Phasenumschaltung <-> PV Überschuss Laden

[Docmac]

Hallo zusammen,

ich habe mir weiter Gedanken gemacht wie eine sichere Phasenumschaltung realisiert werden kann.
Erste Ansätze und Diskussionen gibt es ja schon im PV Überschussladen Thread.

Manuell mit Lasttrennschalter für 2 Phasen ist klar aber wie kann eine automatische sichere Lösung aussehen.
Die WARP wird ja über einen ESP32 Brick gesteuert.
Für die meisten privaten PV Anlagen denke ich ist es sinnvoll als standard 1 phasig zu laden und bei hoher Leistung die anderen beiden Phase zu zuschalten.
Bei der zu erwartenden Umschalthäufigkeit von wenigen Malen pro Stunde scheint mir ein überdimensionierter Schütz (z.B. 32A bzw. 63A bei 11kW bzw. 22kW Ladeleistung - Wallbox hauptsächlich ohmsche Last --> Schütz: AC1 bzw. AC7a) für das Zuschalten der Phasen ausreichend (Lebensdauer mehrere Jahre) - eine Auslegung mittels Solid State Relais übertrieben.
Die etwas größeren Verluste durch den Betrieb mittels Schütz liegen im Promillebereich.
Die Ansteuerung des Schützes sollte aus der WARP mittels Dual Relais Bricklet und separater 230V (oder auch 24V) Steuerspannung erfolgen.
Durch die Verwendung eines 3 oder 4 poligen Schützes ließe sich auch neben den zwei Phasenschalten auch ein Control Loop realisieren, der anzeigt ob der Schütz richtig geschaltet hat oder klebt.

Der Ablauf wäre dann:

Berechnung des Ladestroms im Minutenbereich gemittelt
Prüfung Control Loop = offen / keine Spannung  dann OK sonst Fehlermeldung

PV Ladeleistung fällt unter 4.3kW
-> kein Anziehen des Schützes / kein Aufsteuern des Relais Bricklets
Prüfung Control Loop = offen / keine Spannung  dann OK sonst Fehlermeldung
-> 1phasig laden - Ladestrom aus MQTT mit (PV Überschuss / 230V) -> Ampere

Hier müsste man sinnigerweise auch eine Hystere einbauen, damit bei Werten um 4.3kW nicht ständig Phasen zu und weg geschaltet werden --> führt natürlich dazu, dass etwas Netzleistung zugeführt wird oder etwas PV Leistung ungenutzt bleibt

PV Ladeleistung steigt über 4.3kW
-> Stoppen im Fall einer laufenden Ladung
-> ev. Reset der Verbindung zum Auto
-> Anziehen des Schützes durch Aufsteuern des Relais Bricklets
-> Prüfung Control Loop = geschlossen / Spannung  dann OK sonst Fehlermeldung
-> 3phasig laden - Ladestrom aus MQTT mit (PV Überschuss / 400V /1.73) -> Ampere

Damit ließe sich mit Tinkerforge Bordmittel auch eine sichere Phasen-Umschaltung realisieren.

Offen sind folgende Fragen:
1) Lassen sich neben dem RS485 Bricklet auch noch ein Relais Bricklet sowie ein Control Loop Eingang mittels Digital Out & In Bricklets mit dem ESP32 Brick verbinden?
Sowohl platztechnisch in der WARP als auch steckverbindertechnisch?
2) Unterstützt ihr mich bei Fragen bzgl. der bestehenden SW Code und der Einbindung dieser Anpassung. Ich würde selbst coden.

[batti]

Hallo

Zitat

Offen sind folgende Fragen:
1) Lassen sich neben dem RS485 Bricklet auch noch ein Relais Bricklet sowie ein Control Loop Eingang mittels Digital Out & In Bricklets mit dem ESP32 Brick verbinden?
Sowohl platztechnisch in der WARP als auch steckverbindertechnisch?

Freie Steckplätze am ESP32 Brick sind vorhanden. Allerdings ist der Platz im Wallbox Gehäuse doch sehr begrenzt. Ich befürchte ein IDR Bricklet wird man da nur schwer reinbekommen. Das zusätzliche Schütz, im Falle eines WARP Charger Pro's, wohl eher gar nicht.

Eine Option wäre es extern die Phasen wegzuschalten (zum Beispiel in der Unterverteilung). Das könnte man dann genau wie von dir beschrieben machen, allerdings würde man die Steuerung über irgendein Brick machen (ggf. auch Rasp Pi). Da könnte dann auch die Regelungssoftware drauf laufen. Die Wallbox könnte man dann per MQTT fernsteuern. Zu beachten ist nur, dass der Zähler beim WARP Charger Pro immer dreiphasig betrieben werden muss, damit dieser korrekt funktioniert.

Zitat

2) Unterstützt ihr mich bei Fragen bzgl. der bestehenden SW Code und der Einbindung dieser Anpassung. Ich würde selbst coden.

Natürlich unterstützen wir.

[Docmac]

Hallo Batti,

sorry, das hatte ich nicht genauer beschrieben.
Ich bin auch davon ausgegangen, dass der Schütz nicht in die WARP passt und daher in einem kleinem, separatem Kleinverteiler vor der WARP in der Zuleitung sitzt.
Deine Aussage bedeutet dann wohl auch ich müsste wahrscheinlich die 3 Bricklets (Relais + Digital In + Digital Out) dann mittels Bricklet Kabeln auch in den Kleinverteiler auslagern
Vermutlich muss man dann diese Leitungen gegen EMV nochmal extra schirmen (laufen ja parallel zum 11kW / 22kW Zuleitung)?

Ich dachte den Quellcode der WARP mit den entsprechenden Routinen zur Ansteuerung des Schützes und der Abfrage des Control Loops zu ergänzen.
Anfänglich dachte ich es ist praktikabler alles innerhalb der WARP SW zu erledigen.
Wenn ich drüber nachdenke ist die Lösung mittels Raspi aber auch denkbar - den hätte ich sowieso auch am Laufen wegen der Bestimmung der PV Überschussleistung und deren Info an. Was ich aktuell nicht weiß gibt die WARP über MQTT alle notwendigen Statusinfos zum Laden aus und nimmt diese auch an damit ich das Abschalten und Reseten der Ladeverbindung steuern kann. Problematisch sehe ich den Fehlerfall, Schützfehler wären dann nur separat im Raspi abgehandelt. Die anderen Fehler in der WARP.
Geht wahrscheinlich auch aber alle Fehler in der WARP zusammenzufassen (also im WARP Quellcode zu implementieren) scheint mir sicherer?!
 

[Jkw]

Hey docmac,

finde ich sehr interessant, aktuell habe ich 10kW auf dem Dach und habe mit 0.5Hz Updates vom Zähler und einiger filterei Verbraucher zu und abgeschaltet.

Die Wallbox sollte man - wie du schon selbst geschrieben hast - wahrscheinlich sehr viel langsamer schalten. Wenn man ganz ehrlich ist wird es ja wahrscheinlich eher eine Art "fast charging" sein bei der explizit mit drei Phasen geladen werden KANN, oder? 

Also in den meisten Fällen komme ich hier auf <7kW (ost-west Anlage). Von den 7 kW geht der Hausverbrauch (großzügig 1kW) ab, dann will man ja wahrscheinlich noch so 1kW Luft lassen (Regelreserve) und endet somit bei ~5kW im Max und eher so 3 im Mittel zum Auto laden. 

Ich glaube daher mit 1.4-3.6 kW ganz gut dynamisch Regeln zu können. Nichtsdestotrotz will ich natürlich nicht auf die 11kW verzichten. 

Ich hab mir das Recht einfach vorgestellt:

Esp8266 mit 3.3v Relais, das Relais schaltet 230v auf den Schütz, fertig. Sowohl die Warp wie auch den Schütz per mqtt ansteuern und auch den Status von Kanal 3 via mqtt zurück melden. Auf dem esp8266 kann dann sowas wie esphome (oder eigene Firmware) laufen. 

Was denkst du dazu? Weniger integriert aber Recht simpel oder?

Jkw

[Docmac]

Ja, für "fast" charging mit 3 Phasen würde ich erwarten dass man schon so um die 7kW recht konstant über den Tag liefern können muss.
Sonst hangelt man sich immer an der Umschaltgrenze entlang.

Meine aktuelle Anlage schafft aber nur max. 5.5kW, somit ist es bei mir AKTUELL ziemlich sicher, dass ich eigentlich nur 1-phasig PV Überschuss laden werden kann.
Die paar Mal bei denen ich über die 4.3kW komme sind an einer Hand abzuzählen.
Wenn ich mir ein E-Auto kaufe, dann pack ich das Garagedach voll und komme dann basiered auf der aktuellen Anlage auf ca. 12kW max. Leistung April ~ September
Das sollte dann auch für 3-phasig Laden passen.

Die Fall-back Lademethode mit Netzstrom muss logischerweise mit 11kW gehen bzw. das was das Auto packt.

Ich bin ursprünglich auch von einen simplen Schützansteuerung gekommen.
Ganz am Anfang dachte ich sogar einfach daran meinen Schaltausgang vom Wechselrichter für den Schütz zu verwenden - der lässt sich bei definierbarer Leistung schalten.
Dann wäre aber so erstmal keine Korrelation mit dem Autostatus (z.B. lädt gerade) gegeben und man müsste auch parallel über MQTT nicht nur die Ladeleistung bzw. Ladestrom schicken sondern auch noch Stopp kurz bevor der WR den Schaltausgang schaltet und dann Reset+Re-Start mit neu berechnetem Ladestrom (entsprechend der aktiven Phasen. Das erschien mir recht heikel / ev. fehleranfällig.

Da ich aktuell weder mit dem ESP32 noch mit den Bricklets oder einem ESP8266 gemacht habe, bin ich hier unschlüssig ob es hier eine beste/am einfachsten zu realisierende Lösung gibt.
Da ich wie gesagt, die Daten vom WR / Smart Energy Meter via Raspi Zero W ziehe und verschicke ist das als partiell separate Methode zur Schützsteuerung auch machbar.
Ein Automation HAT mini scheint alle notwendigen Features (24 V in/out + 24V 2A Relais) zu haben und wäre daher ganz gut.
Je nachdem wo ich den Schütz verbaue habe ich 2m bzw. 15m Steuerleitung vom Raspi zum Schütz; sprich der Spannungsabfall im Control loop (hin + zurück dann 4 bzw. 30m CAT 6 Kabel) wird dann bei 5V ev. zu groß und nicht stabil funktioneren. Nur ein 5V Relais board (für 230V Steuerspannung schalten am Schütz) + den Control loop über 5V und einen GPIO wird wohl nicht reichen?
Wenn das doch geht wäre es zwar auch nicht optimal da keine Fehlermeldungen an WARP geschickt werden. Aber funktioneren müsste das auch.

Ev. probier ich das mal - bei den paar € die da zum Testen investiert werden kann man auch einen Fehlschlag riskieren ;-)



 

[Docmac]

So nun habe ich eine in der Testumgebung laufende Version für die Bestimmung der PV Überschussleistung und der Kommunikation mit der Wallbox über MQTT fertig.

Das Ganze ist jetzt doch nicht in Node-red sondern komplett in Phython geschrieben.
Es läuft auf einem Raspberry Pi ZeroW mit RS485 Modul für eine eventuell später zu implementierende WB Leistungszählermessung und einem Doppel-Relaismodul für das 1ph<->2ph Schützschalten sowie den Prüfloop ob der Schütz in richtiger Stellung steht.

Jetzt fehlt dann nur noch die Wallbox (und ein E-Auto) um die Sache real zu testen.

Offene Fragen (an die Spezialisten / Tinkerforge):
Aktuell ist es so implementiert, das nur im error_state ungleich Null mein Programm überhaupt über MQTT sendet und sonst nichts tut.
Ausserdem sende ich nur das Current_limit Topic sowie Start/Stop charging. Der WB Vehicle & Error State wird nur ausgelesen.
Daher sollte das ganze sicher sein, da die WB generell noch die Führung im Fehlerfall hat, richtig?

Muss ich noch einen WB Reset o.ä. einbauen, wenn ein Umschalten der Phasen erfolgt?

Im Fall Vehicle_state = 0 oder 1
wird dann einfach nur der mögliche Überschussladestrom als current_limit gesendet, da aber nicht geladen wird, wird auch kein Start oder Stopp Signal geschickt. Das verursacht Traffic und könnte auch generell rausgenommen werden.
Im Fall Vehicle_state = 2 (Fahrzeug lädt)
wird der Überschussladestrom regelmäßig (Takt noch genauer zu spefizieren siehe unten) gesendet, dabei aber noch geprüft ob im Vergleich zum letzten Datenpaket eine Änderung im Phasenumschalten auftritt und dann entsprechend das Laden gestoppt, der "Phasen-Schütz" entsprechend geschaltet, 1~2s gewartet, dass der "Phasen-Schütz" auch fertig ist, dann der neue Wert geschickt und dann das Laden wieder gestartet. Ansonsten wird nur der neue Überschussladestrom gesendet.

Bzgl. der Taktung bin ich noch nicht Klaren:
Welche Taktung ist in Hinblick auf WB, Kommunikation mit dem Auto, dem Phasen-Schütz und PV Anlage sinnvoll?
Theoretisch könnte ich ja groß jede 2s (Puffer für die Schützschaltgeschwindigkeit) abfragen und agieren. Da hier aber hintendran dann auch noch die Kommunikation mit dem Auto (wegen Ladestart/Stopp) hängt ist das ev. zu knapp bemessen und könnte meiner Meinung nach zu Zustandsfehlern führen.
Ist die Taktung zu lang, könnte die reale Leitung schon wieder niedriger sein und ich nutze für diese Zeit dann teilweise Netzstrom.
Gibt es hier ev. Erfahrungswerte wie lange so ein Austausch zwischen Auto und WB bzgl. Ladestart und Stopp Freigabe sowie Laden dauert.

Wahrscheinlich ist es am besten, einfach nur für den Phasenwechsel eine längere Taktung / Wartezeit einzubauen und sonst im 1~2s Takt Daten auszutauschen ?

[rtrbt]

Moin,

On 3/27/2021 at 10:51 AM, Docmac said:

Daher sollte das ganze sicher sein, da die WB generell noch die Führung im Fehlerfall hat, richtig?

Die Fehlerbehandlung übernimmt die Wallbox, ja.

On 3/27/2021 at 10:51 AM, Docmac said:

Muss ich noch einen WB Reset o.ä. einbauen, wenn ein Umschalten der Phasen erfolgt?

Einen Reset solltest du nicht brauchen. Es sollte reichen, wenn du:

• Die Ladung beendest (falls eine lief),
• Sicherheitshalber auto-start ausmachst (das solltest du sowieso deaktivieren, wenn du abhängig von deiner PV-Leistung selbst steuern willst wann geladen wird)
• Wartest bis du iec_state 0 (also A) siehst
• Dann die Phasen ab/zuschaltest
• Wartest dass dein Schütz geschaltet hat
• Dann das Laden wieder startest

On 3/27/2021 at 10:51 AM, Docmac said:

Welche Taktung ist in Hinblick auf WB, Kommunikation mit dem Auto, dem Phasen-Schütz und PV Anlage sinnvoll?

Das musst du mit deinem Aufbau ausprobieren. Je nach Trägheit des Autos würde ich eher schätzen, dass der Bereich 5 bis 10 Sekunden sinnvoll ist. Du kannst natürlich öfter den Ladestrom nachjustieren, aber wenn das Auto da nicht hinterher kommt hast du nicht viel davon, weil es praktisch deine Reglung glättet.

[alestrix]

Hi,

sorry, falls ich den Thread jetzt für meine Anfrage "missbrauche", aber ich denke, es passt zum Thema.
Ich bin gerade noch am Überlegen, was ich kaufen muss, um (semi-)automatisch zwischen 1p und 3p umschalten zu können. Folgendes habe ich mir überlegt:

• WARP smart, da die Pro die Leistung ohnehin nicht messen kann, wenn nur eine Phase ankommt (innerhalb der WARP möchte ich nichts verändern)
• Shelly EM3 zum Messen der Wallbox Ladeleistung in der UV
• Mit dem schaltbaren Ausgang des EM3 einen 2S 63A Schütz (z.B. ein Hager ESC263S?) steuern, der L2 und L3 zuschalten kann
• Die üblichen weiteren Teile (FI Typ A, LSS)
• Ggf. Steuerung per EVCC

Der Shelly und der Schütz kosten zusammen ca. 140€, was mMn eine ziemlich günstige Variante darstellen sollte, zumal man sich ja den Mehrpreis für die Pro spart (auch wenn der Shelly nicht so genau ist wie der in der Pro verbaute MID). Natürlich muss ich darauf achten, den Schütz nicht mitten in einem Ladevorgang zu schließen, aber das ist ja kein Hardware Thema mehr.

Macht das so überhaupt Sinn oder bin ich auf einem Holzweg?

Viele Grüße
 Alex

PS: Ich bin selbst kein Elektriker, aber ich möchte dem Elektriker meines Vertrauens (so ich ihn denn finde) mit einer fundierten und gut informierten Vorgabe gegenübertreten können.

[Docmac]

Hallo rtrbt,

 

danke für die Rückmeldung.

Gut dass man sich den Reset sparen kann.

Korrekt, Autostart ist aus.
Eine Stop, Warten für x sec (bis das Umschalten per Schütz fertig ist), Gegenprüfung des Schützzustands, Neustart der Ladung Sequenz ist programmiert und läuft auch nur im Fall von angeschlossenem ladenden Auto
In allen anderen Fällen wird nichts gesendet - auch keine PV Leistung.

Wenn ich Dich aber richtig verstehe, sollte ich lieber statt dem Topic vehicle state das Topic iec61851_state für den Ladeaktivitätsprüfung nutzen, richtig?
Das müsste ich dann nochmal kurz abändern.

Bzgl. Warte und Schaltzeiten muss ich dann eben noch warten bis mal ein Bekannter mit e-Auto zum Testen vorbeikommen kann ;-)

[rtrbt]

Der Unterschied zwischen vehicle_state und iec61851_state ist nur, dass, wenn du auto_start deaktiviert hast, der iec_state 0 meldet (also "A" bzw. "nicht verbunden"), weil das aus Sicht des Autos so ist. Der vehicle_state sagt aber trotzdem 1 (also "verbunden"), das ist gewissermaßen die Sicht der Wallbox. Damit kannst du detektieren, ob ein Auto da ist, ohne dass du das Laden freigibst.