DE102018108383A1

DE102018108383A1 - In ein elektrisches fahrzeugsystem integrierter solarkollektor-power-point-tracker

Info

Publication number: DE102018108383A1
Application number: DE102018108383.1A
Authority: DE
Inventors: Hadi Malek; Daniel BOSTON; Jacob Mathews; James A. Lathrop
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2018-10-18
Also published as: CN108725355A; GB2562895A; MX2018004333A; CN108725355B; US10220709B2; US20180297476A1; GB201805891D0; RU2018112525A

Abstract

Eine Spannungsqualitätsmodul(VQM)-Funktion und eine Solarleistungserzeugungsfunktion werden durch das Teilen eines einzelnen Spannungswandlers (VC) innerhalb des elektrischen Systems eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor mit elektrischem Start integriert. Die Kosten für das Hinzufügen von Solarleistungserzeugungsfahigkeiten zu Fahrzeugen, die Verpackungskomplexitäten der Systeme und die Anzahl an hinzugefügten Komponenten werden alle verringert. Der VC kann ein DC/DC-Wandler in einem Aufwärtsmodus oder einem Abwärtsmodus sein. Ein Schaltkreis koppelt den VC auswählbar zwischen einer Hauptbatterie und einem Zubehörbus oder zwischen einem Solarkollektor und einer Hilfsbatterie. Eine VC-Steuerung reguliert eine VC-Ausgabe unter Verwendung der Hauptbatterie, um in einem Motorkurbelmodus eine Zubehörbusspannung zu stabilisieren, und reguliert ansonsten die VC-Ausgabe unter Verwendung der Solarkollektorausgabe, um mit einer Hilfsbatteriespannung übereinzustimmen.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Systeme für Kraftfahrzeuge, die mit Solarkollektoren zum Erzeugen von Elektrizität ausgestattet sind, und insbesondere variable Spannungswandler für derartige Systeme.
Die Leistungserzeugung unter Verwendung von Solarkollektoren (z. B. Photovoltaikanordnungen) erhielt in der Automobilindustrie aufgrund ihres sinkenden Preises und ihrer nun verfügbaren verbesserten Wirkungsgrade zunehmende Aufmerksamkeit. Solarkollektoren können auf dem Dach eines Fahrzeugs angebracht werden oder können zum Beispiel verwendet werden, um ein Transparentdach oder Schiebedach zu ersetzen. Elektrizität, die durch die Kollektoren erzeugt wird, kann zum Laden einer bordinternen Batterie (wie zum Beispiel einer Hilfsbatterie, einer Hochspannungsbatterie eines Elektrofahrzeugs oder der 12-V-Hauptbatterie eines benzinbetriebenen Fahrzeugs) verwendet werden. Eine Ladesteuerung (z. B. eine Steuerung für Maximum Power Point Tracking oder MPPT) wird verwendet, um sicherzustellen, dass eine maximale Leistungsmenge von dem Solarkollektor an die Last (z. B. die zu ladende Batterie) übertragen wird. Insbesondere ist es bekannt, dass zum Abgeben einer maximalen Leistung die Leistungsquelle (einschließlich Solarkollektoren) denselben Innenwiderstand wie den Widerstand der Last aufweisen sollte. Ein MPPT-Modul beinhaltet typischerweise einen DC-zu-DC-Spannungswandler (voltage converter - VC), der zwischen der Photovoltaik(PV)-Anordnung und der Batterielast platziert ist. Durch das Umwandeln der PV-Ausgangsspannung in die Batteriespannung stellt der VC eine ideale Last für die PV-Anordnung dar, die ihr den Betrieb bei ihrer optimalen Spannung und maximalen Leistungsübertragung gestattet. Im Allgemeinen kann der DC/DC-Regler (-Wandler) in MPPT-Ladesteuerungen ein Aufwärts-, Abwärts-, Aufwärts-Abwärts-, SEPIC- oder ein beliebiger anderer Wandlertyp sein. Die passende Topologie kann auf der Grundlage der Ausgangsspannung des Solarkollektors und der Eingangsspannung der Last ausgewählt werden. Zwei der gängigsten Wandlertypen, die für MPPT eingesetzt werden, sind Aufwärtswandler und Abwärtswandler.
In Abhängigkeit von den relativen Beträgen der PV- und Batteriespannungen würde bis zur Hälfte der erzeugten Leistung verloren gehen, wenn kein Spannungswandler verwendet wird. Das MPPT-Modul führt jedoch zu einem signifikanten Anstieg der Gesamtkosten eines Solarladesystems.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit elektrischem Start bereitgestellt. Ein DC-Zubehörbus ist zum Verbinden mit einer Vielzahl von elektrischen Zubehörteilen konfiguriert. Ein primärer DC-Bus ist zum Verbinden mit einer Haupt-DC-Batterie und mit einem elektrischen Anlasser für den Motor ausgelegt. Eine Spannungsqualitätseinheit beinhaltet einen Spannungswandler, der zum Umwandeln einer Spannung am primären DC-Bus in eine stabilisierte Spannung am DC-Zubehörbus während eines Startvorgangs des elektrischen Anlassers konfiguriert ist. Die Spannungsqualitätseinheit beinhaltet Überbrückungsschalter zum Verbinden des primären DC-Busses mit dem DC-Zubehörbus, wenn sich der elektrische Anlasser nicht im Startvorgang befindet. Ein Solarkollektor erzeugt eine Ausgangsspannung bei einem Kollektorausgang. Die Überbrückungsschalter schalten den Spannungswandler ferner zwischen den Kollektorausgang und eine Hilfslast, wenn sich der elektrische Anlasser nicht im Startvorgang befindet. Der Spannungswandler wandelt die Solarkollektorausgangsspannung in eine optimierte Spannung um, welche die Leistungsübertragung an die Hilfslast optimiert.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, welches ein typisches elektrisches Fahrzeugsystem mit einem Spannungsqualitätsmodul zeigt.
2 ist ein Spannungsverlauf, welcher die Hauptbatteriespannung und die Zubehörbusspannung während eines Motorkurbelereignisses zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines herkömmlichen DC/DC-Wandlers.
4 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einem Solarleistungserzeugungssystem zeigt.
5 ist ein Diagramm, welches den Bedarf für eine Spannungsumwandlung zum Maximieren der Leistungsübertragung von einem Solarkollektor an eine Last demonstriert.
6 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines herkömmlichen Solarleistungserzeugungssystems mit Power Point Tracking.
7 ist ein Blockdiagramm, welches eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei sich ein Spannungsstabilisierungs-/-qualitätssystem und ein Solarleistungserzeugungssystem einen Spannungswandler teilen.
8 ist ein Blockdiagramm, welches eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei ein Spannungswandler konfiguriert ist, um entweder als ein Aufwärtswandler oder ein Abwärtswandler betrieben zu werden.
9 ist eine schematische Darstellung, die eine bevorzugte Ausführungsform eines Spannungswandlers zeigt, der in der Ausführungsform aus 8 nützlich ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung kombiniert ein Spannungsstabilisierungssystem (z. B. ein Spannungsqualitätsmodul oder VQM (voltage quality module)) mit einem Solarleistungserzeugungssystem, um Hardwarekomponenten in einem Fahrzeug, welches einen Verbrennungsmotor (internal combustion engine - ICE) mit elektrischem Start, besser zu verwenden. Ein Spannungswandler in einem herkömmlichen VQM wird nur für kurze Zeiträume verwendet (z. B. während des Kurbelns des Motors) und ist ansonsten inaktiv. Ein Spannungswandler, der in einem Maximum Power Point Tracker (MPPT) für einen Solarkollektor enthalten ist, ist für lange Zeiträume aktiv, auch wenn das Fahrzeug geparkt und unbeaufsichtigt ist. Obwohl die Eingangs- und Ausgangsspannungspegel und die dynamischen Steuerungsanforderungen für den DC/DC-Spannungswandler des VQM und des MPPT unterschiedlich sind, konfiguriert die Erfindung einen einzelnen Wandler zum Befriedigen beider Systeme auf erfolgreiche Weise. Die Erfindung reduziert die Anzahl an Komponenten, die für ein Fahrzeug, das mit einem Solarkollektor ausgestattet ist, benötigt werden, verbessert den Wirkungsgrad, verringert das Gesamtgewicht der beiden Systeme und reduziert die Gesamtkosten und die Verpackungskomplexität.
Eine Spannungswandler-/Stabilisierungsschaltung, die mit den Anforderungen für beide Teilsysteme kompatibel ist, kann durch mindestens zwei unterschiedliche Möglichkeiten erreicht werden. In einem Szenario kann ein Solarkollektor aufgrund von typischen Ausgestaltungen einer VQM-Funktion über bestimmte Spannungs- und Strombereiche hinweg auf eine derartige Weise angeordnet sein, dass ein Ausgang bereitgestellt wird, der mit diesen Spannungs- und Stromwerten übereinstimmt. In diesem Fall kann der Spannungswandler des VQM ohne beliebige Modifikation als eine MPPT-Ladesteuerung verwendet werden. In einem zweiten Szenario kann die Schalt- und Steuerstrategie eines VQM ausgestaltet sein, um auf unterschiedliche Ausgestaltungsarchitekturen des Solarkollektorsystems angewendet werden zu können (z. B. einstellbar auf unterschiedliche Spannungen und Ströme), während seine Fähigkeit, während des Kurbelns über die angeforderten Spannungs- und Strombereiche hinaus zu funktionieren, beibehalten wird.
Der Betrieb eines herkömmlichen Spannungsqualitätsmoduls wird unter Bezugnahme auf die 1-3 beschrieben. Ein typisches elektrisches Fahrzeugsystem in 1 beinhaltet eine Hauptbatterie 10, die zwischen eine Erdung 11 und einen primären DC-Bus 12 geschaltet ist. Ein/e Lichtmaschine/Generator 13, angetrieben durch einen Verbrennungsmotor (nicht gezeigt), lädt die Batterie 10 während des Motorbetriebs. Ein elektrischer Anlasser 14 ist durch einen Relaisschalter 15 auswählbar mit der Hauptbatterie 10 verbunden, um die Brennkraftmaschine zu kurbeln (d. h. zu starten). Eine Master-Motorsteuereinheit (engine control unit - ECU) 16 steuert den Zustand des Schalters 15 als Reaktion auf zum Beispiel einen manuellen Zündungsschalter oder ein entferntes Startsignal.
Die ECU 16 ist mit einem Steuerabschnitt 20 im VQM 17 über einen Multiplexbus (MUX) und durch Signalleitungen, welche zum Beispiel Zündungszustands- und Kurbelzustandssignale tragen, verbunden. Der primäre DC-Bus 12 ist mit einem Eingang eines Spannungswandlers (VC) 21 und einem Überbrückungsrelaisschalter 22 verbunden. Die Ausgänge des VC 21 und des Überbrückungsrelais 22 sind mit einem DC-Zubehörbus 18 verbunden, der eine Vielzahl von elektrischen Zubehörteilen 19, wie zum Beispiel ein Audiosystem, ein Mobiltelefonsystem, ein Navigationssystem, ein Fahrerinformations-/Anzeigesystem, Beleuchtungsvorrichtungen oder andere elektronische Vorrichtungen, speist. Der Steuerabschnitt 20 stellt den Zustand des Überbrückungsrelais 22 ein und stellt Befehlssignale bereit, um den VC 21 auf der Grundlage dessen, ob ein Motorkurbelereignis durchgeführt wird, zu steuern. Wenn das Relais 22 durch den Steuerabschnitt 20 geschlossen wird (z. B. befindet sich ein Zündungsschalter in der Ein- oder Zubehör-Stellung), dann wird der VC 21 abgeschaltet und die Hauptbatterie 10 stellt dem Bus 18 die Hauptsystemspannung (z. B. 12 Volt) direkt bereit. Während des Kurbelns öffnet der Steuerabschnitt 20 das Relais 22 und schaltet den VC 21 unter Verwendung eines variablen Arbeitszyklus an, der dynamisch gesteuert wird, um dem Bus 18 weiterhin eine regulierte Spannung V_reg (z. B. 12 Volt) bereitzustellen.
2 vergleicht einen Hauptbatteriespannungsverlauf 24 und einen Spannungswandlerausgangsspannungsverlauf 30 während eines Kurbelereignisses. Bei einem Zeitpunkt 25 wird ein Motorstartsignal erzeugt. Der Motoranlasser wird nach einer kurzen Verzögerung bestromt, die zu einer Minderung 26 der Spannung führt, die bei dem primären DC-Bus 12 zur Verfügung steht. Während der Verzögerung geht das VQM 17 bei 31 vom Überbrückungsmodus in einem Aufwärtsmodus über, um mit der Erzeugung einer stabilisierten Spannung V_reg bei 32 zu beginnen, und das Relais 22 wir geöffnet. Schließlich verringert sich der Leistungsverlust vom Anlasser und die Batteriespannung am Bus 12 wird bei 27 wiederhergestellt, bis sie entlang der Linie 28 vollständig wiederhergestellt ist. Das Relais 22 kann dann geschlossen werden und der VC 21 wird abgeschaltet.
Um die Aufwärtsumwandlung für den VC 21 bereitzustellen, zeigt 3 eine beispielhafte Topologie für einen DC/DC-Wandler 35, der eine variable DC-Spannung von der Hauptbatterie bei den Eingängen 36 erhält und die regulierte Spannung V_reg bei den Ausgängen 37 bereitstellt. Eine Spule 38 speichert Energie, wenn ein Schalter (z. B. MOSFET) 39 AN ist, und überträgt die Energie dann über eine Diode 40 an einen Kondensator 41 und einen Widerstand 42, wenn der Schalter 39 AUS ist. Durch das Modulieren des Arbeitszyklus des Schalters 39 (z. B. unter Verwendung einer Spannungsrückkopplung in dem Steuerabschnitt) kann die Menge der übertragenen Energie und somit die Ausgangsspannung gesteuert werden.
Im Hinblick auf ein typisches Fahrzeugsystem zum Erzeugen und Speichern von elektrischer Energie unter Verwendung von Solarzellen zeigt 4 ein Fahrzeug 44 mit einem auf dem Dach montierten Solarkollektor 45. Eine Ladesteuerung 46 mit Maximum Power Point Tracking (MPPT) kann verbunden sein, um eine Batterie 47 wiederaufzuladen (bei welcher es sich um die Hauptfahrzeugbatterie handeln dann, in diesem Fall kann sie nur wiederaufgeladen werden, wenn das Fahrzeug nicht verwendet wird), oder kann mit Hilfslasten 48 verbunden sein (die eine Hilfsbatterie beinhalten können, die kontinuierlich wiederaufgeladen werden kann). Die Hilfslasten 48 können DC-Lasten beinhalten, die mit DC-Leistung angetrieben werden, oder können einen DC/AC-Wandler (d. h. einen Wechselrichter) beinhalten, der AC-Lasten antreibt.
5 zeigt ein Leistungsübertragungsmerkmal 50 für einen typischen Solarkollektor, wobei die Strömung des DC-Stroms aus dem Kollektor gegenüber der Anschlussspannung der zu ladenden Batterie dargestellt wird. In diesem Beispiel ist der Solarkollektor bei 17 Volt und 4,4 Ampere (d. h. einer maximalen Leistung von 75 Watt) eingestuft. Ein Verlauf 51 zeigt die tatsächliche Leistung, die an eine Batterielast übertragen wird, für unterschiedliche Batteriespannungen. Eine Spitzenleistungsübertragung tritt bei Punkt 55 auf, wo die Batterielast mit der Nennspannung des Solarkollektors übereinstimmt (z. B. bei etwa 17 Volt in diesem Beispiel). Wenn ein nicht modifizierter Solarkollektorausgang zum Laden einer typischen 12-Volt-Automobilbatterie verwendet wird, wie bei 52 gezeigt, dann wird bei 53 ein hoher Strom aus dem Solarkollektor erhalten, aber eine nicht optimale Leistungsübertragung, wie bei 54 gezeigt, wird erhalten. Eine Lastspannung, die Punkt 55 entspricht, würde stattdessen eine maximale Leistung an die Last abgeben. Folglich wurde ein DC/DC-Spannungswandler verwendet, um eine optimierte Last für den Solarkollektor darzustellen, während die korrekte Spannung an die Last abgegeben wird. Der Spannungswandler führt seine eigenen internen Verluste ein, diese sind jedoch typischerweise viel geringer als der Leistungsverlust ohne Umwandlung. Wie in 6 gezeigt, beinhaltet die Ladesteuerung 46 vorzugsweise eine MPPT-Steuerung 46A und einen DC/DC-Wandler 46B. Bei einer festen Last und einer festen Solarkollektorkonfiguration kann die MPPT-Steuerung 46A ebenfalls fest sein (d. h. nicht adaptiv). Falls die Lastspannung oder die Solarkollektorkonfiguration variabel ist, kann die MPPT-Steuerung 46B eine adaptive Rückkopplung verwenden. In einem typischen Fahrzeugsystem kann die MPPT-Steuerung 46A fest sein und die Spannung kann von einer höheren Solarkollektorspannung zu einer niedrigeren Batteriespannung heruntergestuft werden.
Da der Aufwärtswandler (d. h. die Stabilisierungsschaltung) in einem VQM-System nur während Kurbelereignissen des Fahrzeugs (für gewöhnlich nur jeweils 5 Sekunden) verwendet wird und unter Berücksichtigung der Gemeinsamkeiten zwischen VQM- und MPPT-Hardware (z. B. verwenden beide DC/DC-Wandler), integriert die Erfindung diese separaten Systeme, um einen einzelnen Spannungswandler zu teilen. Dies reduziert die Kosten für das Hinzufügen von Solarleistungserzeugungsfähigkeiten zu Fahrzeugen durch das Verringern der Verpackungskomplexitäten des Systems und das Verringern der Anzahl an hinzugefügten Komponenten.
7 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 50 zum Kombinieren von Spannungsstabilisierung und Solarleistungserzeugung in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit elektrischem Start. Eine Hauptbatterie 51 treibt einen primären DC-Bus 52 an, um sich kontinuierlich an eine/n Lichtmaschine/Generator 53 und einen Anlasser 54 zu koppeln. Ein DC-Zubehörbus 55 ist mit einer Vielzahl von elektrischen Zubehörteilen 56 verbunden, die alle konfiguriert sind, um von einer Nennbatteriespannung aus zu arbeiten. Somit würde der ordnungsgemäße Betrieb der Zubehörteile 56 während der natürlichen Spannungsminderung während eines Kurbelereignisses unterbrochen werden, wenn sie Leistung nur von der Hauptbatterie 51 aus beziehen würden.
Die Fahrzeugvorrichtung 50 beinhaltet eine Hilfsbatterie 57 zum Speichern von Energie aus der Solarleistungserzeugung. Anstelle der oder zusätzlich zur Batterie 57 können andere DC-Lasten (oder AC-Lasten, wenn eine der DC-Lasten ein DC/AC-Wandler ist) unter Verwendung der Solarleistung gespeist werden. Eine Stabilisationsschaltung 58 (z. B. ein Aufwärtswandler) weist einen Ausgang auf, der auswählbar entweder mit elektrischen Zubehörteilen 56 oder der Hilfsbatterie 57 verbunden ist. Ein Steuerabschnitt 60 ist mit der Stabilisationsschaltung 58 und mit einem Steuereingang 61 (z. B. einer Magnetspule) eines Relaisschalters mit gesteuerten Schaltelementen 62, 63 und 64 verbunden. Das Schaltelement 62 verbindet den primären DC-Bus 52 selektiv entweder mit den elektrischen Zubehörteilen 56 oder einem Eingang der Stabilisationsschaltung 58. Das Schaltelement 63 verbindet einen Ausgang der Stabilisationsschaltung 58 selektiv entweder mit den elektrischen Zubehörteilen 55 oder einer Hilfsbatterie 57. Das Schaltelement 64 ist ein optionales Merkmal, das zum selektiven Verbinden des Solarkollektors 65 und der Diode 66 mit dem Eingang der Stabilisationsschaltung 58 verwendet werden kann.
Die Ausführungsform in 7 ist besonders für die Verwendung einer Stabilisationsschaltung 58 mit einem Spannungswandler ausgelegt, der nicht von einem typischen VQM-System modifiziert ist. Insbesondere ist 7 ausgelegt, um die Stabilisationsschaltung 58 als einen Aufwärtswandler zu betreiben. Um Aufwärtsumwandlung einzusetzen, muss die Ausgangsspannung des Solarkollektors 65 kleiner sein als die stabilisierte Spannung, die den elektrischen Zubehörteilen 56 während der Kurbelphase bereitgestellt wird. Außerdem ist es zweckdienlich, wenn die Nennspannung der Hilfsbatterie 57 so ausgestaltet ist, dass sie dieselbe Spannung ist (z. B. 12 Volt), sodass die Stabilisationsschaltung 58 immer auf dieselbe Zielspannung reguliert. Nichtsdestoweniger könnte eine unterschiedliche Spannung für die Hilfsbatterie und die Spannung für das Solarladen verwendet werden, wenn dies gewünscht wird. Die Relaisschaltelemente 62 und 63 weisen Positionen auf, die mit 1 und 2 gekennzeichnet sind. In Position 1 (wenn sich der Motoranlasser nicht im Startvorgang befindet) wird ein Überbrückungszustand für die VQM-Funktion erhalten, sodass die Stabilisationsschaltung 58 zwischen den Solarkollektor 65 und die Hilfsbatterie 57 geschaltet wird und der primäre DC-Bus 52 mit den elektrischen Zubehörteilen 55 verbunden ist. Während eines Kurbelereignisses befinden sich die Überbrückungsschalterelemente 62 und 63 in Position 2, wobei die Stabilisationsschaltung 58 zwischen den primären DC-Bus 52 und den Zubehörbus 55 geschaltet wird. Somit wird Energie von dem Solarkollektor 65 nicht verwendet, wenn sich der elektrische Anlasser im Startvorgang befindet. Wenn sich das Schaltelement 62 in Position 2 befindet, kann das Schaltelement 64 offen sein, um den Solarkollektor 65 zu isolieren. Das Schaltelement 64 kann in einigen Ausführungsformen nicht notwendig sein, da die Diode 66 für gewöhnlich entweder in Sperrrichtung vorgespannt sein würde, sodass kein Strom von dem Solarkollektor 65 fließt, oder ein beliebiger fließender Strom ausreichend klein wäre, sodass er für den Systembetrieb nicht schädlich wäre.
Die Beschränkung in dieser Ausführungsform, dass die Ausgangsspannung von dem Solarkollektor 65 mit der Stabilisationsschaltung 58, bei der es sich um einen Aufwärtswandler handelt, kompatibel sein muss, wird leicht durch das Anordnen des Solarkollektors 65 erfüllt, derart, dass eine Spannung bereitgestellt wird, die niedriger ist als die Spannung, die von der Lade(Hilfs)-Last benötigt wird. Wenn zum Beispiel die Spannung der Hilfsbatterie 57 12 V beträgt, können die individuellen Solarzellen, die in einem Solarkollektor enthalten sind, verbunden sein, um eine Spannung bereitzustellen, die kleiner als 12 V ist. Zum Beispiel können die Zellen in einem Solarkollektor, der 60 Solarzellen enthält, wobei jede Zelle eine Nennausgangsspannung von 0,5 V aufweist, in verschiedenen Reihen- und Parallelzweigen verbunden sein, um eine geeignete Spannung zu produzieren. Ein Layout mit 3 parallel verbundenen Zweigen, wobei jeder Zweig 20 Solarzellen enthält, führt zu einem Solarkollektor mit einem Ausgang von 10 V. Während des Solarladens wandelt der Aufwärtswandler 58 den Solarkollektorausgang in Höhe von 10 V in eine optimierte Spannung von 12 V zum Übertragen von Leistung an die Hilfsbatterie 57 um.
Eine allgemeinere Ausführungsform der Erfindung wird in 8 gezeigt, wobei es nicht notwendig ist, dass die Spannung aus dem Solarkollektor kleiner ist als die Zielladespannung für die Hilfslast (z. B. Hilfsbatterie, DC-Lasten oder DC/AC-Spannungswandler mit AC-Lasten). In diesem Fall werden zusätzliche Relaisschaltelemente 67 als ein zweipoliges Wechselschalter(double pole double throw - DPDT)-Relais hinzugefügt, welches die Leistungsströmungsrichtung durch die Stabilisationsschaltung 58 umkehrt, wenn es zwischen den Solarkollektor 65 und die Hilfsbatterie 57 geschaltet wird. Ein Magnetaktor 68 bewegt die Elemente 67 zwischen den Positionen 1 und 2 gemäß einem Steuersignal vom Steuerabschnitt 60. Unter Verwendung der Umkehrung kann die Stabilisationsschaltung 58 als ein Aufwärtswandler während eines Motorstartvorgangs arbeiten, um die verminderte Hauptbatteriespannung zu stabilisieren, und kann als ein Abwärtswandler arbeiten, wenn kein Startvorgang vorliegt, um eine Ausgangsspannung von dem Solarkollektor 65 auf eine niedrigere Spannung der Hilfsbatterie 57 zu reduzieren. Die Ausführungsform in 8 kann programmierbar sein, um eine bestimmte Modulausgestaltung anzunehmen, um in Systemen mit unterschiedlichen Spannungspegeln zu funktionieren (z. B. unabhängig davon, ob die Solarkollektorspannung größer oder kleiner als die Spannung der Hilfslast ist).
9 stellt eine Schaltungstopologie für einen DC/DC-Wandler 70 mit selektiven Abwärts- und Aufwärtsbetriebsmodi für beide Richtungen der Leistungsströmung durch die Einheit bereit. Eine Spule 71 ist in einer H-Brückenkonfiguration mit den Schaltvorrichtungen (z. B. MOSFET) S1-S4 verbunden. Ein linker Glättungskondensator 72 und ein rechter Glättungskondensator 73 können in Abhängigkeit von einer ausgewählten Leistungsströmung 74 oder 75 jeweils entweder ein Eingang oder ein Ausgang des Wandlers 70 sein.
Ist die Spannungsquelle (d. h. die Hauptbatterie oder der Solarkollektor) mit der linken Seite verbunden und die Hilfslast mit der rechten Seite des Wandlers 70 verbunden, können Gate-Schaltsignale bereitgestellt werden, die S3 kontinuierlich anschalten, S4 kontinuierlich ausschalten und S1 und S2 aus- und anmodulieren, um einen synchronen Abwärtswandler zu erzeugen, wobei Leistung von links nach rechts fließt. Alternativ kann S1 kontinuierlich angeschaltet sein, kann S2 kontinuierlich ausgeschaltet sein und können S3 und S4 aus- und anmoduliert werden, um einen synchronen Aufwärtswandler zu erhalten, bei dem Leistung ebenfalls von links nach rechts fließt.
Ist die Spannungsquelle (d. h. die Hauptbatterie oder der Solarkollektor) mit der rechten Seite verbunden und die Hilfslast mit der linken Seite des Wandlers 70 verbunden, können Gate-Schaltsignale bereitgestellt werden, die S1 kontinuierlich anschalten, S2 kontinuierlich ausschalten und S3 und S4 aus- und anrnodulieren, um einen synchronen Abwärtswandler zu erzeugen, wobei Leistung von rechts nach links fließt. Alternativ kann S3 kontinuierlich angeschaltet sein, kann S4 kontinuierlich ausgeschaltet sein und können S1 und S2 aus- und anmoduliert werden, um einen synchronen Aufwärtswandler zu erhalten, bei dem Leistung ebenfalls von rechts nach links fließt.

Claims

Vorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit elektrischem Start, umfassend: einen DC-Zubehörbus, der zum Verbinden mit einer Vielzahl von elektrischen Zubehörteilen konfiguriert ist; einen primären DC-Bus, der zum Verbinden mit einer Haupt-DC-Batterie und mit einem elektrischen Anlasser für den Motor ausgelegt ist; eine Spannungsqualitätseinheit, die einen Spannungswandler beinhaltet, der zum Umwandeln einer Spannung am primären DC-Bus in eine stabilisierte Spannung am DC-Zubehörbus während eines Startvorgangs des elektrischen Anlassers konfiguriert ist, wobei die Spannungsqualitätseinheit Überbrückungsschalter zum Verbinden des primären DC-Busses mit dem DC-Zubehörbus beinhaltet, wenn sich der elektrische Anlasser nicht im Startvorgang befindet; und einen Solarkollektor, der eine Ausgangsspannung bei einem Kollektorausgang erzeugt; wobei die Überbrückungsschalter ferner den Spannungswandler zwischen den Kollektorausgang und eine Hilfslast schalten, wenn sich der elektrische Anlasser nicht im Startvorgang befindet, und wobei der Spannungswandler die Solarkollektorausgangsspannung in eine optimierte Spannung umwandelt, welche die Leistungsübertragung an die Hilfslast optimiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der stabilisierten Spannung um eine vorbestimmte Nennspannung der Haupt-DC-Batterie handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Spannungswandler um einen Aufwärtswandler handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hilfslast aus einer Hilfsbatterie besteht, die durch den Solarkollektor geladen wird, und wobei es bei der optimierten Spannung um eine vorbestimmte Nennspannung der Hilfsbatterie handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hilfslast aus mindestens einer DC-Last besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuerung, die a) zum Detektieren des Startvorgangs, b) zum Einstellen der Überbrückungsschalter über mindestens ein Magnetrelais und c) zum Steuern eines Arbeitszyklus des Spannungswandlers konfiguriert ist, um die stabilisierte Spannung bzw. die optimierte Spannung zu regulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Strömungsumkehrschalter, welcher den Solarkollektor, den Spannungswandler und die Hilfslast verbindet, um je nach Bedarf entweder einen Aufwärtsmodus oder einen Abwärtsmodus des Spannungswandlers zum Produzieren der optimierten Spannung auszuwählen.
Elektrisches Automobilsystem, umfassend: einen DC/DC-Wandler; einen Schaltkreis zum auswählbaren Koppeln des Wandlers zwischen einer Hauptbatterie und einem Zubehörbus während eines Motorkurbelmodus oder ansonsten zwischen einem Solarkollektor und einer Hilfsbatterie; und eine Steuerung, welche eine Wandlerausgabe unter Verwendung der Hauptbatterie, um eine Zubehörbusspannung während des Kurbelmodus zu stabilisieren, und ansonsten unter Verwendung des Solarkollektors reguliert, um mit einer Spannung der Hilfsbatterie übereinzustimmen.
System nach Anspruch 8, wobei die Zubehörbusspannung bei einer vorbestimmten Nennspannung der Hauptbatterie stabilisiert wird.
System nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem Wandler um einen Aufwärtswandler handelt.
System Anspruch 8, wobei die Steuerung a) zum Detektieren den Motorkurbelmodus, b) zum Einstellen des Schaltkreises über mindestens ein Magnetrelais und c) zum Steuern eines Arbeitszyklus des Wandlers konfiguriert ist, um die Zubehörbusspannung bzw. die übereinstimmende Spannung zu regulieren.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Strömungsumkehrschalter, welcher den Solarkollektor, den Wandler und die Hilfsbatterie verbindet, um je nach Bedarf entweder einen Aufwärtsmodus oder einen Abwärtsmodus des Wandlers zum Produzieren der übereinstimmenden Spannung auszuwählen.
Steuerverfahren für einen Spannungswandler (VC) in einem Verbrennungsfahrzeug, umfassend: Umwandeln von Solarleistung von einem Solarkollektor in eine optimierte Spannung zum Laden einer Hilfsbatterie; Detektieren des Kurbelns eines Anlassers in dem Fahrzeug; während des Kurbelns, Trennen des VC von dem Solarkollektor und Umwanden einer Hauptbatterieleistung in eine vorbestimmte Busspannung zum Antreiben von elektrischen Zubehörteilen; und nach dem Kurbeln, Wiederverbinden des VC mit dem Solarkollektor und der Hilfsbatterie.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der VC während des Kurbelns verbunden ist, um eine Leistungsströmung in einer ersten Richtung durch den VC bereitzustellen, und wobei der VC verbunden ist, um eine Leistungsströmung in einer entgegengesetzten Richtung durch den VC während der Umwandlung der Solarleistung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Eingang des VC während des Kurbelns zu der Hauptbatterie geschaltet wird und ansonsten zu dem Solarkollektor geschaltet wird.