CN104812614B - 用于提供车辆中的dc电压的电路布置和操作电路布置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于提供车辆中的DC电压的电路布置和一种用于操作所述电路布置的方法，其中，所述电路布置包括用于接收磁场和用于产生电输出电压的车辆侧拾取器部分的至少一个次级侧电感(2)、用于对所述至少一个电感(2)的所述输出电压进行整流的至少一个整流器(3)和至少一个源元件和/或漏元件，其中，将所述整流器(3)和所述源元件连接，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器(3)的输出电压(U1)和所述源元件的输出电压的和，和/或将所述整流器(3)和所述漏元件连接，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述漏元件的输入电压之间的差。而且，本发明涉及一种车辆。

Description

用于提供车辆中的DC电压的电路布置和操作电路布置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于提供期望的DC电压，具体是用于对车辆中的牵引电池进行充电的电压的电路布置。另外，本发明涉及一种车辆，具体是包括所述电路布置的道路汽车或轨道车辆。此外，本发明涉及一种操作所述电路布置的方法。
背景技术
车辆，具体是电动陆地车辆可以被以不同方式提供能量。一个选项是当车辆停止时并且通过使用电缆连接对车辆上车载的能量储存进行充电。根据另一选项，使用磁场以无线方式将能量传送到车辆，所述磁场在车辆上车载的至少一个电感中诱发电压。“拾取器”或“接收器”的表达已经被用于包括至少一个电感的设备。电动车辆可以包括所谓的牵引电池。牵引电池提供电能以对车辆进行供电或推进。储存在牵引电池中的电能可以由推进电动车辆的电机耗散。因此，有必要对牵引电池进行充电以便提供足够的电能来推进电动车辆。
对牵引电池进行充电的一个选项是使用电能的外部源，例如外部电网。例如，前述的无线方式使用磁场将电能从路由侧初级绕组结构传送到车辆侧次级绕组结构，其中，交流电压是在车辆上车载来诱发的。该交流电压必须被转换，使得可以对牵引电池进行充电。
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示出的解决方案的缺点在于导致了明显的损耗，尤其是在高功率电平是必要的时在充电流程的开始处。这些损耗仅可以由复杂并且昂贵的电路布置来降低。
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Sebastian J.等的文档“Improving Dynamic Response of Power FactorCorrectors by Using Series-Switching-Post-Regulator”，APEC’98，13th AnnualApplied Power Electronics Conference and Exposition，Anaheim，CA，1998年2月15-19日，New York，NY：IEEE，US，1998年2月15日，441-446页公开了一种基于串联开关后调节器来改进功率因子校正器的动态响应的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于提供期望的直流(DC)电压，具体是用于对牵引电池进行充电的DC电压的电气电路布置，所述电气电路布置可以在包括用于经由磁场接收电能的电感拾取器布置的车辆中使用，并且所述电路布置降低所述电路布置的功率损耗、成本和重量。本发明的另一目的是提供一种车辆，具体是包括所提出的电路布置的道路汽车或轨道车辆。此外，本发明的目的是提供一种操作所述电气电路布置的方法。
根据本发明的基本思想，提出了一种用于提供期望的直流(DC)电压，具体是用于对车辆中的牵引电池进行充电的DC电压的电路布置。额外地或备选地，所述DC电压可以被用于其他目的，例如驱动电机或对所述车辆的其他电动或电子设备供电。
本发明可以适于任何陆地车辆(包括但非优选地，适于仅临时在陆地上的任何车辆)，具体是诸如轨道车辆(例如有轨电车)的有轨车辆，并且还适于诸如个人(私人)客车或公共交通车辆(例如公共汽车，包括也是有轨车辆的无轨电车)的道路汽车。
这样的牵引电池提供电力以推进所述车辆。所述电动车辆可以是道路汽车或轨道车辆。例如，所述电动车辆可以包括被连接到所述牵引电池并且被连接到推进所述车辆的电机的功率变换器。所述功率变换器可以对由所述牵引电池提供的DC电压，即所谓的牵引电压，进行变换，以对所述电机供电。
所述电路布置包括车辆侧拾取器部分或接收器的至少一个次级侧电感。所述拾取器部分，具体是所述电感，用于接收磁场并且用于产生电输出电压。经由所述拾取器部分，电能可以被从例如沿着车辆导轨(初级侧)运行的路由侧传输线传送到所述电动车辆(次级侧)。所述拾取器部分因此形成变压器的次级部分。所述次级侧电感或所述拾取器部分的所述电输出电压是AC电压或交流电压。所述电感可以通过绕组结构来提供。
另外，所述电路布置包括至少一个整流器，所述至少一个整流器用于对所述至少一个电感的所述输出电压进行整流。整流器的表达涉及将交流输入电压整流为直流输出电压的电路布置。
另外，所提出的电路布置包括至少一个源元件。作为对所述源元件的备选或补充，所提出的电路布置包括至少一个漏元件。所述源元件是提供或生成额外的电压的元件。所述源元件的所述电压可以被添加到所述整流器的输出电压。也可能的是，所述源元件在对被连接到所提出的电路布置的所述牵引电池进行充电的同时提供额外的电能。
所述漏元件是捕捉电压的元件。捕捉到的电压可以降低所述整流器的所述输出电压。也可能的是，所述漏元件在对被连接到所提出的电路布置的所述牵引电池进行充电的同时耗散过量的电能。
另外，所述整流器和所述源元件被连接起来，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器的输出电压与所述源元件的输出电压的和。所述源元件的输入侧和输出侧是相对于在相应的元件的操作期间通过所述源元件的能量流而被限定的，其中，所述能量从所述输入侧流到所述输出侧。因此，所述源元件的所述输出电压是在所述源元件的所述输出侧处提供的电压。
如果所述电路布置包括漏元件，则所述整流器和所述漏元件被连接起来，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器的所述输出电压与所述漏元件的输入电压之间的差。所述漏元件的所述输入侧和所述输出侧是相对于在相应的元件的操作期间通过所述漏元件的能量流而被限定的，其中，所述能量从所述输入侧流到所述输出侧。因此，所述漏元件的所述输入电压是所述漏元件的所述输入侧上的电压降。
为了确定所述电路布置的所述输出电压，即如果所述电路布置的所述输出电压是两个电压的和或两个电压之间的差，则选择偏振敏感视图。这意指电压降，例如所述源元件的输出端子上或所述漏元件的输入端子上的电压降，是从高电势指向低电势的。
假如所述整流器的所述输出电压例如由于变化的操作参数而变化，则所提出的电路布置有利地允许提供所述电路布置的恒定或几乎恒定的输出电压，例如用于对牵引电池进行充电的电压。
另外，所提出的电路布置包括至少一个电压变换器。
根据本发明，所述电压变换器提供前述的所述源元件。如果所述电路布置包括漏元件，则所述电压变换器可以备选地或额外地提供所述漏元件。可能的是，一个电压变换器可以以源模式操作，作为源元件，并且以漏模式操作，作为漏元件。在这种情况下，以所述源模式操作的所述电压变换器的输出端子可以等于以所述漏模式操作的所述电压变换器的输入端子。然而，也可能的是，所述电路布置包括提供所述源元件的第一电压变换器和提供所述漏元件的第二电压变换器。
所述电压变换器可以将具有给定的电平的直流输入电压转换为具有期望的电平的直流输出电压。已知的电压变换器例如是所谓的降低变换器或降压变换器、所谓的升高变换器或升压变换器、以及所谓的降升压变换器。另一已知的电压变换器是所谓的谐振变换器。谐振变换器或谐振功率变换器含有谐振LC网络，所述谐振LC网络的电压和电流波形在每个切换周期的一个或多个子区间期间正弦地变化。谐振变换器还包括变压器。已知的谐振拓扑包括例如串联谐振变换器、并联谐振变换器和所谓的串并联谐振变换器。
如果所述电压变换器提供源元件，则所述整流器和所述电压变换器被电气连接，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器的所述输出电压与所述电压变换器的所述输出电压的和。与已知的解决方案，例如US 6499701提出的解决方案相反，可以是用于所述牵引电池的充电电压的所述电路布置的所述输出电压不等于所述电压变换器的所述输出电压，而是由所述整流器的所述输出电压和所述电压变换器的所述输出电压组成。这有利地允许设计所述电压变换器使得仅期望的充电电压的部分需要由所述电压变换器来提供。这进而允许选择更便宜、更轻并且更小体积的元件来设计所述电压变换器。
如果所述电压变换器提供漏元件，则所述整流器和所述电压变换器被电气连接，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器的所述输出电压与所述电压变换器的所述输入电压之间的差。
在所有配置中，所述电路布置的所述输出电压是DC电压。
在另一个实施例中，所述整流器的所述输出电压等于所述源元件，例如第一电压变换器，的输入电压。所述电压变换器的输入端子可以例如被连接到所述整流器的输出端子。
所述整流器的所述输出电压也可以等于所述漏元件的输出电压。所述漏元件可以是通过所述第一电压变换器或以漏模式操作的另一电压变换器来提供的。
这有利地提供所提出的电路布置的简单电气连接或电气设计。尽管所述电压变换器的所述输入电压是所述整流器的所述输出电压，但是所述电压变换器和其元件仅需要被设计使得所述充电电压的部分需要由所述电压变换器提供。这提供了所提出的电路布置的前述的优势。
在备选实施例中，所述电路布置的输出电压等于所述源元件的输入电压和/或所述漏元件的输出电压。这有利地提供了所提出的电路布置的备选而且简单的电气连接或电气设计。
在另一个实施例中，所述整流器的输出部被串联连接到所述源元件的输出部和/或所述漏元件的输入部。在该实施例中，所述电路布置的所述输出电压等于所述整流器的所述输出电压和所述源元件的所述输出电压的和或所述整流器的所述输出电压与所述漏元件的所述输入电压之间的差，其中，考虑了所述源元件的输出端子或所述漏元件的输入端子上的所述电压降的偏振。如果所述电路布置的所述输出电压是所述牵引电池的所述充电电压，则所述充电电压包括前述的电压的和或其之间的差。所提出的电路布置的这种电气布局有利地允许对所述输出电压的简单的调节或控制，这是因为其可以被计算为简单的两个电压的和。
在另一个实施例中，所述电压变换器的配置是依据所述电路布置的期望的输出电压与所述整流器的所述输出电压的比率来选择的。具体而言，所述电压变换器的所述配置可以是依据所述电路布置的期望的输出电压与所述整流器的最小和最大输出电压的比率来选择的。所述电压变换器的所述配置也可以取决于所述整流器与所述电压变换器的连接。术语“配置”是指所述变换器可以以其操作的(一个或多个)操作的模式。操作的模式可以是关于电压变换能力而被分类的，例如所述变换器可以是否作为降压变换器、升压变换器和/或降升压变换器操作。备选地或额外地，所述操作的模式可以是关于能量指向能力而被分类的，例如所述变换器允许单向能量流还是双向能量流。
所述电压变换器的所述配置可以被选择使得所述电压变换器可以作为降低变换器、升高变换器或降升压变换器操作。例如如果所述电压变换器提供源元件，且所述整流器的所述输出电压等于所述电压变换器的输入电压，并且如果所述整流器的所述最小和最大输出电压低于所述电路布置的期望的输出电压但高于所述电路布置的所述期望的输出电压的一半，则所述电压变换器必须被设计为能作为降低变换器的电压变换器。
在优选的实施例中，所述电压变换器被设计为能作为降升压变换器的双向电压变换器。这样的电压变换器允许电能的双向传送，同时也能作为降低变换器或升高变换器。对所述电压变换器的这样的设计有利地允许使用针对所述电路布置的期望的输出电压与所述整流器的所述输出电压的多个比率的所述电压变换器。
在另一个实施例中，所述布置还包括牵引电池，其中，所述牵引电池被连接到所述电路布置的输出部。在这种情况下，所述牵引电池上的下降的电压(电池电压)等于所述整流器的所述输出电压与所述电压变换器的所述输出电压的和或差。
在另一个实施例中，所述电压变换器被设计为谐振变换器。所述谐振变换器可以包括将所述谐振变换器的直流输入电压转换为交流中间电压的逆变器。另外，所述谐振变换器可以包括将具有给定的电平的所述中间电压转换到期望的电平的变压器。另外，所述谐振变换器可以包括将经转换的中间电压转换为所述谐振变换器的直流输出电压的整流器。
结合前述的电气电路布置，所述谐振变换器的所述逆变器及其元件可以有利地被设计用于小输入电流。这进而降低所述逆变器的元件的成本、重量和空间要求。如果使用这样的谐振变换器，则另一优势在于，所述变压器的圈数比(turn rate)或绕组比可以是小的。这是因为只有对所述牵引电池进行充电的电力的部分需要由所述谐振变换器提供。结果，这允许例如使用所述变压器的次级侧上的小数量的绕组，其进而又降低成本、重量和空间要求。而且，由于更少电力需要被转换，因此线缆，具体为所述变压器的初级侧的电缆，的剖面可以是小的。
另一优势在于，可以使用操作时可以几乎没有功率损耗的MOS元件来建立所述谐振变换器的所述整流器。这进而降低了对所述牵引电池进行充电时的总功率损耗。
在备选的实施例中，所述电压变换器被设计为降低变换器。降低变换器被称为将具有给定电平的直流输入电压转换为具有比所述输入电压的所述电平更小的电平的直流输出电压的电路布置。例如，降低变换器可以包括开关(例如晶体管或二极管)、电感器和电容器。
所述降低变换器的第一输入端子，例如正输入端子，可以被连接到所述整流器的第一输出端子，例如正输出端子。第二输入端子，例如负输入端子，可以被连接到地。所述降低变换器的第一输出端子可以被连接到所述整流器的所述第二输出端子，例如负输出端子。在这种情况下，所述降低变换器的第二输出端子可以被连接到所述牵引电池的所述负端子。这种连接也可以具有地电平。在这种情况下，所述牵引电池的所述正端子也可以被连接到所述整流器的所述第一输出端子，例如正输出端子。
正端子表示提供比对应的负端子更高的电势的端子。例如是比所述整流器的所述负输出的电势更高的所述整流器的所述正输出端子的电势。所述降低变换器的所述正输入端子的电势也高于所述降低变换器的所述负输入端子的所述电势。
所提出的布置有利地允许利用可用并且已知的电气元件来设立所提出的电路布置。
在备选的实施例中，所述电压变换器被设计为降升压变换器。降升压变换器将正直流输入电压转换为负直流输出电压，而不具有电化绝缘。降升压变换器可以包括开关、电感、电容和二极管。
所述降升压变换器的第一输入端子，例如正输入端子，可以被连接到所述整流器的第一输出端子，例如正输出端子。所述降升压变换器的第一输出端子，例如负输出端子，可以被连接到所述牵引电池的负端子。在这种情况下，所述降升压变换器的第二输入端子，例如负输入端子，可以被连接到地。所述降升压变换器的第二输出端子，例如正输出端子，也可以被连接到地。
所提出的布置有利地提供了所提出的电路布置内的所述变换器的备选布置。
还提出了一种车辆，具体是诸如道路汽车或轨道车辆的电动陆地车辆。所述车辆包括先前所述的电路布置中的一个。所述车辆可以在路线的行驶表面，具体是由道路或轨道提供的行驶表面上行进，并且能量可以通过前述的电磁场而被传送到所述车辆。能量可以在所述车辆正移动(动态传送，例如动态充电)或处于停顿(静态传送，例如静态充电)时被传送。电导体布置也可以被称为发射器。假使所述车辆行进或位于包括创建磁场的导体的表面上，则交流电压是通过磁感应来产生的。
具体而言，所述车辆包括具有用于接收所述磁场并且用于产生交流电输出电压的至少一个(次级侧)电感的拾取器部分。所产生的电输出电压可以由所提出的电路布置转换为期望的DC电压，具体是所述车辆的牵引电池的期望的充电电压。包括所述电路布置的所述拾取器部分可以例如被安装在所述车辆的底部。也可能的是，所述拾取器部分可以通过沿竖直方向的致动器来移动，其中，所述竖直方向垂直于所述车辆在其上行进的表面平面。这有利地允许修改所述电路布置的输入电压，使得所述输入电压落在预定电压区间内。
另外，提出了一种操作先前所述的期望的电路布置中的一个的方法。拾取器部分的至少一个次级侧电感接收磁场并且产生输出电压。至少一个整流器对所述至少一个电感的所述输出电压进行整流。另外，至少一个源元件被操作为使得所述整流器的输出电压与所述源元件的输出电压的和是根据期望的参数而被调整的，或至少一个漏元件被操作使得所述整流器的输出电压与所述漏元件的输入电压之间的差是根据期望的参数而被调整的。参数表示例如所述电压的水平和/或在其期间产生期望的输出电压的时间段。所述源元件和/或所述漏元件也可以被操作使得产生期望的电压曲线。
在另一个实施例中，所述源元件和/或所述漏元件是由至少一个电压变换器来提供的，其中，所述电压变换器对所述电压变换器的输入电压进行变换。所述电压变换器被操作使得所述整流器的所述输出电压与所述电压变换器的所述输出电压的和或所述整流器的所述输出电压与所述电压变换器的所述输入电压之间的差是根据期望的参数被调整的。因此，所述电压变换器被操作使得所述电路布置的所述输出电压是根据期望的参数而被调整的。
这有利地允许利用期望的电压水平或期望的电压过程来对所述牵引电池进行充电。
在另一个实施例中，所述源元件和/或所述漏元件被操作使得所述电路布置的所述输出电压被调整到期望的电平。由于所述整流器的所述输出电压可以在操作期间变换，例如由于所述初级绕组结构中的初级电流的变化和/或机械间隙，即所述初级绕组与所述次级绕组之间的所述气隙的变化和/或其他原因，例如乘客的重量、轨道或车轮磨耗、降低的轮胎气压(在例如公共汽车和轿车中)、车辆悬挂和/或路旁曲率的振荡，因此所述电压变换器的所述输出电压需要被调整，使得提供可以等于所述牵引电池的充电电压的所述电路布置的恒定输出电压。
一般地，提供了一种用于对电池进行充电的电路布置。所述电路布置包括用于接收交流输入电压的输入端子。另外，所述电路布置包括用于对所述输入电压进行整流的至少一个整流器。另外，所述电路布置包括至少一个源元件和/或漏元件，例如电压变换器。所述整流器和所述源元件被连接起来，使得可以是用于所述电池的充电电压的所述电路布置的输出电压是所述整流器的所述输出电压与所述源元件的所述输出电压的和。所述整流器和所述漏元件也被连接起来，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器的所述输出电压与所述漏元件的所述输入电压之间的差。所提出的电路布置用作用于电池，具体用于被利用高充电功率进行充电的电池的充电电路布置。所提出的电路布置有利地允许使用电气元件，例如所提出的电压变换器的更便宜、更小并要求更少空间的元件，以便提供用于所述电池的充电电压的至少一部分。所提出的充电电路布置可以在其中交流输入电压需要被转换以使得产生期望的恒定充电电压的任意应用中使用。
附图说明
将参考附图描述本发明的范例。附图示出：
图1根据现有技术的用于对牵引电池进行充电的电路布置的示意性方框图；
图2a根据本发明的第一电路布置的示意性方框图；
图2b根据本发明的另一电路布置的示意性方框图；
图3谐振变换器的示意性方框图；
图4使用降低变换器的电路布置的示意性方框图；
图5a具有以源模式操作的电压变换器的图2a中示出的电路布置的示意性操作图；
图5b具有以漏模式操作的电压变换器的图2a中示出的电路布置的示意性操作图；
图6a具有以源模式操作的电压变换器的图2b中示出的电路布置的示意性操作图；
图6b具有以漏模式操作的电压变换器的图2b中示出的电路布置的示意性操作图；
图7充电电路布置的示意性方框图；
图8具有电化分离的第一降低变换器的示意性方框图；
图9具有电化分离的第二降低变换器的示意性方框图；
图10具有电化分离的第三降低变换器的示意性方框图；
图11具有电化分离的第四降低变换器的示意性方框图；以及
图12具有电化分离的通用变换器的示意性方框图。
具体实施方式
图1示出了用于对电动车辆的牵引电池1进行充电的电路布置的示意性方框图。电路布置包括拾取器部分的次级侧电感2(未示出)。次级侧电感2接收磁场并且产生电输出电压，所述电输出电压是交流电压。另外，电路布置包括用于对电感2的输出电压进行整流的整流器3。电路布置还包括电压变换器4，电压变换器4将具有给定的电压水平的整流器3的直流或恒定输出电压转换为具有期望的电平的直流或恒定电压，所述期望的电平因此被用于对电池1进行充电。因此，电池电压Ubat等于电压变换器4的输出电压。
图2a示出了根据本发明的第一电路布置的示意性方框图。电路布置包括牵引电池1、可以例如由绕组结构提供的次级侧电感2、整流器3、以及电压变换器4。整流器3的输出电压由U1表示，并且在整流器3的第一输出端子3a与第二输出端子3b之间下降。整流器3的输出电压U1是由整流器通过对在感应功率传送期间由电感2提供的交流输入电压进行整流而生成的电压。
如果变换器4以源模式操作，例如提供源元件，则变换器4的输出电压由U输出表示并且在变换器4的第一端子4a与第二端子4b之间下降。输出电压U输出被从第一端子4a导向第二端子4b。在这种情况下，第一端子4a和第二端子是变换器4的输出端子。如果变换器4以漏模式操作，例如提供漏元件，则变换器4的输入电压由U输入表示并且在变换器4的第一端子4a与第二端子4b之间下降。输入电压U输入被从第二端子4b导向第一端子4a。在这种情况下，第一端子4a和第二端子是变换器4的输入端子。
如果变换器4以源模式操作，则用于对电池1进行充电的电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与变换器4的输出电压U输出的和。备选地，如果变换器4以漏模式操作，则电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与变换器4的输入电压U输入之间的差。示出了整流器3的第一输出端子3a被连接到变换器4的第三端子4c。再者，整流器3的第二输出端子3b被连接到变换器4的第四端子4d。如果变换器4以源模式操作，则端子4c、4d是变换器4的输入端子。在这种情况下，整流器3的输出电压U1是变换器4的输入电压。如果变换器4以漏模式操作，则端子4c、4d是变换器4的输出端子。在这种情况下，整流器3的输出电压U1等于变换器4的输出电压。整流器3的第一输出端子3a还被连接到牵引电池1的正输入端子1a。牵引电池1的负输入端子1b被连接到变换器4的第二端子4b。电池电压Ubat在牵引电池1的端子1a、1b之间下降并且被从正输入端子1a导向牵引电池1的负输入端子1b。
图2b示出了根据本发明的另一电路布置的示意性方框图。与图2a中示出的电路布置相反，整流器3的第二输出端子3b被连接到变换器4的第一端子4a。变换器4的第二端子4b、变换器4的第四端子4d和电池1的负输入端子1b被连接到公共电势，例如地电平。如果变换器4以源模式操作，则端子4c、4d是变换器4的输入端子。在这种情况下，电路布置的输出电压，例如电池电压Ubat，是变换器4的输入电压。如果变换器4以漏模式操作，则端子4c、4d是变换器4的输出端子。在这种情况下，电路布置的输出电压，例如电池电压Ubat，等于变换器4的输出电压。
整流器3可以是根据现有技术已知的任何整流器，例如二极管整流器、两相桥式整流器或另一整流器。
在图2a和图2b中，示出了电感2与整流器3之间的两相连接。应当理解，这并不限制本发明的范围。例如如果电感2生成三相输出电压，则电感2和整流器3也可以通过三相连接来连接。
图3示出了可以用作图2a、图2b中示出的变换器4的谐振变换器5的示意性方框图。谐振变换器5包括逆变器6，逆变器6用于利用在谐振变换器5的第一输入端子5c与第二输入端子5d之间下降的恒定输入电压来产生中间交流电压。另外，谐振变换器5包括变压器7，变压器7将具有给定的电压水平或给定的电压幅度的中间电压转换到具有期望的电压水平或期望的电压幅度的经转换的中间电压。另外，谐振变换器5包括整流器8，以对经变换的中间交流电压进行整流并且提供在谐振变换器5的第一输出电压端子5a与谐振变换器5的第二输出端子5b之间下降的恒定输出电压。
在图4中，示出了使用降低变换器9的电路布置的示意性方框图。示出了降低变换器9包括以已知的方式连接的开关10、二极管11、电感12和电容13。降低变换器9的第三端子9c被连接到整流器3的第一输出端子3a。降低变换器9的第一端子9a被连接到整流器3的第二输出端子3b。牵引电池1的正输入端子1a被连接到整流器3的第一输出端子3a。降低变换器9的第四端子9d被连接到地。降低变换器9的第二端子9b被连接到牵引电池1的负输入端子1b。在这种情况下，如果降低变换器9以源模式操作，则电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与降低变换器9的输出电压U输出的和。
在图5a中，示出了具有以源模式操作的电压变换器4的图2a中示出的电路布置的示意性操作图。示出了整流器3的第一输出端子3a提供比整流器3的第二输出端子3b更高的电势。因此，整流器3的输出电压U1被从第一输出端子3a导向第二输出端子3b。在源模式中，第一端子4a的电势高于第二端子4b的电势。因此，变换器4的输出电压U输出被从第一端子4a导向第二端子4b。能量流E是通过箭头62来符号表示的。其被从变换器4的输入侧导向变换器4的输出侧。输入侧是通过在源模式中是输入端子的变换器4的第三端子4c和第四端子4d来提供的。输出侧是通过在源模式中是输出端子的变换器4的第一端子4a和第二端子4b来提供的。在图5a中，电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与变换器4的输出电压U输出的和。
图5b示出了具有以漏模式操作的电压变换器4的图2a中示出的电路布置的示意性操作图。在漏模式中，第二端子4b的电势高于第一端子4a的电势。因此，变换器4的输入电压U输入被从第二端子4b导向第一端子4a。能量流E是通过箭头62来符号表示的。其被从变换器4的输入侧导向变换器4的输出侧。输入侧现在由在漏模式中是输入端子的变换器4的第一端子4a和第二端子4b提供。输出侧由在漏模式中是输出端子的变换器4的第三端子4c和第四端子4d提供。在图5b中，电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与变换器4的输入电压U输入之间的差。
对于图5a和5b中示出的电路布置，变换器4的配置可以是依据电路布置的期望的输出电压(例如电池电压Ubat)与整流器3的输出电压U1的比率来选择的。
参考图5a，如果对于电路布置的所有操作状态(例如对于整流器3的所有可能的输出电压U1)而言，电路布置的期望的输出电压都高于整流器3的输出电压U1，并且整流器3的输出电压U1高于或等于电路布置的期望的输出电压的一半，则变换器配置必须被选择为使得变换器4能作为降低变换器。如果对于电路布置的所有操作状态而言，电路布置的期望的输出电压都高于整流器3的输出电压U1，并且整流器3的输出电压U1低于电路布置的期望的输出电压的一半，则变换器配置必须被选择为使得变换器4能作为升高变换器。如果对于电路布置的所有操作状态而言，电路布置的期望的输出电压都高于整流器3的输出电压U1，并且整流器3的输出电压U1在高于电路布置的期望的输出电压的一半的值与低于电路布置的期望的输出电压的一半的值之间波动，则变换器配置必须被选择为使得变换器4能作为降低变换器或升高变换器两者。
参考图5b，如果对于电路布置的所有操作状态而言，电路布置的期望的输出电压都低于整流器3的输出电压U1，并且整流器3的输出电压U1低于电路布置的期望的输出电压的两倍，则变换器配置必须被选择为使得变换器4能作为降低变换器。
如果对于电路布置的所有操作状态而言，电路布置的期望的输出电压都低于整流器3的输出电压U1，并且整流器的输出电压U1等于或高于电路布置的期望的输出电压的两倍，则变换器配置必须被选择为使得变换器4能操作为升高变换器。
如果对于电路布置的所有操作状态而言，电路布置的期望的输出电压都低于整流器3的输出电压U1，并且整流器的输出电压U1在高于电路布置的期望的输出电压的两倍的值与低于电路布置的期望的输出电压的两倍的值之间波动，则变换器配置必须被选择为使得变换器4能作为降低变换器或升高变换器两者。
应当表示出，图3中示出的谐振变换器5能作为降低变换器或升高变换器。优选地，变换器4被设计为双向降升压变换器4，双向降升压变换器4可以在先前描述的场景的全部以及在其中整流器3的输出电压U1在高于电路布置的期望的输出值的值与低于电路布置的期望的输出值的值之间波动的场景中使用。双向变换器4允许能量E沿图5a和图5b中示出的方向流动(见箭头62)。
图6a示出了具有以源模式操作的电压变换器4的图2b中示出的电路布置的示意性操作图。示出了整流器3的第一输出端子3a提供比整流器3的第二输出端子3b更高的电势。因此，整流器3的输出电压U1被从第一输出端子3a导向第二输出端子3b。在源模式中，第一端子4a的电势高于第二端子4b的电势。因此，变换器4的输出电压U输出被从第一端子4a导向第二端子4b。能量流E是通过箭头62来符号表示的。其被从变换器4的输入侧导向变换器4的输出侧。输入侧由在源模式中是输入端子的变换器4的第三端子4c和第四端子4d提供。输出侧由在源模式中是输出端子的变换器4的第一端子4a和第二端子4b提供。
图6b示出了具有以漏模式操作的电压变换器4的图2b中示出的电路布置的示意性操作图。在漏模式中，第二端子4b的电势高于第一端子4a的电势。因此，变换器4的输入电压U输入被从第二端子4b导向第一端子4a。能量流E是通过箭头62来符号表示的。其被从变换器4的输入侧导向变换器4的输出侧。输入侧现在由在漏模式中是输入端子的变换器4的第一端子4a和第二端子4b提供。输出侧由在漏模式中是输出端子的变换器4的第三端子4c和第四端子4d提供。
根据关于图5a和5b的语句，图6a、图6b中示出的电路布置中的变换器4的配置可以是依据电路布置的期望的输出电压(例如电池电压Ubat)与整流器3的输出电压U1的比率而被选择的。与图5a相反，源模式中变换器4的输入电压等于电路布置的期望的输出电压，例如电池电压Ubat。与图5b相反，漏模式中变换器4的输出电压等于电路布置的期望的输出电压，例如电池电压Ubat。当选择变换器4的配置时，必须考虑这一点。
图7示出了用于电池20的充电电路布置的示意性方框图。充电电路布置包括用于接收交流输入电压的输入端子21。另外，充电电路布置包括整流器3和电压变换器4。电压变换器4和整流器3被连接起来，使得如果变换器4以源模式操作，则电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与电压变换器4的输出电压U输出的和。如果电压变换器4以漏模式操作，则电池电压Ubat等于整流器3的输出电压U1与电压变换器4的输入电压U输入之间的差。整流器3和电压变换器4可以被设计为参考图2a至图6b所公开的。
图8示出了可以被取代图4中示出的降低变换器9使用的具有电化分离的第一降低变换器22的示意性方框图。降低变换器22也被称为正向变换器。在初级侧上，降低变换器22包括输入电容23、初级绕组24和开关元件25，其中，初级绕组24和开关元件25的串联连接被并联连接到输入电容23。开关元件25可以是晶体管。此外，初级侧包括去磁绕组26和二极管27，其中，去磁绕组26和二极管27的串联连接被并联连接到输入电容23。次级侧包括次级绕组28和包括二极管29、30的次级整流器。另外，次级侧包括电感31和输出电容32。
图9示出了可以取代图4中示出的降低变换器9使用的具有电化分离的第二降低变换器33的示意性方框图。降低变换器33也被称为具有并联电源的推挽变换器。在初级侧上，降低变换器33包括输入电容23、初级绕组和开关元件34、35，其中，包括初级绕组和开关元件34、35的电路分支被并联连接到输入电容23。初级绕组包括第一绕组元件36和第二绕组元件37，其中，绕组元件36、37的连接点被连接到输入电容23，并且绕组元件36、37的剩余的端子被分别连接到开关元件34、35。次级侧包括次级绕组38和包括二极管39、40、41、42的次级整流器。另外，次级侧包括电感31和输出电容32。
图10示出了可以取代图4中示出的降低变换器9使用的具有电化分离的第三降低变换器43的示意性方框图。降低变换器43也被称为具有半桥控制的推挽变换器。在初级侧上，降低变换器43包括输入电容23、输入电阻44、初级绕组45和开关元件46、47。输入电阻44的串联连接被并联连接到输入电容23的串联连接和开关元件46、47的串联连接。初级绕组45的一个端子被连接到开关元件46、47的连接点，其中，初级绕组45的另一端子被连接到输入电容23的连接点和输入电阻44的连接点。降低变换器43的次级侧等于图9中示出的降低变换器33的次级侧。
图11示出了可以取代图4中示出的降低变换器9使用的具有电化分离的第四降低变换器48的示意性方框图。降低变换器48也被称为具有全桥控制的推挽变换器。在初级侧上，降低变换器48包括输入电容23、初级绕组49和开关元件50、51、52、53。两个开关元件50、51的串联连接被并联连接到其他两个开关元件52、53的串联连接，并且被并联连接到输入电容23。初级绕组49的一个端子被连接到开关元件50、51的连接点，其中，初级绕组49的另一端子被连接到其他开关元件52、53的连接点。降低变换器43的次级侧等于图9中示出的降低变换器33的次级侧。
图12示出了具有电化分离的通用变换器54的示意性方框图。在初级侧上，通用变换器54包括第一脚55，第一脚55包括串联连接的第一开关元件T11和第二开关元件T12。二极管D11、D12被反并联连接到每个开关元件T11、T12。相对应地，通用变换器54包括第二脚56，第二脚56包括串联连接的第一开关元件T13和第二开关元件T14。二极管D13、D14被反并联到每个开关元件T13、T14。相对应地，通用变换器54包括第三脚57，第三脚57包括串联连接的第一开关元件T15和第二开关元件T16。二极管D15、D16被反并联连接到每个开关元件T15、T16。初级侧的所有脚55、56、57被并联连接。再者，初级侧的所有脚55、56、57被并联连接到通用变换器54的初级侧的连接端子58c、58d。
在次级侧上，通用变换器54包括第一脚59，第一脚59包括串联连接的第一开关元件T21和第二开关元件T22。二极管D21、D22被反并联连接到每个开关元件T21、T22。相对应地，通用变换器54包括次级侧上的第二脚60，第二脚60包括串联连接的第一开关元件T23和第二开关元件T24。二极管D23、D24被反并联连接到每个开关元件T23、T24。相对应地，通用变换器54包括次级侧上的第三脚61，第三脚61包括串联连接的第一开关元件T25和第二开关元件T26。二极管D25、D26被反并联连接到每个开关元件T25、T26。次级侧的所有脚59、60、61被并联连接。再者，次级侧的所有脚59、60、61被并联连接到通用变换器54的次级侧的连接端子58a、58b。
开关元件T11、……T26被设计为具有预定导电方向的开关元件T11、……T26。在该背景中的反并联意指二极管D11、……D26的导电方向是与开关元件T11、……T26的导电方向反并联取向的。
另外，通用变换器54包括初级侧上的第一绕组结构N11和第二绕组结构N12。第一绕组结构N11被电气布置在初级侧的第一脚55的第一开关元件T11和第二开关元件T12的连接点与初级侧的第二脚56的第一开关元件T13和第二开关元件T14的连接点之间。相对应地，第二绕组结构N12被电气布置在初级侧的第二脚56的第一开关元件T13和第二开关元件T14的连接点与初级侧的第三脚57的第一开关元件T15和第二开关元件T16的连接点之间。
另外，通用变换器包括次级侧上的第一绕组结构N21和第二绕组结构N22。第一绕组结构N21被电气布置在次级侧的第一脚59的第一开关元件T21和第二开关元件T22的连接点与次级侧的第二脚60的第一开关元件T23和第二开关元件T24的连接点之间。相对应地，第二绕组结构N22被电气布置在次级侧的第二脚60的第一开关元件T23和第二开关元件T24的连接点与次级侧的第三脚61的第一开关元件T25和第二开关元件T26的连接点之间。
重要的是，所有绕组结构N11、N12、N21、N22的圈数是相等的。
示出的通用变换器54能够将能量从初级侧传送到次级侧，并且反之亦然。能量流E(见箭头62)因此可以被沿这两个方向导向。而且或同时地，通用变换器能作为降压型变换器或升压型变换器。这意指跨通用变换器54的端子58c、58d下降的电压Ufs可以变换为跨通用变换器54的端子58a、58b下降的更高或更低的电压Uss。而且，跨通用变换器54的端子58a、58b下降的电压Uss可以变换为跨通用变换器54的端子58c、58d下降的更高或更低的电压Ufs。
如果通用变换器54作为将在初级侧的端子58c、58d之间下降的电压Ufs变换为在次级侧的端子58a、58b之间下降的更高的电压Uss的升高变换器操作，并且能量流E被从初级侧导向次级侧，则对初级侧的第一脚55和第二脚56的开关元件T11、T12、T13、T14进行操作，而初级侧的第三脚57的开关元件T15、T16是不活动的。在这种情况下，初级侧的第一脚55和第二脚56的开关元件T11、T12、T13、T14作为全桥逆变器操作。在这种情况下，可以达到Ufs/Uss＝1:2的电压比。
如果通用变换器54作为将在次级侧的端子58a、58b之间下降的电压Uss变换为在初级侧的端子58c、58d之间下降的更高的电压Ufs的升高变换器操作，并且能量流E被从次级侧导向初级侧，则对次级侧的第一脚59和第二脚60的开关元件T21、T22、T23、T24进行操作，而次级侧的第三脚61的开关元件T25、T26是不活动的。在这种情况下，次级侧的第一脚59和第二脚60的开关元件T21、T22、T23、T24作为全桥逆变器操作。在这种情况下，可以达到Ufs/Uss＝2：1的电压比。
如果通用变换器54作为将在初级侧的端子58c、58d之间下降的电压Ufs变换为在次级侧的端子58a、58b之间下降的更低的电压Uss的降低变换器操作，并且能量流E被从初级侧导向次级侧，则对初级侧的第一脚55和第三脚57的开关元件T11、T12、T15、T16进行操作，而初级侧的第二脚56的开关元件T13、T14是不活动的。在这种情况下，初级侧的第一脚55和第三脚55的开关元件T11、T12、T15、T16作为全桥逆变器操作。在这种情况下，可以达到Ufs/Uss＝2:1的电压比。
如果通用变换器54作为将在次级侧的端子58a、58b之间下降的电压Uss变换为在初级侧的端子58c、58d之间下降的更低的电压Ufs的降低变换器操作，并且能量流E被从次级侧导向初级侧，则对次级侧的第一脚59和第三脚61的开关元件T21、T22、T25、T26进行操作，而次级侧的第二脚60的开关元件T23、T24是不活动的。在这种情况下，次级侧的第一脚59和第三脚61的开关元件T21、T22、T25、T26作为全桥逆变器操作。在这种情况下，可以达到Ufs/Uss＝1:2的电压比。
根据期望的操作模式，对通用变换器54的不同开关元件T11、……T16、T21、……T26进行操作，例如计时。示出的通用变换器54可以被用作图2a或图2b中示出的电压变换器4。在这种情况下，通用变换器54的端子58c、58d对应于电压变换器4的端子4c、4d，并且通用变换器54的端子58a、58b对应于图2a或图2b中示出的电压变换器4的端子4a、4b。
应当注意到，示出的通用变换器54和先前描述的操作通用变换器54的方法可以是独立发明的主体。

Claims (20)

1.一种用于提供车辆中的DC电压的电路布置，其中，所述电路布置包括：车辆侧拾取器部分的至少一个次级侧电感(2)，其用于接收磁场并且用于产生电输出电压；至少一个整流器(3)，其用于对所述至少一个次级侧电感(2)的输出电压进行整流；以及至少一个源元件和/或漏元件，其中，
所述整流器(3)和所述源元件被连接起来，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述源元件的输出电压的和，和/或所述整流器(3)和所述漏元件被连接起来，使得所述电路布置的输出电压是所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述漏元件的输入电压之间的差，
其特征在于：
所述源元件和/或所述漏元件是由电压变换器(4、5、9)提供的，其中，所述电压变换器将具有给定的电平的直流输入电压转换为具有期望的电平的直流输出电压。
2.根据权利要求1所述的布置，其中，所述整流器(3)的所述输出电压(U1)等于所述源元件的输入电压和/或所述漏元件的输出电压。
3.根据权利要求1所述的布置，其中，所述电路布置的输出电压等于所述源元件的输入电压和/或所述漏元件的输出电压。
4.根据权利要求1所述的布置，其中，所述整流器(3)的输出部被串联连接到所述源元件的输出部和/或所述漏元件的输入部。
5.根据权利要求2所述的布置，其中，所述整流器(3)的输出部被串联连接到所述源元件的输出部和/或所述漏元件的输入部。
6.根据权利要求3所述的布置，其中，所述整流器(3)的输出部被串联连接到所述源元件的输出部和/或所述漏元件的输入部。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的布置，其中，所述电压变换器(4、5、9)的配置是依据所述电路布置的期望的输出电压与所述整流器(3)的所述输出电压(U1)的比率而被选择的。
8.根据权利要求1至6中的一项所述的布置，其中，所述电压变换器(4)被设计为能作为降升压变换器的双向变换器。
9.根据权利要求7所述的布置，其中，所述电压变换器(4)被设计为能作为降升压变换器的双向变换器。
10.根据权利要求1至6中的一项所述的布置，其中，所述布置还包括牵引电池(1)，其中，所述牵引电池(1)被连接到所述电路布置的电压输出部。
11.根据权利要求7所述的布置，其中，所述布置还包括牵引电池(1)，其中，所述牵引电池(1)被连接到所述电路布置的电压输出部。
12.根据权利要求8所述的布置，其中，所述布置还包括牵引电池(1)，其中，所述牵引电池(1)被连接到所述电路布置的电压输出部。
13.根据权利要求9所述的布置，其中，所述布置还包括牵引电池(1)，其中，所述牵引电池(1)被连接到所述电路布置的电压输出部。
14.根据权利要求1所述的布置，其中，所述DC电压是用于对所述车辆中的牵引电池(1)进行充电的电压。
15.一种车辆，包括根据权利要求1至14中的一项所述的电路布置中的一个，其中，由磁感应所产生的电压能够由所述电路布置转换，使得期望的DC电压被提供。
16.根据权利要求15所述的车辆，其中，所述车辆是道路汽车或轨道车辆。
17.一种操作电气电路布置的方法，其中：
-拾取器部分的至少一个次级侧电感(2)接收磁场并且产生输出电压，
-至少一个整流器(3)对所述至少一个次级侧电感(2)的所述输出电压进行整流，
至少一个源元件被操作为使得所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述源元件的输出电压的和是根据期望的参数而被调整的，或者至少一个漏元件被操作为使得所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述漏元件的输入电压之间的差是根据期望的参数而被调整的，其中，所述源元件和/或所述漏元件是由电压变换器(4、5、9)提供的，其中，所述电压变换器将具有给定的电平的直流输入电压转换为具有期望的电平的直流输出电压。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
-至少一个电压变换器(4、5、9)对所述电压变换器(4、5、9)的输入电压进行变换，并且
-所述电压变换器(4、5、9)被操作为使得所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述电压变换器(4、5、9)的输出电压(U输出)的和是根据期望的参数而被调整的，或者所述电压变换器(4、5、9)被操作为使得所述整流器(3)的输出电压(U1)与所述电压变换器(4、5、9)的输入电压(U输入)之间的差是根据期望的参数而被调整的。
19.根据权利要求17或18中的一项所述的方法，其中，所述源元件和/或所述漏元件被操作为使得所述电路布置的所述输出电压被调整到期望的电压水平。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电气电路布置是车辆的电路布置。
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