充电设备和用于运行充电设备的方法与流程

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及一种充电设备和一种用于运行所述充电设备的方法。此外，本发明涉及一种具有充电设备的动力传动系、一种具有动力传动系的交通工具以及一种计算机程序和一种机器可读的存储介质。背景技术：2.例如在具有电驱动装置的交通工具中、在电动交通工具或者混合动力交通工具中的充电设备用于从电能量源、优选交流电源或公共交流电网中对电池、优选蓄电池或牵引电池进行再充电。为此，所述充电设备将能量源的正弦交流电转换为直流电。对于单相交流电来说，功率以交流电的频率的两倍进行脉动。3.充电设备优选具有两级的功率电子装置。第一级对来自交流电网的正弦输入电流进行整形，即所谓的功率因数校正（pfc）级。第二级由dc/dc转换器构成，该dc/dc转换器确保通过变压器进行电隔离并且调整电压水平、优选借助于电路和调节机构来调节输出电压或输出电流。在所述两个级之间布置有中间电路电容器，该中间电路电容器对具有能量源的交流电的两倍频率的功率脉冲进行缓冲。典型的是，这条中间电路通过电解电容器来实现。这些拓扑结构允许在电网侧维持差不多正弦的输入电流以满足电网侧标准、在电网与交通工具之间进行电隔离以满足安全要求并且在电池侧提供恒定的输出直流电以使电池在充电运行中的负载最小化。4.基于这种两级的电路拓扑结构及其特性，存在对用于紧凑且更轻的充电设备的简化的电路拓扑结构的需求，所述充电设备优选用于电动交通工具。技术实现要素：5.提供了一种充电设备，所述充电设备具有用于与电能量源进行连接的在输入侧的第一接头、用于与有待充电的电池进行连接的在输出侧的第二接头以及变压器，所述变压器的初级绕组通过初级电路与第一接头电连接并且所述变压器的次级绕组通过次级电路与第二接头电连接。6.所述初级电路包括整流电路和两条支路的并联电路，所述支路分别具有一个高侧元件和一个低侧元件。第一支路包括串联连接的第一电容器和第二电容器以及处于所述电容器之间的第一中间抽头，该第一中间抽头与初级绕组的第一连接极相连接。第二支路包括串联连接的第一低侧开关元件和串联的第二高侧开关元件连同处于所述开关元件之间的第二中间抽头，该第二中间抽头与初级绕组的第二连接极相连接，其中所述第一和第二开关元件的本征二极管如此定向，从而允许所述第二支路的从低侧到高侧的电流。7.所述次级电路包括由两条支路、即第三和第四支路构成的并联电路，所述支路分别具有一个高侧元件和一个低侧元件。8.所述第三支路包括第一高侧二极管和第三低侧开关元件的串联电路，该串联电路具有处于第一二极管与第三开关元件之间的第三中间抽头，所述第三中间抽头与次级绕组的第二连接极相连接，其中所述第一二极管和第三开关元件的本征二极管如此定向，从而允许所述第三支路的从低侧到高侧的电流。所述第四支路包括第二高侧二极管和第四低侧开关元件的串联电路，该串联电路具有处于第二二极管与第四开关元件之间的第四中间抽头，所述第四中间抽头与次级绕组的第一连接极相连接，其中所述第二二极管和第四开关元件的本征二极管如此定向，从而允许所述第四支路的从低侧到高侧的电流。所述第二接头的第一连接极与第一和第二二极管的阴极相连接并且所述第二接头的第二连接极与处于在第三和第四分支的端部上的第三及第四开关元件相连接。9.电能量源优选是单相交流电网、优选是公共的低压电网。有待充电的电池优选是蓄电池或牵引电池，借助其能量来运行交通工具的电动力传动系。整流电路优选是用于将交流电流转换为直流电的整流器。具有高侧元件和低侧元件的并联电路的支路优选是具有两个电气的、无源的和/或有源的元器件和处于所述元器件之间的中间抽头的半桥。通过所述元器件向所述半桥的中间抽头供给电能，其中处于所述中间抽头的第一侧上的第一元器件被称为高侧元器件，并且处于所述中间抽头的另一侧上的第二元器件被称为低侧元器件。开关元件优选是包括本征二极管的功率半导体开关、优选是igbts或mosfets。优选“例如中间抽头与连接极的连接”这种表述意味着借助于可导电的线路或电连接来联接、接触或连接构件。10.有利地提供一种充电设备的简化的电路装置，其能够实现在电网侧上的几乎正弦形的输入电流、在电网与交通工具之间的电隔离以及恒定的输出直流电。这用最少数量的元器件来实现，这能够实现基于这种拓扑结构的充电设备的成本低廉的制造。仅仅使用4个开关元件、优选使用有源的半导体开关，其优选以零电压开关（zvs）和/或零电流开关（zcs）来运行。由此产生小的开关损耗，这实现了高的开关频率。这允许使用小的无源的元器件。优选的是，通过少量的开关的元器件来明显降低操控开销（驱动器、逻辑电路、处理器）。优选仅仅使用一个电感的元器件：所述拓扑结构优选仅仅将一个耦合电抗器不仅用作变压器而且用作pfc电感器。优选将所述变压器用作用于进行电隔离的构件并且用作用于充电设备的pfc电感器。这引起所述充电设备的体积减小。11.在本发明的另一种设计方案中，所述整流电路包括串联连接的第三高侧二极管和第四低侧二极管连同处于所述二极管之间的第五中间抽头，所述第五中间抽头与第一接头的第一连接极相连接，其中所述串联连接的第三高侧二极管和第四低侧二极管与第一和第二电容器并联，并且其中所述第三和第四二极管如此定向，从而允许从低侧到高侧的电流，并且其中所述电容器之间的第一中间抽头与第一接头的第二连接极相连接。12.所述二极管的简单的串联电路仅仅允许从能量源沿着所期望的方向到初级电路中的电流流动。13.有利地为充电设备的简化的电路装置提供一种简单的整流电路，其能够实现在电网侧上的几乎正弦形的输入电流、在电网与交通工具之间的电隔离以及恒定的输出直流电。14.在本发明的另一种设计方案中，所述整流电路包括一个具有四个二极管的桥式整流器，所述桥式整流器在输入侧与第一接头的第一连接极和第二连接极相连接并且在输出侧与第二电容器并联。15.所述桥式整流器允许从能量源到初级电路中的电流流动，这与该电流流动的方向无关。由于双向整流，所述（交流）能量源的半波在初级电路的直流电路中被相同极化。16.有利地为充电设备的简化的电路装置提供一种作为替代方案的整流电路，其能够实现在电网侧上的几乎正弦形的输入电流、在电网与交通工具之间的电隔离以及恒定的输出直流电。17.在本发明的另一种设计方案中，包括第三电容器的另一第五支路与所述初级电路并联。优选这第三电容器是电解电容器，其对所述初级电路中的脉动功率（双倍电网频率）进行缓冲。有利地为简化的充电设备提供一种得到优化的初级电路。18.在本发明的另一种设计方案中，在所述第四中间抽头与所述次级绕组的第一连接极之间连接有第四电容器。优选这第四电容器是薄膜电容器或陶瓷电容器，其被设计用于补偿电网频率的电压分量。19.有利地为简化的充电设备提供一种得到优化的次级电路。20.此外，本发明涉及交通工具的一种动力传动系，其具有逆变器和电机，其中所述动力传动系包括至少一个如上所述的充电设备。有利地提供电动交通工具的动力传动系，其具有一个带有简化的电路拓扑结构的充电设备。21.此外，本发明涉及一种具有如上所述的动力传动系的交通工具。22.有利地提供一种交通工具，其具有一个带有简化的电路拓扑结构的充电设备。23.此外，本发明涉及一种用于运行如上所介绍的充电设备的方法，该方法具有以下步骤：交替地接通并且切断第二和第一开关元件，其中在接通第一开关元件的情况下将所述第四开关元件接通并且切断至少一次，其中在接通第二开关元件的情况下将所述第三开关元件接通并且切断至少一次。24.借助于所述第二和第一开关元件的交替的接通和切断，在能量源的电压为正的情况下，交替地给所述初级绕组或主电感器和所述第三电容器或电解电容器充电。在电网电压为负的情况下，所述元器件交换其角色，从而同样对所述初级绕组和第三电容器进行充电。存在升压斩波器运行。所述第一和第二开关元件的能预先给定的开关频率在此明显大于能量源的交流电频率，从而在正的电网电压或负的电网电压的一个阶段期间多次接通并且切断所述第一和第二开关元件s1、s2。为了避免短路，从来都不同时地接通所述第一和第二开关元件s1和s2并且在切断一个开关元件之后且在接通另一开关元件之前优选遵守静止时间。借助于所述第一和/或第二开关元件的占空比的变化来调节输入电流。在所述第一开关元件被接通的期间，所述次级线圈借助于所述第四开关元件的至少单重的接通和切断来吸收能量。在所述第二开关元件被接通的期间，借助于所述第三开关元件的至少单重的接通和切断在输出接头上提供来自所述次级线圈的能量。同样存在升压斩波器运行。借助于所述第三和/或第四开关元件的占空比的变化来调节输出电流和/或输出电压。25.所述变压器的主电感器用作pfc电抗器。要区分四种开关状态。所述第一和第二开关元件s1和s2总是交替地以所限定的占空比来开关。在所述第一和第二开关元件s1或者s2的切断与所述第二和第一开关元件s2或者s1的接通之间提供静止时间，以便实现电流的无源换向或者以便可靠地防止桥短路。只要所述电网电压是正的，所述第三高侧二极管在这个阶段中就持久地导通，也就是仅仅以电网频率来运行。因此，所述电网电压也加载在电容器半桥的第一电容器或上电容器上。首先接通所述第二开关元件s2。通过所述变压器的主电感器来加载电网电压并且产生流经所述变压器的升高的电流。随后将所述第二开关元件s2切断。电流被动地换向到所述第一开关元件s1的向后导通的本征二极管上，从而在静止时间之后能够以zvs接通这个开关元件。然后所述主电感器优选将电流驱动到第三电容器或电解电容器中。在此涉及升压斩波器运行。在此，能量被储存在所述第三电容器中。在一定时间之后将所述第一开关元件s1切断并且将所述第二开关元件s2再次接通。由此，所描述的循环重新开始。对于负的电网电压来说，所述运行以非常类似的方式发挥功能。在此，所有元器件交换其角色。现在所述第四低侧二极管导通。当所述第一开关元件s1被接通时，再次构建流经所述变压器（沿着与前面相同的方向）的电流。在切断所述第一开关元件s1之后，以zvs接通所述第二开关元件s2并且在此向所述第三电容器提供能量。这也是升压斩波器运行。通过所述第二开关元件s2的切断和所述第一开关元件s1的接通，所述循环重新开始。26.在接通所述第一开关元件s1的情况下，为了进行电压变换而接通所述第四开关元件s4。这在所述变压器的漏电感上构建了升高的电流。优选所述第四电容器或所述转换器的次级侧上的串联电容用作dc块并且被设计得如此之大，从而一个开关周期的范围内不产生显著的电压变化。在切断所述第四开关元件之后，电流自主地换向到这条支路中的第二高侧二极管上并且因此将电流提供给所连接的电池。一旦切断所述第一开关元件s1并且在静止时间之后接通所述第二开关元件s2，则电流以陡峭的速率从次级侧返回换向到初级侧。现在接通所述第三开关元件s3。所述次级侧的电流改变其符号并且现在反向地流过第三开关元件s3和第四开关元件s4。在一定的持续时间之后，将所述第三开关元件s3切断并且电流换向到相应的第一高侧二极管上并且将电流提供给电池。随着所述第一开关元件s1和第四开关元件s4的接通，所述循环重新开始。27.所述转换器优选以连续的运行方式来运行，也就是说，所述变压器的次级侧的漏电感中的电流不具有以下相，在所述相中该电流为零。所有开关元件以特别低损耗的zvs来接通。如果所述转换器以断断续续的运行方式来运行，则所述次级侧的变压器电流具有一个明显的相，在所述相中该变压器电流为零。因此涉及所述转换器的次级侧上的间歇运行。在这个工作点中，所述第一、第二和第四开关元件s1、s2和s4以zvs来开关。所述第三开关元件s3以zcs逆着降低的电压来接通。这个运行点也具有小的开关损耗并且因此同样允许高的开关频率。28.为了能够随时向电池传输恒定的功率，所述第一和第二开关元件s1、s2的占空比不允许低于或者超过一定的最小和最大极限。由此得出的是，所述转换器仅仅能够在直至最小的输入电压的情况下从电网接收电流。因此，从所述能量源获得的电流在所述能量源的电压的过零点的区域中具有以下区域，所述区域中所述电流为零并且所述二极管半桥的第三二极管和第四二极管同时截止。29.有利地提供一种方法，用该方法如此操控所述充电设备的开关元件，使得能量传输通过所述充电设备从所连接的能量源到所连接的电池来进行。30.此外，本发明涉及一种计算机程序，该计算机程序被设立用于执行所描述的方法。31.此外，本发明涉及一种机器可读的存储介质，在该存储介质上存储有所描述的计算机程序。32.不言而喻，所述充电设备的特征、特性和优点相应地适用于或者能够运用到所述方法或者动力传动系和交通工具上并且反之亦然。33.本发明的实施方式的其他特征和优点从以下参照附图所作的描述中得出。附图说明34.下面要借助于一些附图来详细解释本发明，为此：图1示出了用于充电设备的电路拓扑结构的第一种实施方式的示意图，图2示出了用于充电设备的电路拓扑结构的第二种实施方式的示意图，图3示出了用于充电设备的电路拓扑结构的第三种实施方式的示意图，图4示出了具有带充电设备的动力传动系的示意性地示出的交通工具，图5示出了用于用来运行充电设备的方法的示意性地示出的流程图。具体实施方式35.图1示出了充电设备100，该充电设备在运行中在输入侧的第一接头110_1、110_2上与能量源200电连接并且在输出侧的第二接头190_1、190_2上与有待充电的电池300电连接。所述能量源200优选是单相交流电源、例如公共供电网络，其中要借助于所述能量源的能量来给电池充电。所述充电设备在输入侧包括初级电路400和输出侧的次级电路500。初级电路和次级电路通过变压器150的初级绕组150_1和其次级线圈150_2彼此优选感应地连接、然而在电方面隔离。所述初级电路包括整流电路405和由两条支路构成的并联电路，所述支路分别具有一个布置在半桥的高侧-侧的高侧元件、优选电气的元器件和布置在半桥的低侧-侧的低侧元件、优选电气的元器件。第一支路包括串联连接的第一和第二电容器422、424以及处于所述电容器之间的第一中间抽头426。所述第一中间抽头426与变压器的初级绕组150_1的第一连接极152相连接。第二支路包括串联连接的第一低侧开关元件s1和串联连接的第二高侧开关元件s2连同处于所述开关元件s1、s2之间的第二中间抽头436。所述第二中间抽头436与初级绕组150_1的第二连接极154相连接。所述第一和第二开关元件s1、s2的本征二极管如此定向，从而允许第二支路的从低侧到高侧的电流。所述次级电路500包括由两条支路构成的并联电路，所述支路分别具有高侧元件和低侧元件。这些支路之一、即第三支路包括第一高侧二极管512和第三低侧开关元件s3的串联电路，该串联电路具有处于第一二极管与第三开关元件之间的第三中间抽头516。所述第三中间抽头516与变压器150的次级绕组150_2的第二连接极158相连接。所述第一二极管512和第三开关元件s3的本征二极管如此定向，从而允许所述第三支路的从低侧到高侧的电流。所述次级电路的另一支路、即第四支路包括第二高侧二极管522和第四低侧开关元件s4的串联电路，该串联电路具有处于第二二极管522与第四开关元件s4之间的第四中间抽头526。所述第四中间抽头526与变压器150的次级绕组150_2的第一连接极156相连接。所述第二二极管522和第四开关元件s4的本征二极管如此定向，从而允许所述第四支路的从低侧到高侧的电流。所述第二接头190的第一连接极190_1与第一和第二二极管512、522的阴极相连接，并且所述第二接头190的第二连接极190_2与处于第三和第四支路的端部上的第三和第四开关元件s3、s4相连接。按照图1的整流电路405包括串联连接的第三高侧二极管412和第四低侧二极管414连同处于第三与第四二极管412、414之间的第五中间抽头416。所述第五中间抽头与第一接头的第一连接极110_1相连接。所述串联连接的第三高侧二极管412和第四低侧二极管414与第一和第二电容器422、424并联连接。所述第三和第四二极管如此定向，从而允许从低侧到高侧的电流。所述电容器之间的第一中间抽头426与第一接头的第二连接极110_2相连接。优选所述初级电路400与包括第三电容器425的另一第五支路并联。此外，优选在所述第四中间抽头526与所述变压器150的次级绕组的第一连接极156之间连接有第四电容器525。36.图2示出了用于充电设备的电路拓扑结构的第二种实施方式的示意图。所述电路拓扑结构和附图标记在很大程度上对应于在图1中所示出的电路拓扑结构。下面仅仅探讨相对于在图1中所示出的电路拓扑结构的区别。所述整流器电路405包括一个具有四个二极管的桥式整流器。该桥式整流器在输入侧与第一接头的第一连接极110_1及第二连接极110_2相连接并且在输出侧与第二电容器424并联。优选所述次级电路500与包括第五电容器536的另一第六支路并联。尤其是与按照图1的拓扑结构不同的是，对于两个电网半波来说仅仅与所述第二电容器424存在电连接。37.图3示出了用于充电设备的电路拓扑结构的第三种实施方式的示意图。所述电路拓扑结构和附图标记在很大程度上对应于在图2中所示出的电路拓扑结构。下面仅仅探讨相对于在图2中所示出的电路拓扑结构的区别。所述充电设备100的次级电路500包括由两条支路构成的并联电路，所述支路分别具有一个高侧元件和一个低侧元件。这些支路之一、即第三支路包括第一高侧二极管512和第三低侧开关元件s3的串联电路，该串联电路具有处于第一二极管与第三开关元件之间的第三中间抽头516。所述第三中间抽头516与变压器150的次级绕组150_2的第二连接极158相连接。所述第一二极管512和第三开关元件s3的本征二极管如此定向，从而允许所述第三支路的从低侧到高侧的电流。所述次级电路的另一支路、即第四支路包括第六电容器532和第七电容器534的串联电路，该串联电路具有处于第六与第七电容器532、534之间的第四中间抽头526。所述第四中间抽头526与变压器150的次级绕组150_2的第一连接极156相连接。所述第二接头190的第一连接极190_1与第一二极管512的阴极相连接，并且所述第二接头190的第二连接极190_2与第三开关元件s3在第三和第四支路的末端处相连接。38.图4示出了示意性示出的交通工具600，其具有带充电设备100的动力传动系650。所述交通工具600在这里仅仅示范性地用四个车轮来示出，其中本发明同样能够在具有任意数量的车轮的陆用、水用和空中的任意交通工具中使用。示范性地示出的动力传动系650包括至少一个充电设备100。此外，所述动力传动系优选包括电池300、逆变器640和电机630。39.图5示出了用于用来运行充电设备100的方法700的示意性地示出的流程图。所述方法700以步骤705开始。在步骤710中，交替地接通并且切断所述第二和第一开关元件。在接通第一开关元件（720）的情况下，将所述第四开关元件接通且切断至少一次。在接通第二开关元件（730）的情况下，将所述第三开关元件接通且切断一次。以步骤740结束所述方法。









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