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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs mittels einer kraftfahrzeugseitigen Solareinrichtung, wobei kraftfahrzeugseitig ein die Batterie aufweisendes erstes Bordnetz mit einer ersten Bordnetzspannung und ein einen Energiespeicher aufweisendes zweites Bordnetz mit einer zweiten Bordnetzspannung, welche geringer als die erste Bordnetzspannung ist, verwendet wird.
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Zur emissionsarmen Energieerzeugung ist die Verwendung von Solareinrichtungen in Kraftfahrzeugen in jüngerer Zeit in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen getreten. Während bei Kraftfahrzeugen mit lediglich einem Bordnetz und einer Batterie die von der Solareinrichtung erzeugte Leistung notwendigerweise in dieser Batterie gespeichert wird, stellt sich bei Kraftfahrzeugen mit dem ersten Bordnetz und dem zweiten Bordnetz die Frage nach einer zweckmäßigen Ladestrategie, um die Batterie des ersten Bordnetzes höherer Bordnetzspannung mit der von der Solareinrichtung erzeugten Leistung zu laden.
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Es wurde dazu vorgeschlagen, die Leistung gegebenenfalls über einen geeigneten Gleichspannungswandler direkt in das erste Bordnetz einzuspeisen und so die Batterie zu laden, was jedoch eine Reihe von Nachteilen mit sich bringt. Insbesondere wenn das erste Bordnetz der Versorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs dient und deshalb durchaus eine erste Bordnetzspannung von mehreren hundert Volt aufweisen kann, erfordert die Anbindung der Solareinrichtung an das erste Bordnetz aufwändige Maßnahmen zur Sicherstellung eines Berührschutzes und für Hochvoltanwendungen ausgelegte Verbindungen und Stecker. Problematisch ist aber insbesondere, dass das Laden überwachende Batteriemanagementsysteme und für solch hohe Spannungen geeignete Gleichspannungswandler eine hohe Verlustleistung aufweisen, die mitunter höher sein kann als die von der Solareinrichtung erzeugte Leistung. Auch Ansätze, bei ineffizienten Ladesituationen den Energiespeicher des zweiten Bordnetzes mit der niedrigeren zweiten Bordnetzspannung von typischerweise 12 Volt mit der Leistung zu laden, können diese Nachteile nicht vollständig beseitigen, da die verfügbare Kapazität des Energiespeichers häufig zu gering ist.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum effizienteren Laden der Batterie eines ersten Bordnetzes in einem mehrere Bordnetze aufweisen Kraftfahrzeug anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine durch die Solareinrichtung erzeugte Energiemenge in dem Energiespeicher zwischengespeichert wird, wonach bei Erreichen eines Schwellwerts durch eine einen Ladezustand des Energiespeichers beschreibende Ladezustandsgröße Energie aus dem Energiespeicher in die Batterie umgeladen wird.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, den Energiespeicher des zweiten Bordnetzes als Pufferspeicher für die von der Solareinrichtung erzeugte Energiemenge einzusetzen und das Laden der Batterie des ersten Bordnetzes mit der gepufferten Energie erst bei Erreichen eines ausreichend hohen Ladezustands des Energiespeichers mit einer möglichst hohen Leistung zu beginnen. Da die Einspeisung der Energiemenge in das zweite Bordnetz aufgrund seiner geringeren zweiten Bordnetzspannung eine wesentlich geringere Verlustleistung nach sich zieht als eine unmittelbare Einspeisung in das erste Bordnetz, kann die Energiemenge auch über einen längeren Zeitraum verhältnismäßig verlustarm dem Energiespeicher zum Zwischenspeichern zugeführt werden. Danach kann während eines wesentlich kürzeren Zeitraums das leistungsaufwändige Umladen in die Batterie des ersten Bordnetzes erfolgen. Das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz sind dazu miteinander gekoppelt, worauf im Folgenden noch genauer eingegangen wird. Außerdem kann während des Umladens der Leistungstransport von der Solareinrichtung in das zweite Bordnetz fortgesetzt werden.
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Typischerweise beträgt die erste Bordnetzspannung wenigstens 60 Volt, bevorzugt wenigstens 300 Volt, so dass mittels des ersten Bordnetzes, welches auch als Hochvoltbordnetz bezeichnet werden kann, ein elektrischer Antrieb des Kraftfahrzeugs versorgbar ist. Das zweite Bordnetz ist üblicherweise zur Versorgung von Niederspannungsverbrauchern des Kraftfahrzeugs ausgelegt und weist eine zweite Bordnetzspannung von weniger als 60 Volt, insbesondere 12 Volt oder 24 Volt oder 48 Volt, auf und kann daher als Niedervoltbordnetz bezeichnet werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Bordnetzspannungen nicht notwendigerweise eine Spannung beschreiben, mit der das Bordnetz durchgängig betrieben wird, sondern sich auf typische Spannungslagen des jeweiligen Bordnetzes beziehen, insbesondere auf die Nennspannung der Batterie bzw. des Energiespeichers.
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Aus der Ladezustandsgröße ist die bereits belegte oder noch verfügbare Kapazität des Energiespeichers ableitbar, wobei beispielsweise eine momentane Spannung an den Anschlüssen des Energiespeichers oder eine daraus abgeleitete Größe wie den State of Charge (SOC) verwendet werden kann Geeignete Verfahren zur Ermittlung des SOC sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hierauf nicht im Detail eingegangen werden muss. Der Schwellwert für den Ladezustand ist im Allgemeinen so gewählt, dass bei seinem Erreichen eine Umladeleistung erzielt werden kann, die höher als eine momentan von der Solareinrichtung erzeugte Leistung ist, wobei gleichzeitig der Betrieb des zweiten Bordnetzes, insbesondere seiner Verbraucher, nicht negativ beeinträchtigt wird.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird bevorzugt eine Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs verwendet, welche zumindest mit einer Batteriemanagementeinrichtung der Batterie und/oder einem dem Energiespeicher zugeordneten Steuergerät kommuniziert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung Mittel zum Koppeln der Solareinrichtung mit dem zweiten Bordnetz und/oder Mittel zum Koppeln des ersten Bordnetzes mit dem zweiten Bordnetz ansteuern.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird mithin ein verlustärmeres Laden der Batterie ermöglicht, wozu zunächst die Energiemenge mit einer geringen Verlustleistung im Energiespeicher zwischengespeichert wird und anschließend während eines wesentlich kürzeren Zeitraums das leistungsaufwändigere Umladen in die Batterie erfolgt. Während eines vollständigen, das Zwischenspeichern und das Umladen umfassenden Durchgangs wird so im Mittel eine geringere Verlustleistung erzeugt als bei einem herkömmlichen Verfahren. Das Laden der Batterie erfolgt mithin wesentlich effizienter.
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Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Umladen ein das erste Bordnetz mit dem zweiten Bordnetz verbindender Koppelgleichspannungswandler verwendet. Bevorzugt ist dieser zum bidirektionalen Leistungstransport ausgebildet, um grundsätzlich auch einen Leistungstransport vom ersten Bordnetz in das zweite Bordnetz zu ermöglichen. Ebenso kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zwischenspeichern der Energiemenge ein die Solareinrichtung mit dem zweiten Bordnetz verbindender Solargleichspannungswandler verwendet werden. Der Koppelgleichspannungswandler und der Solargleichspannungswandler entsprechen mithin den zuvor erwähnten Mitteln zum Koppeln des ersten Bordnetzes mit dem zweiten Bordnetz bzw. der Solareinrichtung mit dem zweiten Bordnetz und sind im Wesentlichen an die erste Bordnetzspannung und die zweite Bordnetzspannung bzw. an eine Ausgangsspannung der Solareinrichtung und die zweite Bordnetzspannung angepasste Gleichspannungswandler. Da die Ausgangsspannung der Solareinrichtung je nach Anzahl ihrer Solarzellen typischerweise zwischen 15 und 60 Volt liegt, wird der Solargleichspannungswandler bevorzugt als Tiefsetzsteller betrieben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, wenn das Umladen bei Erreichen eines unterhalb des oberen Schwellwerts liegenden unteren Schwellwerts durch die Ladezustandsgröße beendet wird. Es wird mithin ein Intervall der Ladezustandsgröße vorgegeben, in dem mit einem effizienten Umladen der Energie in die Batterie des ersten Bordnetzes gerechnet werden kann. Zweckmäßigerweise wird der Leistungstransport von der Solareinrichtung in das zweite Bordnetz auch nach Erreichen des unteren Schwellwerts fortgesetzt, wobei mit einem erneuten Erreichen des oberen Schwellwerts das Umladen wieder erfolgt. Es ergibt sich so mit Vorteil eine zyklische Ladestrategie für die Batterie.
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Darüber hinaus ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise vorgesehen, dass der Schwellwert oder die Schwellwerte in Abhängigkeit eines die Umgebungsbedingungen des Kraftfahrzeugs beschreibenden Umgebungsparameters gewählt werden. Solche Umgebungsbedingungen können die Umgebungstemperatur, der Standort des Kraftfahrzeugs aber auch die Jahres- oder Tageszeit sein. Es ist bekannt, dass diese Umgebungsbedingungen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Solareinrichtung haben oder sich ein solcher Einfluss daraus ableiten lässt. Der obere Schwellwert kann dementsprechend bei einer infolge der Umgebungsbedingungen geringeren zu erwartenden Leistungsausbeute der Solareinrichtung niedriger angesetzt werden, um die Dauer des Zwischenspeicherns zu verkürzen. Dies gilt selbst verständlich auch umgekehrt bei einer zu erwartenden höheren Leistungsausbeute. Für die Ermittlung der Umgebungsbedingungen können beispielsweise Sensoren oder eine Navigationseinrichtung des Kraftfahrzeugs verwendet werden, deren Daten von der Steuereinrichtung ausgelesen werden.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Schwellwert oder die Schwellwerte in Abhängigkeit eines einen Betriebszustand des Energiespeichers beschreibenden Energiespeicherzustandsparameters gewählt werden. Dieser Betriebszustand kann insbesondere sein Innenwiderstand und/oder der durch den Energiespeicher fließende Strom und/oder die an ihm anliegende Spannung und/oder sein State of Health (SOH) sein. So empfiehlt es sich beispielsweise, den unteren Schwellwert bei einem auf eine fortgeschrittene Alterung des Energiespeichers hinweisenden Betriebszustand höher zu wählen, um eine weitere Abnahme seiner Leistungsfähigkeit durch Zyklisierung zu verringern. Auch ist eine Wahl der Schwellwerte in Abhängigkeit einer an oder im Energiespeicher erfassten Temperatur denkbar, da bei höheren derartigen Temperaturen eine verbesserte Leistungsaufnahme und -abgabe möglich ist. Zweckmäßigerweise erhält die Steuereinrichtung den Energiespeicherzustandsparameter von dem dem Energiespeicher zugeordneten Steuergerät.
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Außerdem kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass der Schwellwert oder die Schwellwerte in Abhängigkeit eines den Leistungsbedarf wenigstens eines der Bordnetze beschreibenden Verbrauchsparameters gewählt werden. Dies gilt insbesondere, wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei einem abgestellten Kraftfahrzeug durchgeführt wird. So kann bei der Wahl der Schwellwerte mit Vorteil auch der Leistungsbedarf von Verbrauchern des zweiten Bordnetzes, insbesondere der Ruhestrom oder die für den Betrieb eines Standlichts erforderliche Leistung, berücksichtigt werden, um stets eine ausreichende verbleibende Spannung des Energiespeichers für ein Starten des Kraftfahrzeugs vorzuhalten.
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Es ist daneben alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass der Schwellwert oder die Schwellwerte in Abhängigkeit historischer Nutzungsdaten des Kraftfahrzeugs gewählt werden. Aus diesen lässt sich beispielsweise eine bevorstehende längere Standzeit des Kraftfahrzeugs prognostizieren, beispielsweise weil dieses an bestimmten Wochentagen und/oder Tageszeiten regelmäßig abgestellt ist. Das Intervall der Schwellwerte kann in diesem Fall größer gewählt werden, da auf Basis der historischen Nutzungsdaten nicht mit einem baldigen Starten des Kraftfahrzeugs zu rechnen ist. Selbstverständlich sind dabei auch die momentane oder eine prognostizierte Leistung der Solareinrichtung sowie eine mögliche Zyklisierung der Batterie, insbesondere bei einem zu gering gewählten unteren Schwellwert, zu berücksichtigen.
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Es ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zudem von besonderem Vorteil, wenn der Schwellwert oder die Schwellwerte in Abhängigkeit einer Ausgangsspannung wenigstens einer das zweite Bordnetz speisenden Energiequelle gewählt werden. Die Energiequelle kann beispielsweise der Koppelgleichspannungswandler oder ein auch als Lichtmaschine bezeichneter Generator, insbesondere bei einem hybrid angetriebenen Kraftfahrzeug, sein. In diesen Fällen soll die Ausgangsspannung der Energiequelle höher als die momentane Spannung des Energiespeichers sein, welche von seinem Ladezustand abhängig ist. Insbesondere soll die Ausgangsspannung aber nicht so hoch sein, dass aus dem Solarwandler keine Energie mehr eingespeist werden kann. In diesem Zusammenhang kann alternativ oder zusätzlich auch während des Zwischenspeicherns die Ausgangsspannung unter eine für das Zwischenspeichern der Energiemenge erforderliche Spannung reduziert werden. Mithin wird vorgeschlagen, die Ausgangsspannung der Energiequelle derart abzusenken, dass vornehmlich die von der Solareinrichtung erzeugte Energiemenge zwischengespeichert wird. Die Steuereinrichtung kann insofern auch die wenigstens eine Energiequelle bzw. ein ihr zugeordnetes Steuergerät ansteuern.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es ferner bevorzugt, wenn während des Zwischenspeicherns und/oder des Umladens ein Zulässigkeitskriterium auf wenigstens eine Betriebsgröße des Energiespeichers und/oder der Batterie, insbesondere eine Temperatur und/oder ein Stromfluss und/oder eine Spannung, angewendet wird, wobei das Zwischenspeichern und/oder das Umladen unterbrochen wird, wenn das Zulässigkeitskriterium verletzt wird. Es wird so grundsätzlich sichergestellt, dass der Energiespeicher bzw. die Batterie in einem gemäß einer Auslegung zulässigen Bereich betrieben wird. Da die Betriebsgrößen typischerweise in dem dem Energiespeicher zugeordneten Steuergerät vorliegen, kann die Steuereinrichtung diese analog zu den zuvor beschriebenen Energiespeicherzustandsparametern abrufen.
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Vorteilhafterweise wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein eine weitere Batterie und/oder einen Superkondensator und/oder eine Brennstoffzelle umfassender Energiespeicher verwendet. Die weitere Batterie kann beispielsweise Blei- und/oder Lithium-Ionen-Zellen umfassen. Als Superkondensator wird bevorzugt ein Doppelschicht-, Pseudo- oder daraus gebildete Hybridkondensator verwendet. Bei dem die Brennstoffzelle umfassenden Energiespeicher wird die Energiemenge durch eine chemische Reaktion in einen zwischenzuspeichernden Stoff umgewandelt und beim Umladen in elektrische Energie zurückgewandelt. Der Energiespeicher kann aber auch aus einer Kombination der zuvor genannten Komponenten gebildet sein, beispielsweise aus einem mit der weiteren Batterie verschalten Superkondensator.
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Schließlich ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vorteil auch möglich, dass kraftfahrzeugseitig ein drittes Bordnetz mit einer dritten Bordnetzspannung, welche geringer als die erste Bordnetzspannung ist, verwendet wird. Mithin liegen sowohl die erste Bordnetzspannung als auch die zweite Bordnetzspannung unterhalb der ersten Bordnetzspannung, so dass zwei Niederspannungsbordnetze und ein Hochspannungsbordnetz im Kraftfahrzeug vorgesehen sind. Die zweite Bordnetzspannung und die dritte Bordnetzspannung können 12 Volt und 48 Volt betragen oder umgekehrt. Es kann ein weiterer Koppelgleichspannungswandler vorgesehen sein, der das zweite Bordnetz mit dem dritten Bordnetz verbindet. Es ist auch denkbar, dass das zweite Bordnetz über beide Koppelgleichspannungswandler mittelbar mit dem ersten Bordnetz verbunden ist. Derartige Bordnetzarchitekturen bieten den Vorteil, dass herkömmliche 12-Volt-Verbraucher weiterhin über das Bordnetz mit der niedrigsten Bordnetzspannung versorgt werden können, wobei für besonders leistungsintensive Verbraucher das Niedervoltbordnetz höherer Spannung vorgesehen ist. Außerdem ist es denkbar, dass lediglich ein Koppelgleichspannungwandler vorgesehen ist, welcher jeweils einen Anschluss für das zweite Bordnetz und das dritte Bordnetz aufweist und diese mit dem ersten Bordnetz verbindet.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend ein eine Batterie aufweisendes erstes Bordnetz mit einer ersten Bordnetzspannung, ein einen Energiespeicher aufweisendes zweites Bordnetz mit einer zweiten Bordnetzspannung, welche geringer als die erste Bordnetzspannung ist, und eine Solareinrichtung zum Laden der Batterie. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Steuereinrichtung vorgesehen ist. Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesen die zuvor 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. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
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2 eine Prinzipskizze eines weiteren erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
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3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden einer Batterie eines der in den 1 und 2 gezeigten Kraftfahrzeuge mittels einer kraftfahrzeugseitigen Solareinrichtung.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs 1, umfassend ein erstes Bordnetz 2, welches über einen Kopplungsgleichspanungswandler 3 mit einem zweiten Bordnetz 4 verbunden ist, und eine Solareinrichtung 5, welche über ein Solargleichspannungswandler 6 mit dem zweiten Bordnetz 4 verbunden ist. Daneben ist eine Steuereinrichtung 7 vorgesehen, welche Eingangsdaten von einer Sensoreinrichtung 8, einer Navigationseinrichtung 9 und einer Kommunikationseinrichtung 10 erhält. Verbindungen zum Transport elektrischer Leistung sind durch dicke Linien und Leitungen für Steuerdaten durch dünne Linien dargestellt.
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Das erste Bordnetz 2 weist eine Batterie 11 mit einem ihr zugeordneten Batteriesteuergerät 12 auf, mittels welcher eine Antriebseinrichtung 13 des hybrid angetriebenen Kraftfahrzeugs 1 und weitere lediglich symbolisch dargestellte Hochvoltverbraucher 14 versorgbar sind. Die Batterie 11 ist als Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von mehreren hundert Volt ausgebildet, was der ersten Bordnetzspannung des ersten Bordnetzes 2 entspricht.
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Das zweite Bordnetz 4 weist dagegen eine zweite Bordnetzspannung von 12 Volt auf, welche als Nennspannung eines Energiespeichers 15 mit einem zugeordneten Energiespeichersteuergerät 16 bereitgestellt wird. Der Energiespeicher 15 umfasst eine weitere Batterie (nicht gezeigt) oder in anderen Ausführungsbeispielen, gegebenenfalls zusätzlich, einen Superkondensator oder eine Brennstoffzelle. Das zweite Bordnetz 4 versorgt mehrere lediglich symbolisch dargestellte Niedervoltverbraucher 17 und ist ferner an einen Generator 18 als Energiequelle für das zweite Bordnetz 4, dem ein Generatorsteuergerät 19 zugeordnet ist, angebunden. Der Koppelgleichspannungswandler 3 dient der Anpassung der Bordnetzspannungen des ersten Bordnetzes 2 und des zweiten Bordnetzes 4. Er ist als bidirektionaler Gleichspanungswandler ausgebildet, um Energie aus dem ersten Bordnetz 2 in das zweite Bordnetz 4, insbesondere zum Laden des Energiespeichers 15, einzuspeisen, so dass auch der Koppelgleichspannungswandler 3 als Energiequelle des zweiten Bordnetzes 4 fungiert. Der Koppelgleichspannungswandler 3 ist durch die Steuereinrichtung 7 aktivierbar und deaktivierbar, wobei während seiner Aktivierung durch das Öffnen von Sicherheitsschaltern eine verhältnismäßig hohe Verlustleistung entsteht.
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Die Solareinrichtung 5 umfasst eine Vielzahl von Solarzellen (nicht gezeigt) und ist in einem Dachbereich des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Ausgangsspannung der Solareinrichtung 5 liegt oberhalb der zweiten Bordnetzspannung, beispielsweise bei 50 Volt, so dass zur Anpassung dieser Spannungen der Solarwandler 6 vorgesehen ist. Auch dieser ist durch die Steuereinrichtung 7 aktivierbar und deaktivierbar, wobei aufgrund seines weniger leistungsintensive Aufbaus während einer Aktivierung eine wesentlich geringere Verlustleistung entsteht als beim Koppelgleichspannungswandler 3.
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2 zeigt eine Prinzipskizze eines weiteren Kraftfahrzeugs 1, das dem in 1 gezeigten entspricht, jedoch zusätzlich ein drittes Bordnetz 20 aufweist, das über einen weiteren Koppelgleichspannungswandler 21 mit dem zweiten Bordnetz 4 verbunden ist. Dabei weist das zweite Bordnetz 4 eine zweite Bordnetzspannung von 48 Volt und das dritte Bordnetz eine dritte Bordnetzspannung von 12 Volt auf. Dies entspricht der Nennspannung einer weiteren Batterie 22 des dritten Bordnetzes 20, mittels welcher rein symbolisch dargestellte weitere Niedervoltverbraucher 23 versorgbar sind. Ersichtlich wird bei dem Kraftfahrzeug 1 die von der Solareinrichtung 5 erzeugte Leistung über den Solargleichspannungswandler 6 mit einer höheren Ausgangsspannung von 48 Volt als bei dem in 1 gezeigten Kraftfahrzeug 1 in das zweite Bordnetz 4 eingespeist.
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Im Rahmen weiterer Ausführungsbeispiele gemäß 2 kann die dritte Bordnetzspannung auch kleiner als die des zweiten Bordnetzes 4 sein, mithin beispielsweise 12 Volt oder 24 Volt betragen und die dritte Bordnetzspannung zu 48 Volt gewählt sein. Ebenso kann das dritte Bordnetz 20 auch unmittelbar über den Koppelgleichspannungswandler 3 mit dem ersten Bordnetz 2 verbunden sein, sodass das zweite Bordnetz 4 über mittelbar beide Koppelgleichspannugswandler 3, 21 mit dem ersten Bordnetz 2 verbunden ist. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels wird auf den weiteren Koppelgleichspannungswandler 21 verzichtet, wobei der Koppelgleichspannungswandler 3 jeweils einen Anschluss für das zweite Bordnetz 4 und das dritte Bordnetz 20 aufweist und mithin als Multigleichspannungswandler ausgebildet ist.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Laden der Batterie 11 des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs 1 mittels der kraftfahrzeugseitigen Solareinrichtung 5, wobei sich die Ausführung analog auf das in 2 gezeigte Kraftfahrzeug 1 übertragen lassen. Gemäß dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass eine durch die Solareinrichtung 5 erzeugte Energiemenge im Energiespeicher 15 zwischengespeichert wird, wonach bei Erreichen eines oberen Schwellwertes durch eine einen Ladezustand des Energiespeichers 15 beschreibende Ladezustandsgröße Energie aus dem Energiespeicher in die Batterie 11 umgeladen wird. Das Umladen wird bei Erreichen eines unterhalb des oberen Schwellwerts liegenden unteren Schwellwerts durch die Ladezustandsgröße beendet. Die Steuereinrichtung 7 ist zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet, welches im Folgenden genauer beschrieben wird.
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Das Verfahren beginnt in einem Schritt S1, in welchem ein Leistungstransport weder von der Solareinrichtung 5 in das zweite Bordnetz 4 noch vom zweiten Bordnetz 4 in das erste Bordnetz 2 erfolgt. Der Solargleichspannungswandler 6 ist mithin deaktiviert, wobei der Koppelgleichspannungswandler 3 deaktiviert oder zum Leistungstransport vom ersten Bordnetz 2 in das zweite Bordnetz 4 angesteuert ist.
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In einem folgenden Schritt S2 wird zunächst der obere Schwellwert in Abhängigkeit eines die Umgebungsbedingungen des Kraftfahrzeugs 1 beschreibenden Umgebungsparameters, eines den Betriebszustand des Energiespeichers 15 beschreibenden Energiespeicherzustandsparameters, eines den Leistungsbedarf des zweiten Bordnetzes 4 beschreibenden Verbrauchsparameters und historischer Nutzungsdaten des Kraftfahrzeugs 1 gewählt.
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Die Umgebungsbedingungen sind dabei eine Umgebungstemperatur, die von einem Sensor der Sensoreinrichtung 8 erfasst wird, ein Standort des Kraftfahrzeugs 1, welcher mittels der Navigationseinrichtung 9 ermittelt wird, und die momentane Jahres- und Tageszeit, welche der Steuereinrichtung 7 selbst bekannt sein kann oder mittels der Kommunikationseinrichtung 10 von einer externen Quelle abgerufen wird. Daraus prognostiziert die Steuereinrichtung 7 eine erwartete Leistungsausbeute der Solareinrichtung 5, da ihr Betriebsverhalten insbesondere von vorgenannten Umgebungsbedingungen beeinflusst wird. Der obere Schwellwert wird beispielsweise bei einer geringen zu erwartenden Leistungsausbeute niedriger bezüglich eines vorgegebenen Referenzwertes für den oberen Schwellwert angesetzt als bei einer hohen zu erwartenden Leistungsausbeute, um eine übermäßige Dauer des Zwischenspeicherns zu vermeiden.
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Der Betriebszustand des Energiespeichers 15, der durch den Energiespeicherzustandsparameters beschrieben wird, wird durch die Temperatur des Energiespeichers 15, seinen Innenwiderstand, den durch ihn fließenden Strom, die an ihm anliegende Spannung und seinen State of Health (SOH) bestimmt. Diese Betriebszustände weder durch die Steuereinrichtung 7 vom Energiespeichersteuergerät 16 abgerufen. Da der Energiespeicher 15 bei einer hohen Temperatur einen geringeren Innenwiderstand und mithin ein höheres Leistungsaufnahmevermögen aufweist wird beispielsweise der obere Schwellwert mit steigender Temperatur höher gewählt.
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Darüber hinaus können auch der Leistungsbedarf der Niedervoltverbraucher 17 des zweiten Bordnetzes 4 und historischer Nutzungsdaten des Kraftfahrzeugs 1 in die Wahl des oberen Schwellwerts einfließen. Ferner wird der obere Schwellwert in Abhängigkeit der Ausgangsspannung der Energiequellen, mithin des Koppelgleichspannungswandlers 3 und des Generator 18, derart gewählt, dass die momentane Spannung des Energiespeichers 15, welche von seinem Ladezustand abhängig ist, niedriger als die Ausgangsspannungen ist, da sonst vornehmlich von den Energiequellen erzeugte Energie zwischengespeichert werden würde. Die Ausgangsspannung des Generators 18 wird über das Generatorsteuergerät 19 durch die Steuereinrichtung 7 ausgelesen.
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In einem anschließenden Schritt S3 wird der untere Schwellwert in Abhängigkeit des Umgebungsparameters, des Energiespeicherzustandsparameters, des Verbrauchsparameters und der historischen Nutzungsdaten sowie der Ausgangsspannungen der Energiequellen in grundsätzlich analoger Weise zu Schritt S2 gewählt. Beispielsweise kann bei einer niedrigen Umgebungstemperatur oder einer niedrigeren Temperatur des Energiespeichers 15 der untere Schwellwert höher angesetzt werden, um eine mögliche Zyklisierung zu vermeiden. Dies gilt auch bei einem besonders schlechten SOH, die auf eine fortgeschrittene Alterung des Energiespeichers 15 hinweist. Ebenso ist es möglich, durch die historische Nutzungsdaten eine bevorstehende Standzeit des Kraftfahrzeugs 1 zu prognostizieren und unter Berücksichtigung des Ruhestroms von Niedervoltverbrauchern 17 wie eines Standlichts einen unteren Schwellwert derart vorzugeben, dass ein Starten des Kraftfahrzeugs 1 nach der Standzeit noch möglich ist.
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In einem nächsten Schritt S4 beginnt das Zwischenspeichern der durch die Solareinrichtung 5 erzeugten Energiemenge im Energiespeicher 15. Diese Energiemenge ergibt sich aus der Solarleistung sowie der Dauer des Zwischenspeicherns. Dazu wird der Solargleichspannungswandler 6 aktiviert, wobei der Betriebszustand des Koppelgleichspannungswandlers 3 nicht verändert wird. Es erfolgt mithin ein Leistungstransport der Solareinrichtung 5 in das zweite Bordnetz 4.
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Während des Zwischenspeicherns wird in einem Schritt S5 überprüft, ob ein auf mehrere Betriebsgrößen des Energiespeichers 15 angewendetes Zulässigkeitskriterium verletzt wird. Diese Betriebsgrößen sind die Temperatur des Energiespeichers 15, der durch sie fließenden Strom und die über ihm abfallende Spannung. Bei einer Verletzung des Zulässigkeitskriterium wird der Energiespeicher 15 nicht mehr auslegungsgemäß betrieben, so dass Fehler auftreten können. In diesem Fall endet das Zwischenspeichern in einem Schritt S6.
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Andernfalls wird das Verfahren in einem Schritt S7 fortgesetzt. In diesem wird überprüft, ob die Ausgangsspannungen der Energiequellen höher als eine für das Zwischenspeichern der Energiemenge im Energiespeicher 15 erforderliche Spannung ist. Ist dies der Fall werden in einem Schritt S8 die zu hohen Ausgangsspannungen reduziert, indem das Generatorsteuergerät 19 bzw. der Koppelgleichspannungswandler 3 entsprechend angesteuert werden.
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Anschließend oder falls die Ausgangsspannungen nicht höher als die erforderliche Speicherspannung sind, wird das Verfahren in einem Schritt S9 fortgesetzt. In diesem Schritt wird überprüft, ob der obere Schwellwert durch die Ladezustandsgröße erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so erfolgt ein Rücksprung in den Schritt S5, so dass kontinuierlich die Verletzung des Zulässigkeitskriteriums, die Ausgangsspannungen der Energiequellen und das Erreichen des oberen Schwellwerts überprüft werden.
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Ist der obere Schwellwert erreicht, wird das Verfahren in einem Schritt S10 fortgesetzt. In diesem Schritt beginnt das Umladen der im Energiespeicher 15 zwischengespeichert Energie in die Batterie 11. Dazu wird der Koppelgleichspannungswandler 3 zum Ermöglichen eines Leistungstransports vom zweiten Bordnetz 4 in das erste Bordnetz 2 angesteuert. Der Leistungstransport von der Solareinrichtung 5 in das zweite Bordnetz 4 wird währenddessen fortgesetzt, wobei ein Überladen des Energiespeichers 15 durch das Energiespeichersteuergerät 16 verhindert wird.
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In einem folgenden Schritt S11 wird analog zum Schritt S5 erneut die Verletzung des Zulässigkeitskriterium überprüft, wobei bei einer Verletzung auch hier das Verfahren im Schritt S6 endet.
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Andernfalls wird in einem Schritt S12 überprüft, ob der untere Schwellwert erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, so wird für eine weitere Überwachung des Zulässigkeitskriteriums und des unteren Schwellwerts während des Umladens zum Schritt S11 zurückgesprungen.
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Bei Erreichen des unteren Schwellwerts wird hingegen das Umladen in einem Schritt S13 beendet, also der Kopplungsgleichspannungswandler 3 deaktiviert. Es erfolgt sodann ein Rücksprung in den Schritt S2, so dass das Verfahren zyklisch durchgeführt wird, wobei bei erneuter Ausführung des Schritts S4 keine erneute Aktivierung des Solargleichspannungswandlers 6 erfolgt, da ein kontinuierlicher Leistungstransport vorgesehen ist. Der Solargleichspannungswandler 6 verbleibt mithin in seinem aktivierten Zustand.
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Es ist im Rahmen weitere Ausübungsbeispiele des Verfahrens auch denkbar, dass die Schritte S2 und S3 parallel zu den übrigen Schritten durchgeführt werden, so dass eine kontinuierliche Anpassung der Schwellwerte ermöglicht wird. Dementsprechend kann auch die Überprüfung des Zulässigkeitskriterium gemäß der Schritte S5 und S11 parallelisiert werden.
