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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. Auch Akkumulatoren haben eine Spannung, die sich mit dem Ladezustand ändert. Es ergeben sich daher bei unterschiedlichen Versorgungsnetzen, die sich hinsichtlich Nennspannung, Konfiguration oder Phasenanzahl unterscheiden können, unterschiedliche Spannungsniveaus, insbesondere aufgrund von variablen Klemmenspannungen von Akkumulatoren. Dies erfordert bei unterschiedlichen Spannungskonstellationen Anpassungen der Ladeschaltung.
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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 den Gegenstand 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 Wechselspannungs-Ladevorrichtung vorgeschlagen, bei der ein Gleichspannungswandler auf einen Gleichrichter folgt, welcher mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden ist. Der Gleichspannungswandler ist über einen Umschalter derart in die Ladevorrichtung eingebunden, dass mittels des Umschalters wählbar ist, welche Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Gleichrichter verbunden wird. Ist eine erste Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Gleichrichter verbunden, dann kann der Gleichrichter dazu verwendet werden, ein Spannungsniveau an einer Gleichspannungsseite des Gleichrichters, etwa an einem Zwischenkreis, an ein Spannungsniveau eines Akkumulators anzupassen, der auf den Gleichspannungswandler folgt. Ist die andere Seite des Gleichspannungswandlers mit dem Gleichrichter verbunden, dann kann über den Gleichrichter der Akkumulator geladen werden (ohne dass die Leistung von der ersten Seite des Gleichspannungswandlers an die zweite Seite übertragen wird, um das Spannungsniveau anzupassen). Der Gleichrichter ist hierbei direkt mit dem Akkumulator bzw. mit einem Akkumulatoranschluss der Ladevorrichtung verbunden, während der Gleichspannungswandler ebenso an den Akkumulatoranschluss angeschlossen ist.
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Der Gleichspannungswandler kann hierbei für eine aktive Gleichrichtung verwendet werden, etwa indem Schaltelemente des Gleichspannungswandlers den Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers aktiv (und abwechselnd, gemäß der Spannungswelligkeit) laden und entladen, um so eine Spannungsglättung am Akkumulatoranschluss zu bewirken. Im letztgenannten Fall wird der Gleichspannungswandler somit verwendet, um die Restwelligkeit der Spannung am Akkumulatoranschluss zu verringern. Hierbei wird über mindestens einen Schalter des Gleichspannungswandlers Energie übertragen zwischen dem Akkumulatoranschluss und einem Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers. Dadurch kann aktiv Ladung zwischen dem Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers und dem Akkumulatoranschluss bzw. dem Akkumulator ausgetauscht werden, sodass die Kapazität des Zwischenkreiskondensators als Glättungskapazität verwendet wird, wobei die Schalter des Gleichspannungswandlers dazu verwendet werden, den Zwischenkreiskondensator zu laden oder zu entladen. Dieses Laden und Entladen dient zur Verringerung einer Restwelligkeit am Akkumulatoranschluss. Eine weitere Bezeichnung für diese Vorgehensweise ist ein aktives DC-Filtern bzw. ein aktiver Tiefpass, bei dem Wechselkomponenten mittels des Zwischenkreiskondensators (an ein Referenzpotential) abgeleitet werden.
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Es wird daher eine Wechselspannungs-Ladevorrichtung mit einem Wechselspannungsanschluss, einem steuerbaren Gleichrichter, einem Gleichspannungswandler und einem Akkumulatoranschluss beschrieben. Der Wechselspannungsanschluss ist an den Gleichrichter angeschlossen. Der Wechselspannungsanschluss ist insbesondere an eine Wechselspannungsseite des Gleichrichters angeschlossen. Der Gleichrichter ist ein steuerbarer Gleichrichter. Der Gleichspannungswandler ist bidirektional, um zum einen zur Spannungsniveauanpassung Energie zwischen dem Gleichrichter und dem Akkumulatoranschluss spannungswandelnd zu übertragen, und zum anderen um Ladung zwischen dem Akkumulatoranschluss und einem Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers (zur Spannungsglättung) übertragen zu können.
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Der Gleichspannungswandler weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf. Die erste Seite kann als Eingang und die zweite Seite kann als Ausgang betrachtet werden, insbesondere wenn spannungswandelnd Leistung von dem Gleichrichter an den Akkumulatoranschluss übertragen wird. Die erste Seite des Gleichspannungswandlers weist einen Zwischenkreiskondensator auf. Dieser ist mit dem Gleichrichter verbunden, insbesondere mit dessen Gleichspannungsseite, wenn Leistung vom Gleichrichter an den Akkumulatoranschluss (spannungswandelnd) übertragen wird. Dies entspricht insbesondere dem Wandlermodus. Ist der Gleichrichter mit der zweiten Seite verbunden, so wird Energie an diesen Zwischenkreiskondensator der ersten Seite übertragen, und umgekehrt. In gewisser Weise ist in diesem Fall die zweite Seite der Eingang, wenn der Zwischenkreiskondensator geladen wird, und entspricht einem Ausgang, wenn der Zwischenkreiskondensator entladen wird. Schalter des Gleichspannungswandlers steuern hierbei den Stromfluss zwischen dem Akkumulatoranschluss bzw. den damit verbundenen Gleichrichter und dem Zwischenkreiskondensator. Die Stromflussrichtung wechselt sich mit einzelnen Halbwellen des Spannungsrippels am Akkumulatoranschluss.
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Die Wechselspannungs-Ladevorrichtung umfasst einen Umschalter, insbesondere um die genannten Modi einzustellen. Der Umschalter verbindet auswählbar den Gleichrichter mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers, insbesondere wenn der Gleichspannungswandler zur Spannungsniveauanpassung verwendet wird, oder verbindet den Gleichrichter mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers, um dessen Zwischenkreiskondensator über die Schalter des Gleichspannungswandlers (aktiv) nutzen zu können.
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Der Gleichspannungswandler weist wie erwähnt eine erste Seite auf, die einen Zwischenkreiskondensator umfasst. Diese kann parallel zu einer Reihenschaltung von beispielsweise zwei Schaltern bzw. Transistoren des Gleichspannungswandlers angeschlossen sein. Die Schalter bzw. Transistoren des Gleichspannungswandlers weisen einen Verknüpfungspunkt auf, an den eine Serieninduktivität angeschlossen ist. Das nicht mit den Schaltern des Gleichspannungswandlers verbundene Ende der Serieninduktivität bildet die zweite Seite. Alternativ kann eine Serieninduktivität des Gleichspannungswandlers als zweite Seite des Gleichspannungswandlers betrachtet werden.
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Insbesondere beim einphasigen Laden kann eine Anpassung des Gleichspannungsniveaus zwischen Gleichrichter und Akkumulatoranschluss nicht erforderlich sein. In diesem Fall ergibt sich jedoch ein hoher Glättungsaufwand, insbesondere im Vergleich mit einem mehrphasigen Betrieb des Gleichrichters. Dieser Glättungsaufwand wird erfüllt durch die Nutzung des Zwischenkreiskondensators des Gleichspannungswandlers, in dem der Gleichrichter mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Dadurch kann der Zwischenkreiskondensator aktiv, das heißt über die Schalter des Gleichspannungswandlers als Stellglied, zum Glätten verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, dass das Spannungsniveau am Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers höher ist als die Spannung am Akkumulatoranschluss, sodass der Zwischenkreiskondensator (als Glättungskondensator) bei einer höheren Spannung betrieben wird. Dadurch kann eine höhere Menge an Energie im Zwischenkreiskondensator gespeichert werden, da der speicherbare Energiegehalt in einem Kondensator mit dessen Spannung steigt.
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Der Umschalter weist somit einen ersten Kontakt auf, der mit dem Gleichrichter verbunden ist, sowie einen zweiten und einen dritten Kontakt. Der Umschalter weist in einer ersten Schalterstellung eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt auf und in einer zweiten Schalterstellung eine Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten Kontakt (nicht jedoch mit dem zweiten Kontakt) . Der Umschalter kann mittels eines mechanischen Schalters oder mittels Halbleiterschalter realisiert sein.
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Der Gleichspannungswandler kann als Tiefsetzsteller ausgestaltet sein, wobei dies für eine Betrachtungsweise gilt, bei der die erste Seite als Eingang und zweite Seite als Ausgang betrachtet wird. Mit anderen Worten kann der Gleichspannungswandler als Abwärtswandler bzw. als Buck-Wandler ausgebildet sein. Der Gleichspannungswandler kann insbesondere als Synchronwandler ausgebildet sein. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler eingerichtet sein, als Tiefsetzsteller zu arbeiten, wenn Leistung in die erste Seite des Gleichspannungswandlers fließt, und als Hochsetzsteller zu arbeiten, wenn Leistung in die erste Seite des Gleichspannungswandlers fließt. In einem Lademodus kann der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller betrieben werden. In einem Glättungsmodus kann der Gleichspannungswandler abwechselnd als Tiefsetzsteller und als Hochsetzsteller betrieben werden, abhängig von der Leistungsübertragungsrichtung des Gleichspannungswandlers.
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Der Gleichspannungswandler kann zwei seriell miteinander verbundene steuerbare Schalter aufweisen, wobei an dem sich ergebenden Zwischenpunkt eine Serieninduktivität angeschlossen ist. Die erste Seite entspricht der Serienschaltung der beiden steuerbaren Schalter, insbesondere dem Zwischenkreiskondensator, der Serienschaltung der Schalter angeschlossen ist. Die zweite Seite wird gebildet von der Induktivität bzw. von dem Anschluss der Serieninduktivität, die von den Schaltern abgewandt ist. Die Schalter des Gleichspannungswandlers sind vorzugsweise Transistoren wie IGBTs oder MOSFETs.
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Der steuerbare Gleichrichter ist vorzugsweise als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet, beispielsweise als Vienna-Gleichrichter. Der steuerbare Gleichrichter weist somit mindestens eine Halbbrücke auf, die mindestens einen steuerbaren Schalter aufweist. Vorzugsweise umfasst der steuerbare Gleichrichter eine oder mehrere Halbbrücken, die jeweils zwei in Reihe miteinander verbundene steuerbare Schalter (wie Transistoren, beispielsweise IGBTs oder MOSFETs) aufweist. Der oder die Verbindungspunkte zwischen den steuerbaren Schaltern der Halbbrücke oder Halbbrücken ist bzw. sind mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden, vorzugsweise über eine Serieninduktivität. Der steuerbare Gleichrichter kann beispielsweise als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter (aktiver PFC) ausgebildet sein. Insbesondere weist der steuerbare Gleichrichter eine Hochsetzfunktion auf. Als Hochsetzfunktion wird die Eigenschaft bezeichnet, eine gleichgerichtete Spannung abgeben zu können, deren Spitzenwert über dem Amplitudenwert der Wechselspannung liegt, die an dem Gleichrichter anliegt.
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Der steuerbare Gleichrichter kann einphasig oder mehrphasig ausgestaltet sein. Hierbei kann der Gleichrichter ein oder mehrere Phasenanschüsse aufweisen, die zum Wechselspannungsanschluss geführt werden. Ein einphasiger steuerbarer Gleichrichter umfasst hierbei eine Halbbrücke, die mit einem Phasenkontakt des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist. Ein mehrphasiger steuerbarer Gleichrichter umfasst mehrere Halbbrücken, die vorzugsweise über eine jeweilige Serieninduktivität mit verschiedenen Phasenanschlüssen bzw. Phasenkontakten des Wechselspannungsanschlusses verbunden sind. Als Anteil der Phasen wird insbesondere die Anzahl der Halbbrücken bezeichnet, die (etwa über Serieninduktivitäten) mit dem Wechselspannungsanschluss bzw. dessen Phasenkontakten verbunden sind. Der steuerbare Gleichrichter kann insbesondere dreiphasig ausgestaltet sein.
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Der steuerbare Gleichrichter kann über mindestens eine Serieninduktivität verfügen, über die der Gleichrichter mit Phasenkontakten des Wechselspannungsanschlusses verbunden ist. Mit anderen Worten bildet das mindestens eine Ende der mindestens einen Serieninduktivität einen Verbindungspunkt zu einem oder mehreren Kontakten des Wechselspannungsanschlusses. Die mindestens eine Serieninduktivität führt zu mindestens einer Halbbrücke des Gleichrichters. Die Halbbrücke kann mittels Dioden oder mittels steuerbaren Schaltern wie Transistoren ausgebildet sein.
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Der steuerbare Gleichrichter kann eine ein- oder mehrphasige Gleichrichterbrückenschaltung aufweisen. Diese umfasst die genannten Halbbrücken. Die Gleichrichterbrückenschaltung ist über mindestens eine Serieninduktivität mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden. Die Gleichrichterbrückenschaltung ist beispielsweise als Diodenschaltung ausgebildet. Die Gleichrichterbrückenschaltung ist hierbei eine BnU-Schaltung, wobei n für die doppelte Anzahl der Phasen steht.
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Zudem kann die Ladevorrichtung darüber hinaus eine Dioden-Halbbrücke umfassen. Diese kann einen Zwischenpunkt aufweisen. Der Zwischenpunkt ist insbesondere der Punkt, über den die zwei Dioden der Dioden-Halbbrücke miteinander in Reihe verbunden sind. Der Zwischenpunkt kann hierbei mindestens über einen Halbleiterschalter mit der Gleichrichterbrückenschaltung verbunden sein. Für jede Halbbrücke der Gleichrichterbrückenschaltung besteht ein Halbleiterschalter, der die betreffende Halbbrücke mit dem Zwischenpunkt verbindet. Die Halbleiterschalter sind somit an der Seite der Dioden-Halbbrücke miteinander verbunden. Die Halbleiterschalter verbinden individuell den Zwischenpunkt der Dioden-Halbbrücke mit den Halbbrücken der Gleichrichterbrückenschaltung, insbesondere bei einer mehrphasigen Gleichrichterbrückenschaltung des aktiven Gleichrichters. Bei einem einphasigen Gleichrichter bzw. einer einphasigen Gleichrichterbrückenschaltung besteht ein Halbleiterschalter, der den Zwischenpunkt der Halbbrücke der Gleichrichterbrückenschaltung mit dem Zwischenpunkt der Dioden-Halbbrücke verbindet. Mittels der Halbleiterschalter kann der Gleichrichter aktiv gesteuert werden. Es ergibt sich ein aktiver Gleichrichter, auch wenn die Gleichrichterbrückenschaltung auch passiv sein kann, das heißt aus Dioden bestehen kann bzw. aus Schaltern, die nicht mittels eines Signals steuerbar sind.
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Der Gleichrichter kann ferner eine Kondensator-Serienschaltung aufweisen. Insbesondere kann die Kondensator-Serienschaltung eine Cy-Kondensatorschaltung sein. Die Kondensator-Serienschaltung ist eine Filterschaltung zum Glätten der Ausgangsspannung bzw. zum Verringern eines Abgleichstroms. Die Kondensator-Serienschaltung umfasst insbesondere zwei in Serie geschaltete Kondensatoren. Die Kondensator-Serienschaltung ist mit der ersten Seite des Gleichschaltungswandlers parallel verbunden. Insbesondere ist die Kondensator-Serienschaltung des Gleichrichters über den Umschalter mit dem Gleichspannungswandler verbunden. Die Kondensator-Serienschaltung ist parallel an die Gleichspannungsseite des Gleichrichters angeschlossen. Insbesondere ist die Kondensator-Serienschaltung parallel zu der Gleichspannungsseite des Gleichrichters angeschlossen, insbesondere parallel zu der Dioden-Halbbrücke bzw. zu den Halbbrücken der Gleichrichterbrückenschaltung des Gleichrichters. Ein Zwischenpunkt der Kondensator-Serienschaltung ist mit dem Zwischenpunkt der Dioden-Halbbrücke des Gleichrichters verbunden, insbesondere über einen Schalter. Dieser Schalter kann als Filterschalter bezeichnet werden, da über diesen der Zwischenpunkt der Kondensatorserienschaltung angeschlossen wird, wodurch sich eine Filterwirkung ergibt. Der Schalter ist geschlossen, wenn einphasig geladen wird und kann ansonsten geöffnet sein. Alternativ ist der Schalter geschlossen, wenn ein Neutralleiterkontakt angeschlossen ist und kann ansonsten geöffnet sein. Über den Schalter sind die Zwischenpunkte der Dioden-Halbbrücke und der Kondensator-Serienschaltung miteinander verbunden. Die Kondensator-Serienschaltung kann auch als Filterschaltung oder als (kapazitive) Entstörschaltung bezeichnet werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Neutralleiterkontakt des Wechselstromanschlusses mit dem Zwischenpunkt der Kondensator-Serienschaltung verbunden ist. Mit anderen Worten ist der Neutralleiterkontakt des Wechselstromanschlusses über den letztgenannten Schalter mit dem Zwischenpunkt der Kondensator-Serienschaltung (des Gleichrichters) verbunden. Über den Neutralleiterkontakt können Ableitströme geführt werden; die Kondensator-Serienschaltung arbeitet hierbei als Cy-Kondensatorschaltung.
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Die Wechselspannungs-Ladevorrichtung kann eine Steuerung aufweisen. Diese ist ansteuernd mit dem Umschalter verbunden. Vorzugsweise ist diese auch mit dem Gleichspannungswandler verbunden, insbesondere mit dessen steuerbaren Schaltern bzw. Transistoren. Die Steuerung ist für einen Glättungsmodus sowie für einen Wandlermodus ausgestaltet. Im Glättungsmodus dient der Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers zum Glätten der Spannung, die von dem Gleichrichter abgegeben wird. Hierbei wird über Schalter des Gleichspannungswandlers Energie zwischen dem Akkumulatoranschluss und dem Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers übertragen (mit alternierender Übertragungsrichtung). Im Wandlermodus wird der Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Gleichspannung verwendet, nämlich der Spannung, die von dem Gleichrichter abgegeben wird, um die gewandelte Spannung an den Akkumulatoranschluss abzugeben.
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Die Steuerung ist eingerichtet, in einem Glättungsmodus den Schalter in einem Schaltzustand vorzusehen, in dem dieser die Gleichrichter mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers verbindet. Im Glättungsmodus ist die Steuerung ferner eingerichtet, den Gleichspannungswandler als einen aktiven Gleichspannungsfilter zu betreiben. Hierbei ist die Steuerung eingerichtet, mittels der Schalter des Gleichspannungswandlers und ggf. mittels der Serieninduktivität des Gleichspannungswandlers zum Glätten der Spannung am Akkumulatoranschluss Leistung zwischen dem Akkumulatoranschluss (bzw. dem Ausgang des Gleichrichters) und dem Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungswandlers hin- und herpendeln zu lassen. Im Glättungsmodus ist der Gleichrichter, das heißt dessen Gleichspannungsseite, über den Umschalter mit dem Akkumulatoranschluss verbunden.
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Die Steuerung ist in dem Wandlermodus eingerichtet, den Umschalter in einem Schaltzustand vorzusehen, in dem dieser den Gleichrichter mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbindet. Die Steuerung ist eingerichtet, in dem Wandlermodus den Gleichspannungswandler als einen Tiefsetzsteller zu betreiben, insbesondere als Synchronwandler. In dem Wandlermodus ist die Steuerung eingerichtet, den Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Spannung von der ersten Seite zur zweiten Seite des Gleichspannungswandlers zu betreiben.
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Mit anderen Worten ist die Steuerung eingerichtet, in dem Wandlermodus eine Leistungsübertragung von der ersten Seite zur zweiten Seite des Gleichspannungswandlers vorzusehen, insbesondere unter der Wandlung der Gleichspannung. Die Steuerung ist eingerichtet, in dem Glättungsmodus die hierzu entgegengesetzte Leistungsübertragungsrichtung zuzulassen. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet, abhängig vom Phasenwinkel der Spannung am Akkumulatoranschluss (das heißt abhängig vom Phasenwinkel der gleichgerichteten, pulsierenden Gleichspannung) die Leistungsübertragungsrichtung zu wechseln, um so abwechselnd den Zwischenkreiskondensator zu laden und wieder zu entladen. Die Steuerung ist eingerichtet, im Glättungsmodus die Leistungsflussrichtung des Gleichspannungswandlers mit dergleichen Frequenz zu verändern, mit der sich die Halbwellen unterschiedlicher Polarität am Wechselspannungsanschluss abwechseln. Im Wandlermodus ist die Leistungsübertragungsvorrichtung des Gleichspannungswandlers vorzugsweise konstant. In einem Lademodus als Untermodus des Wandlermodus wird Leistung von der ersten Seite zur zweiten Seite übertragen (und nicht umgekehrt) . In einem Rückspeisemodus als ein Untermodus des Wandlermodus wird Leistung in umgekehrter Richtung, das heißt von der zweiten Seite zur ersten Seite des Gleichspannungswandlers übertragen.
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Die Gleichrichterbrückenschaltung ist insbesondere als Dioden-Gleichrichterbrückenschaltung ausgebildet. Die Dioden-Halbbrücke ist zudem ebenso mittels einer Reihenschaltung von zwei Dioden realisierbar. Der mindestens eine Halbleiterschalter, der die Dioden-Halbbrücke (bzw. dessen Zwischenpunkt) mit der Gleichrichterbrückenschaltung verbindet, ist vorzugsweise ein Siliciumcarbid, Halbleiterschalter, insbesondere ein MOSFET.
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Der Gleichspannungswandler umfasst vorzugsweise eine Serienschaltung aus zwei Transistoren, wobei diese Reihenschaltung parallel zu dem Zwischenkreiskondensator angeschlossen ist. Der Zwischenpunkt zwischen den beiden Transistoren dient zum Anschluss der Serieninduktivität des Spannungswandlers (der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers). Die Transistoren sind vorzugsweise als Siliciumcarbid-Transistoren ausgebildet, beispielsweise als Siliciumcarbid-MOSFETs.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeugbordnetz mit einer beispielhaften Wechselspannungs-Ladevorrichtung zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Ladevorrichtung.
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In der 1 ist ein Gleichrichter GR dargestellt, der über einen Umschalter U und einen darauffolgenden Gleichspannungswandler GW mit einem Akkumulatoranschluss DC+, DC- verbunden ist. An den Gleichspannungsanschluss, der durch die Kontakte DC+, DC-markiert ist, kann ein Akkumulator A angeschlossen werden. Der Akkumulator A ist insbesondere nicht Teil der Ladevorrichtung, vielmehr endet die Ladevorrichtung mit den Kontakten DC+, DC- des Akkumulatoranschlusses.
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Ein Wechselstromanschluss WA ist mit einer Wechselspannungsseite des Gleichrichters GR verbunden. Die entsprechende Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR ist über den Umschalter U entweder direkt mit dem Akkumulatoranschluss DC+ verbunden, oder mit einer ersten Seite S1 des Gleichspannungswandlers GW. Die Seite des Gleichspannungswandlers GW, die mit dem Akkumulatoranschluss DC+, DC- verbunden ist, wird auch als zweite Seite S2 bezeichnet. Sofern die erste Seite S1 mit einem Eingang und die zweite Seite S2 mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers GW bezeichnet wird, dann kann mit der Schalterstellung des Umschalters ausgewählt werden, ob der Gleichrichter bzw. dessen Gleichspannungsseite mit dem Eingang oder mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers GW verbunden ist. Wie jedoch vorangehend erläutert, kann die zweite Seite S2 des Gleichspannungswandlers GW auch zur Aufnahme von Leistung dienen, sodass die Bezeichnung als Ausgang nicht gerechtfertigt ist. Vielmehr ist die zweite Seite S2 insbesondere nur dann ein Ausgang, wenn über den Gleichspannungswandler GW Leistung an den Akkumulatoranschluss DC+, DC- übertragen wird, insbesondere im Wandlermodus.
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Der Gleichrichter GR ist ein aktiver Gleichrichter. Der Gleichrichter GR umfasst eine Gleichrichterbrückenschaltung B1 bis B3, wobei jede der Halbbrücken B1 bis B3 eine Reihenschaltung von zwei Dioden umfasst. Die Dioden 01 und 02 stellen die Halbbrückenschaltung B1 dar. Die Dioden 11 und 12 stellen die Halbbrückenschaltung B2 dar. Die Dioden 21 und 22 stellen die Halbbrücke B3 dar. Die beiden Dioden jeder Halbbrücke B1 bis B3 sind über einen Verbindungspunkt VP miteinander verbunden. An diesem Verbindungspunkt VP ist der Wechselspannungsanschluss WA angeschlossen, nämlich über die Serieninduktivitäten I1 bis 13. Der Wechselspannungsanschluss WA umfasst drei Phasenkontakte L1 bis L3, die die Phasen PH1 bis PH3 bilden. Die Phasenkontakte L1 bis L3 des Wechselspannungsanschlusses WA sind über jeweilige Serieninduktivitäten I1 bis I3 mit dem Verbindungspunkt VP, das heißt mit der Wechselspannungsseite der Gleichrichterbrückenschaltung B1 bis B3, verbunden. Weiterhin ist ein Neutralleiteranschluss N3 innerhalb des Wechselspannungsanschlusses WA vorgesehen. Dieser ist direkt mit dem verbleibenden Gleichrichter GR verbunden, insbesondere ohne eine Serieninduktivität.
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Der Gleichrichter GR weist ferner eine Dioden-Halbbrücke DH auf. Diese umfasst die Dioden D1 und D2, die in Reihe miteinander verbunden sind. Die Dioden D1 und D2 sind über einen Verbindungspunkt ZP miteinander verbunden. Der Verbindungspunkt der Dioden-Halbbrücke ist über Halbleiterschalter HS1 bis HS3 mit den jeweiligen Verbindungspunkten der Halbbrücken der Gleichrichterbrückenschaltung B1 bis B3 verbunden. Mit anderen Worten sind die Verbindungspunkte VP der Halbbrücken B1 bis B3 individuell über einzelne Halbleiterschalter HS1 bis HS3 mit dem gleichen Punkt verbunden, nämlich mit dem Verbindungspunkt der Dioden D1 und D2 der Dioden-Halbbrücke. Über die Halbleiterschalter HS1 bis HS3 kann der Gleichrichter GR gesteuert werden.
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Der Gleichrichter GR umfasst ferner eine Kondensator-Serienschaltung der Kondensatoren K1 und K3. Diese sind (wie auch die Dioden-Halbbrücke und die Halbbrücken B1 bis B3 der Gleichrichterbrückenschaltung) mit der Gleichspannungsseite verbunden, insbesondere in paralleler Weise. Die Kondensatoren-Serienschaltung umfasst die beiden Kondensatoren K1 und K2, wie über einen Zwischenpunkt KP miteinander verbunden sind. Ein Schalter FS verbindet den Zwischenpunkt KP der Kondensator-Serienschaltung mit dem Zwischenpunkt ZP der Dioden-Halbbrücke. Die Kondensatoren K1 und K2 bilden Cy-Kondensatoren. Der Neutralleiter N ist mit dem Zwischenpunkt KP der Kondensator-Serienschaltung verbunden, insbesondere über den Schalter FS. Der Schalter F2 ist geschlossen, wenn der Neutralleiterkontakt N des Wechselspannungsanschlusses WA belegt ist.
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Der Gleichspannungswandler GW verfügt über einen Zwischenkreiskondensator ZK an der ersten Seite S1. Der Gleichspannungswandler GW verfügt ferner über zwei Transistoren T1 und T2, die in Serie miteinander verbunden sind. Die Transistoren T1 und T2 sind über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden, an dem eine Induktivität L angeschlossen ist. Die Induktivität L bzw. deren Anschluss, die von den Transistoren T1, T2 abgewandt ist, bildet die zweite Seite S2 des Gleichspannungswandlers GW.
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Ist wie dargestellt der Umschalter U in einer Position, in der der Gleichrichter mit der zweiten Seite S2 des Gleichspannungswandlers GW verbunden ist, dann kann über die Induktivität L (des Gleichspannungswandlers GW) und die Transistoren T1 und T2 der Zwischenkreiskondensator ZK zur Glättung der Spannung am Akkumulatoranschluss DC+, DC- herangezogen werden. Dies entspricht dem Glättungsmodus.
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Befindet sich der Umschalter U in der anderen Schalterstellung, dann ist die erste Seite S1 des Gleichspannungswandlers GW mit dem Gleichrichter GR verbunden. In diesem Fall ist die zweite Seite S2 des Gleichspannungswandlers nur mit dem Akkumulatoranschluss DC+, DC- verbunden. In diesem Fall wird der Gleichspannungswandler GW zur Übertragung von Leistung zwischen dem Akkumulatoranschluss DC+, DC- einerseits und dem Gleichrichter GR verwendet, insbesondere um den Akkumulator A aufzuladen. Dies entspricht dem Wandlermodus. Hierbei wird der Gleichspannungswandler GW insbesondere als Tiefsetzsteller betrieben.
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Es ist zu erkennen, dass im dargestellten Schaltzustand der Umschalter den Gleichrichter GR mit der zweiten Seite S2 des Gleichspannungswandlers GW befindet. Eine andere Formulierung für das Merkmal, demgemäß der Gleichrichter GR mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist, wäre beispielsweise die Formulierung, dass der Akkumulatoranschluss DC+, DC- mit dem Gleichrichter (direkt und insbesondere nicht über den Gleichspannungswandler) verbunden ist. Mit anderen Worten verbindet hierbei der Umschalter in diesem Schaltzustand den Gleichrichter mit dem Akkumulatoranschluss DC+, DC- sowie mit der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers.
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In dem anderen, nicht dargestellten Schaltzustand verbindet der Umschalter den Gleichrichter GR mit der ersten Seite S1 des Gleichspannungswandlers, jedoch nicht mit dem Akkumulatoranschluss DC+, DC-. Im letztgenannten Fall ist der Gleichrichter über den Gleichspannungswandler GW mit dem Akkumulatoranschluss DC+, DC- verbunden.
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Eine Steuerung C ist, wie symbolhaft dargestellt, ansteuernd mit dem Umschalter U verbunden, sowie auch mit den Halbleiterschaltern HS1 bis HS3 sowie dem Schalter FS und ggf. auch mit den Schaltern T1 und T2. Die Steuerung kann hierbei ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Für den Gleichrichter und für den Gleichspannungswandler können verschiedene Steuereinheiten verwendet werden; insbesondere kann zur Steuerung der Schalter U und FS eine andere Steuerschaltung verwendet werden als zur Steuerung der Schalter T1, T2 sowie HS1 bis HS3. Letztendlich ist jedoch die Strukturierung der Steuerung C nicht ausschlaggebend, sodass die vorangegangene beispielhafte Einteilung nur als eine von vielen Ausführungsformen zu sehen ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung C einen Eingang aufweist, der die Spannung am Akkumulatoranschluss DC+, DC- sowie die gleichgerichtete Spannung des Gleichrichters GR erfassen kann. Die Steuerung C kann abhängig von der Spannungsdifferenz entweder den Wandlermodus oder den Glättungsmodus einstellen. Stattdessen kann die Steuerung C auch einen Eingang aufweisen, an dem ein Signal empfangen werden kann, das den Modus konkret angibt.
