-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines elektrisch oder elektromotorisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Elektrisch beziehungsweise elektromotorisch angetriebene oder antreibbare Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, umfassen in der Regel einen Elektromotor, mit dem eine oder beide Fahrzeugachsen antreibbar sind. Unter einem Hybridfahrzeug ist hier und im Folgenden insbesondere auch ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug zu verstehen. Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist der Elektromotor üblicherweise an eine fahrzeuginterne (Hochvolt-)Batterie als elektrischen Energiespeicher angeschlossen.
-
Unter einer insbesondere elektrochemischen Batterie ist hier und im Folgenden insbesondere eine sogenannte sekundäre Batterie (Sekundärbatterie) des Kraftfahrzeugs zu verstehen. Bei einer solchen (sekundären) Fahrzeugbatterie ist eine verbrauchte chemische Energie mittels eines elektrischen (Auf-)Ladevorgangs wiederherstellbar. Derartige Fahrzeugbatterien sind beispielsweise als elektrochemische Akkumulatoren, insbesondere als Lithium-Ionen-Akkumulatoren, ausgeführt. Zur Erzeugung oder Bereitstellung einer ausreichend hohen Betriebsspannung weisen solche Fahrzeugbatterien typischerweise mindestens ein Batteriemodul auf, bei welchem mehrere einzelne Batteriezellen modular verschaltet sind.
-
Unter einem „Laden einer Fahrzeugbatterie“ wird hier und im Folgenden insbesondere das (Auf-)Laden eines solchen sekundären Energiespeichers des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie beziehungsweise mit einem Ladestrom verstanden.
-
Im Zuge der Verkehrswende hat die Verbreitung von Elektro- und Hybridfahrzeugen zuletzt deutlich zugenommen. Zur Verbesserung der Alltagstauglichkeit von derartigen Kraftfahrzeugen ist es dabei besonders wünschenswert, dass sich der fahrzeuginterne Energiespeicher jederzeit möglichst einfach und schnell aufladen lassen kann. Hierbei ist es beispielsweise möglich, die Fahrzeugbatterie mittels einer Photovoltaikanlage (Solaranlage) beziehungsweise mittels Photovoltaikmodulen (Solarmodul) aufzuladen.
-
Die Photovoltaikanlage beziehungsweise die Photovoltaik-Module erzeugen hierbei einen Photovoltaikgleichstrom (direct current, DC) beziehungsweise eine Photovoltaikgleichspannung, welche in der Regel mittels eines Wechselrichters (Netzwechselrichter, DC/AC-Wandler) in einen Netz-Wechselstrom (alternating current, AC) beziehungsweise in eine Netz-Wechselspannung gewandelt und in ein Versorgungsnetz eingespeist wird. Das Kraftfahrzeug beziehungsweise die Fahrzeugbatterie wird zum Aufladen mittels einer fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle an einen Ladepunkt oder an eine Ladestelle des Versorgungsnetzes, beispielsweise an einer Wall-Box, angeschlossen. Der Netz-Wechselstrom wird hierbei anschließend mittels eines Gleichrichters (AC/DC-Wandler) eines fahrzeuginternen Ladegeräts in einen Ladestrom gewandelt und als elektrische Energie in die Fahrzeugbatterie beziehungsweise die Batteriemodule eingespeist. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass das Ladegerät zur Wandlung des Netz-Wechselstroms extern zu dem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, beispielsweise in einer Ladesäule.
-
Durch die Wandlung des Photovoltaikstroms in einen Netz-Wechselstrom und die anschließende Wandlung des Netz-Wechselstroms in einen Lade(gleich-)strom findet eine doppelte Energiewandlung statt, wodurch stets auch doppelte Energieverluste, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 10 %, auftreten. Mit anderen Worten ist der Gesamtwirkungsgrad zur Ladung der Fahrzeugbatterie mittels der Photovoltaikmodule nachteilig reduziert. Dies wirkt sich in der Folge negativ auf die Effizienz des Ladevorgangs aus.
-
Diese Energieverluste werden üblicherweise durch Verbesserung der (Wandler-)Wirkungsgrade der Wechselrichter reduziert. Typische Netzwechselrichter weisen heutzutage beispielsweise einen Wandlerwirkungsgrad von 97 % bis 98 % auf, wobei die fahrzeugseitigen Ladegeräte beispielsweise einen Wandlerwirkungsgrad zwischen 94 % und 95 % aufweisen. Derartige erhöhte Komponentenwirkungsgrade sind jedoch in der Regel mit höheren Kosten verknüpft, so dass die Leistungs- oder Ladeelektronik des Kraftfahrzeugs und/oder der Photovoltaikanlage beziehungsweise des Versorgungsnetzes vergleichsweise kostenintensiv ist.
-
Aus der
WO 2015/103164 A1 ist eine Vorrichtung zur schnellen Ladung einer Fahrzeugbatterie offenbart. Hierbei erzeugt eine Photovoltaikanlage eine Photovoltaikleistung, welche über ein Versorgungsnetz und einen ersten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) in eine Batterie eingespeist wird. Die Batterie ist weiterhin mittels eines Gleichrichters an ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz angeschlossen. Zum Laden der Fahrzeugbatterie wird eine Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs mittels eines zweiten Gleichspannungswandlers an die Batterie angeschlossen, so dass die Fahrzeugbatterie mit der elektrischen Energie der Batterie gespeist wird. Nachteiligerweise erfolgt somit ebenfalls eines doppelte Energiewandlung, so dass auch bei der bekannten Vorrichtung stets doppelte Energieverluste auftreten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst energieeffiziente und wirkungsgradverbesserte Ladung der Fahrzeugbatterie mittels Photovoltaikmodulen angegeben werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung übertragbar und umgekehrt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Laden einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs geeignet und ausgestaltet. Die Fahrzeugbatterie ist hierbei insbesondere ein sekundärer Energiespeicher des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise ein Lithium-Ionen-Akkumulator. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
-
Zur Ladung der Fahrzeugbatterie ist eine Photovoltaikanlage beziehungsweise eine Anzahl von miteinander verschalteten oder gekoppelten Photovoltaikmodulen (Solarmodulen) vorgesehen, welche im Betrieb eine Photovoltaikgleichspannung und einen Photovoltaikstrom erzeugen und in ein Versorgungsnetz einspeisen. Das Versorgungsnetz ist hierbei insbesondere ein Gleichspannungs- oder Gleichstromnetz, welches mittels eines Netzwechselrichters an ein Wechselspannungsnetz (Drehstrom-, Wechselstromnetz) angeschlossen ist. Das Kraftfahrzeug weist eine Ladeschnittstelle auf, welche mit der Fahrzeugbatterie gekoppelt ist.
-
Die Ladeschnittstelle wird über ein Ladeschütz an das Versorgungsnetz geführt oder angeschlossen, wobei der Ladevorgang bei einem geschlossenen Ladeschütz gestartet wird. Das Ladeschütz ist ein für den Ladevorgang vorgesehenes Schütz, also ein elektrisch oder elektromagnetisch betätigter oder betätigbarer Schalter, welches zwischen dem Versorgungsnetz und der Ladeschnittstelle angeordnet ist. Bei einem geschlossenen Ladeschütz ist eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz und der Ladeschnittstelle beziehungsweise der Fahrzeugbatterie hergestellt.
-
Verfahrensgemäß wird während des Ladevorgangs der Photovoltaikstrom direkt, also unmittelbar ohne einen dazwischen geschalteten Stromrichter, über das Versorgungsnetz als ein Ladestrom in die Fahrzeugbatterie eingespeist. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zum Stand der Technik eine direkte Ladung der Fahrzeugbatterie mittels der Photovoltaikmodule erfolgt. Der Photovoltaikstrom wird hierbei vollständig oder teilweise als Ladestrom direkt in die Fahrzeugbatterie eingespeist oder zugeführt. Dies bedeutet, dass der Ladestrom beispielsweise gleich dem erzeugten Photovoltaikstrom oder lediglich gleich einem abgezweigten Teil des Photovoltaikstroms ist. Wesentlich ist, dass der zur Ladung der Fahrzeugbatterie eingespeiste Ladestrom direkt aus dem Photovoltaikstrom bewirkt wird.
-
Durch die direkte Ladung der Fahrzeugbatterie mittels der Photovoltaikmodule entfallen die im Stand der Technik zwischengeschalteten Stromrichter, so dass Energieverluste aufgrund von Energiewandlungen vorteilhaft und einfach vermieden werden. Somit ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie realisiert.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Ladevorgangs bei gleichzeitig niedrigen Kosten ermöglicht. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Direktladung mittels der Photovoltaikmodule einen Wirkungsgrad von etwa 100 % (abzüglich ohmscher Verluste).
-
Zweckmäßigerweise ist die Photovoltaikanlage hierbei auf die Fahrzeugbatterie abgestimmt, dies bedeutet, dass die Anzahl der Photovoltaikmodule und somit die Amplitude der erzeugten Photovoltaikspannung möglichst an die gewünschte oder erforderliche Ladespannung der Fahrzeugbatterie im vollgeladenen Zustand angepasst ist, so dass im Wesentlichen keine zusätzlichen Stromrichter oder Stromwandler für die Ladung benötigt werden. Dies bedeutet, dass es sich bei der Photovoltaikanlage insbesondere um eine private Anlage handelt, welche beispielsweise sieben oder acht Photovoltaikmodule aufweist, mittels welchen das Kraftfahrzeug beziehungsweise die Fahrzeugbatterie geladen wird. Die Ladeleistung für den Ladevorgang kann somit beispielweise über eine Parallelschaltung der Photovoltaikmodule skaliert werden. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass das Versorgungsnetz mittels eines Buck-Konverters (Abwärtswandler, Tiefsetzsteller) an die Ladeschnittstelle geführt wird, um den Photovoltaikstrom auf eine geeignete Ladestromstärke zur Einspeisung in die Fahrzeugbatterie zu wandeln.
-
In einer denkbaren Ausführungsform ist beispielsweise eine Parallelladung aus dem Versorgungsnetz und über den Netzwechselrichter aus dem Wechselspannungsnetz möglich, wobei der Netzwechselrichter beispielsweise als bidirektionales Gleichspannungs-Ladegerät wirkt. Ebenso denkbar ist beispielsweise auch eine Rückspeisung von elektrischen Energie der Fahrzeugbatterie über den Netzwechselrichter in das Wechselspannungsnetz.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird nach dem Anschließen der Ladeschnittstelle an das Versorgungsnetz eine Spannungsangleichung (Spannungssynchronisation) der Photovoltaikgleichspannung an eine Batterie-Gleichspannung der Fahrzeugbatterie ausgeführt. Dies bedeutet, dass eine Steuerung und/oder Regelung der (Netz-)Einspeiseleistung erfolgt, mittels welcher die Gleichspannung der Photovoltaikmodule im Versorgungsnetz auf die aktuelle Batterie-Gleichspannung angepasst oder angeglichen wird. Dadurch ist ein betriebssicherer und effektiver Ladevorgang ermöglicht. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
-
Zu Beginn der Spannungsangleichung erfolgt beispielsweise eine Betriebspunktverschiebung der Photovoltaikmodule. Beispielsweise wird hierbei der Photovoltaikstrom erhöht und die Photovoltaikgleichspannung reduziert, wodurch die Einspeiseleistung der Photovoltaikmodule in das Versorgungsnetz gegenüber dem Optimum oder Maximalwert abgesenkt oder reduziert wird.
-
Im Zuge des Anschlusses oder der Kopplung der Ladeschnittstelle mit dem Versorgungsnetz wird beispielsweise eine Kommunikation der Ladeschnittstelle mit dem Kraftfahrzeug, insbesondere hinsichtlich einer Plausibilisierung oder einer Isolationsmessung durchgeführt.
-
In einer geeigneten Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen, dass das Ladeschütz geschlossen wird, also der Ladevorgang gestartet wird, wenn die Photovoltaikgleichspannung an die Batterie-Gleichspannung angeglichen ist. Dies bedeutet, dass am Ende der Spannungsangleichung, also bei einer Spannungsgleichheit oder Amplitudengleichheit der Photovoltaikgleichspannung und der Batterie-Gleichspannung, das Ladeschütz geschlossen wird. Dadurch wird das Ladeschütz im Wesentlichen spannungsdifferenzfrei geschaltet, wodurch dessen Lebensdauer verbessert wird.
-
In einer zweckmäßigen Ausbildung wird der Ladevorgang mittels des Netzwechselrichters in Abhängigkeit eines erfassten Ladestroms gesteuert und/oder geregelt. Dies bedeutet, dass der Ladestrom durch Fernsteuerung des Netzwechselrichters gesteuert und/oder geregelt wird. Der Ladestrom ist der elektrische Strom welcher von dem Versorgungsnetz zur Ladeschnittstelle fließt und die Fahrzeugbatterie auflädt. Der Ladestrom ist hierbei ein Gleichstrom oder Konstantstrom. Der Ladestrom wird beispielsweise mittels eines Stromsensors erfasst und in Abhängigkeit des erfassten Strommesswerts eine Netzeinspeiseleistung des Netzwechselrichters vom Versorgungsnetz ins Wechselspannungsnetz gesteuert und/oder geregelt. Dadurch ist eine einfache, zuverlässige und kostenreduzierte Steuerung und/oder Regelung des Ladevorgangs ermöglicht.
-
Die Steuerung und/oder Regelung des Ladestroms erfolgt hierbei beispielsweise durch eine Erfassung der Photovoltaikleistung, von welcher die aktuelle Ladeleistung subtrahiert wird, wobei das Ergebnis beziehungsweise der Leistungsüberschuss mittels einer Kommunikationsschnittstelle an den Netzwechselrichter übermittelt wird (Differenzprinzip).
-
Diese Ausbildung ermöglicht beispielsweise weiterhin eine Standardisierung einer Schnittstelle zur Steuerung und/oder Regelung von Netzwechselrichtern für Verbraucher des (Gleichspannungs-)Versorgungsnetzes, insbesondere hinsichtlich der Ladung von elektrisch angetriebenen oder antreibbaren Kraftfahrzeugen.
-
In einer vorteilhaften Ausführung wird der Ladevorgang bei einem Erreichen einer vorgegebenen Batterie-Gleichspannung beendet, wobei eine Netzeinspeisung des Netzwechselrichters angehoben und ein Ladestrom reduziert wird. Der vorgegebene Wert der Batterie-Gleichspannung entspricht hierbei insbesondere einer im Wesentlichen vollständig geladenen Fahrzeugbatterie. Dies bedeutet, dass der Ladevorgang beendet wird, wenn die Fahrzeugbatterie geladen ist. In der Folge wird die Netzeinspeisung des Netzwechselrichters angehoben, so dass der Ladestrom, welcher von dem Versorgungsnetz zur Ladeschnittstelle fließt reduziert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Netzeinspeisung des Netzwechselrichters hierbei derart angehoben, dass die Photovoltaikleistung der Photovoltaikmodule vollständig ins Wechselspannungsnetz eingespeist wird. Dadurch sinkt der Ladestrom auf null, dies bedeutet, dass der Ladestrom eine Stromamplitude oder Stromstärke von Null Ampere (0 A) aufweist. In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Ladeschütz geöffnet, wenn der Ladestrom diesen Nullstromwert erreicht. Dadurch wird das Ladeschütz vorzugsweise bei einem Ausschalten, also beim Trennen der elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz und der Ladeschnittstelle, stromfrei geschaltet.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Laden einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung weist eine Photovoltaikanlage mit einer Anzahl von verschalteten oder gekoppelten Photovoltaikmodulen auf, welche im Betrieb einen Photovoltaikstrom erzeugen und in ein Versorgungsnetz einspeisen.
-
Die Vorrichtung weist weiterhin einen in das Versorgungsnetz geschalteten Netzwechselrichter auf, welcher die eingespeisten Photovoltaikstrom in einen (Netz-)Wechselstrom beziehungsweise in eine Netz-Wechselspannung wandelt und in ein Wechselspannungsnetz, beispielsweise ein öffentliches Niederspannungsnetz, einspeist.
-
Die Vorrichtung weist ferner ein Direktladegerät mit einem Ladestecker zum Anschluss an eine mit der Fahrzeugbatterie gekoppelten Ladeschnittstelle des Kraftfahrzeugs auf. Das Direktladegerät ist hierbei zwischen dem Versorgungsnetz und der Ladeschnittstelle angeordnet, und weist einen Controller (das heisst eine Steuereinheit) auf.
-
Der Controller ist hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, bei einem Anschluss der Ladeschnittstelle an das Direktladegerät ein Ladeschütz zu schließen und somit einen Ladevorgang zu starten, und die Fahrzeugbatterie während eines Ladevorgangs direkt mit der eingespeisten Photovoltaikleistung des Versorgungsnetzes zu laden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
-
In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Ladestecker mittels einer Reihenschaltung eines Stromsensors und eines Ladeschütz sowie einer Sicherung, also einer Überstromschutzeinrichtung (over current protection, OCP), an das Versorgungsnetz geführt. Der Controller ist zweckmäßigerweise an den Stromsensor gekoppelt, so dass der Ladestrom während des Ladevorgangs überwacht wird. Durch die beispielsweise als Schmelzsicherung ausgebildete Sicherung ist ein besonders sicherer Ladevorgang realisiert. Insbesondere wird der Ladevorgang hierbei von der Sicherung unterbrochen, wenn der Ladestrom eine vorgegebene Stromstärke über eine vorgegebene Zeit hinaus überschreitet.
-
In einer zweckmäßigen Ausführung ist der Controller des Direktladegeräts signaltechnisch mit dem Netzwechselrichter gekoppelt. Der Controller ist hierbei insbesondere dazu geeignet und eingerichtet die Netzeinspeisung des Netzwechselrichters anhand des erfassten Ladestroms zu steuern und/oder zu regeln. Dadurch ist es möglich, einen bereits vorhandenen Netzwechselrichter für eine Spannungsangleichung beziehungsweise eine Stromregelung zu verwenden.
-
In einer denkbaren Ausbildung ist der Controller mit einer Anzeigeeinheit gekoppelt. Die insbesondere optische Anzeigeeinheit ist hierbei beispielsweise ein Display, auf welchem ein Fahrzeugnutzer beispielsweise der aktuelle Ladestrom und/oder die voraussichtliche Ladedauer anzeigbar ist. Dadurch ist eine besonders nutzerfreundliche Vorrichtung realisiert.
-
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Laden einer Fahrzeugbatterie und ein daran angeschlossenes Kraftfahrzeug,
- 2 in schematischer Darstellung die Vorrichtung, und
- 3 ein Diagramm des Ladevorgangs bei einer direkten Ladung der Fahrzeugbatterie aus einer Photovoltaikanlage der Vorrichtung.
-
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die 1 zeigt in einer schematischen und vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung 2 zum Laden einer Fahrzeugbatterie 4 eines Kraftfahrzeugs 6. Das Kraftfahrzeug 6 ist ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
-
Die fahrzeuginterne Fahrzeugbatterie 4 ist mit einer Ladeschnittstelle 8 an die Vorrichtung 2 anschließbar oder koppelbar. Die Vorrichtung 2 weist hierzu ein Direktladegerät 10 auf, welches eine ladepunktartige Schnittstelle zwischen einer Vorrichtungsseite 12 und einer Fahrzeugseite 14 bildet.
-
Die Vorrichtung 2 weist eine Photovoltaikanlage 16 mit einer Anzahl von insbesondere parallel geschalteten Photovoltaikmodulen 18 auf, wobei in den Figuren lediglich drei Photovoltaikmodule 18 beispielhaft gezeigt sind. Die Photovoltaikanlage 16 beziehungsweise die Photovoltaikmodule 16 erzeugen im Betrieb eine Photovoltaikgleichspannung UPV und einen Photovoltaikstrom IPV (3), welche in ein Versorgungsnetz 20 der Vorrichtung 2 eingespeist werden. Das Versorgungsnetz 20 ist über einen Netzwechselrichter 22 an ein Wechselspannungsnetz 24 geführt.
-
Das Direktladegerät 10 ist zwischen der Photovoltaikanlage 16 und dem Netzwechselrichter 22 an das Versorgungsnetz 20 angeschlossen, und signaltechnisch über eine Signalleitung 26 mit dem Netzwechselrichter 22 gekoppelt. Das Direktladegerät 10 ist zur Fahrzeugseite 14 hin mit einem Ladestecker 28 ausgestattet, welcher mit der Ladeschnittstelle 8 koppelbar ist.
-
Nachfolgend ist der Aufbau des Direktladegeräts 10 anhand der 2 näher erläutert. Das Direktladegerät 10 weist eine Sicherung 30 als Überstromschutzeinrichtung, und ein betätigbares Ladeschütz 32 sowie einen Stromsensor 34 und einen Controller 36 als Steuereinheit auf. Die Sicherung 30 und das Ladeschütz 32 sowie der Stromsensor 34 sind elektrisch in Reihe geschaltet, und zwischen dem Versorgungsnetz 20 und dem Ladestecker 28 angeordnet. Der beispielsweise als Mikrocontroller ausgeführte Controller 36 ist mit einer optischen Anzeigeeinheit 38, beispielsweise einem Display oder Bildschirm, gekoppelt, auf welcher Informationen zum Ladevorgang der Fahrzeugbatterie 4 darstellbar sind.
-
Der Controller 36 ist mit drei Leitungen 40a, 40b, 40c an die Anschlüsse der Sicherung 30 und des Ladeschütz 32 geführt, so dass der Controller 36 beispielsweise mittels einer Spannungsmessung zwischen den Leitungen 40a und 40b den Zustand der Sicherung 30 und mittels einer Spannungsmessung zwischen den Leitungen 40b und 40c den Zustand des Ladeschütz 32 überwachen kann. Der Controller 36 ist weiterhin mittels einer Leitung 42 an ein elektrisches oder elektromagnetisches Betätigungselement 44 zur reversiblen Betätigung des Ladeschütz 32 geführt. Der Controller 36 ist weiterhin mittels einer Messleitung 46 an den Stromsensor 34 angeschlossen. Die Signalleitung 26 ist zwischen dem Netzwechselrichter 22 und dem Controller 36 vorgesehen, wobei der Controller 36 insbesondere dazu geeignet und eingerichtet ist eine Netzeinspeisung des Netzwechselrichters 22 in Abhängigkeit eines vom Stromsensor 34 erfassten Ladestroms IL (3) zu steuern und/oder zu regeln.
-
Das Direktladegerät 10 ist dazu vorgesehen und eingerichtet die Fahrzeugbatterie 4 im Zuge eines Ladevorgangs direkt mit der Leistung der Photovoltaikanlage 16 zu speisen, wodurch eine besonders effiziente und effektive Ladung des Kraftfahrzeugs 6 ermöglicht ist.
-
Anhand der 3 wird im Nachfolgenden das erfindungsgemäße Verfahren zum Laden der Fahrzeugbatterie 4 gezeigt und erläutert, wie die Netzeinspeisung des Netzwechselrichters 22 im Zuge der direkten Ladung des Kraftfahrzeugs 6 mittels der Photovoltaikanlage 16 vorteilhaft gesteuert beziehungsweise geregelt wird.
-
Das Diagramm der 3 umfasst vier horizontale, übereinander angeordnete Teil-Diagramme oder Abschnitte 48, 50, 52, 54. Horizontal, das bedeutet auf den X- oder Abszissenachsen, ist hierbei jeweils eine Zeitdauer t aufgetragen.
-
In dem in 3 obersten dargestellten Abschnitt 48 ist vertikal, also entlang der Y- oder Ordinatenachse, eine elektrische Spannung U aufgetragen. Der Abschnitt 48 ist also ein Spannungs-Zeit-Diagramm. Der Abschnitt 48 zeigt hierbei den zeitlichen Verlauf der Photovoltaikgleichspannung UPV und einer Batterie-Gleichspannung UB der Fahrzeugbatterie 4.
-
Der unterhalb des Abschnitts 48 dargestellte Abschnitt 50 ist ein Strom-Zeit-Diagramm, entlang dessen vertikaler Achse, also entlang der Y- oder Ordinatenachse, eine elektrische Stromstärke I aufgetragen ist. In diesem Strom-Zeit-Diagramm sind die zeitlichen Verläufe des (Batterie-Ladestroms IL und der Photovoltaik- oder Solarstrom IPV der Photovoltaikanlage 16 sowie ein Netzeinspeisestrom IE des Netzwechselrichters 22 in das Wechselspannungsnetz 24 gezeigt.
-
Der unterhalb des Abschnitts 50 dargestellte Abschnitt 52 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Schaltzustandes S des Ladeschützes 32, welches mittels des Betätigungselements 44 zwischen einer geschlossenen, also elektrisch leitenden Stellung (hoher Schaltzustand), und einer offenen, also elektrisch nicht leitenden oder sperrenden Stellung (niedriger Schaltzustand) geschaltet wird.
-
In dem in 3 untersten dargestellten Abschnitt 54 ist ein Leistungs-Zeit-Diagramm gezeigt, in welchem entlang der vertikalen Achse, also entlang der Y- oder Ordinatenachse, eine elektrische Leistung P aufgetragen ist. In dem Abschnitt 54 sind die zeitlichen Verläufe einer Photovoltaikleistung PPV der Photovoltaikanlage 16 und eine Netzeinspeiseleistung PE des Netzwechselrichters 22 sowie eine (Batterie-)Ladeleistung PL gezeigt.
-
Zu einem Zeitpunkt t1 wird der Ladestecker 28 der Vorrichtung 2 beziehungsweise des Direktladegeräts 10 in die Ladeschnittstelle 8 des Kraftfahrzeugs 6 eingesteckt, und somit eine Verbindung oder Kopplung zwischen der Vorrichtungsseite 12 und der Fahrzeugseite 14 hergestellt. Hierbei findet eine signaltechnische Kommunikation zwischen dem Controller 36 und einer nicht näher dargestellten Steuerelektronik des Kraftfahrzeugs 6 statt, insbesondere wird hierbei eine Plausibilisierung und/oder eine Isolationsmessung ausgeführt.
-
Die Photovoltaikanlage 16 wird zum Zeitpunkt t1 beispielsweise mit einem MPP-Tracking-Verfahren (maximum power point tracking, MPPT) betrieben, bei welchem die elektrische Belastung der einzelnen Photovoltaikmodule 18 derart angepasst wird, dass den Photovoltaikmodulen 18 die größte mögliche Leistung entnommen werden kann. Bei Photovoltaikmodulen 18 ist dieser optimale Betriebspunkt zeitlich nicht konstant, sondern hängt unter anderem von einer Bestrahlungsstärke und einer Temperatur des jeweiligen Photovoltaikmoduls 18 ab.
-
Zu einem Zeitpunkt t2 wird ein Spannungsangleich, also eine Spannungssynchronisation, gestartet, bei welcher die Photovoltaikgleichspannung UPV an die Batterie-Gleichspannung UB angepasst oder angeglichen wird.
-
Hierzu wird das MPP-Tracking der Photovoltaikanlage 16 deaktiviert oder ausgeschaltet, und ein Betriebspunkt der Photovoltaikanlage 16 derart verschoben, dass ein höherer Photovoltaikstrom IPV und eine entsprechend reduzierte Photovoltaikgleichspannung UPV erzeugt wird. Dadurch sinkt die eingespeiste Photovoltaikleistung PPV unter den größtmöglichen Leistungswert ab.
-
Die Photovoltaikgleichspannung UPV wird solange reduziert, bis die Photovoltaikgleichspannung UPV und die Batterie-Gleichspannung UB im Wesentlichen den gleichen Spannungswert aufweisen. Zu diesem Zeitpunkt t3 wird die Spannungsangleichung beendet, und das Ladeschütz 32 spannungsdifferenzfrei von dem offenen in den geschlossenen Zustand geschaltet. Hierbei wird die Netzeinspeisung, also insbesondere der Netzeinspeisestrom IE und die Netzeinspeiseleistung PE, des Netzwechselrichters 22 reduziert, und somit der Ladestrom IL erhöht.
-
Der Controller 36 überwacht hierbei den Ladestrom IL mittels des Stromsensors 34 und steuert und/oder regelt den Ladestrom IL auf einen hinterlegten Sollwert, bis der Ladestrom IL zu einem Zeitpunkt t4 den Sollwert erreicht. In dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 wird die Fahrzeugbatterie 4 mit dem Ladestrom IL direkt anhand der in das Versorgungsnetz 20 eingespeisten Photovoltaikleistung PPV geladen. Mit zunehmenden Ladezustand der Fahrzeugbatterie 4 nimmt deren Batterie-Gleichspannung UB zu und der Ladestrom IL ab, so dass sich die Photovoltaikanlage 16 über den Ladevorgang hinweg wieder ihrem optimalen Betriebspunkt annähert.
-
Zu dem Zeitpunkt t5 erreicht die Fahrzeugbatterie 4 einen vorgegebenen oder gewünschten Ladezustand. Daraufhin wird die Netzeinspeisung des Netzwechselrichters 22 erhöht und dadurch die Stromstärke des Ladestroms IL mittels des Controllers 36 sukzessive auf null gesteuert und/oder geregelt. Wenn der Ladestrom IL zu einem Zeitpunkt t6 eine Stromstärke von 0 A (Ampere) aufweist wird das Lastschütz 32 mittels des Betätigungselements 44 stromfrei geöffnet.
-
Anschließend wird zu einem Zeitpunkt t7 beispielsweise der Photovoltaikstrom IPV reduziert und die Photovoltaikgleichspannung UPV erhöht sowie das MPP-Tracking wieder aktiviert. Abschließend wird zu einem Zeitpunkt t8 der Ladestecker 28 von der Ladeschnittstelle 8 entfernt.
-
Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
-
So ist es beispielsweise denkbar, dass der Ladestecker 28 als ein CCS-Stecker (combined charging system) ausgeführt ist, so dass insbesondere eine Umschaltung von einem Gleichstrom-Laden (DC) auf ein Wechselstrom-Laden (AC) möglich ist, sofern ein solches AC-Laden bei einem aktivierten MPP-Tracking der Photovoltaikanlage 16 effizienter ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Vorrichtung
- 4
- Fahrzeugbatterie
- 6
- Kraftfahrzeug
- 8
- Ladeschnittstelle
- 10
- Direktladegerät
- 12
- Vorrichtungsseite
- 14
- Fahrzeugseite
- 16
- Photovoltaikanlage
- 18
- Photovoltaikmodul
- 20
- Versorgungsnetz
- 22
- Netzwechselrichter
- 24
- Wechselspannungsnetz
- 26
- Signalleitung
- 28
- Ladestecker
- 30
- Sicherung
- 32
- Ladeschütz
- 34
- Stromsensor
- 36
- Controller
- 38
- Anzeigeeinheit
- 40a, 40b, 40c
- Leitung
- 42
- Leitung
- 44
- Betätigungselement
- 46
- Messleitung
- 48, 50, 52, 54
- Abschnitt
- UPV
- Photovoltaikgleichspannung
- IL
- Ladestrom
- t
- Zeitdauer
- UB
- Batterie-Gleichspannung
- I
- Stromstärke
- IPV
- Photovoltaikstrom
- IE
- Netzeinspeisestrom
- S
- Schaltzustand
- P
- Leistung
- PPV
- Photovoltaikleistung
- PE
- Netzeinspeiseleistung
- PL
- Ladeleistung
- t1, ..., t8
- Zeitpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
