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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Akkumulator auf, um den Antrieb zu speisen. Bei zahlreichen Fahrzeugen ist eine Ladebuchse vorgesehen, um Energie von außen in den Akkumulator zur übertragen, etwa im Rahmen eines Ladevorgangs.
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Hierfür bestehen Ladestationen, die vereinfacht als Spannungsquelle dargestellt werden können. Die Höhe der Spannung ergibt sich aus dem jeweiligen Versorgungsnetz, wobei hier in unterschiedlichen Regionen unterschiedliche Spannungen und Phasenkonfigurationen auftreten. Es ergeben sich daher bei unterschiedlichen Versorgungsnetzen, die sich hinsichtlich Nennspannung, Konfiguration oder Phasenanzahl unterscheiden können, unterschiedliche Spannungsniveaus. Dies erfordert bei unterschiedlichen Einsatzfeldern Anpassungen der Ladschaltung. Diese Anpassungen sind mit Aufwand und Kosten verbunden.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der möglichst kostengünstig das gleiche Ladegerät für unterschiedliche Ladespannungen verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird eine konfigurierbare Wechselstrom-Ladevorrichtung mit einer Vielzahl von Halbbrücken vorgeschlagen. Diese umfasst neben den steuerbaren Halbbrücken mindestens eine Dioden-Halbbrücke. Die Halbbrücken sind mittels einer Parallelschaltung verbunden. Durch Konfiguration lassen sich so verschiedene Eigenschaften und Funktionen einstellen, sodass dieselbe Ladevorrichtung durch Umkonfiguration an eine von mehreren Anwendungen angepasst werden kann. Durch die Verwendung einer Dioden-Halbbrücke können die Kosten reduziert werden, wobei gleichzeitig, bei geringen Kosten, die Stromtragfähigkeit gegenüber steuerbaren Halbbrücken deutlich erhöht werden kann. Abhängig von der Konfiguration wird die Dioden-Halbbrücke zusammen mit mindestens einer weiteren steuerbaren Halbbrücke kopiert, oder nicht, und bildet eine Halbbrückengruppe. Ist die Dioden-Halbbrücke nicht mit anderen steuerbaren Halbbrücken gruppiert, dann kann die Dioden-Halbbrücke beispielsweise einen Teil einer Vollbrücke bilden. Dadurch kann die Dioden-Halbbrücke als kostengünstig herzustellende Schaltung (im Vergleich zu steuerbaren Halbbrücken) als ein Teil einer Vollbrücke verwendet werden, oder zumindest eine Halbbrücke kostengünstig darstellen. Weiterhin ist es möglich, dass die steuerbaren Halbbrücken in Halbbrückengruppen gruppiert werden, etwa in einer Halbbrückengruppe in einer mehrphasigen Halbbrückengruppe oder in Halbbrückengruppen, die zusammen einen Vollbrückengleichrichter bilden (oder einen Teil eines Leistungsfaktorkorrekturfilters, aktiv) wobei durch die Steuerbarkeit verschiedene elektronische Anpassungen möglich sind, beispielsweise eine Oberwellenreduktion oder Leistungsfaktorkorrektur.
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Die steuerbaren Halbbrücken bzw. deren innere Verbindungspunkte sind über Serieninduktivitäten mit einer Wechselstromschnittstelle verbunden. Mittels dieser Induktivitäten kann eine Leistungsfaktorkorrektur bzw. eine Spannungswandlung im Rahmen einer Gleichrichtung realisiert werden. Mittels Konfigurationsverbindungen (die die Halbbrücken jedenfalls über die angeschlossenen Serieninduktivitäten verbinden), können verschiedene Schaltungen realisiert werden, um so eine Anpassung zu erreichen. Die Konfigurationsverbindungen können festverdrahtet sein, beispielsweise mittels Steckverbinderbrücken (auf Kontaktstiften), oder können durch Schalter (d.h. durch ein Signal steuerbar) realisiert sein. Die erstgenannte Möglichkeit ist relativ kostengünstig, während die zweite genannte Möglichkeit eine Umschaltung ohne Änderung einer festverdrahtet Konfiguration ermöglicht.
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Es wird eine konfigurierbare Wechselstrom-Ladevorrichtung mit einer Vielzahl für steuerbare Halbbrücken sowie mindestens einer Dioden-Halbbrücke vorgeschlagen. Die Halbbrücken sind mittels einer Parallelschaltung verbunden. Die Parallelschaltung ist zudem mit einem Gleichspannungsanschluss verbunden. Die Verbindungspunkte der steuerbaren Halbbrücken sind über Serieninduktivitäten mit einer Wechselstromschnittstelle verbunden. Die mindestens eine Dioden-Halbbrücke ist vorzugsweise direkt mit der Wechselstromschnittstelle verbunden, kann jedoch auch über eine Serieninduktivität mit dieser verbunden sein.
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In einer ersten Konfiguration ist die mindestens eine Dioden-Halbbrücke mittels mindestens einer ersten Konfigurationsverbindung mit mindestens einer der steuerbaren Halbbrücken verbunden, vorzugsweise mit einem Teil der steuerbaren Halbbrücken. Dadurch wird eine erste Halbbrückengruppe gebildet.
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Es ist ferner eine zweite Konfiguration vorgesehen mit mindestens einer zweiten Konfigurationsverbindung. Vorzugsweise besteht die mindestens eine erste Konfigurationsverbindung nicht, während die mindestens eine zweite Konfigurationsverbindung besteht, und umgekehrt. In der zweiten Konfiguration sind die steuerbaren Halbbrücken mittels der mindestens einen zweiten Konfigurationsverbindung in einer Halbbrückengruppe gruppiert. Diese ist getrennt von der Dioden-Halbbrücke. Die Dioden-Halbbrücke ist somit nicht Teil dieser Halbbrückengruppe. Es wird vorzugsweise nur ein Teil der steuerbaren Halbbrücken verwendet, um diese Halbbrückengruppe darzustellen. Die Dioden-Halbbrücke bildet hierbei eine erste Halbbrückengruppe. Die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken oder ein Teil hiervon können eine zweite Halbbrückengruppe bilden.
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Die so gebildeten ersten Halbbrückengruppen sind vorzugsweise einer Halbbrücke eines (einphasigen) Vollwellengleichrichters, können jedoch auch Halbbrücken einer BnC-Schaltung sein, wobei n dem Doppelten einer Phasenanzahl entspricht. Unter Berücksichtigung der Serieninduktivitäten kann sich ein Leistungsfaktorkorrekturfilter ergeben, etwa ein Vienna-Gleichrichter.
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Die erste und die zweite Konfiguration unterscheiden sich dahingehend, dass entweder die Dioden-Halbbrücke zusammen mit mindestens einer weiteren steuerbaren Halbbrücke eine Halbbrückengruppe bildet, oder alleine eine Halbbrückengruppe bildet. Dadurch kann die Stromtragfähigkeit angepasst werden bzw. die Steuerbarkeit der sich ergebenden Schaltung. Ist die Dioden-Halbbrücke als erste Halbbrückengruppe getrennt von den steuerbaren Halbbrücken, dann kann dadurch eine hohe Stromtragfähigkeit bei vergleichsweise geringen Kosten für die Dioden-Halbbrücke erreicht werden. Ist die Dioden-Halbbrücke mit mindestens einer steuerbaren Halbbrücke gruppiert, dann kann durch die steuerbare Halbbrücke eine elektrische Eigenschaft verbessert werden, beispielsweise kann ein Leistungsfaktor korrigiert werden und/oder es können Oberwellen durch aktive Steuerung der steuerbaren Halbbrücke (bzw. der steuerbaren Halbbrückengruppen) verringert werden.
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Mindestens eine der steuerbaren Halbbrücken, insbesondere eine der verbleibenden steuerbaren Halbbrücken, bilden eine zweite Halbbrückengruppe. Zusammen mit der ersten Halbbrückengruppe (Dioden-Halbbrücke alleine oder Dioden-Halbbrücke mit mindestens einer weiteren steuerbaren Halbbrücke) bildet eine Vollbrücke, insbesondere einen Vollbrücken-Gleichrichter. Es kann somit vorgesehen sein, dass die erste Halbbrückengruppe gebildet wird von der Dioden-Halbbrücke und die zweite Halbbrückengruppe gebildet wird von den steuerbaren Halbbrücken. Alternativ bildet die Dioden-Halbbrücke und ein Teil der steuerbaren Halbbrücken, beispielsweise mindestens eine erste Halbbrückengruppe, während die zweite Halbbrückengruppe von den verbleibenden steuerbaren Halbbrücken gebildet wird. Die erste und die zweite Halbbrückengruppe bilden beispielsweise eine Vollbrückengruppe. Die so gruppierten Halbbrücken bilden dadurch einen Vollbrückengleichrichter, wobei die Serieninduktivitäten als Energiespeicher dienen, und die Serieninduktivitäten zusammen mit den Halbbrücken, insbesondere den steuerbaren Halbbrücken, einen Leistungsfaktorkorrekturfilter bilden können.
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Die konfigurierbare Wechselstrom-Ladevorrichtung umfasst insbesondere einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter, der zumindest einen Teil oder alle der genannten Halbbrücken sowie die genannten zugehörigen Serieninduktivitäten umfasst. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann von den steuerbaren Halbbrücken gebildet werden, oder kann von den steuerbaren Halbbrücken zusammen mit der Dioden-Halbbrücke gebildet werden. Insbesondere wird der Leistungsfaktorkorrekturfilter gebildet von den steuerbaren Halbbrücken, zusammen mit deren Induktivitäten, oder von der Dioden-Halbbrücke zusammen mit den steuerbaren Halbbrücken und der daran angeschlossenen Serieninduktivitäten. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter kann ein- oder mehrphasig ausgebildet sein. Die Halbbrücken bilden hierbei insbesondere eine Gleichrichterschaltung, während die Serieninduktivitäten als Energiespeicher des Leistungsfaktorkorrekturfilters dienen.
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In einer dritten Konfiguration werden nur die steuerbaren Halbbrücken verwendet. Hierbei sind die steuerbaren Halbbrücken mit der Wechselstromschnittstelle bzw. mit dem Wechselstromanschluss verbunden. Mit anderen Worten sind in der dritten Konfiguration die steuerbaren Halbbrücken durch mindestens eine Konfigurationsverbindung gruppiert, insbesondere in zwei Halbbrückengruppen, insbesondere in drei Halbbrückengruppen. In der dritten Konfiguration sind die steuerbaren Halbbrücken als BnC-Brücke gruppiert, wobei n die doppelte Phasenanzahl entspricht. In der dritten Konfiguration sind mittels der mindestens einen Konfigurationsverbindung die steuerbaren Halbbrücken als Mehrphasengleichrichter miteinander verbunden, insbesondere als Dreiphasengleichrichter. Die Halbbrücken sind mittels der Serieninduktivitäten mit der Wechselstromschnittstelle verbunden. Die Dioden-Halbbrücke ist in einer Ausführungsform mit keiner der steuerbaren Halbbrücken verbunden. Der sich ergebende Mehrphasengleichrichter ist steuerbar, da die Halbbrücken, die diesen bilden, ebenfalls steuerbar sind.
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Die steuerbaren Halbbrücken können ferner (in einer weiteren Ausführungsform) in zwei Halbbrückengruppen gruppiert sein, wobei diese getrennt von der Dioden-Halbbrücke ist. Mit anderen Worten sind die beiden Halbbrückengruppen jeweils nur von steuerbaren Halbbrücken zusammengesetzt. Die Dioden-Halbbrücke ist hierbei mit keiner der steuerbaren Halbbrücken verbunden, insbesondere mit keiner steuerbaren Halbbrücke, die Teil einer Halbbrückengruppe ist. Die zwei Halbbrückengruppen bilden einen Vollbrückengleichrichter, wobei dies auch als Graetz-Schaltung bekannt ist. Bei zwei Halbbrückengruppen, die zusammen den Vollbrückengleichrichter bilden, ist die Wechselstromschnittstelle vorzugsweise einphasig belegt, das heißt mit zwei Phasen (unterschiedlicher Phasenlage) oder mit einer Phase, zusammen mit einem Neutralleiter.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass in der ersten Konfiguration die Dioden-Halbbrücke mit einer der steuerbaren Halbbrücken die erste Halbbrückengruppe bildet und zusammen mit einer weiteren der steuerbaren Halbbrücken (mindestens einer weiteren der steuerbaren Halbbrücken) als zweite Halbbrückengruppe eine Vollwellengruppe bildet. Die zweite Halbbrückengruppe der Vollwellengruppe wird somit gebildet von den restlichen der steuerbaren Halbbrücken (die nicht mit der Dioden-Halbbrücke gruppiert sind), oder einem Teil hiervon. Es ergibt sich eine Vollwellenbrücke, insbesondere für eine einphasige Belegung, die mit zwei zu einer Phase vernetzten Phasen oder einer Phase zusammen mit einem Neutralleiter gebildet werden kann. Eine simple Ausführungsform umfasst eine Dioden-Halbbrücke und zwei steuerbare Halbbrücken. Mit einer der steuerbaren Halbbrücken bildet die Dioden-Halbbrücke die erste Halbbrückengruppe, und die andere steuerbare Halbbrücke bildet die zweite Halbbrückengruppe. Zusammen bilden die beiden Halbbrückengruppen eine Vollwellenbrücke.
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In einer zweiten Konfiguration dieser simplen Ausführungsform bildet die Dioden-Halbbrücke (alleine) die erste Halbbrückengruppe. Die (beiden) steuerbaren Halbbrücken bilden eine zweite Halbbrückengruppe. Auch hier bilden die beiden Halbbrückengruppen zusammen eine Vollwellenbrücke. In dieser Ausführungsform ist die Dioden-Halbbrücke nicht mit einer steuerbaren Halbbrücke gruppiert. Ferner bilden die steuerbaren Halbbrücken zusammen die zweite Halbbrückengruppe. Die zweite Halbbrückengruppe ist frei von der Dioden-Halbbrücke. Die erste Halbbrückengruppe ist frei vor steuerbaren Halbbrücken.
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Anhand dieser simplen Ausführungsform ist ersichtlich, dass die Dioden-Halbbrücke gegenüber den steuerbaren Halbbrücken unterschiedlich gruppiert sein kann. Ferner ist ersichtlich, dass die hier beschriebene Ladevorrichtung auch mehr als die genannten steuerbaren Halbbrücken und mehr als eine Dioden-Halbbrücke umfassen kann. Insbesondere kann sich eine mehrphasige Vollwellenbrücke ergeben.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Ladevorrichtung mindestens drei steuerbare Halbbrücken umfasst. Beispielsweise sind mindestens drei steuerbare Halbbrückenpaare vorgesehen, wobei die Halbbrücken jedes Paares miteinander gruppiert sind. In der ersten Konfiguration bildet die Dioden-Halbbrücke mit einer oder zwei der steuerbaren Halbbrücken die erste Halbbrückengruppe. Zusammen mit den restlichen steuerbaren Halbbrücken, die als zweite Halbbrückengruppe gruppiert sind, ergibt sich eine Vollwellenbrücke. Insbesondere kann in der ersten Konfiguration die Dioden-Halbbrücke mit einer oder zwei der steuerbaren Halbbrücken der ersten Halbbrückengruppe gruppiert sein, während die verbleibenden Halbbrücken (das heißt die verbleibende einzelne Halbbrücke oder die zwei verbleibenden Halbbrücken) als zweite Halbbrückengruppe gruppiert sind bzw. diese bilden. Die zweite Halbbrückengruppe bildet zusammen mit der ersten Halbbrückengruppe eine Vollbrücke.
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In der zweiten Konfiguration, bei mindestens drei steuerbaren Halbbrücken, bildet die Dioden-Halbbrücke die erste Halbbrückengruppe. Die steuerbaren Halbbrücken (das heißt ein Teil oder alle der verbleibenden drei steuerbaren Halbbrücken) bilden eine zweite Halbbrückengruppe. Auch hier bilden die erste und die zweite Halbbrückengruppe zusammen eine Vollwellenbrücke. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ladevorrichtung drei steuerbare Halbbrücken umfasst. Die drei steuerbaren Halbbrücken bilden zusammen einen Dreiphasengleichrichter. Dies betrifft eine Konfiguration, wobei eine weitere Konfiguration vorgibt, dass die Dioden-Halbbrücke alleine oder mit einem Teil der steuerbaren Halbbrücken eine erste Halbbrückengruppe bildet, während die anderen steuerbaren Halbbrücken zusammen gruppiert sind und die zweite Halbbrückengruppe bilden. In dieser Konfiguration dienen die erste und die zweite Halbbrückengruppe als Vollwellenbrücke. In einer Konfiguration, in der die steuerbaren Halbbrücken in drei (oder mehr als drei) Halbbrückengruppen gruppiert sind, bilden die Halbbrücken einen mehrphasigen Gleichrichter und bilden zusammen mit den Serieninduktivitäten einen mehrphasigen Leistungsfaktorkorrekturfilter. Jede Gruppe kann hierbei ein oder zwei oder auch mehr als zwei steuerbare Halbbrücken umfassen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Halbbrückengruppe mittels mindestens einer Verbindung der ersten Konfigurationsverbindung (das heißt in der ersten Konfiguration) mit einem ersten Kontakt eines Wechselstromanschlusses verbunden ist. Die zweite Halbbrückengruppe ist hierbei mittels mindestens einer weiteren Verbindung der ersten Konfigurationsverbindung mit einem zweiten Kontakt eines Wechselstromanschlusses verbunden. Der erste Kontakt und der zweite Kontakt können zwei Phasenkontakte sein, etwa Phasenkontakte eines Einphasen-Dreileiternetzes, wie es in den USA als Versorgungsnetz verwendet wird, etwa gemäß der Norm NFPA 70. Alternativ kann der erste Kontakt einem Phasenkontakt entsprechen und der zweite Kontakt einem Neutralleiterkontakt entsprechen, wie es beispielsweise in Europa als Versorgungsnetz vorgesehen ist, etwa gemäß der Norm VDE 0100. Die Wechselstromschnittstelle ist mit dem Wechselstromanschluss über eine Verbindung verbunden, die Teil der betreffenden Konfigurationsverbindung ist. Die Konfigurationsverbindungen dienen somit nicht nur der Gruppierung und somit Verbindung der Halbbrücken untereinander, sondern auch der Verbindung zwischen Halbbrücken einerseits und Wechselstromanschluss andererseits.
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Im vorangehenden Beispiel sind die Halbbrücken für den einphasigen bzw. zweiphasigen Anschluss ausgestaltet. Im Folgenden wird eine dreiphasige Möglichkeit beschrieben. Die steuerbaren Halbbrücken können dreiphasig ausgestaltet sein. In einer dritten Konfiguration sind die steuerbaren Halbbrücken mit drei Phasenkontakten des Wechselstromanschlusses verbunden, insbesondere mittels einer Verbindung der dritten Konfigurationsverbindung. Dies betrifft somit die dritte Konfiguration, die als dreiphasige Konfiguration bezeichnet werden kann. In dieser Konfiguration sind nur die steuerbaren Halbbrücken aktiv. Der Wechselstromanschluss kann als Drehstromanschluss ausgebildet sein. Die steuerbaren Halbbrücken können zusammen mit den Serieninduktivitäten einen aktiven Leistungsfaktorkorrekturfilter bilden. Alternativ können die steuerbaren Halbbrücken einen bidirektionalen Stromrichter bilden. Bei einem bidirektionalen Stromrichter kann Energie vom Gleichspannungsanschluss an die Wechselstromschnittstelle übertragen werden. Hierbei können die Serieninduktivitäten zum Erhöhen der Spannung verwendet werden. Bei der genannten Energieflussrichtung werden die steuerbaren Halbbrücken als Stromrichter angesteuert, insbesondere als Wechselrichter, der ein- oder mehrphasig ausgebildet sein kann. Auch der aktive Leistungsfaktorkorrekturfilter kann ein- oder mehrphasig ausgebildet sein. Der Leistungsfaktorkorrekturfilter ist insbesondere als Vienna-Gleichrichter ausgestaltet.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Wechselstrom-Ladevorrichtung eine Kondensatorserienschaltung aufweist. Diese weist mindestens zwei in Serie geschaltete Kondensatoren auf. Die Kondensatorserienschaltung ist parallel mit der Parallelschaltung verbunden, das heißt ist parallel an den Gleichspannungsanschluss angeschlossen. Ein Verbindungspunkt, über den die Kondensatoren miteinander verbunden sind, ist konfigurierbar mit dem Verbindungspunkt der Dioden-Halbbrücke verbunden. Hierbei kann eine Kondensator-Verbindung als Konfigurationsverbindung vorgesehen sein. Diese ist insbesondere vorgesehen, wenn die Halbbrücken zum Anschluss an ein Einphasen-Dreileiternetz vorgesehen sind.
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Die Wechselstrom-Ladevorrichtung kann ferner einen Akkumulatoranschluss aufweisen. Der Gleichspannungsanschluss kann direkt mit dem Akkumulatoranschluss verbunden sein oder diesen ausbilden. Alternativ ist der Gleichspannungsanschluss der Ladevorrichtung über einen Gleichspannungswandler, etwa über einen Tiefsetzsteller oder Hochsetzsteller, mit dem Akkumulatoranschluss verbunden. Der Akkumulatoranschluss ist zum Anschluss an einen Akkumulator ausgebildet. Mit anderen Worten kann ein Fahrzeugbordnetz vorgesehen sein, das die hier beschriebene Ladevorrichtung umfasst, und bei der der Gleichspannungsanschluss direkt oder über einen Gleichspannungswandler mit dem Akkumulator des Fahrzeugbordnetzes verbunden ist.
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Die Konfigurationsverbindungen können wie erwähnt von fest verdrahteten Verbindungen vorgesehen sein, beispielsweise Steckbrücken oder Ähnliches, insbesondere Steckbrücken, die in dem gleichen Steckverbindungskörper vorgesehen sind, in dem auch der Wechselspannungsanschluss vorgesehen ist. Alternativ können die Konfigurationsverbindungen steuerbar sein, das heißt mittels eines externen Schaltsignals einstellbar. Hierzu umfasst die betreffende Konfigurationsverbindung vorzugsweise einen Schalter wie einen elektromechanischen Schalter oder einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen Thyristor, einen TRIAC, einen MOSFET, einen IGBT, oder einen anderen Transistor.
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Die Halbbrücken werden durch eine Serienschaltung von zwei elektronischen Schaltern gebildet, insbesondere durch eine Serienschaltung von zwei Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs. Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die ansteuernd mit den steuerbaren Halbbrücken verbunden ist und eingerichtet ist, diese (alleine oder in Kombination) mit der Dioden-Halbbrücke als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter, aktiver Gleichrichter, Wechselrichter oder Ähnliches zu betreiben.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass sechs steuerbare Halbbrücken vorgesehen sind, wobei jeweils zwei miteinander (über die Serieninduktivitäten) verbunden sind. Die Verbindung ist insbesondere unabhängig von der Konfiguration. Zwei miteinander verbundene steuerbare Halbbrücken bilden ein Paar. Es kann vorgesehen sein, dass abhängig von der Konfiguration ein Paar mit einem weiteren Paar verbunden ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass abhängig von der Konfiguration ein Paar mit der Dioden-Halbbrücke verbunden ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verbindungspunkt der Dioden-Halbbrücke schalterfrei mit der Wechselstromschnittstelle und insbesondere mit dem Wechselstromanschluss verbunden ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Verbindungspunkt der Dioden-Halbbrücke einerseits und der Wechselstromschnittstelle bzw. dem Wechselstromanschluss andererseits keine Konfigurationsverbindung vorliegt, sondern unabhängig von der Konfiguration diese miteinander (fest) verbunden sind. Die Verbindung zwischen Dioden-Halbbrücke und Wechselstromanschluss ist somit konfigurationsunabhängig.
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Die 1 dient zur beispielhaften Erläuterung der hier beschriebenen Wechselstrom-Ladevorrichtung.
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In der 1 ist eine Wechselstrom-Ladevorrichtung dargestellt, die über einen optionalen Wandler W mit einem Akkumulator A verbunden ist. Die Wechselstrom-Ladevorrichtung umfasst eine Vielzahl steuerbarer Halbbrücken B0 bis B5 sowie eine Dioden-Halbbrücke DH. Diese Halbbrücken sind parallel miteinander verbunden, wobei ein Gleichspannungsanschluss DC+/DC- mit dieser Parallelschaltung der Halbbrücken verbunden ist.
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Jede Halbbrücke umfasst einen High-Side-Schalter und einen Lowside-Schalter. Die steuerbaren Halbbrücken umfassen die Highside-Schaltelemente 01, 11, 21, 31, 41, und umfassen ferner die LowSide-Schaltelemente mit den Bezugszeichen 02, 12, 22, 32, 42 und 52. Die Dioden-Halbbrücke umfasst die Diode D1 und D2 als Schaltelement. Im Gegensatz zu den Schaltelementen der steuerbaren Halbbrücken B0 bis B5 können die Schaltelemente, das heißt die Dioden D1 und D2, der Dioden-Halbbrücke nicht mittels eines äußeren Signals gesteuert werden. Jede Halbbrücke umfasst somit zwei Transistoren oder zwei Dioden, die über einen Verbindungspunkt VP bzw. VP1 miteinander verbunden sind.
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Beispielhaft dargestellt sind sechs steuerbare Halbbrücken B0 bis B6, wobei jeweils zwei (und somit ein Paar der steuerbaren Halbbrücken) miteinander verbunden sind, insbesondere unabhängig von der Konfiguration. Die Verbindung zwischen den Halbbrücken, die dem gleichen Paar angehören, kann als Verbindung außerhalb der Konfigurationsverbindungen betrachtet werden oder kann als ein Teil der Konfigurationsverbindungen betrachtet werden, das jedoch in mehreren oder allen Konfigurationen auftritt bzw. Teil mehrerer verschiedener oder aller Konfigurationsverbindungen ist.
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Die Verbindungspunkte VP der steuerbaren Halbbrücken B0 bis B5 sind über jeweilige Serieninduktivitäten I1 bis I6 mit einer Wechselstromschnittstelle WS verbunden. An dieser Wechselstromschnittstelle WS sind die Induktivitäten I1 und I2 der Brückenbindungen B1 miteinander verbunden, sind die Induktivitäten I3 und I4 der Brücken B2 und B3 miteinander verbunden, und die Induktivitäten I5 und I6 der Brücken B4 und B5 miteinander verbunden. Mit anderen Worten wird jeder Verbindungspunkt der steuerbaren Halbbrücken über eine jeweilige, individuelle Serieninduktivität I1 bis I6 zu einer Wechselstromschnittstelle herausgeführt. An dieser können wie dargestellt beispielsweise jeweils zwei steuerbare Halbbrücken miteinander verbunden sein. Durch diese Verbindung ergibt sich eine Gruppierung. Jedes Paar der steuerbaren Halbbrücken bildet so eine eigene Phase PH1 bis PH3 an der Wechselstromschnittstelle WS. An die Phasen PH1, PH2 und PH3 können beispielsweise drei Phasenanschlüsse L1, L2 und L3 angeschlossen sein. Eine vierte Phase PH4 an der Wechselstromschnittstelle WS ist mit dem Verbindungspunkt VP1 der Dioden-Halbbrücke DH verbunden.
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Es ist ersichtlich, dass über die Schalter S1, S1' und S2 Halbbrücken miteinander gruppiert werden können, wobei diese Schalter zur Konfiguration dienen. Die Dioden-Halbbrücke DH umfasst einen Verbindungspunkt VP1, der (ohne Serieninduktivität) zur Wechselstromschnittstelle herausgeführt ist und mit einer Phase PH4 verbunden ist. Anstatt von (steuerbaren) Schaltern können konfigurierbare bzw. lösbare festverdrahtete Verbindungen vorgesehen sein.
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In einer ersten Konfiguration ist die Dioden-Halbbrücke DH bzw. deren Verbindungspunkt VP1 mit den steuerbaren Halbbrücken B4 und B5 (über deren Serieninduktivitäten I5 und 16) verbunden und somit zusammen mit diesen gruppiert. Die dazugehörige erste Konfigurationsverbindung S1, durch die sich diese Gruppierung ergibt, ist durch einen Schalter dargestellt. In dieser Konfiguration ist auch eine Konfigurationsverbindung S2 vorgesehen, die als Schalter dargestellt ist, und die die verbleibenden steuerbaren Halbbrücken B0 bis B3 (über die zugehörigen Serieninduktivitäten I1 bis I4) miteinander verbindet. Es ergibt sich ein Wechselstromanschluss WA mit (nicht dargestellten) zwei Kontakten, von denen einer mit PH1 oder PH2 verbunden ist und der andere mit PH3 oder PH4 verbunden ist. Mit anderen Worten können die Kontakte an die Stellen der dargestellten Anschlüsse L1, L2 einerseits und L3, N und N' andererseits angeschlossen werden (an die Stelle L3 nur dann, wenn S1' geschlossen ist bzw. hergestellt ist). An diese beiden Kontakte des Wechselstromanschlusses kann zum einen ein Neutralleiter und eine Phase angeschlossen werden; hierbei kann etwa an N oder N' ein Neutralleiter bzw. ein Neutralleiterkontakt angeschlossen sein und an L1 oder L2 kann eine Phase bzw. eine Phasenkontakt angeschlossen sein. Dadurch kann ein Fahrzeug geladen werden, etwa mit einem Versorgungsnetz wie es in Europa vorliegt. Andererseits kann in der gleichen Konfiguration mit einem Einphasen-Dreileiternetz geladen werden, beispielsweise mit einer ersten Phase an den Anschluss L1 und L2 und eine andere Phase an den Anschluss N oder N'. Dadurch kann auch ein Versorgungsnetz, wie es beispielsweise in den USA vorliegt, verwendet werden.
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In beiden Fällen ergibt sich eine unidirektionale Ladevorrichtung, wobei nur eine der Halbbrückengruppen (nämlich die Gruppe mit den Halbbrücken B0 bis B3) steuerbar ist, während die Dioden-Halbbrücke DH zwar nicht steuerbar ist, jedoch die Halbbrücken B4 und B5 der zweiten Halbbrückengruppe (umfassend B4, B5 und DH) steuerbar sind. Es ergibt sich eine B2C-Konfiguration, wobei die Steuerbarkeit der steuerbaren Halbbrücken dazu verwendet werden kann, den Leistungsfaktor zu verbessern oder Oberschwingungen zu verringern.
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In einer zweiten Konfiguration wird eine Halbbrückengruppe von der Dioden-Halbbrücke DH alleine gebildet. Hierbei ist die Konfigurationsverbindung S1 geöffnet bzw. nicht vorhanden; bei einer Ausbildung als Schalter ist dieser geöffnet. Die zweite Halbbrückengruppe wird gebildet von vorzugsweise allen steuerbaren Halbbrücken B0 bis B5, wobei die Phasen P1 bis P3 miteinander verbunden sind (und mit einem Kontakt verbunden sind), während die Phase PH4, die nur mit dem Verbindungspunkt VP1 der Dioden-Halbbrücke verbunden ist, mit einem zweiten Kontakt verbunden ist. Die beiden Kontakte sind Kontakte eines Wechselstromanschlusses WA. Dieser ist mit zwei Phasenkontakten ausgebildet, etwa für zwei Phasen eines Einphasen-Dreileiternetzes, oder ist als ein Neutralleiterkontakt und ein Phasenkontakt für ein einphasiges Wechselstromversorgungsnetzes, wie es in Europa als Versorgungsnetz in Gebäuden vorgesehen ist. Es ergibt sich eine B2H-Vollbrückenschaltung, bei der nur eine Seite der Vollbrücke gesteuert ist, nämlich diejenige, die von der Halbbrückengruppe mit den Halbbrücken B0 bis B5 gebildet wird. Die andere Seite der Vollbrücke, das heißt die zweite Halbbrückengruppe, wird gebildet von der Dioden-Halbbrücke DH. Es ergibt sich eine höhere Stromtragfähigkeit, da die Hälfte des Stroms von der Dioden-Halbbrücke DH getragen wird, während alle steuerbaren Halbbrücken zusammen im restlichen Leistungspfad die B2H-Brücke bilden. Die mangelnde Steuerbarkeit der Dioden-Halbbrücke DH kann sich negativ auf den Leistungsfaktor bzw. auf Oberwellen auswirken, jedoch ist dies zugunsten einer höheren Stromtragfähigkeit.
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In einer dritten Konfiguration werden die Kontakte L1 bis L3 als drei Phasen eines Drehstromnetzes bzw. Drehstrom-Wechselstromanschlusses verwendet. Hierbei ist der Schalter S1 geöffnet bzw. die Konfigurationsverbindung S1 besteht nicht; vielmehr besteht eine Verbindung S1' zwischen den Halbbrücken B4 und B5 einerseits und dem Anschluss L3 andererseits. Eine Konfigurationsverbindung wie sie mit S2 dargestellt ist, besteht hierbei nicht. Es ergeben sich drei Paare von jeweils zwei Halbbrücken und somit eine erste Halbbrückengruppe B0, B1, eine zweite Halbbrückengruppe B2, B3 und eine dritte Halbbrückengruppe B4 und B5. Jede dieser Gruppen ist mit einer Phase bzw. mit einem Phasenkontakt des betreffenden Drehstromanschlusses WA verbunden. Die Dioden-Halbbrücke DH kann mit einem Neutralleiter N verbunden sein. Da die Anschlüsse L1 bis L3 ausschließlich mit steuerbaren Halbbrücken verbunden sind, kann die Ladevorrichtung auch mit einer Rückspeisefunktion vorgesehen sein, das heißt die Ladevorrichtung kann bidirektional ausgestaltet sein. Hierbei arbeiten im Rückspeisemodus die Brücken B0 bis B5 als mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger Wechselrichter, während sie im Lademodus als dreiphasiger Gleichrichter arbeiten. Die steuerbaren Halbbrücken bilden somit eine B6C-Brücke.
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Es kann eine Steuerung vorgesehen sein, die die einzelnen steuerbaren Halbleiter ansteuert, um diese beiden Betriebsmodi (d.h. Laden und Rückspeisen) vorzusehen. Im Gegensatz zu der ersten und der zweiten Konfiguration, in der die Ladevorrichtung unidirektional ausgebildet ist, kann somit in der dritten Konfiguration durch die Rückspeisefähigkeit eine bidirektionale Wechselstromvorrichtung vorgesehen sein, etwa auch um den Akkumulator A zu einem Versorgungsnetz über den Wechselstromanschluss WA hin zu entladen.
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Es sei bemerkt, dass in den ersten beiden Konfigurationen der Schalter S3 bzw. die betreffende Konfigurationsverbindung geschlossen sein kann. Dies ist insbesondere der Fall, wenn auch die Halbbrücken B2 und B3 etwa über die zweite Konfigurationsverbindung L2 mit einem Phasenkontakt des Wechselstromanschlusses verbunden sind. Der Schalter S3 verbindet hierbei den Verbindungspunkt VP1 der Dioden-Halbbrücke DH mit einem Verbindungspunkt VP2 einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren, K1, K2, die parallel mit der Parallelschaltung verbunden ist. Die Kondensatoren K1 und K2 bilden hierbei den Zwischenkreiskondensator. Auch bei einer Konfiguration, bei der die Dioden-Halbbrücke DH mit einem Phasenkontakt des Wechselstromanschlusses verbunden ist, während die steuerbaren Halbbrücken mit einem anderen Phasenkontakt des Wechselstromanschlusses WA verbunden sind, das heißt bei nicht bestehender ersten Konfigurationsverbindung S1, besteht die Konfigurationsverbindung S3 (zwischen der Dioden-Halbbrücke DH und der Kondensatorserienschaltung K1, K2) . Es lassen sich durch die Serienschaltung der Kondensatoren K1 und K2 Ableitströme reduzieren.
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Umfasst der Wechselstromanschluss WA drei Phasenkontakte L1 bis L3, dann besteht eine Konfigurationsverbindung S1' zwischen dem dritten Phasenkontakt L3 und der zugehörigen Halbbrückengruppe B4, B5. Diese Konfigurationsverbindung besteht vorzugsweise nicht, wenn die erste Konfigurationsverbindung S1 besteht. Die Verbindungen S1' und S1 sind somit wechselseitig vorhanden, jedoch nicht gleichzeitig.
