DE102011077300A1

DE102011077300A1 - Fahrzeug-Solarpanelarray mit Hochspannungsausgang

Info

Publication number: DE102011077300A1
Application number: DE201110077300
Authority: DE
Inventors: Fazal Urrahman Syed; Ming Lang Kuang; Shailesh S. Kozarekar; Venkatapathi Raju Nallapa; Robert K. Taenaka; Ryan Abraham McGee; Venkateswa Anand Sankaran
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2011-12-22
Also published as: CN102310782A; CN102310782B; US20110162897A1; US9090163B2

Abstract

Ein Kraftfahrzeug kann eine Vielzahl von Solarzellen umfassen, die elektrisch verbunden sind, um ein Solarpanelarray zu bilden, das bei einer spezifizierten Standard-Solarbestrahlung eine Minimalausgangsspannung aufweist. Das Fahrzeug kann außerdem ein Batteriepack umfassen, das eine Ausgangsspannung mindestens gleich der Minimalausgangsspannung des Arrays aufweist und dafür ausgelegt ist, Energie zur Bewegung des Fahrzeugs bereitzustellen. Das Fahrzeug kann ferner eine Steuerung umfassen, die dafür ausgelegt ist, das Array und das Batteriepack selektiv elektrisch zu verbinden, um das Batteriepack langsam aufzuladen.

Description

STAND DER TECHNIK
Alternativ angetriebene Fahrzeuge wie Hybrid-Elektrofahrzeuge, Einsteck-Hybrid-Elektrofahrzeuge und Batterie-Elektrofahrzeuge können eine elektrische Maschine verwenden, um in einer Hochspannungsbatterie gespeicherte Energie in Antriebsleistung umzuwandeln. Für Hybrid-Elektrofahrzeuge kann die Hochspannungsbatterie Energie speichern, die durch einen Verbrennungsmotor umgesetzt oder aus regenerativen Bremsereignissen erfasst wird. Die Hochspannungsbatterie von Einsteck-Hybrid-Elektrofahrzeugen kann zusätzlich Energie speichern, die aus einem Stromnetz empfangen wird. Ähnlich kann die Hochspannungsbatterie von Batterie-Elektrofahrzeugen Energie speichern, die aus einem Stromnetz empfangen wird.
Mit bestimmten der obigen Energiequellen können Kosten assoziiert sein. Zum Beispiel kann ein Verbrennungsmotor eines Hybrid-Elektrofahrzeugs Benzin verbrennen, um Energie zur Speicherung durch die Hochspannungsbatterie umzusetzen. Dieses Benzin muss natürlich gekauft werden. Ähnlich berechnen Stromnetze Gebühren für den von ihnen gelieferten elektrischen Strom. Die aus regenerativen Bremsereignissen erfasste Energie weist dagegen keine solchen direkten Kosten auf. In gewisser Hinsicht ist sie kostenlose Energie. Es kann somit wünschenswert sein, eine Hochspannungsbatterie eines alternativ angetriebenen Fahrzeugs mit Energie zu laden, für die seitens des Fahrers keine direkten Kosten entstehen.
KURZFASSUNG
Ein Kraftfahrzeug kann Folgendes umfassen: eine Traktionsbatterie mit einer Ausgangsspannung in einem Zielladungszustand und ein Solarpanelarray mit einer Ausgangsspannung, wenn es einer spezifizierten Standard-Solarstrahlung ausgesetzt wird, die mindestens gleich der Ausgangsspannung der Traktionsbatterie in dem Zielladungszustand ist. Außerdem werden hier andere Anordnungen und Konfigurationen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Stromsystems eines alternativ angetriebenen Fahrzeugs.
2 ist ein Schaltbild des Solarpanelarrays von 1.
3 ist ein Schaltbild des Stromsystems von 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Solarenergie kann über Solarzellen erfasst und zum Laden einer Hochspannungsbatterie eines alternativ angetriebenen Fahrzeugs verwendet werden. Typischerweise werden Solarzellen mit einer niedrigen Ausgangsspannung an einem strategischen Ort auf der Außenhülle eines Fahrzeugs angeordnet. Die Solarzellen werden elektrisch mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler verbunden, der die von den Solarzellen ausgegebene Spannung auf einen Wert in der Nähe des Werts der aufzuladenden Hochspannungsbatterie heraufsetzt. Ein Hochspannungsbus verbindet den Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler und die Hochspannungsbatterie.
Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler können ineffizient sein. Wesentliche Teile der über die Solarzellen erfassten Energie können somit als Wärme während des Aufwärtswandlungsprozesses verloren gehen. Relativ ausgedrückt können Solarzellen nur kleine Energiemengen erfassen. Verluste dieser Energie während des Aufwärtswandlungsprozesses können das Aufladen der Hochspannungsbatterie mit Solarenergie impraktikabel machen.
Die elektrische Verbindung einer Hochspannungsbatterie eines alternativ angetriebenen Fahrzeugs und einer elektrischen Maschine kann durch eine Menge von Kontaktoren (Hauptkontaktoren) ermöglicht werden. Das heißt, diese Kontaktoren können geschlossen werden, um die elektrische Verbindung herzustellen. Hauptkontaktoren sind typischerweise so bemessen, dass sie relativ ausgedrückt mit großen Strommengen (z. B. 100+ A) umgehen können.
Typischerweise werden Solarzellen eines alternativ angetriebenen Fahrzeugs elektrisch über die Hauptkontaktoren mit der Hochspannungsbatterie des Fahrzeugs verbunden. Aufgrund der Größe der Hauptkontaktoren kann relativ zu der über die Solarzellen erfassten Energiemenge eine wesentliche Energiemenge (z. B. 12 W im Halte- bzw. stationären Zustand, 240 W Spitze) erforderlich sein, um die Hauptkontaktoren zu schließen, und dies zu einem solchen Grad, dass das Aufladen der Hochspannungsbatterie mit Solarenergie impraktikabel werden kann.
Bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen können ein Solarpanelarray bereitstellen, das elektrisch mit einer Hochspannungsbatterie verbunden werden kann. Die Ausgangsspannung des Solarpanelarrays kann dergestalt sein, dass möglicherweise kein Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler notwendig ist, um die Ausgabe des Solarpanelarrays heraufzusetzen, um die Hochspannungsbatterie langsam zu laden. Als Beispiel kann ein Array bei einer Standard-Solarbestrahlung von 1000 W/m² eine Ausgangsspannung von mindestens 200 V aufweisen. Daher kann in solchen Konfigurationen relativ zu denen, die einen Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler umfassen, weniger Energie als Wärme verloren gehen.
Bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen können eine elektrische Infrastruktur zum elektrischen Verbinden eines Solarpanelarrays mit einer Hochspannungsbatterie bereitstellen. Diese elektrische Infrastruktur kann im Vergleich mit Anordnungen, bei denen Hauptkontaktoren geschlossen werden, um die Verbindung herzustellen, weniger Energie erfordern, um die elektrische Verbindung zwischen dem Array und der Batterie herzustellen. Es kann eine separate (kleinere) Menge von Schaltern/Kontaktoren/Relais als Beispiel geschlossen werden, um das Array und die Batterie elektrisch zu verbinden. Als Folge kann mehr Energie zum Laden der Batterie verwendet werden.
Mit Bezug auf 1 kann ein alternativ angetriebenes Fahrzeug 10 Folgendes umfassen: eine Hochspannungs-Traktionsbatterie 12 (z. B. 200+ V bei 70% SOC), eine elektrische Maschine 14 (z. B. einen Motor, Generator, Umrichter usw.), Kontaktoren 16 (Hauptkontaktoren), ein Traktionsbatterie-Steuermodul (TBCM) 18 und andere Kraftübertragungs-Komponenten 20 (z. B. Motor, Getriebe usw.). Die Traktionsbatterie 12 und die elektrische Maschine 14 sind elektrisch mit den Kontaktoren 16 verbunden. Wenn sie wie nachfolgend besprochen geeignet durch das TBCM geschlossen werden, gestatten die Kontaktoren 16 Energiefluss zwischen der Traktionsbatterie 12 und der elektrischen Maschine 14.
Die elektrische Maschine 14 und die Kraftübertragungskomponenten 20 sind mechanisch verbunden. Entsprechend kann die elektrische Maschine 14 elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 12 in mechanische Energie für die Kraftübertragungskomponenten 20 umsetzen und umgekehrt.
Das Fahrzeug 10 kann ferner ein Hochspannungssolarpanelarray 22, Ausgangsanschlüsse 23 (3), ein Solarpanelarray-Aktivierungssystem 24, einen Mehrfach-Power-Point-Tracker (MPPT) 26 und eine Solarzellensteuerung (SCC) 28 umfassen. Das Solarpanelarray 22, der MPPT 26 und die SCC 28 sind elektrisch mit den Ausgangsanschlüssen 23 verbunden. Die SCC 28 kann eine separate Steuerung oder in eine Fahrzeugsystemsteuerung, eine Hybrid-Steuermoduleinheit oder ein Kraftübertragungs-Steuermodul usw. integriert sein. Wie später ausführlicher besprochen wird, gestatten es das Aktivierungssystem 24 und der MPPT 26 unter der Steuerung des SCC 28, dass Energie aus dem Solarpanelarray 22 die Traktionsbatterie 12 auflädt, ohne dass irgendwelche der Kontaktoren 16 geschlossen werden müssen. Natürlich sind auch andere Anordnungen möglich.
Bei der Ausführungsform von 1 umfasst das Solarpanelarray 22 eine Vielzahl relativ kleiner (z. B. 50 mm × 120 mm) Solarzellen 30n (30a, 30b, usw.), die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jede der Zellen 30n weist eine effektive V_cell auf (z. B. etwa 0,5 V bei einer Standard-Solarbestrahlung von 1000 W/m²) und eine Niederstrom- (z. B. 150 mA – man beachte, dass der Strom von der Zellenfläche abhängt) Ausgabe. Die Zellen 30n sind von ausreichender Anzahl dergestalt, dass ihre kollektive Ausgabe bei einer Standard-Solarbestrahlung von 1000 W/m² zum Beispiel mindestens gleich der Spannung der Traktionsbatterie 16 bei 70% SOC (z. B. 200 V) ist. Diese Anordnung gestattet eine direkte elektrische Verbindung des Solarpanelarrays 22 mit der Traktionsbatterie 12 (gleichgültig, ob ein MPPT verwendet wird oder nicht).
Der MPPT 26 von 1 kann verwendet werden, um das Solarpanelarray 22 auf beliebige geeignete bekannte Weise mit seinem Spitzenwirkungsgrad zu betreiben. Bei der Ausführungsform von 1 ist zum Beispiel der MPPT 26 ein Gleichstrom-Gleichstrom-Abwärtswandler mit hohem Wirkungsgrad, der dem Solarpanelarray 22 maximale Leistung entnehmen kann. Es sind jedoch auch andere geeignete/bekannte MPPT-Konfigurationen möglich.
Die Anzahl n von Zellen 30n kann auf der Basis der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei N_HVBatCells die Anzahl der Batteriezellen in der Traktionsbatterie 12, V_{HVBatCellOCV@HiSOC} die Traktionsbatterie-Einzelzellen-Leerlaufspannung bei hohem (oder Ziel-) SOC (z. B. einem SOC um 70% und einer Leerlaufspannung bei diesem SOC um 1,7 V), ΔV_{HVBatCellOCV@HiSOC} der Traktionsbatterie-Einzelzellen-Zusatzspannungsanstieg, wenn ein kleiner Ladestrom durch die einzelne Batteriezelle geleitet wird, V_i die Einzel-Solarzellen-Leerlaufspannung bei einer Standard-Solarbestrahlung von 1000 W/m² ist und i folgendermaßen geschrieben werden kann: i = 1, 2, ..., k – 1, k, k + 1, ..., m – 1, m, m + 1, ..., n – 1, n (2)
(1) kann folgendermaßen umgeschrieben werden:
wobei V_{HVBatCellOCV@HiSOC} die Traktionsbatterie-Leerlaufspannung bei hohem (oder Ziel-) SOC (z. B. einem SOC um 70% und einer Leerlaufspannung bei diesem SOC um 270 V – unter der Annahme, dass alle einzelnen Batteriezellen in der Traktionsbatterie 12 ausgeglichen und auf demselben SOC sind) ist und ΔV_{HVBatCellOCV@HiSOC} der Traktionsbatterie-Zusatzspannungsanstieg, wenn ein kleiner Ladestrom durch die Traktionsbatterie 12 geleitet wird, ist. Es kann jedoch eine beliebige geeignete Beziehung und/oder Technik verwendet werden, um die Anzahl n der Zellen 30n (oder beliebige andere Parameter dabei) zu bestimmen.
Mit Bezug auf 2 umfasst das Solarpanelarray 22 eine Anzahl n von einzelnen Solarzellen 30n, die in Reihe geschaltet sind, um eine hohe Spannungsausgabe zu erzielen. Die ausgegebene Leerlaufspannung des Solarpanelarrays 22 wird gegeben durch
Unter Annahme ähnlicher Kenngrößen für jede Solarzelle 30n kann (4) folgendermaßen umgeschrieben werden:
Einsetzen von (3) in (5) führt zu
Das Solarpanelarray 22 umfasst bei der Ausführungsform von 2 außerdem Schotky-Bypassdioden D₁, D₂, ..., D_p, die alle k Solarzellen platziert werden können, um sicherzustellen, dass zum Beispiel unter Zellenschattierungsbedingungen optimale Leistung erzeugt werden kann. Zellen, deren Strom als Folge der Schattierung abfällt, können daher umgangen werden.
Um eine gewünschte Maximalleistungsausgabe P_s des Solarpanelarrays 22 zu erzielen, kann die Fläche jeder der einzelnen Solarzellen 30n auf der Basis von P_s gewählt werden. Das heißt, P_s des Solarpanelarrays 22 kann verwendet werden, um den Kurzschlussstrom I_sc des Solarpanelarrays und den Kurzschlussstrom I_i der einzelnen Zellen zu bestimmen. I_i kann dann verwendet werden, um die Fläche jeder der einzelnen Solarzellen 30n zu bestimmen, gegeben durch
wobei ΔV_{S_OCV} die Spannung ist, unter der die Stromausgabe des Solarpanelarrays 22 ungefähr konstant oder nahe I_SC ist.
Da die einzelnen Solarzellen 30n in Reihe geschaltet sind, ist I_SC derselbe wie I_i. Daher kann (7) folgendermaßen für die einzelnen Solarzellen 30n umgeschrieben werden:
Durch Auflösen nach V_i aus (6) und Einsetzen in (8) erhält man
(9) ist der gewünschte Einzel-Solarzellen-Kurzschlussstrom, der im Wesentlichen proportional zu der Fläche der einzelnen Solarzellen 30n ist. (9) kann deshalb verwendet werden, um die Fläche jeder der einzelnen Solarzellen 30n zu bestimmen.
Mit Bezug auf 3 können die Kontaktoren 16 Folgendes umfassen: einen Negativanschluss-Hauptkontaktor 32 (der elektrisch mit dem negativen Anschluss der Traktionsbatterie 12 verbunden ist), einen Positivanschluss-Hauptkontaktor 34 (der elektrisch mit dem positiven Anschluss der Traktionsbatterie 12 verbunden ist), einen Vorladekontaktor 36 (der elektrisch zwischen dem positiven Anschluss der Traktionsbatterie 12 und den Wechselrichtern 14 geschaltet ist), einen Hauptkondensator 38 (der elektrisch an den positiven und negativen Anschluss der Traktionsbatterie 12 angeschlossen ist) und einen Vorladewiderstand 40 (der elektrisch zwischen dem positiven Anschluss der Traktionsbatterie 12 und den Wechselrichtern 14 geschaltet ist). Die Kontaktoren 23, 34, 36 sind außerdem elektrisch mit dem TBCM 18 verbunden bzw. befinden sich unter dessen Kontrolle. Es sind natürlich auch andere Anordnungen möglich. Der Vorladekontaktor 36 kann stattdessen zum Beispiel elektrisch zwischen dem negativen Anschluss der Traktionsbatterie 12 und den Wechselrichtern 14 geschaltet sein usw.
Um die Traktionsbatterie 12 elektrisch mit der elektrischen Maschine 14 zu verbinden, schließt das TBCM 18 zuerst den Negativanschluss-Hauptkontaktor 32 und den Vorladekontaktor 36, um den Hauptkondensator 38 durch den Vorladewiderstand 40 aufzuladen. Nachdem der Hauptkondensator 38 aufgeladen ist, schließt das TBCM 18 den Positivanschluss-Kontaktor 34 und öffnet den Vorladekontaktor 36. Wie oben (und unten) besprochen, kann eine signifikante Energiemenge erforderlich sein, um die Kontaktoren 32, 34, 36 zu schließen.
Das Solarpanel-Aktivierungssystem 24 kann bei der Ausführungsform von 3 Folgendes umfassen: Positivanschluss-Schalter/-Kontaktor/-Relais 42 (elektrisch mit dem positiven Anschluss der Traktionsbatterie 12 verbunden), Negativanschluss-Schalter/-Kontaktor/-Relais 44 (elektrisch mit dem negativen Anschluss der Traktionsbatterie 12 verbunden), Vorladeschalter-/Kontaktor/-Relais 46 (elektrisch mit dem positiven Anschluss der Traktionsbatterie 12 und dem MPPT 26 verbunden), Kondensator 48, Diode 50 und Widerstand 52 (elektrisch zwischen den positiven Anschluss der Traktionsbatterie 12 und den Vorladekontaktor 46 geschaltet). Die Relais 42, 44, 46 sind auch elektrisch mit der SCC 28 verbunden bzw. befinden sich unter deren Steuerung. Der Kondensator 48 ist elektrisch zwischen die Relais 42, 44 geschaltet und kann deshalb zum Filtern von Störspitzen verwendet werden. Die Diode 50 ist elektrisch so geschaltet, dass Strom nur von dem Solarpanelarray 22 zu der Traktionsbatterie 12 fließt.
Das Solarzellen-Aktivierungssystem 24 kann bei anderen Ausführungsformen einen einzigen Schalter umfassen. Zum Beispiel kann einer des negativen und positiven Anschlusses der Traktionsbatterie 12 immer mit dem Solarpanelarray 22 verbunden sein. Der andere des negativen und positiven Anschlusses der Traktionsbatterie 12 kann über einen Schalter mit dem Solarpanelarray 22 verbunden werden. Es sind auch andere Anordnungen und Konfigurationen möglich, die zusätzliche Schalter, Kondensatoren und/oder Dioden umfassen und/oder bei denen Kondensatoren und/oder Dioden fehlen.
Die Relais 42, 44, 46 können kleiner als die Kontaktoren 32, 34, 36 bemessen werden, da sie mit weniger Strom umgehen. Zum Beispiel können die Relais 42, 44, 46 mit Strom in der Größenordnung von 0,035 A bis 1 A (zum Beispiel bis zu 5 A) umgehen, während die Kontaktoren 32, 34, 36 mit Strom in der Größenordnung von 150 A umgehen können. Folglich können ungefähr 10 mA bis 25 mA Strom (oder 0,12 W bis 0,3 W Leistung (zum Beispiel bis zu 1 W Halteleistung)) notwendig sein, um die Relais 42, 44, 46 zu schließen, während 250 mA bis 1 A (Spitze 10 A bis 20 A) Strom (oder 3 W bis 12 W (120 W bis 240 W Spitzenleistung)) notwendig sein können, um die Kontaktoren 32, 34, 36 zu schließen. Eine solche Energieverbrauchsdifferenz kann signifikant sein, da das Solarpanelarray 22 nur Energie im Bereich von 5 W bis 200 W sammeln kann.
Um die Traktionsbatterie 12 elektrisch mit dem Solarpanelarray 22 zu verbinden (auf der Basis von Fahrer- und/oder Fahrzeugeingaben), kann die SCC 28 zuerst die Relais 44, 46 schließen, um den Kondensator 38 durch den Widerstand 52 sanft aufzuladen. Nachdem der Kondensator 38 aufgeladen ist, kann die SCC 28 das Relais 42 dann schließen und das Relais 44 öffnen. Um die Traktionsbatterie 12 von dem Solarpanelarray 22 zu trennen, kann die SCC 28 die Relais 42, 44 öffnen. Es können natürlich andere Konfigurationen des Solarpanel-Aktivierungssystems 24 zu anderen Strategien zum elektrischen Verbinden der Traktionsbatterie 12 mit dem Solarpanelarray 22 führen.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, das diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind nicht Wörter der Beschränkung, sondern der Beschreibung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Kraftfahrzeug, umfassend: eine elektrische Maschine, die dafür ausgelegt ist, Antriebsleistung für das Fahrzeug zu erzeugen; eine Traktionsbatterie, die selektiv elektrisch mit der Maschine verbunden wird und in einem Zielladungszustand eine Ausgangsspannung aufweist, die ausreicht, um die Maschine anzutreiben; und ein Solarpanelarray, das selektiv elektrisch mit der Batterie verbunden wird, und eine Ausgangsspannung aufweist, wenn sie einer Standard-Solarbestrahlung von 1000 W/m² ausgesetzt wird, die mindestens gleich der Ausgangsspannung der Traktionsbatterie im Zielladungszustand ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Traktionsbatterie eine Anzahl von Batteriezellen umfasst und wobei das Solarpanelarray eine Anzahl von Solarzellen umfasst, die von der Anzahl der Batteriezellen abhängt.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Anzahl der Solarzellen ferner von einer Leerlaufspannung einer der Batteriezellen abhängt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Solarpanelarray ferner eine Anzahl von Solarzellen umfasst, die von einer Leerlaufspannung einer der Solarzellen bei einer gewählten Standard-Solarbestrahlung abhängt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Solarpanelarray eine Anzahl von Solarzellen umfasst, die von einer Leerlaufspannung der Traktionsbatterie in einem Zielladungszustand abhängt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Solarpanelarray eine elektrisch in Reihe geschaltete Vielzahl von Solarzellen umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Solarpanelarray eine Vielzahl von Solarzellen umfasst und wobei die Fläche jeder der Vielzahl von Solarzellen von einer Zielmaximalleistungsausgabe des Solarpanelarrays abhängt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Solarpanelarray eine Vielzahl von Solarzellen umfasst und wobei die Fläche jeder der Vielzahl von Solarzellen proportional zu einem Kurzschlussstrom einer der Vielzahl von Solarzellen ist.