DE102023200815A1 - Circuit arrangement for voltage conversion - Google Patents

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Rainer Staude
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Abstract

Eine Schaltungsanordnung (10) zum Umwandeln einer veränderlichen Eingangsgleichspannung (UP) in eine Ausgangsgleichspannung (UB) mit einem geringeren Schwankungsbereich umfasst eine Steuereinheit (11), einen ersten Gleichspannungswandler (12) und einen zweiten Gleichspannungswandler (13). Der erste Gleichspannungswandler (12) ist zum Hochsetzen der Eingangsgleichspannung (UP) konfiguriert. Der zweite Gleichspannungswandler (13) ist als reiner Abwärts-Wandler eingerichtet.A circuit arrangement (10) for converting a variable input direct voltage (UP) into an output direct voltage (UB) with a smaller fluctuation range comprises a control unit (11), a first direct voltage converter (12) and a second direct voltage converter (13). The first direct voltage converter (12) is configured to step up the input direct voltage (UP). The second direct voltage converter (13) is designed as a pure step-down converter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsumwandlung, insbesondere eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln einer veränderlichen Gleichspannung in eine Gleichspannung mit einem geringeren Schwankungsbereich.The invention relates to a circuit arrangement for voltage conversion, in particular a circuit arrangement for converting a variable direct voltage into a direct voltage with a smaller fluctuation range.

In US 8 400 123 B2 ist eine Schaltungsanordnung zur Spannungsumwandlung mit einem mehrphasigen Gleichspannungswandler beschrieben, bei der mehrere Gleichspannungswandler zueinander parallelgeschaltet sind und die Ausgangsseite geregelt wird.In US 8 400 123 B2 describes a circuit arrangement for voltage conversion with a multi-phase DC-DC converter, in which several DC-DC converters are connected in parallel to one another and the output side is regulated.

Schaltungsanordnungen zur Spannungsumwandlung werden beispielsweise in der Solarenergietechnik eingesetzt, wo die von einem Solarpanel gelieferte Spannung von der momentanen Sonneneinstrahlung abhängt und daher starken Schwankungen unterworfen ist.Voltage conversion circuits are used, for example, in solar energy technology, where the voltage supplied by a solar panel depends on the current solar radiation and is therefore subject to strong fluctuations.

Bei nicht mit einem Stromnetz verbundenen Solarstromanlagen werden zur Speicherung der von dem Solarpanel gelieferten elektrischen Energie beispielsweise Batterien verwendet. Das können LV-Batterien (low voltage) und HV-Batterien (high voltage) sein Zum Laden der Batterie geeignete Spannungen müssen dabei jeweils in einem relativ engen Spannungsbereich liegen.In solar power systems that are not connected to a power grid, batteries are used to store the electrical energy supplied by the solar panel. These can be LV batteries (low voltage) and HV batteries (high voltage). The voltages suitable for charging the battery must be within a relatively narrow voltage range.

Eine solche netzfreie Solarstromanlage kann beispielsweise in einem Fahrzeug untergebracht sein. Das Solarpanel kann beispielsweis auf dem Fahrzeugdach angebracht beziehungsweise in dieses integriert sein. Solarpanel können auch übers Fahrzeug verteilt sein, beispielsweise auch auf Motorhaube oder Heckklappe, oder bei Vans auf der Pritsche oder auch auf LKW-Anhängern.Such an off-grid solar power system can be installed in a vehicle, for example. The solar panel can be mounted on the roof of the vehicle or integrated into it. Solar panels can also be distributed throughout the vehicle, for example on the hood or tailgate, or on the flatbed of a van or on a truck trailer.

2 zeigt ein Blockschaltbild einer Solarstromanlage. Die Solarstromanlage 100 enthält ein Solarpanel 102, das eine Gleichspannung UP liefert, deren Größe sich je nach der momentanen Sonneneinstrahlung ändert. Ferner enthält die Solarstromanlage 100 eine Batterie 103 zum Speichern einer von dem Solarpanel 102 gelieferten elektrischen Energie. Zum Umwandeln der von dem Solarpanel 102 gelieferten Spannung UP in eine zum Laden der Batterie 103 geeignete Spannung UB enthält die die Solarstromanlage 100 ferner eine Schaltungsanordnung 110. 2 shows a block diagram of a solar power system. The solar power system 100 contains a solar panel 102 that supplies a direct voltage UP, the size of which changes depending on the current solar radiation. The solar power system 100 also contains a battery 103 for storing electrical energy supplied by the solar panel 102. To convert the voltage UP supplied by the solar panel 102 into a voltage UB suitable for charging the battery 103, the solar power system 100 also contains a circuit arrangement 110.

Die Schaltungsanordnung 110 empfängt die von dem Solarpanel 102 gelieferte Spannung UP an ihrem Eingang und gibt die gewandelte Spannung UB an ihrem Ausgang aus. Die Schaltungsanordnung 110 enthält eine Steuereinheit 111 zum Steuern des Betriebs der Schaltungsanordnung 110 und zwei gleichartige Gleichspannungswandler 112, die parallel zueinander zwischen den Eingang IN und den Ausgang OUT geschaltet sind, also einen zweiphasigen Gleichspannungswandler bilden.The circuit arrangement 110 receives the voltage UP supplied by the solar panel 102 at its input and outputs the converted voltage UB at its output. The circuit arrangement 110 contains a control unit 111 for controlling the operation of the circuit arrangement 110 and two identical DC-DC converters 112 which are connected in parallel to one another between the input IN and the output OUT, thus forming a two-phase DC-DC converter.

Die Gleichspannungswandler 112 wandeln die von dem Solarpanel 102 gelieferte Spannung UP in eine zum Laden der Batterie 103 geeignete Ladespannung UB um. Da die von dem Solarpanel 102 gelieferte Spannung UP sowohl niedriger als auch höher sein kann als der zulässige Bereich für die Ladespannung der Batterie 103, sind die Gleichspannungswandler 112 als Abwärts-Aufwärts-Wandler (Tiefsetz-Hochsetz-Steller, Buck-Boost-Converter) eingerichtet, die sowohl zum Tiefsetzen (Konvertieren in eine niedrigere Spannung) als auch zum Hochsetzen (Konvertieren in eine niedrigere Spannung) der Spannung UP konfiguriert sind.The DC-DC converters 112 convert the voltage UP supplied by the solar panel 102 into a charging voltage UB suitable for charging the battery 103. Since the voltage UP supplied by the solar panel 102 can be both lower and higher than the permissible range for the charging voltage of the battery 103, the DC-DC converters 112 are designed as step-down-step-up converters (buck-boost converters) that are configured both to step down (convert to a lower voltage) and to step up (convert to a lower voltage) the voltage UP.

Die von dem Solarpanel 102 gelieferte Leistung wird dabei auf die beiden Gleichspannungswandler 112 aufgeteilt. Für höhere von dem Solarpanel 102 gelieferte Leistungen können dementsprechend mehr als zwei Gleichspannungswandler 112 vorgesehen sein, auf die die Leistung verteilt wird, wodurch ein mehrphasiger Gleichspannungswandler gebildet wird. Eine solche Schaltungsanordnung mit einem mehrphasigen Gleichspannungswandler ist beispielsweise in US 8 400 123 B2 beschrieben.The power supplied by the solar panel 102 is divided between the two DC-DC converters 112. For higher powers supplied by the solar panel 102, more than two DC-DC converters 112 can be provided to which the power is distributed, thereby forming a multiphase DC-DC converter. Such a circuit arrangement with a multiphase DC-DC converter is shown, for example, in US 8 400 123 B2 described.

Da ein Abwärts-Aufwärts-Wandler für zwei verschiedene Betriebsarten (Tiefsetzen und Hochsetzen) konfiguriert ist, enthält er mehr Bauelemente als ein dezidiert nur für eine dieser Betriebsarten (Tiefsetzen oder Hochsetzen) konfigurierter Gleichspannungswandler. Daher ist er teurer als solch ein dezidierter Gleichspannungswandler und hat im Betrieb höhere Verluste, weil er zusätzliche Elemente im Strompfad hat und im Übergangsbereich zusätzlich Schaltverluste erzeugt. Ferner sind mehrphasige Gleichspannungswandler bei niedrigen Leistungen ineffizient.Since a buck-boost converter is configured for two different operating modes (buck and boost), it contains more components than a DC-DC converter that is configured for only one of these operating modes (buck or boost). Therefore, it is more expensive than such a dedicated DC-DC converter and has higher operating losses because it has additional elements in the current path and generates additional switching losses in the transition region. Furthermore, multi-phase DC-DC converters are inefficient at low power levels.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsvorrichtung zum Umwandeln einer veränderlichen Gleichspannung in eine Gleichspannung mit einem geringeren Schwankungsbereich bereitzustellen, die preisgünstiger als der Stand der Technik ist, geringere Betriebsverluste hat und bei niedrigen Leistungen effizienter ist.It is therefore an object of the present invention to provide a circuit device for converting a variable DC voltage into a DC voltage with a smaller fluctuation range, which is less expensive than the prior art, has lower operating losses and is more efficient at low powers.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können die Gegenstände eines unabhängigen Anspruchs auch durch Merkmale der Unteransprüche eines anderen unabhängigen Anspruchs weitergebildet sein.The object is achieved by the subject matter of the independent claims. Further developments of the invention are specified in the subclaims. The subject matter of an independent claim can also be further developed by features of the subclaims of another independent claim.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Umwandeln einer veränderlichen Gleichspannung in eine Gleichspannung mit einem geringeren Schwankungsbereich. Sie umfasst eine Steuereinheit, einen ersten Gleichspannungswandler und einen zweiten Gleichspannungswandler. Der erste Gleichspannungswandler ist zum Hochsetzen der Eingangsgleichspannung konfiguriert. Der zweite Gleichspannungswandler ist als reiner Abwärts-Wandler eingerichtet.The circuit arrangement according to the invention serves to convert a variable direct voltage into a direct voltage with a smaller fluctuation range. It comprises a control unit, a first direct voltage converter and a second direct voltage converter. The first direct voltage converter is configured to step up the input direct voltage. The second direct voltage converter is designed as a pure step-down converter.

Mit einer solchen Schaltungsanordnung können beispielsweise der Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Größe und die Herstellungskosten der Gesamtschaltung verringert werden.With such a circuit arrangement, for example, the overall efficiency can be increased and the size and manufacturing costs of the overall circuit can be reduced.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Gleichspannungswandler als Abwärts-Aufwärts-Wandler eingerichtet.In an advantageous further development, the first DC-DC converter is designed as a step-down/step-up converter.

Dadurch können beispielsweise gegenüber dem getrennten Bereitstellen eines Aufwärts-Wandlers und eines Abwärts-Wandler Bauteile eingespart werden, was die Gesamtschaltung kleiner und preisgünstiger machen kann.This makes it possible, for example, to save components compared to providing a boost converter and a buck converter separately, which can make the overall circuit smaller and cheaper.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Gleichspannungswandler als reiner Aufwärts-Wandler eingerichtet.In an advantageous further development, the first DC-DC converter is designed as a pure step-up converter.

Dadurch kann beispielsweise der Wirkungsgrad des ersten Gleichspannungswandler verbessert sein.This can, for example, improve the efficiency of the first DC-DC converter.

In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält die Schaltungsanordnung zwei oder mehr zweite Gleichspannungswandler, wobei alle zweiten Gleichspannungswandler als reine Abwärts-Wandler eingerichtet.In an advantageous development, the circuit arrangement contains two or more second DC-DC converters, wherein all second DC-DC converters are configured as pure step-down converters.

Dadurch kann die Schaltungsanordnung beispielsweise an höhere zur Verfügung stehende Leistungen angepasst werden.This allows the circuit arrangement to be adapted to higher available power levels, for example.

In einer vorteilhaften Weiterbildung enthält die Steuereinheit einen Mikrocontroller.In an advantageous further development, the control unit contains a microcontroller.

Dadurch kann beispielsweise die Steuerung der Schaltungsanordnung auf einfache und flexible Weise verwirklicht sein.This means, for example, that the control of the circuit arrangement can be implemented in a simple and flexible manner.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, anhand eingangsseitiger Kenndaten zu bestimmen, wie viele und welche Gleichspannungswandler zu aktivieren sind, und diese zum Umwandeln der Eingangsgleichspannung in die Ausgangsgleichspannung zu aktivieren.In an advantageous development, the control unit is configured to determine, based on input-side characteristics, how many and which DC-DC converters are to be activated and to activate them to convert the input DC voltage into the output DC voltage.

Dadurch kann beispielsweise der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung optimiert werden.This makes it possible, for example, to optimize the efficiency of the circuit arrangement.

Die erfindungsgemäße Solarstromanlage enthält ein Solarpanel zum Liefern einer je nach Sonneneinstrahlung veränderlichen Eingangsgleichspannung, eine Batterie zum Speichern einer von dem Solarpanel gelieferten elektrischen Energie und eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Umwandeln der Eingangsgleichspannung in eine zum Laden der Batterie geeignete Ausgangsgleichspannung.The solar power system according to the invention contains a solar panel for supplying an input DC voltage that varies depending on the solar radiation, a battery for storing electrical energy supplied by the solar panel and a circuit arrangement according to the invention for converting the input DC voltage into an output DC voltage suitable for charging the battery.

Mit einer solchen Solarstromanlage kann beispielsweise eine von dem Solarpanel gelieferte Spannung mit hohem Wirkungsgrad in eine zum Laden der Batterie geeignete Spannung umgewandelt werden.With such a solar power system, for example, a voltage supplied by the solar panel can be converted with high efficiency into a voltage suitable for charging the battery.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Solarstromanlage in oder an einem Fahrzeug angebracht.In an advantageous further development, the solar power system is installed in or on a vehicle.

Dadurch kann beispielsweise eine Fahrzeugbatterie effizient geladen mittels Solarenergie geladen werden.This means that, for example, a vehicle battery can be efficiently charged using solar energy.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Solarpanel auf dem Fahrzeugdach angebracht oder in dieses integriert.In an advantageous further development, the solar panel is mounted on the vehicle roof or integrated into it.

Dadurch kann beispielsweise eine möglichst gute Sonneneinstrahlung auf das Solarpanel und damit eine möglichst hohe verfügbare elektrische Leistung erreicht werden.This makes it possible, for example, to achieve the best possible sunlight on the solar panel and thus the highest possible available electrical power.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung oder einer erfindungsgemäßen Solarstromanlage. Es umfasst die Schritte

  1. a) Bestimmen anhand eingangsseitiger Kenndaten, wie viele und welche Gleichspannungswandler zu aktivieren sind und
  2. b) Aktivieren der in Schritt a) bestimmten Gleichspannungswandler.
The method according to the invention serves to operate a circuit arrangement according to the invention or a solar power system according to the invention. It comprises the steps
  1. a) Determine, based on input-side characteristics, how many and which DC-DC converters are to be activated and
  2. b) Activating the DC-DC converters determined in step a).

Mit einem solchen Verfahren kann beispielsweise eine veränderliche Eingangsgleichspannung flexibel und mit verbessertem Wirkungsgrad in eine Ausgangsgleichspannung mit einem geringeren Schwankungsbereich umgewandelt werden.With such a method, for example, a variable input DC voltage can be converted flexibly and with improved efficiency into an output DC voltage with a smaller fluctuation range.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die in Schritt a) verwendeten eingangsseitigen Kenndaten gewählt aus der Eingangsgleichspannung und aus Daten über ein Maximum Power Point Tracking des Solarpanels.In an advantageous further development, the input-side characteristics used in step a) are selected from the input DC voltage and from data on a maximum power point tracking of the solar panel.

Dadurch kann beispielsweise die Anzahl und Art der zu aktivierenden Gleichspannungswandler abhängig von einer zur Verfügung stehenden Leistung bestimmt werden.This makes it possible, for example, to determine the number and type of DC-DC converters to be activated depending on the available power.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in Schritt a) bestimmt, dass nur der erste Gleichspannungswandler aktiviert wird, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten einer von dem Solarpanel gelieferten Leistung ein Gleichspannungswandler ausreicht.In an advantageous further development, it is determined in step a) that only the first DC-DC converter is activated if it is determined from the input-side characteristics that one DC-DC converter is sufficient to process the power supplied by the solar panel.

Dadurch kann die Spannungsumwandlung beispielsweise bei geringer zur Verfügung stehenden Leistung bzw. Eingangsspannung durch einen einzigen Gleichspannungswandler erfolgen.This means that the voltage conversion can be carried out by a single DC-DC converter, for example when the available power or input voltage is low.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in Schritt a) bestimmt, dass der erste Gleichspannungswandler und der zweite Gleichspannungswandler aktiviert werden, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel gelieferten Leistung zwei Gleichspannungswandler erforderlich sind. Alternativ dazu wird in Schritt a) bestimmt, dass der erste Gleichspannungswandler nicht aktiviert wird, sondern zwei zweite Gleichspannungswandler aktiviert werden, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel gelieferten Leistung zwei Gleichspannungswandler erforderlich sind.In an advantageous development, it is determined in step a) that the first DC-DC converter and the second DC-DC converter are activated if it is determined from the input-side characteristics that two DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel. Alternatively, it is determined in step a) that the first DC-DC converter is not activated, but two second DC-DC converters are activated if it is determined from the input-side characteristics that two DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel.

Dadurch kann beispielsweise bei erhöhter zur Verfügung stehenden Leistung die Leistung auf zwei parallel betriebene Gleichspannungswandler aufgeteilt werden.This means that, for example, when more power is available, the power can be divided between two DC-DC converters operating in parallel.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in Schritt a) bestimmt, dass weitere zweite Gleichspannungswandler aktiviert werden, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel gelieferten Leistung weitere Gleichspannungswandler erforderlich sind.In an advantageous further development, it is determined in step a) that further second DC-DC converters are activated if it is determined from the input-side characteristics that further DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel.

Dadurch kann beispielsweise bei weiter erhöhter zur Verfügung stehenden Leistung die Leistung auf weitere parallel betriebene Gleichspannungswandler aufgeteilt werden.This means that, for example, if the available power is further increased, the power can be divided between additional DC-DC converters operated in parallel.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen.

  • 1 zeigt ein Schaltbild einer Solarstromanlage mit einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein Schaltbild einer bekannten Solarstromanlage.
Further features and advantages of the invention will become apparent from the description of an embodiment with reference to the accompanying drawings.
  • 1 shows a circuit diagram of a solar power system with a circuit arrangement according to an embodiment of the present invention.
  • 2 shows a circuit diagram of a well-known solar power system.

Im Folgenden wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Abwandlungen beschrieben.An embodiment of the present invention with various modifications will be described below with reference to the accompanying drawings.

1 zeigt ein Schaltbild einer Solarstromanlage 1. Wie die Solarstromanlage 100 enthält sie ein Solarpanel 2 und eine Batterie 3. Ferner enthält sie eine Schaltungsanordnung 10 zum Umwandeln der von dem Solarpanel 2 gelieferten Spannung UP in eine zum Laden der Batterie 3 geeignete Spannung UB, die jedoch anders konfiguriert ist als die Schaltungsanordnung 110. Die Solarstromanlage 1 ist in oder an einem Fahrzeug 20 angebracht. Das Solarpanel 2 ist dabei vorzugsweise auf dem Fahrzeugdach angebracht beziehungsweise in dieses integriert. 1 shows a circuit diagram of a solar power system 1. Like the solar power system 100, it contains a solar panel 2 and a battery 3. It also contains a circuit arrangement 10 for converting the voltage UP supplied by the solar panel 2 into a voltage UB suitable for charging the battery 3, which is, however, configured differently than the circuit arrangement 110. The solar power system 1 is mounted in or on a vehicle 20. The solar panel 2 is preferably mounted on the vehicle roof or integrated into it.

Die Schaltungsanordnung 10 enthält eine Steuereinheit 11 zum Steuern des Betriebs der Schaltungsanordnung 10. Die Steuereinheit 11 kann beispielsweise einen Mikrocontroller enthalten.The circuit arrangement 10 contains a control unit 11 for controlling the operation of the circuit arrangement 10. The control unit 11 can, for example, contain a microcontroller.

Die Schaltungsanordnung 10 enthält ferner einen ersten Gleichspannungswandler 12 und einen zweiten Gleichspannungswandler 13, die parallel zueinander zwischen einen Eingang IN und einen Ausgang OUT geschaltet sind.The circuit arrangement 10 further contains a first DC-DC converter 12 and a second DC-DC converter 13, which are connected in parallel to one another between an input IN and an output OUT.

Der erste Gleichspannungswandler 12 ist sowohl zum Hochsetzen als auch zum Tiefsetzen der Eingangsspannung konfiguriert, also als Abwärts-Aufwärts-Wandler (Buck-Boost-Converter) eingerichtet. Der zweite Gleichspannungswandler 13 ist nur zum Tiefsetzen der Eingangsspannung konfiguriert, also als reiner Abwärts-Wandler (Buck-Converter) eingerichtet.The first DC-DC converter 12 is configured to both boost and buck the input voltage, i.e. it is set up as a buck-boost converter. The second DC-DC converter 13 is only configured to boost the input voltage, i.e. it is set up as a pure buck converter.

Alternativ zu dem in 1 dargestellten Aufbau kann die Schaltungsanordnung 10 auch zwei oder mehr zweite Gleichspannungswandler 13 enthalten, die alle als reine Abwärts-Wandler eingerichtet sind. Ferner kann der erste Gleichspannungswandler 12 auch nur zum Hochsetzen der Eingangsspannung konfiguriert, also als reiner Aufwärts-Wandler (Boost-Converter) eingerichtet sein.As an alternative to the 1 In the structure shown, the circuit arrangement 10 can also contain two or more second DC-DC converters 13, all of which are designed as pure step-down converters. Furthermore, the first DC-DC converter 12 can also be configured only to increase the input voltage, i.e. be designed as a pure step-up converter (boost converter).

Im Betrieb liefert das Solarpanel 2 eine Spannung UP, die je nach Sonneneinstrahlung schwankt und beispielsweise in einem Bereich von 6 bis 30 V liegt, an den Eingang IN der Schaltungsanordnung. Dabei ist das Solarpanel 2 in der Lage, abhängig von der Gesamtleistung der ECU einen Strom von beispielsweise bis zu 30 A zu liefern.During operation, the solar panel 2 supplies a voltage UP, which fluctuates depending on the solar radiation and is, for example, in a range of 6 to 30 V, to the input IN of the circuit arrangement. The solar panel 2 is able to supply a current of, for example, up to 30 A, depending on the total power of the ECU.

Der zulässige Bereich für die Ladespannung UB der Batterie 3 liegt beispielsweise in einem Bereich von 11 bis 15 V. Dabei kann der kann beispielsweise bis zu 30 A betragen. Alternativ kann die Ladespannung auch im Hochvoltbereich liegen.The permissible range for the charging voltage UB of battery 3 is, for example, in a range of 11 to 15 V. This can be up to 30 A, for example. Alternatively, the charging voltage can also be in the high-voltage range.

Die Schaltungsanordnung 10 wandelt die an ihrem Eingang anliegende Spannung UP in eine Spannung innerhalb des zum Laden der Batterie 3 zulässigen Bereichs um und gibt die gewandelte Spannung UB an ihrem Ausgang OUT aus.The circuit arrangement 10 converts the voltage UP present at its input into a voltage within the range permissible for charging the battery 3 and outputs the converted voltage UB at its output OUT.

Dazu bestimmt die Steuereinheit 11 zunächst aus eingangsseitigen Kenndaten, wie viele und welche Gleichspannungswandler für diese Spannungswandlung verwendet werden sollen. Dazu werden in der Regel UII-Leistungswerte erfasst, also beispielsweise neben der von dem Solarpanel 2 gelieferte Spannung UP auch ein von dem Solarpanel 2 gelieferter Strom IP, um den optimalen Arbeitspunkt (MPP= Maximum Power Point) zu bestimmen. Zusätzlich kann die Steuereinheit 11 über den Eingang IN weitere Informationen erhalten, beispielsweise Daten über ein Maximum Power Point Tracking (MPPT-Daten) des Solarpanels 2. Außerdem kann die Umgebungstemperatur in die Entscheidung einfließen.To do this, the control unit 11 first determines from the input-side characteristics how many and which DC-DC converters should be used for this voltage conversion. To do this, UII power values are usually recorded, for example, in addition to the voltage UP supplied by the solar panel 2, a current IP supplied by the solar panel 2 in order to determine the optimal operating point (MPP = maximum power point). In addition, the control unit 11 can receive further information via the IN input, for example data on maximum power point tracking (MPPT data) of the solar panel 2. The ambient temperature can also be included in the decision.

Für die eingangsseitigen Kenndaten oder für in der Steuereinheit 11 daraus berechnete Werte können beispielsweise Schwellenwerte oder Wertebereiche vorbestimmt werden. Wenn eines (oder mehrere) der eingangsseitigen Kenndaten den niedrigsten Schwellenwert unterschreit oder in ihrem niedrigsten Bereich liegt, bestimmt die Steuereinheit 11, dass zum Verarbeiten einer von dem Solarpanel 2 gelieferten Leistung ein einzelner Gleichspannungswandler ausreicht. Je nachdem, welche Grenzwerte überschritten werden oder in welchem Bereich die eingangsseitigen Kenndaten oder berechneten Werte liegen, bestimmt die Steuereinheit 11, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel 2 gelieferten Leistung zwei oder mehr Gleichspannungswandler erforderlich sind.For example, threshold values or value ranges can be predetermined for the input-side characteristics or for values calculated therefrom in the control unit 11. If one (or more) of the input-side characteristics falls below the lowest threshold value or is in its lowest range, the control unit 11 determines that a single DC-DC converter is sufficient to process the power supplied by the solar panel 2. Depending on which limit values are exceeded or in which range the input-side characteristics or calculated values lie, the control unit 11 determines that two or more DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel 2.

Bei geringer Sonneneinstrahlung sind die von dem Solarpanel 2 abgegebene Spannung UP und der Strom IP klein, und somit steht auch nur wenig Leistung zur Verfügung. Deshalb ist für diesen Fall ein Gleichspannungswandler ausreichend. Da in diesem Fall die Spannung hochgesetzt werden muss, aktiviert die Steuereinheit 11 in diesem Fall nur den ersten Gleichspannungswandler 12.When there is little sunlight, the voltage UP and current IP emitted by the solar panel 2 are small, and therefore only little power is available. Therefore, a DC-DC converter is sufficient in this case. Since the voltage has to be increased in this case, the control unit 11 only activates the first DC-DC converter 12 in this case.

Wenn die zur Verfügung stehende Leistung aufgrund erhöhter Sonneneinstrahlung so weit ansteigt, dass die Aufteilung auf zwei Gleichspannungswandler erforderlich wird, aktiviert die Steuereinheit 11 den ersten Gleichspannungswandler 12 und den zweiten Gleichspannungswandler 13. In diesem Fall ist die von dem Solarpanel 2 gelieferte Spannung UP bereits so hoch, dass ein Tiefsetzen erforderlich ist. Daher ist es ausreichend, dass der zweite Gleichspannungswandler 13 als reiner Abwärtswandler eingerichtet ist.If the available power increases due to increased solar radiation to such an extent that it needs to be split between two DC-DC converters, the control unit 11 activates the first DC-DC converter 12 and the second DC-DC converter 13. In this case, the voltage UP supplied by the solar panel 2 is already so high that stepping down is necessary. It is therefore sufficient for the second DC-DC converter 13 to be set up as a pure step-down converter.

Alternativ aktiviert die Steuereinheit 11 in dem Fall, in dem zwei Gleichspannungswandler erforderlich sind, den ersten Gleichspannungswandler 12 nicht, sondern stattdessen zwei zweite Gleichspannungswandler 13. Diese Alternative wird auch dann gewählt, wenn der erste Gleichspannungswandler 12 als reiner Aufwärtswandler eingerichtet ist.Alternatively, in the case where two DC-DC converters are required, the control unit 11 does not activate the first DC-DC converter 12, but instead activates two second DC-DC converters 13. This alternative is also chosen if the first DC-DC converter 12 is set up as a pure boost converter.

Steigt die zur Verfügung stehende Leistung weiter an, werden zur Leistungsaufteilung bei Bedarf weitere zweite Gleichspannungswandler 13 aktiviert.If the available power continues to increase, additional second DC-DC converters 13 are activated to distribute the power if required.

Gegenüber der nur aus Abwärts-Aufwärts-Wandlern gebildeten Schaltungsanordnung 110 erzielt die Schaltungsanordnung 10 die folgenden Wirkungen: Compared to the circuit arrangement 110, which consists only of step-down/step-up converters, the circuit arrangement 10 achieves the following effects:

Der Gesamtwirkungsgrad wird erhöht, da Abwärts-Wandler einen besseren Wirkungsgrad haben als Abwärts-Aufwärts-Wandler. Dennoch bleibt der weite Eingangsspannungsbereich eines Abwärts-Aufwärts-Wandlers erhalten, weil nach wie vor sowohl Hochsetzen als auch Tiefsetzen der Eingangsspannung möglich ist.The overall efficiency is increased because buck converters are more efficient than buck-boost converters. However, the wide input voltage range of a buck-boost converter is maintained because both step-up and step-down of the input voltage is still possible.

Dadurch, dass die Anzahl der zu aktivierenden Gleichspannungswandler von der verfügbaren Leistung abhängt, kann der Wirkungsgrad weiter optimiert werden, weil ein ineffizienter Betrieb von Gleichspannungswandlern bei niedrigen Leistungen vermieden wird. Stattdessen werden einfach weniger Gleichspannungswandler aktiviert.By making the number of DC/DC converters to be activated dependent on the available power, efficiency can be further optimized because inefficient operation of DC/DC converters at low power levels is avoided. Instead, fewer DC/DC converters are simply activated.

Die Welligkeiten von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom können verringert sein.The ripples of output voltage and output current can be reduced.

Auch die auftretenden Schaltspitzen können verringert sein, weil die Ströme aufgeteilt und versetzt geschaltet werden.The switching peaks that occur can also be reduced because the currents are divided and switched in a staggered manner.

Abwärts-Wandler haben weniger Bauteile als Abwärts-Aufwärts-Wandler. Dadurch können die Größe und die Herstellungskosten der Gesamtschaltung verringert werden.Buck converters have fewer components than buck-boost converters. This allows the size and manufacturing cost of the overall circuit to be reduced.

Durch die verringerten Verluste können kleinere Leistungsbauteile (MOSFETs, Kupferdicke der Leiterplatte und Spulen) verwendet werden. Es ergeben sich ein verbesserter Wärmehaushalt und ein niedrigeres Temperaturniveau der Leistungsbauelemente.The reduced losses allow smaller power components (MOSFETs, copper thickness of the circuit board and coils) to be used. This results in improved heat management and a lower temperature level of the power components.

Weil kleinere Spulen verwendet werden, können diese in SMD-Bauform ausgelegt werden. Somit kann der gesamte Herstellprozess in SMD ausgeführt werden. Dies spart zwei weitere Prozessschritte (Selektives Löten) und optische Inspektion.Because smaller coils are used, they can be designed in SMD format. This means that the entire manufacturing process can be carried out in SMD. This saves two additional process steps (selective soldering) and optical inspection.

Wenn der erste Gleichspannungswandler als Abwärts-Aufwärts-Wandler eingerichtet ist, kann ein Abwärts-Wandler eingespart werden. Dadurch können Bauteile eingespart werden, was die Gesamtschaltung kleiner und preisgünstiger machen kann.If the first DC-DC converter is designed as a buck-boost converter, a buck converter can be eliminated. This saves components, which can make the overall circuit smaller and less expensive.

Wenn der erste Gleichspannungswandler als reiner Aufwärts-Wandler eingerichtet ist, ist dagegen der Wirkungsgrad besser als bei einem Abwärts-Aufwärts-Wandler.However, if the first DC-DC converter is set up as a pure boost converter, the efficiency is better than with a buck-boost converter.

Mit einer Solaranlage, die mit der Schaltungsanordnung 10 ausgerüstet ist, lassen sich bei Fahrzeugen (z.B. PKW und LKW) Leistungen im Bereich von etwa 100 Watt bis zu einigen Kilowatt realisieren.With a solar system equipped with the circuit arrangement 10, power outputs in the range of about 100 watts up to several kilowatts can be achieved in vehicles (e.g. cars and trucks).

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

1, 1001, 100
SolarstromanlageSolar power system
2, 1022, 102
SolarpanelSolar panel
3, 1033, 103
Batteriebattery
10, 11010, 110
SchaltungsanordnungCircuit arrangement
11, 11111, 111
SteuereinheitControl unit
12, 13, 11212, 13, 112
GleichspannungswandlerDC-DC converter
2020
Fahrzeugvehicle
ININ
EingangEntrance
IUPIUD
von dem Solarpanel gelieferter Stromelectricity supplied by the solar panel
OUTOUT
AusgangExit
UBUB
Ladespannung der BatterieBattery charging voltage
UPUP
von dem Solarpanel gelieferte SpannungVoltage supplied by the solar panel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 8400123 B2 [0002, 0009]US 8400123 B2 [0002, 0009]

Claims (15)

Schaltungsanordnung (10) zum Umwandeln einer veränderlichen Eingangsgleichspannung (UP) in eine Ausgangsgleichspannung (UB) mit einem geringeren Schwankungsbereich, umfassend: eine Steuereinheit (11), einen ersten Gleichspannungswandler (12) und einen zweiten Gleichspannungswandler (13), wobei der erste Gleichspannungswandler (12) zum Hochsetzen der Eingangsgleichspannung (UP) konfiguriert ist und der zweite Gleichspannungswandler (13) als reiner Abwärts-Wandler eingerichtet ist.Circuit arrangement (10) for converting a variable input direct voltage (UP) into an output direct voltage (UB) with a smaller fluctuation range, comprising: a control unit (11), a first direct voltage converter (12) and a second direct voltage converter (13), wherein the first direct voltage converter (12) is configured to step up the input direct voltage (UP) and the second direct voltage converter (13) is designed as a pure step-down converter. Schaltungsanordnung (10) gemäß Anspruch 1, bei der der erste Gleichspannungswandler (12) als Abwärts-Aufwärts-Wandler eingerichtet ist.Circuit arrangement (10) according to Claim 1 , in which the first DC-DC converter (12) is designed as a step-down/step-up converter. Schaltungsanordnung (10) gemäß Anspruch 1, bei der der erste Gleichspannungswandler (12) als reiner Aufwärts-Wandler eingerichtet ist.Circuit arrangement (10) according to Claim 1 , in which the first DC-DC converter (12) is designed as a pure step-up converter. Schaltungsanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die zwei oder mehr zweite Gleichspannungswandler (13) enthält, wobei alle zweiten Gleichspannungswandler (13) als reine Abwärts-Wandler eingerichtet sind.Circuit arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 3 which contains two or more second DC-DC converters (13), wherein all second DC-DC converters (13) are designed as pure step-down converters. Schaltungsanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit (11) einen Mikrocontroller enthält.Circuit arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the control unit (11) contains a microcontroller. Schaltungsanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit (11) dazu konfiguriert ist, anhand eingangsseitiger Kenndaten zu bestimmen, wie viele und welche Gleichspannungswandler (12, 13) zu aktivieren sind, und diese zum Umwandeln der Eingangsgleichspannung (UP) in die Ausgangsgleichspannung (UB) zu aktivieren.Circuit arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the control unit (11) is configured to determine, based on input-side characteristics, how many and which DC-DC converters (12, 13) are to be activated and to activate them to convert the input DC voltage (UP) into the output DC voltage (UB). Solarstromanlage (1), umfassend: ein Solarpanel (2) zum Liefern einer je nach Sonneneinstrahlung veränderlichen Eingangsgleichspannung (UP), eine Batterie (3) zum Speichern einer von dem Solarpanel (2) gelieferten elektrischen Energie und eine Schaltungsanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Umwandeln der Eingangsgleichspannung (UP) in eine zum Laden der Batterie (3) geeignete Ausgangsgleichspannung (UB)Solar power system (1), comprising: a solar panel (2) for supplying an input direct voltage (UP) which varies depending on the solar radiation, a battery (3) for storing electrical energy supplied by the solar panel (2) and a circuit arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 6 for converting the input DC voltage (UP) into an output DC voltage (UB) suitable for charging the battery (3) Solarstromanlage (1) gemäß Anspruch 7, die in oder an einem Fahrzeug (20) angebracht ist.Solar power system (1) according to Claim 7 which is mounted in or on a vehicle (20). Solarstromanlage (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das Solarpanel (2) auf dem Fahrzeugdach angebracht oder in dieses integriert ist.Solar power system (1) according to Claim 7 or 8th , wherein the solar panel (2) is mounted on the vehicle roof or integrated into it. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer Solarstromanlage gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend a) Bestimmen anhand eingangsseitiger Kenndaten, wie viele und welche Gleichspannungswandler (12, 13) zu aktivieren sind und b) Aktivieren der in Schritt a) bestimmten Gleichspannungswandler (12, 13).Method for operating a circuit arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 6 or a solar power system in accordance with one of the Claims 7 until 9 , comprising a) determining on the basis of input-side characteristics how many and which DC-DC converters (12, 13) are to be activated and b) activating the DC-DC converters (12, 13) determined in step a). Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die in Schritt a) verwendeten eingangsseitigen Kenndaten gewählt sind aus der Eingangsgleichspannung (UP), einem Eingangsgleichstrom (IP) und aus Daten über ein Maximum Power Point Tracking des Solarpanels (2).Procedure according to Claim 10 , wherein the input-side characteristics used in step a) are selected from the input direct voltage (UP), an input direct current (IP) and from data on a maximum power point tracking of the solar panel (2). Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei in Schritt a) bestimmt wird, dass nur der erste Gleichspannungswandler (12) aktiviert wird, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten einer von dem Solarpanel (2) gelieferten Leistung ein Gleichspannungswandler ausreicht.Procedure according to Claim 10 or 11 , wherein in step a) it is determined that only the first DC-DC converter (12) is activated if it is determined from the input-side characteristics that one DC-DC converter is sufficient to process a power supplied by the solar panel (2). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in Schritt a) bestimmt wird, dass der erste Gleichspannungswandler (12) und der zweite Gleichspannungswandler (13) aktiviert werden, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel (2) gelieferten Leistung zwei Gleichspannungswandler erforderlich sind.Procedure according to one of the Claims 10 until 12 , wherein in step a) it is determined that the first DC-DC converter (12) and the second DC-DC converter (13) are activated if it is determined from the input-side characteristics that two DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel (2). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei in Schritt a) bestimmt wird, dass der erste Gleichspannungswandler (12) nicht aktiviert wird, sondern zwei zweite Gleichspannungswandler (13) aktiviert werden, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel (2) gelieferten Leistung zwei Gleichspannungswandler erforderlich sind.Procedure according to one of the Claims 10 until 12 , wherein in step a) it is determined that the first DC-DC converter (12) is not activated, but two second DC-DC converters (13) are activated if it is determined from the input-side characteristics that two DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel (2). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei in Schritt a) bestimmt wird, dass weitere zweite Gleichspannungswandler (13) aktiviert werden, wenn aus den eingangsseitigen Kenndaten bestimmt wird, dass zum Verarbeiten der von dem Solarpanel (2) gelieferten Leistung weitere Gleichspannungswandler erforderlich sind.Procedure according to one of the Claims 10 until 14 , wherein in step a) it is determined that further second DC-DC converters (13) are activated if it is determined from the input-side characteristics that further DC-DC converters are required to process the power supplied by the solar panel (2).
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