DE102009030406A1 - Circuit arrangement for connecting maximum power point power source to power supply network of motor vehicle, has electronic switch, diode and inductor for controllably connecting power source with network in different power ranges - Google Patents

Circuit arrangement for connecting maximum power point power source to power supply network of motor vehicle, has electronic switch, diode and inductor for controllably connecting power source with network in different power ranges Download PDF

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    • H02M3/158Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load

Abstract

The circuit arrangement has an electronic switch (309), a diode (311) and an inductor (312) for controllably connecting a maximum power point (MPP) power source (307) with a power supply network (301) in different power ranges. The diode is arranged parallel to the inductor. A closed loop control (306) detects the power ranges based on input signals (I, U) and controls, activates and deactivates the electronic switch, diode and the inductor based on the detected power ranges. An independent claim is also included for a method for connecting a power source to a power supply network.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Anbindung einer Energiequelle an ein Energienetz sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Schaltung.The The invention relates to a circuit and a method for connection a power source to a power grid as well as a vehicle with a such circuit.

In konventionellen Fahrzeugenergiebordnetzen ist ein Generator als Energiequelle vorgesehen, der durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Häufig ist der Generator die einzige Energiequelle in dem Fahrzeug. Mit zunehmendem Grad der Elektrifizierung steigt auch der elektrische Leistungsbedarf, so dass eine grundsätzliche Motivation besteht, weitere Energiequellen in dem Fahrzeug nutzbar zu machen.In conventional vehicle power grids is a generator as Provided energy source, which is driven by an internal combustion engine. Often the generator is the only source of energy in the vehicle. With As the level of electrification increases, so does the electrical level Power requirement, so that there is a fundamental motivation, to harness additional energy sources in the vehicle.

Um die CO2-Emission des Fahrzeugs zu reduzieren, sind Maßnahmen bekannt, die die Energieerzeugung optimieren (z. B. in Form eines ”Mild-Hybrid”-Fahrzeugs und/oder einer optimierten Generatorregelung).Around reducing the vehicle's CO2 emissions are measures which optimize energy production (eg in the form of a "mild hybrid" vehicle) and / or an optimized generator control).

Zusätzlich zu dem genannten Generator können in dem Fahrzeug weitere elektrische Energiequellen eingesetzt werden. Diese zusätzlichen Energiequellen können die Energie aus der Umgebung (z. B. Sonneneinstrahlung, Temperatur, Vibration, Bewegung des Fahrzeugs, etc.) gewinnen und entnehmen nicht (wie der Generator) die Energie aus der Primärenergiequelle ”Kraftstoff” des Fahrzeugs. Beispiele für solche Energiequellen sind: Thermoelektrischer Generator (TEG), Photovoltaik-Module, piezoelektrische Kristalle.In addition to the said generator can in the vehicle other electrical energy sources are used. These additional sources of energy can the energy from the environment (eg solar radiation, temperature, Vibration, movement of the vehicle, etc.) win and remove not (like the generator) the energy from the primary fuel "fuel" of the vehicle. Examples for such Energy sources are: thermoelectric generator (TEG), photovoltaic modules, piezoelectric Crystals.

Derartige Energiequellen haben die Eigenschaft, dass die Menge der Energieabgabe abhängig von der Ausgangsspannung ist. Da die Energie aus der Umgebung entnommen wird, ist es das Ziel, mit diesen Energiequellen möglichst viel elektrische Energie zu erzeugen, um den Generator bestmöglich zu entlasten und somit weniger Kraftstoff zum Betrieb des Generators zu benötigen. Diesbezüglich zeigen 1A und 1B Charakteristiken sogenannter MPP (”Maximum Power Point”) Energiequellen, also Energiequellen, die einen optimalen Betriebsmodus aufweisen. 1A zeigt eine Kennlinie 101 maximaler elektrischer Leistung abhängig von der Spannung und der Temperatur und 1B zeigt eine Kennlinie 102 maximaler elektrischer Leistung abhängig von der Spannung und der Energieeinstrahlung.Such energy sources have the property that the amount of energy release is dependent on the output voltage. Since the energy is taken from the environment, the goal is to generate as much electrical energy as possible with these energy sources in order to relieve the generator in the best possible way and thus require less fuel to operate the generator. Show in this regard 1A and 1B Characteristics of so-called MPP (Maximum Power Point) energy sources, ie energy sources that have an optimal operating mode. 1A shows a characteristic 101 maximum electrical power depending on the voltage and the temperature and 1B shows a characteristic 102 maximum electrical power depending on the voltage and the energy radiation.

Da diese MPP Energiequellen starken Schwankungen hinsichtlich der von ihnen bereitgestellten Spannungen unterliegen können, werden sie oftmals über geregelte elektrische Wandler mit dem Energiebordnetz des Fahrzeugs verbunden. Dies ist vergleichbar z. B. mit Wechselrichtern, die zur Anbindung von Photovoltaik-Anlagen an das elektrische Versorgungsnetz eingesetzt werden oder mit geregelten DC/DC-Wandlern zum Laden von Batterien (z. B. in Wohnmobilen).There These MPP energy sources vary greatly in terms of Often they are subject to regulated tensions electrical converter connected to the power cord of the vehicle. This is comparable z. B. with inverters used for connection used by photovoltaic systems to the electrical supply network or with regulated DC / DC converters for charging batteries (eg in mobile homes).

Zur optimierten Nutzung der MPP-Energiequellen werden häufig Spannungswandler verwendet, die mit überlappenden Spannungsbereichen arbeiten können. Ein solcher Spannungswandler kann mindestens einen Aufwärtswandler und/oder mindestens einen Abwärtswandler aufweisen.to Optimized use of MPP energy sources often become voltage transformers used with overlapping ones Voltage ranges can work. Such a voltage converter can have at least one boost converter and / or at least one buck converter exhibit.

Der Einsatz eines solchen Spannungswandlers erzeugt Verluste und liefert einen unerwünschten thermischen Beitrag in dem vorgesehenen Bauraum. Gegebenenfalls müssen gesonderte Maßnahmen zur Kühlung der Komponenten des Wandlers vorgesehen werden. Hierbei nehmen die Verluste des Wandlers mit zunehmender Leistungsfähigkeit zu, da entsprechend seine Komponenten für eine höhere Stromtragfähigkeit und höhere Sperrspannungen ausgelegt sein müssen.Of the Use of such a voltage converter generates losses and supplies an undesirable thermal Contribution in the intended space. If necessary, separate Measures for cooling the components of the converter are provided. Here take the Losses of the converter with increasing efficiency too, as appropriate its components for a higher current carrying capacity and higher Blocking voltages must be designed.

Es ist auch bekannt, die MPP-Energiequelle über eine Diode mit dem Energiebordnetz zu verbinden und keine separate Regelung oder Anpassung (in Form des Spannungswandlers) vorzusehen. Allerdings ist diese Lösung in Teilen des möglichen Spannungsbereichs und Leistungsbereichs der MPP-Energiequelle deutlich schlechter als die Anbindung über den Spannungswandler.It is also known, the MPP power source via a diode with the power onboard to connect and no separate regulation or adaptation (in the form of the voltage converter). However, this solution is in Split the possible voltage range and power range of the MPP power source significantly worse as the connection over the voltage converter.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente Lösung zur Anbindung von Energiequellen, z. B. von MPP-Energiequellen in einem Fahrzeug, anzugeben.The The object of the invention is the disadvantages mentioned above and in particular an efficient solution for connecting energy sources, z. From MPP energy sources in a vehicle.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.These Task is performed according to the characteristics of independent claims solved. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltung zur Anbindung einer Energiequelle an ein Energienetz angegeben,

  • – bei der in einem ersten Leistungsbereich die Energiequelle mittels eines ersten Elements geregelt mit dem Energienetz verbunden ist und
  • – bei der mindestens in einem zweiten Leistungsbereich die Energiequelle mittels eines zweiten Elements ungeregelt mit dem Energienetz verbunden ist.
To achieve the object, a circuit for connecting a power source to a power grid is specified,
  • - In which in a first power range, the power source is connected by means of a first element regulated to the power grid, and
  • - Wherein the energy source is at least in a second power range unregulated by means of a second element connected to the power grid.

Hierbei ist es von Vorteil, dass in dem zweiten Leistungsbereich die Energiequelle über das zweite Element effizient und kostengünstig mit dem Energienetz verbunden werden bzw. verbunden sein kann. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der zweite Leistungsbereich eine höhere Leistung der Energiequelle abdeckt als der erste Leistungsbereich. In diesem Fall kann das erste Element, das eine geregelte Verbindung der Energiequelle mit dem Energienetz ermöglicht, für den niedrigeren Leistungsbereich ausgelegt sein. Dies bringt im Hinblick auf die aufwändigere Regelung Kostenvorteile sowie Vorteile hinsichtlich Bauraum und Kühlungsbedarf.In this case, it is advantageous that, in the second power range, the energy source can be connected and / or connected to the energy network efficiently and inexpensively via the second element. This is especially true in the case where the second power range covers a higher power source than the first power range. In this case, the first element, the allows a regulated connection of the power source to the power grid, designed for the lower power range. This brings in terms of more complex control cost advantages and benefits in terms of space and cooling requirements.

Eine Weiterbildung ist es, dass das erste Element ein Wandler, insbesondere ein Spannungswandler ist.A Further education is that the first element is a converter, in particular a voltage converter is.

Eine andere Weiterbildung ist es, dass der Wandler mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

  • – einen Hochsetzsteller;
  • – einen Tiefsetzsteller;
  • – einen Hochtiefsetzsteller.
Another development is that the converter comprises at least one of the following components:
  • A boost converter;
  • A buck converter;
  • - a high stepper converter.

Auch können spezielle Wandler eingesetzt werden, z. B. Boost, Buck, Sepic, Cuk, und daraus abgeleitete Topologien wie Sperrwandler, Push-Pull, Vorwärtswandler. Auch Kombinationen aus den genannten Wandlern sind einsetzbar.Also can special transducers are used, for. B. Boost, Buck, Sepic, Cuk, and derived topologies such as flyback converters, push-pull, forward converters. Combinations of the mentioned transducers can also be used.

Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass das zweite Element eine Diode, eine gesteuerte Diode bzw. Schaltelement (Relais) oder einen Leistungstransistor, z. B. einen MOSFET umfasst.Especially It is a development that the second element is a diode, a controlled diode or switching element (relay) or a power transistor, z. B. comprises a MOSFET.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Energiequelle in dem ersten Leistungsbereich und in dem zweiten Leistungsbereich über das zweite Element mit dem Energienetz verbunden ist.Also It is a training that the energy source in the first Performance area and in the second area of performance over the second element is connected to the power grid.

Dadurch kann das zweite Element eine Ausfallsicherheit hinsichtlich eines möglichen Defekts des ersten Elements gewährleisten. So wird sichergestellt, dass auch im Fehlerfall des ersten Elements die Energiequelle (in dem ersten Leistungsbereich) mit dem Energienetz verbunden ist. Die Funktionalität ist somit auch in dem ersten Leistungsbereich gewährleistet, auch wenn das erste Element nicht funktioniert.Thereby the second element can be a failsafe in terms of a potential Ensure defect of the first element. This ensures that even if the first element fails, the Energy source (in the first power range) with the power grid connected is. The functionality is therefore guaranteed even in the first performance range, even if the first element does not work.

Ferner ist es eine Weiterbildung, dass das zweite Element parallel zu dem ersten Element angeordnet ist.Further It is a development that the second element parallel to the first element is arranged.

Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der erste Leistungsbereich ein Bereich geringerer Leistung ist als der zweite Leistungsbereich.A next Continuing education is that the first performance area Lower power range than the second power range.

Somit kann das zweite Element (z. B. die Diode) für einen hohen Leistungsbereich der Energiequelle ausgelegt sein, wohingegen das erste Element (z. B. der Spannungswandler) effizient und kostengünstig für einen niedrigen Leistungsbereich der Energiequelle ausgelegt ist.Consequently For example, the second element (eg, the diode) may be for a high power range the energy source, whereas the first element (z. B. the voltage converter) efficient and inexpensive for a low power range the power source is designed.

Eine Ausgestaltung ist es, dass eine Regelung vorgesehen ist, anhand derer abhängig von mindestens einem Eingangssignal das erste Element und/oder das zweite Element ansteuerbar ist.A Embodiment is that a scheme is provided, based depending on them of at least one input signal, the first element and / or the second element is controllable.

Die Regelung kann z. B. in Form eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors in Hardware, Firmware oder Software realisiert sein. Auch kann die Regelung in Digital- oder in Analogtechnik implementiert sein.The Control can z. B. in the form of a microcontroller or microprocessor be realized in hardware, firmware or software. Also, the Control in digital or be implemented in analog technology.

Hierbei kann abhängig von mindestens einem Eingangssignal der Regelung das erste Element, z. B. der Wandler, geeignet angesteuert, aktiviert und/oder deaktiviert werden. Auch ist es möglich, dass das zweite Element, z. B. die Diode, aktiviert bzw. deaktiviert wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Regelung den Strompfad der Diode leitend schaltet oder entsprechend sperrt.in this connection can be dependent of at least one input signal of the control the first element, z. As the converter, suitably activated, activated and / or deactivated become. It is also possible that the second element, z. As the diode, activated or deactivated becomes. This can be achieved by making the scheme the current path the diode turns on or locks accordingly.

Vorzugsweise wird mittels der Regelung das erste Element, z. B. der Wandler, getaktet angesteuert, so dass eine Anpassung des Energieniveaus der Energiequelle entsprechend einer vorgegebenen Größe erfolgt.Preferably is the first element, z. The transducer, controlled clocked, allowing an adjustment of the energy level the power source is made according to a predetermined size.

Insbesondere kann die Diode immer aktiv sein und nur der Wandler wird mittels der Regelung angesteuert oder inaktiv geschaltet.Especially the diode can always be active and only the converter is using the control is driven or disabled.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass mindestens ein Eingangssignal der Regelung mindestens eines der folgenden Signale umfasst:

  • – eine Spannung der Energiequelle;
  • – einen Strom, der von der Energiequelle bereitgestellt wird.
An alternative embodiment is that at least one input signal of the control comprises at least one of the following signals:
  • A voltage of the power source;
  • A current provided by the power source.

Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass abhängig von dem mindestens einen Eingangssignal mittels der Regelung eine Diagnosefunktion durchführbar ist.A next Design is that dependent from the at least one input signal by means of the control Diagnostic function feasible is.

Somit kann die Regelung derart eingerichtet sein, dass mindestens eines der Eingangssignale geeignet ausgewertet wird und z. B. durch Detektion einer Veränderung um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert eine vorbestimmte Aktion ausgelöst wird. So könnte z. B. ein Defekt (z. B. über einen Spannungs- oder Leistungseinbruch) der Energiequelle detektiert werden. Auch kann mittels geeigneter Eingangssignale eine Funktion der Diode oder des Wandlers (allgemein des ersten Elements und/oder des zweiten Elements) geprüft werden. Gegebenenfalls kann die Regelung über eine Notfall-Deaktivierung der Schaltung verfügen und/oder eine Fehlermeldung generieren und geeignet anzeigen oder weiterleiten. Beispielsweise kann die Regelung eine solche Diagnose über ein Bussystem an eine zentrale Komponente eines Fahrzeugs weiterleiten, die abhängig von der Art der Diagnose eine vorgegebene Aktion einleitet oder durchführt.Consequently the scheme may be arranged such that at least one the input signals is evaluated appropriately and z. B. by detection a change by more than a predetermined threshold, a predetermined action is triggered. So could z. B. a defect (eg a voltage or power dip) of the power source detected become. Also, by means of suitable input signals, a function the diode or transducer (generally the first element and / or of the second element) become. Optionally, the scheme may have an emergency deactivation the circuit and / or generate an error message and display or appropriate hand off. For example, the controller may include such a diagnosis Forward the bus system to a central component of a vehicle, the dependent initiates a predefined action from the type of diagnosis or performs.

Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Regelung den ersten Leistungsbereich und den zweiten Leistungsbereich anhand des mindestens einen Eingangssignals detektiert und abhängig von dem detektierten Leistungsbereich das erste Element und/oder das zweite Element ansteuert, aktiviert oder deaktiviert.Also It is an embodiment that the scheme is the first power range and the second power range based on the at least one input signal detected and dependent from the detected power range, the first element and / or the second element is activated, activated or deactivated.

Eine Weiterbildung besteht darin, dass die Energiequelle mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst:

  • – einen thermoelektrischen Generator;
  • – ein Photovoltaik-Modul;
  • – piezoelektrische Kristalle.
A development consists in that the energy source comprises at least one of the following components:
  • A thermoelectric generator;
  • A photovoltaic module;
  • - piezoelectric crystals.

Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Anbindung der Energiequelle an ein Energienetz, insbesondere an ein Energiebordnetz eines Fahrzeugs, erfolgt.A additional Embodiment is that the connection of the power source to a Energy network, in particular to an energy on-board network of a vehicle, he follows.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug umfassend eine Schaltung wie hierin beschrieben.The The above object is also achieved by a vehicle comprising a circuit as described herein.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Anbindung einer Energiequelle an ein Energienetz

  • – bei dem in einem ersten Leistungsbereich die Energiequelle mittels eines ersten Elements geregelt mit dem Energienetz verbunden wird und
  • – bei dem mindestens in einem zweiten Leistungsbereich die Energiequelle mittels eines zweiten Elements ungeregelt mit dem Energienetz verbunden wird.
The above object is also achieved by a method for connecting a power source to a power grid
  • - In which in a first power range, the power source is connected by means of a first element regulated to the power grid, and
  • - In which at least in a second power range, the energy source is connected by means of a second element unregulated to the power grid.

Das Verfahren ist mittels einer Regelung (oder jedweder Steuereinheit) durchführbar. Eine solche Regelung kann – wie hierin ausgeführt – in Hardware oder Software realisiert sein.The Method is by means of a control (or any control unit) feasible. Such a regulation can - like embodied herein - in hardware or software realized.

Eine Ausgestaltung ist es, dass mittels einer Regelung abhängig von mindestens einem Eingangssignal der Regelung das erste Element und/oder das zweite Element angesteuert, aktiviert oder deaktiviert wird.A Embodiment is that by means of a regulation dependent on at least one input signal of the controller, the first element and / or the second element is activated, activated or deactivated.

Auch ist es eine Möglichkeit, dass mittels der Regelung eine Überwachung und/oder Diagnose des ersten Elements und/oder des zweiten Elements durchgeführt wird.Also is it a way that by the scheme monitoring and / or diagnosis of the first element and / or the second element.

Die sonstigen beschriebenen Ansätze gelten für das Verfahren entsprechend.The other described approaches apply to the procedure accordingly.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt und erläutert.embodiments The invention are illustrated below with reference to the drawings and explained.

Es zeigen:It demonstrate:

2 einen schematischen Verlauf eines Systemwirkungsgrads η bei Anbindung der MPP-Energiequelle (z. B. eines thermoelektrischen Generators) mittels einer Diode und bei Anbindung der MPP-Energiequelle mittels eines geregelten DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit von der Leistung P des Systems; 2 a schematic course of a system efficiency η when connecting the MPP energy source (eg a thermoelectric generator) by means of a diode and when connecting the MPP energy source by means of a regulated DC / DC converter as a function of the power P of the system;

3 eine Schaltungsanordnung zur Anbindung einer MPP-Energiequelle an ein Energiebordnetz, z. B. eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Regelung einen Wandler in Abhängigkeit des Leistungsbereich der MPP-Energiequelle bzw. des optimierten Wirkungsgrads aktiviert bzw. deaktiviert; ist der Wandler inaktiv, so ist die MPP-Energiequelle über eine Diode an das Energiebordnetz gekoppelt; 3 a circuit arrangement for connecting an MPP power source to an energy on-board network, z. B. a motor vehicle, wherein a controller activates or deactivates a converter depending on the power range of the MPP power source or the optimized efficiency; if the converter is inactive, the MPP energy source is coupled via a diode to the power supply system;

4 eine alternative Schaltungsanordnung zur Anbindung einer MPP-Energiequelle an ein Energiebordnetz, wobei die Diode zur Überbrückung des Wandlers angeordnet ist. 4 an alternative circuit arrangement for connecting a MPP power source to an energy board network, wherein the diode is arranged to bypass the converter.

Der hier vorgeschlagene Ansatz kombiniert auf besonders effiziente Weise die Vorteile einer ungeregelten und einer geregelten Anbindung einer MPP-Energiequelle an ein Energiebordnetz z. B. eines Fahrzeugs.Of the The approach proposed here combines in a particularly efficient way the advantages of an unregulated and a regulated connection of a MPP energy source to an energy board network z. B. a vehicle.

So wird ein geregelter Wandler (z. B. ein Spannungswandler, Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller, oder Kombinationen hiervon) für einen ersten Leistungsbereich der MPP-Energiequelle eingesetzt, so dass die Energie der MPP-Energiequelle über den Wandler in das Energiebordnetz gespeist wird.So becomes a regulated converter (eg a voltage converter, boost converter, Buck converter, or combinations thereof) for a first power range the MPP energy source is used, allowing the energy of the MPP energy source through the transducer is fed into the power cord network.

Für einen zweiten Leistungsbereich der MPP-Energiequelle wird der Wandler abgeschaltet und die Einspeisung der Energie der MPP-Energiequelle in das Energiebordnetz erfolgt direkt, z. B. über einen gesteuerten Schalter oder über eine Diode.For one second power range of the MPP power source is the converter switched off and the supply of energy of the MPP energy source in the power cord network is done directly, z. B. via a controlled switch or over a diode.

Der erste Leistungsbereich der MPP-Energiequelle entspricht vorzugsweise einem Bereich geringer Leistung und der zweite Leistungsbereich der MPP-Energiequelle entspricht vorzugsweise einem Bereich hoher Leistung. Insbesondere können der erste Leistungsbereich und der zweite Leistungsbereich einen gesamten Leistungsbereich der MPP-Energiequelle abdecken.Of the first power range of the MPP power source preferably corresponds a low power area and the second power area the MPP power source preferably corresponds to a high range Power. In particular, you can the first power range and the second power range one cover the entire power range of the MPP energy source.

Auch ist es möglich, dass entsprechend mehrere Leistungsbereiche vorgesehen sind, in denen eine unterschiedliche Anbindung der MPP-Energiequelle an das Energiebordnetz erfolgt. Beispielsweise können verschiedene Wandler für unterschiedliche Leistungsbereiche vorgesehen sein.Also Is it possible, that correspondingly more power ranges are provided, in which a different connection of the MPP energy source to the Power onboard network takes place. For example, different converters can be different Service areas be provided.

2 zeigt einen schematischen Verlauf eines Systemwirkungsgrads η bei Anbindung der MPP-Energiequelle (z. B. eines thermoelektrischen Generators) mittels einer Diode (Graph 201) und bei Anbindung der MPP-Energiequelle mittels eines geregelten DC/DC-Wandlers (Graph 202) in Abhängigkeit von der Leistung P des Systems. In dem Leistungsbereich bis ca. 50 W ist die Anbindung an das Energiebordnetz über den Wandler deutlich effizienter und in dem Leistungsbereich ab ca. 50 W ist die Anbindung der MPP-Energiequelle über eine Diode eine wirkungsgradoptimierte Lösung. 2 shows a schematic course of a system efficiency η when connecting the MPP power source (eg, a thermoelectric generator) by means of a diode (Graph 201 ) and when connecting the MPP power source by means of a regulated DC / DC converter (Graph 202 ) depending on the power P of the system. In the power range up to approx. 50 W, the connection to the power supply system via the converter is significantly more efficient, and in the power range above approx. 50 W, the connection of the MPP energy source via a diode is a solution optimized for efficiency.

3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Anbindung einer MPP-Energiequelle an ein Energiebordnetz, z. B. eines Kraftfahrzeugs, wobei eine Regelung einen Wandler in Abhängigkeit des Leistungsbereich der MPP-Energiequelle bzw. des optimierten Wirkungsgrads aktiviert bzw. deaktiviert. Ist der Wandler inaktiv, so ist die MPP-Energiequelle über eine Diode an das Energiebordnetz gekoppelt. 3 shows a circuit arrangement for connecting an MPP power source to an energy on-board network, z. B. a motor vehicle, wherein a controller activates or deactivates a converter depending on the power range of the MPP power source or the optimized efficiency. If the converter is inactive, then the MPP energy source is coupled via a diode to the power supply system.

3 zeigt ein Energiebordnetz 301, bei dem ein Starter 302, ein Generator 303, eine Batterie 304 und ein Verbraucher 305 parallel geschaltet sind. Der positive Pol des Energiebordnetzes 301 ist mit einem Knoten 314 verbunden. 3 shows an energy board network 301 in which a starter 302 , a generator 303 , a battery 304 and a consumer 305 are connected in parallel. The positive pole of the energy system 301 is with a node 314 connected.

Eine MPP-Energiequelle 307 ist mit ihrem positiven Pol mit einem Knoten 315 verbunden, der negative Pol liegt an Masse. Eine Induktivität 312 liegt zwischen dem Knoten 315 und einem Knoten 316. Eine Diode 311 ist zwischen dem Knoten 316 und dem Knoten 314 angeordnet, wobei die Kathode der Diode 311 in Richtung des Knotens 314 zeigt. Ein Kondensator 308 (z. B. stellvertretend für ein EMV-Filter) ist einerseits mit dem Knoten 314 und andererseits mit Masse verbunden. Ein Kondensator 313 (z. B. stellvertretend für ein EMV-Filter) ist einerseits mit dem Knoten 315 und andererseits mit Masse verbunden. Die EMV-Filter können beispielsweise zwei Kondensatoren und eine Induktivität umfassen und/oder in einer PI-Topologie ausgeführt sein. Ein elektronischer Schalter 309 ist einerseits mit dem Knoten 316 und andererseits mit Masse verbunden. Der elektronische Schalter 309 kann z. B. als ein Transistor, ein MOSFET, ein IGBT oder als ein Triac ausgeführt sein. Der elektronische Schalter 309 wird über ein Signal 310 einer Regelung 306 angesteuert. Die Regelung 306 erhält eine Spannungsinformation U der Spannung der MPP-Energiequelle 307 sowie eine Strominformation I des von der MPP-Energiequelle 307 eingespeisten Stroms. Abhängig von der Spannungsinformation U und/oder der Strominformation I generiert die Regelung 306 ein entsprechendes Signal 310 zur Ansteuerung des elektronischen Schalters 309.An MPP energy source 307 is with her positive pole with a knot 315 connected, the negative pole is grounded. An inductance 312 lies between the node 315 and a node 316 , A diode 311 is between the node 316 and the node 314 arranged, the cathode of the diode 311 in the direction of the knot 314 shows. A capacitor 308 (eg representative of an EMC filter) is on the one hand with the node 314 and on the other hand connected to ground. A capacitor 313 (eg representative of an EMC filter) is on the one hand with the node 315 and on the other hand connected to ground. For example, the EMC filters may include two capacitors and one inductor and / or be implemented in a PI topology. An electronic switch 309 is on the one hand with the node 316 and on the other hand connected to ground. The electronic switch 309 can z. B. be designed as a transistor, a MOSFET, an IGBT or a triac. The electronic switch 309 will have a signal 310 a regulation 306 driven. The regulation 306 obtains a voltage information U of the voltage of the MPP power source 307 and current information I from the MPP power source 307 fed electricity. Depending on the voltage information U and / or the current information I generates the control 306 a corresponding signal 310 for controlling the electronic switch 309 ,

Somit wird die MPP-Energiequelle 307 über einen Hochsetzsteller an das Energiebordnetz 301 angebunden. Im niedrigen Leistungsbereich wird der DC/DC-Wandler getaktet betrieben und mit Hilfe der Regelung 306 eingestellt. Sobald die MPP-Energiequelle 307 so viel Energie erzeugt, dass eine Anbindung über die Diode 311 einen besseren Wirkungsgrad (als die Anbindung über den Wandler) erzielt, wird der DC/DC-Wandler mittels der Regelung 306 abgeschaltet. Die MPP-Energiequelle 307 speist dann ungeregelt über die Diode 311 Energie in das Energiebordnetz 301 ein.Thus, the MPP power source becomes 307 via a boost converter to the power cord network 301 tethered. In the low power range, the DC / DC converter is operated clocked and with the help of the control 306 set. Once the MPP power source 307 generates so much energy that a connection via the diode 311 achieved a better efficiency (as the connection via the converter), the DC / DC converter by means of the scheme 306 off. The MPP energy source 307 then feeds unregulated via the diode 311 Energy in the power cord network 301 one.

Hierbei ist es von Vorteil, dass nur die Diode 311 und die Strombelastbarkeit der Induktivität 312 für den maximal auftretenden Stromfluss der MPP-Energiequelle 307 ausgelegt sein müssen. Der elektronische Schalter 309, die Kondensatoren 308 und 309 (EMV Filter) sowie das Kernmaterial für die Induktivität 312 müssen nur für den niedrigen Leistungsbereich (im Beispiel von 2 kleiner (oder gleich) 50 W) ausgelegt sein und können somit auf einem geringen Bauraum integriert werden.It is advantageous that only the diode 311 and the current carrying capacity of the inductance 312 for the maximum occurring current flow of the MPP energy source 307 must be designed. The electronic switch 309 , the capacitors 308 and 309 (EMC filter) and the core material for the inductance 312 need only for the low power range (in the example of 2 smaller (or equal) 50 W) and can thus be integrated in a small space.

Die Regelung 306 kann beispielsweise als ein Mikrokontroller realisiert sein.The regulation 306 can be realized for example as a microcontroller.

4 zeigt eine alternative Schaltungsanordnung zur Anbindung einer MPP-Energiequelle an ein Energiebordnetz, wobei die Diode jetzt zur Überbrückung des Wandlers und etwaig vorhandenen EMV-Filtern angeordnet ist. 4 shows an alternative circuit arrangement for connecting an MPP power source to an energy onboard, the diode is now arranged to bypass the converter and any existing EMC filters.

4 zeigt wieder das Energiebordnetz 301, das bereits im Zusammenhang mit 3 beschrieben ist. Der positive Pol des Energiebordnetzes 301 ist mit einem Knoten 414 verbunden. 4 shows again the power cord net 301 that already related to 3 is described. The positive pole of the energy system 301 is with a node 414 connected.

Eine MPP-Energiequelle 407 ist mit ihrem positiven Pol mit einem Knoten 415 verbunden, der negative Pol liegt an Masse. Eine Induktivität 412 liegt zwischen dem Knoten 415 und einem Knoten 416. Eine Diode 411 ist zwischen dem Knoten 415 und dem Knoten 414 angeordnet, wobei die Kathode der Diode 411 in Richtung des Knotens 414 zeigt. Ein Kondensator 408 (z. B. stellvertretend für ein EMV-Filter) ist einerseits mit dem Knoten 414 und andererseits mit Masse verbunden. Ein Kondensator 413 (z. B. stellvertretend für ein EMV-Filter) ist einerseits mit dem Knoten 415 und andererseits mit Masse verbunden. Die EMV-Filter können beispielsweise zwei Kondensatoren und eine Induktivität umfassen und/oder in einer PI-Topologie ausgeführt sein. Ein elektronischer Schalter 409 ist einerseits mit dem Knoten 416 und andererseits mit Masse verbunden. Zwischen dem Knoten 414 und dem Knoten 416 ist ein Schalter 417, der insbesondere als ein elektronischer Schalter ausgeführt ist, angeordnet. Der elektronische Schalter 409 bzw. der elektronische Schalter 417 kann z. B. als ein Transistor, ein MOSFET, ein IGBT oder als ein Triac ausgeführt sein. Der elektronische Schalter 409 wird über ein Signal 410 einer Regelung 406 angesteuert. Die Regelung 406 erhält eine Spannungsinformation U der Spannung der MPP- Energiequelle 407 sowie eine Strominformation I des von der MPP-Energiequelle 407 eingespeisten Stroms. Abhängig von der Spannungsinformation U und/oder der Strominformation I generiert die Regelung 406 ein entsprechendes Signal 410 zur Ansteuerung des elektronischen Schalters 409.An MPP energy source 407 is with her positive pole with a knot 415 connected, the negative pole is grounded. An inductance 412 lies between the node 415 and a node 416 , A diode 411 is between the node 415 and the node 414 arranged, the cathode of the diode 411 in the direction of the knot 414 shows. A capacitor 408 (eg representative of an EMC filter) is on the one hand with the node 414 and on the other hand connected to ground. A capacitor 413 (eg representative of an EMC filter) is on the one hand with the node 415 and on the other hand connected to ground. For example, the EMC filters may include two capacitors and one inductor and / or be implemented in a PI topology. An electronic switch 409 is on the one hand with the node 416 and on the other hand connected to ground. Between the node 414 and the node 416 is a switch 417 , which is designed in particular as an electronic switch, arranged. The electronic switch 409 or the electronic switch 417 can z. B. be designed as a transistor, a MOSFET, an IGBT or a triac. The electronic switch 409 will have a signal 410 a regulation 406 driven. The regulation 406 receives a voltage information U of the voltage of MPP energy source 407 and current information I from the MPP power source 407 fed electricity. Depending on the voltage information U and / or the current information I generates the control 406 a corresponding signal 410 for controlling the electronic switch 409 ,

Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist insbesondere die Diode 411 in 4 den Wandler überbrückend angeordnet. Hierbei ist es von Vorteil, dass die Verluste der Induktivität 412, des Wandlers und etwaig vorhandenen EMV-Filtern reduziert werden.Unlike the in 3 shown embodiment is in particular the diode 411 in 4 arranged bridging the transducer. It is advantageous that the losses of the inductance 412 , the converter and any existing EMC filters are reduced.

Um die Verluste zusätzlich zu vermindern, kann die Diode 411 als eine gesteuerte Diode (z. B. mittels eines MOSFETs) ausgeführt sein. Die Ansteuerung der gesteuerten Diode kann mittels der Regelung 406 erfolgen.To additionally reduce the losses, the diode can 411 as a controlled diode (eg by means of a MOSFET). The control of the controlled diode can by means of the control 406 respectively.

Auch ist es von Vorteil, dass die Regelung 406 zur Diagnose z. B. der MPP-Energiequelle, der Dioden oder des Wandlers eingesetzt werden kann. So können Veränderungen in den Signalen U und I z. B. auf defekte Funktionen hinweisen, die Regelung 406 kann für diesen Fall z. B. über eine Funktion zur (z. B. galvanischen) Trennung der MPP-Energiequelle von dem Energiebordnetz verfügen.Also it is beneficial that the scheme 406 for diagnosis z. As the MPP power source, the diodes or the transducer can be used. Thus, changes in the signals U and I z. B. indicate defective functions, the scheme 406 can in this case z. B. have a function for (eg, galvanic) separation of the MPP power source from the power onboard network.

Die Schaltung gemäß 4 hat weiterhin den Vorteil, dass auch bei Ausfall der Regelung 406 weiterhin eine ungeregelte Einspeisung elektrischer Energie von der MPP-Energiequelle in das Energiebordnetz möglich ist.The circuit according to 4 has the further advantage that even in case of failure of the scheme 406 Furthermore, an unregulated supply of electrical energy from the MPP power source is possible in the power onboard network.

Weitere Vorteile:Other advantages:

Der Aufwand für einen Wandler, insbesondere einen DC/DC-Wandler, zur Anbindung einer MPP-Energiequelle wird mittels der hier vorgeschlagenen Lösung deutlich reduziert. So kann der Wandler sowie mögliche EMV-Filter für eine niedrige Stromtragfähigkeit ausgelegt werden, was sich positiv auf ein geringes Gewicht, geringe Anforderungen an den Bauraum sowie die reduzierte benötigte Kühlleistung auswirkt. Ein derartiger Wandler spart Kosten verglichen mit einem Wandler, der auch für die volle Stromtragfähigkeit ausgelegt sein müsste.Of the Effort for a converter, in particular a DC / DC converter, for connecting an MPP power source is significantly reduced by means of the solution proposed here. So can the converter as well as possible EMC filter for a low current carrying capacity be interpreted, which is beneficial to a low weight, low Requirements for the installation space as well as the reduced required cooling capacity effect. Such a converter saves costs compared to a Converter, too, for the full ampacity would have to be designed.

Somit ergibt sich eine vorteilhafte Steigerung des Systemwirkungsgrads. Auch kann in Kombination mit z. B. einer Diode eine Redundanz geschaffen werden, so dass auch bei Ausfall des Wandlers die Funktionalität des Einspeisens der Energie von der MPP-Energiequelle erhalten bleibt.Consequently results in a beneficial increase in system efficiency. Also, in combination with z. B. a diode to create a redundancy, so that even if the converter fails, the functionality of the feed the energy from the MPP energy source preserved.

101101
Kennliniecurve
102102
Kennliniecurve
201201
Wirkungsgrad der Diodenanbindungefficiency the diode connection
202202
Wirkungsgrad der DC/DC-Wandler-Anbindungefficiency the DC / DC converter connection
301301
EnergiebordnetzEnergy board network
302302
Starterstarter
303303
Generatorgenerator
304304
Batteriebattery
305305
Verbraucherconsumer
306306
Regelungregulation
307307
MPP-EnergiequelleMPP power source
308308
Kondensator (bzw. EMV-Filter)capacitor (or EMC filter)
309309
elektronischer Schalterelectronic switch
310310
Signal (zur Ansteuerung des elektronischen Schalters 309)Signal (to control the electronic switch 309 )
311311
Diodediode
312312
Induktivitätinductance
313313
Kondensator (bzw. EMV-Filter)capacitor (or EMC filter)
314314
Knotennode
315315
Knotennode
316316
Knotennode
406406
Regelungregulation
407407
MPP-EnergiequelleMPP power source
408408
Kondensator (bzw. EMV-Filter)capacitor (or EMC filter)
409409
elektronischer Schalterelectronic switch
410410
Signal (zur Ansteuerung des elektronischen Schalters 309)Signal (to control the electronic switch 309 )
411411
Diodediode
412412
Induktivitätinductance
413413
Kondensator (bzw. EMV-Filter)capacitor (or EMC filter)
414414
Knotennode
415415
Knotennode
416416
Knotennode
417417
Schalterswitch

Claims (17)

Schaltung zur Anbindung einer Energiequelle (307; 407) an ein Energienetz (301), – bei der in einem ersten Leistungsbereich die Energiequelle (307; 407) mittels eines ersten Elements (309, 312; 409, 412) geregelt mit dem Energienetz (301) verbunden ist und – bei der mindestens in einem zweiten Leistungsbereich die Energiequelle (307; 407) mittels eines zweiten Elements (311; 411) ungeregelt mit dem Energienetz verbunden ist.Circuit for connecting an energy source ( 307 ; 407 ) to a power grid ( 301 ), - in which, in a first power range, the energy source ( 307 ; 407 ) by means of a first element ( 309 . 312 ; 409 . 412 ) regulated with the energy network ( 301 ) and - at least in a second power range, the energy source ( 307 ; 407 ) by means of a second element ( 311 ; 411 ) is unregulated connected to the power grid. Schaltung nach Anspruch 1, bei der das erste Element (309, 312; 409, 412) ein Wandler, insbesondere ein Spannungswandler ist.A circuit according to claim 1, wherein the first element ( 309 . 312 ; 409 . 412 ) is a converter, in particular a voltage converter. Schaltung nach Anspruch 2, bei der der Wandler mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst – einen Hochsetzsteller; – einen Tiefsetzsteller; – einen Hochtiefsetzsteller.The circuit of claim 2, wherein the converter is at least includes one of the following components A boost converter; - one Step-down converter; - one High step-down converter. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite Element (311; 411) eine Diode, eine gesteuerte Diode oder einen MOSFET umfasst.Circuit according to one of the preceding claims, in which the second element ( 311 ; 411 ) a diode, a controlled diode or a MOSFET. Schaltung nach Anspruch 4, bei der die Energiequelle (307; 407) in dem ersten Leistungsbereich und in dem zweiten Leistungsbereich über das zweite Element (311; 411) mit dem Energienetz verbunden ist.Circuit according to Claim 4, in which the energy source ( 307 ; 407 ) in the first power range and in the second power range via the second element ( 311 ; 411 ) is connected to the power grid. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der das zweite Element (311; 411) parallel zu dem ersten Element (309, 312; 409, 412) angeordnet ist.Circuit according to one of Claims 4 or 5, in which the second element ( 311 ; 411 ) parallel to the first element ( 309 . 312 ; 409 . 412 ) is arranged. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Leistungsbereich ein Bereich geringerer Leistung ist als der zweite Leistungsbereich.Circuit according to one of the preceding claims, in the first power range is a lower power range as the second service area. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Regelung (306; 406) vorgesehen ist, anhand derer abhängig von mindestens einem Eingangssignal das erste Element (309, 312; 409, 412) und/oder das zweite Element (311; 411) ansteuerbar ist.Circuit according to one of the preceding claims, in which a regulation ( 306 ; 406 ) is provided on the basis of which, depending on at least one input signal, the first element ( 309 . 312 ; 409 . 412 ) and / or the second element ( 311 ; 411 ) is controllable. Schaltung nach Anspruch 8, bei der das mindestens eine Eingangssignal (I, U) der Regelung (306; 406) mindestens eines der folgenden Signale umfasst: – eine Spannung der Energiequelle; – einen Strom, der von der Energiequelle bereitgestellt wird.Circuit according to Claim 8, in which the at least one input signal (I, U) of the control ( 306 ; 406 ) comprises at least one of the following signals: a voltage of the power source; A current provided by the power source. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der abhängig von dem mindestens einen Eingangssignal (I, U) mittels der Regelung (306, 406) eine Diagnosefunktion durchführbar ist.Circuit according to one of Claims 8 or 9, in which, depending on the at least one input signal (I, U), by means of the regulation ( 306 . 406 ) a diagnostic function is feasible. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Regelung (306; 406) den ersten Leistungsbereich und den zweiten Leistungsbereich anhand des mindestens einen Eingangssignals (I, U) detektiert und abhängig von dem detektierten Leistungsbereich das erste Element (309, 312; 409, 412) und/oder das zweite Element (311; 411) ansteuert, aktiviert oder deaktiviert.Circuit according to one of Claims 8 to 10, in which the control ( 306 ; 406 ) detects the first power range and the second power range on the basis of the at least one input signal (I, U) and, depending on the detected power range, the first element ( 309 . 312 ; 409 . 412 ) and / or the second element ( 311 ; 411 ), activates or deactivates. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Energiequelle (307; 407) mindestens eine der folgenden Komponenten umfasst: – einen thermoelektrischen Generator; – ein Photovoltaik-Modul; – piezoelektrische Kristalle.Circuit according to one of the preceding claims, in which the energy source ( 307 ; 407 ) comprises at least one of the following components: a thermoelectric generator; A photovoltaic module; - piezoelectric crystals. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Anbindung der Energiequelle (307; 407) an ein Energienetz (301), insbesondere an ein Energiebordnetz eines Fahrzeugs, erfolgt.Circuit according to one of the preceding claims, wherein the connection of the energy source ( 307 ; 407 ) to a power grid ( 301 ), in particular to an energy on-board network of a vehicle takes place. Fahrzeug mit einer Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Vehicle with a circuit according to one of the preceding Claims. Verfahren zur Anbindung einer Energiequelle an ein Energienetz, – bei dem in einem ersten Leistungsbereich die Energiequelle mittels eines ersten Elements geregelt mit dem Energienetz verbunden wird und – bei dem mindestens in einem zweiten Leistungsbereich die Energiequelle mittels eines zweiten Elements ungeregelt mit dem Energienetz verbunden wird.Method for connecting an energy source to a Energy grid, - at in a first power range, the power source by means of a first element is connected to the power grid and - in which at least in a second power range, the energy source by means of a second element is connected unregulated to the power grid. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem mittels einer Regelung abhängig von mindestens einem Eingangssignal der Regelung das erste Element und/oder das zweite Element angesteuert, aktiviert oder deaktiviert wird.The method of claim 15, wherein by means of a Regulation dependent of at least one input signal of the controller, the first element and / or the second element is activated, activated or deactivated. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem mittels der Regelung eine Überwachung und/oder Diagnose des ersten Elements und/oder des zweiten Elements durchgeführt wird.A method according to claim 16, wherein by means of Regulation a monitoring and / or diagnosis of the first element and / or the second element.
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