WO2017148547A1 - Messwandler - Google Patents

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Holger Riemenschneider
Stephan CATER
Jürgen WAFFNER
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    • Y04S30/10—Systems supporting the interoperability of electric or hybrid vehicles
    • Y04S30/14—Details associated with the interoperability, e.g. vehicle recognition, authentication, identification or billing

Definitions

  • the subject matter relates to a transducer for charging stations of electric vehicles and a method for operating a transducer. Due to the increasing use of electrical charging stations for
  • the transducer initially comprises a to a
  • a DC charging circuit connectable measuring device for detecting at least one DC measurement variable.
  • a DC charging circuit can be understood in this case as the electric charging circuit to which an energy storage of a
  • Electric vehicle is connected.
  • the charging station is electrical energy to the electric vehicle.
  • To stabilize the grid it is also possible to feed the vehicle back into the grid via the charging station.
  • the following description thus refers to both options, wherein here only a change of sign takes place in the current flow direction.
  • a DC voltage is obtained with a certain amount of current from a charge controller of an electric vehicle.
  • Electric vehicle thus draws electrical energy, which corresponds to the product of electricity, voltage and time. Possible DC measurements can be
  • the measuring instruments used must meet all calibration requirements.
  • the inventors have realized that it is possible to measure the electrical energy provided in the DC charging circuit in an AC measuring circuit, in particular in the AC measuring circuit, an electrical energy is consumed which is many times lower, however, as the electric power provided in the DC charging circuit, the conversion factor is constant.
  • the inventors propose a converter for the conversion of
  • the AC control variable outputted from the converter is used for the purpose of operating an actuator which adjusts an AC variable in an AC measurement circuit depending on the AC manipulated variable.
  • measured AC variable in particular the active power to make a constant factor lower than the active power that is provided through the DC charging circuit in the electric vehicle. Conversion factors of 1,000 or 5,000 are conceivable. Corresponding AC meters are available, which perform a corresponding scaling up and output the measured effective electrical power in the AC circuit by the known factor multiplied by the measured electric power, respectively taking into account the time, as electrical energy.
  • the converter usually has a constant conversion factor, for example a corresponding to the AC meter
  • the converter is set up in such a way that the magnitude of the AC variable is at least one Factor ten is smaller than the amount of the DC measured variable.
  • factors of greater than 100 for example 1,000 or even 5,000.
  • Corresponding AC meters are available which multiply by a corresponding factor the measured AC magnitude.
  • DC measuring variable comprises at least a DC voltage and / or a DC current.
  • the DC measured variable depends on the
  • DC measurement may be derived from the DC and / or DC current measured in the DC charging circuit.
  • the DC measured variable is an electrical power.
  • the electrical power is usually determined from the electrical voltage and the electric current in the DC charging circuit.
  • the AC control variable can be tracked in accordance with equally small intervals.
  • the AC variable is preferably an electrical power, in particular an electrical active power.
  • active power is preferably consumed. This can be realized by parasitic, capacitive or inductive loads are minimized as possible in the AC circuit and only an ohmic resistance is provided in the AC circuit.
  • the electrical real power is objective
  • DC charging circuit these factors are preferably 10, 100, 1,000, 5,000 or the like.
  • an AC energy meter is installed, which measures the electrical energy consumed in the AC measuring circuit.
  • Such a meter is preferably a Ferraris meter or a smart meter.
  • Such a smart meter is preferably remotely readable so that the electrical energy measured in the AC power circuit can be read remotely via a billing center.
  • the DC measurement especially the DC in the
  • DC charging circuit is detected via an ohmic resistance, in particular a measuring resistor.
  • This measuring resistor is subject
  • Measuring resistance determined current is temperature dependent.
  • a temperature in the DC charging circuit is detected.
  • the temperature is preferably detected by a temperature sensor.
  • the temperature sensor is arranged on the DC charging circuit.
  • the temperature sensor is arranged directly on the measuring resistor in the DC charging circuit and thus directly detects the temperature of the measuring resistor.
  • the AC control variable is then additionally dependent on the measured temperature of the
  • a phase angle between the alternating current and the alternating voltage can be determined.
  • Alternating current measuring circuit can be fed back to the converter and there serve as feedback to the reference variable of the DC measured variable, for adjusting the AC variable.
  • the measured in the AC measuring circuit AC magnitudes can be fed back together or independently of each other to the converter so as to allow control of the AC variable.
  • the measured DC measured variable in particular the DC voltage and the DC current, can first be scaled in a scaler, for example, to be fed to an analog-to-digital converter.
  • the analog-digital converter usually has a limited resolution. To rule out errors due to inaccurate quantization, it is proposed to use a
  • Operational amplifier first perform a scaling of the DC measured variables to their value dynamics, in particular to reduce the amplitude of the measured values.
  • AC circuit is provided a constant current source.
  • Constant current source is set depending on the AC variable. about the constant current source flows a constant alternating current in the AC measuring circuit, which is measured together with the AC voltage in the meter and thus an active power and / or taking into account the time an active energy is measured.
  • the constant current source is preferably an adjustable resistor
  • the alternating current measuring circuit can be connected to a 230 V mains network
  • a current flow in the AC measuring circuit can be, for example, 200 milliamperes. In phase equilibrium thus results in an active power of 46 W in the
  • This active power is measured by the AC meter and an active energy is output.
  • An active power of 46 W may correspond to a DC power in the DC charging circuit of 46 KW at a factor of 1,000 as it can be set in the converter. This means that when an electric vehicle with 46 KW charges in the AC circuit, only 46 W of "measurement power" is consumed, an even higher factor leads to an even lower consumption of "measurement power” in the AC circuit, which increases the cost effectiveness of the instrument. According to one embodiment, it is proposed that the converter adjusts the alternating current manipulated variable such that the active electrical power in the
  • AC circuit is a constant factor smaller than the electric power in the DC charging circuit.
  • the factor is, as mentioned, preferably over 100, in particular at 1,000 or 5,000.
  • the factor may be dependent on the type of energy meter in the AC power circuit. Becomes an energy meter With a factor of 5,000, the factor for the converter can also be set to 5,000.
  • the AC measuring circuit is a single-phase AC circuit.
  • Another aspect is a method of operating a transducer
  • DC charging circuit at least a DC measured variable is measured, from the DC measuring variable an AC variable is determined and a
  • AC variable is operated.
  • the method can be implemented particularly simply if the
  • AC circuit has a power supply and is operated with mains voltage.
  • this grid voltage is dependent on the respective grid operator and / or operator country and may be, for example 230 V or 110 V AC.
  • the DC measured variable is preferably detected at short intervals in order to be able to map the detected instantaneous electrical power as accurately as possible. Only then is the measured electrical energy as accurate as possible an image of the available electrical energy. That's why
  • the intervals are less than one second, preferably less than 100 ms, in particular 10 ms.
  • Fig. 1 a DC charging circuit
  • Fig. 2 a converter
  • Fig. 1 shows a DC charging circuit 2.
  • the DC charging circuit 2 is fed via a rectifier (not shown) with DC voltage at its terminals 4a, 4b.
  • the DC charging circuit is usually designed for powers of more than 10 kW, preferably more than 40 kW, in particular more than 70 kW electrical power.
  • Charging contacts 6a, 6b can be used to connect an electric vehicle 8 to the DC charging circuit 2.
  • the DC charging circuit 2 is usually in one
  • Charging station installed, which has a corresponding plug contact with a
  • Electric vehicle 8 can be connected.
  • the DC charging circuit 2 is shown for the sake of clarity only with the relevant for the subject transducer measuring devices.
  • the DC charging of an electric vehicle 8 naturally requires further technical facilities, which are not shown here for the sake of clarity.
  • a measuring resistor 10 is provided in the DC charging circuit 2.
  • Measuring resistor 10 is usually a measuring shunt, which has a constant current / voltage behavior as possible over a wide temperature range.
  • Measuring shunt can e.g. made of manganin.
  • the voltage drop is measured with a voltmeter 12. From this voltage value, the current intensity in the DC charging circuit can be derived if both the temperature and the current-voltage characteristic of the measuring resistor 10 are known.
  • a DC measured value 20 derived from the voltage measured at the voltmeter 12 is output.
  • a DC voltage between the charging contacts 6a, 6b is applied via the
  • Tension meter 14 is measured and the measured DC voltage is called
  • a temperature sensor 16 is provided, which is preferably arranged directly on the measuring resistor 10 and thus preferably measures the temperature of the measuring resistor 10.
  • the temperature sensor 16 outputs a temperature reading 24.
  • the measured values 20, 22, 24 measured in the DC charging circuit 2 are then first supplied to a scaling device 30, as shown in FIG.
  • the scaling device 30 in particular the DC measured value 20 and also the DC voltage measured value 22 are scaled, in order in particular to ensure a magnitude-reduced amplitude of the measured values.
  • the scaling can be done for one, several or all measured values 20, 22, 24.
  • a power reading 26 is applied to the scaler, which is detected as described below.
  • DC readings 20, 22 as a function of the temperature reading 24 and the feedback power reading 26 into an AC control value 28.
  • the DC measured value and the DC measured value 20, 24 are used to determine an electric power in the DC charging circuit.
  • the temperature reading 24 may be used to calculate a temperature drift from the DC reading. Does that have
  • Measuring resistor 10 is not over the entire temperature range, a constant current / voltage characteristic, so a temperature drift due to the
  • Temperature reading 24 are taken into account and so out of the over the resistor 10 measured voltage of actually flowing in the DC charging circuit 2 direct current can be determined. Temperature adjusted then the
  • DC power can be determined in the DC charging circuit 2.
  • an AC variable can be determined.
  • the factor can for example be applied to the DC power. If, for example, a direct current power of 1 kW results, the alternating current manipulated variable is at a factor of 1000 to 1 W. It is preferably a linear conversion of the direct current measured variable in one
  • the AC control variable 28 is output at the converter 34 and used, for example, to convert it to an AC current in a known
  • the AC manipulated variable 28 becomes, as shown in FIG.
  • Constant current source 36 is supplied.
  • the constant current source 36 usually has adjustable resistance. The current can be adjusted via the constant current source 36 via the resistor.
  • the resistance set in the constant current source 36 is determined by the voltage in the AC measurement circuit 38 and the AC variable. For example, if the electric power in the DC charging circuit 2 is 23 kW, a factor of 1,000 in the converter 34 results in an AC power of 23 W. With an AC voltage of 230 V AC, this results in an AC variable of 0.1 for a power factor cosphi of 1 Amp. This current leads to a setting of the resistance in the constant current source 36 to 2.3 kH. It should be noted that this is purely exemplary and depending on the factor and other boundary conditions, the constant current source 36 can also be operated with other values.
  • the AC measuring circuit 38 is connected via a network connection 40 with a
  • the electrical supply network provides In particular, a supply voltage of 230 V AC available.
  • AC measuring circuit 38 is in particular a single-phase measuring circuit and, in addition to the constant current source 36, has an energy meter 42
  • Energy meter 42 detects in particular the active electrical power or active energy that is consumed in the AC measuring circuit 38. For example, in the above example, this is 23 W power. If it accumulates consistently over one hour, ie if the vehicle constantly charges, for example, with 23 kW over one hour, and thus has received an electrical energy of 23 kWh, the energy counter 42 measures 23 Wh. However, the output measured value could be 23 kWh, when the energy counter 42 has a corresponding conversion factor of 1,000.
  • AC measurement circuit is preferably detected via a voltmeter 44 which measures the voltage drop across the constant current source 36.
  • AC voltage is detected by a voltmeter 46.
  • a phase angle between current and voltage can be detected.
  • the measured values derived therefrom are fed to an evaluation circuit 48 and stored in the
  • Evaluation circuit 48 is based on the measured values in the
  • AC measuring circuit 38 consumed active power determined. This active power can be coupled out as a power measurement value 26 and, as shown in FIG. 2, supplied to the scaler 30.
  • the active power 26 is supplied to the converter 34 and can be compared with the AC variable.
  • a control in particular a P-control, a PI control or a PID control can be done so as to synchronize the measured direct current measured variable and the set

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Abstract

Messwandler für Ladestationen von Elektrofahrzeugen umfassend eine an einen Gleichstromladekreis anschließbare Messeinrichtung zur Erfassung zumindest einer Gleichstrommessgröße, einem Wandler zur Wandlung der Gleichstrommessgröße in eine Wechselstromstellgröße, und ein Stellmittel zur Einstellung zumindest einer Wechselstromgröße in einem Wechselstrommesskreis abhängig von der Wechselstromstellgröße.

Description

Messwandler
Der Gegenstand betrifft einen Messwandler für Ladestationen von Elektrofahrzeugen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Messwandlers. Durch die zunehmende Verbreitung von elektrischen Ladestationen für
Elektrofahrzeuge ergeben sich neue Herausforderungen hinsichtlich der
einzusetzenden Messtechnik. Insbesondere sind technische Herausforderungen im Hinblick auf die korrekte Abrechnung von bezogener elektrischer Energie zu bewältigen. Neben dem Laden von Elektrofahrzeugen mittels Wechselstrom ist auch das Laden mittels Gleichstrom weit verbreitet. Beim Laden mittels Gleichstrom ergibt sich jedoch das Problem, das die für die Abrechnung der bezogenen elektrischen Energie erforderliche Messtechnik nicht in dem Maß vorhanden ist, wie dies für Wechselstrommesstechnik der Fall ist. Insbesondere sind eichrechtlich zugelassene Energiezähler als Verbrauchsmengenzähler in der Regel Wechselstromzähler. Diese finden eine weite Verbreitung als Energiezähler auch in Haushalten und dergleichen und sind somit in hoher Stückzahl kostengünstig verfügbar. Dies ist anders bei der Gleichstrommesstechnik, bei der aufgrund der geringen Stückzahlen die Kosten für entsprechende Messgeräte erheblich höher sind. Aus diesem Grunde lag dem Gegenstand die Aufgabe zu Grunde, eine verlässliche, in hoher Stückzahl verfügbare Messtechnik für Gleichstromladestationen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gegenständlich dadurch gelöst, dass die über einen
Gleichstromladekreis zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in einem
Wechselstrommesskreis mit Wechselstrommesstechnik für Abrechnungszwecke gemessen wird. Hierfür umfasst der Messwandler zunächst eine an einen
Gleichstromladekreis anschließbare Messeinrichtung zur Erfassung zumindest einer Gleichstrommessgröße. Ein Gleichstromladekreis kann in diesem Falle als der elektrische Ladekreis verstanden werden, an den ein Energiespeicher eines
Elektrofahrzeugs angeschlossen wird. Über diesen Gleichstromladekreis gibt die Ladestation elektrische Energie an das Elektrofahrzeug ab. Zur Netzstabilisierung kann auch eine Rückspeisung vom Fahrzeug in das Netz über die Ladestation erfolgen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich somit auf beide Optionen, wobei hier lediglich ein Vorzeichenwechsel in der Stromflussrichtung stattfindet.
Über den Gleichstromladekreis wird eine Gleichspannung mit einer bestimmten Stromstärke von einem Laderegler eines Elektrofahrzeugs bezogen. Das
Elektrofahrzeug bezieht somit elektrische Energie, welche dem Produkt aus Strom, Spannung und Zeit entspricht. Mögliche Gleichstrommessgrößen können
insbesondere die Gleichspannung als auch die Stromstärke in dem
Gleichstromladekreis sein.
Um nun die an das Elektrofahrzeug über den Gleichstromladekreis abgegebene elektrische Energie abrechnen zu können, muss diese in einem hierfür geeigneten Energiezähler gemessen werden. Energiezähler für Gleichstromkreise sind jedoch nur in geringen Stückzahlen verfügbar und in der Regel eichrechtlich nicht zugelassen. Bei dem Einsatz von kommerziellen Ladestationen ist jedoch die Abrechnung der zur
Verfügung gestellten elektrischen Energie auch eichrechtlich einwandfrei zu gestalten. Die eingesetzten Messgeräte müssen allen eichtechnischen Anforderungen genügen.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben die Erfinder erkannt, dass es möglich ist, die in dem Gleichstromladekreis zur Verfügung gestellte elektrische Energie in einem Wechselstrommesskreis zu messen, wobei insbesondere in dem Wechselstrommesskreis eine elektrische Energie verbraucht wird, die um ein vielfaches geringer ist, als die in dem Gleichstromladekreis zur Verfügung gestellte elektrische Energie, der Umrechnungsfaktor jedoch konstant ist. Hierfür schlagen die Erfinder einen Wandler zur Wandlung der
Gleichstrommessgröße in eine Wechselstromstellgröße vor. Mit Hilfe des Wandlers ist es möglich, die in dem Gleichstromladekreis gemessene Gleichstrommessgröße in eine Steuergröße umzuwandeln, mit der ein Wechselstrommesskreis betrieben wird.
Die von dem Wandler ausgegebene Wechselstromstellgröße wir gegenständlich dazu genutzt, ein Stellmittel zu betreiben, welches eine Wechselstromgröße in einem Wechselstrommesskreis abhängig von der Wechselstromstellgröße einstellt. Durch geeignete Skalierung der Gleichstrommessgröße gegenüber der
Wechselstromstellgröße ist es möglich, die in dem Wechselstrommesskreis
gemessene Wechselstromgröße, insbesondere die Wirkleistung, um einen konstanten Faktor geringer zu gestalten, als die Wirkleistung, die über den Gleichstromladekreis im Elektrofahrzeug zur Verfügung gestellt wird. Umrechnungsfaktoren von 1.000 oder 5.000 sind durchaus denkbar. Entsprechende Wechselstrommessgeräte sind verfügbar, welche eine entsprechend Hochskalierung durchführen und die gemessene elektrische Wirkleistung in dem Wechselstrommesskreis um den bekannten Faktor multipliziert als gemessene elektrische Leistung, respektive unter Berücksichtigung der Zeit, als elektrische Energie ausgeben.
Zunächst ist es notwendig, die Gleichstrommessgröße in eine Wechselstromstellgröße umzuwandeln. Hierfür wird ein Wandler vorgeschlagen, der die
Wechselstromstellgröße zumindest abhängig von der Gleichstrommessgröße einstellt. Der Wandler verfügt in der Regel über einen konstanten Umrechnungsfaktor, beispielsweise einem dem Wechselstrommessgerät entsprechenden
Umrechnungsfaktor. Je nachdem, wie die Umrechnung in dem
Wechselstrommessgerät erfolgt, kann eine Einstellung der Wechselstromstellgröße abhängig von der Gleichstrommessgröße erfolgen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der Wandler derart eingerichtet ist, dass der Betrag der Wechselstromstellgröße um zumindest einen Faktor zehn kleiner ist als der Betrag der Gleichstrommessgröße. Bevorzugt sind jedoch Faktoren von größer 100, beispielsweise 1.000 oder gar 5.000. Entsprechende Wechselstrommessgeräte sind verfügbar, die um einen entsprechenden Faktor multipliziert die gemessene Wechselstromgröße ausgibt. Somit ist am
Wechselstrommessgerät die Ausgabe des Messwertes entsprechend der
Gleichstrommessgröße, obwohl von Gleichstrommessgröße zu
Wechselstromstellgröße zunächst eine Skalierung nach unten stattgefunden hat. Diese wird in dem Wechselstrommessgerät entsprechend kompensiert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die
Gleichstrommessgröße zumindest eine Gleichspannung und/oder einen Gleichstrom umfasst. Insbesondere ist die Gleichstrommessgröße abhängig von der
Gleichspannung und/oder dem Gleichstrom in dem Gleichstromladekreis. Die
Gleichstrommessgröße kann aus der Gleichspannung und/oder dem Gleichstrom, welche in dem Gleichstromladekreis gemessen werden, abgeleitet werden.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Gleichstrommessgröße eine elektrische Leistung ist. Die elektrische Leistung bestimmt sich in der Regel aus der elektrischen Spannung und dem elektrischen Strom in dem Gleichstromladekreis. Wird die
Gleichstrommessgröße in kurzen Intervallen erfasst, so kann die
Wechselstromstellgröße in entsprechend ebenfalls kleinen Intervallen nachgeführt werden. Die Wechselstromstellgröße ist dabei vorzugsweise eine elektrische Leistung, insbesondere eine elektrische Wirkleistung. Im Wechselstrommesskreis wird vorzugsweise nur Wirkleistung verbraucht. Dies kann dadurch realisiert werden, dass in dem Wechselstrommesskreis parasitäre, kapazitive oder induktive Lasten möglichst minimiert sind und in dem Wechselstrommesskreis lediglich ein ohmscher Widerstand vorgesehen ist. Die elektrische Wirkleistung ist gegenständlich
vorzugsweise um einen Faktor geringer als die elektrische Leistung im
Gleichstromladekreis. Diese Faktoren sind vorzugsweise 10, 100, 1.000, 5.000 oder dergleichen. In dem Wechselstrommesskreis wird ein Wechselstromenergiezähler verbaut, der die in dem Wechselstrommesskreis verbrauchte elektrische Energie misst. Ein solcher Zähler ist vorzugsweise ein Ferraris-Zähler oder ein Smart Meter. Ein solches Smart Meter ist vorzugsweise fernauslesbar, sodass die in dem Wechselstrommesskreis gemessene elektrische Energie von der Ferne über eine Abrechnungszentrale auslesbar ist.
Die Gleichstrommessgröße, insbesondere der Gleichstrom in dem
Gleichstromladekreis, wird über einen ohmschen Widerstand, insbesondere einen Messwiderstand erfasst. Dieser Messwiderstand unterliegt
Temperaturschwankungen, so dass die über den Spannungsabfall über den
Messwiderstand ermittelte Stromstärke temperaturabhängig ist. Um im
Wechselstrommesskreis eine Temperaturkompensation durchführen zu können, wird neben den Gleichstrommessgrößen vorzugsweise gemäß einem Ausführungsbeispiel auch eine Temperatur in dem Gleichstromladekreis erfasst. Die Temperatur wird vorzugsweise über einen Temperatursensor erfasst. Der Temperatursensor ist an dem Gleichstromladekreis angeordnet. Insbesondere ist der Temperatursensor an dem Messwiderstand in dem Gleichstromladekreis unmittelbar angeordnet und erfasst somit unmittelbar die Temperatur des Messwiderstands. Die Wechselstromstellgröße wird dann zusätzlich abhängig von der gemessenen Temperatur des
Temperatursensors bestimmt.
Insbesondere ist es möglich, die aufgrund des Spannungsabfalls über den
Messwiderstand ermittelte Stromstärke des Gleichstromladekreises
temperaturkompensiert zur Verfügung zu stellen. Somit ist es möglich,
temperaturunabhängig den Gleichstrom als auch die Gleichspannung in dem
Gleichstromladekreis zu bestimmen um somit eine temperaturunabhängige
Bestimmung der Wechselstromstellgröße durchführen zu können. Da auch im Wechselstromkreis Schwankungen der Wechselspannung auftreten können, insbesondere aufgrund von Netzschwankungen, kann es dazu kommen, dass bei einer Einstellung eines Widerstands in dem Messkreis aufgrund sich verändernder Netzspannung die von dem Messgerät gemessene Wirkleistung variiert und insbesondere nicht mehr den vorgegebenen festen Faktor kleiner ist, als die elektrische Leistung in dem Gleichstromladekreis.
Um einen Gleichlauf der Wirkleistung in dem Wechselstrommesskreis mit der elektrischen Leistung in dem Gleichstromladekreis zu ermöglichen, kann in dem Wechselstrommesskreis eine Messung der Wechselspannung als auch des
Wechselstroms erfolgen. Bei dieser Messung kann außerdem auch ein Phasenwinkel zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung bestimmt werden. Eine hieraus abgeleitete Information über eine Wirkleistung in dem
Wechselstrommesskreis kann zu dem Wandler zurückgekoppelt werden und dort als Rückführung zu der Führungsgröße der Gleichstrommessgröße, für das Einstellen der Wechselstromstellgröße dienen. Die in dem Wechselstrommesskreis gemessenen Wechselstromgrößen können gemeinsam oder auch unabhängig voneinander an den Wandler zurückgekoppelt werden, um so eine Regelung der Wechselstromstellgröße zu ermöglichen.
Die gemessene Gleichstrommessgröße, insbesondere die Gleichspannung als auch der Gleichstrom, können in einem Skalierer zunächst skaliert werden um beispielsweise einem analog-digital Wandler zugeführt zu werden. Der analog-digital Wandler verfügt in der Regel über eine begrenzte Auflösung. Um Fehler aufgrund von ungenauer Quantisierung auszuschließen, wird vorgeschlagen, über einen
Operationsverstärker zunächst eine Skalierung der Gleichstrommessgrößen durchzuführen um deren Wertedynamik, insbesondere die Amplitude der Messwerte, zu verringern.
Um in den Wechselstrommesskreis eine möglichst exakte Messung der
Wechselstromleistung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass in dem
Wechselstrommesskreis eine Konstantstromquelle vorgesehen ist. Die
Konstantstromquelle wird abhängig von der Wechselstromstellgröße eingestellt. Über die Konstantstromquelle fließt ein konstanter Wechselstrom in dem Wechselstrommesskreis, der zusammen mit der Wechselspannung in dem Messgerät gemessen wird und somit eine Wirkleistung und bzw. unter Berücksichtigung der Zeit eine Wirkenergie gemessen wird.
Die Konstantstromquelle ist vorzugsweise ein einstellbarer Widerstand
beziehungsweise weist einen solchen einstellbaren Widerstand auf. Mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes ist es möglich, den Stromfluss in dem
Wechselstrommesskreis einzustellen.
Beispielhaft kann der Wechselstrommesskreis netzseitig an ein 230 V Netz
angeschlossen sein. Durch geeignete Einstellungen des Widerstandes kann ein Stromfluss in den Wechselstrommesskreis beispielsweise 200 Milliampere sein. Bei Phasengleichheit ergibt sich somit eine Wirkleistung von 46 W in dem
Wechselstrommesskreis. Diese Wirkleistung wird durch das Wechselstrommessgerät gemessen und eine Wirkenergie wird ausgegeben.
Eine Wirkleistung von 46 W kann bei einem Faktor von 1.000, wie er in dem Wandler eingestellt werden kann, einer Gleichstromleistung in dem Gleichstromladekreis von 46 KW entsprechen. Das heißt, dass wenn ein Elektrofahrzeug mit 46 KW lädt in dem Wechselstrommesskreis entsprechend nur 46 W„Messleistung" verbraucht werden. Ein noch höherer Faktor führt zu einem noch geringeren Verbrauch an„Messleistung" in dem Wechselstrommesskreis, was die Wirtschaftlichkeit des Messwandlers erhöht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass der Wandler derart die Wechselstromstellgröße einstellt, dass die elektrische Wirkleistung in dem
Wechselstromkreis einen konstanten Faktor kleiner ist, als die elektrische Leistung in dem Gleichstromladekreis. Der Faktor ist, wie erwähnt, vorzugsweise über 100, insbesondere bei 1.000 oder 5.000. Der Faktor kann insbesondere abhängig von der Art des Energiezählers in dem Wechselstrommesskreis sein. Wird ein Energiezähler mit einem Faktor 5.000 eingesetzt, kann der Faktor für den Wandler entsprechend auch auf 5.000 gesetzt sein.
Um die elektrische Leistung in dem Messkreis möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen, dass der Wechselstrommesskreis ein einphasiger Wechselstromkreis ist.
Ein weiterer Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Messwandlers,
insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in einem
Gleichstromladekreis zumindest eine Gleichstrommessgröße gemessen wird, aus der Gleichstrommessgröße eine Wechselstromstellgröße bestimmt wird und ein
Wechselstrommesskreis mit einer Wechselstromgröße abhängig von der
Wechselstromstellgröße betrieben wird. Besonders einfach lässt sich das Verfahren implementieren, wenn der
Wechselstrommesskreis einen Netzanschluss aufweist und mit Netzspannung betrieben wird. Insbesondere ist diese Netzspannung abhängig vom jeweiligen Netzbetreiber und/oder Betreiberland und kann dabei beispielsweise 230 V oder auch 110 V AC betragen.
Die Gleichstrommessgröße wird vorzugsweise in kurzen Intervallen erfasst, um so die erfasste momentane elektrische Leistung möglichst zeitgenau abbilden zu können. Nur dann ist die gemessene elektrische Energie auch möglichst exakt ein Abbild der zur Verfügung gestellten elektrischen Energie. Aus diesem Grunde wird
vorgeschlagen, dass die Intervalle kleiner eine Sekunde, vorzugsweise kleiner 100 ms, insbesondere 10 ms sind.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Einen Gleichstromladekreis; Fig. 2 Einen Wandler;
Fig. 3 Einen Wechselstrommesskreis.
Fig. 1 zeigt einen Gleichstromladekreis 2. Der Gleichstromladekreis 2 wird über einen Gleichrichter (nicht gezeigt) mit Gleichspannung an seinen Anschlüssen 4a, 4b gespeist. Der Gleichstromladekreis wird in der Regel für Leistungen von mehr als 10 kW, vorzugsweise mehr als 40 kW, insbesondere mehr als 70 kW elektrische Leistung ausgelegt. Über Ladekontakte 6a, 6b kann ein Elektrofahrzeug 8 an den Gleichstromladekreis 2 angeschlossen werden. Der Gleichstromladekreis 2 ist in der Regel in einer
Ladestation verbaut, die über einen entsprechenden Steckkontakt mit einem
Elektrofahrzeug 8 verbunden werden kann. Der Gleichstromladekreis 2 ist zum Zwecke der Übersichtlichkeit nur mit den für den gegenständlichen Messwandler relevanten Messeinrichtungen gezeigt. Das Gleichstromladen eines Elektrofahrzeugs 8 erfordert naturgemäß weitere technische Einrichtungen, die der Übersichtlichkeit halber hier jedoch nicht gezeigt sind.
In dem Gleichstromladekreis 2 ist ein Messwiderstand 10 vorgesehen. Der
Messwiderstand 10 ist in der Regel ein Messshunt, der möglichst über einen weiten Temperaturbereich ein konstantes Strom/Spannungsverhalten aufweist. Der
Messshunt kann z.B. aus Manganin gebildet sein.
Über den Messwiderstand 10 wird mit einem Spannungsmesser 12 die abfallende Spannung gemessen. Aus diesem Spannungswert lässt sich die Stromstärke in dem Gleichstromladekreis ableiten, wenn sowohl Temperatur als auch die Strom- Spannungskennlinie des Messwiderstands 10 bekannt ist.
Zunächst wird ein aus der an dem Spannungsmesser 12 gemessenen Spannung abgeleiteter Gleichstrommesswert 20 ausgegeben. Eine Gleichspannung zwischen den Ladekontakten 6a, 6b wird über den
Spannungsmesser 14 gemessen und die gemessene Gleichspannung wird als
Gleichspannungsmesswert 22 ausgegeben. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 16 vorgesehen, der vorzugsweise unmittelbar an den Messwiderstand 10 angeordnet ist und somit vorzugsweise die Temperatur des Messwiderstandes 10 misst. Der Temperatursensor 16 gibt einen Temperaturmesswert 24 aus. Die in dem Gleichstromladekreis 2 gemessenen Messwerte 20, 22, 24 werden anschließend zunächst einer Skaliervorrichtung 30, wie in Figur 2 gezeigt, zugeführt. In der Skaliervorrichtung 30 werden insbesondere der Gleichstrommesswert 20 als auch der Gleichspannungsmesswert 22 skaliert, um insbesondere eine betragsmäßig geringere Amplitude der Messwerte sicher zu stellen. Die Skalierung kann für einen, mehrere oder alle Messwerte 20, 22, 24 erfolgen. Darüber hinaus wird dem Skalierer ein Leistungsmesswert 26 zugeführt, welcher wie nachfolgend beschrieben erfasst wird.
Allen Messwerten 20, 22, 24, 26 werden anschließend einem Analog-Digital Wandler 32 zugeführt und die dann digitalisierten Messwerte werden anschließend einem Wandler 34 zugeführt. In dem Wandler erfolgt die Umwandlung der
Gleichstrommesswerte 20, 22 in Abhängigkeit des Temperaturmesswerts 24 und des rückgekoppelten Leistungsmesswertes 26 in einen Wechselstromstellwert 28. Zunächst werden der Gleichspannungsmesswert und der Gleichstrommesswert 20, 24 verwendet, um eine elektrische Leistung in dem Gleichstromladekreis zu bestimmen. Anschließend oder davor kann der Temperaturmesswert 24 verwendet werden, um aus dem Gleichstrommesswert einen Temperaturdrift auszurechnen. Hat der
Messwiderstand 10 nicht über den gesamten Temperaturbereich eine konstante Strom/Spannungskennlinie, so kann ein Temperaturdrift aufgrund des
Temperaturmesswerts 24 berücksichtigt werden und so aus der über den Widerstand 10 gemessenen Spannung der tatsächlich in dem Gleichstromladekreis 2 fließende Gleichstrom bestimmt werden. Temperaturbereinigt kann dann die
Gleichstromleistung in dem Gleichstromladekreis 2 bestimmt werden. Abhängig von einem Faktor, beispielsweise 1.000, kann eine Wechselstromstellgröße bestimmt werden. Der Faktor kann beispielsweise auf die Gleichstromleistung angewendet werden. Ergibt sich beispielsweise eine Gleichstromleistung von 1 kW wird die Wechselstromstellgröße bei einem Faktor von 1.000 zu 1 W. Es erfolgt vorzugsweise eine lineare Umrechnung der Gleichstrommessgröße in eine
Wechselstromstellgröße.
Die Wechselstromstellgröße 28 wird am Wandler 34 ausgegeben und beispielsweise verwendet, um eine Umrechnung in einen Wechselstrom bei einer bekannten
Wechselspannung durchzuführen.
Die Wechselstromstellgröße 28 wird, wie in Figur 3 gezeigt, einer
Konstantstromquelle 36 zugeführt. Die Konstantstromquelle 36 verfügt in der Regel über einstellbaren Widerstand. Über den Widerstand lässt sich der Strom über die Konstantstromquelle 36 einstellen. Der Widerstand, der in der Konstantstromquelle 36 eingestellt wird, bestimmt sich aus der Spannung in dem Wechselstrommesskreis 38 und der Wechselstromstellgröße. Ist beispielsweise die elektrische Leistung in dem Gleichstromladekreis 2 23 kW ergibt sich bei einem Faktor von 1.000 in dem Wandler 34 eine Wechselstromleistung von 23 W. Bei einer Wechselspannung von 230 V AC ergibt sich hieraus bei einem Leistungsfaktor cosphi von 1 eine Wechselstromgröße von 0,1 Ampere. Diese Stromstärke führt zu einer Einstellung des Widerstandes in der Konstantstromquelle 36 auf 2,3 kH. Es sei erwähnt, dass dies rein beispielhaft ist und abhängig vom Faktor und weiteren Randbedingungen die Konstantstromquelle 36 auch mit anderen Werten betrieben werden kann. Der Wechselstrommesskreis 38 ist über einen Netzanschluss 40 mit einem
elektrischen Versorgungsnetz verbunden. Das elektrische Versorgungsnetz stellt insbesondere eine Versorgungsspannung von 230 V AC zur Verfügung. Der
Wechselstrommesskreis 38 ist insbesondere ein einphasiger Messkreis und verfügt neben der Konstantstromquelle 36 über einen Energiemengenzähler 42. Der
Energiemengenzähler 42 erfasst insbesondere die elektrische Wirkleistung beziehungsweise Wirkenergie, die in dem Wechselstrommesskreis 38 verbraucht wird. In dem oben genannten Beispiel ist dies beispielsweise in 23 W Leistung. Wenn diese über eine Stunde konstant anfällt, das heißt wenn das Fahrzeug beispielsweise mit 23 kW über eine Stunde konstant lädt, und somit eine elektrische Energie von 23 kWh bezogen hat, misst der Energiemengenzähler 42 23 Wh. Der ausgegebene Messwert könnte jedoch 23 kWh sein, wenn der Energiemengenzähler 42 einen entsprechenden Umrechnungsfaktor von 1.000 hat.
Zur Kontrolle der in dem Wechselstrommesskreis 38 verbrauchten Wirkleistung in Relation zu der elektrischen Leistung in dem Gleichstromladekreis 2 wird ein Strom und eine Spannung in dem Wechselstromladekreis erfasst. Der Strom in dem
Wechselstrommesskreis wird vorzugsweise über einen Spannungsmesser 44, der den Spannungsabfall über die Konstantstromquelle 36 misst, erfasst. Die
Wechselspannung wird über einen Spannungsmesser 46 erfasst. Außerdem kann ein Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung erfasst werden. Die hieraus abgeleiteten Messwerte werden einer Auswerteschaltung 48 zugeführt und in der
Auswerteschaltung 48 wird anhand der gemessenen Werte die in dem
Wechselstrommesskreis 38 verbrauchte Wirkleistung bestimmt. Diese Wirkleistung kann als Leistungsmesswert 26 ausgekoppelt werden und wie in Figur 2 gezeigt, dem Skalierer 30 zugeführt werden.
Letztendlich wird die Wirkleistung 26 dem Wandler 34 zugeführt und kann mit der Wechselstromstellgröße verglichen werden. Diese beiden Werte müssen miteinander übereinstimmen, ansonsten kann in dem Wandler 34 eine Regelung, insbesondere eine P-Regelung, eine PI-Regelung oder eine PID-Regelung erfolgen um so einen Gleichlauf aus der gemessenen Gleichstrommessgröße und der eingestellten
Wechselstromstellgröße zu erzielen. Mit Hilfe des gegenständlichen Messwandlers ist es möglich, in besonders einfacher und kostengünstiger Weise für Abrechnungszwecke relevante Messwerte bei einem Gleichstromladen zu erfassen. Es ist keine aufwendige Gleichtstrommesstechnik notwendig, sondern mit vorhandener Wechselstromtechnik lassen sich
abrechnungsrelevante Werte erfassen.
Bezugszeichenliste
2 Gleichstromladekreis
4 Anschlüssen
6 Ladekontakte
8 Elektrofahrzeug
10 Messwiderstand
12, 14 Spannungsmesser
16 Temperatursensor
20 Gleichstrommesswert
22 Gleichspannungsmesswert
24 Temperaturmesswert
26 Leistungsmesswert
28 Wechselstromstellwert
30 Skalierer
32 audio-digital Wandler
34 Wandler
36 Konstantstromquelle
38 Wechselstrommesskreis
40 Netzanschluss
42 Energiezähler
44 Spannungsmesser
46 Spannungsmesser
48 Auswerteschaltung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Messwandler für Ladestationen von Elektrofahrzeugen umfassend
eine an einen Gleichstromladekreis anschließbare Messeinrichtung zur Erfassun; zumindest einer Gleichstrommessgröße,
einem Wandler zur Wandlung der Gleichstrommessgröße in eine
Wechselstromstellgröße,
ein Stellmittel zur Einstellung zumindest einer Wechselstromgröße in einem Wechselstrommesskreis abhängig von der Wechselstromstellgröße.
Messwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wandler die Wechselstromstellgröße zumindest abhängig von der Gleichstrommessgröße einstellt.
Messwandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wandler derart eingerichtet ist, dass der Betrag der
Wechselstromstellgröße um zumindest einen Faktor zehn kleiner ist als der Betrag der Gleichstrommessgröße.
Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest eine Gleichstrommessgröße zumindest eine Gleichspannung und/oder einen Gleichstrom umfasst.
Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstrommessgröße eine elektrische Leistung ist und das die
Wechselstromstellgröße eine elektrische Leistung, insbesondere eine elektrische Wirkleistung ist.
6. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Wechselstrommesskreis ein Wechselstrommessgerät, insbesondere ein Wechselstromenergiezähler, insbesondere ein Ferraris-Zähler oder ein Smart Meter angeordnet ist.
7. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Gleichstromladekreis ein Temperatursensor angeordnet ist und dass Wandler abhängig von einer vom Temperatursensor erfassten Temperatur die Wechselstromstellgröße bestimmt.
8. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Wechselstromgröße als Stellgröße an den Wandler zurückgekoppelt wird.
9. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Skalierungsschaltung die Gleichstrommessgröße skaliert.
10. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wechselstrommesskreis eine Konstantstromquelle aufweist und dass die Konstantstromquelle abhängig von der Wechselstromstellgröße einen konstanten Wechselstrom in den Wechselstrommesskreis speist.
11. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Konstantstromquelle zumindest einen abhängig von der
Wechselstromstellgröße einstellbaren Widerstand aufweist.
12. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Wechselstrommesskreis eine Messeinrichtung zur Erfassung zumindest einer Wechselstrommessgröße angeordnet ist und dass die
Wechselstrommessgröße als Stellgröße an den Wandler zurückgekoppelt ist.
Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wandler derart die Wechselstromstellgröße einstellt, dass die elektrische Wirkleistung in dem Wechselstrommesskreis einen konstanten Faktor kleiner ist als die elektrische Leistung in dem Gleichstromladekreis.
Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wechselstrommesskreis ein einphasiger Wechselstromkreis ist.
15. Verfahren zum Betreiben eines Messwandlers, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
in einem Gleichstromladekreis zumindest eine Gleichstrommessgröße gemessen wird,
aus der Gleichstrommessgröße eine Wechselstromstellgröße bestimmt wird, und ein Wechselstrommesskreis mit einer Wechselstromgröße abhängig von der Wechselstromstellgröße betrieben wird. 16. Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrommesskreis einen Netzanschluss aufweist und mit Netzspannung betrieben wird, insbesondere mit 110V AC oder 230V AC.
Messwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleichstrommessgröße in Intervallen, insbesondere in Intervallen kleiner als 1 Sekunde, vorzugsweise kleiner als 100ms, insbesondere 10ms erfasst wird.
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