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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen mobilen Adapter zum Anschluss eines Stromspeichers an ein Spannungsnetz, aufweisend:
- a) Einen Spannungsrichter zum Umwandeln einer Gleichspannung oder Wechselspannung aus dem Stromspeicher in eine Wechselspannung zum Einspeisen in das Spannungsnetz;
- b) Eine Steuerung des Spannungsrichters zur Phasensynchronisation der Wechselspannung aus dem Spannungsrichter mit einer Wechselspannung des Spannungsnetzes.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Einspeise-Netzwerk mit einem solchen Adapter.
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Aus dem Stand der Technik sind Solarwechselrichter bekannt, die Gleichspannung aus Solarmodulen in Wechselspannung umwandeln und in ein Stromversorgungsnetz einspeisen. Dabei synchronisieren sie sich automatisch mit dem Stromversorgungsnetz. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Spannungsumrichter bekannt, die Wechselspannung aus Windenergieanlagen mit der Wechselspannung in einem Stromversorgungsnetz zur Einspeisung synchronisieren.
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Die bekannten Wechselrichter und Umrichter sind wenig flexibel in Bezug auf den Anschluss eines Stromspeichers an ein Spannungsnetz.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Adapter und ein Einspeise-Netzwerk bereitzustellen, die einen flexiblen Anschluss eines Stromspeichers an ein Spannungsnetz ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Adapter nach Anspruch 1 und ein Einspeise-Netzwerk nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:
- c) einen ersten Stecker zum Anschließen des Adapters an den Stromspeicher mit zwei Kontaktstiften zum Einführen in Kontaktbuchsen einer zugehörigen Steckdose zur Verbindung des Adapters mit dem Stromspeicher;
- d) Eine Einspeise-Steckdose zum Anschließen des Adapters an das Spannungsnetz, insbesondere mit
- I. zwei Kontaktbuchsen zur Aufnahme von Kontaktstiften eines zugehörigen Einspeise-Steckers zur Herstellung einer Verbindung mit dem Spannungsnetz, wobei die Kontaktbuchsen von einer Berührungsschutzhülse umgeben sind, und
- II. einer Verriegelungsaufnahme zur Aufnahme eines Verriegelungselements des zugehörigen Einspeise-Steckers zur Befestigung des Einspeise-Steckers an der Einspeise-Steckdose unter Formschluss in Steckrichtung.
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Durch den Einspeise-Stecker und die Einspeise-Steckdose lässt sich der Adapter auf einfache Weise und zeitlich flexibel mit verschiedenen Stromspeichern einerseits und Spannungsnetzen andererseits verbinden, um Strom aus dem Stromspeicher in das Spannungsnetz bzw. Stromnetz einzuspeisen. Insbesondere führen die Berührungsschutzhülse und die Verriegelungsaufnahme der Einspeise-Steckdose zu einer sicheren und stabilen Verbindung des Adapters mit dem Spannungsnetz. Die Steckrichtung des Einspeise-Steckers bezieht sich insbesondere auf die Richtung, in der der Einspeise-Stecker in die Einspeise-Steckdose eingesteckt wird. Die Einspeise-Steckdose und/oder der Einspeise-Stecker können jeweils über ein Kabel an den restlichen mobilen Adapter angebunden sein.
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Das Spannungsnetz ist insbesondere als elektrisches Netzwerk in einem Gebäude oder Haus ausgebildet. Der Adapter ist von dem Stromspeicher und dem Spannungsnetz zerstörungsfrei lösbar ausgebildet. Der Spannungsrichter umfasst einen Wechselrichter und/oder einen Umrichter. Die Stromspeicher weisen insbesondere Akkumulatoren oder Batterien auf. Der Begriff „Berührungshülse“ umfasst auch mehrere Berührungshülsen. Der Stecker kann mehr als zwei Kontaktstifte und die Einspeise-Steckdose mehr als zwei Kontaktbuchsen aufweisen. Die Verriegelungsaufnahme ist derart ausgebildet, dass sie zusammen mit dem Verriegelungselement des Einspeise-Steckers im montierten Zustand eine Zugbewegung des Einspeise-Steckers in Steckrichtung verhindert.
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Der Spannungsrichter weist insbesondere einen Schaltkreis zur Umwandlung einer Wechselspannung aus dem Stromspeicher in eine Gleichspannung und einen Schaltkreis zur Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Einspeisung der derart erzeugten Wechselspannung in das Spannungsnetz auf. Der Schaltkreis weist insbesondere einen Leistungsfaktorkorrekturfilter auf, auch Filter zur Power Factor Correction (PFC) genannt.
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Die Steuerung des Spannungsrichters ist insbesondere für eine oder mehrere der folgenden Funktionen ausgebildet:
- 1) zur Kontrolle der Funktionsweise des Adapters mit dem Spannungsrichter unter Berücksichtigung von Betriebsparametern, zum Beispiel für die Funktionsweise des Adapters relevante Temperaturen, Ströme und/oder Spannungen,
- 2) zur Vektorregelung der Wechselströme in dem Spannungsrichter,
- 3) zur Ansteuerung von Schaltkreisen in dem Spannungsrichter,
- 4) zur Ausbildung der Wechselspannung in Bezug auf die Frequenz, die Amplitude und die Synchronisation der Phase einer Wechselspannung in dem Spannungsrichter mit einer Wechselspannung in dem Spannungsnetz,
- 5) zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung des Adapters mit dem Spannungsnetz,
- 6) zur Steuerung einer Inselschaltung, umfassend den Adapter,
- 7) zur Kommunikation über Schnittstellen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform des Adapters mit einem Leistungssteller zur Begrenzung der Leistung der Wechselspannung aus dem Spannungsrichter, insbesondere zur Begrenzung der Leistung auf 600 W. Durch den Leistungssteller wird die Leistung aus dem Stromspeicher auf einen für das Spannungsnetz passenden Wert begrenzt. Der Leistungssteller weist zum Beispiel Thyristoren auf.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform des Adapters mit einem Netzfreischalter zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen dem Spannungsnetz und einem elektrischen Zielnetz, das mit dem Adapter und dem Spannungsnetz elektrisch verbunden ist, bei einem Stromausfall in dem Spannungsnetz. Das Zielnetz ist beispielsweise als ein elektrisches Netzwerk in einer Wohnung ausgebildet. Bei unbeabsichtigter Unterbrechung eines Stroms durch das Spannungsnetz bzw. Stromnetz schaltet der Adapter ab. Die Spannung in dem Adapter wird heruntergefahren. Anschließend betätigt der Adapter drahtlos und/oder drahtgebunden den Netzfreischalter, um das Zielnetz und das Spannungsnetz elektrisch zu entkoppeln. Danach startet der Adapter wieder seinen Betrieb. Die Spannung in dem Adapter wird wieder hochgefahren. Der Stromspeicher, der Adapter und weitere an das Zielnetz angeschlossene elektrische Vorrichtungen können als Inselanlage weiterbetrieben werden, in der ein Strom fließt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung des Adapters ist die Aufnahme der Einspeise-Steckdose als Gewinde und/oder Öffnung ausgebildet. Derartige Aufnahmen ermöglichen zusammen mit komplementären Verbindungselementen des Einspeise-Steckers stabile Verriegelungen des Einspeise-Steckers an der Einspeise-Steckdose (siehe unten).
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Stecker einen Schutzkontakt zum Verbinden mit einem Schutzleiterkontakt der zugehörigen Steckdose zur Ableitung eines Fehlerstroms auf, wobei der Fehlerstrom beim Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Stromspeicher durch die Kontaktstifte auftritt. Der Schutzkontakt erhöht die Sicherheit der Verbindung zwischen dem Adapter und dem Stromspeicher. Der Stecker ist insbesondere als Schutzkontaktstecker ausgebildet.
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Ein Einspeise-Netzwerk weist einen Adapter nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, einen, insbesondere mobilen, Stromspeicher, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie und/oder eine Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie, und eine Steckdose zur elektrischen Verbindung mit dem Stecker des Adapters auf, wobei die Steckdose zwei Kontaktbuchsen zur Aufnahme der Kontaktstifte des Steckers aufweist. Die Steckdose weist insbesondere einen Schutzleiterkontakt zur Anlage mit einem Schutzkontakt des Steckers auf. Die Steckdose ist insbesondere komplementär zu einem Schutzkontaktstecker ausgebildet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Einspeise-Netzwerks führt das Spannungsnetz zu einem Einspeise-Stecker, der Folgendes aufweist:
- III. zwei Kontaktstifte zum Einführen in die Kontaktbuchsen der Einspeise-Steckdose, wobei die Kontaktstifte von einer Berührschutzhülse des Einspeise-Steckers umgeben sind;
- IV. ein Verriegelungselement zum formschlüssigen Verbinden in Steckrichtung mit der Verriegelungsaufnahme der Einspeise-Steckdose.
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Bei Ausführungsformen des Einspeise-Netzwerks, bei denen die Aufnahme der Einspeise-Steckdose als Gewinde ausgebildet ist, weist der zugehörige Einspeise-Stecker ein komplementäres Gewinde zum Aufschrauben des Einspeise-Steckers auf das Gewinde der Einspeise-Steckdose auf. Dadurch wird auf schnelle Weise eine stabile Verriegelung des Einspeise-Steckers an der Einspeise-Steckdose bewirkt. Bei Ausführungsformen des Einspeise-Netzwerks, bei denen die Aufnahme der Einspeise-Steckdose als Öffnung ausgebildet ist, weist der Einspeise-Stecker insbesondere ein elastisches Element mit einer Zunge zum Eingriff in die Öffnung auf. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine in Steckrichtung nicht verschiebbare Verbindung von Einspeise-Stecker und Einspeise-Steckdose herstellen, die insbesondere nur durch ein Werkzeug lösbar und damit sicher ausgestaltet ist.
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Bevorzugt weist das Einspeise-Netzwerk ein Photovoltaik-Modul zur Erzeugung elektrischer Energie aus solarer Energie auf. Die elektrische Energie aus dem Photovoltaik-Modul wird insbesondere in einem Speichermittel des Stromspeichers gespeichert.
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Bei einer Ausführungsform des Einspeise-Netzwerks verläuft zwischen dem Stromspeicher und dem Adapter eine Signalleitung, um dem Stromspeicher anzuzeigen, dass der Adapter an den Stromspeicher angeschlossen ist, wobei die Signalleitung insbesondere in eine Stromleitung zwischen dem Stromspeicher und dem Adapter integriert ist. Vorteilhaft ist es dann möglich, nach Übertragung eines Signals durch die Signalleitung die Stromübertragung von dem Stromspeicher auf den Adapter oder das Spannungsnetz einzustellen und dadurch zu optimieren.
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Bei einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform weist der Stromspeicher eine Spannungssteuerung zur Steuerung der Spannung aus dem Stromspeicher in Abhängigkeit von dem Signal aus der Signalleitung auf, insbesondere, um die Ausgabe einer Gleichspannung aus dem Stromspeicher zu veranlassen, wenn der Adapter an den Stromspeicher angeschlossen ist. Die Steuerung ermöglicht eine flexible Ausgabe der Wechselspannung unter anderem in Bezug auf die Frequenz, die Amplitude und die Phase. Insbesondere bewirkt die Steuerung die Ausgabe einer Gleichspannung statt einer Wechselspannung aus dem Stromspeicher, wenn der Adapter an den Stromspeicher angeschlossen ist, wobei die Gleichspannung durch den Spannungsrichter in dem Adapter in eine Wechselspannung zur Einspeisung in das Spannungsnetz umgewandelt wird. Es wird in dem Stromspeicher keine Wechselspannung erzeugt, die zunächst in dem Spannungsrichter in eine Gleichspannung umgewandelt werden muss, um aus dieser Gleichspannung eine zur Einspeisung in das Spannungsnetz geeignete Wechselspannung zu erzeugen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch ein Einspeise-Netzwerk mit einem Adapter;
- 2 zeigt schematisch einen ersten Schaltkreis eines Spannungsrichters des Adapters;
- 3 zeigt schematisch einen zweiten Schaltkreis des Spannungsrichters des Adapters.
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1 zeigt schematisch ein Einspeise-Netzwerk 10 mit einem mobilen Adapter 12 zum Anschluss eines Stromspeichers 14 an ein Spannungsnetz 16. Ein Spannungsrichter 18 des Adapters 12 wandelt eine Gleichspannung oder Wechselspannung aus dem Stromspeicher 14 in eine Wechselspannung zum Einspeisen in das Spannungsnetz 16 um. Eine Steuerung 20 des Spannungsrichters 18 synchronisiert die Phase der Wechselspannung aus dem Spannungsrichter 18 mit einer Wechselspannung des Spannungsnetzes 16. Ein erster Stecker 22a dient der Verbindung des Adapters 12 mit dem Stromspeicher 14. Der erste Stecker 22a weist zwei Kontaktstifte 24a, 24b des erstes Steckers 22a zum Einführen in zwei Kontaktbuchsen 26a, 26b einer zugehörigen Steckdose 22b auf. Ein Schutzkontakt 28 des Steckers verbindet einen Schutzleiterkontakt 30 der zugehörigen Steckdose 22b zur Ableitung eines Fehlerstroms, wobei der Fehlerstrom beim Herstellen der elektrischen Verbindung mit dem Stromspeicher 14 durch die Kontaktstifte 24a, 24b auftritt.
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Eine Einspeise-Steckdose 30a dient dem Anschließen des Adapters 12 an das Spannungsnetz 16. Die Einspeise-Steckdose 30a weist zwei Kontaktbuchsen 32a, 32b zur Aufnahme von Kontaktstiften 34a, 34b eines zugehörigen Einspeise-Steckers 30b zur Herstellung einer Verbindung mit dem Spannungsnetz 16 auf. Eine jeweilige Berührungsschutzhülse 36a, 36b schützt die Kontaktbuchsen 32a, 32b und die Kontaktstifte 34a, 34b vor Berührung durch einen Benutzer des Adapters 12. Eine Verriegelungsaufnahme 38a nimmt ein Verriegelungselement 38b des zugehörigen Einspeise-Steckers 30b auf, um den Einspeise-Stecker 30b an der Einspeise-Steckdose 30a unter Formschluss in Steckrichtung SR zu befestigen.
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Ein Leistungssteller 40 des Adapters 12 begrenzt die Leistung der Wechselspannung aus dem Spannungsrichter 18, insbesondere auf 600 W. Ein Netzfreischalter 42 unterbricht die elektrische Verbindung zwischen dem Spannungsnetz 16 und einem elektrischen Zielnetz 78, das mit dem Adapter 12 und dem Spannungsnetz 16 elektrisch verbunden ist bei einem Stromausfall in dem Spannungsnetz 16.
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Der Stromspeicher 14 weist neben der Steckdose 22b zur elektrischen Verbindung mit dem ersten Stecker 22a des Adapters 12 eine Batterie 44, insbesondere in Form einer Lithium-Ionen-Batterie und/oder eine Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie, und ein Speichermittel 46 zum Speichern von elektrischer Energie aus einem Photovoltaik-Modul 48 auf, wobei die Batterie 44 das Speichermittel 46 umfassen kann. Zwischen dem Stromspeicher 14 und dem Adapter 12 verläuft eine Signalleitung 50, um dem Stromspeicher 14 anzuzeigen, dass der Adapter 12 an den Stromspeicher 14 angeschlossen ist. Die Signalleitung kann alternativ oder zusätzlich dazu über die Kontakte 24a, b, 26a, b ausgebildet bzw. integriert sein. Eine Spannungssteuerung 52 des Stromspeichers 14 steuert die Spannung aus dem Stromspeicher 14 in Abhängigkeit von dem Signal aus der Signalleitung 50, insbesondere, um die Ausgabe einer Gleichspannung aus dem Stromspeicher 14 zu veranlassen, wenn der Adapter 12 an den Stromspeicher 14 angeschlossen ist.
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2 zeigt schematisch einen ersten Schaltkreis 54 des Spannungsrichters 18 des Adapters 12 (siehe 1) mit MOSFETS M1a - M10a, Spulen L1a - L3a, Kondensatoren C1a, C2a und Dioden Dia - D4a. Der erste Schaltkreis 54 weist einen Leistungsfaktorkorrekturfilter 56 auf, auch Filter zur Power Factor Correction (PFC) genannt. Der erste Schaltkreis 54 ist an einen Eingang 58a zur Aufnahme von Spannung aus dem Stromspeicher 14 (siehe 1) und einen Ausgang 58b zur Ausgabe von Wechselspannung an das Spannungsnetz 16 angeschlossen.
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Eine Eingangsstufe 60a ist mit einer H-Brücke 62a mit vier MOSFETS M1a - M4a ausgebildet. Die Steuerung 20 des Spannungsrichters 18 (sieh 1) steuert die MOSFETS M1 - M4a derart an, dass in der Eingangsstufe 60a eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt wird, die mit der Wechselspannung aus dem Stromspeicher 14 in Phase steht. Über dem Kondensator C1a entsteht eine Gleichspannung von 390 V bis 410 V, insbesondere 400 V.
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In einer Isolationsstufe 60b wird die über den Kondensator C1a abfallende Gleichspannung auf eine Ausgangsstufe 60c transformiert, insbesondere in einem Verhältnis von 1:125. In der Ausgangsstufe 60c wird aus der transformierten Gleichspannung eine ausgangsseitige Gleichspannung mit insbesondere 450 V erzeugt.
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Die Ausgangsstufe 60c weist eine ausgangsseitige H-Brücke 62b auf, die von der Steuerung 20 des Spannungsrichters 18 (siehe 1) derart angesteuert wird, dass in der Ausgangsstufe 60c eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt wird, die mit der Wechselspannung des Spannungsnetzes 16 phasensynchron ist und in das Spannungsnetz 16 eingespeist wird. Die Eingangsstufe 60a und die Ausgangsstufe 60c sind insbesondere spiegelsymmetrisch aufgebaut. Insbesondere ist die Stromrichtung in der Ausgangsstufe 60c der Stromrichtung in der Eingangsstufe 60a entgegengesetzt.
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3 zeigt schematisch einen zweiten Schaltkreis 64 des Spannungsrichters 18 des Adapters 12 (siehe 1) mit MOSFETS M1b - M6b, Spulen L1b, L2b, einen Kondensator C1b und Dioden D1b - D7b. Der zweite Schaltkreis 64 ist an einen Eingang 66a zur Aufnahme einer Spannung aus dem Stromspeicher 14 (siehe 1) und einen Ausgang 66b zur Ausgabe von Wechselspannung an das Spannungsnetz 16 (siehe 1) angeschlossen. Eine Eingangsstufe 68a des zweiten Schaltkreises 64 weist eine Dioden-Vollbrücke 70 und eine in Stromrichtung nachgeordneten Zwei-Schalter-Sperrwandler 72 auf, auch Zwei-Schalter-Flyback Wandler genannt. Die Steuerung 20 des Spannungsrichters 18 steuert den Zwei-Schalter-Flyback-Wandler 72 derart an, dass eine in einer Eingangsstufe 74a erzeugte sinusförmige Wechselspannung in Phase mit der Wechselspannung aus dem Stromspeicher 14 ist. Über den Kondensator C1b wird eine Gleichspannung erzeugt, insbesondere mit einem Wert zwischen 440 V und 460 V, vorzugsweise 450V. Eine H-Brücke 76 in einer Ausgangsstufe 68b wird durch die Steuerung 20 des Spannungsrichters 18 derart angesteuert, dass in der Ausgangsstufe 68b eine sinusförmige Wechselspannung erzeugt wird, die mit der Wechselspannung in dem Spannungsnetz 16 in Phase ist und in das Spannungsnetz 16 eingespeist wird.
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Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung einen mobilen Adapter 12 zum Anschluss eines Stromspeichers 14 an ein Spannungsnetz 16. Der Adapter 12 weist einen Spannungsrichter 18 zum Umwandeln der Spannung aus dem Stromspeicher 14 in eine Wechselspannung zur Einspeisung in das Spannungsnetz 16 und eine Steuerung 20 des Spannungsrichters 18 zur Einstellung der Phase der Wechselspannung auf. Ein erster Stecker 22a des Adapters 12 hat den Zweck, eine elektrische und mechanische Verbindung des Adapters 12 mit dem Stromspeicher 14 herzustellen. Dazu weist der erste Stecker 22a zwei Kontaktstifte 24a, 24b zum Einführen in Kontaktbuchsen 32a, 32b einer zu dem ersten Stecker 22a zugehörigen Steckdose 22b auf. Eine Einspeise-Steckdose 30a des Adapters 12 dient der elektrischen und mechanischen Anbindung des Adapters 12 an das Spannungsnetz 16.