DE102018207461A1

DE102018207461A1 - Ladeschaltung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mittels eines Solarmoduls sowie Wandlerregeleinrichtung und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018207461A1
Application number: DE102018207461.5A
Authority: DE
Inventors: Emil Kovatchev; Aurel-Vasile Neic; Christian Stöger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung (30) zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (32) mittels eines Solarmoduls (31) auf der Grundlage von Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, wobei eine Schaltwandlereinheit (34) mit steuerbarem Schaltelement (Qbsl) und eine MPPT-Reglereinrichtung (45) und eine Wandlerregeleinrichtung (10, 10') zum Steuern der ersten Schaltwandlereinheit (34) in Abhängigkeit von einem Sollspannungswert (Vref_MPPT) MPPT-Reglereinrichtung (45) vorgesehen sind. Dabei weist die Wandlerregeleinrichtung (10, 10') eine Regelfehlerberechnung (11) zum Berechnen eines Regelfehlers (E) und eine Zweipunktregelung (12) zum Schalten des Schaltelements (Qbsl) der ersten Schaltwandlereinheit (34) in Abhängigkeit von dem Regelfehler (E) auf, wobei die Wandlerregeleinrichtung (10, 10') einen eine Subtraktion (16) steuernden Umschaltparameter (29) aufweist, wobei bei einem ersten Wert (W1) des Umschaltparameters (29) eine Subtraktion des Istwerts (FB) vom Sollwert (REF) und bei einem zweiten Wert (W2) des Umschaltparameters (29) eine Subtraktion des Sollwerts (REF) vom Istwert (FB) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (beispielsweise eines elektrischen Akkumulators) mittels eines Solarmoduls. Der Ladevorgang nutzt hierbei das so genannte Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, um das Solarmodul bei einem optimalen Wirkungsgrad und mit maximaler Energieausbeute zu betreiben. Die Erfindung umfasst auch eine Wandlerregeleinrichtung, um einen Schaltwandler für den Ladevorgang zu schalten. Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, in welchem die erfindungsgemäße Ladeschaltung bereitgestellt ist.
Das besagte Solarmodul kann insbesondere in einem mobilen Gerät oder einem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein, wo die von dem Solarmodul gelieferte elektrische Energie in einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer Akku-Batterie, gespeichert werden kann. Hierbei möchte man vermeiden, das Solarmodul direkt mit dem Energiespeicher zu verbinden, sondern man möchte stattdessen das Solarmodul bei optimalem Wirkungsgrad betreiben, der sich bei gegebener Lichteinstrahlung in Abhängigkeit von dem elektrischen Spannungsabgriff des Solarmoduls ergibt.
1 veranschaulicht hierzu in einem Diagramm eine beispielhafte PV-Charakteristik eines Solarmoduls, die angibt, welche elektrische Leistung P dem Solarmodul in Abhängigkeit von der am Spannungsabgriff anliegenden elektrischen Spannung V für unterschiedliche Bestrahlungsleistungen (angegeben in Watt pro Quadratmeter) entnommen werden kann. Zu erkennen ist, dass sich jeweils bei einem vorbestimmten Spannungswert, der in dem Diagramm bei ungefähr 34 Volt liegt, ein Maximum der entnehmbaren elektrischen Leistung P ergibt.
Die technische Methode, um dieses Maximum anzusteuern, das heißt den optimalen Wirkungsgrad und die maximierte Energieausbeute zu erreichen, ist die Anwendung des so genannten MPPT-Algorithmus mittels einer entsprechenden MPPT-Reglereinrichtung, die einen Sollspannungswert für die elektrische Spannung V am Spannungsabgriff des Solarmoduls vorgibt.
Dies setzt aber voraus, dass man diesen Sollspannungswert an dem Spannungsabgriff des Solarmoduls auch einregeln kann. Möchte man nun für die Entnahme der elektrischen Energie aus dem Solarmodul eine Schaltwandlereinheit nutzen, beispielsweise einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller, um damit das Solarmodul mit dem aufzuladenden elektrischen Energiespeicher zu verbinden, so ist zum Steuern der Schaltwandlereinheit eine Wandlerregeleinrichtung notwendig, die in der Lage ist, mittels der Schaltwandlereinheit die Eingangsspannung der Schaltwandlereinheit, nämlich die elektrische Spannung des Solarmoduls, auf den Sollspannungswert einzuregeln. Mit anderen Worten ist für die Schaltwandlereinheit eine Wandlerregeleinrichtung zur eingangsseitigen Spannungsregelung notwendig. Typischerweise sind aber kostengünstige Wandlerregeleinrichtungen, beispielsweise in Form von integrierten Schaltungen (IC) oder ASICs (application specific integrated circuits) nur für eine ausgangsseitige Spannungsregelung verfügbar.
Eine Ladeschaltung zum Aufladen eines Energiespeichers mittels eines Solarmoduls ist beispielsweise aus der US 8 279 644 B2 bekannt. Diese Ladeschaltung weist eine MPPT-Reglereinrichtung auf. Der verwendete Schaltwandler ist aber aufgrund seiner H-Brückenstruktur schaltungstechnisch komplex und damit nicht kostengünstig bereitstellbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen elektrischen Energiespeicher eine Ladeschaltung zu ermöglichen, die mittels eines Solarmoduls ein MPPT-basiertes Aufladen des Energiespeichers durchführen und die man mit kostengünstigen und in einem Massenherstellungsverfahren bereitstellbaren Komponenten realisieren kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist eine Ladeschaltung für das MPPT-basierte Aufladen bereitgestellt, um einen elektrischen Energiespeicher mittels eines Solarmoduls auf der Grundlage von Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, aufzuladen. Ein Solarmodul kann dabei ein Solarpaneel oder mehrere Solarpaneele enthalten. Eine andere Bezeichnung für ein Solarpaneel ist auch Photovoltaikpaneel.
Die erfindungsgemäße Ladeschaltung weist einen Eingangsanschluss für das Solarmodul, also zum Anschließen des Solarmoduls, sowie einen Ausgangsanschluss für den Energiespeicher, also zum Anschließen des Energiespeichers, auf. Es ist eine den Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss koppelnde erste Schaltwandlereinheit bereitgestellt, also eine Schaltung eines Schaltwandlers. Die Schaltwandlereinheit weist ein steuerbares Schaltelement auf. Als Schaltelement kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor (FET) vorgesehen sein. Die Schaltwandlereinheit kann als asynchroner Schaltwandler (mit einer Diode zum Gleichrichten) oder als synchroner Schaltwandler (mit einem zweiten Schaltelement zum Gleichrichten) ausgestaltet sein.
Für das besagte Maximum-Power-Point-Tracking ist eine MPPT-Reglereinrichtung zum Vorgeben des Sollspannungswerts für das Solarmodul vorgesehen, wobei der Sollspannungswert gemäß einem vorbestimmten MPPT-Algorithmus ermittelt ist. Aufgrund des MPPT-Algorithmus muss also am Eingangsanschluss der Ladeschaltung die dort aus dem Solarmodul empfangene elektrische Spannung auf den Sollspannungswert eingeregelt werden. Dies muss durch die erste Schaltwandlereinheit geleistet werden. Zum Steuern der ersten Schaltwandlereinheit ist hierzu eine Wandlerregeleinrichtung vorgesehen, welche die Schaltwandlereinheit in Abhängigkeit von dem Sollspannungswert steuert oder schaltet. Hier wird also unterschieden zwischen der Schaltwandlereinheit selbst, also beispielsweise einem Tiefsetzsteller, und der Wandlerregeleinrichtung, die den Regler zum Steuern der Schaltwandlereinheit enthält.
Die Frage ist nun, wie man mittels einer Schaltwandlereinheit die Spannung am Eingangsanschluss auf den Sollspannungswert einregeln kann. Um dies gemäß der oben genannten Aufgabe kostengünstig und mit in einem Massenherstellungsverfahren bereitstellbaren Komponenten zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wandlerregeleinrichtung eine Regelfehlerberechnung zum Berechnen eines Regelfehlers sowie eine Zweipunktregelung zum Schalten des Schaltelements der ersten Schaltwandlereinheit in Abhängigkeit von dem Regelfehler aufweist. Die Regelfehlerberechnung weist einen Istwerteingang zum Empfangen eines Istwerts und einen Sollwerteingang zum Empfangen eines Sollwerts auf. Eine Berechnungseinheit der Regelfehlerberechnung sieht vor, den Regelfehler mittels einer Subtraktion zu berechnen, wobei ein die Subtraktion steuernder Umschaltparameter vorgesehen ist, wobei bei einem ersten Wert des Umschaltparameters ein Subtraktion des Istwerts vom Sollwert und bei einem zweiten Wert des Umschaltparameters eine Subtraktion des Sollwerts vom Istwert vorgesehen ist. Man kann also die Subtraktion durch Einstellen des Umschaltparameters vertauschen oder umtauschen. Die umschaltbare Subtraktion beruht auf der Erkenntnis, dass in dem Fall, dass bei der Schaltwandlereinheit die Ausgabespannung am Ausgang geregelt werden soll, die Subtraktion des Istwerts vom Sollwert notwendig ist, während für eine Regelung der Eingangsspannung der Schaltwandlereinheit eine Subtraktion des Sollwerts vom Istwert notwendig ist. Indem nun eine Wandlerregeleinrichtung vorgesehen wird, die mittels des Umschaltparameters sowohl für eine Regelung der Ausgabespannung als auch für eine Regelung der Eingabespannung ertüchtigt oder eingestellt werden kann, können Exemplare der Wandlerregeleinrichtung in einem Massenherstellungsprozess hergestellt und sowohl für Anwendungen mit einer Regelung der Ausgabespannung als auch für Anwendungen mit einer Regelung der Eingangsspannung genutzt werden. Es ist somit keine spezielle Wandlerregeleinrichtung und keine Spezialisierung auf die Regelung der Eingangsspannung notwendig.
Bei der erfindungsgemäßen Ladeschaltung ist nun der Sollspannungswert, den die MPPT-Reglereinrichtung vorgibt, am Sollwerteingang bereitgestellt und ein am Eingangsanschluss gemessener Istspannungswert, der die Spannung des Solarmoduls repräsentiert, am Istwerteingang bereitgestellt. Der Umschaltparameter ist auf den zweiten Wert eingestellt, sodass sich also in der beschriebenen Weise die Regelung der Eingangsspannung am Eingangsanschluss ergibt.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass eine Standardkombination aus Schaltwandereinheit und Wandlerregeleinrichtung verwendet werden kann, die ohne schaltungstechnische Veränderung einfach durch Einstellen des Umschaltparameters angepasst wird. Die Standardkombination ist mit einer Wandlerregeleinrichtung ausgestattet, die für die Regelung einer Ausgabespannung einer Schaltwandlereinheit verwendet werden kann und nun für die Ladeschaltung eine Regelung einer Eingangsspannung zum Regeln der Spannung eines Solarmoduls ermöglicht, indem einfach der Umschaltparameter auf den zweiten Wert eingestellt ist.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass nicht nur eine einzige Schaltwandlereinheit in der Ladeschaltung bereitgestellt ist, sondern eine Kaskade aus zwei Schaltwandlereinheiten. Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Schaltwandlereinheit nicht direkt mit dem Ausgangsanschluss, sondern indirekt über eine zweite Schaltwandlereinheit mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Für die zweite Schaltwandlereinheit ist eine zweite Wandlerregeleinrichtung der oben genannten Art bereitgestellt. Auch die zweite Wandlerregeleinrichtung weist also die Regelfehlerberechnung mit dem besagten Umschaltparameter auf. Die zweite Wandlerregeleinrichtung ist dabei ebenfalls dahingehend konfiguriert, dass sie die Eingangsspannung der zweiten Schaltwandlereinheit regelt. Hierzu ist eine Ausgabespannung der ersten Schaltwandlereinheit, die der Eingangsspannung der zweiten Schaltwandlereinheit entspricht, an dem Istwerteingang der Regelfehlerberechnung der zweiten Wandlerregeleinrichtung bereitgestellt. Des Weiteren ist ein vorbestimmtes Sollwertsignal an dem Sollwerteingang der Regelfehlerberechnung der zweiten Wandlerregeleinrichtung bereitgestellt. Der Umschaltparameter der Regelfehlerberechnung der zweiten Wandlerregeleinrichtung ist ebenfalls auf den zweiten Wert eingestellt, sodass sich also eine Regelung der Eingangsspannung der zweiten Schaltwandlereinheit auf den Signalwert des Sollwertsignals ergibt. Das Sollwertsignal legt einen elektrischen Spannungswert für einen Zwischenkreis fest, also denjenigen Schaltungsteil, der die Verbindung zwischen der ersten Schaltwandlereinheit und der zweiten Schaltwandlereinheit darstellt. Durch die Kaskade aus erster und zweiter Schaltwandlereinheit ergibt sich der Vorteil, dass für den Fall, dass das Solarmodul eine elektrische Spannung bereitstellt, die kleiner als eine für das Aufladen des elektrischen Energiespeichers notwendige Mindestspannung ist, zunächst mittels der ersten Schaltwandlereinheit der Spannungspegel angehoben werden kann, um dann einen zuverlässigen oder stabilen Betrieb der zweiten Schaltwandlereinheit für das Aufladen des Energiespeichers sicherzustellen.
Die erste Schaltwandlereinheit ist entsprechend gemäß einer Ausführungsform als Hochsetzsteller (Boost-Wandler)und die zweite Schaltwandlereinheit als Tiefsetzsteller (Buck-Wandler) ausgestaltet. In vorteilhafter Weise muss also keine der beiden Schaltwandlereinheiten eine Doppelfunktion (Buck-Boost-Wandler) bereitstellen, sondern sie können als einfache Schaltwandler ausgestaltet sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Ladeschaltung insgesamt vorsieht, für den Fall, dass der Istspannungswert des Eingangsanschlusses, also die von dem Solarmodul bereitgestellte elektrische Spannung, größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, die erste Schaltwandlereinheit zu stoppen und durchzuschalten. Mit anderen Worten wird bei der ersten Schaltwandlereinheit deren Schaltelement nicht mehr zyklisch oder abwechselnd geschaltet. Es behält einen Schaltzustand dauerhaft bei, wenn es gestoppt ist. Es wird hierbei mittels der ersten Schaltwandlereinheit eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und der zweiten Schaltwandlereinheit bereitgestellt (Durchschalten). Am Sollwerteingang der Regelfehlerberechnung der zweiten Wandlerregeleinrichtung stellt die Ladeschaltung dann anstelle des besagten Sollwertsignals für die Zwischenkreisspannung den Sollspannungswert bereit, den die MPPT-Reglereinrichtung festlegt. Somit wird das MPPT mittels der zweiten Schaltwandlereinheit durchgeführt.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass an der elektrischen Verbindung zwischen der ersten Schaltwandlereinheit und der zweiten Schaltwandlereinheit ein Speicherkondensator zum Puffern der Ausgabespannung der ersten Schaltwandlereinheit bereitgestellt ist. Puffern meint hier das Stützen oder Stabilisieren der Ausgabespannung durch Zwischenspeichern von elektrischer Energie. Es wird eine Welligkeit des zeitlichen Verlaufs der Ausgabespannung verringert. Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei der elektrischen Verbindung um einen Zwischenkreis. Der Speicherkondensator stellt somit einen Zwischenkreiskondensator dar. In vorteilhafter Weise entkoppelt ein solcher Speicherkondensator die erste Schaltwandlereinheit und die zweite Schaltwandlereinheit. Mit Entkoppeln ist hierbei gemeint, dass beispielsweise ein Wechselspannungsanteil oder Wechselstromanteil der zweiten Schaltwandlereinheit nur gedämpft auf die erste Schaltwandlereinheit wirken kann. Es ergibt sich also eine reduzierte Rückwirkung einer Spannungswelligkeit der zweiten Schaltwandlereinheit auf die erste Schaltwandlereinheit und das Solarmodul.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei der jeweiligen Schaltwandlereinheit, also bei der ersten Schaltwandlereinheit und bei denjenigen Ausführungsformen mit einer zweiten Schaltwandlereinheit bei dieser zweiten Schaltwandlereinheit, eine Strommessung eines jeweiligen durch die jeweilige Wandlerregeleinrichtung geregelten Drosselstroms an einem jeweiligen Schaltknoten zwischen dem jeweiligen Drosselelement und dem Schaltelement der jeweiligen Schaltwandlereinheit vorgesehen ist. Der Drosselstrom wird also zwischen dem Drosselelement und dem Schaltelement der jeweiligen Schaltwandlereinheit erfasst. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sowohl der Maximalwert als auch der Minimalwert des Drosselstroms erfasst und für die Zweipunktregelung bereitsteht. Als jeweiliges Drosselelement kann jeweils eine elektrische Spule oder eine Drossel vorgesehen sein.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Strommessung des Drosselstroms an einem dem Drosselelement parallel geschalteten RC-Glied vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nur ein Teil der über die Schaltwandlereinheit übertragenen elektrischen Leistung auch durch die Strommessung geführt werden muss.
Ist nun eine Strommessung für den Drosselstrom bereitgestellt, so sieht eine Ausführungsform vor, dass die jeweilige Zweipunktregelung vorsieht, aus dem jeweiligen Regelfehler der jeweiligen Wandlerregeleinrichtung mittels einer vorbestimmten Regelvorschrift, beispielsweise einer PID-Regelung (PID - Proportional Integral Differenzial), eine Schwellwertvorgabe für die Zweipunktregelung zu erzeugen. Die Schwellwertvorgabe stellt einen Ausgangswert dar, mittels welchem auf der Grundlage eines Rippelwertsignals für eine Welligkeit des jeweiligen Drosselstroms ein oberer Grenzwert und ein unterer Grenzwert für die Zweipunktregelung erzeugt werden. Die Welligkeit des Drosselstroms bei der Zweipunktregelung wird auch als Rippel bezeichnet, weshalb das den Hub oder den Unterschied zwischen Maximalwert und Minimalwert der Welligkeit festlegende Rippelwertsignal so bezeichnet ist. Der obere Grenzwert kann beispielsweise direkt der Schwellwertvorgabe entsprechen, während als unterer Grenzwert die Schwellwertvorgabe abzüglich oder minus dem Rippelwertsignal berechnet sein kann. Es kann auch andersherum der untere Grenzwert der Schwellwertvorgabe entsprechen und der obere Grenzwert als Schwellwertvorgabe plus Rippelwertsignal berechnet sein. Die beschriebene Zweipunktregelung weist den Vorteil auf, dass sich eine Regelung des Mittelwerts des welligen Drosselstroms auf einen solchen Stromwert ergibt, bei welchem die Eingangsspannung der Schaltwandlereinheit auf den Sollwert, der am Sollwerteingang vorgegeben ist, eingeregelt wird. Im Falle der ersten Schaltwandlereinheit ist dies der Sollspannungswert der MPPT-Reglereinrichtung. Im Falle der zweiten Schaltwandlereinheit ist dies der Signalwert des Sollwertsignals. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass nicht die ansonsten notwendige Slope-Kompensation bei der Regelung notwendig ist. Es ergibt sich stattdessen eine hysteretische Mittelwertregelung.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweilige Wandlerregeleinrichtung vorsieht, das besagte Rippelwertsignal und/oder den oberen Grenzwert und/oder den unteren Grenzwert zu modulieren. Mit anderen Worten wird das Rippelwertsignal und/oder der obere Grenzwert und/oder der untere Grenzwert mit einer zeitlichen Modulation, beispielsweise einer Amplitudenmodulation, verändert. Es wird also über der Zeit ein sich veränderndes, beispielsweise periodisches Signal aufgeprägt. Hierdurch ergibt sich ein Spread-Spektrum-Effekt, das heißt eine von der Ladeschaltung abgestrahlte elektromagnetische Strahlung weist ein Spektrum auf, das über einen Frequenzbereich verteilt ist, der durch die Modulation festgelegt werden kann. Hierdurch kann eine Konzentration von Strahlungsenergie auf einen Frequenzbereich verhindert werden. Die Ladeschaltung erhält hierdurch eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) .
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweilige Wandlerregeleinrichtung vorsieht, den Drosselstrom durch Begrenzen der Schwellwertvorgabe, wie sie die Regelvorschrift (PID) erzeugt, auf einen vorbestimmten absoluten Höchstwert zu limitieren. Hierdurch kann eine magnetische Sättigung des jeweiligen Drosselelements der Schaltwandlereinheit vermieden werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweilige Wandlerregeleinrichtung mit dem jeweiligen Schaltelement der von ihr gesteuerten Schaltwandlereinheit über ein jeweiliges RS-Flipflop (RS - reset/set) gekoppelt ist. Hierdurch ergibt sich an dem Schaltelement ein stabiler Schaltzustand.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass bei der ersten Schaltwandlereinheit eine Speicherinduktivität, wie sie durch das Drosselelement bereitgestellt werden kann, direkt mit dem Eingangsanschluss elektrisch verbunden ist. Mit anderen Worten ist also die Speicherinduktivität über den Eingangsanschluss direkt mit dem Solarmodul verbunden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein von der ersten Schaltwandlereinheit ausgehender Wechselspannungsanteil nur gedämpft an das Solarmodul abgegeben wird. Dies schont das Solarmodul.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die MPPT-Reglereinrichtung, die den Sollspannungswert für das Solarmodul vorgibt, zu einer über den Eingangsanschluss empfangenen elektrischen Leistung P und dem hierbei gemessenen Istspannungswert V einen Gradienten dP/dV ermittelt und durch Einstellen oder Adaptieren des Sollspannungswerts den Gradienten minimiert. Hierdurch konvergiert der MPPT-Algorithmus auf einen Sollspannungswert, der das Maximum der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen PV-Charakteristik darstellt und damit zu einem maximal effizienten Betrieb des Solarmoduls führt.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine Regelzeitkonstante der MPPT-Reglereinrichtung größer als eine korrespondierende Regelzeitkonstante der jeweiligen Wandlerregeleinrichtung ist. Die Regelzeitkonstante ist diejenige Zeitdauer, die jeweils benötigt wird, um beispielsweise auf eine sprungförmige Veränderung des Regelfehlers soweit zu reagieren, dass der Regelfehler ausgehend von dem Sprung z.B. um den Faktor 1/e (e - Eulersche Konstante) oder 1/2 abgebaut oder verringert ist. Die MPPT-Reglereinrichtung weist eine größere Regelzeitkonstante auf und ist somit also langsamer oder weist ein trägeres Verhalten auf oder eine geringere zeitliche Dynamik als die Wandlerregeleinrichtung. Die schnelle Regelung wird also durch die jeweilige Wandlerregeleinrichtung durchgeführt, während dieser ein langsamerer MPPT-Algorithmus überlagert ist. Hierdurch ist verhindert, dass sich die MPPT-Reglereinrichtung und die jeweilige Wandlerregeleinrichtung gegenseitig stören oder destabilisieren.
Um die beschriebene Ladeschaltung bereitstellen zu können, ist in der beschriebenen Weise zum Steuern der ersten Schaltwandlereinheit (und je nach Ausführungsform der zweiten Schaltwandlereinheit) eine jeweilige Wandlerregeleinrichtung nötig, welche die Schaltwandlereinheit in der Weise steuern kann, dass diese ihre Eingangsspannung einregelt.
Hierzu ist durch die Erfindung auch die beschriebene Wandlerregeleinrichtung zum Steuern einer Schaltwandlereinheit bereitgestellt. Die Wandlerregeleinrichtung weist in der beschriebenen Weise eine Regelfehlerberechnung zum Berechnen eines Regelfehlers sowie eine Zweipunktregelung zum Schalten eines Schaltelements der Schaltwandlereinheit in Abhängigkeit von dem Regelfehler auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Regelfehlerberechnung den besagten Istwerteingang zum Empfangen eines Istwerts und den besagten Sollwerteingang zum Empfangen eines Sollwerts aufweist und eine Berechnungseinheit der Regelfehlerberechnung dazu ausgelegt ist, den Regelfehler mittels einer Subtraktion zu berechnen, wobei ein die Subtraktion steuernder Umschaltparameter vorgesehen ist und bei einem ersten Wert des Umschaltparameters ein Subtraktion des Istwerts vom Sollwert und bei einem zweiten Wert des Umschaltparameters eine Subtraktion des Sollwerts vom Istwert vorgesehen ist. Es gibt also bei der Wandlerregeleinrichtung einen Parameter für das Umschalten, um ein Regeln auf eine Ausgangsspannung (erster Wert des Umschaltparameters) und ein Regeln auf eine Eingangsspannung (zweiter Wert des Umschaltparameters) zu ermöglichen. Durch Einstellen des Umschaltparameters kann also die Wandlerregeleinrichtung sowohl für eine Regelung der Ausgangsspannung als auch eine Regelung der Eingangsspannung genutzt werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen der Wandlerregeleinrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ladeschaltung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wandlerregeleinrichtung hier nicht noch einmal beschrieben.
Zudem umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Solarmodul und einem elektrischen Energiespeicher. Insbesondere in einem Kraftfahrzeug ist es vorteilhaft, einen mobilen elektrischen Energiespeicher mittels Solarenergie aufladen zu können. Um in dem Kraftfahrzeug zum Koppeln des Solarmoduls mit dem Energiespeicher eine entsprechende Ladeschaltung bereitstellen zu können, die in einem Massenherstellungsprozess günstig hergestellt werden kann und dazu nicht ausschließlich auf einen Regelung einer Eingangsspannung festgelegt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung aufweist.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Kraftwagen oder ein Schiff oder ein Motorrad oder eine Landarbeitsmaschine sein.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen, soweit diese nicht ausdrücklich als Alternativen angegeben sind.
Die beschriebene Ladeschaltung kann auch ohne die beschriebe mittels Umschaltparameter umschaltbare Regelfehlerberechnung bereitgestellt sein. In diesem Zusammenhang umfasst die Erfindung eine Ladeschaltung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mittels eines Solarmoduls auf der Grundlage von Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT. Diese Ladeschaltung umfasst einen Eingangsanschluss für das Solarmodul, einen Ausgangsanschluss für den Energiespeicher, eine den Eingangsanschluss mit dem Ausgangsanschluss koppelnde erste Schaltwandlereinheit mit einem steuerbaren Schaltelement, eine MPPT-Reglereinrichtung zum Vorgeben eines Sollspannungswerts für das Solarmodul gemäß einem vorbestimmten MPPT-Algorithmus und eine Wandlerregeleinrichtung zum Steuern der ersten Schaltwandlereinheit in Abhängigkeit von dem Sollspannungswert. Die Wandlerregeleinrichtung weist eine Regelfehlerberechnung zum Berechnen eines Regelfehlers und eine Zweipunktregelung zum Schalten des Schaltelements der ersten Schaltwandlereinheit in Abhängigkeit von dem Regelfehler auf, wobei die Regelfehlerberechnung einen Istwerteingang zum Empfangen eines Istwerts und einen Sollwerteingang zum Empfangen eines Sollwerts aufweist, wobei eine Berechnungseinheit vorsieht, den Regelfehler mittels einer Subtraktion des Sollwerts vom Istwert zu berechnen, und der Sollspannungswert am Sollwerteingang bereitgestellt ist und ein am Eingangsanschluss gemessener Istspannungswert am Istwerteingang bereitgestellt ist. Diese Ladeschaltung lässt sich in derselben Weise betreiben wie die bereits beschriebene Ladeschaltung, bei welcher der Umschaltparameter auf den zweiten Wert eingestellt ist.
Auch die nicht-umschaltbare Ladeschaltung sieht in einer Ausführungsform vor, dass die erste Schaltwandlereinheit über eine zweite Schaltwandlereinheit mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist und für die zweite Schaltwandlereinheit eine zweite Wandlerregeleinrichtung der genannten Art (ohne Umschaltparameter) vorgesehen ist, wobei eine Ausgabespannung der ersten Schaltwandlereinheit an einem Istwerteingang einer Regelfehlerberechnung der zweiten Wandlerregeleinrichtung und ein vorbestimmtes Sollwertsignal an einem Sollwerteingang der Regelfehlerberechnung der zweiten Wandlerregeleinrichtung bereitgestellt ist.
Zudem sieht die Erfindung zu der Ladeschaltung auch Ausführungsformen vor, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der Ladeschaltung mit Umschaltparameter beschrieben wurden. Diese Ausführungsformen sind zur Vermeidung von Wiederholungen hier nicht noch einmal beschrieben. Die nicht-umschaltbare Ladeschaltung kann gemäß der Erfindung in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 ein Diagramm einer beispielhaften PV-Charakteristik eines Solarmoduls;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wandlerregeleinrichtung;
3 ein Flussschaudiagramm zur Veranschaulichung einer Regelfehlerberechnung der Wandlerregeleinrichtung von 2;
4 eine Ladeschaltung, in welcher zwei Wandlerregeleinrichtungen gemäß 2 vorgesehen sein können;
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines MPPT-Algorithmus, der durch eine MPPT-Reglereinrichtung der Ladeschaltung von 1 ausgeführt werden kann;
6 ein schematisiertes Schaltbild einer beispielhaften Realisierung der Ladeschaltung von 4;
7 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen von Signalen, wie sie sich bei der Ladeschaltung von 4 ergeben können;
8 ein Diagramm mit vergrößerten Ausschnitten der Verläufe von 7

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 wurde bereits eingangs beschrieben.
2 zeigt eine Wandlerregeleinrichtung 10 mit einer Regelfehlerberechnung 11 und einer Zweipunktregelung 12. Eine andere Bezeichnung für Zweipunktregelung ist auch hysteretische Regelung oder Bang-Bang-Regelung. Die Regelfehlerberechnung 11 kann einen Regelfehler E zwischen einem Istwert FB (Feedback) und einem Sollwert REF (Referenz) berechnen. Der Istwert FB kann an einem Istwerteingang 13, der Sollwert REF an einem Sollwerteingang 14 empfangen werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um jeweils ein elektrisches Signal handeln. Der Regelfehler E kann mittels einer Berechnungseinheit 15 ermittelt werden, die eine Subtraktion 16 berechnen kann.
Die Zweipunktregelung 12 kann in Abhängigkeit von dem Regelfehler E ein Schaltsignal 17 für ein Gate G eines Schaltelements, beispielsweise eines Feldeffekttransistors (FET), erzeugen. Die Zweipunktregelung 12 kann hierzu eine Regelvorschrift 18, beispielsweise eine PID-Regelung oder PI-Regelung oder eine nicht-lineare Regelung, zum Berechnen einer Schwellwertvorgabe 19 aufweisen. Aus der Schwellwertvorgabe 19 kann ein oberer Grenzwert Upeak direkt erzeugt werden. Ein unterer Grenzwert Uvalley kann aus der Schwellwertvorgabe 19 mittels eines Rippelwertsignals Vripple erzeugt werden, das von der Schwellwertvorgabe 19 subtrahiert werden kann. Dies ist in 2 durch ein Symbol einer Spannungsquelle repräsentiert. Ein Messsignal Vsense kann mittels zweier Komparatoren 20 mit dem oberen Grenzwert Upeak und dem unteren Grenzwert Uvalley verglichen werden. Das Messsignal Vsense kann von einer Messeinrichtung 21 abgegriffen werden, die in 2 als eine Spannungsquelle repräsentiert ist und beispielsweise durch einen Shunt-Widerstand realisiert sein kann, welcher von einem Drosselstrom Is einer Schaltwandlereinheit durchflossen sein kann. Ein Massepotential oder Bezugspotential 22 ist in 2 symbolisch repräsentiert.
Durch die Komparatoren 20 wird signalisiert, ob das Messsignal Vsense den oberen Grenzwert Upeak überschreitet beziehungsweise den unteren Grenzwert Uvalley unterschreitet. Diese Signale können durch ein RS-Flipflop 23 empfangen werden und in Abhängigkeit von den Signalen das Schaltsignal 17 an einem Ausgang Q erzeugt werden. Ein Überschreiten des oberen Grenzwerts Upeak setzt das Schaltsignal 17 auf den Signalwert „Durchschalten“, ein Unterschreiten des untere Grenzwerts Uvalley setzt das Schaltsignal 17 auf den Signalwert „Sperren“.
Von der Regelfehlerberechnung 11 können die Berechnungseinheit 15 und von der Zweipunktregelung 12 die Regelvorschrift 18 durch einen Mikrocontroller oder eine andere digitale Prozessoreinrichtung 24 realisiert sein. Die übrigen Elemente können als diskrete Schaltung realisiert sein. Anstelle einer Prozessoreinrichtung 24 kann aber auch eine analoge Schaltung und/oder eine logische Schaltung mit logischen Gattern vorgesehen sein. Insbesondere ist die Realisierung als ASIC vorgesehen.
Es kann für die Regelvorschrift 18 optional eine Begrenzung 25 vorgesehen sein, die die Schwellwertvorgabe 19 auf einen maximalen Höchstwert 26 begrenzen kann.
Für das Rippelwertsignal Vripple kann eine Modulation 27 vorgesehen sein. Die Modulation 27 weist hierbei insbesondere eine geringere Frequenz auf als eine Schaltfrequenz des Schaltsignals 17.
Mittels der Wandlerregeleinrichtung 10 kann ein Schaltwandler sowohl für eine Regelung einer Ausgangsspannung als auch eine Regelung einer Eingangsspannung genutzt werden. Hierzu ist am Eingang der Regelfehlerberechnung 11 vorgesehen, dass die logische Verknüpfung des Istwerteingangs 13 und des Sollwerteingangs 14 mit der Berechnungseinheit 15 umschaltbar oder vertauschbar ist, indem die Subtraktion 16 in der Berechnungseinheit 15 konfigurierbar oder umtauschbar ist. In 2 ist dies symbolisch durch eine optionale Vertauschung oder Kreuzung 28 der Eingangssignale symbolisiert. Erreicht ist dies, indem die Subtraktion 16 mittels eines Umschaltparameters 29 konfigurierbar ist.
Die konfigurierbare Subtraktion 16 ist im Folgenden anhand von 3 noch einmal erläutert. Das Verfahren kann durch einen Programmcode realisiert sein, durch welchen die Berechnungseinheit 15 realisiert sein kann, beispielsweise in der Prozessoreinrichtung 24. Nach einem Start S10 kann in einem Schritt S11 eine Initialisierung erfolgen, durch welche Anfangswerte für die Berechnung gesetzt werden können. In einem Schritt S12 kann überprüft werden, auf welchen Wert der Umschaltparameter 29 eingestellt ist. Der Umschaltparameter 29 kann beispielsweise dauerhaft oder fest (beispielsweise bei der Herstellung oder beim Verbau) eingestellt worden sein oder von außerhalb der Berechnungseinheit 15 vorgegeben sein. Falls der Umschaltparameter 29 auf einen ersten Wert W1 eingestellt ist, kann in einem Schritt S13 der Istwert FB als Subtrahend und der Sollwert REF als Minuend für die Subtraktion „Minuend minus Subtrahend“ vorgesehen sein. In einem Schritt S14 kann dann der Regelfehler E als Sollwert REF minus Istwert FB berechnet werden. In einem Schritt S17 kann dann die Regelvorschrift 18 aus dem Regelfehler E die Schwellwertvorgabe 19 berechnen. Der Wert W1 für den Umschaltparameter 29 ergibt dann eine Steuerung für einen Schaltwandler zur Regelung einer Ausgabespannung am Ausgang des Schaltwandlers.
Falls im Schritt S12 der Umschaltparameter 29 einen anderen Wert W2 aufweist, kann in einem Schritt S15 der Istwert FB als Minuend und der Sollwert REF als Subtrahend für die Subtraktion „Minuend minus Subtrahend“ vorgesehen werden. In einem Schritt S16 kann der Regelfehler E dann berechnet werden als Istwert FB minus Sollwert REF. Der so berechnete Regelfehler E kann dann in der beschriebenen Weise im Schritt S17 für die Regelvorschrift 18 bereitgestellt werden. Der Wert W2 kann für die Steuerung eines Schaltwandlers eingestellt werden, der eine Regelung einer Eingangsspannung am Eingang vorsieht. Die Werte W1 und W2 können z.B. 0 und 1 betragen oder umgekehrt. Der Umschaltparameter 29 kann z.B. als ein Schaltbit oder Schaltflag oder als elektrischer Signalpegel realisiert sein.
Durch Einstellen des Umschaltparameters 29 kann somit ein und dieselbe Wandlerregeleinrichtung 10 sowohl für eine Regelung einer Ausgabespannung als auch einer Eingangsspannung genutzt werden. Die Prozessoreinrichtung 24 und die Zweipunktregelung 12 können somit insgesamt zusammen beispielsweise als ASIC realisiert werden und der so in Massenproduktion herstellbare ASIC kann universell für die beiden beschriebenen Regelungstypen verwendet werden.
4 veranschaulicht den Einsatz der Wandlerregeleinrichtung 10 in einer Ladeschaltung 30.
Die Ladeschaltung 30 kann ein Solarmodul 31 mit einem elektrischen Energiespeicher 32, beispielsweise einer elektrischen Batterie oder einem elektrischen Akkumulator (Akku-Batterie) koppeln. Beispielhaft können das Solarmodul 31 und der Energiespeicher 32 zusammen mit der Ladeschaltung 30 in einem Kraftfahrzeug 33 bereitgestellt sein.
Die Ladeschaltung 30 kann ermöglichen, den Energiespeicher 32 mit elektrischer Energie aus dem Solarmodul 31 zu versorgen oder aufzuladen. Das Solarmodul 31 kann ein oder mehrere Solarpaneele oder Fotovoltaik-Paneele aufweisen. Der Energiespeicher 32 kann beispielsweise eine Bleisäure-Batterie oder ein Lithium-Ionen-Akkumulator sein.
Die Ladeschaltung 30 kann eine erste Schaltwandlereinheit 34 und eine zweite Schaltwandlereinheit 35 aufweisen, die zwischen einen Eingangsanschluss 36 für das Solarmodul 31 und einen Ausgangsanschluss 37 für den Energiespeicher 32 in einer Kaskade 38 geschaltet sein können. Die erste Schaltwandlereinheit 34 kann hierbei direkt mit dem Eingangsanschluss 36 gekoppelt sein. Die in der Kaskade 38 nachgeschaltete zweite Schaltwandlereinheit 35 kann über einen Zwischenkreis 39 mit der ersten Schaltwandlereinheit 34 verbunden sein. Der Zwischenkreis 39 kann eine elektrische Verbindung 40 zwischen den beiden Schaltwandlereinheiten 34, 35 bereitstellen. Es kann ein Zwischenkreiskondensator Clink zum Puffern einer Ausgabespannung Vlink der ersten Schaltwandlereinheit 34 bereitgestellt sein. Eine Ausgabespannung der zweiten Schaltwandlereinheit 35 kann am Ausgangsanschluss 37 bereitgestellt sein und zum Aufladen des Energiespeichers 32 genutzt werden.
In 4 ist ein Bezugsmassepotential oder Bezugspotential 22 wieder durch ein entsprechendes Symbol repräsentiert.
Die erste Schaltwandlereinheit 34 kann in bekannter Weise als Hochsetzsteller (Boost-Wandler) ausgestaltet sein. Mit dem Eingangsanschluss 36 kann hierzu ein Drosselelement Lbs verbunden sein. Zwischen dem Drosselelement Lbs und einem Schaltelement Qbsl kann eine Strommessung 41 für einen Drosselstrom Ipv vorgesehen sein. Die Strommessung 41 entspricht der Messeinrichtung 21 von 2. Am Eingangsanschluss 36 kann durch eine Spannungsmessung eine Messung einer Spannung Vpv der durch das Solarmodul 31 bereitgestellten elektrischen Spannung bereitgestellt sein. Ein Gleichrichtelement Qbsh kann das Drosselelement Lbs und das Schaltelement Qbsl mit dem Zwischenkreis 39 verbinden. Das Schaltelement Qbsl kann durch einen Transistor, insbesondere einen FET realisiert sein. Das Gleichrichtelement Qbsh kann für einen passiven Schaltwandler mittels einer Diode und für einen aktiven Schaltwandler mittels eines Transistors, insbesondere eines FET, realisiert sein. Die Eingangsspannung Vpv kann mittels einer Eingangskapazität Cpv gepuffert oder im zeitlichen Verlauf geglättet werden.
Die zweite Schaltwandlereinheit 35 kann als ein Tiefsetzsteller realisiert sein. Die Schaltwandlereinheit 35 kann hierzu ein Drosselelement Lbk und ein Schaltelement Qbkl aufweisen, zwischen denen eine Strommessung 42 für einen Drosselstrom Ibatt vorgesehen sein kann. Die Strommessung 42 entspricht der Messeinrichtung 21 von 2. Das Drosselelement Lbk und das Schaltelement Qbkl können über ein Gleichrichtelement Qbkh mit dem Zwischenkreis 39 verbunden sein. Die Zwischenkreisspannung kann mittels einer Eingangskapazität Cbki gepuffert werden. Die Eingangsspannung Vlink, das heißt die Zwischenkreisspannung, kann durch die Schaltwandlereinheit 35 ebenfalls mittels einer Spannungsmessung gemessen werden.
Am Ausgangsanschluss 37 kann die Ausgangsspannung mittels einer Ausgangskapazität Cbko gepuffert oder im zeitlichen Verlauf geglättet werden.
Die Schaltelemente Qbsl, Qbkl verbinden jeweils das jeweilige Drosselelement Lbs, Lbk mit dem Bezugspotential 22. Die Schaltelemente Qbsl, Qbkl könne jeweils als FET ausgestaltet sein.
Zum Steuern der Schaltwandlereinheiten 34, 35 kann die Ladeschaltung 30 einen Laderegler 43 aufweisen, der durch eine erste Wandlerregeleinrichtung 10’ und eine zweite Wandlerregeleinrichtung 10" realisiert sein kann oder die beiden Wandlerregeleinrichtungen 10', 10" aufweisen kann. Der Laderegler 43 kann beispielsweise als eine Schaltungsplatine realisiert sein. Durch den Laderegler 43 können die gemessenen jeweiligen Eingangsspannungen Vpv, Vlink der beiden Schaltwandlereinheiten 34, 35 sowie der jeweils für die Strommessungen 41, 42 gemessene Drosselstrom Ipv, Ibatt gemessen werden.
Für die erste Wandlerregeleinrichtung 10' kann die Eingangsspannung Vpv als Istwert FB für den Istwerteingang 13 vorgesehen sein. Das Messsignal des Drosselstroms Ipv der Strommessung 41 kann als Messsignal Vsense vorgesehen sein. Entsprechend kann bei der Wandlerregeleinrichtung 10" die Eingangsspannung Vlink als Istwert FB für den Istwerteingang 13 vorgesehen sein. Das Messsignal der Strommessung 42 des Drosselstroms Ibatt kann als Messsignal Vsense vorgesehen sein.
Durch eine Prozessoreinrichtung 44, beispielsweise einen Mikrocontroller, kann eine MPPT-Reglereinrichtung 45 realisiert sein.
Die MPPT-Reglereinrichtung 45 kann für die Eingangsspannung Vpv einen Sollspannungswert Vref MPTT sowie für den Rippel oder die Welligkeit des Drosselstroms Ipv zum Einstellen des Rippelwertsignals Vripple einen Rippelwert Iripple_best vorgeben (siehe auch 2 für die internen Größen der Wandlerregelschaltung). Die beiden vorgegebenen Werte können für die Wandlerregeleinrichtung 10’ vorgesehen sein. Entsprechend kann für die Wandlerregeleinrichtung 10" für die Regelung der Eingangsspannung Vlink ein Sollwertsignal Vref_link für den Sollwerteingang 14 zum Vorgeben des Sollwerts REF am Sollwerteingang 14 vorgesehen sein. Vref_link kann auf einen konstanten Wert eingestellt sein, der einen stabilen Betrieb der zweiten Schaltwandlereinheit 35 gewährleistet. Er kann dabei fest vorgegeben werden. Er kann jedoch auch an aktuelle Betriebsbedingungen angepasst werden.
Zum Einstellen des Rippelwertsignals Vripple kann ein Rippelwert Iripple_bck vorgesehen sein. Die Rippelwerte Iripple_best und Iripple_bck können ebenfalls festgelegt werden. Sie bestimmen die Umschalthäufigkeit des jeweiligen Schaltsignals 17. Es kann hierbei beispielsweise unter Berücksichtigung einer Vorgabe für EMV in einem Kraftfahrzeug 33 oder für andere Geräte eine Abstimmung erfolgen.
Die Wandlerregeleinrichtungen 10', 10" können in einer alternativen Ausführungsform ohne Umschaltparameter bereitgestellt sein.
5 veranschaulicht, wie die MPPT-Reglereinrichtung den Sollspannungswert Vref_MPPT für die Eingangsspannung Vpv und damit für das Solarmodul 31 gemäß einem vorbestimmten MPPT-Algorithmus 46 festlegen kann.
5 veranschaulicht hierzu noch einmal aus der PV-Charakteristik von 1 eine PV-Kennlinie 47 für eine vorgegebene Helligkeit oder Bestrahlungsleistung des Solarmoduls 31. Aus den gemessenen Werten Vpv, Ipv kann die dem Solarmodul 31 entnommene elektrische Leistung P für unterschiedliche Werte der Eingangsspannung Vpv entnommen werden. Es kann der jeweilige Gradient dP/dV bei unterschiedlichen Arbeitspunkten 48 ermittelt werden, wobei dV eine Veränderung der gemessenen Spannung Vpv ist. Durch Verändern des Sollspannungswerts Vref_MPPT kann der Arbeitspunkt 48 variiert werden und hierbei die Veränderung des Gradienten dP/dV ermittelt werden. Der Gradient dP/dV soll hierbei minimiert werden. Dies führt zu dem MPP (Maximum Power Point). Der MPPT-Algorithmus 46 weist hierbei eine Konvergenz 49 zum MPP auf.
6 veranschaulicht eine beispielhafte schaltungstechnische Realisierung der Ladeschaltung 30 von 4, wobei die MPPT-Reglereinrichtung 45 nicht noch einmal veranschaulicht ist.
7 veranschaulicht über der Zeit t mehrere elektrische Größen, die sich beim Betrieb der Ladeschaltung gemäß 6 ergeben können. Für den Strom Ipv aus dem Solarmodul 31 symbolisieren mehrere Stufen 50 eine Steigerung der Leuchtintensität. Somit steigt in dem in 7 veranschaulichten Beispiel die Beleuchtung des Solarmoduls 31 stufenweise. Die MPPT-Reglereinrichtung 45 kann auf Grundlage des MPPT-Algorithmus 46 den Sollspannungswert Vref_MPPT in einer Stufe 51 anpassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spannung an der Verbindung 40 in einer Stufe 52 angepasst wird, indem das Sollwertsignal Vref_link angepasst wird.
8 veranschaulicht einen vergrößerten Ausschnitt aus den Diagrammen von 7.
Die Verläufe gemäß 7 und 8 ergeben sich wie folgt bei der Ladeschaltung gemäß 6. Die Spannung zwischen den Abgriffspunkten bss+ und bss- bzw. bks+ und bks- wird entweder durch geeignete Mittel, z.B. einen High-side-Messverstärker mit hoher Common-mode-Eingangsspannung, oder direkt zu den (high input common mode-fähigen) Komparatoren für Upeak- und Uvalley-Erkennung geführt. In 4 ist dies durch die spannungsgesteuerten Spannungsquellen Vsbs, bzw. Vsbk repräsentiert. Die Peak- und Average-Komparatoren steuern einen RS-Trigger (RS-Flipflop) an, der die Gate-Signale für die Schaltelemente (FETs) generiert. Ferner ist die DC-Spannungsquelle Vripple dargestellt. Sie bestimmt den Offset zwischen den Trip-Schwellen der beiden Komparatoren und somit den Ripple im Spulenstrom. Optional kann die Amplitude von Vripple moduliert werden. Dies hat zur Folge, dass die Amplitude des Hysterese-Bandes variiert und somit die Wandler-Schaltfrequenz moduliert wird. Bei passender Auslegung kann somit eine Spread-Spectrum-Modulation der Wandler-Schaltfrequenz hergestellt werden. Die Vorgabe für den Peak-Strom in der Drossel kommt von einem PID (Proportional-Integral-Derivative)-Regler, der die Abweichung zwischen der Ist-Größe und der Soll-Größe verringert.
Durch die Kombination aus einem PID-Regler und Komparatoren zur Festlegung des Spulenstrom-Rippels wird eine schnelle und präzise average-mode-Regelung der Eingangsspannung in Boost- wie in Buck-Konfiguration ermöglicht. Im Gegensatz zu dem weit verbreiteten peak-current-mode-control wird nicht der Spitzenwert des Drosselstroms, sondern der Mittelwert des Drosselstroms geregelt. Die Schaltfrequenz ist dabei variabel, dadurch ist die Regelgeschwindigkeit sehr hoch. Eine Slope-Kompensation ist nicht notwendig.
Eine Simulation (z.B. mit dem kommerziellen Programm LTSpice) kann die Funktionsweise und die Performance des vorgeschlagenen MPPT-Ladereglers verifizieren. Hierfür können realitätsnahe Bauteilwerte (Drosseln, FETs, Dioden, Kondensatoren) sowie PID-Koeffizienten, Spannungen und Ströme festgelegt werden. Die MPPT-Regeleigenschaften wurden mittels PV-Solarmodul-Stromsprünge und MPPT-Spannungsänderungen untersucht. Die führte zu den Verläufen gemäß 7 und 8.

Folgende Simulationsparameter können zugrunde gelegt werden.

Parameter	Symbol	Wert
PV module current	Ipv	1A→2A→3A step
MMPT voltage setpoint	V(ref mppt)	15V→20V step
boost inductor ripple	ΔI (Lbs)	2A const.
link voltage setpoint	Vref_link	35V→30V step
boost inductor ripple	ΔI (Lbk)	1.5A const.
PV capacitance	Cpv	50µF
link capacitance	Clink	50µF
boost inductor	Lbs	22µH
buck inductor	Lbk	47µH

Die Simulationsergebnisse bestätigen:

- bei Stromschwankungen am PV-Modul bleibt die PV-Spannung Vpv stets gut ausgeregelt und folgt der Vorgabe Vref MPPT.
- der Stromrippel in der Boost-Drossel Ilbs und der Buck-Drossel Ibatt bleibt konstant. Die Schaltfrequenz ändert sich, der Mittelwert des Spulenstromes wird vom jeweiligen PID-Regler geführt und ändert sich auch, um die PV-Leistung konstant zu halten
- die Zwischenkreisspannung Vlink wird geregelt und folgt der Vorgabe Vref_link

Der vorgestellte MPPT-Laderegler besteht aus zwei Schaltwandler-Einheiten, einem Aufwärts- und einem Abwärtswandler (Boost- und Buckwandler) in Kaskaden-Konfiguration. In 6 sind sie als synchrone Wandler dargestellt, können jedoch auch als asynchrone Wandler (mit Dioden statt Gleichrichter-FETs) betrieben werden. Das Solar-Modul versorgt den Boostwandler. Der Ausgang des Wandlers ist mit dem Zwischenkreis-Speicherkondensator Clink verbunden. Er versorgt den nachgeschalteten Buckwandler, der den Strom in die Batterie liefert.
Die Regelfunktion sieht folgendes vor. Die Eingangsspannung Vpv, der Eingangsstrom Ipv sowie die Link-Spannung Vlink und der Buck-Drosselstrom (identisch mit dem Batterie-Ladestrom) Ibatt sind die Parameter, die von dem MPPT-Laderegler geregelt werden. Die Vorgaben für die Regelung kommen von dem Applikationsmicrocontroller. Diese beinhalten die Sollwerte für die optimale Arbeitsspannung des Solarpanels, Vref_MPPT, für den Ripplestrom in der Boost-Drossel Iripple_bst, für die Zwischenkreisspannung Vref link sowie für den Ripplestrom in der Buck-Drossel Iripple_bck.
Der Microcontroller überwacht mittels ADC (Analog-Digital-Wandlung) die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung und kann sie bei Bedarf begrenzen. Der Eingangs- und Ausgangsstrom können durch geeignete Auslegung der Regeleinheit begrenzt werden.
Besonders zu beachten ist die Messung des Spulenstromes am Schaltknoten des jeweiligen Wandlers. Dadurch sind sowohl die Peak- als auch die Valley-Punkte des Spulenstroms messbar.
Die Wandlerregeleinrichtung für den Laderegler (2) beinhaltet Subtrahierer, PID-Regler, zwei Komparatoren und RS-Trigger.
Es ergibt sich die Möglichkeit der inversen Anordnung (Aufkreuzung) der Eingangssignale am Subtrahierer sowie die Möglichkeit, den Spulenstrom-Rippel zu bestimmen und den Mittelwert des Spulenstromes nachzuführen.
In konventionellen Reglern mit Ausgangsspannungs-Regelung wird das Fehlersignal als Differenz zwischen Stellwert (setpoint) und Istwert (process value) gebildet. In dem MPPT-Regler mit Eingangsspannungsregelung gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Fehlersignal hingegen als Differenz zwischen Istwert (process value, als FB bezeichnet) und Stellwert (setpoint) gebildet. Dies ermöglicht, dass die Eingangsspannung geregelt wird, indem vom Eingang (Solarpaneel) mehr Strom gezogen wird, wenn die Spannung des Solarpaneels ansteigende Tendenz aufweist.
Durch geeignete Begrenzung des PID-Ausgangs ist es möglich, den Spulenstrom zu begrenzen. Je nach Wandler-Topologie begrenzt diese Maßnahme beim Aufwärtswandler den Eingangsstrom, oder, beim Abwärtswandler - den Ausgangsstrom. Dies ist eine Sicherheitsfunktion.
Eine mögliche, digitale Umsetzung des MPPT-Reglers wird im folgenden Pseudocode erläutert:


 MPPT PID controller routine:
 /****************************/
 
 {
 // calculate the current error for a standard PID controller
 (output voltage regulation)
 e[0] = (SetPoint - ADCBUF);
 


 // reverse the error difference calculation if an MPPT algorithm
 is implemented (input voltage regulation)
 if (MPPT == 1) then e [0] = e [0] * (-1);
 // MPPT der Umschaltparameter 29
 
 // calculate the PID controller output; u[k] is the controller
 output at time instant k,
 // e[k] is the error signal at time instant k and a,b,c are the
 PID coefficients
 u[0] = u[1] + a*e[0] + b*e[1] + c*e[2];
 
 // limit the PID controller output
 ......... .
 // update output DAC buffer/register
 ......... .
 // update output history
 ......... .
 // update error history 

 ......... .
 // end PID routine
 }

e[0] und e[1] und e[2] sind Speichervariablen.

Es ergeben sich die folgenden Vorteile.

Sehr weiter Eingangsspannungsbereich für den effizienten MPPT-Betrieb: Nicht nur der Boost-Wandler, sondern auch der nachgeschaltete Buck-Wandler ist in der Lage, die Solarpanel-Leistung (MPP-Leistung) durch eingangsseitige Spannungsregelung alleine zu regeln. Dies bedeutet, dass, bei entsprechender Auslegung, der Boost-Wandler gestoppt (bzw. der Dioden-Schalter durchgeschaltet) werden kann und der Buck-Wandler alleine die MPPT-Regelung übernimmt. Dies ermöglicht den höchsteffizienten Betrieb mit hochvoltigen Solarpanelen, bei denen kein Booster mehr notwendig ist und macht das System hochflexibel.

EMV-Vorteile: Im kombinierten Boost-und-Buck-Betrieb sitzt die Spule des Boost-Konverters in Serie mit dem Eingang, daher hat der Eingangsstrom nur geringe AC-Anteile (EMV-günstig). Im Buck-Betrieb (mit durchgeschaltetem Boost-Wandler) dient die Boost-Drossel in Kombination mit der Zwischenkreiskapazität als EMV-Filter für den stark AC-behafteten Eingangsstrom des Buck-Wandlers.

Kompatibilität mit vorhandenen Topologien: Die Konfiguration aus nachgeschaltetem Boost- und Buck-Wandler ist leicht zu modellieren und schaltungstechnisch zu dimensionieren, im Gegensatz zu den hochkomplexen H-Brücken-MPPT-Reglern.

Skalierbares Konzept: Durch den Einsatz identischer Regler-Einheiten bei dem Boost-Wandler sowie bei dem Buck-Wandler ist die Skalierbarkeit und die Erweiterbarkeit (z.B. in komplexen Solar-Grid-Systemen) gegeben.

Flexible Reglerauslegung: Durch die Möglichkeit der Aufkreuzung der Eingangssignale der Regler-Einheit ist das Konzept ausgezeichnet geeignet, sowohl als Eingangs-, als auch Ausgangsspannungsregelung zu funktionieren und somit sehr flexibel.

Integrierbarkeit: Durch den Einsatz identischer Regler-Einheiten, gepaart mit der Möglichkeit der Regler-Umkonfigurierung, ist eine Chip-Implementierung sehr einfach, effizient und rentabel.

Kompatibilität mit digitaler Technologie: Durch den Wegfall der slope compensation ist die Umsetzung des Kontrollers in der digitalen Domäne (digitaler PID-Regler, Flip-Flop, evtl. DACs für die Komparatoren) sehr bequem.

Strommessung am Schaltknoten des Reglers: Dies ermöglicht die komplette Erfassung des Spulenstroms (Peak-Wert und Valley-Wert) und somit den universellen Einsatz des Reglers sowohl für Boost-Topologien, als auch für Buck-Topologien bei gleichbleibender Regel-Auslegung.

Kostengünstige Strommessung ohne Shunt möglich: Der Spulenstrom kann kostengünstig durch RC-Netzwerk oder RC-Glied (siehe 6), angeschlossen in parallel zur Drossel, erfasst werden. Eventuelle Fehler im Strommesssignal, verursacht durch Spulenparameter-Schwankungen (L und LSR), werden zwar die Parameter des hysteretischen Reglers beeinflussen (Schaltfrequenz), nicht aber die Genauigkeit des MPPT-Reglers.

Kontrollierter Spulenstrom: Durch die Begrenzung des PID-Regler-Ausgangs wird der Spitzen-Spulenstrom begrenzt, sodass die Spule garantiert nicht in Sättigung kommt. Zusätzlich wird durch die hysteretische Einheit aber auch der Rippelstrom in der Spule begrenzt. Somit werden die Spulen-Kernverluste unter Kontrolle gebracht.

Stabilität ohne Slope-Kompensation: Bei dem hysteretic-average mode control ist die slope compensation nicht notwendig.

Spread Spectrum: Ein EMV-vorteilhaftes Spread Spectrum-Modulationsverfahren zur Reduktion der spektralen Peakwerte ist sehr einfach durch die Aufmodulierung der Komparator-Rippel-Vorgabe umsetzbar.

Hohe Regelgeschwindigkeit: Durch die variable Ein- und Ausschalt-Phase der Wandlerschalter, bedingt durch das hysteretische Reglerverhalten, wird die maximal mögliche Regel-Geschwindigkeit erreicht, begrenzt nur durch die so genannten propagation times in den Ansteuerungskomponenten (Komparatoren, Trigger) und durch die Strom- und Spannungsanstiegszeiten in den Leistungskomponenten des Wandlers.

Hohe Genauigkeit: Durch den Einsatz der zwei eingenesteten Regelschleifen, PID- und hysteretisch, wird die selbe Genauigkeit wie bei dem konventionellen peak current mode control erzielt. Es wird kein Spannungsrippel für die Funktion des hysteretischen Reglers benötigt.

Wirtschaftlichkeit: Durch den Wegfall von slope compensation-Netzwerk, der Skalierbarkeit und dem eventuellen Einsatz von einem RC-Netzwerk zur Spulenstrommessung ist die vorgeschlagene MPPT-Wandler-Topologie sehr kosteneffizient.

Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine MPPT-Wandlerregeleinrichtung mit hysteretischer Mittelwertregelung bereitgestellt werden kann.

Bezugszeichenliste

10: Ladereglereinrichtung
10': Ladereglereinrichtung
10": Ladereglereinrichtung
11: Regelfehlerberechnung
12: Zweipunktregelung
13: Istwerteingang
14: Sollwerteingang
15: Berechnungseinheit
16: Subtraktion
17: Steuersignal
18: Regelvorschrift
19: Schwellwertvorgabe
20: Komparator
21: Messeinrichtung
22: Bezugspotential
23: RS-Flipflop
24: Mikrocontroller
25: Begrenzung
26: maximaler Höchstwert
27: Modulation
28: Vertauschung
29: Umschaltparameter
30: Ladeschaltung
31: Solarmodul
32: Energiespeicher
33: Kraftfahrzeug
34: Schaltwandlereinheit
35: Schaltwandlereinheit
36: Eingangsanschluss
37: Ausgangsanschluss
38: Kaskade
39: Zwischenkreis
40: elektrische Verbindung
41: Strommessung
42: Strommessung
43: Laderegler
44: Prozessoreinrichtung
45: MPPT-Reglereinrichtung
46: MPPT-Algorithmus
47: PV-Kennlinie
48: Arbeitspunkt
49: Konvergenz
50: Stufe
51: Stufe
52: Stufe
Cbki: Eingangskapazität
Cbko: Ausgangskapazität
Clink: Zwischenkreiskondensator
Cpv: Eingangskapazität
dP/dV: Gradient
E: Regelfehler
FB: Istwert
FET: Feldeffekttransistors
G: Gate
I: Strom
Is: Drosselstrom
Ibatt: Drosselstrom
Lbk: Drosselelement
Lbs: Drosselelement
Ipv: Drosselstrom
Iripple_bck: Rippelwert
Iripple_best: Rippelwert
REF: Sollwert
S10: Start
S11: Schritt
S12: Schritt
S13: Schritt
S14: Schritt
S15: Schritt
S16: Schritt
S17: Schritt
t: Zeit
Upeak: oberer Grenzwert
Uvalley: unterer Grenzwert
Vlink: Ausgabespannung
Vpv: Spannung
Vsense: Messsignal
Vref_MPTT: Sollspannungswert
Vref_link: Sollwertsignal
Vripple: Rippelwertsignal
W1: Wert
W2: Wert
Qbkh: Gleichrichtelement
Qbkl: Schaltelement
Qbsh: Gleichrichtelement
Qbsl: Schaltemement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

US 8279644 B2 [0006]

Claims

Ladeschaltung (30) zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (32) mittels eines Solarmoduls (31) auf der Grundlage von Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, wobei die Ladeschaltung (30) aufweist: - einen Eingangsanschluss (36) für das Solarmodul (31), - einen Ausgangsanschluss (37) für den Energiespeicher (32), - eine den Eingangsanschluss (36) mit dem Ausgangsanschluss (37) koppelnde erste Schaltwandlereinheit (34) mit einem steuerbaren Schaltelement (Qbsl), - eine MPPT-Reglereinrichtung (45) zum Vorgeben eines Sollspannungswerts (Vref MPPT) für das Solarmodul (31) gemäß einem vorbestimmten MPPT-Algorithmus (46), - eine Wandlerregeleinrichtung (10, 10') zum Steuern der ersten Schaltwandlereinheit (34) in Abhängigkeit von dem Sollspannungswert (Vref_MPPT), dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerregeleinrichtung (10, 10') eine Regelfehlerberechnung (11) zum Berechnen eines Regelfehlers (E) und eine Zweipunktregelung (12) zum Schalten des Schaltelements (Qbsl) der ersten Schaltwandlereinheit (34) in Abhängigkeit von dem Regelfehler (E) aufweist, wobei die Regelfehlerberechnung (11) einen Istwerteingang (13) zum Empfangen eines Istwerts (FB) und einen Sollwerteingang (14) zum Empfangen eines Sollwerts (REF) aufweist und eine Berechnungseinheit (15) vorsieht, den Regelfehler (E) mittels einer Subtraktion (16) zu berechnen, wobei ein die Subtraktion (16) steuernder Umschaltparameter (29) vorgesehen ist und bei einem ersten Wert (W1) des Umschaltparameters (29) eine Subtraktion des Istwerts (FB) vom Sollwert (REF) und bei einem zweiten Wert (W2) des Umschaltparameters (29) eine Subtraktion des Sollwerts (REF) vom Istwert (FB) vorgesehen ist und der Sollspannungswert (Vref_MPPT) am Sollwerteingang (14) bereitgestellt ist und ein am Eingangsanschluss (36) gemessener Istspannungswert (Vpv) am Istwerteingang (13) bereitgestellt ist und der Umschaltparameter (29) auf den zweiten Wert (W2) eingestellt ist.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltwandlereinheit (34) über eine zweite Schaltwandlereinheit (35) mit dem Ausgangsanschluss (37) gekoppelt ist und für die zweite Schaltwandlereinheit (37) eine zweite Wandlerregeleinrichtung (10") der genannten Art vorgesehen ist, wobei eine Ausgabespannung (Vlink) der ersten Schaltwandlereinheit (34) an einem Istwerteingang (13) einer Regelfehlerberechnung (11) der zweiten Wandlerregeleinrichtung (10") und ein vorbestimmtes Sollwertsignal (Vref_link) an einem Sollwerteingang (14) der Regelfehlerberechnung (11) der zweiten Wandlerregeleinrichtung (10") bereitgestellt ist und ein Umschaltparameter (29) der Regelfehlerberechnung (11) der zweiten Wandlerregeleinrichtung (10") auf den zweiten Wert (W2) eingestellt ist.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 2, wobei die erste Schaltwandlereinheit (34) als Hochsetzsteller und die zweite Schaltwandlereinheit (35) als Tiefsetzsteller ausgestaltet ist.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ladeschaltung (30) vorsieht, für den Fall, dass der Istspannungswert (FB) des Eingangsanschlusses (36) größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, die erste Schaltwandlereinheit (34) zu stoppen und durchzuschalten und am Sollwerteingang (REF) der Regelfehlerberechnung (11) der zweiten Wandlerregeleinrichtung (10") anstelle des Sollwertsignals (Vref_link) den Sollspannungswert (Vref_MPPT) bereitzustellen.
Ladeschaltung (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei an einer elektrischen Verbindung (40) zwischen der ersten Schaltwandlereinheit (34) und der zweiten Schaltwandlereinheit (35) ein Speicherkondensator (Clink) zum Puffern der Ausgabespannung der ersten Schaltwandlereinheit (34) bereitgestellt ist.
Ladeschaltung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der jeweiligen Schaltwandlereinheit (34, 35) eine Strommessung (41, 42) eines jeweiligen durch die jeweilige Wandlerregeleinrichtung (10, 10', 10") geregelten Drosselstroms (Ipv, Ibatt) an einem jeweiligen Schaltknoten zwischen einem Drosselelement (Lbs, Lbk) und dem Schaltelement (Qbsl, Qbkl) der jeweiligen Schaltwandlereinheit (34, 35) oder an einem dem Drosselelement (Qbsl, Qbkl) parallel geschalteten RC-Glied (RC) vorgesehen ist.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 6, wobei die jeweilige Zweipunktregelung (12) vorsieht, aus dem jeweiligen Regelfehler (E) der jeweiligen Wandlerregeleinrichtung (10, 10', 10") mittels einer vorbestimmten Regelvorschrift (18) eine Schwellwertvorgabe (19) für die jeweilige Zweipunktregelung (12) zu erzeugen und aus der Schwellwertvorgabe (19) und einem Rippelwertsignal (Vripple) für eine Welligkeit des jeweiligen Drosselstroms (Ipv, Ibatt) einen oberen Grenzwert (Upeak) und einen unteren Grenzwert (Uvalley) für die Zweipunktregelung (12) zu erzeugen.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 7, wobei die jeweilige Wandlerregeleinrichtung (10, 10', 10") vorsieht, das Rippelwertsignal (Vripple) und/oder den oberen Grenzwert (Upeak) und/oder den unteren Grenzwert (Uvalley) zu modulieren.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die jeweilige Wandlerregeleinrichtung (10, 10 `, 10``) vorsieht, den Drosselstrom (Ipv, Ibatt) durch Begrenzen der Schwellwertvorgabe (19) auf einen vorbestimmten absoluten Höchstwert zu limitieren.
Ladeschaltung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Wandlerregeleinrichtung (10, 10', 10") über ein jeweiliges RS-Flipflop (23) mit dem jeweiligen Schaltelement (Qbsl, Qbkl) gekoppelt ist.
Ladeschaltung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der ersten Schaltwandlereinheit (34) eine Speicherinduktivität (Lbs) direkt mit dem Eingangsanschluss (36) elektrisch verbunden ist.
Ladeschaltung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die MPPT-Reglereinrichtung (45) vorsieht, zu einer über den Eingangsanschluss (36) empfangenen elektrischen Leistung P und dem hierbei gemessenen Istspannungswert V einen Gradienten dP/dV zu ermitteln und durch Einstellen des Sollspannungswerts den Gradienten zu minimieren.
Ladeschaltung (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Regelzeitkonstante der MPPT-Reglereinrichtung (45) größer als eine korrespondierende Regelzeitkonstante der jeweiligen Wandlerregeleinrichtung (10, 10', 10") ist.
Wandlerregeleinrichtung (10) zum Steuern einer Schaltwandlereinheit (34, 35), aufweisend eine Regelfehlerberechnung (11) zum Berechnen eines Regelfehlers (E) und eine Zweipunktregelung (12) zum Schalten eines Schaltelements (Qbsl, Qbkl) der Schaltwandlereinheit (34, 35) in Abhängigkeit von dem Regelfehler (E), dadurch gekennzeichnet , dass die Regelfehlerberechnung (11) einen Istwerteingang (13) zum Empfangen eines Istwerts (FB) und einen Sollwerteingang (14) zum Empfangen eines Sollwerts (REF) aufweist und eine Berechnungseinheit (15) dazu ausgelegt ist, den Regelfehler (E) mittels einer Subtraktion (16) zu berechnen, wobei ein die Subtraktion (16) steuernder Umschaltparameter (29) vorgesehen ist und bei einem ersten Wert (W1) des Umschaltparameters (29) ein Subtraktion des Istwerts (FB) vom Sollwert (REF) und bei einem zweiten Wert (W2) des Umschaltparameters (29) eine Subtraktion des Sollwerts (REF) vom Istwert (FB) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug (33) mit einem Solarmodul (31) und einem elektrischen Energiespeicher (32), dadurch g ekennzeichnet, dass das Solarmodul (31) mit dem Energiespeicher (32) über eine Ladeschaltung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gekoppelt ist.
Ladeschaltung (30) zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers (32) mittels eines Solarmoduls (31) auf der Grundlage von Maximum-Power-Point-Tracking, MPPT, wobei die Ladeschaltung (30) aufweist: - einen Eingangsanschluss (36) für das Solarmodul (31), - einen Ausgangsanschluss (37) für den Energiespeicher (32), - eine den Eingangsanschluss (36) mit dem Ausgangsanschluss (37) koppelnde erste Schaltwandlereinheit (34) mit einem steuerbaren Schaltelement (Qbsl), - eine MPPT-Reglereinrichtung (45) zum Vorgeben eines Sollspannungswerts (Vref MPPT) für das Solarmodul (31) gemäß einem vorbestimmten MPPT-Algorithmus (46), - eine Wandlerregeleinrichtung (10, 10') zum Steuern der ersten Schaltwandlereinheit (34) in Abhängigkeit von dem Sollspannungswert (Vref_MPPT), dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerregeleinrichtung (10, 10') eine Regelfehlerberechnung (11) zum Berechnen eines Regelfehlers (E) und eine Zweipunktregelung (12) zum Schalten des Schaltelements (Qbsl) der ersten Schaltwandlereinheit (34) in Abhängigkeit von dem Regelfehler (E) aufweist, wobei die Regelfehlerberechnung (11) einen Istwerteingang (13) zum Empfangen eines Istwerts (FB) und einen Sollwerteingang (14) zum Empfangen eines Sollwerts (REF) aufweist und eine Berechnungseinheit (15) vorsieht, den Regelfehler (E) mittels einer Subtraktion (16) des Sollwerts (REF) vom Istwert (FB) zu berechnen, und der Sollspannungswert (Vref MPPT) am Sollwerteingang (14) bereitgestellt ist und ein am Eingangsanschluss (36) gemessener Istspannungswert (Vpv) am Istwerteingang (13) bereitgestellt ist.
Ladeschaltung (30) nach Anspruch 16, wobei die erste Schaltwandlereinheit (34) über eine zweite Schaltwandlereinheit (35) mit dem Ausgangsanschluss (37) gekoppelt ist und für die zweite Schaltwandlereinheit (37) eine zweite Wandlerregeleinrichtung (10") der genannten Art vorgesehen ist, wobei eine Ausgabespannung (Vlink) der ersten Schaltwandlereinheit (34) an einem Istwerteingang (13) einer Regelfehlerberechnung (11) der zweiten Wandlerregeleinrichtung (10") und ein vorbestimmtes Sollwertsignal (Vref_link) an einem Sollwerteingang (14) der Regelfehlerberechnung (11) der zweiten Wandlerregeleinrichtung (10") bereitgestellt ist.