1 1 , 26_n1 ) des ersten und n-ten Tiefsetzstellers (18_1 , 18_n) geschlossen sowie die Tiefsetzstellerschalter (26_y1 , 26_y2) der y-ten Tiefsetzsteller (18_y) geöffnet werden, wenn die Differenz zwischen dem Modulstrom und dem Teiizellstrangstrom (Ix) durch den x-ten Teilzellstrang (16_x) unter einen vorgegebenen x-ten Stromgrenzwert für den x-ten Teilzellstrang absinkt
12. Photovoitaikmodul (10) nach Anspruch 1 1 , wobei der vorgegebene Stromgrenzwert (IXG) für den x-ten Teilzellstrang (16_x) einen festen Stromgrenzwert (IG) aufweist und/oder die Abweichung zwischen Modulstrom und
Teiizellstrangstrom (Ix) in einem Bereich von kleiner als 1 % bis zu einer Abweichung von kleiner als 10% liegt.
13. Photovoitaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein x-ter Kondensator (34_x1 ) parallel zum x-ten Teilzellstrang (16_x) geschaltet ist.
14. Photovoltaikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Zellstrang (14) drei in Serie geschaltete Teilzellstränge (S1 ..S3) aufweist.
15. Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von Tiefsetzstellern (18_1 ,.18_n) für ein Photovoltaikmodul (10),
wobei das Photovoltaikmodul (10) einen ersten Modulanschluss (12_1 ) und einen zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14) aufweist,
wobei, für n≥ 2 und zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist;
wobei, für 1≤ x≤ n und x e M, einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit zwei Tiefsetzstellereingängen (20_x1 , 20 x2) und einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist,
wobei der x-te Tiefsetzsteller (18_x) über die zwei Tiefsetzstellereingänge (20_x1 , 20_x2) parallel mit dem zugeordneten x-ten Teilzellstrang (16_x) verbunden ist,
wobei die Tiefsetzstelierschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzsteilers
(18_x) aktivierbar ist, solange eine Spannung (VIA, VnA, VyT), die im x-ten
Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen
Spannungsgrenzwert (VXG) ist, und
wobei die Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) deaktivierbar ist, solange eine Spannung die im x-ten
Tiefsetzsteller (18_x) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige
Spannungsgrenzwert (VXG) ist,
wobei der erste Tiefsetzsteller (18 1 ) genau einen Tiefsetzstellerausgang
(22_11 ) aufweist, der mit dem ersten Modulanschluss (12_1 ) verbunden ist, und wobei der n-te Tiefsetzsteller (18_n) genau einen Tiefsetzstellerausgang
(22_n2) aufweist, der mit dem zweiten Modulanschluss (12 2) verbunden ist.
16. Steuerschaltung nach Anspruch 15, wobei der x-te Tiefsetzsteller
(18_x) dazu ausgebildet ist, eine Freilaufdiode (40_x) des x-ten Teilzellstrangs
(16_x) des Photovoitaikmoduls (10) zu ersetzen.
17. Verfahren zur Steuerung eines Photovoitaikmoduls (10) mit mindestens einem Zellstrang (14),
wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge
(16_1 ..16_n) aufweist mit n≥ 3 und
wobei, für 1≤ x≤ n und einem x-ten Teilzellstrang (16_x) jeweils ein x-ter Tiefsetzsteller (18_x) mit einer Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) zugeordnet ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Aktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x), solange eine Spannung (VIA, VnA, V/r), die über dem x-ten Teilzellstrang (16_x) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen x-ten Spannungsgrenzwert (VXG) ist,
- Deaktivieren der Tiefsetzstellerschalteinrichtung (24_x) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x), solange die Spannung die über dem x-ten
Teilzellstrang (16_x) abfällt, größer als der vorgegebene x-te Spannungsgrenzwert ist, und
Übertragen von elektrischer Leistung zwischen einem Tiefsetzstellereingang (20_x1 , 20_x2) und einem Tiefsetzstellerausgang (22_x1 , 22_x2, 22_y1 , 22_y2, 22_y3, 22_y4) des x-ten Tiefsetzstellers (18_x) mittels interner Schaltung über eine direkte elektrische Verbindung im x-ten Tiefsetzsteller (18_x).
18. Photovoltaikmodul (10) mit einem ersten Modulanschluss (12 1 ) und einem zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14),
wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1 ..16_n) aufweist, die an n+1 Knotenpunkten (28_1 .. 28_n+1 ) verbunden sind und wobei der erste Knotenpunk (28_1 ) am Beginn des Zellstrangs (14) und der n+1 -te Knotenpunkt (28_n+1 ) am Ende des Zellstrangs (14) liegt, mit n≥ 2 und n e
wobei, für 1 ≤ x≤ n-1 und eine x-te steuerbare Halbbrücke (44_x)
umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen (46_x1 , 46_x2) zwischen dem i-ten Knotenpunkt (28_i), mit 1 s i≤ x und i e M, und dem j-ten Knotenpunkt (28J), mit x+2≤ j≤ n+1 und j e N, des Zellstrangs (14) geschaltet ist und ein Halbbrückenknotenpunkt (50_x) zwischen den beiden Schalteinrichtungen (46_x1 , 46_x2) mit dem x+1-ten Knotenpunkt (28_x+1 ) des Zellstrangs (14) verbunden ist,
wobei die erste Halbbrücke (44_1 ) zum Bereitstellen einer Sollspannung (Vis) am zugeordneten ersten Teilzellstrang (16_1 ) aktivierbar ist, solange eine Spannung (Vi), die im ersten Teilzellstrang (16_1 ) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VIG) ist und die erste Halbbrücke (44_1 ) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (Vi), die im ersten Teilzelistrang (16_1 ) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VIG) ist, und
wobei die η-1-te Halbbrücke (44_n-1 ) zum Bereitstellen einer Sollspannung (Vns) am zugeordneten n-ten Teilzellstrang (16_n) aktivierbar ist, solange eine Spannung (Vn), die im n-ten Teilzellstrang (16_n) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VnG) ist und die η-1-te Halbbrücke (44_n-1 ) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (Vn), die im n-ten Teilzellstrang (16_n) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VnG) ist.
19. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 18, wobei für die x-te Halbbrücke (44_x) der i-te Knotenpunkt des Zellstrangs (14) der erste Knotenpunkt (28_1 ) des Zellstrangs und der j-te Knotenpunkt des Zelistrangs (14) der n+1 Knotenpunkt (28_n+1 ) des Zelistrangs ist.
20. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 18, wobei für die x-te Halbbrücke (44_x) der i-te Knotenpunkt des Zellstrangs (14) der x-te Knotenpunkt (28_x) des Zeilstrangs und der j-te Knotenpunkt des Zellstrangs (14) der χ+2-te Knotenpunkt (28_x+2) des Zellstrangs ist.
21 . Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 20, wobei, für n ≥ 3 und 1≤ k≤ n/2 und n, k e I;
alle ungeraden Halbbrücken (44_2k-1 ) in einem ersten Halbbrückenstrang (68_1 ) in Serie geschalten und alle geraden Halbbrücken (44_2k) in einem zweiten Halbbrückenstrang (68_2) in Serie geschalten sind.
22. Photovoltaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , wobei, für n ≥
3 und n e M;
die x-te und die x+1-te Halbbrücke (44_x, 44_x+1 ) zum Bereitstellen einer
Sollspannung (Vx+is) am zugeordneten x+1-sten Teilzellstrang (16_x+1 ) aktivierbar sind, solange eine Spannung (Vx+i), die im x+1-ten Teilzellstrang (16_x+1 ) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VX+IG) ist und die x-te und die x+1 -te Halbbrücke (44_x, 44_x+1 ) deaktivierbar sind, solange eine Spannung (Vx+i), die im x+1-ten Teilzellstrang (16_x+1) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VX+IG) ist.
23. Photovoltaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die aktivierbaren Halbbrücken (44_1 ; 44_x, 44_x+1 ; 44_n-1 ) ihre zwei Schalteinrichtungen (46_11 , 46_12; 46_x1 , 46_x2, 46_x+1_1 , 46_x+1_2; 46_n-1_1 , 46_n-1_2) bei Aktivierung periodisch asynchron schalten um die Sollspannungen (Vis,; Vx+is; Vns) der zugeordneten Teilzellstränge (16_1 ; 16_x+1 ; 16_n) bereitzustellen.
24. Photovoltaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei das Photovoltaikmodul (10) eine Halbbrückensteuerung (52) umfasst, mittels derer die aktivierbaren Halbbrücken (44_1 ; 44_x, 44_x+1 ; 44_n-1 ) aktiviert und gesteuert werden, und
wobei die Halbbrückensteuerung (52) die Sollspannungen (Vis; Vx+is; Vns) der zugeordneten Teilzellstränge (16_1 ; 16_x+1 ; 16_n) mit Maxim um-Power-Point- Tracking, MPPT, steuert.
25. Photovoltaikmodu! (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 24,
wobei zwischen dem Halbbrückenknotenpunkt (50_x) der x-ten Halbleiterbrücke (44_x) und dem x+1-ten Knotenpunkt (28_x+1 ) des Zellstrangs (14) eine x-te Halbbrückeninduktivität (54_x) geschaltet ist,
26. Photovoltaikmodu! (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 25,
wobei zwischen dem ersten Knotenpunkt (28_1 ) und dem η+1 -ten Knotenpunkt (28_n+1 ) des Zellstrangs (14) ein Zellstrangkondensator (54) geschaltet ist,
27. Photovoltaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 21 bis 26,
wobei, für 2≤ y≤ n-1 und ein y-ter Teilzellstrangkondensator (56_y1 ) parallel zum y-ten Teilzellstrang (16_y) geschaltet ist.
28. Photovoltaikmodul (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 27,
wobei der Zellstrang (14) an dem ersten und η-1-ten Knotenpunkt (28_1 , 28_n+1 ) über einen Zeilstrangtiefsetzsteiler (62) an den ersten Modulanschiuss (12_1 ) und den zweiten Modulanschiuss (12_2) angeschlossen ist.
29. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 28,
wobei die Halbbrückensteuerung (52) den Zeilstrangtiefsetzsteiler (62) und die Sollspannungen der zugeordneten Teilzellstränge (16 1 ; 16_x+1 ; 16_n) mit Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, steuert und als Ausgangsstrom des Zellstrangtiefsetzstellers (62) einen gewünschten Photovoltaikstrangstrom (Ipvst) liefert.
30. Photovoltaikmodul (10) nach Anspruch 29,
wobei der Zel Istra ngtiefsetzstel ler (62) folgende Konfiguration umfasst:
- eine n-te steuerbare Halbbrücke (44_n) umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen (46_n1 , 46_n2) zwischen dem ersten Knotenpunkt (28_1 ) und dem η+1 -ten Knotenpunkt (28_n+1 ) des Zellstrangs (14);
einen Halbbrückenknotenpunkt (50_n) zwischen den beiden Schalteinrichtungen (46_n1 , 46_n2), der über eine Tiefsetzstellerinduktivität (64) mit dem ersten Modulanschluss (12__1 ) des Photovoltaikmoduls (10) verbunden ist;
- ein Tiefsetzstellerkondensator (66) zwischen dem ersten Modulanschluss (12_1 ) und dem zweiten Modulanschluss (12_2); und
- dem η+1-ten Knotenpunkt (28_n+1 ) des Zellstrangs (14), der mit dem zweiten Modulanschluss (12_2) verbunden ist.
31. Steuerschaltung mit einer Mehrzahl von steuerbaren Halbbrücken (44_1 ..44_n-1 ) für ein Photovoltaikmodul (10),
wobei das Photovoltaikmodul (10) einen ersten Modulanschluss (12_1 ) und einen zweiten Modulanschluss (12_2) und mindestens einem Zellstrang (14) aufweist, wobei, für n≥ 2 und zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1 .16_n) aufweist, die an n+1 Knotenpunkten (28_1 .. 28_n+1 ) verbunden sind und wobei der erste Knotenpunk (28_1 ) am Beginn des Zellstrangs (14) und der η+1 -te Knotenpunkt (28_n+1 ) am Ende des Zellstrangs (14) liegt;
wobei, für 1 ≤ x≤ n-1 und eine x-te steuerbare Halbbrücke (44_x) umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen (46_x1 , 46_x2) zwischen dem i-ten Knotenpunkt (28_i), mit 1 ≤ i≤ x und und dem j-ten Knotenpunkt (28 J), mit x+2≤ j < n+1 und des Zellstrangs (14) geschaltet ist und ein Halbbrückenknotenpunkt (50_x) zwischen den beiden Schalteinrichtungen (46_x1 , 46_x2) mit dem x+1 -ten Knotenpunkt (28_x+1 ) des Zellstrangs (14) verbunden ist,
wobei die erste Halbbrücke (44_1 ) zum Bereitstellen einer Sollspannung (V1S) am zugeordneten ersten Teilzellstrang (16 1 ) aktivierbar ist, solange eine Spannung (Vi), die im ersten Teilzeilstrang (16_1 ) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VIG) ist und die erste Halbbrücke (44_1 ) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (Vi), die im ersten Teilzellstrang (16_1 ) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VIG) ist, und
wobei die η-1-te Halbbrücke (44_n-1 ) zum Bereitstellen einer Sollspannung (Vns) am zugeordneten n-ten Teüzeüstrang (16_n) aktivierbar ist, solange eine Spannung (Vn), die im n-ten Teilzellstrang (16_n) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VDG) ist und die η-1 -te Halbbrücke (44_n-1 ) deaktivierbar ist, solange eine Spannung (Vn), die im n-ten Teilzellstrang (16_n) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VHG) ist.
32. Steuerschaltung nach Anspruch 31 , wobei die Gesamtheit der n-1 Halbbrücken (44_1..44_n-1 ) des Zellstrangs (14) dazu ausgebildet ist, eine Gesamtheit von Freilaufdioden (40_1 ..40_n) des Zellstrangs (14) des Photovoltaikmoduls (10) zu ersetzen.
33. Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls (10) mit mindestens einem Zellstrang (14),
wobei zumindest ein Zellstrang (14) n in Serie geschaltete Teilzellstränge (16_1..16_n) aufweist , mit n ≥ 2 und
wobei, für 1 ≤ x≤ n-1 und eine x-te steuerbare Halbbrücke (44_x),
umfassend zwei asynchron schaltbare Schalteinrichtungen (46_x1 , 46_x2), konfiguriert ist,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Aktivieren der ersten Halbbrücke (44_1 ) zum Bereitstellen einer
Sollspannung (Vis) am zugeordneten ersten Teilzellstrang (16_1 ), solange eine Spannung (Vi), die im ersten Teilzellstrang (16_1 ) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (V-IG) ist,
- Deaktivieren der ersten Halbbrücke (44_1 ), solange eine Spannung (Vi), die im ersten Teilzellstrang (16_1 ) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige
Spannungsgrenzwert (VIG) ist, und
- Aktivieren der η-1-ten Halbbrücke (44_n-1 ) zum Bereitstellen einer Sollspannung (Vns) am zugeordneten n-ten Teilzellstrang (16_n), solange eine Spannung (Vn), die im n-ten Teilzellstrang (16_n) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert (VRG) ist,
- Deaktivieren der η-1 -ten Halbbrücke (44_n-1 ), solange eine Spannung (Vn), die im n-ten Teilzellstrang (16_n) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VnG) ist.
34. Verfahren zur Steuerung eines Photovoltaikmoduls (10) nach Anspruch 33, wobei, für n ä 3 und n e i das Verfahren folgende zusätzliche Schritte aufweist:
- Aktivieren der x-ten und der x+1 -ten Halbbrücke (44_x, 44_x+1 ) zum Bereitstellen einer Sollspannung (Vx+1s) am zugeordneten x+1-sten Teilzellstrang (16_x+1 ), solange eine Spannung (Vx+i), die im x+1 -ten Teilzellstrang (16_x+1 ) abfällt, kleiner oder gleich einem vorgegebenen jeweiligen Spannungsgrenzwert
- Deaktivieren der x-ten und der x+1-ten Halbbrücke (44_x, 44_x+1), solange eine Spannung (Vx+i), die im x+1-ten Teilzellstrang (16_x+1) abfällt, größer als der vorgegebene jeweilige Spannungsgrenzwert (VX+1G) ist.
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