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
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Abstract
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
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.
- - 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.
- 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.
- 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 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.
- - 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:
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.
Eine
MPP-Energiequelle
Somit
wird die MPP-Energiequelle
Hierbei
ist es von Vorteil, dass nur die Diode
Die
Regelung
Eine
MPP-Energiequelle
Im
Unterschied zu dem in
Um
die Verluste zusätzlich
zu vermindern, kann die Diode
Auch
ist es von Vorteil, dass die Regelung
Die
Schaltung gemäß
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
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- Generatorgenerator
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- Batteriebattery
- 305305
- Verbraucherconsumer
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- Regelungregulation
- 307307
- MPP-EnergiequelleMPP power source
- 308308
- Kondensator (bzw. EMV-Filter)capacitor (or EMC filter)
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- elektronischer Schalterelectronic switch
- 310310
-
Signal
(zur Ansteuerung des elektronischen Schalters
309 )Signal (to control the electronic switch309 ) - 311311
- Diodediode
- 312312
- Induktivitätinductance
- 313313
- Kondensator (bzw. EMV-Filter)capacitor (or EMC filter)
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- Knotennode
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- Regelungregulation
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- Knotennode
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- Schalterswitch
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ID=43217837
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2009
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