Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Netzbewertung und Sollwertgenerierung für ein Ladegerät mit einem verallgemeinerten Integrator, dem ein Netzspannungssignal als ein erstes Eingangssignal zugeführt wird, und dem ein variabler Frequenzkoeffizient als ein zweites Eingangssignal zugeführt wird.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 354800 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein verallgemeinerter Integrator zu Bestimmung der

Grundfrequenz einer Netzspannung eingesetzt wird.

Ladegeräte in Elektrofahrzeugen, sogenannte On Board Charger oder On Board Charge Clients, werden mit dem Dreh- oder Wechselspannungsnetz der Energieversorger verbunden. Je nach Anschlusspunkt kann die Verbindung mit dem Energieversorgungsnetz durch bestimmte elektrische Parameter definiert werden. So kann die Verbindung einen besonders hohen Widerstand oder eine besonders hohe Induktivität aufweisen. Auch können sich in direkter Nähe zum Anschlussort weitere Verbraucher befinden, die die Spannungsform des Anschlusspunktes stark beeinflussen. Auch das Ein- und Ausschalten derartiger Verbraucher kann zu Störungen der Spannungsform und der Phasenlage, bis hin zu Spannungs- und Phasensprüngen führen.

Da die Ladegeräte in den Fahrzeugen verbaut sind, können sie mit all diesen Störungsformen an verschiedenen Anschlussstellen konfrontiert werden. Die Ladegeräte sollten daher in der Lage sein, mit all diesen Störungen umgehen zu können. Dabei sollte möglichst immer die volle Ladeleistung des

Ladegerätes zur Verfügung stehen. Dies ist je nach Art der Störung zwar nicht immer erreichbar; in jedem Fall sollte das Ladegerät aber in der Lage sein, zumindest einen Teil der Ladeleistung zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren werden an die Ladegeräte hohe Anforderungen hinsichtlich der Stromaufnahme aus dem Energieversorgungsnetz gestellt. Das Ladegerät soll einen möglichst sinusförmigen Strom in Phase zur Netzspannung aufnehmen. Diese Eigenschaft lässt sich mithilfe des Leistungsfaktors φ, der die

Phasenverschiebung von Spannung und Strom beschreibt, sowie der Total Harmonie Distortion THD, welche den Oberwellengehalt des Stromes quantifiziert, bewerten.

Hieraus lassen sich zwei wichtige Aufgaben für das Ladegerät ableiten, und zwar erstens die Ermittlung eines Stromsollwertes, der der Grundwelle der Netzspannung entspricht und zweitens die Ermittlung eines Qualitätsindex zur Bewertung der Netzanschlussqualität.

Das hier vorgeschlagene Verfahren zur Netzbewertung und

Sollwertgenerierung für ein Ladegerät soll die Lösung beider Aufgaben gegenüber dem aktuellen Stand der Technik verbessern und zwar

insbesondere in einer einfachen, für kostengünstige Mikrocontroller

ausführbaren Methode. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalkombination des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Es zeigen die

Figur 1 einen verallgemeinerten Integrator mit einem variablen

Frequenzkoeffizienten als Eingangsgröße,

Figur 2 einen Phasenregler zur Regelung des Frequenzkoeffizienten, Figur 3 zwei Diagramme zur Erläuterung der Detektion eines

Phasensignals,

Figur 4 eine Implementierung des verallgemeinerten Integrators mit

variablem Frequenzkoeffizienten,

Figur 5 eine erste Implementierung des Phasenreglers, Figur 6 eine zweite Implementierung des Phasenreglers.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen verallgemeinerten Integrator 1 mit einem einstellbaren Frequenzkoeffizienten a. Ein solcher Integrator ist aus der Literatur, wie beispielsweise der eingangs genannten europäischen Patentanmeldung EP 2354800 A1, bekannt und wird an vielen Stellen als Sinusfilter eingesetzt.

Dieser verallgemeinerte Integrator 1 wird nun um einen Phasenregler 2 erweitert. Die Gesamtheit aus beiden Teilen bildet einen frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrator 1, 2 aus, der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert.

Der verallgemeinerte Integrator 1 mit variablen Frequenzkoeffizienten α ist in der Figur 1 dargestellt. Er besitzt zwei Eingänge En, E12 und zwei Ausgänge A11, A12. Das Eingangssignal am ersten Eingang En ist die gemessene Netzspannung u. Das am zweiten Eingang E12 anliegende Eingangssignal ist der einstellbare Frequenzkoeffizient a. Die Ausgangssignale y _t , y ₂ an den beiden Ausgängen An, Absind erstens die um Störungen bereinigte

Grundwelle des Eingangssignals u als erstes Ausgangssignal y _lt sowie zweitens das dazu um 90° = | phasenverschobene Ausgangssignal y ₂ .

Das zeitliche Verhalten des verallgemeinerten Integrators 1 kann durch einen Satz von zwei Differentialgleichungen beschrieben werden:

Hierin beschreibt der Parameter b die Filtergüte des verallgemeinerten Integrators 1. Der Phasenregler 2 zur Regelung des Frequenzkoeffizienten a des

verallgemeinerten Integrators ist in der Figur 2 dargestellt Die

Eingangssignale der vier Eingänge E21, E22, E23, E24 sind der Reihe nach das Netzspannungssignal u, das erste Ausgangssignal y _x und das zweite

Ausgangssignal y ₂ des verallgemeinerten Integrators 1, sowie ein

Phasensollwert w. Die Ausgangssignale des Phasenreglers 2 sind ein sogenannter Netzqualitätsindex r am Ausgang A21, sowie am Ausgang A22 der Frequenzkoeffizient a, der eine Eingangsgröße des verallgemeinerten

Integrators 1 bildet.

Beide in den Figuren 1 und 2 skizzierten Regelkreise zusammen ergeben einen frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrator 1, 2.

Die Funktionsweise des frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrators 1, 2 ist die folgende. Der Verlauf der Netzspannung wird durch eine geeignete, hier nicht dargestellte Messeinrichtung erfasst und als Netzspannungssignal u an den frequenzadaptiven verallgemeinerten Integrator 1, 2 übergeben. Der Verlauf des Netzspannungssignals u ist im Grundsatz sinusförmig, kann aber durchaus Störungen, wie Verzerrungen, Oberwellen oder Lücken, enthalten.

Daraufhin geschieht zweierlei. Der verallgemeinerte Integrator 1 nimmt den Verlauf der sinusförmigen Grundwelle des Netzspannungssignals u auf und schwingt mit dieser mü Die Güte und Geschwindigkeit dieser Adaption kann mithirfe des Parameters b eingestellt werden.

Gleichzeitig mit dem Einschwingen des verallgemeinerten Integrators 1 wird durch den in der Figur 2 dargestellten Phasenregler 2 der Parameter α des verallgemeinerten Integrators 1 so eingestellt, dass dieser die der Grundwelle des Netzspannungssignals u zugrunde liegende Frequenz beschreibt Ist dieser Frequenzkoeffizient α nicht richtig eingestellt, ergibt sich zwischen den Signalen u und y _t eine Phasenverschiebung p. Diese wird vom Phasenregler 2 detektiert und durch Veränderung des Frequenzkoeffizienten a auf einen Phasensollwert w geregelt.

Die Detektion der Phasenverschiebung p wird durch die beiden Diagramme der Figur 3 weiter verdeutlicht. Aufgetragen sind in der Figur 3a der zeitliche Verlauf von Spannungssignalen und in der Figur 3b der zeitliche Verlauf des Winkels der Phasenverschiebung p, wobei die Figuren deren Verläufe rein qualitativ darstellen. Dabei wird zunächst vom Netzspannungssignal u das von Störungen bereinigte Signal y _t abgezogen. Das so entstandene Differenzsignal 777 wird mit dem Signal y ₂ multipliziert (Figur 3a). Dies ergibt ein Phasensignal p (Figur 3b), welches die Phasenverschiebung zwischen den Signalen u und y _x beschreibt. Aufgrund der immer gleichen Relation zwischen den Signalen y _x und y ₂ , welche um 90° phasenverschoben sind, ist das Phasensignal p immer positiv, sobald das Signal ftdem Signal u nachläuft, und immer negativ, sobald das Signal y _x vor dem Netzspannungssignal u herläuft. Das

Phasensignal p schwingt dabei mit der zweifachen Frequenz des

Netzspannungssignals u. Die benötigte Phaseninfbrmation findet sich im Mittelwert des Phasensignals p wieder.

Dieser Mittelwert des Phasensignals p wird nun vom verwendeten I-Regler I im Phasenregler 2 durch Verstellen des Frequenzkoeffizienten α dem

Phasensollwert w angeglichen. Die Regelgeschwindigkeit des Phasenreglers kann durch den Parameter k eingestellt werden.

Der Netzqualitätsindex r wird durch Betragsbildung aus dem Signal rp erzeugt. Er beschreibt zu jedem Zeitpunkt die Abweichung der gemessenen Netzspannung u von der zu erwartenden Grundwelle y ₁ der Netzspannung. Dadurch ist eine Echtzeitbewertung der Netzqualität, die alle möglichen Störungen der Netzspannung u abbildet, gegeben. Eine Weiterverarbeitung des Netzqualrtätsindexes r ist in vielerlei Hinsicht möglich; an dieser Stelle speziell vorgeschlagen werden sollen eine kontinuierliche Auswertung, welche direkt die Änderungsgeschwindigkeit der elektrischen Leistungsaufnahme speziell beim Starten des Ladegerätes beeinflusst, und eine Auswertung mittels eines absoluten oder variablen Grenzwertes, der bei Überschreitung zu einer Leistungsverminderung des Ladegerätes führt. Hierdurch kann das Ladegerät effizient auf Störungen reagieren, die an einem qualitativ schlechten Netzanschlusspunkt oder einem Inselnetz, bei einer hohen Leistungsentnahme durch das Ladegerät entstehen können.

Weiterhin kann in diesem Fall eine Regelung greifen, deren Ziel es ist den Netzqualitätsindex r genau auf dem Grenzwert zu halten um die

Leistungsverminderung des Ladegerätes so gering wie möglich zu halten.

Mit Hilfe des Phasensollwertes w kann dem Ladegerät ein beliebiger Verlauf der Phasenverschiebung p zur Netzspannung im Bereich von etwa - 20° bis + 20° vorgegeben werden. Dieser kann als Stellgröße für

Netzstabilitätsregelungen des Energieversorgers genutzt werden.

Weiterhin kann mithilfe des Signals y _x der Nulldurchgang der Netzspannung u erkannt werden, ohne eine aufwändige, störanfällige Erkennung zu

implementieren. Dies funktioniert, da das Signal y _x die Grundwelle der Netzspannung u als im Nullpunkt streng monoton fallendes oder steigendes Signal herausfiltert.

Das vorgestellte Verfahren ist auf kostengünstigen Mikrocontrollem

implementierbar und erlaubt neben der Generierung eines gefilterten sinusförmigen Stromsollwertes auch das Einstellen eines

Phasenverschiebungsverlaufes durch den Phasensollwert w und die Bewertung der Netzqualität mittels einer einzigen Größe, und zwar dem

Netzqualitätsindex r. Die Reaktion auf den Netzqualitätsindex r unterliegt nicht den enormen Zeitanforderungen der Netzanalyse und ist somit ebenfalls auf kostengünstigen Mikrocontrollem implementierbar.

Zur Implementierung des beschriebenen Verfahrens sind verschiedene

Ausführungen denkbar. Eine bevorzugte Implementierung für den

verallgemeinerten Integrator 1 ist in der Figur 4 dargestellt Diese erhält man aus der allgemeinen Definition in der Figur 1 durch eine Transformation in ein diskretes Modell mit einer definierten Abtastrate. Das Element Mem stellt hierbei einen Zwischenspeicher dar.

Die Implementierung für den Phasenregler, dargestellt in der Figur 5, lässt sich ebenso wie die Implementierung des verallgemeinerten Integrators durch eine Diskretisierung des in der Figur 2 gezeigten Modells erzeugen. Der Parameter kd ist hierin ein zeitdiskreter Parameter.

Alternativ ist es möglich, statt einer direkten Multiplikation mit dem Signal y ₂ , dessen Vorzeichen zunächst durch eine Signum-Funktion sgn zu ermitteln und anschließend lediglich mit dem Vorzeichen zu multiplizieren. Dadurch werden die Wertebereiche der nachfolgenden Signale weniger groß und sind für den verwendeten Mikrocontroller einfacher zu handhaben. Diese Ausführung ist in der Figur 6 dargestellt.