DE102017201734B4

DE102017201734B4 - Ladegerät und Verfahren zur Reduzierung der Schieflast eines zweiphasigen Ladegeräts

Info

Publication number: DE102017201734B4
Application number: DE102017201734.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Wittchow; Paul Birgel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-02-04
Also published as: DE102017201734A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät (1) für einen Gleichspannungsenergiespeicher, wobei das Ladegerät (1) als zweiphasiges Ladegerät (1) ausgebildet ist, das einen ersten Ladeanschluss (A1) für eine erste Phasenleitung (L1) und einen zweiten Ladeanschluss (A2) für eine zweite Phasenleitung (L2) aufweist, wobei das Ladegerät (1) für jede angeschlossene Phasenleitung (L1, L2) einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC1, PFC2) aufweist, mittels dessen die Phasenlage von Storm und Spannung an der Phasenleitung (L1, L2) einstellbar ist, sowie mindestens eine Steuerschaltung (3) für die aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC1, PFC2) aufweist, wobei die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet, dass die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an mindestens einer Phasenleitung (L1, L2) derart verschoben wird, dass die Summe aus den Strömen (I(L1), I(L2)) auf den beiden Phasenleitungen (L1, L2) reduziert wird, sowie ein Verfahren zur Reduzierung der Schieflast (I(N)) bei einem zweiphasigen Ladegerät (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät und ein Verfahren zur Reduzierung der Schieflast eines zweiphasigen Ladegeräts.
Die zunehmende Anzahl von Elektrofahrzeugen wird in Zukunft stärkere Anforderungen an die Verteilnetze der Energieversorger stellen. Ladegeräte, die einphasig oder zweiphasig angeschlossen werden, sorgen dafür, dass im Netz eine Asymmetrie zwischen den Phasenspannungen entsteht, was zu einem erhöhten Stromfluss auf dem Nullleiter führt. Dieser Stromfluss auf dem Nullleiter wird auch als Schieflast bezeichnet. Wie elektrische Verbraucher an das Netz angeschlossen werden, wird in Deutschland beispielsweise in den Technischen Anschlussbedingungen TAB geregelt. Dabei ist beispielsweise vorgesehen, dass Verbraucher nur bis zu einer Anschlussleistung von 4,6 kW einphasig betrieben werden dürfen. Bei zweiphasigen Verbrauchern, wie beispielsweise einem Ladegerät mit 7,2 kW, tritt nun der Fall auf, dass diese das Netz pro Phase nur wie ein einphasiges 3,6 kW-Ladegerät belasten, allerdings insgesamt eine Anschlussleistung von größer 4,6 kW aufweisen. Dreiphasige Ladegeräte haben das Problem systembedingt nicht, sind jedoch in der Leistungsklasse nicht kostenoptimal.
Aus der DE 10 2015 000 076 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines an zumindest einer Phase betreibbaren Verbrauchers mit den folgenden Verfahrensschritten bekannt:

- Messen von zumindest einer elektrischen Größe an zumindest zwei eingangsseitigen Phasen einer zumindest zwei Ausgänge aufweisenden Schaltmatrix, wobei die Eingänge mit verschiedenen Phasen eines Teilnehmernetzes verbunden sind,
- Zuordnen von zumindest einem Eingang der Schaltmatrix zu zumindest einem Ausgang der Schaltmatrix abhängig von der Messung, wobei in der Schaltmatrix zumindest weniger Ausgängen Eingänge zugewiesen werden, als Eingänge vorhanden sind.

Auch sind Leistungsfaktorkorrekturfilter bekannt, die sowohl aktiv als auch passiv sein können, deren Ziel es ist, Strom und Spannung an einer Phasenleitung möglichst in Phase zu bringen, um so störende Oberschwingungen und die Blindleistung zu minimieren. Üblicher Werte liegen bei 0,98, was einer sehr geringen Phasendifferenz von wenigen Grad entspricht und gleichbedeutend ist mit 2 % Blindleistung.
Aus der DE 10 2010 010 722 A1 ist ein Ladegerät für einen Gleichspannungsenergiespeicher bekannt, wobei das Ladegerät als zweiphasiges Ladegerät ausgebildet ist, das einen ersten Ladeanschluss für eine erste Phasenleitung und einen zweiten Ladeanschluss für eine zweite Phasenleitung aufweist, wobei das Ladegerät für jede angeschlossene Phasenleitung einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter aufweist, mittels dessen die Phasenanlage von Strom und Spannung an der Phasenleitung einstellbar ist, sowie mindestens eine Steuerschaltung für die aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter aufweist.
Aus der DE 35 44 230 A1 ist eine Einrichtung zur Symmetrierung von Schieflasten bekannt, wobei ein durch eine unsymmetrische Last belastetes Versorgungsnetz durch die Verschiebung der Phasenlage zwischen Strom und Spannung die Summe aus den Strömen auf den Phasenleitungen reduziert wird, wobei die Phasenlagen zwischen Strom und Spannung an den mehreren Phasenleitungen verschoben wird.
Ähnliche Einrichtungen sind aus der GB 1 576 561 A sowie der DE 22 47 819 A bekannt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein zweiphasiges Ladegerät zu schaffen, mittels dessen die Schieflast reduziert werden kann. Ein weiteres technisches Problem ist, ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Ladegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Ladegerät für einen Gleichspannungsenergiespeicher ist als zweiphasiges Ladegerät ausgebildet, das einen ersten Ladeanschluss für eine erste Phasenleitung und einen zweiten Ladeanschluss für eine zweite Phasenleitung aufweist. Das Ladegerät weist für jede angeschlossene Phasenleitung einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter auf, mittels dessen die Phasenlage von Strom und Spannung an der Phasenleitung einstellbar ist. Weiter weist das Ladegerät mindestens eine Steuerschaltung auf, die derart ausgebildet ist, dass die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an mindestens einer Phasenleitung derart verschoben wird, dass die Summe aus den Strömen auf den beiden Phasenleitungen reduziert wird. Hierdurch wird erreicht, dass auch die Schieflast reduziert wird, da diese gerade der Summe der Ströme entspricht (mit unterschiedlichen Vorzeichen). Der Grundgedanke der Erfindung ist, dass der oder die Leistungsfaktorkorrekturfilter nicht wie im Stand der Technik angesteuert werden, um die Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung zu minimieren, um die Blindleistung zu minimieren, sondern gezielt die Phasenlage verschoben wird, um die Schieflast zu reduzieren. Hierzu wird anschaulich der Strom mindestens einer Phasenleitung entgegen der Richtung des Stromes der anderen Phasenleitung verschoben, sodass die Summe minimiert wird. Je nach Ausgangslage der beiden Phasen und je nachdem, welche Phase beeinflusst wird, kann dies einmal darin bestehen, dass der Strom der Spannung vor- oder nacheilt. Hierdurch wird zwar die Blindleistung etwas erhöht, allerdings nur minimal, solange die Phasendifferenz nicht zu groß wird, d.h. durch eine minimale Erhöhung der Blindleistung kann die Schieflast signifikant reduziert werden.
Dabei ist die Steuerschaltung derart ausgebildet, dass die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an beiden Phasenleitungen verschoben wird. Dies bewirkt ein besseres Verhältnis bezüglich der Blindleistungen und der Schieflast, da der Kosinus nicht linear ist. Beispielsweise ist die Summe der Blindleistungen bei einer Verschiebung von +5° für die eine und -5° für die andere Phase kleiner als die Blindleistung von einmal 10° für eine Phase, da 2 x cos 5° < cos 10° ist. Daher ist die eingestellte Phasenlage zwischen Strom und Spannung der jeweiligen Phasenleitungen betragsmäßig gleich, wobei die Phasenlagen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerschaltung derart ausgebildet, in Abhängigkeit eines Signals eines Netzüberwachungsmoduls die Phasenlage anzupassen. Das Netzüberwachungsmodul kann dabei ein dezentrales oder ein zentrales Überwachungsmodul sein, das die Belastung aller Phasen des Netzes überwacht. Dadurch kann das Ladegerät seine Schieflast gezielt auf Netzsituationen anpassen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Steuerschaltung ein Grenzwert für die eingestellte Phasenlage zugeordnet, der vorzugsweise kleiner/gleich 20° ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei noch größeren Phasenlagen die Blindleistung zu stark ansteigt. Weiter vorzugsweise liegt der Grenzwert bei kleiner/gleich 15° und noch bevorzugter bei kleiner/gleich 10°. Beispielsweise liegt die Blindleistung bei 15°-Phasenverschiebung bei nur ca. 3,5 %.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines zweiphasigen Ladegerätes,
2 einen Verlauf der Ströme auf den beiden Phasenleitungen und dem Neutralleiter gemäß dem Stand der Technik und
3 einen Verlauf der Ströme auf den beiden Phasenleitungen und dem Neutralleiter bei einer Phasenverschiebung von ±15°.

Das zweiphasige Ladegerät 1 weist einen ersten Ladeanschluss A1 für eine erste Phasenleitung L1 und einen zweiten Ladeanschluss A2 für eine zweite Phasenleitung L2 auf. Weiter weist das Ladegerät 1 einen dritten Ladeanschluss A3 für den Neutralleiter N auf. In dem Ladegerät 1 sind ein erster Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC1 und ein zweiter Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC2 für die erste Phasenleitung L1 und zweite Phasenleitung L2 angeordnet, die einer Leistungselektronik LE vorgeschaltet sind. Die Leistungselektronik LE ist ein Wechselrichter, der die Wechselspannungen auf den beiden Phasenleitungen L1, L2 in eine Gleichspannung zum Laden eines Gleichspannungsenergiespeichers 2 wandelt. Der Gleichspannungsenergiespeicher 2 ist beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Weiter weist das Ladegerät 1 eine Steuerschaltung 3 auf, die die beiden Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC1, PFC2 ansteuert, um die Phasenlage zwischen Strom und Spannung einzustellen. Weiter ist in 1 ein Netzüberwachungsmodul 4 dargestellt, das die Belastung des Netzes überwacht und datentechnisch mit der Steuerschaltung 3 verbunden ist. Die Steuerschaltung 3 ist dabei derart ausgebildet, die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an der ersten und zweiten Phasenleitung derart zu verschieben, dass die Summe aus den Strömen auf den beiden Phasenleitungen L1, L2 reduziert wird. Hierzu stellt die Steuerschaltung 3 beispielsweise den ersten Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC1 derart ein, dass der Strom der Spannung um 15° voreilt und den zweiten Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC2 derart ein, dass der Strom der Spannung um 15° nacheilt. Dies entspricht dann einem Korrekturfaktor von ca. 0,965, sodass jeweils weniger als 4 % Blindleistung erzeugt werden, wobei sich die resultierende Schieflast nahezu halbiert. Über die optionale Berücksichtigung der Signale des Netzüberwachungsmoduls 4 kann dabei die Steuerschaltung bei der Einstellung der Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC1, PFC2 zusätzlich übergeordnete Lastzustände des Netzes berücksichtigen.
Die Wirkungsweise dieser gezielten Verschiebung der Phasenlage soll nun anhand der 2 und 3 erläutert werden. Die übliche Umsetzung eines 7,2 kW Ladegerätes entnimmt dem dreiphasigen Netz an zwei Phasen je 16 A Wirkstrom. Die Leistungsfaktorkorrekturfilter PFC1, PFC2 gemäß dem Stand der Technik sorgen dafür, dass pro Phase nahezu keine Blindleistung dem Netz entnommen wird. Es entsteht eine asymmetrische Belastung, also ein Strom durch den Neutralleiter N von genau 16 A, d.h. ein normales 2-phasiges 7,2 kW Ladegerät sorgt für die exakt gleiche Schieflast wie ein einphasiges 3,6 kW Ladegerät. Die Schieflast kann dabei wie folgt veranschaulicht werden. Aufgrund der Knotenregel ist die Summe der Ströme in dem Knoten gleich der Summe aus dem Knoten, sodass die Summe aller Ströme null ist. Bei zwei um 120° phasenversetzten Strömen auf dem Phasenleitungen L1, L2 muss also auf dem Neutralleiter N ein genauso großer um weitere 120° phasenversetzter Strom auftreten, so wie dies bei drei Phasenleitungen wäre, wo der Strom durch den Neutralleiter N null ist. Dies ist in 2 dargestellt, wobei I(L1) den Strom auf der ersten Phasenleitung L1, I(L2) den Strom auf der zweiten Phasenleitung L2 und I(N) die Schieflast auf den Neutralleiter N darstellt.
In der 3 ist nun die Schieflast I(N) dargestellt, wenn bei I(L1) um 15° voreilt und I(L2) um 15° nacheilt. Dadurch wird der resultierende Summenstrom nahezu halbiert auf unter 8,5 A, was gleichbedeutend mit einer Halbierung der Schieflast ist. Wie bereits ausgeführt, liegt dabei die Blindleistung unter 4 % je Phase, wobei jedoch die Schieflast I(N) nahezu halbiert wurde.

Claims

Ladegerät (1) für einen Gleichspannungsenergiespeicher (2), wobei das Ladegerät (1) als zweiphasiges Ladegerät (1) ausgebildet ist, das einen ersten Ladeanschluss (A1) für eine erste Phasenleitung (L1) und einen zweiten Ladeanschluss (A2) für eine zweite Phasenleitung (L2) aufweist, wobei das Ladegerät (1) für jede angeschlossene Phasenleitung (L1, L2) einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC1, PFC2) aufweist, mittels dessen die Phasenlage von Strom und Spannung an der Phasenleitung (L1, L2) einstellbar ist, sowie mindestens eine Steuerschaltung (3) für die aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC1, PFC2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet ist, dass die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an mindestens einer Phasenleitung (L1, L2) derart verschoben wird, dass die Summe aus den Strömen (I(L1), I(L2)) auf den beiden Phasenleitungen (L1, L2) reduziert wird, wobei die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet ist, dass die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an beiden Phasenleitungen (L1, L2) verschoben wird, wobei die eingestellte Phasenlage zwischen Strom und Spannung der jeweiligen Phasenleitungen (L1, L2) betragsmäßig gleich ist, wobei die Phasenlagen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (3) derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Signals eines Netzüberwachungsmoduls (4) die Phasenlage anzupassen.
Ladegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltung (3) ein Grenzwert für die einzustellenden Phasenlagen zugeordnet ist.
Ladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für die Phasenlagen kleiner/gleich 20° ist.
Ladegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für die Phasenlagen kleiner/gleich 10° ist.
Verfahren zur Reduzierung der Schieflast (I(N) eines zweiphasigen Ladegeräts (1), das einen ersten Ladeanschluss (A1) für eine erste Phasenleitung (L1) und einen zweiten Ladeanschluss (A2) für eine zweite Phasenleitung (L2) aufweist, wobei das Ladegerät (1) für jede angeschlossene Phasenleitung (L1, L2) einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC1, PFC2) aufweist, mittels dessen die Phasenlage von Strom und Spannung an der Phasenleitung (L1, L2) eingestellt wird, sowie mindestens eine Steuerschaltung (3) für die aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC1, PFC2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (3) die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an mindestens einer Phasenleitung (L1, L2) derart verschiebt, dass die Summe aus den Strömen (I(L1), I(L2)) auf den beiden Phasenleitungen (L1, L2) reduziert wird, wobei die Phasenlage zwischen Strom und Spannung an beiden Phasenleitungen (L1, L2) verschoben wird, wobei die eingestellte Phasenlage zwischen Strom und Spannung der jeweiligen Phasenleitungen (L1, L2) betragsmäßig gleich ist, wobei die Phasenlagen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.