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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung einer Kollision bei der Messung der Schleifenimpedanz durch mehrere Teilnehmer. Bei den mehreren Teilnehmern kann es sich insbesondere um Elektrofahrzeuge handeln, die zum Laden an Ladepunkten einer zusammenhängenden Ladeinfrastruktur, beispielsweise einer Ladetankstelle, gekoppelt sind.
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Vor Beginn eines Ladevorgangs eines Elektrofahrzeugs an einem Ladepunkt einer Ladeinfrastruktur, beispielsweise eine Ladetankstelle oder eines Ladeparks, erfolgt eine Überprüfung der Schleifenimpedanz. Durch eine Messung der Schleifenimpedanz wird überprüft, ob im Falle eines anlagenseitigen oder fahrzeugseitigen Isolationsfehlers ein ausreichend niedriger Schleifenwiderstand vorliegt, der einen hohen Fehlerstrom zur Folge hat, wodurch die bereitgestellten Überstromschutzschalter zuverlässig auslösen können. Die Schleifenimpedanz entspricht dabei der Summe aller Impedanzen in der geschlossenen Fehlerstromschleife, welche im Fehlerfall vom Fehlerstrom durchflossen wird. Da die Messung der Fehlerschleifenimpedanz üblicherweise zwischen den Außenleitern L1-L3 und dem Schutzleiter PE erfolgt, wird sie auch als PE-Messung bezeichnet. Bei der Testmessung der Schleifenimpedanz mittels einer entsprechenden Messvorrichtung wird ermittelt, ob ein niederohmiger Anschluss an den Schutzleiter PE vorhanden ist und damit eine niederohmige Stromschleife von einem ersten Testmessanschluss der Messvorrichtung über den Schutzleiteranschluss PE, das Versorgungsnetz, einen Aktivleiter (L1-L3) zu einem zweiten Testmessanschluss der Messvorrichtung vorliegt. Ein vorhandener Schutzleiter PE kann im Einzelfall defekt sein. Ein ordnungsgemäßer Schutzleiteranschluss PE ist jedoch für bestimmte Schutzklassen zum Schutz gegen elektrischen Schlag erforderlich. Im Falle einer Detektion eines defekten Schutzleiters, also einer über der Norm liegenden Schleifenimpedanz, wird ein Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs an einer Ladesäule üblicherweise nicht initiiert.
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Im Zuge einer während eines Ladevorgangs eines Elektrofahrzeugs stattfindenden kontinuierlichen Schleifenimpedanzmessung kann ein Testsignal in Form eines Wechselstroms mit einer bestimmten Testfrequenz erzeugt und in die Ladeinfrastruktur eingespeist werden. Durch Auswerten eines hieraus resultierenden Messsignals kann der Schleifenwiderstand ermittelt und so kontinuierlich überwacht werden. Ein solches Messverfahren, welches auf der Einspeisung eines Testsignals in die Ladeinfrastruktur funktioniert, ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 20AA XXX YYY A1 beschrieben. Obgleich ein solches Messverfahren aus Sicht eines individuellen Elektrofahrzeugs gut funktioniert, so kann es zu einer Kollision mit gleichgearteten Testsignalen von anderen Fahrzeugen kommen, die am selben Ladepark angeschlossen sind und ebenfalls die Schleifenimpedanz kontinuierlich überwachen. Durch eine Kollision der Testsignale wird eine entsprechende Messung verfälscht oder sogar unmöglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, ein Verfahren zur Messung der Schleifenimpedanz bereitzustellen, welches zuverlässig funktioniert, insbesondere auch bei gleichzeitiger Verwendung durch mehrere in einem Ladepark angeschlossene Fahrzeuge.
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Diese Aufgabe wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum kollisionsfreien Ermitteln einer Schleifenimpedanz während des Ladens eines an einem Ladepunkt angeschlossenen Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Der Ladepunkt kann einer Ladesäule innerhalb einer Ladetankstelle oder in einem Ladepark oder einer Wallbox entsprechen. Ebenso kann der Ladepunkt mittels eines Ladekabels realisiert sein, mittels welchem das Elektrofahrzeug an einer Steckdose geladen wird. Bei der Schleifenimpedanz handelt es sich um die eingangs erwähnten Gesamtwiderstand der Fehlerstromschleife, welche im Falle eines Isolationsfehlers gebildet wird und vom Fehlerstrom durchflossen wird. In einer ordnungsgemäß funktionierenden elektrotechnischen Anlage sollte die Schleifenimpedanz einen so niedrigen Widerstand aufweisen, dass die Überstromschutzschalter zuverlässig auslösen können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist zunächst Durchführen einer Testmessung an dem die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreis auf zum Detektieren eines Fremdtestsignals mit einer ersten Frequenz. In diesem Schritt erfolgt ein „Abhören“ des die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreises (im Folgenden auch als Fehlerstromschleife bezeichnet, wobei die entsprechende Messvorrichtung des Isolationsfehlers simuliert), indem eine möglicherweise zwischen einem der Aktivleiter und dem Schutzleiter anliegende Spannung (oder der entsprechende Stromfluss) auf ihre Frequenzanteile hin untersucht wird, insbesondere auf ein Vorliegen eines Signalanteils bei der ersten Frequenz. Im Rahmen der Erfindung kann dieser Vorgang als Kollisions-Testmessung bzw. Kollisions-Prüfung bezeichnet werden, bei der ermittelt wird, ob Fremdtestsignale mit der ersten Frequenz detektierbar sind, welche bei der Durchführung der Schleifenimpedanz-Testmessung potenziell kollidieren können.
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In einem weiteren Schritt weist das erfindungsgemäße Verfahren Einspeisen eines Testsignals mit einer Frequenz in den die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreis auf, wobei die Frequenz des Testsignals einer ersten Frequenz entspricht, wenn bei der Testmessung kein Fremdtestsignal mit der ersten Frequenz detektiert worden ist, und andernfalls einer von der ersten Frequenzunterschiedlichen zweiten entspricht, wenn bei der Testmessung ein Fremdtestsignal mit der ersten Frequenz detektiert worden ist. Die erste Testfrequenz kann einer standardmäßig voreingestellten oder initialen Frequenz des Testsignals entsprechen, mittels welchem die Schleifenimpedanz bestimmt wird. Um die Zuverlässigkeit und die Genauigkeit des Messverfahrens zu verbessern, wir das im Rahmen der Kollisions-Testmessung erhaltene Ergebnis verwendet, um dem Testsignal keine Frequenz zuzuweisen, bei der bereits Signalanteile in der Fehlerstromschleife detektierbar sind. Das heißt, nur wenn kein anderes Testsignal bei der gewünschten ersten Frequenz erkannt wird, ist die Frequenz frei und kann verwendet werden. Wird jedoch ein anderes Testsignal bei der ersten Frequenz erkannt, so erfolgt eine Verschiebung der Frequenz des Testsignals auf die zweite Frequenz. Dadurch können Störungen des Testsignals vermieden oder zumindest reduziert werden, welche sich auf die Bestimmung der Schleifenimpedanz nachteilig auswirken können. Das Testsignal kann zwischen einen Aktivleiter und den Schutzleiter eingespeist werden. Vor dem Einspeisen des Testsignals mit der zweiten Frequenz kann zunächst eine Kollisions-Detektion bei der zweiten Frequenz durchgeführt werden.
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In einem weiteren Schritt weist das erfindungsgemäße Verfahren Ermitteln der Schleifenimpedanz auf basierend auf einer Detektion des eingespeisten Testsignals. Dieser Schritt entspricht der eigentlichen Schleifenimpedanz-Testmessung.
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Bei der Auswertung des gemessenen Testsignals, beispielsweise der Spannung an einem der Aktivleiter, kann durch eine Fouriertransformation ein Spektrum erzeugt werden. Bei der Auswertung können dann Frequenzbereiche, die von anderen Testsignalen belegt sind, also von Fremdtestsignalen anderer Elektrofahrzeuge, ausgeblendet werden.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Testsignale mit einer ersten Frequenz von beispielsweise 300 Hz verwendet werden, wobei dieser Wert nur der Veranschaulichung dienen soll und keinesfalls beschränkend ist. Die erste Frequenz kann folglich auch beispielsweise bei 250 Hz, 350 Hz, 400 Hz oder 500 Hz liegen oder bei einer sonstigen anderen zweckmäßigen Frequenz.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich die zweite Frequenz um mindestens 3 Hz, bevorzugt um 5 Hz von der ersten Frequenz unterscheiden. Generell kann bei einem im Rahmen der Kollisions-Detektion detektierten Signal mit der ersten Frequenz, die der initialen Zielfrequenz des Testsignals entspricht, die Frequenz des Testsignals um mindestens 3 Hz, bevorzugt um 5 Hz gegenüber der ersten Frequenz verschoben werden, entweder zu einem kleineren oder zu einem größeren Wert.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses ferner Durchführen einer Testmessung zum Erfassen eines Fremdtestsignals mit der zweiten Frequenz und Verändern der zweiten Frequenz zu einer dritten Frequenz vor Einspeisen des Testsignals aufweisen, wenn bei der Testmessung ein Fremdtestsignal mit der zweiten Frequenz detektiert worden ist. Anders ausgedrückt können die Kollisions-Prüfung und die ggfs. daraufhin vorgenommene Anpassung der Frequenz des einzuspeisenden Testsignals im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens iterativ angepasst werden, bis eine Frequenz für das Testsignal gefunden wird, bei der im Optimalfall kein Fremdtestsignal mehr detektiert wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Rahmen der Kollisions-Testmessung auch eine Spektralanalyse durchgeführt werden, um zu ermitteln, ob und welche Fremdtestsignale in der Fehlerstromschleife „aktiv“ sind. Daraufhin können die detektierten benachbarten Fremdtestsignale paarweise ausgewertet werden und die Frequenz des einzuspeisenden Testsignals kann so gewählt werden, dass dieses frequenzmäßig mittig zwischen zwei mit maximalem Frequenzabstand benachbarte Fremdtestsignale platziert ist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Testmessung zum Erfassen eines Fremdtestsignals mit der aktuellen Frequenz des eingespeisten Fremdtestsignals in einem vorbestimmten zeitlichen Abstand wiederkehrend durchgeführt werden. Für die Dauer der Kollisions-Testmessung kann das Einspeisen des Testsignals ausgesetzt werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Testmessung zum Erfassen eines Fremdtestsignals mit der aktuellen Frequenz des eingespeisten Testsignals durchgeführt werden, wenn der Wert der ermittelten Schleifenimpedanz unplausibel ist. Beispielsweise kann bei einer sich schlagartig erhöhenden Schleifenimpedanz, welche auf einen Verlust oder zumindest eine Verschlechterung der niederohmigen Verbindung zum Schutzleiter hinweist, überprüft werden, ob diese Feststellung auf Basis des erhaltenen Messwertes plausibel ist oder ob das eingespeiste Testsignal durch Überlagerung mit frequenznahen oder sogar frequenzgleichen Fremdtestsignalen gestört worden ist und die Schleifenimpedanz-Testmessung daher einen falschen Wert geliefert hat.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das für die Durchführung der Testmessung an dem die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreis zum Erfassen eines Fremdtestsignals abgegriffene Signal mittels eines Bandpassfilters gefiltert werden, wobei der Bandpassfilter eine Mittenfrequenz aufweist, welche im Bereich der ersten Frequenz liegt. Die primäre Aufgabe des Bandpassfilters liegt darin, diejenigen Signalanteile zu dämpfen, welche auf die Netzfrequenz (50 Hz in Europa) zurückzuführen sind. Mittels des Bandpassfilters kann die Wirkung des Testsignals, welches beispielsweise eine Amplitude von 1 mA aufweisen kann, von der Wirkung der Aktivphase (z.B. 20A bei 50 Hz) unterschieden werden. Ohne vorheriges Rausfiltern des Ladewechselstroms könnte das diesem überlagerte Testsignal bei einer A/D-Wandlung ansonsten nicht aufgelöst werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann beispielsweise ein Hardware-Filter mit einer Mittenfrequenz von im Bereich von 300 Hz +/- 60 Hz verwendet werden. Der Bandpassfilter kann einen Durchlass-Frequenzbereich aufweisen, welcher relativ zur initialen Frequenz des Testsignals und der Größe der angedachten Frequenzverschiebung zur Kollisionsvermeidung auseichend groß ist. Ferner kann der Bandpassfilter einen festen, nicht stimmbaren Frequenzbereich aufweisen, wodurch sich der üblicherweise mit einer Stimmbarkeit verbundenen hohe Aufwand und dadurch hohe Kosten vermeiden lassen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses ferner Variieren der Frequenz des eingespeisten Testsignals, bevorzugt periodisch, während seiner Einspeisung aufweisen. Die zeitliche Variation der Frequenz des eingespeisten Testsignals kann einem Jitter entsprechen, welches beispielsweise eine Frequenzamplitude im Bereich von 3 Hz, 5 Hz oder mehr aufweist. Folglich kann die Frequenz des Testsignals beispielsweise zwischen 297 Hz und 303 Hz variiert werden. Die Zeitskala, auf der die Variation der Frequenz des Testsignals erfolgt, kann einige wenige Sekunden betragen, z.B. 1 Sekunde, 2 Sekunden, 3 Sekunden oder mehr. Die Variation kann beispielsweise sinusförmig oder gemäß einer Dreiecksschwingung erfolgen, und dies kann durch Überlagerung einer zweiten Frequenz erreicht werden. Die Schleifenimpedanz-Testmessung wird auf die jeweils eingestellte Frequenz des Testsignals eingestellt.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses Öffnen von Schützen aufweisen, welche im Ladestrang zwischen dem Elektrofahrzeug und dem Ladepunkt angeordnet sind, wenn der ermittelte Schleifenimpedanzwert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Das Überschreiten des vorbestimmten Grenzwertes kann beispielsweise auf einen Abriss des Schutzleiter-Anschlusses hinweisen. Ein solches Ereignis stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar und qualifizieret eine Unterbrechung des Ladevorgangs bzw. kann den Beginn eines Ladevorgangs verhindern. Durch das Öffnen der Schütze, welche fahrzeugseitig an dem Ladekabel angeordnet sein können, erfolgt eine Trennung des Elektrofahrzeugs vom Stromnetz.
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In weiteren Ausführungsformen wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur kollisionsfreien Ermittlung einer Schleifenimpedanz bereitgestellt, aufweisend Testeingänge, mittels welchen die Vorrichtung in der Lage ist, die Schleifenimpedanz an deren Koppelstelle mit dem Stromnetz zu messen, einen Testsignalgenerator, welcher eingerichtet ist, ein Testsignal mit einer Frequenz zu erzeugen und dieses über die Testeingänge in das Stromnetz einzuspeisen und einen Steuerschaltkreis, welcher mit dem Testsignalgenerator gekoppelt ist und eingerichtet ist, den Betrieb der Vorrichtung gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren zu steuern.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
- 1 zeigt ein Flussdiagramm, in dem der Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum kollisionsfeien Ermitteln einer Schleifenimpedanz während des Ladens eines an einem Ladepunkt angeschlossenen Elektrofahrzeugs veranschaulicht ist.
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In einem ersten Schritt S1 weist das Verfahren Durchführen einer Testmessung an dem die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreis zum Erfassen eines Fremdtestsignals mit einer ersten Frequenz auf. Die Frequenz kann beispielsweise 400 Hz betragen.
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Nach der durchgeführten Kollisions-Prüfung mit potentiell anderen im Netz des Ladepunktes vorhandenen Fremdtestsignalen, wird im darauffolgenden Schritt das Testsignal mit einer Frequenz erzeugt und in die Fehlerstromschleife eingespeist. Die Frequenz des Testsignals ist dabei vom Ergebnis der Kollisions-Prüfung abhängig. Das heißt, in einem nächsten Schritt S2 wird das Testsignal mit einer ersten Frequenz in den die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreis eingespeist, wenn bei der Testmessung kein Fremdtestsignal mit der ersten Frequenz detektiert worden ist. Alternativ zu Schritt S2 wird in einem Schritt S3 das Testsignal mit einer von der ersten Frequenz unterschiedlichen zweiten Frequenz in den die Schleifenimpedanz bestimmenden Stromkreis eingespeist, wenn bei der Testmessung ein Fremdtestsignal mit der ersten Frequenz detektiert wird. Die zweite Frequenz kann beispielsweise 405 Hz betragen.
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In einem abschließenden Schritt S4 weist das Verfahren Ermitteln der Schleifenimpedanz bzw. des Schleifenimpedanzwertes auf Basis einer Detektion des eingespeisten Testsignals auf.
