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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer wenigstens ein Photovoltaikmodul umfassenden Photovoltaikeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, aufweisend eine zwischen das wenigstens einen Photovoltaikmodul und eine eine Mindesteingangsleistung benötigende Wandlereinrichtung geschaltete Schalteinrichtung. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Die Nutzung photovoltaischer Energiewandlung in Kraftfahrzeugen ist in jüngster Zeit in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen gerückt, um diese Form der umweltverträglichen und ressourcenschonenden Elektrizitätsversorgung zur Serienreife zu bringen. Von besonderem Interesse ist dabei die Integration des wenigstens einen Photovoltaikmoduls in das Dach des Kraftfahrzeugs, was auch unter dem Begriff „Solardach“ bekannt ist. Zur Umsetzung der gewandelten elektrischen Energie in eine für einen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs und/oder ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs geeignete Spannungslage ist der Photovoltaikeinrichtung eine Wandlereinrichtung nachgeschaltet. Dabei handelt es sich insbesondere um einen DC/DC-Wandler. Typischerweise benötigt die Wandlereinrichtung für einen stabilen Betrieb eine bestimmte Mindesteingangsleistung. Es ist darüber hinaus bekannt, zwischen der Photovoltaikeinrichtung und der Wandlereinrichtung eine Schalteinrichtung anzuordnen.
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Derartige Anordnungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass elektrische Leistung zur Wandlereinrichtung stets transportiert wird, sobald eine verhältnismäßig geringfügige Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaikmodule gegeben ist. Dadurch kann die eine Mindesteingangsleistung aufweisende Wandlereinrichtung nicht stabil betrieben werden, was zur Folge hat, dass der Zeitpunkt des Beginns einer Einspeisung elektrischer Energie in die Wandlereinrichtung im Wesentlichen von Umweltbedingungen abhängt und mithin nur schwierig kontrollierbar ist. Dies beeinträchtigt letztlich auch die Betriebssicherheit der Photovoltaikeinrichtung und des gesamten Kraftfahrzeugs.
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DE 10 2013 112 362 A1 betrifft das Einspeisen von elektrischer Energie aus einem gebäudeseitigen Photovoltaik-Generator in ein öffentliches Energieversorgungsnetz mittels eines Wechselrichters. Eine Stromversorgungseinheit ist mit elektronischen Komponenten verbunden, um diese alternativ mit Strom versorgen zu können.
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DE 60 2004 007 632 T2 betriff eine integrierte ADR-Einheit eines Fahrzeugs, die die Spannungsversorgung des Fahrzeugs nach einer vorbestimmten Zeitverzögerung unterbrechen kann.
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DE 103 59 532 B3 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer breitbandigen Rauschquelle in einem Gleichspannungs-Verteilungsnetz. Dabei wird mit nur geringem gerätetechnischen Aufwand das Frequenzspektrum in dem Gleichspannungs-Verteilungsnetz auf das Vorliegen von Lichtbögen überwacht.
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DE 103 19 456 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für Fahrzeug-Anwendungen. Diese soll zusätzlich Mittel zur Lichtbogendetektion und zur Diskriminierung zwischen störenden und nützlichen Lichtbögen umfassen.
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DE 10 2012 217 884 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Wechselrichter. Der Wechselrichter ist über einen String mit einem Generator verbunden, wobei in mindestens einem von dem wenigstens einen String eine Messeinrichtung und ein durch den Wechselrichter steuerbarer Schalter vorgesehen sind.
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US 2014/0077626 A1 offenbart einen im Orbit rekonfigurierbaren Solararray für Raumstationen, insbesondere die ISS. Wenigstens ein Teil eines Strangs von Solarzellen kann deaktiviert werden, wenn die erzeugte Leistung einen Maximalleistungsschwellwert übersteigt.
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US 2012/0299529 A1 betrifft eine Solarladeeinrichtung zum Laden einer Leistungsbatterie und offenbart Gegenstände gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Die Solarladeeinrichtung zum Laden einer Batterie in einem elektrischen Fahrzeug umfasst eine lichtempfindliche Einheit zum Erfassen einer Lichtintensität und eine Ladeeinheit, welche eine aus Sonnenenergie transformierte Spannung zum Laden der Batterie hochsetzt. Daneben ist eine Schalteinheit vorgesehen, die zwischen die Ladeeinheit und die Batterie geschaltet und zum Trennen oder Verbinden von Ladeeinheit und Batterie ausgebildet ist.
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US 2012/0091943 A1 betrifft eine Steuerung für das Solarzellenladen in einem Mobilgerät, konkret einem Mobiltelefon. Die Ladeschaltkreise der Ladeeinrichtung werden deaktiviert, wenn zu wenig Solarleistung verfügbar ist.
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US 6,025,699 A betrifft die Selbstentladung von Batterien bei hohen Temperaturen. Ein Temperaturüberwachungsschaltkreis misst die Temperatur der Batterie und ist an eine. Steuereinrichtung gekoppelt, die einen Entladeschaltkreis entsprechend der Temperatur steuert.
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US 4,333,136 A offenbart eine solarbetriebene, automatische Anschaltesteuerungseinheit (SPA-TOC), konkret für einen Inverter, und ein zugehöriges Verfahren. Es wird eine systematische Steuerung der von einem Solarpanel bereitgestellten Leistung trotz veränderlichen Langzeit- und Kurzzeitverhaltens erreicht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, beim Betrieb der Photovoltaikeinrichtung zwei definierte Zustände der Schalteinrichtung vorzusehen, wobei im Erfassungszustand kein Leistungstransport zur Wandlereinrichtung erfolgt und in einem aktiven Zustand eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem wenigstens einen Photovoltaikmodul und der Wandlereinrichtung hergestellt ist. Der Übergang vom Erfassungszustand in den aktiven Zustand wird dabei davon abhängig gemacht, ob die von dem wenigstens einen Photovoltaikmodul bereitgestellte elektrische Leistung die Mindesteingangsleistung der Wandlereinrichtung überschreitet.
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Die Schalteinrichtung kann dazu eine erste Schalteinheit aufweisen, mittels welcher das wenigstens eine aus zwei Leitern des wenigstens einen Photovoltaikmoduls gebildete Leiterpaar im Erfassungszustand kurzgeschlossen wird. Ein Leistungstransport von dem wenigstens einen Photovoltaikmodul zur Wandlereinrichtung wird mithin verhindert. Im Fall einer ein einziges Photovoltaikmodul aufweisende Photovoltaikeinrichtung ist dabei eine einzige erste Schalteinheit ausreichend. Auf zweckmäßige Ausgestaltungen der Schalteinrichtung bei einer mehrere Photovoltaikmodule aufweisenden Photovoltaikeinrichtung wird im Folgenden noch näher eingegangen.
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Der elektrische Parameter kann eine unmittelbar an der Schalteinheit zu messende elektrische Leistung der Photovoltaikeinrichtung sein, es wird allerdings besonders bevorzugt, wenn als ein elektrischer Parameter ein Kurzschlussstrom gemessen wird. In diesem Falle weist die Steuereinrichtung wenigstens eine erste Strommessvorrichtung auf. Diese ist zweckmäßigerweise in Reihe zur ersten Schalteinheit angeordnet, wobei die Messdaten der Strommesseinrichtung an die Steuereinrichtung übermittelt werden. Aus dem erfassten Kurzschlussstrom lässt sich so zur Auswertung des Durchschaltkriteriums die von dem wenigstens einen Photovoltaikmodul bereitgestellte Leistung beispielsweise in Kenntnis einer Strom-Spannung-Kennlinie des wenigstens einen Photovoltaikmoduls der Photovoltaikeinrichtung ableiten.
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Es kann dabei vorteilhafterweise auch vorgesehen sein, dass das Durchschaltkriterium zusätzlich auf wenigstens eine an wenigstens einem Photovoltaikmodul gemessene Temperatur angewendet wird. Da die von einem Photovoltaikmodul bereitgestellte Leistung auch eine Temperaturabhängigkeit aufweist, kann so eine präzise Berechnung zur Ermittlung des Vorliegens der Mindesteingangsleistung für die Wandlereinrichtung erfolgen. Zweckmäßigerweise werden dazu ein oder mehrere Temperatursensoren an dem wenigstens einen Photovoltaikmodul angeordnet, welche durch die Steuereinrichtung auslesbar sind. Insbesondere bei einer entsprechenden, insbesondere auch dachseitigen Anordnung der Schalteinrichtung kann es auch zweckmäßig sein, zusätzlich oder alternativ eine Temperaturmessung in der Schalteinrichtung vorzunehmen, welche gemessene Temperatur bei der Auswertung des Durchschaltkriteriums ebenso bzw. alternativ berücksichtigt wird.
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Sobald die Steuereinrichtung anhand der Auswertung des wenigstens einen elektrischen Parameters, namentlich eines ausreichend großen Kurzschlussstroms, eine Erfüllung des Durchschaltkriteriums erkennt, steuert sie die erste Schalteinheit zum Öffnen an, wodurch der Kurzschluss beseitigt wird und ein Leistungstransport zur Wandlereinrichtung ermöglicht wird. Die Schalteinrichtung wechselt mithin vom Erfassungszustand in den aktiven Zustand. Es ist damit sichergestellt, dass eine ausreichende Leistung für einen stabilen Betrieb der Wandlereinrichtung bereitgestellt wird.
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Für den Betrieb der Photovoltaikeinrichtung ergeben sich somit vorteilhafterweise zwei klar definierte Betriebszustände. So wird sichergestellt, dass entweder eine ausreichende Leistung zum Betrieb der Wandlereinrichtung durch das wenigstens eine Photovoltaikmodul bereitgestellt oder aber ein Leistungstransport zur Wandlereinrichtung verhindert wird. Ein Fließen kleiner, jedoch für den Betrieb der Wandlereinrichtung nicht ausreichender Ströme zwischen der Photovoltaikeinrichtung und der Wandlereinrichtung wird damit vermieden und mithin ein höherer Grad der Betriebssicherheit erzielt.
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Es ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders zweckmäßig, wenn die Photovoltaikeinrichtung mehrere Photovoltaikmodule aufweist, deren Leiterpaare im Erfassungszustand jeweils einzeln durch die Schalteinrichtung bei gleichzeitigem Unterbrechen einer elektrisch leitenden Verbindung zur Wandlereinrichtung zum Verhindern des Leistungstransports kurgeschlossen werden, wobei bezüglich jedes Leiterpaares wenigstens ein elektrischer Parameter gemessen wird. Es wird mithin vorgeschlagen, dass jedem Leiterpaar der mehreren Photovoltaikmodule eine erste Schalteinheit zugeordnet ist, welche das Leiterpaar im Erfassungszustand kurzschließt. Dieses Kurzschließen erfolgt für jedes Leiterpaar getrennt, wobei der wenigstens eine elektrische Parameter für jedes Leiterpaar im kurzgeschlossenen Zustand gemessen wird. Es ist daher besonders bevorzugt, wenn jeder ersten Schalteinheit eine erste Strommessvorrichtung zur Ermittlung des Kurzschlussstroms zugeordnet ist. Die Steuereinrichtung kann das Durchschaltkriterium dann insbesondere auf die Summe der gemessenen Kurzschlussströme anwenden. Um beim Kurzschließen der Leiterpaare den Leistungstransport im Erfassungszustand zu verhindern, muss eine elektrisch leitende Verbindung der jeweils nicht kurzgeschlossenen Leiterpaare mit der Wandlereinrichtung unterbrochen sein. Dazu ist es denkbar, dass jedes Leiterpaar wenigstens eine zweite Schalteinheit aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Photovoltaikmodul und der Wandlereinrichtung zu unterbrechen.
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Es wird im Rahmen eines Verfahrens mit mehreren Photovoltaikmodulen jedoch bevorzugt, wenn wenigstens ein Leiter eines durch Zusammenführen der einzelnen Leiter der mehreren Leiterpaare gebildeten Ausgangsleiterpaares der Schalteinrichtung unterbrochen wird, wobei jedes Leiterpaar wenigstens eine mit der Richtung des Leistungstransports in Durchlassrichtung geschaltete Diode aufweist. Besonders bevorzugterweise werden die ersten Schalteinheiten jeweils einzeln nacheinander zum Kurzschließen angesteuert, so dass bei jeder Messung des wenigstens einen elektrischen Parameters jeweils nur eine erste Schalteinheit kurzschließt. Dies ergibt mithin eine Schaltungsanordnung innerhalb der Schalteinrichtung, bei welcher zwischen den Leitern jedes Photovoltaikmoduls bzw. Leitern innerhalb der Schalteinrichtung, welche die Leiter der Photovoltaikmodule fortsetzen, eine erste Schalteinheit angeordnet ist, und dieser bezüglich des Stroms aus dem oder in das Photovoltaikmodul eine Diode in Durchlassrichtung nachgeschaltet ist. Jenseits der Diode sind die Leiterpaare dann zum Ausgangsleiterpaar zusammengeführt, wobei in wenigstens einem Leiter des Ausgangsleiterpaares eine zweite Schalteinheit zum Unterbrechen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Photovoltaikmodulen und der Wandlereinrichtung angeordnet ist. Im Erfassungszustand ist die zweite Schalteinrichtung dabei geöffnet und die Dioden verhindern einen Rückfluss des Stroms der zeitweilig nicht kurzgeschlossenen Leiterpaare über die kurzgeschlossene erste Schalteinheit zur Photovoltaikeinrichtung. Beim Erfüllen des Durchschaltkriteriums steuert die Steuereinrichtung sodann die wenigstens eine zweite Schalteinheit zum Schließen und gegebenenfalls noch geschlossene erste Schalteinheiten zum Öffnen an. Das Verfahren kann somit besonders einfach auch bei Photovoltaikeinrichtungen mit mehreren Photovoltaikmodulen verwendet werden.
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Zur Verbesserung der Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schalteinrichtung den Leistungstransport unterbricht oder trotz Erfüllen des Durchschaltkriteriums verhindert, falls wenigstens ein das Auftreten eines Fehlerfalls beschreibendes Fehlerkriterium erfüllt wird. Dadurch kann mit Vorteil ein besonderer Zusatznutzen zur Behandlung von Fehlerfällen realisiert werden.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn ein Fehlerfall ein Auftreten eines seriellen Lichtbogens zwischen der Schalteinrichtung und der Wandlereinrichtung ist, wobei eine Leerlaufspannung zwischen den Leitern des einen Leiterpaares oder zwischen zwei Leitern eines oder des durch Zusammenführen der mehreren Leiterpaare gebildeten Ausgangsleiterpaares der Schalteinrichtung und eine zwischen den Eingängen der Wandlereinrichtung abfallende Spannung gemessen werden und die Spannungen zur Auswertung eines diesen Fehlerfall beschreibenden Fehlerkriteriums verglichen werden. Ein solcher serieller Lichtbogen kann beispielsweise infolge eines unbeabsichtigten Lösens einer stromführenden Steckverbindung oder eines Kabelbruchs entstehen. In diesem Fall ist weiterhin ein Leistungstransport zwischen der Photovoltaikeinrichtung und der Wandlereinrichtung möglich, allerdings erzeugt der Lichtbogen hohe thermische Belastungen, durch welche es zu erheblichen Schäden am Kraftfahrzeug kommen kann. Ein Erkennen und Löschen von Lichtbögen verbessert das Sicherheitsniveau beim Betrieb einer Photovoltaikeinrichtung in einem Kraftfahrzeug somit vorteilhafterweise im besonderen Maße.
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Es wird besonders bevorzugt, wenn mittels einer ersten Spannungsmesseinrichtung die Leerlaufspannung im Falle einer Photovoltaikeinrichtung mit einem Photovoltaikmodul zwischen den Leitern des einen Leiterpaares bzw. bei einer Photovoltaikeinrichtung mit mehreren Photovoltaikmodulen die Leerlaufspannung zwischen den Leitern des Ausgangsleiterpaares gemessen wird. Gleichzeitig wird mittels einer zweiten Spannungsmessvorrichtung der Wandlereinrichtung die an ihren Eingängen abfallende Spannung gemessen. Im Zeitpunkt der Messung der Leerlaufspannung wird zweckmäßigerweise die zweite Schalteinheit geöffnet, wobei die wenigstens eine erste Schalteinheit geöffnet ist. Da ein serieller Lichtbogen zwischen der Schalteinrichtung der Wandlereinrichtung einen messbaren eigenen Spannungsabfall erzeugt, kann der serielle Lichtbogen durch Vergleichen der mit der ersten Strommessvorrichtung und der zweiten Strommessvorrichtung gemessenen Spannungen ermittelt werden. Das Fehlerkriterium wird in diesem Fall auf diese Differenz angewendet und ausgewertet, wobei das Fehlerkriterium insbesondere als erfüllt gilt, wenn die Differenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Zusätzlich oder alternativ kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass ein Fehlerfall das Auftreten eines parallelen Lichtbogens auf einer Verbindungsleitung zwischen der Schalteinrichtung und der Wandlereinrichtung ist, wobei ein an einem Ausgang der Schalteinrichtung gemessener Strom und ein an einem Eingang der Wandlereinrichtung gemessener Strom zur Auswertung eines diesen Fehlerfall beschreibenden Fehlerkriteriums verglichen werden. Parallele Lichtbögen entstehen beispielsweise durch einen ungewollten Kontakt zwischen den Verbindungsleitungen zwischen Schalteinrichtung und Wandlereinrichtung. Daraus folgt, dass der aus der Schalteinrichtung abfließende Strom nicht vollständig in die Wandlereinrichtung gelangt, so dass eine Erkennung eines parallelen Lichtbogens durch das Messen eines Stroms an einem Leiterabschnitt am Ausgang der Schalteinrichtung mittels einer zweiten Strommessvorrichtung und das Messen eines Stroms auf einem Leiterabschnitt am Eingang der Wandlereinrichtung mittels einer dritten Strommessvorrichtung detektiert werden kann. Das Fehlerkriterium wird dazu auf die Differenz der Messwerte der zweiten und der dritten Strommessvorrichtung angewandt, wobei das Fehlerkriterium erfüllt ist, wenn diese Differenz einen Schwellwert überschreitet.
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Zur Verbesserung der Betriebssicherheit kann ferner mit Vorteil vorgesehen sein, dass ein Fehlerfall das Auftreten eines Lichtbogens zwischen der Photovoltaikeinrichtung und der Schalteinrichtung ist, wobei wenigstens ein Spannungsspektrum zwischen den Leitern wenigstens eines Leiterpaares gemessen und zur Auswertung eines diesen Fehlerfall beschreibenden Fehlerkriteriums auf einen Lichtbogen anzeigende Spektralanteile untersucht wird. Solche Lichtbögen zwischen der Photovoltaikeinrichtung und der Schalteinrichtung können dabei zusätzlich mittels aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren und Vorrichtungen detektiert werden, wobei das Fehlerkriterium in diesem Fall auf die bei einem Lichtbogen typischerweise auftretenden hochfrequenten Spektralanteile des Stroms und/oder der Spannung angewendet wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann darüber hinaus vorgesehen werden, dass ein Fehler das Eintreten oder Bevorstehen eines Unfallereignisses des Kraftfahrzeugs ist, wobei zur Auswertung eines diesen Fehlerfall beschreibenden Fehlerkriteriums Sensordaten wenigstens eines Unfallsensors des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Die Steuereinrichtung ist in diesem Fall unmittelbar oder mittelbar über ein fahrzeuginternes Netzwerk, insbesondere über ein Bussystem, mit wenigstens einem Unfallsensor verbunden. Dabei kann es sich beispielsweise um das Steuergerät eines Airbags oder Aufprallsensoren des Kraftfahrzeugs handeln. Durch die Unterbrechung oder Verbindung des Leistungstransports in Unfallsituationen und/oder anschließenden Rettungslagen wird somit ein deutlich verbessertes Niveau der Betriebssicherheit des Verfahrens erzielt.
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Es ist im Rahmen des Verfahrens, bei dem ein Fehlerkriterium ausgewertet wird, von besonderem Vorteil, wenn der Leistungstransport durch Kurzschließen des wenigstens einen Leiterpaares unterbrochen wird. Die wenigstens eine erste Schalteinheit wird folglich zum Kurzschließen durch die Steuereinrichtung angesteuert. Es kann damit der Vorteil erzielt werden, dass in einem Fehlerfall jenseits der Schalteinrichtung keine durch die Photovoltaikeinrichtung erzeugten Potentiale im Kraftfahrzeug anliegen. Insbesondere ist das Kurzschließen zum Löschen erkannter Lichtbögen zwischen der Schalteinrichtung und der Wandlereinrichtung besonders geeignet. Es kann darüber hinaus auch zweckmäßigerweise zum Unterbrechen des Leistungstransports zusätzlich wenigstens ein Leiter des wenigstens einen Leiterpaares oder ein Leiter des Ausgangsleiterpaares der Schalteinrichtung unterbrochen werden. In diesem Fall ist die Masche zwischen der Photovoltaikeinrichtung und der Wandlereinrichtung zusätzlich an wenigstens einer Stelle aufgetrennt.
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Schließlich ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders zweckmäßig, wenn ein weiterer zum Ermitteln der Eingangsleistung der Wandlereinrichtung geeigneter elektrischer Betriebsparameter gemessen wird und durch ein ein Unterschreiten der Mindestleistung für die Wandlereinrichtung beschreibendes Rückschaltkriterium ausgewertet wird, wobei die Schalteinrichtung bei einem Erfüllen des Rückschaltkriteriums in den Erfassungszustand überführt wird. Dabei ist es besonders sinnvoll, als weiteren elektrischen Betriebsparameter eine Eingangsleistung der Wandlereinrichtung zu erfassen, wozu zweckmäßigerweise die zweite Spannungsmessvorrichtung und die dritte Strommessvorrichtung verwendet werden. Das Rückschaltkriterium kann dabei als erfüllt ausgewertet werden, wenn der elektrische Parameter, insbesondere die Eingangsleistung der Wandlereinrichtung, einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Dieser Schwellwert kann insbesondere unterhalb des im Rahmen des Durchschaltkriteriums verwendeten Schwellwerts liegen, so dass sich ein Hystereseverhalten der Schalteinrichtung ergibt. In allen Fällen, in denen zum Betrieb der Schalteinrichtung Messdaten der wandlereinrichtungsseitigen zweiten Spannungsmessvorrichtung und/oder der dritten Strommessvorrichtung berücksichtigt werden, ist das Vorsehen einer Datenverbindung zwischen der Schalteinrichtung und der Wandlereinrichtung zweckmäßig. Es wird bevorzugt, wenn diese jeweils an das fahrzeugseitige Netzwerk, insbesondere das Bussystem, angeschlossen sind.
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Denkbar ist eine Schalteinrichtung für eine ihr vorschaltbare, wenigstens ein Photovoltaikmodul umfassende Photovoltaikeinrichtung in einem Kraftfahrzeug, wobei der Schalteinrichtung eine eine Mindesteingangsleistung benötigende Wandlereinrichtung nachschaltbar ist, wobei die Schalteinrichtung wenigstens eine zum Kurzschließen wenigstens eines jeweils aus zwei Leitern des wenigstens einen Photovoltaikmoduls gebildeten Leiterpaares ausgebildete erste Schalteinheit und eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung aufweist.
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Denkbar ist ferner eine Schalt- und Wandlereinrichtung für eine ihr vorschaltbare, wenigstens ein Photovoltaikmodul umfassende Photovoltaikeinrichtung in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein Gehäuse, in welchem die Schalteinrichtung, aufweisend wenigstens eine zum Kurzschließen wenigstens eines jeweils aus zwei Leitern des wenigstens einen Photovoltaikmoduls gebildeten Leiterpaares ausgebildete erste Schalteinheit, und eine ihr nachgeschaltete Wandlereinrichtung angeordnet sind, wobei die Schalt- und Wandlereinrichtung eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung aufweist.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, umfassend eine ein Photovoltaikmodul aufweisende Photovoltaikeinrichtung und eine Schalteinrichtung;
- 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs umfassend eine zwei Photovoltaikmodule aufweisenden Photovoltaikeinrichtung und eine Schalteinrichtung; und
- 3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Schalt- und Wandlereinrichtung.
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1 ist ein Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugs 1, umfassend eine ein Photovoltaikmödul 2 aufweisende Photovoltaikeinrichtung 3, welcher eine Schalteinrichtung 4 und eine Wandlereinrichtung 5 nachgeschaltet sind. Die Wandlereinrichtung 5 speist ein erstes Bordnetz 6 mit einer Betriebsspannung von 12 V und ein zweites Bordnetz 7 mit einer Betriebsspannung von 48 V. Daneben weist das Kraftfahrzeug 1 ein Bussystem 8 auf, an welches neben der Schalteinrichtung 4 und der Wandlereinrichtung 5 auch zwei Unfallsensoren 9 angebunden sind.
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Die Schalteinrichtung 4 umfasst eine zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung 10 in Form eines Mikrokontrollers oder eines anwendungsspezifischen Schaltkreises (ASIC). Ein Eingang der Schalteinrichtung 4 ist mittels eines positiven Leiters 11 sowie eines negativen Leiters 12, welche gemeinsam ein Leiterpaar 13 bilden, mit dem Photovoltaikmodul 2 verbunden. Zwischen das Leiterpaar 13 ist eine zum Kurzschließen der Leiter 11, 12 ausgebildete erste Schalteinheit 14 sowie eine einen Kurzschlussstrom messende erste Strommessvorrichtung 15 geschaltet. Parallel zu diesen Bauelementen ist ferner eine zum Messen einer Leerlaufspannung ausgebildete erste Spannungsmesseinrichtung 16 geschaltet. Der Leiter 11 weist jenseits der ersten Spannungsmesseinrichtung 16 eine zweite Schalteinheit 17 auf, mittels welcher der Leiter 11 unterbrechbar ist. An einem Ausgang der Schalteinrichtung 4 ist in Reihe mit der zweiten Schalteinheit 17 eine zweite Strommessvorrichtung 18 angeordnet, welche einen aus der Schalteinrichtung 4 abfließenden Strom misst. Die Messdaten der ersten Strommessvorrichtung 15, der zweiten Strommessvorrichtung 18 sowie der ersten Spannungsmessvorrichtung 16 sind durch die Steuereinrichtung 10 auslesbar. Daneben ist sie zur Ansteuerung, also zum Öffnen und Schließen, der ersten Schalteinheit 14 und der zweiten Schalteinheit 17 ausgebildet. Diese können als Halbleiterschalter oder als mechanische Schalter ausgebildet sein.
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Über zwei Verbindungsleitungen 19, 20 ist der Schalteinrichtung 4 die Wandlereinrichtung 5 nachgeschaltet. In der die Verbindungsleitung 19 fortsetzende eingangsseitigen Leitung der Wandlereinrichtung 5 ist eine dritte Strommessvorrichtung 21 angeordnet. Dieser ist eine zur Messung einer Eingangsspannung der Wandlereinrichtung 5 ausgebildete zweite Spannungsmessvorrichtung 22 nachgeschaltet. Die dritte Strommessvorrichtung 21 und die zweite Spannungsmessvorrichtung 22 sind mit einer Steuerungseinrichtung 23 der Wandlereinrichtung 5 verbunden. Die über die Verbindungsleitungen 19, 20 zugeführte Leistung speist zwei DC/DC-Wandler 24, 25 mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen, welche die Bordnetze 6, 7 mit elektrischer Energie aus der Photovoltaikeinrichtung 3 versorgen. Über eine Anbindung der Steuereinrichtung 23 an das Bussystem 8 des Kraftfahrzeugs 1 können die Steuereinrichtungen 10 und 23 miteinander kommunizieren. Insbesondere können Messdaten der dritten Spannungsmessvorrichtung 21 und der zweiten Spannungsmesseinrichtung 22 von der Steuereinrichtung 23 an die Steuereinrichtung 10 übertragen werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1' mit einer zwei Photovoltaikmodule 2 umfassenden Photovoltaikeinrichtung 3, welche jeweils über zwei Leiter 11, 12 eines Leiterpaares 13 mit einem Eingang einer Schalteinrichtung 4' verbunden sind. Dabei sind selbstverständlich auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar, die Photovoltaikeinrichtungen 3 mehr als zwei Photovoltaikmodule 2 aufweisen und auf welche die Ausführungen zum zweiten Ausführungsbeispiel analog übertragbar sind. Der übrige Aufbau des Kraftfahrzeugs 1' entspricht dem in 1 gezeigten Kraftfahrzeug 1, wobei die Schalteinrichtung 4' davon abweichend wie folgt aufgebaut ist:
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Die Fortführung jedes Leiterpaares 13 innerhalb der Schalteinrichtung 4' weist eine erste Schalteinheit 14 und eine erste Strommessvorrichtung 15 auf, denen eine Diode 26 nachgeschaltet ist. Diese verhindert, wenn lediglich eine der ersten Schalteinheiten 14 geschlossen ist, einen Rückstrom von der positiven Leitung eines Photovoltaikmoduls 2 zur negativen Leitung des anderen. Selbstverständlich ist es auch denkbar, eine Diode 26 in entgegengesetzter Richtung in dem mit den Leitern 12 verbundenen Zweig der Schalteinrichtung 4' anzuordnen. Jenseits der Dioden 26 werden ihre anodenseitigen Leiter zu zwei Leitern 27, 28 eines Ausgangsleiterpaares zusammengeführt. Die an den Leitern 27, 28 anliegende Spannung kann mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung 19 gemessen werden. Darüber hinaus ist der Leiter 27 durch die zweite Schalteinheit 17 unterbrechbar. Die über die Verbindungsleiter 19, 20 der Schalteinrichtung 4' nachgeschaltete Wandlereinrichtungen 5 sowie die Bordnetze 6 und 7 entsprechen jenen des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs.
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Anhand der 1 und 2 wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel des von den Steuereinrichtungen 10, 23 durchgeführten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Photovoltaikeinrichtung 3 in einem Kraftfahrzeug 1, 1' erläutert:
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Das Verfahren beginnt in einem Erfassungszustand. Im Fall einer ein Photovoltaikmodul 2 umfassenden Photovoltaikeinrichtung 3, wie sie in 1 gezeichnet ist, ist in diesem Zustand die erste Schalteinheit 14 geschlossen und die zweite Schalteinheit 17 geöffnet, so dass kein Leistungstransport von der Photovoltaikeinrichtung 3 zur Wandlereinrichtung 5 möglich ist. Insbesondere sind sämtliche elektrischen Leiter jenseits der ersten Schalteinheit 14 spannungslos. Mittels der ersten Strommessvorrichtung 15 wird nun fortlaufend der durch die erste Schalteinheit 14 fließende Kurzschlussstrom gemessen und von der Steuereinrichtung 10 ausgelesen. Diese wendet ein Durchschaltkriterium auf den erfassten Kurzschlussstrom an, welches erfüllt ist, wenn dieser eine von der Photovoltaikeinrichtung 3 bereitgestellte Leistung indiziert, welche höher als eine von der Wandlereinrichtung 5 benötigte Mindesteingangsleistung ist. In diesem Fall steuert die Steuerungseinrichtung 10 die erste Schalteinheit 14 zum Öffnen und die zweite Schalteinheit 17 zum Schließen an, so dass ein Leistungstransport von der Photovoltaikeinrichtung 3 über die Schalteinrichtung 4, 4' und die Verbindungsleitungen 19, 20 zur Wandlereinrichtung 5 ermöglicht wird. Die Schalteinrichtung 4, 4' befindet sich damit im aktiven Zustand.
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Im Falle der in 2 gezeigten, mehrere Photovoltaikmodule 2 aufweisenden Photovoltaikeinrichtung 3 ist im Erfassungszustand die zweite Schalteinheit 17 geöffnet. Die ersten Schalteinheiten 14 werden nacheinander durch die Steuereinrichtung 10 zum Schließen und Öffnen angesteuert, wobei zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur höchstens eine erste Schalteinrichtung 14 geschlossen ist. Mittels der ersten Strommessvorrichtung 15 werden die während der jeweils geschlossenen ersten Schalteinheit 14 fließenden Kurzschlussströme gemessen und von der Steuereinrichtung 10 ausgewertet. Diese wendet das Durchschaltkriterium auf die Summe der Kurzschlussströme an, welches als erfüllt ausgewertet wird, wenn die gemessenen Kurzschlussströme eine ausreichende Mindesteingangsleistung für die Wandlereinrichtung 5 indizieren. In diesem Fall werden sämtliche erste Schalteinheiten 14 geöffnet und die zweite Schalteinheit 17 geschlossen, wodurch ein Leistungstransport von der Photovoltaikeinrichtung 3 zur Wandlereinrichtung 5 ermöglicht wird.
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Unabhängig von der Anzahl der Photovoltaikmodule 2 innerhalb der Photovoltaikeinrichtung 3 werden in dem nunmehr eingenommenen aktiven Zustand die Messdaten der dritten Strommessvorrichtung 21 und der zweiten Spannungsmessvorrichtung 22 durch die Steuereinrichtung 23 der Wandlereinrichtung 5 ausgelesen und der Steuereinrichtung 10 über das Bussystem 8 bereitgestellt. Diese ermittelt daraus die am Eingang der Wanldereinrichtung 5 verfügbare Leistung und wendet das Rückschaltkriterium darauf an. Dieses ist erfüllt, wenn die Leistung einen Schwellwert unterschreitet, welcher geringfügig kleiner als die Mindesteingangsleistung gewählt ist. Ist dieses Rückschaltkriterium erfüllt, steuert die Steuereinrichtung 10 die wenigstens eine erste Schalteinheit 14 und die zweite Schalteinheit 17 zum Überführen der Schalteinrichtung 4 in den Erfassungszustand an.
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Darüber hinaus ermöglichen die Schalteinrichtungen 4, 4' auch eine Behandlung mehrerer Fehlerfälle, welche im Folgenden genauer dargestellt werden:
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Durch die Schalteinrichtung 4, 4' wird ein Schutz vor seriellen Lichtbögen zwischen der Schalteinrichtung 4, 4' und der Wandlereinrichtung 5 realisiert. Entsteht ein solcher auf einer der Verbindungsleitungen 19, 20, beispielsweise durch einen Kabelbruch oder eine lockere Steckverbindung, so ergibt ein Vergleich der mittels der ersten Spannungsmessvorrichtung 16 und der zweiten Spannungsmessvorrichtung 20 gemessenen Spannungen, dass diese eine Differenz aufweisen. Dazu wird die zweite Schalteinheit 17 kurzzeitig geöffnet, so dass die erste Spannungsmessvorrichtung 16 eine Leerlaufspannung misst. Auf die Differenz wendet die Steuerungseinrichtung 10 ein Fehlerkriterium an, welches erfüllt ist, wenn die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In diesem Fall werden alle ersten Schalteinheiten 14 geschlossen und die zweite Schalteinheit 17 geöffnet, so dass der serielle Lichtbogen gelöscht wird.
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Ein weiterer von der Schalteinrichtung 4, 4' beharidelbarer Fehlerfall ist ein paralleler Lichtbogen zwischen der Schalteinrichtung 4, 4' und der Wandlereinrichtung 5. Dieser entsteht beispielsweise bei einem Spannungsdurchschlag zwischen den Verbindungsleitungen 19, 20. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 10 durch einen Abgleich der mittels der zweiten Strommessvorrichtung 18 und der durch die dritte Strommessvorrichtung 21 gemessenen Ströme eine auf einen parallelen Lichtbogen hinweisende Stromdifferenz ermitteln. Auf diese Differenz wendet die Steuereinrichtung 10 ein weiteres Fehlerkriterium an, welches erfüllt ist, wenn diese Stromdifferenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Auch in diesem Fall werden sämtliche ersten Schalteinheiten 14 geschlossen und die zweite Schalteinheit 17 geöffnet, so dass der parallele Lichtbogen gelöscht wird.
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Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 10 ein nicht näher dargestelltes Mittel zum Erkennen eines Lichtbogens zwischen einer Photovoltaikeinrichtung 3 und der Schalteinrichtung 4 aufweisen. Derartige Mittel erfassen die Signalspektren von Strömen und Spannungen auf dem Leiterpaar 13. Die Steuereinrichtung 10 wendet ein weiteres Fehlerkriterium auf das erfasste Signalspektrum an und steuert die wenigstens eine erste Schalteinheit 14 und die zweite Schalteinheit 17 zum Unterbrechen eines Leistungstransportes von der Photovoltaikeinrichtung 3 zur Wandlereinrichtung 5 an. Geeignete Verfahren und Mittel zum Erkennen eines Lichtbogens sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Schließlich liest die Steuereinrichtung 10 fortlaufend Sensordaten der Unfallsensoren 9 aus und wendet ein weiteres Fehlerkriterium auf diese an. Ergibt dies einen eingetretenen oder bevorstehenden Unfall des Kraftfahrzeugs 1, 1', so steuert sie erneut alle ersten Schalteinheiten 14 und die zweite Schalteinheit 17 zum Unterbrechen des Leistungstransports von der Photovoltaikeinrichtung 3 zur Wandlereinrichtung 5 an, so dass sämtliche elektrischen Leiter jenseits der Schalteinrichtung 4 spannungsfrei sind.
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Daneben kann die Schalteinrichtung 4, 4' ein Mittel zur Isolationsüberwachung elektrischer Leiter zwischen der Photovoltaikeinrichtung 3 und der Wandlereinrichtung 5 aufweisen, wobei die Steuereinrichtung 10 ebenfalls einen Leistungstransport unterbrechen kann, wenn das wenigstens ein Mittel zur Isolationsüberwachung ein Fehlerfall anzeigt.
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In sämtlichen der genannten Fehlerfällen kann die Steuereinrichtung 10 ein Fehlersignal auf das Bussystem 8 senden, welches auf einer nicht dargestellten Ausgabeeinheit des Kraftfahrzeugs 1, 1' an den Fahrer ausgegeben wird. Dies kann insbesondere eine akustische und/oder visuelle Warnung beinhalten, welche den Fahrer dazu veranlassen soll, eine Werkstatt aufzusuchen.
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Darüber hinaus kann die Steuerungseinrichtung 10 jederzeit aufgrund einer externen Bedienaktion über Bussystem 8 dazu angesteuert werden, den Leistungstransport zu unterbrechen oder zu verhindern. Ein solcher „Werkstattmodus“ ist insbesondere bei Wartungsarbeiten am Kraftfahrzeug besonders zweckmäßig.
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3 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Kraftfahrzeugs 1", umfassend eine Photovoltaikeinrichtung 3, eine dieser nachgeschaltete Schalt- und Wandlereinrichtung 30, welche zwei Bordnetze 6, 7 mit mittels der Photovoltaikeinrichtung 3 gewonnener elektrischer Energieversorg. Ferner weist das Kraftfahrzeug 1" in Bussystem 8 mit zwei Unfallsensoren 9 auf.
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Die Schalt- und Wandlereinrichtung 30 umfasst sämtliche Komponenten der in den 1 oder 2 gezeigten Schalteinrichtung 4, 4' und der Wandlereienrichtung 5, welche über die Verbindungsleitungen 19, 20 miteinander verbunden sind. Abweichend davon weist die Schalt- und Wandlereinrichtung 30 eine Steuereinrichtung 31 auf, welche die Funktionen beider Steuereinrichtungen 10, 23 realisiert, also insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Insbesondere ist bei der Steuerungseinrichtung 31 kein Austausch von Messdaten über das Bussystem 8 notwendig, da diese allesamt der Steuereinrichtung 31 zugeführt werden.
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Im Rahmen weiterer Ausführungsbeispiele, welche die in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele weiterbilden, kann an einem oder allen Photovoltaikmodulen 2 ein Temperatursensor vorgesehen sein, welcher die Temperatur des jeweiligen Photovoltaikmoduls 2 misst. Über eine Verbindung des Temperatursensors mit der Steuereinrichtung 10, 31 erhält diese die Sensordaten des Temperatursensors und wendet das Durchschaltkriterium auf den erfassten Kurzschlussstrom und die gemessene Temperatur bzw. die gemessenen Temperaturen an. Dadurch kann eine Temperaturabhängigkeit der von den Photovoltaikmodulen 2 erzeugten Leistung berücksichtigt werden.
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Die Nutzung eines Temperatursensors ist, insbesondere bei entsprechendem Verbau der Schalteinrichtung 4, 4', auch in der Schalteinrichtung 4,4' denkbar.
