DE102019126438A1

DE102019126438A1 - Kompensationsvorrichtung für Ableitströme

Info

Publication number: DE102019126438A1
Application number: DE102019126438.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Spesser; Tim Pfizenmaier
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-10-02
Also published as: CN112600526A; DE102019126438B4; US20210099005A1; US11366176B2

Abstract

Eine Kompensationsvorrichtung (20) zur Kompensation von Ableitströmen hat eine Differenzstrommessvorrichtung (22), eine erste Signalerzeugungsvorrichtung (33), einen Verstärker (28) und eine Einspeisevorrichtung (39, 41). Die erste Signalerzeugungsvorrichtung (33) ist dazu ausgebildet, aus dem ersten Signal (I_DIFF) der Differenzstrommessvorrichtung (22) mittels einer analogen Signalverarbeitung ein für die Kompensation geeignetes erstes Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) zu erzeugen und dieses erste Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) dem Verstärker (28) analog oder digitalisiert zuzuführen. Der Verstärker (28) ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vom ersten Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) einen Kompensationsstrom (I_COMP) zu erzeugen, unddie Einspeisevorrichtung (39, 41) ist dazu ausgebildet, eine Einspeisung des Kompensationsstroms an mindestens einem der aktiven Leiter (51, 54) zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Ableitströmen, insbesondere zur Verwendung in der Ladevorrichtung eines Fahrzeugs.
Ableitströme sind elektrische Ströme, die unter üblichen Betriebsbedingungen in einem unerwünschten Strompfad fließen, beispielsweise von einem der Außenleiter (L1 bis L3) zum Schutzleiter (PE). Solche Ableitströme treten in der Praxis beispielsweise durch Filterkondensatoren eines Netzfilters auf, die auf einer Seite mit einem Gleichspannungspfad und auf der anderen Seite mit dem Schutzleiter (PE) verbunden sind.
Die DE 195 25 417 C2 zeigt eine Anordnung zur Erdschluss-Stromkompensation eines mehrphasigen elektrischen Leitungsnetzes mit einem passiven Reaktanzelement.
Die DE 10 2010 013 642 A1 zeigt ein Verfahren zum Kompensieren von Ableitströmen.
Die EP 2 724 443 B1 zeigt ein Kompensationssystem für einen Leckstrom.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Ableitströmen sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Kompensationsvorrichtung bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Ableitströmen weist eine Differenzstrommessvorrichtung, eine erste Signalerzeugungsvorrichtung, einen Verstärker und eine Einspeisevorrichtung auf. Die Differenzstrommessvorrichtung ist an aktiven Leitern anordenbar und dazu ausgebildet, ein erstes Signal zu erfassen und der ersten Signalerzeugungsvorrichtung zuzuführen, welches erste Signal analog ist und den Differenzstrom an den aktiven Leitern charakterisiert. Die erste Signalerzeugungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, aus dem ersten Signal mittels einer analogen Signalverarbeitung ein für die Kompensation geeignetes erstes Kompensationsstromvorgabesignal zu erzeugen und dieses erste Kompensationsstromvorgabesignal dem Verstärker analog oder digitalisiert zuzuführen.
Der Verstärker ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vom ersten Kompensationsstromvorgabesignal einen Kompensationsstrom zu erzeugen, und die Einspeisevorrichtung ist dazu ausgebildet, eine Einspeisung des Kompensationsstroms an mindestens einem der aktiven Leiter zu ermöglichen. Die Verwendung einer analogen Signalverarbeitung für die Erzeugung des ersten Kompensationsstromvorgabesignals ist der digitalen Signalverarbeitung zumindest teilweise überlegen. Insbesondere bei niedrigen und hohen Frequenzen kann die digitale Signalverarbeitung nachteilhaft sein oder sehr aufwändige und damit teure digitale Schaltungen erfordern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Differenzstrommessvorrichtung an aktiven Leitern angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Signalerzeugungsvorrichtung ein erstes analoges Filter auf, welches als Frequenzfilter ausgebildet ist.
Die Verwendung eines Frequenzfilters ermöglicht die Berücksichtigung relevanter Frequenzbereiche und die Nichtberücksichtigung nicht relevanter oder anderweitig verarbeiteter Frequenzbereiche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste analoge Filter ein Tiefpassfilter auf. Eine analoge Signalverarbeitung ist gut für niedrige Frequenzen geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste analoge Filter ein Hochpassfilter auf. Die analoge Signalverarbeitung ermöglicht auch die Auswertung hoher Frequenzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste analoge Filter

- ein Bandstoppfilter,
- ein Bandpassfilter, oder
- ein Bandstoppfilter und ein Bandpassfilter

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Signalerzeugungsvorrichtung ein zweites analoges Filter auf, welches dazu ausgebildet ist, eine Phasenumkehr des ersten Signals oder eines vom ersten Signal abgeleiteten Signals durchzuführen. Durch die Phasenumkehr kann das erzeugte Signal direkt für die Erzeugung des Kompensationsstroms genutzt werden. Wenn allerdings der Verstärker bereits invertierend arbeitet, ist dieser Schritt nicht erforderlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationsvorrichtung eine Steuervorrichtung auf, welche Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, eine digitale Signalverarbeitung zu ermöglichen. Das zusätzliche Vorsehen einer digitalen Signalverarbeitung ermöglicht größere Freiheiten als bei einer analogen Signalverarbeitung, und die digitale Signalverarbeitung kann auch zur Reaktion auf eine Überwachung oder zur Diagnose genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationsvorrichtung eine Kompensationsstrommessvorrichtung auf, welche Kompensationsstrommessvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Kompensationsstrom zu messen, ein diesen Kompensationsstrom charakterisierendes zweites Signal zu erzeugen und das zweite Signal der Steuervorrichtung zuzuführen. Die Möglichkeit der Messung des Kompensationsstroms ermöglicht eine Kontrolle der Höhe des Kompensationsstroms bzw. der Funktion des Verstärkers. Zudem sind zu Diagnosezwecken gesteuert Kompensationsströme frei generierbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuervorrichtung eine Überwachungsvorrichtung auf, welche Überwachungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, anhand des zweiten Signals die Größe des Kompensationsstroms zu überwachen. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Kompensationsvorrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vom zweiten Signal ein zweites Kompensationsstromvorgabesignal zu erzeugen und das zweite Kompensationsstromvorgabesignal dem Verstärker zuzuführen. Der Verstärker kann hierdurch auch durch die Steuervorrichtung beeinflusst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationsvorrichtung eine Signalaufbereitungsvorrichtung auf, welche Signalaufbereitungsvorrichtung einen A/D-Wandler aufweist und dazu ausgebildet ist, das erste Signal über den A/D-Wandler in ein drittes Signal umzuwandeln und das dritte Signal der Steuervorrichtung zuzuführen, wobei das dritte Signal ein digitales Signal ist. Hierdurch kann die Steuervorrichtung das Signal digital verarbeiten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuervorrichtung eine zweite Signalerzeugungsvorrichtung auf, welche zweite Signalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, aus dem dritten Signal ein für die Kompensation geeignetes zweites Kompensationsstromvorgabesignal zu erzeugen und dieses zweite Kompensationsstromvorgabesignal dem Verstärker zuzuführen. Der Kompensationsstrom kann somit sowohl durch die erste Signalerzeugungsvorrichtung als auch durch die zweite Signalerzeugungsvorrichtung beeinflusst werden. Das kann auch als Hybridlösung bezeichnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Signalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet, mindestens einen ersten Frequenzteilbereich des ersten Signals auszuwerten, um das erste Kompensationsstromvorgabesignal zu ermitteln, und bei welcher die zweite Signalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, bei der Ermittlung des zweiten Kompensationsstromvorgabesignals mindestens einen zweiten Frequenzteilbereich im Hinblick auf den gesamten Frequenzbereich des ersten Signals auszuwerten. Vom gesamten Frequenzbereich des ersten Signals werden somit mindestens ein erster Frequenzteilbereich und mindestens ein zweiter Teilbereich in unterschiedlichen Signalerzeugungsvorrichtungen ausgewertet. Dies ermöglicht eine Nutzung der jeweiligen Signalerzeugungsvorrichtung in einem geeigneten Frequenzbereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform überlappen sich der mindestens eine erste Frequenzteilbereich und der mindestens eine zweite Frequenzteilbereich jeweils nicht. Da die einzelnen Frequenzteilbereiche unterschiedlich sind, erfolgt keine nennenswerte Doppelberücksichtigung bestimmter Frequenzteilbereiche.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens ein Frequenzteilbereich des mindestens einen ersten Frequenzteilbereichs niedrigere Frequenzen als jeder Frequenzteilbereich des mindestens einen zweiten Frequenzteilbereichs. Bei den niedrigsten ausgewerteten Frequenzen findet eine analoge Signalverarbeitung statt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst mindestens ein Frequenzteilbereich des mindestens einen ersten Frequenzteilbereichs höhere Frequenzen als jeder Frequenzteilbereich des mindestens einen zweiten Frequenzteilbereichs. Bei den höchsten ausgewerteten Frequenzen findet eine analoge Signalverarbeitung statt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist genau ein zweiter Frequenzteilbereich vorgesehen. Die digitale Signalverarbeitung funktioniert gut in einem mittleren Frequenzbereich, und eine weitere Unterteilung ist daher nicht erforderlich und würde die Vorrichtung unnötig verkomplizieren.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 18.
Ein Fahrzeug hat eine Ladevorrichtung für einen Verbraucher, welche Ladevorrichtung einen Gleichrichter und einen am Gleichrichter direkt oder indirekt angeschlossenen Verbraucher aufweist, wobei der Verbraucher mit den aktiven Leitern galvanisch gekoppelt ist, und wobei die Ladevorrichtung eine Kompensationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei der Verbraucher bevorzugt eine Traktionsbatterie ist. Bei einem Fahrzeug mit galvanischer Kopplung sind innerhalb des Fahrzeugs entstehende Ableitströme auch außerhalb des Fahrzeugs messbar und können zu einem Auslösen einer Sicherung des Versorgungsnetzes führen. Daher ist die Verwendung der Kompensationsvorrichtung in diesem Fall besonders vorteilhaft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ladevorrichtung ein EMV-Filter oder ein Netzfilter auf. Bei solchen Filtern können beispielsweise Ableitströme entstehen, und die Kompensationsvorrichtung kann vorteilhaft wirken.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt

1 ein Ausführungsbeispiel einer Kompensationsvorrichtung,
2 ein Ausführungsbeispiel einer ersten Signalerzeugungsvorrichtung von 1,
3 ein Ausführungsbeispiel für eine Signalaufbereitungsvorrichtung von 1,
4 ein Ausführungsbeispiel für eine Steuervorrichtung von 1,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Kompensationsstromauswahlvorrichtung von 1,
6 ein schematisches Frequenzspektrum eines Signals einer Differenzstrommessvorrichtung von 1, und
7 eine Verwendung der Kompensationsvorrichtung von 1 in einem Fahrzeug.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Kompensationsvorrichtung 20. Es sind fünf Leiter 51, 52, 53, 54 und 55 vorgesehen. Bei einem Drehstromnetz können beispielsweise die Leiter 51 bis 53 mit den Außenleitern (Phasen) L1, L2 und L3 verbunden werden. Der Leiter 54 ist mit dem Neutralleiter N verbunden, und der Leiter 55 ist mit dem Schutzleiter PE verbunden. Die für die Stromleitung erforderlichen Leiter wie beispielsweise die Leiter 51 bis 53 für die Außenleiter L1, L2, L3 des Versorgungsnetzes und der Leiter 54 für den Neutralleiter N des Versorgungsnetzes werden als aktive Leiter bezeichnet. Eine Differenzstrommessvorrichtung 22 misst den Differenzstrom der aktiven Leiter 51 bis 54. Die Differenzstrommessvorrichtung 22 kann beispielsweise als Summenstromwandler in Form einer Wicklung um die aktiven Leiter 51 bis 54 ausgebildet sein. Wenn keine Fehlströme bzw. Ableitströme auftreten, betragen die Summe der Ströme durch die Leiter 51 bis 54 und damit auch der Strom durch die Wicklung Null. Wenn dagegen beispielsweise über einen Y-Kondensator eines Netzfilters ein Ableitstrom von der Phase L1 über einen Gleichrichter zum Schutzleiter PE fließt, ergibt die Differenzstrommessvorrichtung 22 den resultierenden Differenzstrom. Es ist auch möglich, beispielsweise den Summenstrom durch die Leiter 51 bis 53 einerseits und durch den Leiter 54 andererseits separat zu messen und anschließend - in Abhängigkeit von der jeweiligen Wicklungsrichtung die Summe oder Differenz zwischen den beiden Werten zu berechnen.
Das Signal I_DIFF der Differenzstrommessvorrichtung 22 wird einer ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 über eine Leitung 23 zugeführt. Die erste Signalerzeugungsvorrichtung 33 ist dazu ausgebildet, aus dem ersten Signal I_DIFF mittels einer analogen Signalverarbeitung ein für die Kompensation geeignetes erstes Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 zu erzeugen und dieses erste Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 über eine Leitung 34 einem Verstärker 28 zuzuführen. Bevorzugt wird das erste Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 dem Verstärker 28 analog zugeführt. Wenn der Verstärker 28 allerdings ein digitales Kompensationsstromvorgabesignal benötigt, kann das erste Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 zuvor durch einen - nicht dargestellten - A/D-Wandler digitalisiert werden.
Bevorzugt wird das Signal I_DIFF zusätzlich über eine Leitung 23 einer Signalaufbereitungsvorrichtung 24 zugeführt. In der Signalaufbereitungsvorrichtung 24 erfolgt beispielsweise eine A/D-Wandlung, und das resultierende digitale Signal wird als I_DIFF _D bezeichnet. Die Signalaufbereitungsvorrichtung 24 überträgt über eine Leitung 25 das Signal I_DIFF_D an die Steuervorrichtung 26. Die Steuervorrichtung 26, die beispielsweise als Mikrocontroller oder als Recheneinheit ausgebildet ist, berechnet aus dem ermittelten Differenzstromsignal I_DIFF_D einen Wert bzw. ein zweites Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S2 für einen geeigneten Kompensationsstrom. Dieser Wert I_COMP_S2 wird über eine Leitung 27 dem Verstärker 28 zugeführt.
Der Verstärker 28 generiert in Abhängigkeit vom ersten Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 und ggf. zusätzlich vom zweiten Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S2 einen entsprechenden Kompensationsstrom I_COMP. Hierzu ist der Verstärker 28 mit dem Schutzleiter 99 verbunden, um einen Strom vom oder zum Schutzleiter 99 zu ermöglichen. Der Verstärker 28 ist über eine Leitung 29 mit einer Kompensationsstrommessvorrichtung 30 verbunden. Die Kompensationsstrommessvorrichtung 30 misst den Kompensationsstrom und gibt einen Wert bzw. ein Signal I_COMP_I über eine Leitung 31 an die Steuervorrichtung 26 aus.
Der Verstärker 28 kann beispielsweise als Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker ausgebildet sein. Alternativ sind beispielsweise ein Digital-AnalogWandler oder ein Klasse-D-Verstärker möglich.
Der Kompensationsstrom I_COMP gelangt über eine Leitung 32 zu einer Kompensationsstromauswahlvorrichtung 36.
Die Kompensationsstromauswahlvorrichtung 36 ist durch die Steuervorrichtung 26 über eine Leitung 37 ansteuerbar, über welche ein Signal V_SEL übertragbar ist. Die Kompensationsstromauswahlvorrichtung 36 kann den Kompensationsstrom über eine Leitung 38 einer ersten Einspeisevorrichtung 39 zuführen und/oder über eine Leitung 40 einer zweiten Einspeisevorrichtung 41 zuführen.
Eine Versorgungsnetzerkennungsvorrichtung 42 ist vorgesehen, um das an die Leiter 51 bis 55 angeschlossene Versorgungsnetz zu erkennen. Hierzu misst die Versorgungsnetzerkennungsvorrichtung 42 beispielsweise über eine Spannungsmessvorrichtung die Spannungen an den Anschlüssen 51 bis 55. Dies kann direkt in der Versorgungsnetzerkennungsvorrichtung 42 oder aber in der Steuervorrichtung 26 erfolgen. Bei einem mitteleuropäischen Drehstromnetz sind die Leiter 51 bis 55 mit den links dargestellten Anschlüssen L1, L2, L3, N und PE verbunden. Bei einem US-split phase Netz ist bevorzugt der Anschluss HOT1 mit dem Leiter 51, der um 180° phasenverschobene Anschluss HOT2 mit dem Leiter 54 und der Schutzleiter PE mit dem Leiter 55 verbunden. Bei einem einphasigen mitteleuropäischen Netz ist auf Grund der nicht eindeutigen Zuordnung zwischen Stecker und Steckdose entweder der Leiter 51 mit L1 und der Leiter 54 mit N verbunden, oder der Leiter 51 ist mit N und der Leiter 54 mit L1 verbunden. Die Zuordnung ist also nicht zwingend eindeutig. Die Versorgungsnetzerkennungsvorrichtung 42 gibt über eine Leitung 43 ein Erkennungssignal V_GRID an die Steuervorrichtung 26 aus.
Die Einspeisevorrichtungen 39 und 41 können die Einspeisung beispielsweise durch eine kapazitive Kopplung oder durch eine induktive Kopplung durchführen.
Bei einem Versorgungsnetz mit einem Neutralleiter N erfolgt die Einspeisung bevorzugt in diesen, da die Spannung am Neutralleiter N im Normalfall niedrig ist, und die Versorgungsspannung für die Einspeisung daher im Vergleich zu den Spannungen an den Phasen niedrig sein kann.
Die Berechnung des Signals I_COMP_S1 bzw. I_COMP_S2 für den Kompensationsstrom I_COMP erfolgt beispielsweise durch Ermittlung des Frequenzspektrums des Differenzstroms bzw. des Signals I_DIFF, wobei beispielsweise ein Frequenzbereich von 20 Hz bis 300 kHz ausreichend sein kann. Das Frequenzspektrum enthält entsprechende Amplituden, und das Signal I_COMP_S wird mit einer Phasenverschiebung von 180° (gegenphasig) erzeugt, um eine entsprechende Kompensation zu bewirken. Es sind auch andere Berechnungen möglich, bei denen das Integral berechnet wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die erste Signalerzeugungsvorrichtung 33. Diese hat ein erstes Filter 61 und ein zweites Filter 62.
Über die Leitung 23 wird dem ersten Filter 61 das analoge Signal I_DIFF zugeführt.
Das erste Filter 61 ist als analoges Frequenzfilter ausgebildet. Es hat ein frequenzabhängiges Übertragungsverhalten.
Das erste Filter 61 kann beispielsweise ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter, ein Bandstoppfilter und/oder ein Bandpassfilter aufweisen.
Als Bandpassfilter kann beispielsweise ein Butterworth-Filter, ein Legendre-Filter oder ein Tschebyscheff-Filter verwendet werden. Bei Bandpassfiltern und Bandstoppfiltern werden zwei Grenzfrequenzen definiert. Beim Bandpassfilter werden die Frequenzen außerhalb des durch die Grenzfrequenzen definierten Frequenzbereichs geschwächt, und beim Bandstoppfilter die Frequenzen innerhalb dieses Frequenzbereichs. Die Grenzfrequenzen werden üblicherweise definiert als die Frequenzen, bei denen die Amplitude um 3 dB gesunken ist.
Als Tiefpassfilter oder Hochpassfilter können beispielsweise Filter erster Ordnung, zweiter Ordnung oder höherer Ordnung verwendet werden.
Das durch das erste Filter 61 entstehende Signal I_DIFF, das wegen der Beeinflussung durch das erste Filter 61 als I_DIFF' bezeichnet werden kann, wird dem zweiten Filter 62 über eine Leitung 63 zugeführt.
Das zweite Filter 62 ist als analoges Filter ausgebildet und dazu vorgesehen, eine Phasenumkehr des ersten Signals I_DIFF oder des vom ersten Signal I_DIFF abgeleiteten Signals I_DIFF' durchzuführen. Die Phasenumkehr kann beispielsweise durch einen invertierenden Verstärker erfolgen.
Das zweite Filter 62 liefert über die Leitung 34 das Signal I_COMP_S1, wie dies bei 1 beschrieben ist.
Die Ausbildung der ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 zur Durchführung einer analogen Signalverarbeitung hat insbesondere Vorteile bei niedrigen Frequenzen und bei hohen Frequenzen. Eine digitale Signalverarbeitung benötigt üblicherweise eine ganze Periode der jeweiligen Frequenz zur Berechnung. Bei niedrigen Frequenzen von wenigen Hertz führt dies zu einer großen Verzögerung und ggf. bereits zum Auslösen eines Fehlerstromschutzschalters. Eine digitale Signalverarbeitung benötigt bei hohen Frequenzen zum einen auf Grund des Nyquist-Shannon-Abtasttheorem eine hohe Abtastrate, und zum anderen muss die Steuervorrichtung entsprechend schnell bzw. rechenstark ausgeführt sein, was mit hohen Kosten verbunden ist.
Die Reihenfolge der Filter 61, 62 kann vertauscht werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Signalaufbereitungsvorrichtung 24, welche einen Frequenzfilter 65 und einen A/D-Wandler 66 aufweist. Über die Leitung 23 wird das analoge Signal I_DIFF dem Frequenzfilter 65 zugeführt. Über das Frequenzfilter 65 kann der Frequenzbereich des Signals I_DIFF ausgewählt werden, welcher durch die Steuervorrichtung 26 von 1 verarbeitet wird. Das resultierende Signal kann weiterhin als I_DIFF oder wegen der Änderung als I_DIFF" bezeichnet werden, und es wird über eine Leitung 67 dem A/D-Wandler 66 zugeführt und in ein digitales Signal I_DIFF_D gewandelt, welches über die Leitung 25 der Steuervorrichtung 26 von 1 zuführbar ist.
Das Frequenzfilter 65 kann auch als drittes Filter bezeichnet werden, und es kann wie eine der für das erste Filter 61 von 2 genannten Varianten ausgebildet sein.
Die Reihenfolge des Frequenzfilter 65 und des A/D-Wandlers 66 kann vertauscht werden, wobei in diesem Fall das Frequenzfilter 65 digital ausgebildet wird. Das Frequenzfilter 65 und der A/D-Wandler 66 können auch in die Steuervorrichtung 26 von 1 integriert werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Steuervorrichtung 26.
Das Signal I_DIFF_D wird über die Leitung 25 von 1 einer zweiten Signalerzeugungsvorrichtung 73 zugeführt. Die zweite Signalerzeugungsvorrichtung 73 ist über eine Leitung 74 mit einem D/A-Wandler 75 verbunden, und der Ausgang des D/A-Wandlers 75 ist mit der Leitung 27 verbunden, um das zweite Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S2 dem Verstärker 28 von 1 zuzuführen. Über die Leitung 31 wird der Steuervorrichtung 26 das Signal I_COMP_I zugeführt und durch einen A/D-Wandler 78 digitalisiert. Das resultierende digitalisierte Signal I_COMP_I_D wird über eine Leitung 79 einer Überwachungsvorrichtung 76 zugeführt. Die Überwachungsvorrichtung 76 ist über eine Leitung 77 mit der zweiten Signalerzeugungsvorrichtung 73 verbunden und kann diese beeinflussen.
Die Steuervorrichtung kann somit einerseits das zweite Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S2 in Abhängigkeit vom Signal I_DIFF bzw. I_DIFF_D berechnen und ausgeben. Andererseits kann die Steuervorrichtung 26 das Signal I_COMP_I, welches die Größe des Kompensationsstroms I_COMP charakterisiert, auswerten und den Kompensationsstrom ebenfalls über die zweite Signalerzeugungsvorrichtung 73 beeinflussen.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Kompensationsstromauswahlvorrichtung 36 von 1. Ein Schalter 110 ist vorgesehen, und dessen Eingang ist mit der Leitung 32 verbunden, über die der Kompensationsstrom I_COMP zuführbar ist. Der Schalter 110 ist über die Leitung 37 mit dem Signal V_SEL ansteuerbar, und in Abhängigkeit vom Signal V_SEL kann der Eingang des Schalters 110 mit der Leitung 38 oder mit der Leitung 40 verbunden werden.
6 zeigt schematisch ein Frequenzspektrum des Signals I_DIFF. Ein solches Frequenzspektrum kann bspw. durch Fouriertransformation des Signals I_DIFF erzeugt werden. Das Frequenzspektrum hat Amplituden an bestimmten Frequenzen 131, oder es können auch breitere Frequenzbereiche 132 mit Amplitudenverläufen auftreten.
Es ist, wie oben beschrieben, vorteilhaft, bei sehr niedrigen Frequenzen, eine analoge Signalverarbeitung in der ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 (vgl. 1 und 2) durchzuführen, beispielsweise im Frequenzbereich F1, der sich von der Frequenz f = 0 Hz bis f = f1 erstreckt. Die Frequenz f1 kann beispielsweise 100 Hz oder 500 Hz betragen.
Bevorzugt findet auch bei hohen Frequenzen in einem Frequenzbereich F3, der sich von einer Frequenz f = f2 nach oben erstreckt, eine analoge Signalverarbeitung in der ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 (1, 2) statt. Die Frequenz f2 kann beispielsweise 100 kHz oder 200 kHz betragen.
Der Frequenzbereich F1 muss sich nicht bis zur Frequenz f = 0 Hz erstrecken, und der Frequenzbereich F3 kann nach oben begrenzt sein.
Zwischen den Frequenzbereichen F1 und F3 befindet sich ein Frequenzbereich F2, der sich von der Frequenz f1 bis zur Frequenz f2 erstreckt. Dieser Frequenzbereich F2 kann wahlweise durch die erste Signalerzeugungsvorrichtung 33 (2) oder durch die zweite Signalerzeugungsvorrichtung 73 (4) ausgewertet werden.
Die Verarbeitung des Frequenzbereichs F2 in der ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 hat den Vorteil, dass die komplette Verarbeitung des Signals I_DIFF in der ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 erfolgen kann. Die Verarbeitung des Frequenzbereichs F2 in der zweiten Signalerzeugungsvorrichtung 73 hat den Vorteil, dass eine digitale Signalverarbeitung eine einfachere Optimierung bietet und weitere Funktionen einfach implementiert werden können.
Sofern beide Kompensationsstromvorgabesignale I_COMP_S1 und I_COMP_S2 analog bzw. digital vorliegen, kann eine Verknüpfung durch eine Addition oder - bei unterschiedlichem Vorzeichen - Subtraktion erfolgen. Es ist alternativ möglich, eine Gewichtung der einzelnen Kompensationsstromvorgabesignale durchzuführen. Sofern der Verstärker 28 (1) sowohl einen analogen Eingang für das erste Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 als auch einen digitalen Eingang für das zweite Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S2 aufweist, können diese auch parallel verarbeitet werden. Die erste Signalerzeugungsvorrichtung 33 (1, 2) ist bevorzugt dazu ausgebildet, mindestens einen ersten Frequenzteilbereich F1, F3 des ersten Signals I_DIFF auszuwerten, um das erste Kompensationsstromvorgabesignal I_COMP_S1 zu ermitteln, und die zweite Signalerzeugungsvorrichtung 73 (4) ist bevorzugt dazu ausgebildet, bei der Ermittlung des zweiten Kompensationsstromvorgabesignals I_COMP_S2 mindestens einen zweiten Frequenzteilbereich F2 auszuwerten. Die Frequenzteilbereiche beziehen sich dabei auf Teilbereiche des gesamten Frequenzbereichs des ersten Signals I_DIFF. Der zweite Frequenzteilbereich F2 kann weiter unterteilt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, Frequenzteilbereiche mit Störungen von der Auswertung auszunehmen.
Bevorzugt überlappen sich der mindestens eine erste Frequenzteilbereich F1, F3 und der mindestens eine zweite Frequenzteilbereich F2 nicht. Die Grenzfrequenzen eines Frequenzteilbereichs sind also nicht innerhalb der Grenzfrequenzen eines anderen Frequenzteilbereichs. Hierdurch wird eine Mehrfachberücksichtigung von Frequenzteilbereichen vermieden. Eine geringe Überlappung ist jedoch nicht kritisch.
Im Ausführungsbeispiel ist der Frequenzteilbereich F1 niedriger als der Frequenzteilbereich F2, die Auswertung im unteren Frequenzteilbereich F1 findet also mit einer analogen Signalverarbeitung statt. Der Frequenzteilbereich F3 hat höhere Frequenzen als der Frequenzteilbereich F2, und die Verarbeitung der hohen Frequenzen findet daher ebenfalls mit der analogen Signalverarbeitung der ersten Signalerzeugungsvorrichtung 33 (1, 2) statt.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung der Leiter 51 bis 55 mit der schematisch angedeuteten Kompensationsvorrichtung 20 in einem Fahrzeug 10, insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug.
Die Leiter 51 bis 53 (Phasenleiter bzw. Außenleiter), 54 (Neutralleiter) sowie der Leiter 55 (Schutzleiter) sind mit einem Gleichrichter (AC/DC-Wandler) 100 verbunden, und am Ausgang des Gleichrichters 100 sind zwei Leiter 101 (+) und 102 (-) vorgesehen, an denen eine Gleichspannung vorliegt. Die Anordnung kann somit als Ladevorrichtung 12 dienen. Der Leiter 101 ist über einen Kondensator 103 mit dem Schutzleiter 99 verbunden, und der Leiter 102 ist über einen Kondensator 104 mit dem Schutzleiter 99 verbunden. Die Leiter 101, 102 sind direkt oder indirekt (z.B. über einen zusätzlichen DC/DC-Wandler) mit einem Verbraucher 105 verbunden, beispielsweise einer Traktionsbatterie. Die Kondensatoren 103, 104 wirken als EMV-Filter bzw. Netzfilter und werden auch als Y-Kondensatoren oder Filterkondensatoren bezeichnet. Über die Kondensatoren 103, 104 kann im Betrieb ein Strom zum Schutzleiter 99 (PE) fließen. Da die Spannung an den Leitern 101, 102 über den Strom durch die aktiven Leiter L1, L2, L3 und N erzeugt wird, führt der Ableitstrom zum Schutzleiter 99 zu einem Differenzstrom in den aktiven Leitern 51 bis 54, der bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts zu einem Auslösen einer Sicherung bzw. eines FehlerstromSchutzschalters des Versorgungsanschlusses führen kann. Übliche Grenzwerte der Sicherungen in den Versorgungsnetzen sind beispielsweise 5 mA bzw. 20 mA bzw. 30 mA.
Durch die Kompensationsvorrichtung 20 können die Ableitströme bei üblichen Verbrauchern soweit kompensiert werden, dass die Sicherung des Versorgungsnetzes im normalen Betrieb nicht wegen Überschreitung des Grenzwerts für Ableitströme auslöst.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Ladevorrichtungen 12 für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, die eine galvanische Kopplung zwischen dem Gleichstromzwischenkreis 101, 102 und den Leitern 51 bis 54 haben bzw. zwischen dem Verbraucher 105 und den Leitern 51 bis 54. Anders als bei Fahrzeugen mit galvanischer Trennung, wie dies beispielsweise bei Fahrzeugen mit Transformatoren im Gleichrichter 100 oder in einem DC/DC-Wandler der Fall sein kann, summieren sich bei galvanischer Kopplung die Ableitströme und sind am Versorgungsnetz sichtbar. Daher ist die Verwendung der Kompensationsvorrichtung 20 bei Fahrzeugen mit galvanischer Kopplung besonders vorteilhaft.
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
Wenn beispielsweise ausschließlich ein einphasiges Versorgungsnetz vorhanden ist, können die Leiter 52 (L2) und 53 (L3) entfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19525417 C2 [0003]
DE 102010013642 A1 [0004]
EP 2724443 B1 [0005]

Claims

Kompensationsvorrichtung (20) zur Kompensation von Ableitströmen, welche Kompensationsvorrichtung (20) eine Differenzstrommessvorrichtung (22), eine erste Signalerzeugungsvorrichtung (33), einen Verstärker (28) und eine Einspeisevorrichtung (39, 41) aufweist, welche Differenzstrommessvorrichtung (22) an aktiven Leitern anordenbar ist und dazu ausgebildet ist, ein erstes Signal (I_DIFF) zu erfassen und der ersten Signalerzeugungsvorrichtung (33) zuzuführen, welches erste Signal (I_DIFF) analog ist und den Differenzstrom an den aktiven Leitern (51, 52, 53, 54) charakterisiert, welche erste Signalerzeugungsvorrichtung (33) dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Signal (I_DIFF) mittels einer analogen Signalverarbeitung ein für die Kompensation geeignetes erstes Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) zu erzeugen und dieses erste Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) dem Verstärker (28) analog oder digitalisiert zuzuführen, welcher Verstärker (28) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit vom ersten Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) einen Kompensationsstrom (I_COMP) zu erzeugen, und welche Einspeisevorrichtung (39, 41) dazu ausgebildet ist, eine Einspeisung des Kompensationsstroms an mindestens einem der aktiven Leiter (51, 54) zu ermöglichen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, bei welcher die erste Signalerzeugungsvorrichtung (33) ein erstes analoges Filter (61) aufweist, welches als Frequenzfilter ausgebildet ist.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 2, bei welcher das erste analoge Filter (61) ein Tiefpassfilter aufweist.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher das erste analoge Filter (61) ein Hochpassfilter aufweist.
Kompensationsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welcher das erste analoge Filter (61) - ein Bandstoppfilter, - ein Bandpassfilter, oder - ein Bandstoppfilter und ein Bandpassfilter aufweist.
Kompensationsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die erste Signalerzeugungsvorrichtung (33) ein zweites analoges Filter (62) aufweist, welches dazu ausgebildet ist, eine Phasenumkehr des ersten Signals (I_DIFF) oder eines vom ersten Signal (I_DIFF) abgeleiteten Signals (I_DIFF') durchzuführen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Steuervorrichtung (26) aufweist, welche Steuervorrichtung (26) dazu ausgebildet ist, eine digitale Signalverarbeitung zu ermöglichen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 7, welche eine Kompensationsstrommessvorrichtung (30) aufweist, welche Kompensationsstrommessvorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, den Kompensationsstrom (I_COMP) zu messen, ein diesen Kompensationsstrom (I_COMP) charakterisierendes zweites Signal (I_COMP_I) zu erzeugen und das zweite Signal (I_COMP_I) der Steuervorrichtung (26) zuzuführen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 8, bei welcher die Steuervorrichtung (26) eine Überwachungsvorrichtung (76) aufweist, welche Überwachungsvorrichtung (76) dazu ausgebildet ist, anhand des zweiten Signals (I_COMP_I) die Größe des Kompensationsstroms (I_COMP) zu überwachen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher die Steuervorrichtung (26) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit vom zweiten Signal (I_COMP_I) ein zweites Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S2) zu erzeugen und das zweite Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S2) dem Verstärker (28) zuzuführen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, welche eine Signalaufbereitungsvorrichtung (24) aufweist, welche Signalaufbereitungsvorrichtung (24) einen A/D-Wandler (66) aufweist und dazu ausgebildet ist, das erste Signal (I_DIFF; I_DIFF") über den A/D-Wandler (66) in ein drittes Signal (I_DIFF_D) umzuwandeln und das dritte Signal (I_DIFF_D) der Steuervorrichtung (26) zuzuführen, wobei das dritte Signal (I_DIFF_D) ein digitales Signal ist.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 11, bei welcher die Steuervorrichtung (26) eine zweite Signalerzeugungsvorrichtung (73) aufweist, welche zweite Signalerzeugungsvorrichtung (73) dazu ausgebildet ist, aus dem dritten Signal (I_DIFF_D) ein für die Kompensation geeignetes zweites Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S2) zu erzeugen und dieses zweite Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S2) dem Verstärker (28) zuzuführen.
Kompensationsvorrichtung (20) nach Anspruch 12, bei welcher die erste Signalerzeugungsvorrichtung (33) dazu ausgebildet ist, mindestens einen ersten Frequenzteilbereich (F1, F3) des ersten Signals (I_DIFF) auszuwerten, um das erste Kompensationsstromvorgabesignal (I_COMP_S1) zu ermitteln, und bei welcher die zweite Signalerzeugungsvorrichtung (73) dazu ausgebildet ist, bei der Ermittlung des zweiten Kompensationsstromvorgabesignals (I_COMP_S2) mindestens einen zweiten Frequenzteilbereich (F2) im Hinblick auf den gesamten Frequenzbereich des ersten Signals (I_DIFF) auszuwerten.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher der mindestens eine erste Frequenzteilbereich (F1, F3) und der mindestens eine zweite Frequenzteilbereich (F2) sich jeweils nicht überlappen.
Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei welcher mindestens ein Frequenzteilbereich (F1) des mindestens einen ersten Frequenzteilbereichs (F1; F3) niedrigere Frequenzen umfasst als jeder Frequenzteilbereich (F2) des mindestens einen zweiten Frequenzteilbereichs (F2).
Kompensationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei welcher mindestens ein Frequenzteilbereich (F3) des mindestens einen ersten Frequenzteilbereichs (F1; F3) höhere Frequenzen umfasst als jeder Frequenzteilbereich (F2) des mindestens einen zweiten Frequenzteilbereichs (F2).
Kompensationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei welcher genau ein zweiter Frequenzteilbereich (F2) vorgesehen ist.
Fahrzeug (10) mit einer Ladevorrichtung (12) für einen Verbraucher (105), welche Ladevorrichtung (12) einen Gleichrichter (100) und einen am Gleichrichter (100) direkt oder indirekt angeschlossenen Verbraucher (105) aufweist, wobei der Verbraucher (105) mit den aktiven Leitern (51 bis 54) galvanisch gekoppelt ist, und wobei die Ladevorrichtung (12) eine Kompensationsvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei der Verbraucher (105) bevorzugt als Traktionsbatterie ausgebildet ist.