DE102021119729A1 - Charging device in an electric vehicle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladevorrichtung in einem Elektro-Fahrzeug (1), die eine Nutzung von Strom aus einer Photovoltaik-Anlage (6) zum Laden einer Hochvolt-Batterie (2) in dem Elektro-Fahrzeug (1) ermöglicht.Um eine Ladevorrichtung der vorstehend genannten Art unter Verbesserung eins Wirkungsgrades bei Nutzung von Strom aus einer Photovoltaik-Anlage zum Laden einer Hochvolt-Batterie (2) in dem Elektro-Fahrzeug (1) zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Hochvolt-Batterie (2) einen eigenen Eingang (8) für die Photovoltaik-Einspeisung aufweist.The present invention relates to a charging device in an electric vehicle (1), which enables electricity from a photovoltaic system (6) to be used to charge a high-voltage battery (2) in the electric vehicle (1). of the type mentioned above while improving efficiency when using electricity from a photovoltaic system to charge a high-voltage battery (2) in the electric vehicle (1), it is proposed that the high-voltage battery (2) have its own Has input (8) for the photovoltaic feed.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung in einem Elektro-Fahrzeug, die eine Nutzung von Strom aus einer Photovoltaik-Anlage zum Laden einer Hochvolt-Batterie in dem Elektro-Fahrzeug ermöglicht.The present invention relates to a charging device in an electric vehicle, which makes it possible to use electricity from a photovoltaic system to charge a high-voltage battery in the electric vehicle.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein Elektro-Fahrzeug mit Überschuss-Strom aus einer Photovoltaik-Anlage zu laden. Das erfolgt jedoch stets über eine externe, stationäre Ladevorrichtung, die durch die Photovoltaik-Anlage statt durch Strom aus dem öffentlichen Netz gespeist wird.It is known from the prior art to charge an electric vehicle with excess electricity from a photovoltaic system. However, this is always done via an external, stationary charging device that is fed by the photovoltaic system instead of electricity from the public grid.

Alternativ sind Photovoltaik-Module in, an oder auf dem Elektro-Fahrzeug selber vorgesehen. Eine Außenfläche des betreffenden Fahrzeugs dient dann als Träger oder die Photovoltaik-Module bilden einen Teil der Außenfläche des Elektro-Fahrzeugs.Alternatively, photovoltaic modules are provided in, on or on the electric vehicle itself. An outer surface of the vehicle in question then serves as a carrier, or the photovoltaic modules form part of the outer surface of the electric vehicle.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Ladevorrichtung der vorstehend genannten Art unter Verbesserung eins Wirkungsgrades bei Nutzung von Strom aus einer Photovoltaik-Anlage zum Laden einer Hochvolt-Batterie in dem Elektro-Fahrzeug zu schaffen.The object of the present invention is to create a charging device of the type mentioned above while improving efficiency when using electricity from a photovoltaic system for charging a high-voltage battery in the electric vehicle.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ladevorrichtung in dem Elektro-Fahrzeug eine Nutzung von Strom aus eine Photovoltaik-Anlage zum Laden einer Hochvolt-Batterie in dem Elektro-Fahrzeug ermöglicht, indem die Hochvolt-Batterie einen eigenen Eingang für eine Photovoltaik-Einspeisung aufweist. Damit ist die Photovoltaik-Einspeisung von einem Traktionsnetz entkoppelt an die Hochvolt-Batterie angeschlossen.This object is achieved by the features of claim 1 in that the charging device in the electric vehicle allows use of electricity from a photovoltaic system for charging a high-voltage battery in the electric vehicle by the high-voltage battery own Has input for a photovoltaic feed. This means that the photovoltaic feed-in is decoupled from a traction network and connected to the high-voltage battery.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Photovoltaik-Einspeisung über das HV Traktionsnetz in aller Regel nur dann wirtschaftlich ist, wenn sich das betreffende Fahrzeug im Betrieb befindet. Dann ist die HV-Batterie aktiv, und das LV-Bordnetz wird konstant mit Energie versorgt. Wenn das Fahrzeug nun aber abgestellt und ausgeschalten ist, dann müssen aktive Schalter, welche die Hochvolt-Batterie mit dem HV Bordnetz verbinden, kontinuierlich geschlossen gehalten werden. Bei HV-Batteriesystemen werden vorzugsweise mechanische Schalter eingesetzt, die durch das Wirken einer magnetischen Kraft geschlossen gehalten werden. Die hierfür erforderliche elektrische Arbeit hängt von einem maximalen Strom der eingesetzten HV-Bordnetzsignalträger ab. Da die Schalter des Traktionsnetzes sehr hohe Ströme abschalten können müssen, sind diese Schalter entsprechend robust gebaut und erfordern vergleichsweise sehr viel elektrische Energie, um geschlossen gehalten zu werden. Für das kontinuierliche Laden mittels Photovoltaik muss diese Mindestmenge an elektrischer Arbeit, die nur zum Halten der magnetischen Schalter erforderlich ist, kontinuierlich aufgebracht werden, was den resultierenden Wirkungsgrad der PV Einspeisung extrem negativ beeinflusst. Bei ungünstigen Wetterbedingungen kann die elektrische Haltearbeit der Schalter die elektrische Arbeit, die von der PV-Anlage resultiert, übertreffen. Die hieraus resultierende Energiebilanz an der HV-Batterie fällt dann sogar negativ aus, ein durch die Photovoltaik-Anlage bezweckter Nettoenergiegewinn wird also zu einem Verlust. Wenn die elektrische Energie der PV-Anlage des Fahrzeuges über das HV-Bordnetz eingespeist wird müssen außerdem alle Verbraucher auf dem HV-Bordnetz wachgehalten werden, wodurch sich ein erhöhter Energieverbrauch ergibt.The present invention is based on the knowledge that a photovoltaic feed-in via the HV traction network is generally only economical when the vehicle in question is in operation. The HV battery is then active and the LV vehicle electrical system is constantly supplied with energy. However, if the vehicle is parked and switched off, then active switches, which connect the high-voltage battery to the HV vehicle electrical system, must be kept closed continuously. In the case of HV battery systems, preference is given to using mechanical switches which are kept closed by the action of a magnetic force. The electrical work required for this depends on a maximum current of the HV vehicle electrical system signal carrier used. Since the switches of the traction network must be able to switch off very high currents, these switches are of correspondingly robust construction and require a comparatively large amount of electrical energy in order to be kept closed. For continuous charging using photovoltaics, this minimum amount of electrical work, which is only required to hold the magnetic switches, must be applied continuously, which has an extremely negative effect on the resulting efficiency of the PV feed-in. In unfavorable weather conditions, the electrical holding work of the switches can exceed the electrical work resulting from the PV system. The resulting energy balance at the HV battery is then even negative, so a net energy gain intended by the photovoltaic system becomes a loss. If the electrical energy of the vehicle's PV system is fed in via the HV on-board network, all consumers on the HV on-board network must also be kept awake, which results in increased energy consumption.

Um dies zu verhindern muss nach dem Stand der Technik ein Steuergerät abwiegen, ob es sich in Abhängigkeit der verfügbaren Leistung durch Sonneneinstrahlung überhaupt rechnet, die Photovoltaik-Anlage zuzuschalten. Durch die Verlustleistung der Schalter im Traktionsnetz verkürzt sich die Zeit der ertragsbringenden Ladezeit erheblich. Um die Kapazität der Batterie der 12 V-, 24 V- oder 48 V-Spannungsebene durch diese Haltearbeit nicht völlig zu beanspruchen, wird zusätzlich der Betrieb galvanisch getrennter DC/DC Steller notwendig. Dieser Prozess unterliegt ebenfalls energetischen Verlusten und verschlechtert die Gesamtbilanz weiter.In order to prevent this, according to the state of the art, a control unit has to weigh up whether it makes sense at all to switch on the photovoltaic system, depending on the available power from solar radiation. Due to the power loss of the switches in the traction network, the profitable charging time is significantly reduced. In order not to fully use the capacity of the battery of the 12 V, 24 V or 48 V voltage level due to this holding work, the operation of galvanically isolated DC/DC converters is also necessary. This process is also subject to energy losses and further worsens the overall balance.

Erfindungsgemäß weist die Hochvolt-Batterie einen eigenen Eingang für eine Photovoltaik-Einspeisung auf, so dass eine direkte Photovoltaik-Anbindung an eine HV-Batterie unter Entkoppelt von dem Traktionsnetz realisiert ist. Dieser Ansatz stellt eine einfache Möglichkeit dar, die PV Einspeisung bei geringem zusätzlichem apparativem Aufwand direkt an die HV-Batterie anzubinden, ohne den Umweg über das HV-Traktionsnetz zu gehen. So können auch alle weiteren Verbraucher auf dem HV-Traktionsnetz offline bleiben.According to the invention, the high-voltage battery has its own input for a photovoltaic feed, so that a direct photovoltaic connection to a HV battery is realized while being decoupled from the traction network. This approach represents a simple way of connecting the PV feed-in directly to the HV battery with little additional equipment, without having to take the detour via the HV traction network. In this way, all other consumers on the HV traction network can remain offline.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach weist die Ladevorrichtung einen separaten Schaltungszweig auf, der sich von der Photovoltaik-Anlage über ein Steuergerät der Photovoltaik-Anlage mit nachgeschaltetem Inverter bis zu einem zusätzlichen HV-Stecker, der an den Eingang angepasst ist, hin erstreckt. Dieser Schaltungszweig stellt eine Umgehung des Traktions-Netzes für den Fall einer reinen Ladung durch die Photovoltaik-Anlage dar, über den zum Laden der Hochvolt-Batterie eine Einspeisung direkt aus der Photovoltaik-Anlage stattfindet. Durch diesen zusätzlichen, separaten Lade-Strang kann auf eine Einspeisung aus der Photovoltaik-Anlage über das HV-Traktionsnetz in die Hochvolt-Batterie verzichtet werden, so dass auch die Photovoltaik-Einspeisung im Sillstand des Fahrzeugs energetisch attraktiv ist. Advantageous developments are the subject of the dependent claims. Accordingly, the charging device has a separate circuit branch that extends from the photovoltaic system via a control unit of the photovoltaic system with a downstream inverter to an additional HV plug that is adapted to the input. This circuit branch represents a bypass of the traction network in the case of pure charging by the photovoltaic system, via which feed-in takes place directly from the photovoltaic system to charge the high-voltage battery. This additional, separate charging line allows the high-voltage battery to be fed in from the photovoltaic system via the HV traction network be dispensed with, so that the photovoltaic feed-in when the vehicle is stationary is energetically attractive.

Die Photovoltaik-Einspeisung wird nun vielmehr direkt an dem weiteren HV-Stecker der Batterie angedockt, so dass die Steuergeräte des HV-Bordnetzes nun im Fall eines Photovoltaik-Lade-Vorgangs nicht mehr aktiv gehalten werden müssen.The photovoltaic feed-in is now docked directly to the other HV connector of the battery, so that the control units of the HV vehicle electrical system no longer have to be kept active in the event of a photovoltaic charging process.

Vorteilhafterweise verfügt die Hochvolt-Batterie in der Hochvolt Junction Box, kurz HVJB, mindestens über einen, vorzugsweise zwei weitere Schalter. Diese Schalter können aufgrund des geringeren Stroms kleiner dimensioniert werden, als die normalen HV-Schalter für das Traktionsnetz. Alternativ zu Schaltern könnten Relais eingesetzt werden, um den Stecker abzusichern.Advantageously, the high-voltage battery in the high-voltage junction box, HVJB for short, has at least one, preferably two, additional switches. Due to the lower current, these switches can be dimensioned smaller than the normal HV switches for the traction network. As an alternative to switches, relays could be used to protect the connector.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Batteriemanagementsystem, kurz BMS, dazu ausgebildet, die Photovoltaik-Einspeisung an der Hochvolt-Batterie über den mindestens einen zusätzlichen Schalter zu- und auch abzuschalten. Der mindestens eine Schalter für das Photovoltaik-Laden ist vorteilhafterweise logisch hinter Schaltern des Traktionsnetztes der Batterie angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass die Batterie über Photovoltaik-Anlage geladen wird, ohne dass das HV Traktionsnetz und seine Komponenten z.B. in Bezug auf Wachzeiten etc. beeinflusst wird.In a development of the invention, the battery management system, BMS for short, is designed to switch the photovoltaic feed on the high-voltage battery on and off via the at least one additional switch. The at least one switch for the photovoltaic charging is advantageously arranged logically behind switches of the traction network of the battery. This makes it possible for the battery to be charged via a photovoltaic system without affecting the HV traction network and its components, e.g. with regard to waking hours, etc.

Damit die Einspeisung erfolgen kann, muss das BMS die ganze Zeit über „wach“ sein, um Schalter geschlossen zu halten und auch die HV-Batterie zu überwachen. Es werden auch während dem Laden die Ströme, Temperaturen und Zellspannungen in der Batterie überwacht. Das Zu- und Abschalten der Photovoltaik-Einspeisung erfolgt durch das BMS vorteilhafterweise in Abstimmung mit dem Steuergerät für die Photovoltaik-Anlage. In einer alternativen Ausführungsform werden diese Vorgänge über eine zentrale Fahrzeug-Steuerung VCU gesteuert. In jedem Fall muss für das Zuschalten sichergestellt werden, dass der Inverter dazu ausgebildet ist, das Spannungsniveau an seinem Ausgang an das Spannungsniveau der Hochvolt-Batterie anzupassen. Der Inverter ist dazu mit dem Batteriemanagementsystem zum Austausch dieser Daten bzw. aktuellen Messwerte der Spannung an der Hochvolt-Batterie verbunden. Für das Abschalten muss der Inverter ferner sicherstellen, dass kein Strom mehr fließt, damit die Schalter nicht unter Last geschaltet werden. Erst nach einem Öffnen der Schalter kann auch das BMS von einem Wach- in einen sparsameren Schlafmodus umgeschaltet werden.In order for the injection to happen, the BMS needs to be “awake” all the time to keep switches closed and also to monitor the HV battery. The currents, temperatures and cell voltages in the battery are also monitored during charging. The BMS advantageously switches the photovoltaic feed on and off in coordination with the control device for the photovoltaic system. In an alternative embodiment, these processes are controlled via a central vehicle control VCU. In any case, it must be ensured for switching on that the inverter is designed to adapt the voltage level at its output to the voltage level of the high-voltage battery. For this purpose, the inverter is connected to the battery management system to exchange this data or current measured values of the voltage on the high-voltage battery. For switching off, the inverter must also ensure that no more current flows, so that the switches are not switched under load. Only after the switch has been opened can the BMS be switched from a wake mode to a more economical sleep mode.

Das BMS ermittelt außerdem den Energiedurchsatz durch die Photovoltaik, um Garantiebedingungen der Photovoltaik-Anlage zu überwachen. Entscheidend ist die Überwachung durch das BMS, um eine jederzeit sichere Einspeisung zu gewährleisten. Im Fehlerfall wird das BMS die Schalter öffnen, um die HV-Batterie zu schützen.The BMS also determines the energy throughput through the photovoltaic system in order to monitor the warranty conditions of the photovoltaic system. Monitoring by the BMS is crucial in order to ensure reliable feed-in at all times. In case of failure, the BMS will open the switches to protect the HV battery.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

  • 1: ein Flussdiagramm eines Elektro-Fahrzeugs mit einer Erweiterung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • 2: ein Flussdiagramm eines Elektro-Fahrzeugs nach dem Stand der Technik in einer Darstellung gemäß 1 und
  • 3: ein detaillierteres Blockschaltdiagramm unter Andeutung abschaltbarer Bereiche.
Further features and advantages of embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to exemplary embodiments using the drawing. It shows in a schematic representation:
  • 1 : a flow chart of an electric vehicle with an extension according to an embodiment of the invention;
  • 2 FIG. 1: a flowchart of an electric vehicle according to the prior art in an illustration according to FIG 1 and
  • 3 : a more detailed block diagram indicating areas that can be switched off.

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Verwendung für Batteriemodule für elektrisch angetriebenen Straßen-Fahrzeugs dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf Mischformen, wie z.B. Hybrid-Fahrzeuge, wie auch auf elektrisch angetriebene Flugzeuge oder Schiffe, andererseits auch auf stationäre Einsätze zur Stromversorgung möglich ist.The same reference symbols are always used for the same elements or method steps throughout the various figures. Without restricting the invention, only one application of exemplary embodiments of the invention using battery modules for electrically powered road vehicles is shown and described below. However, it is obvious to the person skilled in the art that an adaptation to mixed forms, such as hybrid vehicles, as well as to electrically powered aircraft or ships, and on the other hand to stationary applications for power supply is also possible in the same way.

Aktuell werden mehrere technische Ansätze diskutiert, um Elektrofahrzeuge mit Photovoltaik-Anlagen auszustatten und dadurch die Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs regelmäßig und umweltfreundlich zu laden. Diese Konzepte sehen eine Einspeisung der durch die Photovoltaik-Anlagen erzeugten elektrischen Energie über ein HV-Traktionsnetz vor. Solange sich das betreffende Fahrzeug im Betrieb befindet ist, ist auch die HV-Batterie ohnehin aktiv ist und ein LV-Bordnetz wird konstant mit Energie versorgt. Wenn das Fahrzeug nun aber abgestellt und ausgeschalten ist, dann müssen aktive Schalter, welche das Batteriesystem mit dem HV Bordnetz verbinden kontinuierlich geschlossen gehalten werden. Bei Batteriesystemen werden vorzugsweise mechanische Schalter eingesetzt, die durch das wirken einer magnetischen Kraft geschlossen gehalten werden. Die hierfür erforderliche elektrische Arbeit hängt vom maximalen Strom der eingesetzten HV-Bordnetzsignalträger ab. Da die Schalter des Traktionsnetzes sehr hohe Ströme abschalten können müssen, sind diese entsprechend robust gebaut und erfordern vergleichsweise sehr viel Energie um geschlossen gehalten zu werden. Für das kontinuierliche Laden mittels Photovoltaik müsste die Mindestmenge an elektrischer Arbeit, die zum Halten der magnetischen Schalter erforderlich ist, kontinuierlich aufgebracht werden, was den resultierenden Wirkungsgrad der PV Einspeisung extrem negativ beeinflusst.Several technical approaches are currently being discussed to equip electric vehicles with photovoltaic systems and thereby charge the vehicle's high-voltage battery regularly and in an environmentally friendly manner. These concepts provide for the electrical energy generated by the photovoltaic systems to be fed in via a HV traction network. As long as the vehicle in question is in operation, the HV battery is active anyway and an LV vehicle electrical system is constantly supplied with energy. However, if the vehicle is parked and switched off, then active switches that connect the battery system to the HV on-board network must be kept closed continuously. In the case of battery systems, preference is given to using mechanical switches which are kept closed by the action of a magnetic force. The electrical work required for this depends on the maximum current of the HV on-board signal carrier used. Since the switches of the traction network have to be able to switch off very high currents, they are built to be correspondingly robust and require a comparatively large amount of energy to be kept closed. For continuous charging using photovoltaics, the minimum The amount of electrical work required to hold the magnetic switches must be applied continuously, which has an extremely negative impact on the resulting PV feed-in efficiency.

2 stellt hierzu ein Flussdiagramm eines aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Elektro-Fahrzeugs 1 dar. Darin bildet eine Hochvolt-Batterie 2 mit einem Batterie-Management-System BMS und einer dem übergeordneten Fahrzeugsteuerung VCU den Kern für eine geregelte Versorgung eines Elektromotors 3 mit elektrischer Energie durch ein hier vereinfacht dargestelltes HV-Traktionsnetz 4 zum Antrieb des Fahrzeugs 1. Bei Nutz-Bremsung kann elektrische Energie über den dann als Generator betriebenen Elektromotor 3 auch der Hochvolt-Batterie 2 zurückgegeben werden. 2 shows a flowchart of an electric vehicle 1 that is fundamentally known from the prior art. In it, a high-voltage battery 2 with a battery management system BMS and a higher-level vehicle controller VCU form the core for a regulated supply of an electric motor 3 with electrical Energy through a HV traction network 4, shown here in simplified form, for driving the vehicle 1. During regenerative braking, electrical energy can also be returned to the high-voltage battery 2 via the electric motor 3, which is then operated as a generator.

Um geltenden Sicherheits-Vorschriften zu genügen muss eine Hochvolt-Batterie 2 auf Gründen der Redundanz mit mindestens zwei mechanisch trennbaren Hoch-Volt-Schalteinheiten 5 ausgestattet sein, welche in der Lage sind, die Batteriespannung galvanisch von einem restlichen Bordnetz zu trennen. Damit muss zum Halten der Hoch-Volt-Schalteinheit 5 des Batteriesystems elektrische Arbeit verrichtet werden. Der Energiefluss durch diese Hoch-Volt-Schalteinheit 5 muss vom HV-Netz entkoppelt sein und erfolgt daher aus einem Niederspannungs- bzw. LV-Bordnetz mit einer Spannungsebenen von nur 12 V bis in diesem Beispielsfall angenommenen 24 V. Um die Kapazität einer 24 V-Batterie in diesem LV-Bordnetz durch die Haltearbeit nicht völlig zu beanspruchen, sind zusätzlich - ohne zeichnerische Darstellung in 2 - galvanisch getrennte DC/DC Steller zur Versorgung des LV-Bordnetz und damit vor allem der Hoch-Volt-Schalteinheit 5 vorgesehen. Dieser Prozess unterliegt ebenfalls elektrischen Verlusten, die zu den Verlusten des Halte-Betriebs der HV-Schalter hinzukommen.In order to comply with applicable safety regulations, a high-voltage battery 2 must be equipped with at least two mechanically separable high-voltage switching units 5 for reasons of redundancy, which are able to electrically isolate the battery voltage from the rest of the vehicle electrical system. Electrical work must therefore be performed to hold the high-voltage switching unit 5 of the battery system. The energy flow through this high-voltage switching unit 5 must be decoupled from the HV network and therefore takes place from a low-voltage or LV vehicle electrical system with a voltage level of only 12 V to 24 V assumed in this example. To the capacity of a 24 V -Battery in this LV on-board network not to be fully stressed by the holding work are additionally - without graphic representation in 2 - Provided galvanically isolated DC/DC controllers for supplying the LV vehicle electrical system and thus above all the high-voltage switching unit 5 . This process also incurs electrical losses that add to the losses of the HV switch holding operation.

Eine Regelung und Kontrolle der Hochvolt-Versorgung zwischen Hochvolt-Batterie 2 und Elektromotor 3 als sog. Traktionskreis 4 innerhalb des Elektro-Fahrzeugs 1 macht damit auch den Betrieb eines Niederspannungs- bzw. LV-Bordnetzes erforderlich. Während der Fahrt stellt die Hochvolt-Batterie 2 die notwendige Energie für den Vortrieb des Fahrzeugs 1 über den Elektromotor 3 und den Betrieb des vorstehend beschriebenen LV-Bordnetzes zur Verfügung.Regulation and control of the high-voltage supply between the high-voltage battery 2 and the electric motor 3 as a so-called traction circuit 4 within the electric vehicle 1 therefore also requires the operation of a low-voltage or LV vehicle electrical system. While driving, the high-voltage battery 2 provides the necessary energy for the propulsion of the vehicle 1 via the electric motor 3 and the operation of the LV vehicle electrical system described above.

Wenn nun die Sonne stark genug scheint bekommt das BMS eines mit einer Photovoltaik-Anlage 6 ausgerüsteten Fahrzeugs 1 ein Signal eines Steuergeräts Ctrl der z.B. auf dem Dach dieses Fahrzeugs 1 integrierten Photovoltaik-Anlage 6. Das BMS übermittelt dem PV Steuergerät Ctrl ein aktuelles Spannungsniveau, damit ein nachfolgender Inverter Inv die von der Photovoltaik-Anlage 6 bereitgestellte elektrische Energie auf dieses Spannungsniveau hochwandelt. Dann wird die PV-Einspeisung vom BMS über Schalter in das HV-Traktionsnetz 4 zugeschaltet, in 2 vereinfacht als Summationspunkt dargestellt. Die Hochvolt-Batterie 2 des Fahrzeugs 1 wird dann während der Fahrt über das HV-Traktionsnetz 4 zusätzlich durch die Photovoltaik-Anlage 6 geladen. Das BMS übernimmt solange die Überwachung der PV-Einspeisung innerhalb dieser Ladevorrichtung 7, um z.B. ein Überladen sicher zu verhindern.If the sun shines strong enough, the BMS of a vehicle 1 equipped with a photovoltaic system 6 receives a signal from a control unit Ctrl of the photovoltaic system 6 integrated, for example, on the roof of this vehicle 1. The BMS transmits a current voltage level to the PV control unit Ctrl, so that a subsequent inverter Inv upconverts the electrical energy provided by the photovoltaic system 6 to this voltage level. Then the PV feed-in is switched on by the BMS via switches in the HV traction network 4, in 2 simplified as a summation point. The high-voltage battery 2 of the vehicle 1 is then additionally charged by the photovoltaic system 6 while driving via the HV traction network 4 . The BMS assumes the monitoring of the PV feed-in within this charging device 7 in order to reliably prevent overcharging, for example.

Wenn das Fahrzeug 1 nach 2 nun aber steht und abgeschaltet ist, die Sonne aber scheint und eine damit verfügbare Ladeleistung der Photovoltaik-Anlage 6 groß genug wäre, dann muss ein Laden der HV-Batterie 2 weiterhin über das HV-Traktionsnetz 4 erfolgen. Alle zuvor in einen energiesparenden Schlaf-Zustand versetzten Komponenten von der VCU bis zu der Hoch-Volt-Schalteinheit 5 innerhalb des HV-Traktionsnetzes 4 müssen dazu dann aktiviert bzw. „aufgeweckt“ werden. Damit tritt das Problem auf, dass über das LV-Bordnetz elektrische Arbeit zum Halten der HV-Schalter im HV-Traktionsnetz 4 benötigt wird. In Summe treten beim Laden des Fahrzeugs 1 im Ruhezustand ca. 100 W an Nebenverbraucherlasten innerhalb der Ladevorrichtung 7 auf.If the vehicle 1 after 2 but now stands still and is switched off, but the sun is shining and the available charging capacity of the photovoltaic system 6 would be large enough, then the HV battery 2 must continue to be charged via the HV traction network 4 . For this purpose, all components from the VCU to the high-voltage switching unit 5 within the HV traction network 4 that have previously been put into an energy-saving sleep state must then be activated or “woken up”. This gives rise to the problem that electrical work is required via the LV vehicle electrical system to hold the HV switches in the HV traction network 4 . In total, approximately 100 W of auxiliary consumer loads occur within the charging device 7 when charging the vehicle 1 in the idle state.

An dieser Stelle setzt die vorliegende Erfindung an, deren Ziel es ist, eine Ladevorrichtung 7 unter Verbesserung eins Wirkungsgrades bei Nutzung von Strom aus einer Photovoltaik-Anlage zum Laden einer Hochvolt-Batterie in dem Elektro-Fahrzeug zu schaffen. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die vorstehend angedeutete Nebenverbraucherlast deutlich reduziert wird. Dazu ist eine Ladevorrichtung in dem Elektro-Fahrzeug 1, die eine Nutzung von Strom aus eine Photovoltaik-Anlage 6 zum Laden der Hochvolt-Batterie 2 in dem Elektro-Fahrzeug ermöglicht, mit der Hochvolt-Batterie 2 über einen eigenen Eingang 8 verbunden. Während bekannte Ansätze unter Verweis auf 2 im Stillstand des Fahrzeugs 1 stets ein Aufwecken alle Komponenten auch des HV-Traktionsnetzes 4 benötigt, ist in dieser Ladevorrichtung 7 nun eine direkte Einspeisung einer durch die Photovoltaik-Anlage 6 bereitgestellten elektrischen Energie in eine HV-Batterie 2 realisiert. Damit wird die vorstehend mit ca. 100 W abgeschätzte Nebenverbraucherlast aus dem HV-Bordnetz beim PV Laden im Ruhezustand des Fahrzeugs eingespart, und dadurch wird das PV Laden schon bei kleineren Ladeleistungen bei positiver Leistungsbilanz möglich. Wenn das betreffende Fahrzeug also abgestellt wurde und nun die Sonne scheint, muss nach diesem Konzept für eine Ladevorrichtung 7 nicht mehr das gesamte HV-Traktionsnetz 4 aufgeweckt werden, welcher einen Standby-Verbrauch von ca. 100 W hätte, sondern die Hochvolt-Batterie 2 wird über den mit der Photovoltaik-Anlage 6 verbundenen eigenen Eingang 8 direkt geladen. Durch das direkte Laden im Stillstand wird somit der Nebenverbrauch von 100 W eingespart.This is where the present invention comes in, the aim of which is to create a charging device 7 that improves efficiency when using electricity from a photovoltaic system to charge a high-voltage battery in the electric vehicle. This goal is achieved in that the auxiliary consumer load indicated above is significantly reduced. For this purpose, a charging device in the electric vehicle 1 that enables the use of electricity from a photovoltaic system 6 to charge the high-voltage battery 2 in the electric vehicle is connected to the high-voltage battery 2 via a dedicated input 8 . While known approaches with reference to 2 When the vehicle 1 is at a standstill, all components of the HV traction network 4 also need to be woken up. This saves the auxiliary consumer load from the HV on-board network estimated above at approx. 100 W when the vehicle is at rest during PV charging, and this makes PV charging possible even at lower charging capacities with a positive power balance. If the vehicle in question has been parked and the sun is shining, according to this concept for a charging device 7 it is no longer necessary to wake up the entire HV traction network 4, which would have a standby consumption of approx. 100 W, but the high-voltage battery 2 is charged directly via its own input 8 connected to the photovoltaic system 6 . The additional consumption of 100 W is saved by direct charging when stationary.

Im konkreten Ablauf weckt das Photovoltaik-Steuergerät Crtl die VCU auf, damit diese das BMS aus einem Schlafmodus in einen aktiven Betrieb überführt. Das BMS bekommt dann von dem PV Steuergerät Crtl die Nachricht, dass die HV-Batterie 2 geladen werden soll und übermittelt dann das aktuelle Spannungsniveau für den Inverter Inv. Die PV-Einspeisung wird dann über den beschriebenen separaten Schaltungszweig von der Photovoltaik-Anlage 6 an die Hochvolt-Batterie 2 über einen Schalter 9 angeschlossen und durch das BMS überwacht. Der Schalter 9 ist zum Öffnen wie Schließen durch das BMS ausgebildet. Das BMS überwacht zudem solange die Ströme, Zellspannungen und Temperaturen in der Hochvolt-Batterie 2. Sollte ein Fehler auftreten, so schaltet das BMS durch sofortiges Öffnen der Schalter 9 die PV-Einspeisung ab. Alternativ wird das BMS der Kontrolleinrichtung Crtl der Photovoltaik-Anlage 6 ein Signal zum Abbruch der Einspeisung übermitteln, sobald die Hochvolt-Batterie 2 voll geladen ist. Dann öffnet das BMS die Schalter 9 sobald keine Last mehr anliegt und sämtliche vorstehend genannten Steuergeräte können wieder in den Schlaf-Modus geschaltet werden.In the specific process, the photovoltaic control unit Crtl wakes up the VCU so that it transfers the BMS from sleep mode to active operation. The BMS then receives the message from the PV control unit Crtl that the HV battery 2 should be charged and then transmits the current voltage level for the inverter Inv. The PV feed is then connected via the described separate circuit branch from the photovoltaic system 6 to the high-voltage battery 2 via a switch 9 and monitored by the BMS. The switch 9 is designed to be opened and closed by the BMS. The BMS also monitors the currents, cell voltages and temperatures in the high-voltage battery 2. If an error occurs, the BMS switches off the PV feed-in by immediately opening the switch 9. Alternatively, the BMS will transmit a signal to the control device Crtl of the photovoltaic system 6 to terminate the feed as soon as the high-voltage battery 2 is fully charged. The BMS then opens the switches 9 as soon as there is no longer any load and all the control devices mentioned above can be switched back to sleep mode.

3 zeigt nun in einer abgewandelten und teilweise detaillierteren Darstellung eine gesamte Energieversorgung eines elektrischen Antriebs mit einer Erweiterung gemäß 1. Wenn nun elektrische Energie der PV-Anlage des Fahrzeuges statt über das HV-Bordnetz über einen separaten Eingang 8 in der HV-Ebene in die Batterie 2 eingespeist wird müssen bei weitem nicht mehr alle Verbraucher aus dem HV-Bordnetz wachgehalten werden. Nur innerhalb der gestrichelten Linie gelegene Bestandteile von der Photovoltaik-Anlage 6 über jeweilige Maximum-Powerpoint-Tracker MPPT und einen Gleichspannungssteller innerhalb einer Module-Control-Unit MCU bzw. Crtl sowie ein Teil des BMS müssen aktiv sein. Das BMS wird über ein ebenfalls aktiv geschaltetes 12V Niederspannungsnetz NV versorgt. 3 now shows, in a modified and partly more detailed representation, an entire energy supply of an electric drive with an extension according to FIG 1 . If electrical energy from the PV system of the vehicle is fed into the battery 2 via a separate input 8 in the HV level instead of via the HV on-board network, it is no longer necessary to keep all consumers from the HV on-board network awake. Only components of the photovoltaic system 6 located within the dashed line via the respective maximum power point tracker MPPT and a DC voltage controller within a module control unit MCU or Crtl and part of the BMS must be active. The BMS is supplied via a 12V low-voltage network NV, which is also switched to active.

Innerhalb des BMS ist hier in einem separat ausgeführten Zweig ein deutlich kleineres und damit sparsameres Schütz als Sicherheitsschalter vorgesehen. Dadurch ergibt sich ein insgesamt deutlich gesenkter Energieverbrauch.Within the BMS, a significantly smaller and therefore more economical contactor is provided as a safety switch in a separate branch. This results in an overall significantly reduced energy consumption.

Durch die vorstehend beschriebene Ladevorrichtung 7 wird die Hochvolt-Batterie 2 durch die Photovoltaik- Vorrichtung 6 an einem eigenen Eingang 8 mit höherem Wirkungsgrad geladen, und das Laden über die Photovoltaik-Anlage 6 des Elektro-Fahrzeugs 1 durch einen separaten Schaltungszweig lohnt sich energetisch und ökologisch bereits bei niedrigeren Ladeleistungen, wie sie z.B. bei Abschattung oder bewölktem Himmel bereitgestellt werden. With the charging device 7 described above, the high-voltage battery 2 is charged with greater efficiency by the photovoltaic device 6 at its own input 8, and charging via the photovoltaic system 6 of the electric vehicle 1 through a separate circuit branch is worthwhile in terms of energy and ecologically even at lower charging capacities, such as those provided in the shade or under cloudy skies.

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektro-Fahrzeugelectric vehicle
22
Hochvolt-Batteriehigh-voltage battery
33
Elektromotorelectric motor
44
HV-TraktionsnetzHV traction network
55
Hoch-Volt-Schalteinheit im HV-Traktionsnetz 4High-voltage switching unit in the HV traction network 4
66
Photovoltaik-AnlagePhotovoltaic system
77
Ladevorrichtungloading device
88th
eigener Eingang des separaten Schaltungszweigs von der Photovoltaik-Anlage 6 an der Hochvolt-Batterie 2separate input of the separate circuit branch from the photovoltaic system 6 to the high-voltage battery 2
99
Schalter innerhalb des PV-Ladezweiges Switch within the PV charging branch
BB
Bus (LIN / CAN)Bus (LIN/CAN)
BMSBMS
Batterie-Management-Systembattery management system
CtrlCtrl
Kontrolleinrichtung der Photovoltaik-Anlage 6Photovoltaic system control device 6
Ff
Sicherungfuse
HVHV
Hochvolt-Ebenehigh-voltage level
HVJBHVJB
Hochspannungs-Verbinder-BoxHigh Voltage Connector Box
Invinventory
regelbarer Inverteradjustable inverter
MCUMCU
Modul-Kontroll-Einheitmodule control unit
MPPTMPPT
Maximum-Powerpoint-TrackerMaximum powerpoint tracker
NVNV
Niedervolt-Ebenelow voltage level
OBCOBC
On board chargerOn board charger
SS
Schützcontactor
ShtSht
Mess-Shuntmeasuring shunt
VCUVCU
zentrale Fahrzeugsteuerungcentral vehicle control

Claims (10)

Ladevorrichtung in einem Elektro-Fahrzeug (1), die eine Nutzung von Strom aus einer Photovoltaik-Anlage (6) zum Laden einer Hochvolt-Batterie (2) in dem Elektro-Fahrzeug (1) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (7) mit der Hochvolt-Batterie (2) über einen eigenen Eingang (8) verbunden ist.Charging device in an electric vehicle (1), which enables electricity from a photovoltaic system (6) to be used to charge a high-voltage battery (2) in the electric vehicle (1), characterized in that the charging device (7 ) is connected to the high-voltage battery (2) via its own input (8). Ladevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (7) einen separaten Schaltungszweig aufweist, der sich von der Photovoltaik-Anlage (6) über ein Steuergerät (Crtl) der Photovoltaik-Anlage (6) mit nachgeschaltetem Inverter (Inv) bis zu einem an den Eingang (8) angepassten zusätzlichen HV-Stecker hin erstreckt.Charging device according to the preceding claim, characterized in that the charging device (7) has a separate circuit has a branch that extends from the photovoltaic system (6) via a control unit (Crtl) of the photovoltaic system (6) with a downstream inverter (Inv) to an additional HV plug that is adapted to the input (8). Ladevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvolt-Batterie (2) in einer Hochvolt Junction Box über mindestens einen, vorzugsweise zwei weitere Schalter (9) verfügt.Charging device according to the preceding claim, characterized in that the high-voltage battery (2) has at least one, preferably two, further switches (9) in a high-voltage junction box. Ladevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) dazu ausgebildet ist, die Photovoltaik-Einspeisung an der Hochvolt-Batterie (2) über den mindestens einen zusätzlichen Schalter (9) zu- und auch abzuschalten.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the battery management system (BMS) is designed to switch the photovoltaic feed on the high-voltage battery (2) on and off via the at least one additional switch (9). Ladevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriemanagementsystem (BMS) dazu ausgebildet ist, das Zu- und Abschalten der Photovoltaik-Einspeisung in Abstimmung mit dem Steuergerät (Crtl) für die Photovoltaik-Anlage durchzuführen.Charging device according to the preceding claim, characterized in that the battery management system (BMS) is designed to switch the photovoltaic feed on and off in coordination with the control unit (Crtl) for the photovoltaic system. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Fahrzeug-Steuerung (VCU) dazu ausgebildet ist, das Zu- und Abschalten der Photovoltaik-Einspeisung in Abstimmung mit dem Steuergerät (Crtl) für die Photovoltaik-Anlage durchzuführen.Loading device according to one of Claims 1 - 4 , characterized in that a central vehicle control unit (VCU) is designed to switch the photovoltaic feed on and off in coordination with the control unit (Crtl) for the photovoltaic system. Ladevorrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (Inv) dazu ausgebildet ist, ein Spannungsniveau an seinem Ausgang an ein Spannungsniveau der Hochvolt-Batterie (2) anzupassen.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the inverter (Inv) is designed to adapt a voltage level at its output to a voltage level of the high-voltage battery (2). Ladevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Inverter (Inv) dazu mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) zum Datenaustausch verbunden ist.Charging device according to the preceding claim, characterized in that the inverter (Inv) is connected to the battery management system (BMS) for data exchange. Ladevorrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Anlage (6) an die Hochvolt-Batterie (2) über einen Schalter (9) angeschlossen und durch das BMS überwacht ist.Charging device according to one of the preceding claims, characterized in that the photovoltaic system (6) is connected to the high-voltage battery (2) via a switch (9) and is monitored by the BMS. Ladevorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (9) zum Öffnen wie zum Schließen durch das Batteriemanagementsystem (BMS) ausgebildet ist.Charging device according to the preceding claim, characterized in that the switch (9) is designed to be opened and closed by the battery management system (BMS).
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