DE102019211085A1

DE102019211085A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Ladegeräts für ein Kraftfahrzeug sowie Ladegerät und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019211085A1
Application number: DE102019211085.1A
Authority: DE
Inventors: Richard Kaussler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Ladegeräts (12) für ein Kraftfahrzeug (10), wobei durch eine Prozessoreinrichtung (14) des Ladegeräts (12) ein Messzyklus (26) durchgeführt wird, in welchem aus einem Unterschied (ΔUL1N, ΔUL2N, ΔUL3N) aus zumindest einen Netzspannungswert einer ersten Messung (27) vor einem Einschaltvorgang (28) eines Stromes (I) einerseits und zumindest einem weiteren Netzspannungswert einer zweiten Messung (29) nach dem Einschaltvorgang (28) andererseits und aus dem zumindest einen Stromstärkewert zumindest ein Impedanzwert (RL1, RL2, RL3) einer Netzimpedanz (R) des Versorgungsnetzes (15) ermittelt wird, und in Abhängigkeit von dem zumindest einen ermittelten Impedanzwert mittels einer vorbestimmten Zuordnungsfunktion (31) ein Leistungswert (100) einer einzustellenden Übertragungsleistung (P) ermittelt wird, wobei die Zuordnungsfunktion (31) dem ermittelten zumindest einen Impedanzwert diejenige Übertragungsleistungsstufe (34) des Ladegeräts (12) zuordnet, für welche sich ein maximaler Gesamtwirkungsgrad (32) für den Energieaustausch ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Ladegeräts für ein Kraftfahrzeug. Mittels des Ladegeräts kann ein Energieaustausch von elektrischer Energie zwischen einem stationären elektrischen Versorgungsnetz und einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Ladegerät, das gemäß dem Verfahren betrieben werden kann. Schließlich sieht die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Ladegerät vor.
Wenn Energie zwischen einem elektrischen Versorgungsnetz und einem Kraftfahrzeug übertragen wird, kann hierbei die übertragene elektrische Leistung (Übertragungsleistung) durch ein Ladegerät gesteuert oder geregelt werden. Somit lässt sich die Übertragungsleistung auf einen vorgegebenen Sollwert einstellen. Bisher werden hierbei Kraftfahrzeuge mit elektrischem Energiespeicher unabhängig von der Impedanz des Versorgungsnetzes geladen. Stattdessen wird durch Ladegeräte lediglich die Vorgabe des Energieversorgers, also des Betreibers des Versorgungsnetzes, und/oder die Energiebilanz des Hauses berücksichtigt (um z.B. eine Unterversorgung von Haushaltsgeräten zu vermeiden).
Allerdings ist die Impedanz des Versorgungsnetzes oftmals nicht unerheblich, insbesondere der Leitungsabschnitt innerhalb der Hausinstallation, in welcher auch das Ladegerät betrieben wird. Zum einen entstehen hierdurch Spannungsabfälle auf der Zuleitung zum Ladegerät und zum anderen kann es zu einem suboptimalen Betrieb des Ladegeräts dahin kommen, dass unnötig Verlustleistung beim Betrieb des Ladegeräts verursacht wird, was zu einem monetären Nachteil für den Benutzer des Ladegeräts führen kann.
Aus der WO 2018/069096 A1 ist bekannt, dass ein Ladegerät beim Einschalten eines elektrischen Stromes überprüfen kann, welche Veränderung sich hierdurch in der Netzspannung des Versorgungsnetzes ergibt. Die Übertragungsleistung des Ladegeräts wird dann nur so weit gesteigert, bis der Spannungsabfall einen vorgegebenen Höchstwert erreicht, sodass die maximal mögliche Übertragungsleistung ohne Störung von Haushaltsgeräten übertragen werden kann. Eine Optimierung des Wirkungsgrads des Übertragungsvorgangs ergibt sich hierdurch nicht.
Aus der DE 10 2014 216 020 A1 ist eine Überwachung einer Stromzuführung beim Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs bekannt. Anhand einer Spannungsveränderung beim Zuschalten des Ladestromes wird eine Netzimpedanz des Versorgungsnetzes ermittelt und anschließend überprüft, ob die Netzimpedanz einen Maximalwert überschreitet, in welchem Fall eine Warnmeldung ausgegeben wird. Der Ladestrom wird dann so weit reduziert, bis ein vorbestimmter Maximalwert der Verlustleistung nicht überschritten wird. Hierdurch wird also die maximal mögliche Übertragung von elektrischer Leistung ermöglicht. Auch dies hilft nicht bei der Optimierung eines Wirkungsgrads des Ladegeräts.
Aus der DE 10 2014 013 870 A1 ist für eine Automobil-Ladestation ein mobiles Prüfsystem bekannt, das als Kraftfahrzeug ausgestaltet ist und in der Lage ist, eine Netzimpedanz und eine Isolation von Leitungen zu prüfen. Es wird beschrieben, dass ein Ladegerät auch mehrere elektrische Stromleitungen aufweisen kann, um Strom aus einem Drehstromanschluss oder Mehrphasenanschluss empfangen zu können. Hierbei ist dann zu berücksichtigen, dass die Netzimpedanz mehrere Impedanzwerte, nämlich einen pro Stromleitung, aufweisen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übertragungsvorgang von elektrischer Leistung zwischen einem elektrischen Versorgungsnetz und einem Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs in Bezug auf den Wirkungsgrad optimieren zu können.
Die 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 ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Ladegeräts für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Ladegerät führt einen Energieaustausch von elektrischer Energie zwischen einem stationären elektrischen Versorgungsnetz einerseits (beispielsweise einem öffentlichen Stromnetz mit einer Versorgungsspannung von 230 Volt oder 120 Volt) und einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs andererseits (beispielsweise einer Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie mit einer Hochvolt-Spannung größer als 60 Volt) durch. Das Ladegerät wird hierzu durch eine Prozessoreinrichtung des Ladegeräts gesteuert. Der Energieaustausch kann die z.B. durch eine Leistungselektronik des Ladegeräts in an sich bekannter Weise kontrolliert werden. Zum Durchführen oder vor dem Durchführen des Energieaustauschs wird durch die Prozessoreinrichtung mittels einer Messschaltung des Ladegeräts selbst und/oder mittels eines Stromzählers eines Netzanschlusspunktes des Versorgungsnetzes ein Messzyklus durchgeführt. Ein Netzanschlusspunkt ist hierbei ein elektrischer Anschluss, über welchen ein Haushaltsnetzwerk oder ein Hausinstallation oder elektrische Leitungen eines Haushalts oder eines Bürogebäudes oder einer Industrieanlage mit elektrischen Leitungen des Versorgungsnetzes verschaltet oder gekoppelt sind. Durch den Stromzähler kann die aus dem Versorgungsnetz bezogene oder in das Versorgungsnetz eingespeiste elektrische Energiemenge gemessen werden, um beispielsweise das Abrechnen oder Vergüten der elektrischen Energie zu ermöglichen. Der Stromzähler kann hierbei auch eine Spannungsmessung und/oder eine Strommessung bereitstellen.
Der Messzyklus sieht folgende Schritte vor. Vor einem Einschaltvorgang zum Einschalten eines elektrischen Stromes für den besagten Energieaustausch zwischen Versorgungsnetz und Energiespeicher wird in einer ersten Messung zumindest ein Netzspannungswert der elektrischen Netzspannung des Versorgungsnetzes ermittelt. Es handelt sich also um den zumindest einen Netzspannungswert, wie er sich ohne den Stromfluss für den Energieaustausch ergibt. Bei einem Einphasen-Versorgungsnetz kann ein einzelner Netzspannungswert ausreichend sein, beispielsweise ein Effektivwert oder ein Maximalwert einer sinusförmigen Wechselspannung. Bei einem Mehrphasen-Versorgungsnetz kann für jede Phase oder für eine oder einige der Phasen ein jeweiliger Netzspannungswert der besagten Art vorgesehen sein.
Nach dem Einschaltvorgang werden in einer zweiten Messung zumindest ein weiterer Netzspannungswert der Netzspannung und zumindest ein Stromstärkewert des eingeschalteten Stromes ermittelt. Der zumindest eine weitere Netzspannungswert korrespondiert dabei in Bezug auf die Messgröße oder den Messpunkt mit dem zumindest einen Netzspannungswert, wie er vor dem Einschaltvorgang ermittelt wurde. Somit stellt der zumindest eine weitere Netzspannungswert also eine weitere Messung derselben Netzspannung dar. Es kann somit die Veränderung in der Netzspannung ermittelt werden, wie sie sich durch den Einschaltvorgang ergibt. Zudem kann zumindest ein Stromstärkewert des eingeschalteten Stromes ermittelt werden, wobei bei einem Einphasen-Versorgungsnetz wieder ein einzelner Stromstärkewert (beispielsweise der Effektivwert oder der Maximalwert eines sinusförmigen Stromstärkeverlaufs) und bei einem Mehrphasen-Versorgungsnetz wieder pro Phase oder für eine oder einige der Phasen ein Stromstärkewert vorgesehen kann.
Aus einem Unterschied aus dem zumindest einen Netzspannungswert der ersten Messung einerseits und dem zumindest einen weiteren Netzspannungswert der zweiten Messung andererseits und aus dem zumindest einen Stromstärkewert wird dann zumindest ein Impedanzwert einer Netzimpedanz des Versorgungsnetzes ermittelt. Insbesondere kann pro Phase des Versorgungsnetzes jeweils ein Impedanzwert ermittelt werden. Aus dem Unterschied ΔU des Netzspannungswerts U0 vor dem Einschaltvorgang und dem weiteren Netzspannungswert U1 nach dem Einschaltvorgang kann also der Unterschied ΔU = U0 - U1 ermittelt werden, woraus sich mit der bekannten Stromänderung durch Zuschalten des Stromes I der Wert der Netzimpedanz R = ΔU / I errechnen lässt, wobei die beschriebene Berechnung für jede Phase oder Stromleitung (beispielsweise L1, L2, L3) vorgenommen oder durchgeführt werden kann.
In Abhängigkeit von dem zumindest einen ermittelten Impedanzwert R wird mittels einer vorbestimmten Zuordnungsfunktion ein Leistungswert einer in dem Ladegerät für den weiteren Energieaustausch einzustellenden Übertragungsleistung ermittelt. Es wird also eine Empfehlung oder ein Schaltsignal erzeugt, um das Ladegerät auf eine Übertragungsleistung einzustellen, die sich aus der Zuordnungsfunktion ergibt. Die Zuordnungsfunktion ordnet hierbei dem ermittelten zumindest einen Impedanzwert diejenige aus mehreren vorgegebenen Übertragungsleistungsstufen oder Übertragungsleistungswerten zu, für welche sich ein maximaler Gesamtwirkungsgrad für den Energieaustausch ergibt. Die Zuordnungsfunktion ist also z.B. eine konkave Funktion mit zumindest einem Maximum (mathematische Steigung Null und Krümmung negativ). Die Zuordnungsfunktion kann hierbei als parametrische Funktion oder als Kennfeld oder Tabelle ausgestaltet und in der Prozessoreinrichtung implementiert sein.
Der Gesamtwirkungsgrad bezieht sich hierbei auf den Übertragungsvorgang oder die Energieübertragung über das Versorgungsnetz und durch das Ladegerät hindurch. Die Übertragungsstufen können beispielsweise durch das Ladegerät vorgegeben sein, falls dieses lediglich beispielsweise eine Veränderung der Übertragungsleistung mit vorgegebenen Leistungswerten, beispielsweise in 50-Watt-Schritten oder 500-Watt-Schritten zulässt. Es kann aber auch eine feinere Stufung vorgesehen sein (z.B. kleiner als 10 W oder als 1 W).
Der ermittelte Leistungswert kann dann in dem Ladegerät eingestellt werden oder er kann einer übergeordneten Schaltfunktion, die zumindest ein weiteres Optimierungskriterium zugrundelegt, als Randbedingung zum Entscheiden oder Ermitteln des tatsächlich finalen einzustellenden Leistungswerts für die Übertragungsleistung bereitgestellt werden. Im letzteren Fall stellt die übergeordnete Schaltfunktion den finalen Leistungswert für den Energieaustausch ein.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass durch den mittels der Zuordnungsfunktion ermittelten Leistungswert bekannt ist, wie das Ladegerät in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad optimal betrieben werden muss. Somit kann der Vorgang der Energieübertragung in Bezug auf den Wirkungsgrad optimal eingestellt werden.
Der besagte Energieaustausch kann von dem Versorgungsnetz in dem hinein Energiespeicher erfolgen, was dann einem Ladevorgang des Energiespeichers entspricht. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in einem Energieaustausch auch Energie von dem Energiespeicher in das Versorgungsnetz übertragen werden, also eine Energierückspeisung vorgesehen sein. Für beide Übertragungsrichtungen kann also jeweils das Verfahren durchgeführt werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In einer Ausführungsform ist eine Gesamtdauer des Messzyklus kleiner als eine Minute, insbesondere kleiner als zehn Sekunden. Somit werden also die erste Messung und die zweite Messung innerhalb des angegebenen Zeitraums durchgeführt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass ein weiterer Schaltvorgang in dem Versorgungsnetz oder in dem Haushalt, über welchen das Ladegerät mit dem Versorgungsnetz gekoppelt ist, die Messung verfällt, indem ein weiterer Verbraucher einen zusätzlichen elektrischen Strom zugeschaltet oder weggeschaltet hat, dessen Stromstärke unbekannt ist. Dies stellt sicher, dass der Unterschied aus dem zumindest einen Netzspannungswert der ersten Messung einerseits und dem zumindest einen weiteren Netzspannungswert der zweiten Messung andererseits sich nur durch den eingeschalteten Strom mit dem ermittelten Stromstärkewert ergibt. Somit wird eine genaue Messung des zumindest einen Impedanzwerts sichergestellt.
In einer Ausführungsform wird nach dem Einschaltvorgang abgewartet, bis eine vorbestimmte Abklingdauer vergangen ist und erst nach der Abklingdauer die zweite Messung begonnen. Die Abklingdauer beträgt hierbei mindestens zehn Millisekunden, insbesondere mindestens 100 Millisekunden. Hierdurch kann vermieden werden, dass der zumindest eine weitere Spannungswert während eines Einschwingvorganges der Netzspannung nach dem Schalten ermittelt wird, was die Messung verfälschen würde. Ein solcher Einschwingvorgang kann beispielsweise durch eine Induktivität des Versorgungsnetzes verursacht werden.
In einer Ausführungsform werden die Netzspannungswerte mittels der Messschaltung des Ladegeräts und mittels des Stromzählers des Netzanschlusspunktes ermittelt. Es ist also sowohl bekannt, welcher Netzspannungswert sich am Ladegerät selbst und welcher Netzspannungswert sich am Netzanschlusspunkt ergibt. Hierdurch kann ein Spannungsabfall oder Spannungsunterschied ermittelt werden, der sich zwischen dem Ladegerät und dem Netzanschlusspunkt ergibt, also innerhalb des elektrischen Haushaltsnetzes, in welchem oder an welchem das Ladegerät betrieben wird. Es handelt sich um den Teil des elektrischen Versorgungsnetzes, für welchen der Stromzähler des Netzanschlusspunktes den Energieverbrauch zählt oder misst. Der zumindest eine Impedanzwert wird entsprechend nur für einen Netzabschnitt zwischen dem Netzanschlusspunkt und dem Ladegerät ermittelt. Es wird somit nur diejenige Netzimpedanz berücksichtigt, die solche Verlustleistung erzeugt, für welche der Stromzähler einen Energieverbrauch misst oder angibt. Damit erfolgt also die Optimierung des Leistungswerts für die Energieübertragung kostenoptimiert, da der Gesamtwirkungsgrad für die bezahlte Verlustleistung optimiert wird.
In einer Ausführungsform wird durch die Zuordnungsfunktion ein Grundverbrauch an elektrischer Leistung berücksichtigt, welchen das Kraftfahrzeug während des Energieaustauschs aufweist oder voraussichtlich aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass der Grundverbrauch des Kraftfahrzeugs ein entscheidender Wert oder wichtiger Wert für das Bestimmen des Optimums in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad ist. Der Grundverbrauch des Kraftfahrzeugs kann in einem Bereich von 10 Watt bis 500 Watt liegen.
In einer Ausführungsform wird der Grundverbrauch als ein konstanter Wert festgelegt oder angenommen. Dieser konstante Wert kann also beispielsweise digital in der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Er kann beispielsweise vom Hersteller des Kraftfahrzeugs angegeben sein.
In einer Ausführungsform wird dagegen der Grundverbrauch dynamisch in Abhängigkeit von Meldedaten festgelegt, welche aus zumindest einem aktiven Steuergerät des Kraftfahrzeugs empfangen werden. Mit anderen Worten meldet das zumindest eine aktive Steuergerät, welchen Grundverbrauch es verursacht. Die Meldedaten können beispielsweise über einen Kommunikationsbus des Kraftfahrzeugs empfangen werden, der beispielsweise ein CAN-Bus (CAN - Controller Area Network) sein kann. Über die Meldedaten ist also die Prozessoreinrichtung über die Bordnetzlast des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs informiert.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Grundverbrauch während des Energieaustauschs bei Erkennen eines Schaltereignisses eines Steuergeräts in dem Kraftfahrzeug und/oder zu vorbestimmten Zeitpunkten erneut ermittelt wird, also der Wert für den Grundverbrauch angepasst wird. Verändert sich der Grundverbrauch, so wird dies dann auch in der Zuordnungsfunktion berücksichtigt. Entsprechend wird auch der Leistungswert für den Energieaustausch daraufhin mittels der angepassten Zuordnungsfunktion neu ermittelt. Somit reagiert die Prozessoreinrichtung des Ladegeräts also auf eine Veränderung des Grundverbrauchs und passt den Leistungswert an, um hierdurch den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von dem veränderten Grundverbrauch erneut zu optimieren.
In einer Ausführungsform wird durch die Zuordnungsfunktion auch ein von der Übertragungsleistung abhängiger Eigenwirkungsgrad des Ladegeräts selbst berücksichtigt. Dieser von der aktuell übertragenen elektrischen Leistung abhängige Wirkungsgrad des Ladegeräts kann von einem Hersteller des Ladegeräts in einer Messung an einem Prototyp ermittelt und beispielsweise in Form von Kenndaten in der Prozessoreinrichtung des Ladegeräts abgespeichert oder in die Zuordnungsfunktion eingerechnet sein. Somit wird das Ermitteln des Leistungswerts noch präziser.
In einer Ausführungsform wird der elektrische Strom, der in dem Messzyklus eingeschaltet wird, zumindest einmal wieder unterbrochen und jeweils zumindest ein weiterer Messzyklus durchgeführt. Mit anderen Worten wird der Messzyklus mehrfach nacheinander durchgeführt. Hierdurch erhält man also für jeden Messzyklus jeweils zumindest einen Impedanzwert. Der besagte Leistungswert zum Einstellen der Übertragungsleistung des Ladegeräts wird dann in Abhängigkeit oder auf der Grundlage des jeweiligen zumindest einen Impedanzwerts jedes der Messzyklen ermittelt. Beispielsweise kann ein Mittelwert korrespondierender Impedanzwerte der unterschiedlichen Messzyklen berechnet werden, als ein Mittelwert der ermittelten Impedanzwerte derselben Phase. Hierdurch wird die Ermittlung des jeweiligen Impedanzwerts für die einzelnen Phasen oder die eine Phase des Versorgungsnetzes präzisiert.
Ein Ladegerät, welches das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann, ist ebenfalls Bestandteil der Erfindung. Das erfindungsgemäße Ladegerät weist ein Schaltelement zum Schalten eines elektrischen Stromes und eine Prozessoreinrichtung zum Steuern des Schaltelements auf. Die Prozessoreinrichtung ist hierbei dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Das Schaltelement kann in an sich bekannter Weise zum Schalten eines einphasigen oder mehrphasigen elektrischen Stromes ausgestaltet sein. Die Prozessoreinrichtung kann beispielsweise zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen. Die Prozessoreinrichtung kann einen Datenspeicher aufweisen, in welchem ein Programmcode oder Programminstruktionen gespeichert sein können, durch welche bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung diese veranlasst wird, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Das Ladegerät kann als ein mobiles Ladegerät zum Anschließen an ein Kraftfahrzeug, oder als ein Ladegerät für eine Ladestation oder als ein Ladegerät für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet sein.
Im Zusammenhang mit der Installation des Ladegeräts in einem Kraftfahrzeug sieht die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts vor. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts;
2 eine weitere Ausführungsform des Kraftfahrzeugs, bei welcher auch ein Netzspannungswert aus einem Stromzähler berücksichtigt wird;
3 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Messzyklus, wie er durch ein Ladegerät des Kraftfahrzeugs von 1 und 2 durchgeführt werden kann; und
4 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Zuordnungsfunktion.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder einen Personenbus handeln kann. Für einen elektrischen Fahrantrieb kann das Kraftfahrzeug 10 einen elektrischen Energiespeicher 11, beispielsweise eine Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie, aufweisen. Um den Energiespeicher 11 mit elektrischer Energie nachladen oder aufladen zu können und/oder um elektrische Energie aus dem Energiespeicher 11 rückspeisen zu können, kann ein Ladegerät 12 in dem Kraftfahrzeug 10 vorgesehen sein. Das Ladegerät 12 kann ein Schaltelement 13 aufweisen, mittels welchem ein Strom I zum Laden des Energiespeichers 11 und/oder zum Rückspeisen von elektrischer Energie geschaltet werden kann. Das Schaltelement 13 kann durch eine Prozessoreinrichtung 14 des Ladegeräts 12 geschaltet werden. Über das Ladegerät 12 kann das Kraftfahrzeug 10 an ein elektrisches Versorgungsnetz 15 angeschlossen werden, das ein Einphasen-Versorgungsnetz oder ein Mehrphasen-Versorgungsnetz mit Wechselspannung oder Gleichspannung sein kann. Eine Verbindung mit dem Versorgungsnetz 15 kann über einen Stromzähler 16 erfolgen, welcher an einem Anschlusspunkt 17 vorgesehen sein kann, über welchen ein Leitungsabschnitt 18 beispielsweise eines Haushaltes 19 oder eines Bürogebäudes oder einer Industrieanlage mit einem öffentlichen Teil 20 des Versorgungsnetzes 15 verschaltet oder verbunden sein kann.
Durch eine Messschaltung 21 können Messungen 22 einer Netzimpedanz des Versorgungsnetzes 15 gesehen vom Ladegerät 12 aus ermittelt werden.
Bevor die Messung im Detail beschrieben wird, wird eine erweiterte Ausführungsform beschrieben.
Hierzu zeigt 2 in derselben Weise wie 1 das Kraftfahrzeug 10 mit dem Ladegerät 12, dessen Messschaltung 21 die Messungen 22 der Impedanz des Versorgungsnetzes 15 vom Ladegerät 12 aus gesehen ermitteln kann. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Stromzähler 16 am Anschlusspunkt 17 ebenfalls eine Messschaltung 23 aufweist, durch welche Messungen 22' in dem Versorgungsnetz 15 vom Stromzähler 16 aus gesehen, also vom Anschlusspunkt 17 aus gesehen, durchgeführt werden können. Messdaten 24 des Stromzählers 16 können über eine Kommunikationsverbindung 25 in das Ladegerät 12 zu dessen Prozessoreinrichtung 14 übertragen werden. Die Kommunikationsverbindung 25 kann beispielsweise auf einer WLAN-Datenverbindung (WLAN - Wireless Local Area Network) und/oder einer Bluetooth-Verbindung und/oder einer Mobilfunkverbindung und/oder einer Powerline-Communication (Datenübertragung über den Leitungsabschnitt 18) erfolgen.
3 veranschaulicht einen Messzyklus 26, der durch das Ladegerät 12 zum Durchführen eines Energieaustauschs zwischen dem Versorgungsnetz 15 einerseits und dem Energiespeicher 11 andererseits durchgeführt werden kann. Der Energieaustausch kann hierbei einen Ladevorgang zum Aufladen des Energiespeichers 11 oder eine Energierückspeisung von Energie hin zum Versorgungsnetz 15 vorsehen.
3 veranschaulicht hierbei eine Messung für ein dreiphasiges Versorgungsnetz 15 mit den drei Phasen L1, L2, L3. Die Messungen 22 können eine Spannungsmessung umfassen, die jeweils zwischen der einzelnen Phase L1, L2, L3 einerseits und einem Neutralleiter oder Sternpunkt N durchgeführt werden können. Es ergeben sich somit in einer ersten Messung 27 vor dem Einschalten des elektrischen Stromes I für den Energieaustausch die dargestellten drei ersten Netzspannungswerte. Danach kann in einem Einschaltvorgang 28 der elektrische Strom I eingeschaltet werden. Der elektrische Strom I ist bei einem Dreiphasennetz zusammengesetzt aus den drei Phasenströmen für die drei Phasen L1, L2, L3. Nach dem Einschaltvorgang 28 kann in einer zweiten Messung 29 jeweils wieder ein Netzspannungswert sowie ein jeweiliger Stromstärkewert für die Phasen L1, L2, L3 des Stromes I gemessen werden.
Für jede Phase kann nun aus dem Unterschied der korrespondierenden Netzspannungswerte U vor und nach dem Einschaltvorgang 28 ein Unterschied ΔU ermittelt werden und für jede Phase kann der eingeschaltete Stromstärkewert I ermittelt werden, woraus sich dann ein Widerstandswert R oder Impedanzwert R für jede Phase ermittelt werden kann. Die Indizes L1, L2, L3 geben hier jeweils die einzelne Phase an.
Die Impedanzberechnung 30 kann dazu genutzt werden, in einer Zuordnungsfunktion 31 einen Leistungswert 100 zu ermitteln, der angibt, welche Übertragungsleistung in dem Ladegerät 12 eingestellt werden soll, um einen in Bezug auf den Wirkungsgrad optimierten Energieaustausch durchzuführen.
4 veranschaulicht hierzu eine mögliche Zuordnungsfunktion 31. Sie kann beispielsweise als ein Kennfeld implementiert sein. Die Zuordnungsfunktion 31 kann für unterschiedliche ermittelte Impedanzwerte R (angegeben sind R = 2,7 Ohm, R = 1 Ohm, R = 0,5 Ohm) die resultierenden Wirkungsgradwerte des Gesamtwirkungsgrades 32 dargestellt. Angegeben ist für eine Netzspannung U = 230 Volt (Beispielwert) ein Stromstärkewert I für die drei Phasen (3 Ph) in Ampere, woraus der Ladeleistungswert oder Leistungswert 100 resultiert, der hier beispielhaft in einem Werteintervall von 1,4 Kilowatt bis 11 Kilowatt angegeben ist. In Abhängigkeit von einem Grundverbrauch Pcar des Kraftfahrzeugs 10, wie er sich durch im Kraftfahrzeug 10 während des Energieaustausches betriebene elektrische Verbraucher, beispielsweise Steuergeräte, ergibt, steigt der Wirkungsgrad auf einem für jeden Leistungswert des Grundverbrauchs Pcar auf einen Optimalwert 33, wie er im Voraus durch die Berechnung des Verhältnisses aus übertragener Leistung und Grundverbrauch Pcar berechnet werden kann. Somit kann dieser Optimalwert 33 als der empfohlene Leistungswert 100 angegeben werden, der einzustellen ist, wenn der Gesamtwirkungsgrad 32 einen Optimalwert für den Energieaustausch aufweisen soll. Die für jeden Wert des Grundverbrauchs Pcar angegebene Zahlenreihe endet jeweils beim Optimalwert 33. Da nur zwei Stellen hinter dem Komma angegeben sind, ergeben sich für die Zeilen gleiche Einträge, aber nur der letzte in der Zahlenreihe angegebene Wert ist der tatsächliche Optimalwert 33. Für ein weiteres Absenken des Leistungswerts 100 ergibt sich dann wieder ein sinkender Wirkungsgrad (nicht dargestellt).
Der ermittelte Leistungswert 100, für welchen sich der Optimalwert 33 des Gesamtwirkungsgrads ergibt, kann dann von der Zuordnungsfunktion 31 ausgegeben werden, sodass er in dem Ladegerät 12 verfügbar ist, um beispielsweise die Übertragungsleistung einzustellen oder einzuregeln. Eine solche Einregelung einer Übertragungsleistung ist an sich aus dem Stand der Technik für Ladegeräte bekannt.
Dargestellt sind mehrere beispielhafte mögliche, in dem Ladegerät 12 einstellbare Übertragungsleistungsstufen 34. Es kann also in der Zuordnungsfunktion 31 eine Rasterung in Bezug auf die ermittelbaren Leistungswerte geben.
Reduziert man die Ladeleistung, so reduzieren sich gleichzeitig die Verluste auf der elektrischen Zuleitung zum Ladegerät und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems steigt. Da das Kraftfahrzeug aber während des Ladevorgangs einen gewissen Grundenergiebedarf (Grundverbrauch Pcar) hat, führt eine Reduktion der Ladeleistung P und damit eine Verlängerung der Ladezeit auch zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades 32. Betrachtet man beide Einflüsse, die Netzimpedanz vor Ort und die Leistungsaufnahme des Fahrzeugs während des Ladens, so ergibt sich eine für den Netzanschlusspunkt wirkungsgradoptimale Ladeleistung. Auf diese Weise lassen sich Verluste reduzieren, was zu Einsparungen beim Benutzer führt.
Die technische Umsetzung kann die Integration dieser Zuordnungsfunktion in ein Ladegerät 12 vorsehen. Die Zuordnungsfunktion 31 bedarf keiner zusätzlichen Hardware. Jedes Ladegerät 12 beinhaltet bereits heute eine Strom- und eine Spannungsmessung. Über diese Messungen lässt sich die Netzimpedanz des jeweiligen Netzanschlusses vor jedem Ladevorgang bestimmen. Für den Leistungsbedarf des Fahrzeugs (Grundverbrauch Pcar) beim Laden kann ein während der Entwicklung zu bestimmender, fester Wert angenommen werden. Alternativ kann die Funktion auch variabel auf die aktuelle Bordnetzlast reagieren. Zusätzlich kann mit eingerechnet werden, dass sich der Wirkungsgrad des Ladegeräts mit der Leistung ändert.
Exemplarisch kann hier ein dreiphasiges 11 kW-Ladesystem in einem 230V/400V-Netz betrachtet werden (siehe 4). Die Zuordnungsfunktion kann allerdings für alle Netze und Ladeleistungen ausgestaltet werden. Weiterhin werden hier drei verschiedene Netzimpedanzen angenommen: 2,70 Ohm sind z.B. maximal zulässig, wenn ein Abzweig mit einem B16-Automaten abgesichert ist. 1,0 Ohm und 0,50 Ohm stellen entsprechend niedrigere Netzimpedanzen dar. Als Grundverbrauch Pcar im Fahrzeug werden aktuell oft 300 W angenommen. Hier sind zusätzliche Werte bis 500 W und bis 100 W dargestellt. Der Eigenwirkungsgrad des Ladegeräts kann z.B. mit konstant 95% angenommen sein.
Der Gesamtwirkungsgrad 32 des Gesamtsystems verbessert sich mit einer Reduktion der Ladeleistung bis der Grundverbrauch Pcar des Kraftahrzeugs 10 den positiven Effekt neutralisiert und der Wirkungsgrad wieder sinkt. Dargestellt sind die Wirkungsgrade hier nur bis zu dem Punkt des optimalen Gesamtwirkungsgrades 32 an dem sie sich wieder verschlechtern. Je höher die Netzimpedanz und je geringer der Grundverbrauch des Fahrzeugs ist, desto höher ist die mögliche Verbesserung des Wirkungsgrades Geht man von einem Grundverbrauch von 300W und einer Netzimpedanz von 10 aus, so ist bei einer Reduktion der Ladeleistung auf 6,9kW eine Verbesserung des Wirkungsgrads um 1,2% möglich. Nimmt man weiter eine jährliche Fahrleistung von 15.000km und einen Energieverbrauch von 20kWh/100km an, so lassen sich 34kWh einsparen, was bei einem Energiepreis von 0,36/kWh einer monetären Ersparnis von 106 entspricht, In der Schleifenimpedanz ist auch die Strecke zwischen dem Hausanschluss und dem Verteiltransformator beinhaltet, der Großteil des Widerstands wird allerdings in der Hausverteilung anfallen.
Benutzervorteile sind sie am folgenden Beispiel ersichtlich: :

Ladegerät (7,2kW, 2 Phasen)
- - Fahrleistung mehr als 15tkm/Jahr; 20kWh/100km; 60W Fahrzeug-Grundverbrauch;
- - 1,2 Ohm Netzipmedanz; 7,2kW-2Ph-Laden; 0,3%/kWh
ergibt mehr als 30 EUR/Jahr (beim Optimum von 3,7kW statt 7,2kW)
Umweltschutz:
- - bei mehr als 1.000.000 Fahrzeugen; und einer Fahrleistung von 15 tkm/Jahr; 20kWh/100km; 60W Fahrzeug.-Grundverbrauch;
- - 0,6 Ohm durchschnittliche Netzimpedanz; 11 kW-Laden; 50%ige Nutzung der Funktion;
ergibt mehr als 7,5 GWh Energieersparnis und damit mehr als 3,75 Mt CO2-Reduktion (Annahme: 500 g/kWh)

Positiver Einfluss auf Netzinfrastruktur, da eine hohe Netzimpedanz automatisch zu geringerer Leistungsaufnahme führt.
Für die Netzimpedanz sind die tatsächlichen Leitungslängen vor allem bei Altbeständen und günstig nachgerüsteten Netzanschlüssen nicht zu unterschätzen. Klemmstellen können ebenfalls einen nicht unerheblichen Betrag addieren. Nach dem Anstecken des Kraftahrzeugs 10, bei Timerladen idealerweise vor dem Beginn des eigentlichen Ladevorgangs kann der Messzyklus 26 zumindest einmal durchgeführt werden. Die Verzögerung zwischen erster Messung, Ladestart und zweiter Messung möglichst gering halten, damit weitere Schaltvorgänge anderer Verbraucher unwahrscheinlicher sind. Abspeichern der drei Schleifenwiderstände und Nutzung des mittleren Schleifenwiderstands oder, bei einzeln regelbaren Phasen, aller drei Schleifenwiderstände.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein elektrisches Laden im Hinblick auf die Impedanz des Versorgungsnetzes im Wirkungsgrad optimiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/069096 A1 [0004]
DE 102014216020 A1 [0005]
DE 102014013870 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Ladegeräts (12) für ein Kraftfahrzeug (10), wobei zum Durchführen eines Energieaustauschs von elektrischer Energie zwischen einem stationären elektrischen Versorgungsnetz (15) und einem elektrischen Energiespeicher (11) des Kraftfahrzeugs (10) durch eine Prozessoreinrichtung (14) des Ladegeräts (12) mittels einer Messschaltung (21) des Ladegeräts (12) und/oder mittels eines Stromzählers (16) eines Netzanschlusspunktes (17) des Versorgungsnetzes (15) ein Messzyklus (26) durchgeführt wird, in welchem - vor einem Einschaltvorgang (28), durch welchen ein elektrischer Strom (I) für den Energieaustausch eingeschaltet wird, in einer ersten Messung (27) zumindest ein Netzspannungswert einer elektrischen Netzspannung (U) des Versorgungsnetzes (15) und - nach dem Einschaltvorgang (28) in einer zweiten Messung (29) zumindest ein weiterer Netzspannungswert (ULIN, UL2N, UL3N) der Netzspannung (U) und zumindest ein Stromstärkewert (I_L1, IL₂, IL₃) des eingeschalteten Stromes (I) ermittelt wird und - aus einem Unterschied (ΔU_L1N, ΔU_L2N, ΔU_L3N) aus dem zumindest einen Netzspannungswert der ersten Messung (27) einerseits und dem zumindest einen weiteren Netzspannungswert der zweiten Messung (29) andererseits und aus dem zumindest einen Stromstärkewert zumindest ein Impedanzwert (R_L1, R_L2, R_L3) einer Netzimpedanz (R) des Versorgungsnetzes (15) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem zumindest einen ermittelten Impedanzwert mittels einer vorbestimmten Zuordnungsfunktion (31) ein Leistungswert (100) einer in dem Ladegerät (12) für den weiteren Energieaustausch einzustellenden Übertragungsleistung (P) ermittelt wird, wobei die Zuordnungsfunktion (31) dem ermittelten zumindest einen Impedanzwert diejenige aus mehreren vorgebebenen Übertragungsleistungsstufen (34) des Ladegeräts (12) zuordnet, für welche sich ein Optimalwert (33) eines Gesamtwirkungsgrads (32) für den Energieaustausch ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtdauer des Messzyklus (26) kleiner als 1 Minute, insbesondere kleiner als 10 Sekunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Einschaltvorgang (28) abgewartet wird, bis eine vorbestimmte Abklingdauer vergangen ist, und erst nach der Abklingdauer die zweite Messung (29) begonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Netzspannungswerte mittels der Messschaltung (21) des Ladegeräts (12) und des Stromzählers (16) des Netzanschlusspunktes (17) ermittelt werden und der zumindest eine Impedanzwert nur für einen Netzabschnitt (18) zwischen dem Netzanschlusspunkt (17) und dem Ladegerät (12) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Zuordnungsfunktion (21) ein Grundverbrauch (Pcar) an elektrischer Leistung, den das Kraftfahrzeug (10) während des Energieaustauschs aufweist, berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Grundverbrauch (Pcar) als ein konstanter Wert oder dynamisch in Abhängigkeit von Meldedaten, welche aus zumindest einem aktiven Steuergerät des Kraftfahrzeugs (10) empfangen werden, festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Grundverbrauch (Pcar) während des Energieaustauschs bei Erkennen eines Schaltereignisses eines Steuergeräts in dem Kraftfahrzeug (10) und/oder zu vorbestimmten Zeitpunkten erneut ermittelt wird und der Leistungswert (100) daraufhin mittels der angepassten Zuordnungsfunktion neu ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Zuordnungsfunktion (31) ein von der Übertragungsleistung (P) abhängiger Eigenwirkungsgrad des Ladegeräts (12) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Strom (I) zumindest einmal wieder unterbrochen wird und jeweils zumindest ein weiterer Messzyklus (26) durchgeführt wird und der Leistungswert (100) auf der Grundlade des jeweiligen zumindest einen Impedanzwerts jedes der Messzyklen (26) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energieaustausch ein Ladevorgang des Energiespeichers (11) oder eine Energierückspeisung aus dem Energiespeichers (11) ist.
Ladegerät (12) für eine Kraftfahrzeug (10), wobei das Ladegerät (12) ein Schaltelement (13) zum Schalten eines elektrischen Stromes (I) und eine Prozessoreinrichtung (14) zum Steuern des Schaltelements (13) aufweist, wobei die Prozessoreinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Kraftfahrzeug (10) mit einem Ladegerät (12) nach Anspruch 11.