DE102009060364A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Energieeinspeisung und/oder -rückspeisung von elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspeisung von elektrischer. Energie eines mehrphasigen Stromnetzes (1) in einen elektrischen Verbraucher oder Energiespeicher und/oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie von einem elektrischen Erzeuger oder Energiespeicher in das mehrphasige Stromnetz (1), umfassend eine Verbindungseinheit (3), wobei die Verbindungseinheit (3) zwischen dem mehrphasigen Stromnetz (1) und dem Verbraucher oder Energiespeicher oder zwischen dem mehrphasigen Stromnetz (1) und dem Erzeuger oder Energiespeicher angeordnet ist, wobei die Verbindungseinheit (3) stromnetzseitig mit m Phasen (L1–L3) des Stromnetzes (1), einem Nullleiter (N) und Masse (PE) verbunden ist und verbraucherseitig n Phasen (LX, LY) zur Energieeinspeisung in den Verbraucher oder Energiespeicher nutzt oder erzeugerseitig n Phasen (LX, LY) zur Energierückspeisung vom Erzeuger oder Energiespeicher in das Stromhetz (1) nutzt, wobei n ≤ m ist, wobei mittels einer Messeinheit (6) eine Spannung und/oder ein Phasenwinkel zwischen dem Nullleiter (N) und der Masse (PE) ermittelt wird, wobei bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes für die Spannung und/oder den Phasenwinkel verbraucherseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig reduziert angesteuert wird oder ganz abgeschaltet wird und gegebenenfalls auf eine weniger belastete Phase umgeschaltet wird und/oder erzeugerseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig verstärkt geladen wird und/oder auf die am stärksten belasteten Phasenumgeschaltet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes in einem elektrischen Verbraucher oder Energiespeicher und/oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie von einem elektrischen Erzeuger oder Energiespeicher in das mehrphasige Stromnetz, umfassend eine Verbindungseinheit, wobei die Verbindungseinheit zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Verbraucher oder Energiespeicher oder zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Erzeuger oder Energiespeicher angeordnet ist.
  • Mehrphasige Stromnetze umfassen typischerweise drei Phasen, wobei die Spannungen jeweils um 120° phasenverschoben sind. Dabei werden in den Haushalten je nach elektrischem Gerät eine oder mehrere Phasen zur Spannungsversorgung verwendet, wobei die Gesamtleistung der elektrischen Geräte möglichst gleichmäßig auf die Phasen aufgeteilt werden sollte. Selbst wenn einzelne Haushalte nicht gleichmäßig die Geräte bzw. Verbraucher auf die Phasen aufteilen, hat dies aufgrund der statistischen Verteilung über alle Haushalte im Regelfall keine Auswirkung.
  • Zur Reduzierung der Emissionen sollen verstärkt Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen, wobei deren Verbreitungsgrad zukünftig noch stärker zunehmen wird. Derartige Elektrofahrzeuge verfügen über mindestens eine Traktionsbatterie. Diese Traktionsbatterie muss über eine Schnittstelle von außen wieder aufgeladen werden.
  • Die EP 0 553 824 B1 offenbart verschiedene Ausführungsformen von Verbindungseinheiten, um eine Traktionsbatterie aus einem mehrphasigen Stromnetz zu laden. So offenbart diese beispielsweise eine externe Gleichrichterschaltung, um die drei Phasen des Stromnetzes in eine Gleichspannung zu wandeln. Alternativ offenbart die Druckschrift, die drei Phasen des Stromnetzes an den internen Spannungswandler zu führen und über diesen die drei Phasen gleichzurichten und die Traktionsbatterie zu laden. Während des Ladens wird dabei die elektrische Verbindung zu dem oder den Antriebsmotoren unterbrochen. In einer weiteren Ausführungsform werden die Leitungen eines einphasigen Wechselstromnetzes an zwei der Kontakte des internen Spannungswandlers geführt. Der interne Spannungswandler wird dann entsprechend gesteuert, um die einphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln.
  • Die zusätzliche starke Inanspruchnahme der elektrischen Stromnetze kann zu erheblichen Problemen führen, da die Ladevorgänge eines Elektrofahrzeuges zu gegebenenfalls einseitigen Belastungen bei mehrphasigen Stromnetzen führen können, was insbesondere bei dezentralen Anbietern sich noch weiter verschärft.
  • Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energieeinspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes in einem elektrischen Verbraucher oder Energiespeicher zu schaffen, mittels derer Rückwirkungen auf das mehrphasige Stromnetz minimiert werden.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Einspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes in einen elektrischen Verbraucher oder Energiespeicher und/oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie von einem elektrischen Erzeuger oder Energiespeicher in das mehrphasige Stromnetz eine Verbindungseinheit, wobei die Verbindungseinheit zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Verbraucher oder Energiespeicher oder zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und Erzeuger oder Energiespeicher angeordnet ist, wobei die Verbindungseinheit stromnetzseitig mit m Phasen des Stromnetzes, einem Nullleiter und Masse verbunden ist und verbraucherseitig n Phasen zur Energieeinspeisung in den Verbraucher oder Energiespeicher nutzt oder erzeugerseitig n Phasen zur Energierückspeisung vom Erzeuger oder Energiespeicher in das Stromnetz nutzt, wobei n ≤ m ist, wobei mittels einer Messeinheit eine Spannung und/oder ein Phasenwinkel zwischen dem Nullleiter und der Masse ermittelt wird, wobei bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes für die Spannung und/oder den Phasenwinkel verbraucherseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig reduziert angesteuert wird oder ganz abgeschaltet wird und gegebenenfalls auf eine weniger belastete Phase umgeschaltet wird und/oder erzeugerseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig verstärkt geladen wird und/oder auf die am stärksten belasteten Phasen umgeschaltet wird. Der Grundgedanke der Erfindung ist dabei, dass anhand der Spannung und/oder dem Phasenwinkel auf die Belastung der einzelnen Phasen des mehrphasigen Stromnetzes geschlossen werden kann, wobei eine ungleichmäßige Belastung zwischen den Phasen sich in der Verschiebung des Sternpunktes bzw. Nullleiters gegenüber der Masse bemerkbar macht. Dabei sind prinzipiell zwei Fälle zu unterscheiden. Werden alle Phasen zur Energieeinspeisung verwendet, so kann der ungleichmäßigen Belastung durch Abschaltung oder Leistungsreduktion mindestens der am stärksten belasteten Phase entgegengewirkt werden. Zum Ausgleich der dadurch reduzierten Leistung können die weniger stark belasteten Phasen gegebenenfalls auch zusätzlich leistungsmäßig stärker belastet werden. Werden hingegen nicht alle Phasen zur Energieeinspeisung verwendet, so können die am wenigsten belasteten Phasen bzw. die am wenigsten belastete Phase zur Energieeinspeisung verwendet und/oder deren Leistung gesteuert werden. Dabei erfolgt also eine Auswahl und Umschaltung auf ausgewählte Phasen, um das Stromnetz gleichmäßiger zu belasten. Dabei sei angemerkt, dass auch die ausgewählten Phasen verbraucherseitig leistungsmäßig ungleichmäßig belastet werden können, um der Verschiebung des Sternpunktes weiter entgegen zu wirken. Die Leistungssteuerung bzw. Phasenauswahl kann automatisch in Abhängigkeit der Messergebnisse der Messeinheit erfolgen. Hierdurch wird der Verschiebung des Sternpunktes automatisch entgegengewirkt. Entsprechend umgekehrt wird bei der Energierückspeisung verstärkt Energie den am stärksten belasteten Phasen zugeführt. Dabei gilt wieder, dass entweder nur einzelne Phasen angeschaltet sein können oder alle Sind nicht alle Phasen angeschaltet, so werden die am stärksten belasteten Phasen ausgewählt. Sind alle Phasen angeschaltet, wird den belasteten Phasen im Vergleich zu den anderen Phasen mehr Energie zugeführt, um der Sternpunktverschiebung entgegen zu wirken. Auch gilt, dass auch wenn nicht alle Phasen zur Energierückspeisung verwendet werden, die Energierückspeisung in den ausgewählten Phasen leistungsmäßig unterschiedlich sein kann.
  • Vorzugsweise wird mittels der Messeinheit die Spannung zwischen mindestens einer Phase und dem Nullleiter und der Phase und Masse ermittelt, wobei aus der Differenz der Messungen die Spannung und/oder der Phasenwinkel zwischen Nullleiter und Masse ermittelt wird. Dabei kann die Messung auch für alle Phasen durchgeführt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Verbindungseinheit mindestens eine Umschalteinheit angeordnet, mittels derer zwischen einzelnen Phasen ausgangsseitig umgeschaltet werden kann. Vorzugsweise ist die Umschalteinheit als Relais ausgebildet. Ausgangsseitig bedeutet dabei je nach Energierichtung verbraucher- bzw. erzeugerseitig.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Leistungselektronik des Verbrauchers/Erzeugers oder des Energiespeichers in Abhängigkeit der ausgewählten Phasen angesteuert. Dabei kann die Leistungselektronik selbst zum Ab- bzw. Umschalten einzelner Phasen benutzt werden, so dass separate Umschalteinheiten in der Verbindungseinheit entfallen können. Alternativ kann über die Leistungselektronik gezielt eine Variation der phasenbezogenen Leistungen durchgeführt werden.
  • Vorzugsweise erfolgt die Umschaltung der Phasen, bevor der Energieeintrag bzw. die Energierückspeisung erfolgt. Allerdings kann die Messung bzw. Umschaltung auch während der Énergieübertragung bzw. -rückspeisung laufend erfolgen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
  • 1 eine schematische Schaltungsanordnung zur Einspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes in einen Energiespeicher,
  • 2a eine Zeigerdarstellung der unterschiedlichen Spannungen bei symmetrisch belasteten Phasen,
  • 2b eine Darstellung der Spannungen zwischen einer Phase und Nullleiter sowie zwischen der Phase und Masse bei symmetrisch belasteten Phasen,
  • 3a eine Zeigerdarstellung der unterschiedlichen Spannungen bei unsymmetrisch belasteten Phasen und
  • 3b eine Darstellung der Spannungen zwischen einer Phase und Nullleiter sowie zwischen der Phase und Masse bei unsymmetrisch belasteten Phasen.
  • In der 1 ist eine schematische Schaltungsanordnung zur Einspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes 1 einen nicht dargestellten Energiespeicher, wie beispielsweise die Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, dargestellt. Dabei ist zwischen dem mehrphasigen Stromnetz 1 und einem Ladegerät 2 eine Verbindungseinheit 3 angeordnet. Dabei umfasst das mehrphasige Stromnetz 1 drei Phasen L1–L3, einen Nullleiter N und eine Masse PE, die alle jeweils mit der Verbindungseinheit 3 verbunden sind.
  • Verbraucherseitig, also zur Anschlussseite zum Ladegerät 2, verbindet die Verbindungseinheit 3 das Ladegerät 2 mit zwei Phasen LX und LY sowie dem Nullleiter N und der Masse PE. LX kann dabei L1 oder L2 und LY kann L2 oder L3 sein. Weiter umfasst die Verbindungseinheit 2 zwei Umschalteinheiten 4, 5, wobei mittels der Umschalteinheit die Phase L1 oder L2 auf den Ausgang LX und mittels der Umschalteinheit 5 die Phase L2 oder L3 auf den Ausgang LY geschaltet werden kann. Weiter umfasst die Verbindungseinheit 3 eine Messeinheit 6. Die Messeinheit 6 ist mit dem Nullleiter N, der Masse PE und mindestens der Phase L1 verbunden. Vorzugsweise ist diese jedoch zusätzlich auch mit der Phase L2 verbunden, was gestrichelt dargestellt ist. Die Messeinheit 6 Steuert die beiden Umschalteinheiten 4, 5 mittels Steuersignalen S4 bzw. S5 an. Zusätzlich ist die Messeinheit 6 über eine Steuerleitung SL mit dem Ladegerät 2 verbunden. Das Ladegerät 2 ist derart ausgebildet, dass es zwei Phasen LX und LY in eine Gleichspannung zur Ladung des Energiespeichers wandelt.
  • In der dargestellten Ausgangssituation sind die Umschalteinheiten 4, 5 derart geschaltet, dass die Phase L1 am Ausgang LX und die Phase L2 am Ausgang LY anliegt. Bevor nun der Ladevorgang beginnt, überprüft zunächst die Messeinheit 6, wie die Phasen L1-L3 belastet sind. Dies kann erfolgen, bevor die Verbindungseinheit 3 mit dem Ladegerät 2 verbunden wird oder aber auch nach der Verbindung. Hierzu ermittelt die Messeinheit eine Differenzspannung ΔU und einen Winkelversatz Δφ zwischen dem Nullleiter N und der Masse PE. Messtechnisch kann hierzu die Spannung zwischen der Phase L1 und dem Nullleiter N und der Phase L1 und Masse PE bestimmt und anschließend die Differenz gebildet werden.
  • Ist das mehrphasige Stromnetz 1 gleichmäßig symmetrisch belastet, so ist die Spannung und der Winkelversatz zwischen Nullleiter N und Masse PE null. Diese symmetrische Belastung ist in den 2a und 2b dargestellt. Ist hingegen die Belastung unsymmetrisch, so kommt es zu einer Verschiebung der Spannungslage des Nullleiters. Dies ist in den 3a und 3b für eine stärker belastete Phase L1 dargestellt. Erfasst nun die Messeinheit 6, dass die Phase L1 wie in den 3a und 3b dargestellt stärker belastet ist, so werden die Schalteinheiten 4 und 5 angesteuert. Mittels der Schalteinheit 4 wird nun die zweite Phase L2 auf LX geschaltet und entsprechend mittels der Schalteinheit 5 die dritte Phase L3 auf LY geschaltet. Somit werden die weniger stark belasteten Phasen L2 und L3 mit der Ladung des Energiespeichers belastet, was der unsymmetrischen Belastung des mehrphasigen Stromnetzes 1 entgegenwirkt.
  • Dabei sei angemerkt, dass die Verbindungseinheit 3 auch teilweise oder vollständig in das Ladegerät 2 integriert werden kann.
  • 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
    • EP 0553824 B1 [0004]

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Einspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes in einen elektrischen Verbraucher oder Energiespeicher und/oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie von einem elektrischen Erzeuger oder Energiespeicher in das mehrphasige Stromnetz, umfassend eine Verbindungseinheit, wobei die Verbindungseinheit zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Verbraucher oder Energiespeicher oder zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Erzeuger oder Energiespeicher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit (3) stromnetzseitig mit m Phasen (L1–L3) des Stromnetzes (1), einem Nullleiter (N) und Masse (PE) verbunden ist und verbraucherseitig n Phasen (LX, LY) zur Energieeinspeisung in den Verbraucher oder Energiespeicher nutzt oder erzeugerseitig n Phasen (LX, LY) zur Energierückspeisung vom Erzeuger oder Energiespeicher in das Stromnetz (1) nutzt, wobei n ≤ m ist, wobei mittels einer Messeinheit (6) eine Spannung und/oder ein Phasenwinkel zwischen dem Nullleiter (N) und der Masse (PE) ermittelt wird, wobei bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes für die Spannung und/oder den Phasenwinkel verbraucherseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig reduziert angesteuert wird oder ganz abgeschaltet wird und gegebenenfalls auf eine weniger belastete Phase umgeschaltet wird und/oder erzeugerseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig verstärkt geladen wird und/oder auf die am stärksten belasteten Phasen umgeschaltet wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messeinheit (6) die Spannung zwischen mindestens einer Phase (L1–L3) und dem Nullleiter (N) und der Phase (L1–L3) und Masse (PE) ermittelt wird, wobei aus der Differenz der Messungen die Spannung (ΔU) und/oder der Phasenwinkel (Δφ) zwischen Nullleiter und Masse ermittelt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungseinheit (3) mindestens eine Umschalteinheit (4, 5) angeordnet ist, mittels derer zwischen einzelnen Phasen (L1, L2; L2, L3) ausgangsseitig umgeschaltet werden kann.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik des Verbrauchers oder des Energiespeichers oder des Erzeugers in Abhängigkeit der ausgewählten Phasen (L1–L3) angesteuert wird.
  5. Verfahren zur Vorrichtung zur Einspeisung von elektrischer Energie eines mehrphasigen Stromnetzes in einen elektrischen Verbraucher oder Energiespeicher und/oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie von einem elektrischen Erzeuger oder Energiespeicher in das mehrphasige Stromnetz, mittels einer Verbindungseinheit, wobei die Verbindungseinheit zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Verbraucher oder Energiespeicher oder zwischen dem mehrphasigen Stromnetz und dem Erzeuger oder Energiespeicher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit (3) stromnetzseitig mit m Phasen (L1–L3) des Stromnetzes (1), einem Nullleiter (N) und Masse (PE) verbunden ist und verbraucherseitig n Phasen (LX, LY) zur Energieeinspeisung in den Verbraucher oder Energiespeicher nutzt oder erzeugerseitig n Phasen (LX, LY) zur Energierückspeisung vom Erzeuger oder Energiespeicher in das Stromnetz (1) nutzt, wobei n ≤ m ist, wobei mittels einer Messeinheit (6) eine Spannung und/oder ein Phasenwinkel zwischen dem Nullleiter (N) und der Masse (PE) ermittelt wird, wobei bei Überschreitung mindestens eines Schwellwertes für die Spannung und/oder den Phasenwinkel verbraucherseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig reduziert angesteuert wird oder ganz abgeschaltet wird und gegebenenfalls auf eine weniger belastete Phase umgeschaltet wird und/oder erzeugerseitig mindestens eine stärker belastete Phase im Vergleich zu den anderen Phasen leistungsmäßig verstärkt geladen wird und/oder auf die am stärksten belasteten Phasen umgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Messeinheit (6) die Spannung zwischen einer Phase (L1–L3) und dem Nullleiter (N) und der Phase (L1–L3) und Masse (PE) ermittelt wird, wobei aus der Differenz der Messungen die Spannung (ΔU) und/oder der Phasenwinkel (Δφ) zwischen Nullleiter (N) und Masse (PE) ermittelt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungseinheit (3) mindestens eine Umschalteinheit (4, 5) angeordnet ist, mittels derer zwischen einzelne Phasen (L1, L2; L2, L3) ausgangsseitig umgeschaltet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungselektronik des Verbrauchers oder des Energiespeichers oder des Erzeugers in Abhängigkeit der ausgewählten Phasen angesteuert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (ΔU) und/oder der Phasenwinkel (Δφ) vor Zuschaltung des elektrischen Verbrauchers oder Energiespeichers oder Erzeugers gemessen wird und die entsprechende bzw. entsprechenden Phasen ausgewählt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (ΔU) und/oder der Phasenwinkel (Δφ) kontinuierlich oder periodisch nach Zuschaltung des elektrischen Verbrauchers oder Energiespeichers oder Erzeugers gemessen wird und die entsprechende bzw. entsprechenden Phasen ausgewählt werden.
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