DE102010020609A1

DE102010020609A1 - Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE102010020609A1
Application number: DE201010020609
Authority: DE
Inventors: Dr. Maier Reinhard; Sebastian Nielebock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2011-11-17
Also published as: EP2569840A2; US20130062970A1; JP2013530667A; WO2011141416A3; CN102893479A; WO2011141416A2

Abstract

Es wird ein Phasenumschalter angegeben, der die am geringsten belastete Phase eines dreiphasigen Versorgungsnetzes zur Weiterleitung an einen einphasigen Anschluss auswählt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur Zwischenschaltung zwischen ein dreiphasiges Versorgungsnetzwerk und einen einphasigen Anschluss wie beispielsweise eine Steckdose.
Die Energiespeicher von elektrisch betriebenen Fahrzeugen werden in der nahen Zukunft häufig an Niederspannungsnetzen aufgeladen. Wegen der großen Energiemenge, die innerhalb kurzer Zeit im Fahrzeug gespeichert werden muss, haben die Ladegeräte voraussichtlich eine sehr hohe Anschlussleistung. Die Belastung des Niederspannungsnetzes wird dadurch gegenüber heute sehr stark zunehmen.
Ein Maß für die Belastung des Netzes ist der Spannungsabfall an den Netzimpedanzen, der zu einer gegenüber der Leerlaufspannung verringerten Spannung am Eingang des Ladegerätes führt. Bei einer unsymmetrischen Belastung des Netzes, beispielsweise durch das einphasige Ladegerät, wird durch unterschiedliche Spannungsabfälle auch die Anschlussspannung der drei Phasen des Versorgungsnetzwerks unsymmetrisch.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schalteinrichtung anzugeben, die das oben angegebene Problem vermindert. Insbesondere soll die Schalteinrichtung ermöglichen, die Belastung des Versorgungsnetzes zu verringern. Eine verringerte Belastung im Sinne einer weniger unsymmetrischen Belastung soll insbesondere beim Ladevorgang eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem einphasigen Ladegerät erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Schalteinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung umfasst:

– Mittel zum dreiphasigen Anschluss an ein Versorgungsnetz,
– Mittel zum Anschluss an Leitungen zur einphasigen Weitergabe von Spannung,
– Mittel zur Ermittlung der Phasenspannung wenigstens einer der drei Phasen und
– Schaltmittel zur Verbindung der Leitungen zur einphasigen Weitergabe von Spannung mit einer der drei Phasen.

Für die Erfindung wurde erkannt, dass einphasige Ladegeräte insbesondere in der Verwendung bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen bei einer weiten Verbreitung dieser Fahrzeuge zu einer erheblichen unsymmetrischen Belastung des Versorgungsnetzes führen können. Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist zweckmäßig zwischen einem Anschluss wie beispielsweise einer Steckdose und dem dreiphasigen Versorgungsnetz vorgesehen. Sie ermittelt die Phasenspannung wenigstens einer der drei Phasen des Versorgungsnetzes. Zweckmäßig ist es, wenn die Spannung aller drei Phasen ermittelt wird. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die höchste Spannung der drei Phasen ermittelt wird. Die Phase mit der höchsten Spannung ist die am wenigsten belastete Phase. Bevorzugt wird mit den Schaltmitteln die ermittelte Phase mit der höchsten Spannung mit den Leitungen zur einphasigen Weitergabe von Spannung verbunden. Vereinfacht gesagt wird beispielsweise die Phase mit der höchsten Spannung zur Steckdose weitergeleitet.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn während eines Ladevorgangs beispielsweise eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs, aber auch bei anderen Energiespeichern wie beispielsweise privaten, hausinternen Stromspeichern, eine Kommunikation zwischen dem Ladegerät oder dem Energiespeicher und der Schalteinrichtung möglich ist. Dazu weist die Schalteinrichtung bevorzugt eine Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einem an den Leitungen zur einphasigen Weitergabe von Spannung angeschlossenen Gerät auf. Die Kommunikationseinrichtung ist ausgestaltet, auf Signale des Geräts hin keine Umschaltung durch die Schaltmittel vorzunehmen. Mit anderen Worten kann über die Kommunikation zwischen dem angeschlossenen Gerät, beispielsweise dem Energiespeicher oder Ladegerät sichergestellt werden, dass die Schalteinrichtung während des Ladevorgangs keine Umschaltung der weitergeleiteten Phase vornimmt. Vorteilhaft kann hierdurch unterschieden werden zwischen Verbrauchern, bei denen eine Umschaltung der Phase während des Betriebs unschädlich ist und solchen, bei denen eine Umschaltung der Phase während des Betriebs nicht erfolgen sollte.
Ist bei dem angeschlossenen Gerät keine entsprechende Kommunikationseinrichtung vorhanden oder gibt es aus anderen Gründen keine Möglichkeit der beschriebenen Kommunikation und Steuerung, so ist es vorteilhaft, wenn die Schalteinrichtung Mittel zur Messung des Stroms in den Leitungen zur einphasigen Weitergabe von Spannung aufweist. Diese können beispielsweise als Stromumformer ausgestaltet sein. Damit kann die Schalteinrichtung unabhängig vom Gerät feststellen, ob gerade Leistung aus den Leitungen zur einphasigen Weitergabe von Spannung abgerufen wird. Die Schalteinrichtung kann dann während solcher Zeiten automatisch und ohne Einfluss von außen eine Umschaltung der Phase vermeiden.
Es wird weiterhin ein elektrischer Verbraucher angegeben, insbesondere ein Ladegerät zur Aufladung eines Speichers für elektrische Energie, mit

– Mitteln zum einphasigen Anschluss an ein Versorgungsnetz und
– einer Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einer Schalteinrichtung. Die Kommunikationseinrichtung ist ausgestaltet, Signale an die Schalteinrichtung abzugeben, die von der Schalteinrichtung so interpretierbar sind, dass die Schalteinrichtung eine Umschaltung zwischen verschiedenen Phasen des Versorgungsnetzes unterlässt oder vornehmen kann.

Die Schalteinrichtung kann sowohl zur Strommessung ausgestaltet sein als auch eine Kommunikationseinrichtung aufweisen.
Mit anderen Worten sind die beiden beschriebenen Möglichkeiten kombinierbar.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Die Figur zeigt eine Schalteinrichtung zwischen einem einphasigen Ladegerät und dem Versorgungsnetz.
Ein Versorgungsnetz umfasst drei Phasenleitungen 1, einen Neutralleiter 2 und einen Erdleiter 3. Ein Ladegerät 5 für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug ist an einer Steckdose (nicht gezeigt) angeschlossen und somit indirekt mit dem Versorgungsnetz verbunden. Das Ladegerät 5 lädt die Fahrzeugbatterie 6.
Dabei sind der Neutralleiter 2 und der Erdleiter 3 direkt durchverbunden zur Steckdose und somit auch zum Ladegerät 5. Zwischen den Phasenleitungen 1 des Versorgungsnetzes und der einzelnen Phasenleitung 9 der Steckdose ist jedoch eine Schalteinrichtung vorgesehen, die einen Mess- und Kontrolleinrichtung 4, einen Schalter 7 und einen Stromumformer 8 umfasst.
In diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass keine Kommunikationsmöglichkeit zwischen dem Ladgerät 5 und der Mess- und Kontrolleinrichtung 4 besteht. Daher verwendet die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 den Stromumformer 8, um zu ermitteln, ob das Ladegerät 5 oder ein anderweitig angeschlossenes Gerät arbeitet und einen Stromfluss verursacht. Dazu wird der Stromfluss bzw. dessen Mittel- oder Effektivwert mit einem Schwellwert verglichen. Dieser Schwellwert ist festlegbar. Er kann beispielsweise so festgelegt werden, dass er eine Unterscheidung zwischen Ladegeräten für elektrisch betriebene Fahrzeuge oder ähnlichen Geräten an der Leistungsobergrenze für einphasige Leitungen und anderen Verbrauchern mit geringerer Leistung ermöglicht. Er kann auch so gelegt werden, dass eine Unterschreitung praktisch keinen Stromfluss darstellt, mit anderen Worten, dass der Schwellwert nur unterschritten wird, wenn so gut wie keine Leistung gezogen wird.
Unterschreitet der Stromfluss die festlegbare Schwelle, so ermittelt die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 die Phasenleitung 1 mit der höchsten Spannung. Dabei wird zweckmäßig der Mittel- oder Effektivwert betrachtet. Ist diese ermittelt, wird der Schalter 7 so angesteuert, dass die ermittelte Phase, eben jene mit der höchsten Spannung, also geringsten Belastung, mit der Steckdose durchverbunden. Mit anderen Worten greift das Ladegerät oder ein anderes Gerät an der Steckdose automatisch auf die Phasenleitung 1 zurück, die zum Zeitpunkt der letzten Messung durch die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 die höchste Spannung hatte.
Sowohl bei der Strommessung als auch bei der Spannungsmessung ist es zweckmäßig, wegen des Wechselspannungscharakters für die Messung des Mittelwerts eine ausreichende Zeitspanne zuzulassen. Mit anderen Worten sollte die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 nicht unmittelbar reagieren, wenn sich eine (scheinbare) Änderung der Umstände ergibt, sondern erst beispielsweise 1 Sekunde, oder in anderen Beispielen 5 s, 10 s oder 100 ms verstreichen zu lassen.
In einem anderen Beispiel für die Erfindung (nicht dargestellt) ist das Ladegerät 5 mit einer Kommunikationseinrichtung ausgestattet. Diese ist im vorliegenden Beispiel als für sich genommen bekannte „Power Line Communication”-Schnittstelle (= PLC) ausgestaltet. Diese Schnittstelle wird genutzt, um ein Signal in das Netz und zur Mess- und Kontrolleinrichtung 4 zurückzuspeisen, wenn das Ladegerät tatsächlich einen Ladevorgang betreibt. Das Signal wird von der Mess- und Kontrolleinrichtung 4 aufgenommen und interpretiert. Bekommt die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 ein entsprechend gestaltetes Signal vom Ladegerät 5, so wird in der Folge keine Umschaltung der Phasenleitung 1 mehr vorgenommen.
Dies kann beispielsweise so lange gelten, bis das Ladegerät 5 ein entsprechendes Signal schickt, das eine Umschaltung wieder erlaubt. Zweckmäßig hat die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 eine anderweitige Möglichkeit, wieder Umschaltungen vorzunehmen, vorgesehen. Beispielsweise kann die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 nach einer Zeitspanne von beispielsweise 1 Minute oder insbesondere 10 s ohne Stromfluss zur Steckdose davon ausgehen, dass eine Umschaltung wieder möglich ist. Hierzu weist die Mess- und Kontrolleinrichtung 4 dieses zweiten Beispiels ebenfalls den Stromumformer 8 auf.

Claims

Schalteinrichtung mit – Mitteln zum dreiphasigen Anschluss an ein Versorgungsnetz, – Mitteln zum Anschluss an Leitungen (2, 3, 9) zur einphasigen Weitergabe von Spannung, – Mitteln zur Ermittlung der Phasenspannung wenigstens einer der drei Phasen (1) des Versorgungsnetzes, – Schaltmitteln (7) zur Verbindung der Leitungen (2, 3, 9) zur einphasigen Weitergabe von Spannung mit einer der drei Phasen (1).
Schalteinrichtung gemäß Anspruch 1 mit Mitteln (8) zur Messung des Stroms in den Leitungen (2, 3, 9) zur einphasigen Weitergabe von Spannung.
Schalteinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Mittel (8) zur Messung des Stroms als Stromumformer (8) ausgestaltet sind.
Schalteinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, derart ausgestaltet, dass mit den Mitteln zur Ermittlung der Phasenspannung wenigstens einer drei Phasen (1) die Phase (1) mit der höchsten Phasenspannung ermittelt wird und mit den Schaltmitteln (7) die ermittelte Phase (1) mit den Leitungen (2, 3, 9) zur einphasigen Weitergabe von Spannung verbunden wird.
Schalteinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einem an den Leitungen (2, 3, 9) zur einphasigen Weitergabe von Spannung angeschlossenen Gerät (5), wobei die Kommunikationseinrichtung ausgestaltet ist, auf Signale des Geräts (5) hin keine Umschaltung durch die Schaltmittel (7) vorzunehmen.
Elektrischer Verbraucher (5) mit – Mitteln zum einphasigen Anschluss an ein Versorgungsnetz, – einer Kommunikationseinrichtung zur Kommunikation mit einer Schalteinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kommunikationseinrichtung ausgestaltet ist, Signale an die Schalteinrichtung abzugeben, die eine Umschaltung zwischen verschiedenen Phasen (1) des Versorgungsnetzes verhindern oder erlauben.