DE102017205841A1 - Method for operating a solar energy device of a motor vehicle and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betrieb einer Solarenergieeinrichtung (7) eines Kraftfahrzeugs (2), die wenigstens eine Solarzelle (15) mit einer Wandlereinrichtung (10) umfasst, der eine Steuereinheit (11) zur Einstellung eines maximalen Leistungspunktes zugeordnet ist, wobei das Kraftfahrzeug (2) wenigstens einen optischen Umgebungssensor, insbesondere eine Kamera, umfasst, wobei durch Auswertung von Bilddaten des optischen Bewegungssensors die Solareinrichtung zukünftig überstreichende Schatten (5, 5') detektiert werden, wobei die Bewegung der Schatten (5, 5') relativ zu dem Kraftfahrzeug (2) zur Ermittlung eines prädizierten Abschattungszeitraums für jede Solarzelle (15) vorausberechnet wird und die Steuereinheit (11) zur Absenkung des Leistungspunktes zum Beginn eines prädizierten Abschattungszeitraums ausgebildet ist. Method for operating a solar energy device (7) of a motor vehicle (2) which comprises at least one solar cell (15) with a converter device (10) to which a control unit (11) is assigned for setting a maximum power point, the motor vehicle (2) at least an optical environment sensor, in particular a camera, wherein by evaluating image data of the optical motion sensor, the solar device in the future sweeping shadows (5, 5 ') are detected, the movement of the shadow (5, 5') relative to the motor vehicle (2) for calculating a predefined shading period for each solar cell (15) is calculated in advance and the control unit (11) is designed to lower the power point at the beginning of a predefined shading period.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Solarenergieeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, die wenigstens eine Solarzelle mit einer Wandlereinrichtung umfasst, der eine Steuereinheit zur Einstellung eines maximalen Leistungspunktes zugeordnet ist, wobei das Kraftfahrzeug wenigstens einen optischen Umgebungssensor, insbesondere eine Kamera, umfasst. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a method for operating a solar energy device of a motor vehicle, comprising at least one solar cell with a converter device, which is assigned a control unit for setting a maximum power point, wherein the motor vehicle comprises at least one optical environment sensor, in particular a camera. In addition, the invention relates to a motor vehicle.
Im Stand der Technik wurden bereits Kraftfahrzeuge vorgeschlagen, die zur Erzeugung von elektrischer Energie auch eine kraftfahrzeugeigene Solarenergieeinrichtung mit üblicherweise mehreren Solarzellen verwenden können. Dabei wurde beispielsweise vorgeschlagen, die Solarenergieeinrichtung dachseitig auf dem Kraftfahrzeug anzuordnen („Solardach“). Üblicherweise umfasst eine Solarenergieeinrichtung mithin eine Vielzahl einzelner Solarzellen zum Erzeugen elektrischen Stroms. Dabei tritt bei einer Parallelschaltung eine Addition von Strömen auf, während die Spannung geringer bleibt, während sich in einer Reihenschaltung die Spannungen addieren.In the prior art motor vehicles have been proposed, which can use a motor vehicle own solar energy device with usually several solar cells for the production of electrical energy. It has been proposed, for example, to arrange the solar energy device on the roof side of the motor vehicle ("solar roof"). Usually, a solar energy device thus comprises a plurality of individual solar cells for generating electric current. In this case, in a parallel circuit, an addition of currents occurs while the voltage remains lower, while adding the voltages in a series circuit.
Probleme treten bei solchen Kraftfahrzeugen mit Solarenergieeinrichtungen insbesondere dann auf, wenn Abschattungen von Solarzellen auftreten, die die Leistung der Solarenergieeinrichtung reduzieren. Beim Durchfahren eines Schattens werden einzelne oder mehrere Solarzellen der Solarenergieeinrichtung verdeckt, wodurch es vorkommen kann, dass diese nichtleitend werden und im schlimmsten Fall, beispielsweise bei einer Reihenschaltung, das gesamte Solarmodul blockiert wird. Dies führt dazu, dass innerhalb kürzester Zeit ein Einbruch von voller Leistung, beispielsweise 300 W, auf 0 W stattfinden kann.Problems arise in such motor vehicles with solar energy devices, in particular, when shadowing of solar cells occur that reduce the performance of the solar energy device. When driving through a shadow, one or more solar cells of the solar energy device are covered, which may happen that they are non-conductive and in the worst case, for example in a series connection, the entire solar module is blocked. As a result, a break-in from full power, for example 300 W, to 0 W can take place within the shortest possible time.
Um immer eine optimale, mithin maximale, Leistung zu erreichen, ist im Stand der Technik eine sogenannte MPP-Regelung bekannt. Die Abkürzung MPP steht dabei für „Maximum Power Point“, also den maximalen Leistungspunkt. Die MPP-Regelung ist ein Verfahren, bei dem die elektrische Belastung einer Solarzelle so angepasst wird, dass der zugehörigen Solarenergieeinrichtung die größte mögliche Leistung entnommen werden kann, wobei der optimale Betriebspunkt MPP nicht konstant ist, sondern unter anderem von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur an der Solarzelle und dem Typ der Solarzelle abhängt.In order always to achieve optimum, and thus maximum, performance, a so-called MPP control is known in the prior art. The abbreviation MPP stands for "Maximum Power Point", ie the maximum power point. The MPP control is a method in which the electrical load of a solar cell is adjusted so that the associated solar energy device, the largest possible power can be taken, the optimal operating point MPP is not constant, but among other things on the irradiance, the temperature the solar cell and the type of solar cell depends.
Die Einstellung des optimalen Betriebspunktes und die laufende Nachführung des MPP wird durch eine Steuereinheit, beispielsweise eine elektronische Schaltung, die einer Wandlereinrichtung der Solarzelle zugeordnet ist, erreicht. Allgemein kann gesagt werden, dass die größte mögliche Leistung aus einer Quelle entnommen werden kann, wenn der Innenwiderstand der Quelle, hier also der Solarzelle, gleich einem vom externen Lastwiderstand abhängigen optimalen Wert ist. Mithin wird in der der Solarzelle zugeordneten Wandlereinrichtung der Lastwiderstand durch die Steuereinheit so beeinflusst beziehungsweise nachgeführt, dass er möglichst genau die optimale Beziehung für die Solarzelle herstellt und somit die Leistungsabgabe unter verschiedenen Betriebsbedingungen optimiert wird. Dabei existieren verschiedene Möglichkeiten, die MPP-Regelung konkret umzusetzen, beispielsweise iterative Suchverfahren und dergleichen.The setting of the optimum operating point and the ongoing tracking of the MPP is achieved by a control unit, for example an electronic circuit, which is assigned to a converter device of the solar cell. In general, it can be said that the largest possible power can be taken from a source when the internal resistance of the source, in this case the solar cell, is equal to an optimum value dependent on the external load resistance. Thus, in the converter device associated with the solar cell, the load resistance is influenced or tracked by the control unit in such a way that it produces the optimum relationship for the solar cell as precisely as possible and thus optimizes the power output under different operating conditions. There are various possibilities to implement the MPP control concretely, for example, iterative search methods and the like.
Problematisch im Hinblick auf die MPP-Regelung ist, dass der Strom in der Strom-Spannungskurve beziehungsweise die Leistung dem MPP nachfolgend deutlich abfällt. Das bedeutet für die Abschattung einer Solarzelle, dass dann, wenn eine Solarzelle soeben noch stark bestrahlt wurde, üblicherweise eine hohe Spannung anliegt, so dass bei deren plötzlicher Abschattung die Leistung tatsächlich auch bis auf Null absinken kann. Bei einer Reihenschaltung von Solarzellen ist dies besonders problematisch.A problem with regard to the MPP control is that the current in the current-voltage curve or the power subsequently falls significantly below the MPP. This means for the shading of a solar cell that when a solar cell has just been heavily irradiated, usually a high voltage is applied, so that their sudden shading performance can actually drop to zero. In a series connection of solar cells, this is particularly problematic.
Die bekannten MPP-Regelungen in den Wandlereinrichtungen müssen bei einer solchen Abschattung wieder den optimalen Leistungspunkt suchen, was aufgrund der starken Unterschiede in den Bestrahlungsstärken einige Zeit in Anspruch nehmen kann. Dies ist gerade bei bezüglich einer Fahrt betriebenen Kraftfahrzeugen hochrelevant, da häufig wechselnde Licht/Schattenspiele beispielsweise auftreten können, wenn sich das Kraftfahrzeug entlang einer Straße mit Bäumen bewegt oder häufige, hohe Lastkraftwagen auf der Gegenfahrbahn zu sich wiederholenden kurzfristigen Abschattungen führen, denen die MPP-Regelung zu langsam folgt. Dies kann zu einer starken Reduzierung der aufgenommenen Energiemenge führen.The known MPP regulations in the converter devices must again look for the optimal power point in such shading, which may take some time due to the strong differences in the irradiances. This is highly relevant in motorized vehicles in particular since frequently changing light / shadow can occur, for example, when the motor vehicle moves along a tree-lined road or frequent, high trucks on the oncoming lane lead to repetitive short-term shadows to which the MPP Regulation too slow follows. This can lead to a large reduction in the amount of energy consumed.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eine höhere Energieausbeute erlaubendes Betriebsverfahren für Solarenergieanlagen an Kraftfahrzeugen in Abschattungsfällen anzugeben, insbesondere bei schnell und/oder häufig wechselnden Bestrahlungsstärken einzelner Solarzellen.The invention is therefore based on the object to provide a higher energy yield permitting operating method for solar energy systems on motor vehicles in shading cases, especially in the case of fast and / or frequently changing irradiation intensities of individual solar cells.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch Auswertung von Bilddaten des optischen Umgebungssensors die Solareinrichtung zukünftig überstreichende Schatten detektiert werden, wobei die Bewegung der Schatten relativ zu dem Kraftfahrzeug zur Ermittlung eines prädizierten Abschattungszeitraums für jede Solarzelle vorausberechnet wird und die Steuereinheit zur Absenkung des Leistungspunktes zum Beginn eines prädizierten Abschattungszeitraums ausgebildet ist.To achieve this object, the invention provides, in a method of the type mentioned above, that the solar device will be detected by evaluating image data of the ambient optical sensor in the future, the movement of the shadow is precalculated relative to the motor vehicle for determining a predefined shading period for each solar cell and the control unit is designed to lower the power point at the beginning of a predefined shading period.
Mit anderen Worten wird eine optische Umfeldsensorik, beispielsweise eine Frontkamera, des Kraftfahrzeugs genutzt, um zu präzidieren, wann die Abschattung in der Zukunft auftreten wird, um bereits prädiktiv eine Anpassung des maximalen Leistungspunkts (MPP) zu erreichen. Mit anderen Worten wird die prädiktive Information, mithin der Abschattungszeitraum, genutzt, um die MPP-Regelstrategie der Solarenergieeinrichtung, mithin den Betrieb der Steuereinheit der Wandlereinrichtung, in eine prädiktive MPP-Regelstrategie zu erweitern, die als Optimierungskriterium nicht mehr nur die momentan optimale Leistung, sondern die Maximierung der Energiemenge über einen Zeitraum, über den zusätzliche Informationen vorliegen, ermöglicht. So kann unter Berücksichtigung der Information, dass ein oder mehrere Schatten in Kürze die Leistung der Solarenergieeinrichtung reduzieren werden, sichergestellt werden, dass sich die Solarenergieeinrichtung beziehungsweise die wenigstens eine Solarzelle sofort auf einen angepassten Leistungspunkt begibt, der die Aufnahmeleistung für den erkannten Schatten (reduzierte Bestrahlungsstärke) optimiert und nach Durchfahrt des Schattens in vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auch sofort wieder auf den optimalen Leistungspunkt ohne Schatteneinwirkung zurückspringen. Damit ist eine deutlich schnellere Einstellung auf geänderte Bestrahlungsstärken aufgrund von Schatten gegeben. Leistungseinbrüche können vermieden werden und die eingesetzte Solaranlage wird besser und wirtschaftlicher genutzt. Insbesondere wird durch Anpassen des maximalen Leistungspunktes zu Beginn und zum Ende eines Abschattungszeitraums auch ein schnelleres Finden des tatsächlichen neuen maximalen Leistungspunktes im Rahmen der üblichen Regelung ermöglicht, da ein besserer Ausgangspunkt gegeben ist. Es ergibt sich mithin eine deutliche Steigerung der Gesamtenergieabgabe der Solarenergieeinrichtung auf Fahrbahnen mit Verschattungen.In other words, an optical environment sensor system, for example a front camera, of the motor vehicle is used to specify when the shading will occur in the future in order to already predictively achieve a maximum power point (MPP) adjustment. In other words, the predictive information, hence the shading period, is used to extend the MPP control strategy of the solar energy device, and thus the operation of the control unit of the converter device, into a predictive MPP control strategy which no longer only optimizes the currently optimal performance as an optimization criterion. but maximizing the amount of energy over a period of time over which additional information is available. Thus, taking into account the information that one or more shadows will shortly reduce the performance of the solar energy device, it can be ensured that the solar energy device or the at least one solar cell immediately moves to an adapted power point which determines the recording power for the detected shadow (reduced irradiance ) and, after passing through the shadow in an advantageous embodiment of the present invention, immediately jump back to the optimum power point without any shadow effect. This provides a much faster adjustment to changes in irradiance due to shadows. Power failures can be avoided and the solar system used is used better and more economically. In particular, by adjusting the maximum power point at the beginning and at the end of a shading period, a faster finding of the actual new maximum power point within the scope of the usual control is possible, since a better starting point is given. This results in a significant increase in the total energy output of the solar energy system on roads with shading.
Zur Erkennung von Schatten können dabei insbesondere Bildverarbeitungsalgorithmen auf die Bilddaten angewandt werden. Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass auch Ausgestaltungen denkbar sind, in denen eine Wandlereinrichtung und somit eine Steuereinheit mehreren, insbesondere parallel geschalteten Solarzellen zugeordnet ist. Eine derartige Anordnung von parallel geschalteten Solarzellen kann auch als Solarmodul bezeichnet werden.In particular, image processing algorithms can be applied to the image data to detect shadows. It should also be noted at this point that embodiments are also conceivable in which a converter device and thus a control unit is assigned to a plurality of solar cells, in particular parallel-connected. Such an arrangement of parallel-connected solar cells can also be referred to as a solar module.
Dabei und insbesondere auch im Rahmen der Nachverfolgung eines Schattens können grundlegend im Stand der Technik bereits bekannte Bildverarbeitungsalgorithmen und/oder Nachverarbeitungsalgorithmen eingesetzt werden. Wird also ein Schatten in den Bilddaten detektiert, kann dieser über geeignete Nachverfolgungsalgorithmen auch nachverfolgt werden, so dass sich bereits hieraus eine Bewegungsinformation bezüglich des Schattens ergeben kann. Zur Prädiktion der Bewegung des Schattens kann zusätzlich oder alternativ auch die bekannte und/oder prädizierte und/oder vorausberechnete Bewegung des Kraftfahrzeugs als Bewegungsinformation berücksichtigt werden. Dabei wird selbstverständlich davon ausgegangen, dass die Position der Solarzellen am Kraftfahrzeug bekannt ist, so dass sie entsprechend berücksichtigt werden kann, wenn ein Abschattungszeitraum prädiziert werden soll.In this case, and in particular also during the tracking of a shadow, already known image processing algorithms and / or post-processing algorithms can be used fundamentally in the prior art. If, therefore, a shadow is detected in the image data, it can also be tracked by means of suitable tracking algorithms, so that movement information regarding the shadow can already result therefrom. For prediction of the movement of the shadow, additionally or alternatively, the known and / or predicted and / or predicted movement of the motor vehicle can be taken into account as movement information. It is of course assumed that the position of the solar cells on the motor vehicle is known, so that it can be taken into account accordingly if a shading period is to be predicted.
Wie bereits erwähnt, lassen sich bekannte Bildverarbeitungsalgorithmen und/oder Nachverfolgungsalgorithmen und/oder weitere Auswertungsalgorithmen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, auf Schatten oder statische Objekte angepasst, anwenden. Insbesondere kann ein Schatten, wenn er als Objekt betrachtet wird, zur Vorhersage einer Abschattung als eine Art Kollisionsobjekt betrachtet werden, wie dies beispielsweise aus entsprechenden, Kollisionsberechnungen durchführenden Sicherheitssystemen bekannt ist. Entsprechend können auch im Rahmen der Kollisionsberechnung bekannte Kollisionsalgorithmen in die Prädiktion eingehen. Nachdem der Schattenverlauf auf dem Kraftfahrzeug auch von der Geometrie des Kraftfahrzeugs abhängt, ist es im Übrigen zweckmäßig, wenn ein 3D-Modell des Kraftfahrzeugs ebenso vorliegt und verwendet wird.As already mentioned, known image processing algorithms and / or tracking algorithms and / or further evaluation algorithms can be used in the context of the present invention, adapted to shadows or static objects. In particular, a shadow, when viewed as an object, can be regarded as a kind of collision object for predicting shadowing, as is known, for example, from corresponding collision-calculating security systems. Accordingly, collision algorithms known in the context of the collision calculation can also be included in the prediction. After the shadow course on the motor vehicle also depends on the geometry of the motor vehicle, it is otherwise expedient if a 3D model of the motor vehicle is also present and used.
Als Bilddaten können dreidimensionale Bilddaten verwendet werden, beispielsweise mit einer 3D-Kamera als optischem Umgebungssensor aufgenommene Bilddaten, so dass sich die Entfernung eines Schattens unmittelbar aus den Bilddaten bestimmen lässt, mithin eine dreidimensionale Positionsinformation bezüglich des Schattens ableitbar ist. Die Bilddaten können jedoch auch zumindest teilweise zweidimensional sein, wobei beispielsweise zur Ermittlung dreidimensionaler Positionsinformationen hinsichtlich eines Schattens eine Bildfolge (optischer Fluss) und/oder eine Zusatzinformation ausgewertet werden kann. Eine Zusatzinformation kann beispielsweise die Ausrichtung des optischen Umgebungssensors und/oder eine Annahme einer flachen Fahrbahn und/oder ein Höhenprofil aus digitalen Kartendaten umfassen. Entsprechende Möglichkeiten, aus Bilddaten dreidimensionale Positionsinformationen abzuleiten, sind im Stand der Technik bereits beschrieben worden.Three-dimensional image data can be used as the image data, for example image data taken with a 3D camera as the ambient optical sensor, so that the removal of a shadow can be determined directly from the image data, thus three-dimensional position information relating to the shadow can be derived. However, the image data can also be at least partially two-dimensional, wherein, for example, an image sequence (optical flow) and / or additional information can be evaluated with regard to a shadow in order to determine three-dimensional position information. Additional information can be, for example, the orientation of the optical environment sensor and / or an assumption of a flat roadway and / or a height profile include digital map data. Corresponding possibilities for deriving three-dimensional position information from image data have already been described in the prior art.
Dabei ist es bevorzugt, wenn als optischer Umgebungssensor wenigstens eine auf das Vorfeld des Kraftfahrzeugs gerichtete Kamera verwendet wird. Kraftfahrzeuge bewegen sich in den meisten Fällen vorwärts, so dass Schatten im Vorfeld des Kraftfahrzeugs, die in der Zukunft durchfahren werden, die größte Relevanz aufweisen. Derartige Schatten können mit einer auf das Vorfeld des Kraftfahrzeugs gerichteten Kamera (Frontkamera) erfasst werden. Zweckmäßig können selbstverständlich auch weitere Kameras sein, beispielsweise eine auf den Rückraum des Kraftfahrzeugs gerichtete Kamera, deren Informationen genutzt werden können, wenn das Kraftfahrzeug rückwärts fährt. Denkbar ist es auch, eine 360°-Abdeckung des Umfelds über Kameras als optische Umgebungssensoren zu realisieren.It is preferred if at least one camera directed onto the apron of the motor vehicle is used as the optical environment sensor. Motor vehicles move forward in most cases, so that shadows in the run-up to the motor vehicle, which are traversed in the future, have the greatest relevance. Such shadows can be detected with a camera (front camera) directed towards the apron of the motor vehicle. Appropriately, of course, other cameras may be, for example, directed to the rear space of the motor vehicle camera whose information can be used when the motor vehicle reverses. It is also conceivable to realize a 360 ° coverage of the environment via cameras as optical environment sensors.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zur Detektion von Schatten in den Bilddaten ein Klassifizierungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz verwendet wird, welcher mit hinsichtlich von Schatten annotierten Trainings-Bilddaten trainiert wurde. Ein derartiger Algorithmus wertet beispielsweise Kontrastunterschiede aufgrund der unterschiedlichen Ausleuchtung in den Bilddaten aus. Allerdings können derartige Kontrastunterschiede auch aus anderen Gründen auftreten, so dass es zweckmäßig ist, künstliche Intelligenz, insbesondere in Form von Maschinenlernen, einzusetzen, um in den Bilddaten sichtbare Objekte als Schatten klassifizieren zu können. Dabei werden zweckmäßigerweise Trainingsdaten des und/oder eines vergleichbaren optischen Umgebungssensors herangezogen, die, beispielsweise von einer Person, Annotationen darüber enthalten, wo in einem Bild ein Schatten zu erkennen ist. Entsprechend kann der Klassifizierungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz unter Nutzung der Trainingsdaten trainiert werden, so dass seine Parameter entsprechend angepasst sind, dass eine hochgradig zuverlässige Erkennung von Schatten in den Bilddaten ermöglicht wird.In an advantageous development of the invention, it can be provided that, for the detection of shadows in the image data, a classification algorithm of artificial intelligence is used, which was trained with training image data annotated with respect to shadows. Such an algorithm evaluates, for example, contrast differences due to the different illumination in the image data. However, such differences in contrast can also occur for other reasons, so that it is expedient to use artificial intelligence, in particular in the form of machine learning, in order to be able to classify objects visible in the image data as shadows. Training data of the and / or a comparable optical environment sensor are expediently used which, for example, by a person, contain annotations about where a shadow can be seen in an image. Accordingly, the artificial intelligence classification algorithm may be trained using the training data so that its parameters are adjusted to allow highly reliable detection of shadows in the image data.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass vor der Berechnung des Abschattungszeitraums für jeden detektierten Schatten ein Relevanzkriterium ausgewertet wird, welches überprüft, ob der Schatten das Kraftfahrzeug und/oder die Solarenergieeinrichtung überstreichen wird, wobei nur für relevante Schatten die Ermittlung der Abschattungszeiträume erfolgt. Das Relevanzkriterium ermöglicht also eine Art Vorprüfung beziehungsweise Grobabschätzung, die es ermöglicht, vor genaueren Berechnungen/Prädiktionen Schatten auszuschließen, die das Kraftfahrzeug beziehungsweise konkret die Solarenergieeinrichtung überhaupt nicht betreffen. Konkret kann beispielsweise vorgesehen sein, dass zur Auswertung des Relevanzkriteriums eine Trajektorie des Schattens in einem mit dem Kraftfahrzeug bewegten Bezugssystem räumlich extrapoliert wird. Beispielsweise kann dann überprüft werden, ob die Trajektorie einen Relevanzbereich, der wenigstens durch die Solarenergieeinrichtung gebildet wird, überstreicht. Insbesondere dann, wenn für Abschattungszeiträume noch zukünftige Bewegungsänderungen, insbesondere des Kraftfahrzeugs, mit eingehen sollen, kann statt einem Überschneiden der Trajektorie mit dem Kraftfahrzeug und/oder der Solarenergieeinrichtung auch ein Überschneiden der Trajektorie mit einem sich um das Kraftfahrzeug und/oder die Solarenergieeinrichtung erstreckenden Toleranzbereich als Relevanzbereich überprüft werden. Der Toleranzbereich ist geeignet zu wählen; im Sinne einer Grobüberprüfung kann der Toleranzbereich beispielsweise durch alle möglichen Bewegungsänderungen des Kraftfahrzeugs definiert werden. Hierbei können insbesondere auch Leistungsdaten des Kraftfahrzeugs eingehen.A preferred embodiment provides that prior to the calculation of the shading period, a relevance criterion is evaluated for each detected shadow, which checks whether the shadow will cover the motor vehicle and / or the solar energy device, the shading periods only being determined for relevant shadows. The relevance criterion thus makes possible a type of preliminary check or rough estimate, which makes it possible to exclude shadows from more precise calculations / predictions, which do not affect the motor vehicle or, more specifically, the solar energy device at all. Specifically, it may be provided, for example, that in order to evaluate the relevance criterion, a trajectory of the shadow is spatially extrapolated in a reference system moved with the motor vehicle. For example, it is then possible to check whether the trajectory passes over a relevance region which is formed at least by the solar energy device. In particular, when future movement changes, in particular of the motor vehicle, are to be taken into account for shading periods, instead of overlapping the trajectory with the motor vehicle and / or the solar energy device, overlapping the trajectory with a tolerance range extending around the motor vehicle and / or the solar energy device be checked as a relevance area. The tolerance range is suitable to choose; in terms of a rough check the tolerance range can be defined for example by all possible changes in the movement of the motor vehicle. In particular, performance data of the motor vehicle can also be included here.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Ermittlung des Abschattungszeitraums ferner eine Sonnenstandinformation, insbesondere abgeleitet aus Datum und Uhrzeit, und/oder eine geodätische Position des Kraftfahrzeugs und/oder eine geodätische Ausrichtung des Kraftfahrzeugs berücksichtig werden. Auf diese Weise ist es mithin möglich, beispielsweise die Schattenursprungsrichtung zu berechnen, so dass auch unterschiedliche Höhen des Schattenorts bei der Detektion und Prädiktion der Abschaltung der wenigstens einen Solarzelle berücksichtig werden können.It is also particularly advantageous if a sun position information, in particular derived from the date and time, and / or a geodetic position of the motor vehicle and / or a geodetic orientation of the motor vehicle are taken into account for determining the shading period. In this way, it is thus possible, for example, to calculate the shadow origin direction, so that different heights of the shadow location can also be taken into account in the detection and prediction of the deactivation of the at least one solar cell.
In besonders bevorzugter Weiterbildung ist vorgesehen, dass aus den Bilddaten für jeden Schatten auch eine Intensität der Verschattung ermittelt wird, wobei der abgesenkte Leistungspunkt in Abhängigkeit der Intensität ermittelt wird. Dabei ist es durchaus auch denkbar, relative Intensitäten, beispielsweise zur Sonnenausleuchtung, zu betrachten, so dass beispielsweise ein Kontrastunterschied der Bilddaten innerhalb und außerhalb des Schattens, idealerweise auf selbem Untergrund, berücksichtigt werden kann. Ist die Schattenintensität, insbesondere relativ zur sonst gegebenen Bestrahlungsstärke, bekannt, kann die prädiktive Reduzierung der Einspeiseleistung noch genauer und angepasster erfolgen, so dass eine noch schnellere Anpassung auf die neue Abschattungssituation möglich wird.In a particularly preferred embodiment, it is provided that an intensity of the shading is also determined from the image data for each shadow, the lowered power point being determined as a function of the intensity. It is also quite conceivable to consider relative intensities, for example for solar illumination, so that, for example, a contrast difference of the image data inside and outside the shadow, ideally on the same background, can be taken into account. If the shadow intensity, in particular relative to the otherwise given irradiance, is known, the predictive reduction of the feed-in power can be made even more accurate and adapted, so that an even faster adaptation to the new shading situation becomes possible.
Wie bereits angedeutet wurde, wird es bevorzugt, dass zum Ende des prädizierten Abschattungszeitraums, insbesondere unter Hinzufügen einer Toleranzzeit, der Leistungspunkt wieder erhöht wird. Nachdem die Ausdehnung des Schattens bestimmbar ist, ist auch die Länge des Abschattungszeitraums, also das Ende der Abschattungszeit, prädizierbar, zu dem wieder die volle Leistungsstärke der Solarzelle hergestellt wird, so dass auch hier ein Leistungsverlust minimiert wird und ein schnelles Auffinden des optimalen, also maximalen Leistungspunktes begünstigt wird.As already indicated, it is preferred that at the end of the predicted shading period, in particular with the addition of a tolerance time, the power point is increased again. After the extent of the shadow can be determined, the length of the Shading period, ie the end of the shading time, predictable to the full power of the solar cell is made again, so that here is a power loss is minimized and a quick finding of the optimal, ie maximum power point is favored.
In einer Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass bei einem geplanten Abstellen des Kraftfahrzeugs und einer Anzahl von möglichen Abstellplätzen und/oder Abstellausrichtungen für das Kraftfahrzeug die Abstellplätze und/oder Abstellausrichtungen in Abhängigkeit eines, insbesondere unter Berücksichtigung einer Sonnenstandinformation, insbesondere abgeleitet aus Datum und Uhrzeit, und/oder einer geodätischen Position des Kraftfahrzeugs, prädizierten Schattenverlaufs für detektierte Schatten und/oder schattenwerfende Objekte im Umfeld des Kraftfahrzeugs bewertet werden, wobei die Auswahl eines Abstellplatzes und/oder einer Abstellausrichtung in Abhängigkeit der Bewertung erfolgt. Die hier beschriebene grundsätzliche Vorgehensweise kann also auch bei der Wahl eines freien Abstellplatzes und/oder einer Abstellausrichtung unterstützen. Stehen mehrere Abstellplätze und/oder mehrere Abstellorientierungen zur Auswahl, kann aus den Informationen zum aktuellen Sonnenstand, der Uhrzeit, der geodätischen Position, insbesondere GPS-Position, und der Ausrichtung (Fahrzeugrichtung und Steigung) des Kraftfahrzeugs der Schattenverlauf der Umgebung berechnet werden. Damit kann eine Empfehlung für einen bestimmten Abstellplatz und/oder eine bestimmte Abstellausrichtung mit der größtmöglichen Solarenergieausbeute gegeben werden.In an extension of the method according to the invention can be provided that in a planned parking of the motor vehicle and a number of possible parking spaces and / or parking alignments for the motor vehicle parking spaces and / or Abstellausrichtungen depending on one, in particular taking into account a sun position information, in particular derived from date and time, and / or a geodetic position of the motor vehicle, predicted shadows are evaluated for detected shadows and / or shadow-casting objects around the motor vehicle, wherein the selection of a parking space and / or a Abstellausrichtung depending on the evaluation. The basic procedure described here can thus also support the choice of a free parking space and / or a parking orientation. If several parking spaces and / or several parking orientations are available for selection, the shadow profile of the surroundings can be calculated from the information on the current position of the sun, the time of day, the geodetic position, in particular the GPS position, and the orientation (vehicle direction and inclination) of the motor vehicle. This can be a recommendation for a specific parking space and / or a certain Abstellausrichtung be given with the highest possible solar energy yield.
Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Solarenergieeinrichtung, die wenigstens eine Solarzelle mit einer Wandlereinrichtung umfasst, der eine Steuereinheit zur Einstellung eines maximalen Leistungspunktes zugeordnet ist, wenigstens einen optischen Umgebungssensor, insbesondere eine Kamera, und eine die Steuereinheit umfassende Steuereinrichtung zur Ausführung eines Verfahrens der erfindungsgemäßen Art. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.In addition to the method, the present invention also relates to a motor vehicle, comprising a solar energy device comprising at least one solar cell with a transducer device, which is assigned a control unit for setting a maximum power point, at least one optical environment sensor, in particular a camera, and a controller comprising the control unit for carrying out a method of the type according to the invention. All statements relating to the method according to the invention can be analogously transferred to the motor vehicle according to the invention, with which therefore also the already mentioned advantages can be obtained.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 beispielhafte Bilddaten einer Frontkamera, -
3 eine Skizze zur Relevanz und Prädiktion von Schatten, und -
4 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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1 a flowchart of an embodiment of the method according to the invention, -
2 exemplary image data of a front camera, -
3 a sketch on the relevance and prediction of shadows, and -
4 an inventive motor vehicle.
Das im Folgenden dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft eine vorteilhafte Modifikation der MPP-Regelung einer Solarenergieeinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere während einer Fahrt, wobei eine prädiktive Komponente durch die Voraussage von Abschattungen der üblichen MPP-Regelung hinzugefügt wird. Beispielhaft soll das Kraftfahrzeug mehrere Solarzellen aufweisen, von denen jeweils eine feste Anzahl zu einem Solarmodul parallel geschaltet ist, wobei jedem Solarmodul, also den entsprechenden Solarzellen, eine Wandlereinrichtung, wie grundsätzlich bekannt, zugeordnet ist. Zur Wandlereinrichtung gehört eine Steuereinheit, die die MPP-Regelung durchführt und mithin auch einen Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert. Zur Prädiktion von Abschattungen wird ausgenutzt, dass das Kraftfahrzeug wenigstens einen optischen Umgebungssensor, vorliegend wenigstens eine Frontkamera, aufweist.The embodiment of the method according to the invention shown below relates to an advantageous modification of the MPP control of a solar energy device of a motor vehicle, in particular during a journey, wherein a predictive component is added by the prediction of shadowing of the usual MPP control. By way of example, the motor vehicle should have a plurality of solar cells, of which in each case a fixed number is connected in parallel to a solar module, wherein each solar module, ie the corresponding solar cells, a transducer device, as basically known, is assigned. The converter device includes a control unit which carries out the MPP control and thus also realizes a part of the method according to the invention. For the prediction of shadowing, use is made of the fact that the motor vehicle has at least one optical environment sensor, in this case at least one front camera.
Entsprechend werden in einem Schritt S1 Bilddaten mit dieser Frontkamera aufgenommen. Diese Bilddaten werden in einem Schritt S2 bezüglich darin sichtbarer Schatten ausgewertet. Zur Detektion von Schatten wird dabei ein durch maschinelles Lernen definierter Klassifizierungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz verwendet. Einmal detektierte Schatten werden in folgenden Bildern der Bilddaten mittels eines geeigneten Nachverfolgungsalgorithmus getrackt, so dass eine Trajektorie des Schaltens erhalten werden kann. Informationen zur dreidimensionalen Position detektierter Schatten ergeben sich bei einer 3D-Kamera unmittelbar aus den Bilddaten und können ansonsten durch Methoden des optischen Flusses und/oder anhand von Zusatzinformationen, wie grundsätzlich bekannt, bestimmt werden.Accordingly, in a step S1, image data is recorded with this front camera. These image data are evaluated in a step S2 with respect to shadows visible therein. For the detection of shadows, a classification algorithm of artificial intelligence defined by machine learning is used. Once detected shadows are tracked in subsequent images of the image data by means of a suitable tracking algorithm, so that a trajectory of the switching can be obtained. Information on the three-dimensional position of detected shadows is obtained directly from the image data in a 3D camera and can otherwise be determined by methods of optical flow and / or on the basis of additional information, as is known in principle.
Die Solarenergieeinrichtung des Kraftfahrzeugs
So wird in einem Schritt S3 für die detektierten Schatten zunächst ein Relevanzkriterium überprüft. Dabei geht es darum, ob ein detektierter Schatten
In einem Schritt S4, vgl. wiederum
Für jedes Solarmodul wird dann im Schritt S5 überprüft, ob, insbesondere unter Heranziehung einer Toleranzzeit, der Beginn eines Abschattungszeitraums, wie er prädiziert wurde, erreicht ist. Ist dies der Fall, wird in der Steuereinheit der maximale Leistungspunkt, also der Betriebspunkt, in Abhängigkeit der Intensität der Abschattung abgesenkt, so dass kein zu starker Leistungseinbruch auftritt und der neue maximale Leistungspunkt im Sinne der üblichen MPP-Regelung schneller aufgefunden werden kann, vgl. Schritt S6. Im Schritt S7 wird überwacht, ob das Ende eines prädizierten Abschattungszeitraums vorliegt, also dass entsprechend in einem Schritt S8 eine Erhöhung des maximalen Leistungspunktes, insbesondere auf den ursprünglichen Wert, stattfinden kann.For each solar module, it is then checked in step S5 whether, in particular using a tolerance time, the beginning of a shading period, as predicted, has been reached. If this is the case, the maximum power point, ie the operating point, is lowered in the control unit as a function of the intensity of the shading, so that no excessive power dip occurs and the new maximum power point can be found faster in the sense of the usual MPP control, cf. , Step S6. In step S7, it is monitored whether the end of a predefined shading period exists, that is to say that in a step S8 an increase of the maximum power point, in particular to the original value, can take place.
Eine solche Vorausberechnung von Schattenbewegung kann zweckmäßig auch bei der Ermittlung eines günstigsten Abstellplatzes und/oder einer günstigsten Abstellausrichtung im Hinblick auf die Energieausbeute eingesetzt werden.Such a prediction of shadow movement can also be expediently used when determining a most favorable parking space and / or a most favorable parking orientation with regard to the energy yield.
Jedem Solarmodul
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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