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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladegerät für ein Dreiphasenwechselstromnetz sowie ein Ladeverfahren für eine Batterie, die mit einem, an ein Dreiphasenwechselstromnetz angeschlossenes Ladegerät geladen wird.
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Aus
CN 106183878 A ist eine Gleichstromladesäule bekannt, die an ein Dreiphasenwechselstromnetz angeschlossen ist. Das Ladegerät sieht vor, den Strom zu messen und einen nicht ausbalancierten Strom auszugleichen. Ferner ist bekannt geworden, eine Blindleistungskorrektur vorzunehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät und ein Ladeverfahren bereitzustellen, das in einfacher Weise eine Schieflastdetektion in einem Dreiphasenwechselstromnetz bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Ladegerät mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und ein Ladeverfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Ladegerät ist für ein Dreiphasenwechselstromnetz mit einer Schieflastdetektion ausgestattet. Das Ladegerät ist insbesondere zum Laden von Batterien von Flurförderzeugen vorgesehen. Das Ladegerät ist für jede der drei Phasen mit einem Leistungsmodul ausgestattet, das die jeweils anliegende Phase gleichrichtet. Ferner ist mindestens ein Messmodul vorgesehen, das für jedes Leistungsmodul eine anliegende Netzspannung und einen entsprechenden Netzstrom misst. Die gemessenen Werte zur anliegenden Netzspannung und zu dem entsprechenden Netzstrom liegen an einer zentralen Steuerung des Ladegeräts an. Die zentrale Steuerung vergleicht die gemessenen Netzspannungen und Netzströme der einzelnen Phasen miteinander. Beim Vorliegen einer Schieflast werden ein oder mehrere Phasen priorisiert, um eine gleiche Belastung aller Phasen zu erzielen. Bei dem erfindungsgemäßen Ladegerät ist das Messmodul dafür verantwortlich, einen Lastwert für jede Phase zu ermitteln. Dieser wird aus Spannung und Strom der jeweiligen Phasen ermittelt. Das Priorisieren von einer oder mehreren Phasen kann beispielsweise aktiv durch eine Leistungsreduzierung oder eine Leistungssteigerung von einzelnen Leistungsmodulen aktiv eingestellt werden. Der besondere Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Ladegerät besteht darin, dass dies mit einer Schieflast umgehen kann, wenn diese bereits im Dreiphasenwechselstromnetz vorliegt. Das Ladegerät kommt auch gut mit einer Schieflast zurecht, die durch das Ladegerät hervorgerufen ist. Erreicht wird dies dadurch, dass das mindestens eine Messmodul für jedes Leistungsmodul einen Lastwert aus dem anliegenden Netzstrom und der anliegenden Netzspannung in der entsprechenden Phase bestimmt.
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In einer Ausgestaltung ist genau ein Messmodul vorgesehen, das Strom- und Spannungswert für jede Phase misst. Je nach Ausgestaltung des Messmoduls können die Phasen zeitlich nacheinander gemessen werden. Es ist aber auch möglich, Strom und Spannung der drei Phasen gleichzeitig zu messen.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist jedes Leistungsmodul mit einem Messmodul ausgestattet. Das Messmodul kann kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitintervallen Strom und Spannung in der Phase seines Leistungsmoduls erfassen. Diese Erfassung von Strom und Leistung kann vor und nach dem Ladevorgang fortgesetzt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Messmodul dazu ausgelegt, vor Beginn des Ladevorgangs eine Schieflast zu ermitteln. Auf diese Weise wird im Wesentlichen die netzseitige Schieflast erfasst und der Ladevorgang daran angepasst, um eine netzseitige Schieflast nicht an die zu ladende Batterie weiterzugeben. Dies erfolgt insbesondere im Falle einer großen Schieflast durch eine verlängerte Ladezeit bzw. reduzierte Ladeleistung.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Messmodul während des Ladevorgangs eine Schieflast ermittelt. Dies bedeutet, dass nicht nur eine netzseitige Schieflast, sondern auch eine im Ladegerät sich aufbauende Schieflast berücksichtigt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Messmodul bei einem Umschalten während des Ladevorgangs eine Schieflast ermittelt. Während des Ladevorgangs gibt es verschiedene Ladeabschnitte, die für ein schnelles und vollständiges Laden der Batterie sorgen. Zwischen diesen Ladeabschnitten wird umgeschaltet, wobei bevorzugt bei diesen Umschaltvorgängen eine Schieflast ermittelt wird. Dies besitzt den Vorteil, dass eine sich während des Ladevorgangs oder eines Abschnitts des Ladevorgangs aufgebaute Schieflast früh erkannt und für den nächsten Ladevorgang berücksichtigt werden kann.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Ladegerät periodisch wiederkehrend eine Schieflast ermittelt. Hierbei ist zu unterscheiden, wieviel Zeit zwischen zwei Messvorgängen verstreicht. Durchaus möglich ist es, die Zeitspanne so zu wählen, dass eine gewisse Anzahl von Messvorgängen während eines durchschnittlichen Ladevorgangs erfolgt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Messmodul in dem Gehäuse des Ladegeräts angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Ladeverfahren für eine Batterie mit den Merkmalen aus Anspruch 9 gelöst. Das erfindungsgemäße Ladeverfahren ist vorgesehen und bestimmt, um eine Batterie an einen Dreiphasenwechselstromnetz zu laden. Das Ladeverfahren besitzt die folgenden Schritte:
- • Bestimmen einer Last für jede Phase,
- • Berechnen einer Differenzlast zu einer oder beiden anderen Phasen und
- • Reduzieren der Last an der Phase mit der größten Last um einen Betrag der kleiner oder gleich ihrer Differenzlast ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt, die Schieflastdetektion unabhängig von der jeweiligen bei dem Ladeverfahren eingesetzten Ladekennlinie.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für jede Phase die Differenzlast bestimmt. Die Differenzlast kann dabei gegenüber einer anderen Phase oder gegenüber beiden anderen Phasen bestimmt werden. Auch ist es möglich, verschiedene Kombinationen und Gewichtungen für die Bestimmung der Differenzlast vorzusehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für jede Phase eine Differenzlast bestimmt, wobei die Differenzlast sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist es nicht nur vorgesehen, die Last an der Phase mit der größten Last zu reduzieren, sondern es ist auch vorgesehen, die Phasen, deren Last nicht reduziert wird, mit einer zusätzlichen Last zu belasten, wobei der Betrag der zusätzlichen Last kleiner als die Differenzlast ist. In dieser Ausgestaltung wird die Schieflast also dadurch aufgehoben, dass die Phase mit der größten Differenzlast reduziert und die übrigen Phasen mit ihrer Last angehoben werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Ladeverfahrens kann vorgesehen sein, die Zeitdauer zu erfassen, in der eine der Phasen stärker als andere Phasen belastet ist. Bevorzugt wird die Zeitdauer für jede Phase aufakkummuliert, um eine dauerhafte Schiefbelastung der Phasen zu erkennen. Das Erkennen einer dauerhaften Schiefbelastung hat insofern einen Vorteil, als Fehler im Ladegerät oder Fehler im Dreiphasenwechselstromnetz zuverlässig erkannt werden können.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lasten für jede Phase während, vor und/oder nach dem Ladevorgang gemessen werden können.
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Um einen instabilen Zustand beim Ladevorgang zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die Last an der Phase mit der größten Last nur dann reduziert wird, wenn die Differenz einen Einschaltwert überschreitet. Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass die Last an der Phase mit der größten Last nicht länger reduziert wird, wenn die Differenzlast einen Ausschaltwert unterschreitet. Wenn Einschaltwert und Ausschaltwert sich geringfügig in ihren Werten unterscheiden, kann ein instabiler Wechsel der Schaltzustände vermieden werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Ladegeräts sowie bevorzugte Abläufe des Ladeverfahrens werden in den nachfolgenden Beispielen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 die schematische Ansicht eines Ladegeräts, dessen Messmodule den Leistungskomponenten für die einzelnen Phasen zugeordnet sind,
- 2 ein Ladegerät mit einem zentralen Messmodul,
- 3 ein schematisches Flussdiagramm für den Ablauf der Ladeverfahrens,
- 4 ein Flussdiagramm für den Ablauf einer zweiten Variante des Ladeverfahrens,
- 5 ein Flussdiagramm für eine dritte Variante des Ladeverfahrens und
- 6 eine vierte Variante für das Ladeverfahren.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Ladegerät 10, das an ein Dreiphasenwechselstromnetz 12 angeschlossen ist, um eine Batterie 14 in einem Flurförderzeug zu laden. Der Ladevorgang erfolgt über Gleichstromleitungen 16, 18, die das Ladegerät 10 mit der Batterie 14 verbinden. Ladestrom und Ladespannung richten sich hierbei nach einem Ladeprogramm, das von einer zentralen Recheneinheit 20 des Ladegeräts 10 bereitgestellt wird. Je nach Ladezustand der Batterie und weiteren Faktoren kann das Ladeprogramm unterschiedlich ausgelegt werden.
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Das Ladegerät 10 weist ferner für jede Phase eine Leistungskomponente 22, 24, 26 auf. Jede der Leistungskomponente 22, 24, 26 ist mit einer Phase des Dreiphasenwechselstromnetzes 12 verbunden. Die Verbindungsleitungen zu den einzelnen Phasen 28, 30, 32 sind in 1 separat und qualitativ dargestellt. Möglich ist es, dass das Ladegerät über einen einzigen elektrischen Steckverbinder mit dem Versorgungsnetz 12 verbunden wird.
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Die Leistungskomponenten 22, 24, 26 besitzen jeweils ein Messmodul 34, 36, 38 an dem auch die Phase der zugehörigen Leistungskomponente anliegt. Das Messmodul bestimmt jeweils aktuell die Netzspannung und den Netzstrom, um daraus die über die entsprechende Leistungskomponente laufende Last zu bestimmen. Über einen bidirektionalen Bus 40 sind die Leistungskomponenten 22, 24, 26 mit einer zentralen Recheneinheit 20 verbunden. Die zentrale Recheneinheit steuert einerseits die Leistungskomponenten 22, 24, 26 zur Abgabe der entsprechenden Ladespannung und des entsprechenden Ladestroms, die über die Leitungen 16, 18 an der Batterie 14 anliegen. Andererseits liegt über den bidirektionalen Bus 40 der bestimmte Lastwerte der einzelnen Phasen an der zentralen Rechnereinheit 20 an. So kann die zentrale Recheneinheit 20 eine Schieflast feststellen und die Leistungskomponenten 22, 24, 26 entsprechend ansteuern.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der ein zentrales Messmodul 42 vorgesehen ist. Die Leistungskomponente 22', 24` und 26' sind bei dieser Ausgestaltung ohne Messmodul ausgestattet. Das zentrale Messmodul 42 misst innerhalb des Ladegeräts 10 an den jeweiligen Phasen, um deren Last zu erfassen. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein zentrales Messmodul mit einer eigenen elektrischen Steckverbindung an das Versorgungsnetz 12 anzuschließen. Das zentrale Messmodul 42 kann alle Phasen gleichzeitig oder nacheinander messen und an die zentrale Recheneinheit 20 zur Erkennung der Last auf den einzelnen Phasen und einer Schieflast weiterleiten. In 2 ist das zentrale Messmodul 42 als Bestandteil des Ladegeräts 10 dargestellt. Das zentrale Messmodul 42 kann auch außerhalb des Ladegeräts angeordnet sein und eine Verbindung zu der zentralen Recheneinheit 20 aufweisen, um so die gemessenen Phasen anzulegen.
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3 zeigt in einem schematisch dargestellten Flussdiagramm den Beginn eines Ladeverfahrens mit Schritt 44. In Schritt 46 wird überprüft, ob das Ladegerät aktiv ladend ist. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 48 die Phasenbelastung der drei Phasen bestimmt. Ist das Gerät nicht aktiv geladen, so verbleibt es in seinem Zustand und es erfolgt kein Ladevorgang. In der Abfrage 50 wird abgefragt, welche Phase die größte Last besitzt. Hierfür wird für jede Phase der aktuelle Lastwert berechnet und mit den beiden anderen Phasen verglichen. Wird beim Vergleichen der Phasen in Schritt 50 festgestellt, dass diese gleich belastet sind, wird das Verfahren in Schritt 62 fortgesetzt, um in Schritt 60 in einen Wartezustand zu gehen. Der Wartezustand kann einige Sekunden bis Minuten dauern und soll verhindern, dass Schwingungszustände in dem Ladegerät auftreten. Zusätzlich oder alternativ zu dem Wartezustand in Schritt 60 kann auch eine Hysterese durch unterschiedlich gewählte Vergleichswerte vorgesehen sein.
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Wird bei der Abfrage 50 festgestellt, dass eine Phase eine höhere Last besitzt als die beiden anderen Phasen, wird mit Schritt 52 das Reduzieren der Last für diese Phase eingeleitet. Für das Reduzieren der Last wird in Schritt 54 die eine Lastdifferenz berechnet. Die Lastdifferenz kann auf sehr unterschiedliche Art und Weise berechnet werden. Beispielsweise kann als Lastdifferenz die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Last angesetzt werden. Auch ist es möglich, die größte Last mit einem Mittelwert der beiden anderen Lasten zu vergleichen. Ist die Lastdifferenzierung ermittelt, so wird in Schritt 56 die Last reduziert. In Schritt 58 wird eine weitere Last auf die Phasen mit geringerer Last verteilt. Beide Schritte gemeinsam, also sowohl die Leistungsreduzierung als auch die Verteilung auf die anderen Lasten, bewirken eine Vergleichmäßigung der Last in den Phasen des Ladegeräts. Grundsätzlich ist es auch möglich, nur die Last auf der am stärksten belasteten Phase zu reduzieren, ohne die Last auf die anderen Phasen zu erhöhen. Nachdem die Lastverteilung in den Schritten 56 und 58 geändert wurde, verbleibt das Verfahren für eine vorbestimmte Zeitspanne in Schritt 60, um entsprechend abzuwarten. Ist die vorbestimmte Zeitspanne in 60 verstrichen, beginnt das Verfahren erneut mit der Abfrage 46, ob das Gerät noch aktiv ladend ist.
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4 beschreibt einen alternativen Ladevorgang, bei dem zu Beginn des Ladevorgangs die Phasenlast vergleichmäßigt wird. Nach dem Start des Ladevorgangs 62 werden in Verfahrensschritt 64 die Phasenbelastungen bestimmt. Ausgehend von den bestimmten Phasenbelastungen wird in Schritt 66 die Lastdifferenz berechnet und in Schritt 68 erfolgt eine Bewertung der Phasen. Die Bewertung der Phasen 68 kann beispielsweise vorsehen, dass mithilfe von Schwellwertvergleichen entschieden wird, ob eine Phase mehr oder weniger zu belasten ist. Beispielsweise kann eine Mindestlastdifferenz definiert sein, bei deren Überschreiten eine Lastreduzierung ausgelöst wird. Ebenfalls kann ein Ausschaltwert für die Lastdifferenz vorgesehen sein, bei dessen Unterschreiten eine Lastreduzierung ausgeschaltet wird. In Verfahrensschritt 70 wird dann die Last gleichmäßig auf die Phasen verteilt. Dies kann wieder geschehen, indem die Phase mit der größten Last ihre Last reduziert und/oder die anderen Phasen ihre Lasten anheben. Nachdem dieser Schritt abgeschlossen ist, wartet das Verfahren ein Ende des Ladevorgangs 72 ab. Das Verfahren führt also nur zu Beginn des Ladevorgangs einmalig eine Gleichverteilung der Lasten durch und wartet dann ab, bis der Ladevorgang, für den der Lastenausgleich ausgeführt wurde, abgeschlossen ist.
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5 zeigt ein weiteres Ladeverfahren, das nach einem Startschritt 74 in Schritt 76 abfragt, ob der Ladevorgang gestartet wurde. In Schritt 78 erfolgt das Bestimmen der Phasenbelastung für alle drei Phasen. In Schritt 80 erfolgt, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen, ein Berechnen der Lastdifferenz 80, ein Reduzieren der Last auf die Phase mit der größten Belastung 82 sowie eine Gleichverteilung der Last auf alle Phasen 84. Nach der Gleichverteilung der Last wartet das Verfahren in Schritt 86 für eine vorbestimmte Zeit ab, um nachfolgend in Schritt 76 mit der Gleichverteilung fort zu fahren. Das Verfahren in 5 unterscheidet sich von dem Verfahren in 4 dadurch, dass während des Ladevorgangs fortlaufend in die Lastverteilung eingegriffen wird. Im Unterschied zu dem Verfahren aus 3 fehlt bei dem Verfahren aus 5 der Schritt 62, bei dem nicht in die Lastverteilung eingegriffen wird, weil alle Phasen annähernd gleich belastet sind.
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6 bietet ein besonderes Merkmal im Hinblick auf eine Schieflastdetektion. Bei dem Verfahren wird der Ladevorgang in Schritt 88 gestartet. In Verfahrensschritt 90 wird überprüft, ob das Ladegerät aktiv ist, um in diesem Fall die Phasenbelastung in Schritt 92 zu bestimmen. In Schritt 94 wird überprüft, welche Phase am meisten belastet ist. Ist eine Phase mehr belastet als die anderen Phasen, so wird in Schritt 96 die Phase mit der höchsten Last reduziert. Diese Lastreduktion erfolgt durch die nachfolgenden Schritte 100, 102 und Schritt 104. In Schritt 100 wird die Lastdifferenz berechnet. In Schritt 102 wird die am meisten belastete Phase um einen Betrag kleiner oder gleich der Lastdifferenz reduziert. Schritt 104 kann optional die weiteren Lasten auf die Phasen gleich verteilt werden. Schritt 98 wird durchlaufen, wenn die Phasen gleich belastet sind. Eine gleiche Last an den Phasen wird für Schritt 98 erkannt, wenn die Lastdifferenz innerhalb eines vorbestimmten Intervalls liegt. Auch kann eine Art Hysterese bei der Abfrage 94 vorgesehen sein, die dafür sorgt, dass das Ladegerät nicht zwischen den Zuständen 96 und 98 hin und her springt, beispielsweise indem bei einem Zyklus eine Gleichverteilung der Last ausgelöst und im nächsten Zyklus diese wieder eingestellt wird. Erreicht werden kann eine solche Hysterese, indem der Grenzwert bei der Abfrage, ob eine Last stärker belastet ist als die anderen Lasten, einen anderen Wert besitzt als der Schwellwert für den Schritt 98, wonach die Lasten gleich verteilt sind.
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In Schritt 106 wird überprüft, ob für die Phase mit der höchsten Belastung dieser Zustand schon einmal vorgelegen hat. In diesem Fall wird in Schritt 108 ein Zähler hochgezählt, so dass der Zähler akkumuliert einen Wert enthält, der angibt, wie lange diese Phase stärker belastet war als die anderen Phasen. In Schritt 110 wird wieder für eine vorbestimmte Zeitdauer abgewartet, um dann in Schritt 90 zurückzukehren und den nächsten Zyklus des Ladeverfahrens zu durchlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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