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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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Beim Anschluss eines Fahrzeugs an ein Wechselspannungnetz können mehrere elektrische Parameter variieren, die Einfluss auf Betriebsgrößen wie Spannung oder Leistung der Ladeschaltung haben. Diese variablen Parameter sind beispielsweise die Phasenanzahl, die von der Ausgestaltung des Wechselspannunganschlusses abhängt, sowie die Spannung bzw. Konfiguration des Wechselspannungnetzes, die regional variieren kann.
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Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der möglichst kostengünstig unterschiedlich ausgeprägte Wechselspannunganschlüsse zum Laden eines Fahrzeugs verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird eine fahrzeugseitige Ladeschaltung vorgeschlagen, bei der mehrere (galvanisch trennende) Gleichspannungswandler mittels einer einstellbaren Schaltervorrichtung parallel oder seriell miteinander verbunden werden können, um so die Ladeschaltung an die Ausprägung (etwa: ein- oder mehrphasig) des Anschlusses an ein Wechselspannungsnetz anpassen zu können. Ein Gleichrichter der Ladeschaltung ist einer Wechselspannungsschnittstelle der Ladeschaltung nachgeschaltet und richtet die an der Wechselspannungsschnittstelle anliegende Spannung gleich. Die gleichgerichtete Spannung (bzw. deren Spitzenwert) richtet sich nach der Phasenanzahl der Wechselspannungsschnittstelle. Bei einem 230 V - Netz und einer dreiphasigen Anschlusskonfiguration kann sich so eine gleichgerichtete Spannung ergeben, die über einer Grenz-Nennspannung liegt, die sich mit einer bestimmten Halbleitertechnologie erreichen lässt. Um für die Halbleiter der Gleichspannungswandler eine Grenz-Nennspannung vorzusehen, die nicht die verwendbaren Technologien beschränkt, kann in diesem Fall die Schaltervorrichtung die mehreren Gleichspannungswandler in Serie zueinander schalten. Dadurch teilt sich die Betriebsspannung für jeden Gleichspannungswandler durch deren Anzahl. Bei zwei Gleichspannungswandlern halbieren sich die Betriebsspannungen, mit denen die Halbleiter der Gleichspannungswandler jeweils arbeiten. Bei einem einphasigen Betrieb können die Gleichspannungswandler parallel geschaltet werden, um so eine Vervielfachung der Stromtragfähigkeit zu erreichen.
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Die fahrzeugseitige Ladeschaltung ist mit einer Wechselspannungsschnittstelle und einem daran angeschlossenen Gleichrichter ausgestattet. Die Wechselspannungsschnittstelle ist insbesondere ein Steckverbindungselement mit mehreren Kontakten. Der Gleichrichter weist die Funktion des Gleichrichtens auf, kann jedoch in einigen Ausführungsformen neben dieser Funktion auch weitere Funktionen wie Leistungsfaktorkorrektur oder Oberwellenfiltern aufweisen; insbesondere ist der Gleichrichter ein aktiver Gleichrichter. Der Gleichrichter weist eine Wechselspannungsseite auf. Mit dieser ist der Gleichrichter an der Wechselspannungsschnittstelle angeschlossen.
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Der Gleichrichter umfasst vorzugsweise für jeden Phasenkontakt der Wechselspannungsschnittstelle mindestens eine Halbbrücke (die steuerbar sein kann oder eine Diodenhalbbrücke sein kann) . Die Wechselspannungsschnittstelle kann einen Neutralleiterkontakt aufweisen. Dieser ist vorzugsweise mit einer (eigenen) Halbbrücke des Gleichrichters verbunden. Diese Halbbrücke unterscheidet sich von einer Halbbrücke, die mit einer Phase der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist und kann insbesondere eine Diodenhalbbrücke sein.
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Der Gleichrichter umfasst auch eine Gleichspannungsseite. An diese sind die Halbbrücken des Gleichrichters angeschlossen. Die Gleichspannungsseite umfasst insbesondere zwei Gleichspannungspotentiale oder -schienen. An diese sind die Halbbrücken angeschlossen (wobei hierbei insbesondere die beiden Enden der Halbbrücken an dieser Potentiale oder Schienen angeschlossen sind).
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An den Gleichrichter (bzw. an dessen Gleichspannungsseite) sind mehrere galvanisch trennende Gleichspannungswandler angeschlossen. Die Verbindungsart (parallel oder seriell), in der die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, ist einstellbar mittels einer Schaltervorrichtung. Die Schaltervorrichtung verbindet die Gleichspannungswandler untereinander in schaltbarer Weise. Unterschiedliche Schaltstellungen der Schaltervorrichtung sind mit unterschiedlichen Verbindungen des Gleichrichters einerseits und der Gleichspannungswandler andererseits verknüpft.
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Mittels der Schaltvorrichtung können die Gleichspannungswandler (insbesondere die Seite der Gleichspannungswandler, die den Zwischenkreiskondensator aufweist) wahlweise parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Insbesondere können mittels der Schaltvorrichtung die dem Gleichrichter zugewandten Seiten der Gleichspannungswandler einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Diese Seiten können den Eingangsseiten der Gleichspannungswandler entsprechen, insbesondere bei einem Ladevorgang. Bei einer Rückspeisung (d.h. bei bidirektionalen Gleichspannungswandlern) entsprechen die Seiten den Ausgängen der Gleichspannungswandler.
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Die Schaltvorrichtung erlaubt es, die Eingänge (insbesondere bezogen auf einen Ladevorgang) der Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander zu verbinden. Da die Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter verbunden sind, kann mittels der Schaltvorrichtung somit die Verbindungsart der Gleichspannungswandler mit dem Gleichrichter eingestellt werden. Bei einer seriellen Verbindung ergibt sich bei zwei Gleichspannungswandler die halbe Betriebsspannung (bezogen auf die gleichgerichtete Spannung), so dass die Schalterelemente als auch die Zwischenkreiskondensatoren nur gemäß dieser halben (bzw. durch die Anzahl der Wandler geteilten) Betriebsspannung ausgelegt sein müssen. Die Gleichspannungswandler weisen eine dem Gleichrichter zugewandte Seite auf. Diese Seiten der Gleichspannungswandler werden mittels der Schaltvorrichtung wahlweise bzw. schaltbar (oder einstellbar) parallel oder seriell miteinander verbunden. An diesen Seiten befinden sich die Zwischenkreiskondensatoren, die somit einstellbar parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dies gilt auch für die Schaltereinheiten der Gleichspannungswandler.
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Der Gleichrichter ist über die Gleichspannungswandler mit dem Bordnetzanschluss verbunden. Der Bordnetzanschluss ist insbesondere ein Hochvoltanschluss und ist somit für Betriebsspannungen für > 60 V ausgelegt, insbesondere für mindestens 400 V, 600 V oder 800 V. Ein Bordnetz mit der hier beschriebenen Ladeschaltung umfasst ferner einen Akkumulator, der an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Neben dem Akkumulator können weitere Komponenten an den Bordnetzanschluss angeschlossen sein. Der Bordnetzanschluss kann über Trennschalter mit den Gleichspannungswandlern verbunden sein.
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Der erste und der zweite Gleichspannungswandler können jeweils mit einem Transformator versehen sein bzw. mit zumindest einer Primärwicklung. Der Transformator bzw. die Primärspule ist an die Schaltereinheit des betreffenden Gleichspannungswandlers angeschlossen. Der erste Transformator bzw. eine erste Primärwicklung des ersten Gleichspannungswandlers ist an die Schaltereinheit des ersten Gleichspannungswandlers angeschlossen. Ein zweiter Transformator bzw. eine zweite Primärwicklung ist an die Schaltereinheit des zweiten Gleichspannungswandlers angeschlossen. Der Transformator bildet die Gleichspannungswandler als galvanisch trennende Gleichspannungswandler aus. Der Transformator bzw. die Primärwicklung ist an einen Verbindungspunkt angeschlossen, über den die Schaltereinheiten des jeweiligen Gleichspannungswandlers miteinander verbunden sind. Dieser Verbindungspunkt entspricht an einem Zwischenabgriff. Es kann vorgesehen sein, dass der Transformator bzw. die Primärwicklung zwei Enden aufweist, wobei ein erstes Ende hiervon mit dem Verbindungspunkt zwischen den Schaltereinheiten verbunden ist und ein zweites Ende hiervon mit einem Verbindungspunkt zweier zueinander seriell geschalteten Kondensatoren verbunden ist.
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Die verbundenen Kondensatoren bilden eine Serienschaltung. Diese Serienschaltung ist parallel an die Schaltereinheiten angeschlossen. Die Schaltereinheiten sind insbesondere zwei Schaltereinheiten, die über den Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Es ergibt sich eine Serienschaltung der Schaltereinheiten, die parallel zu der Reihenschaltung der Kondensatoren angeschlossen ist. Mit anderen Worten ist ein Ende der Primärwicklung bzw. des Transformators mit der Wechselspannungsseite bzw. mit dem Verbindungspunkt der Schaltereinheiten verbunden, und ein anderes Ende ist kapazitiv mit mindestens einem Gleichspannungspotential bzw. einem Versorgungspotential des betreffenden Gleichrichters verbunden. Dies gilt vorzugsweise für alle bzw. beide Gleichspannungswandler. Die hier erwähnte Primärwicklung ist die Primärwicklung des Transformators. Der Transformator umfasst mindestens eine weitere Wicklung, nämlich wenigstens eine weitere Sekundärwicklung, die galvanisch von der Primärwicklung getrennt ist und die magnetisch mit dieser gekoppelt ist. Vorzugsweise weist jeder Gleichspannungswandler einen eigenen Transformator auf. Es kann vorgesehen sein, dass für mehrere Gleichspannungswandler oder alle Gleichspannungswandler der gleiche Transformator verwendet wird, wobei jeder Gleichspannungswandler vorzugsweise mit einer eigenen Primärwicklung desselben Transformators verbunden ist.
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Zwischen dem Bordnetzanschluss und den Gleichspannungswandlern, insbesondere zwischen dem Bordnetzanschluss und den Transformatoren (oder dem Transformator) ist ein Sekundär-Gleichrichter vorgesehen. Es handelt sich hierbei um einen anderen Gleichrichter als derjenige, welcher zwischen der Wechselspannungsschnittstelle und den Gleichrichtern vorgesehen ist. Der Sekundär-Gleichrichter, der sich zwischen dem Bordnetzanschluss und den Gleichspannungswandlern bzw. Transformatoren befindet, wird im weiteren durchgängig als Sekundär-Gleichrichter bezeichnet und ist somit auch sprachlich von dem zuvor genannten Gleichrichter (zwischen Wechselspannungsschnittstelle und Gleichspannungswandler, der auch Eingangsgleichrichter genannt werden kann) zu unterscheiden. Der Sekundär-Gleichrichter umfasst eine erste Seite, insbesondere eine Wechselspannungsseite, die mit den Transformatoren verbunden ist, insbesondere mit den Sekundärwicklungen. Der Sekundär-Gleichrichter weist somit eine Wechselspannungsschnittstelle auf, die den Gleichspannungswandlern zugewandt ist. Der Sekundär-Gleichrichter weist ferner eine Gleichspannungsseite auf, die an den Bordnetzanschluss angeschlossen ist. Der Sekundär-Gleichrichter umfasst mindestens eine erste und eine zweite Gleichrichterschaltung, insbesondere für jeden Gleichspannungswandler eine Gleichrichterschaltung. Die erste Gleichrichterschaltung ist galvanisch getrennt mit dem ersten Gleichspannungswandler verbunden, insbesondere über den galvanisch trennenden Transformator. Die zweite Gleichrichterschaltung ist mit dem zweiten Gleichspannungswandler galvanisch getrennt verbunden, insbesondere über den zweiten Transformator.
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Die Gleichspannungsseiten der Gleichrichterschaltungen des Sekundär-Gleichrichters sind miteinander parallel verbunden, können jedoch auch in Reihe geschaltet sein. Der Sekundär-Gleichrichter kann mindestens einen Glättungskondensator aufweisen, der auf der Seite des Sekundär-Gleichrichters vorgesehen ist, welcher mit dem Bordnetzanschluss verbunden ist. Insbesondere sind die Wechselspannungsseiten der Gleichrichterschaltungen des Sekundär-Gleichrichters mit einem oder mit mehreren Glättungskondensatoren verbunden.
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Die Gleichspannungswandler sind vorgesehen, den von dem Gleichrichter bzw. von der Seite der Wechselspannungsschnittstelle empfangene Spannung zu zerhacken, um damit die Primärwicklungen bzw. die betreffenden Transformatoren anzuregen. Da dies jedoch ausgeführt wird, um eine Gleichspannung zu erzeugen, werden die Schaltereinheiten zusammen mit den Zwischenkreiskondensatoren als Gleichspannungswandler bezeichnet, da diese zur Gleichspannungswandlung beitragen. Zur Gleichspannungswandlung werden ferner die Transformatoren und der Sekundär-Gleichrichter verwendet, sodass die Gleichspannungswandler, die Transformatoren und der Sekundär-Gleichrichter zusammen als Gleichspannungswandlungseinheit betrachtet werden können. In diesem Kontext können die Gleichspannungswandler, welche die Zwischenkreiskondensatoren und die Schaltereinheiten umfassen, auch als Zerhacker (englisch: chopper) mit Zwischenkreis betrachtet werden, auf die ein galvanisch getrennter Sekundär-Gleichrichter folgt. Eine andere Bezeichnung für die Gleichspannungswandler, welche jeweils den Zwischenkreiskondensator und die Schaltereinheiten umfassen, wäre daher „Zerhacker“.
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Die Schaltereinheiten des ersten und des zweiten Spannungswandlers umfassen jeweils zwei Schalter, die in Reihe geschaltet sind. Diese Schalter sind vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren. Da durch die Aufteilung in mehrere Gleichspannungswandler die Gesamtspannung des Gleichrichters aufgeteilt wird, können Transistoren mit einer Maximalspannung von weniger als 650, 700 oder 600 Volt verwendet werden, beispielsweise sogenannte „Superjunction FETs“ verwendet werden. Dies gilt insbesondere für ein 230 Volt-Netz, wenn dies dreiphasig an die Ladeschaltung angeschlossen ist, sodass es nicht erforderlich ist, die Gleichspannungswandler mit Transistoren auszustatten, die mit höheren Maximalspannungen ausgelegt werden müssen. Dadurch kann beispielsweise auf SiC-MOSFETs verzichtet werden, die einen signifikanten Kostenfaktor darstellen. Als Schaltereinheiten eignen sich insbesondere Transistoren wie MOSFETs oder auch IGBTs.
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Der Gleichrichter weist vorzugsweise eine oder mehrere schaltbare Halbbrücke auf. Die Halbbrücken sind insbesondere vollschaltbar, das heißt bestehen jeweils aus einer Reihenschaltung von zwei Schaltern wie Transistoren. Die Halbbrücken bzw. deren Verbindungspunkte bzw. Zwischenabgriffe sind insbesondere direkt oder über Serieninduktivitäten mit der Wechselspannungsschnittstelle verbunden. Bei einer Verbindung über jeweilige Serieninduktivitäten ergibt sich eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung, die sowohl gleichrichtende Funktion hat als auch eine spannungswandelnde Funktion, insbesondere eine Aufwärtswandlungsfunktion. Der Gleichrichter zwischen Wechselstromschnittstelle und den Gleichspannungswandlern ist daher vorzugsweise ein aktiver Gleichrichter und kann, wenn er mit Serieninduktivitäten wie beschrieben ausgestattet ist, auch eine korrigierende Funktion hinsichtlich des Leistungsfaktors ausüben und/oder oberwellendämpfend wirken.
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Die Wechselspannungsschnittstelle kann einphasig ausgestaltet sein oder ist vorzugsweise mehrphasig ausgestaltet, beispielsweise dreiphasig. Somit ist auch der Gleichrichter zwischen der Wechselspannungsschnittstelle und den Gleichspannungswandlern vorzugsweise ein- mehr- oder insbesondere dreiphasig ausgestaltet. Die Anzahl der Phasen der Wechselspannungsschnittstelle entspricht vorzugsweise der Anzahl der Phasen des Gleichrichters, der der Wechselspannungsschnittstelle nachgeschaltet ist. Die Anzahl der Phasen der Wechselspannungsschnittstelle entspricht vorzugsweise der Anzahl der Phasen des Gleichrichters. Die Anzahl der Phasen des Gleichrichters entspricht vorzugsweise der Anzahl der (schaltbaren) Halbbrücken des Gleichrichters. Es kann vorgesehen sein, dass darüber hinaus eine zusätzliche Halbbrücke in Form einer Diodenhalbbrücke vorgesehen ist. In diesem Fall umfasst der Gleichrichter eine Anzahl von (schaltbaren) Halbbrücken, sowie eine zusätzliche Halbbrücke, die insbesondere als Diodenbrücke ausgestaltet ist.
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Es können festverdrahtete oder schaltbare Verbindungen zwischen den Phasen der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen sein. Diese verbinden vorzugsweise alle Phasen miteinander, wenn die Schnittstelle selbst nur einphasig belegt ist bzw. einphasig betrieben wird. Ansonsten sind die Verbindungen nicht vorhanden oder offen. Bei einer mehrphasigen bzw. dreiphasigen Belegung der Wechselspannungsschnittstelle sind die Verbindungen nicht vorgesehen bzw. offen. Die Verbindungen erlauben daher eine Konfiguration und insbesondere die Verteilung des zu tragenden Stroms über alle Halbbrücken des Gleichrichters, auch bei einer nur einphasigen Belegung der Wechselstromschnittstelle. Die Wechselspannungsschnittstelle ist somit mit mehreren Phasenkontakten ausgestattet. Die Phasenkontakte sind in einem Einphasenzustand mittels Verbindungen miteinander verbunden. In einem Mehrphasenzustand sind die Phasenkontakte individuell mit den einzelnen Halbbrücken verbunden, das heißt mit den einzelnen Halbbrücken des Gleichrichters. In dem Mehrphasenzustand sind die Phasen der Wechselspannungsschnittstelle untereinander nicht verbunden.
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Die Verbindungen können von Halbleiterschaltern, elektromechanischen Schaltern oder von fest verdrahteten, entfernbaren Verbindungselementen vorgesehen sein, die beispielsweise als Brücken ausgebildet sind, die auf Pins aufgesteckt sind und von diesen entfernbar sind. Durch die letztgenannte Möglichkeit ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, eine Konfiguration auszuwählen, ohne die restliche Schaltung ändern zu müssen, um so die Ladeschaltung an ein- oder mehrphasiges Schalten anzupassen.
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Die Ladeschaltung kann ferner eine Steuerung aufweisen. Diese ist mit der Schaltereinheit ansteuernd verbunden. Damit kann die Steuerung einstellen, ob die Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander verbunden werden. Die Steuerung kann dadurch insbesondere einstellen, ob die Seiten der Gleichspannungswandler, die dem Gleichrichter zugewandt sind, parallel oder seriell miteinander verbunden werden. Dadurch kann die Steuerung einstellen, ob die Stromtragfähigkeit mittels Parallelschaltung der Gleichrichter vervielfacht wird, oder ob die jeweilige Betriebsspannung durch seriell-schalten der Gleichspannungswandler gemäß der Anzahl der Gleichspannungswandler aufgeteilt wird. Die Steuerung steuert die Schaltereinheit in einem Einphasenzustand an, die Gleichspannungswandler parallel miteinander zu verbinden.
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In einem Mehrphasenzustand steuert die Steuerung die Schaltereinheit an, die Gleichspannungswandler seriell zu verbinden. Dies betrifft insbesondre die serielle oder parallele Verbindung der jeweiligen Zwischenkreiskondensatoren bzw. der Schaltereinheiten der betreffenden Gleichspannungswandler. Sind ferner Verbindungen zwischen den Phasenkontakten der Wechselspannungsschnittstelle vorgesehen, die schaltbar sind (etwa durch Halbleiterschalter oder durch elektromechanische Schalter innerhalb der Verbindungen), dann werden diese Verbindungen zwischen den Phasen bzw. Phasenkontakten hergestellt, wenn der Einphasenzustand vorgesehen ist, und aufgetrennt, wenn der Mehrphasenzustand vorgesehen ist. Es kann eine Erfassungseinrichtung vorgesehen sein, die den Belegungszustand an der Wechselstromschnittstelle erfasst, und die insbesondere erfasst, ob eine oder mehrere Phasen der Schnittstelle belegt sind.
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Sind mehrere Phasen belegt, wird der Mehrphasenzustand eingestellt, und ist nur eine Phase belegt, wird der Einphasenzustand eingestellt. Die Erfassungseinrichtung kann Teil der Steuerung sein oder kann dieser vorgeschaltet sein, um an diese entsprechende Informationen zu liefern.
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Die Steuerung, ein Teil der Steuerung oder eine direkte oder indirekt verknüpfte Steuerungseinheit kann vorgesehen sein, um die Gleichspannungswandler bzw. deren Schaltereinheiten anzusteuern und/oder um Schalteinrichtungen des (aktiven) Gleichrichters anzusteuern. Die mit der Schaltereinheit ansteuernd verbundene Steuerung kann von einer übergeordneten Steuerung angeordnet sein, die auch ansteuernd mit derjenigen Steuereinheit verbunden ist, welche die Schaltereinheiten des Gleichspannungswandlers und/oder die Schaltelemente des Gleichrichters ansteuert. Jedoch ist letztlich die galvanische Aufgliederung der Steuerung in verschiedene Weisen umsetzbar.
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Der Gleichrichter kann eine Dioden-Halbbrücke aufweisen, die mit einem Neutralleiterkontakt der Wechselspannungsschnittstelle verbunden ist. Neben der Dioden-Halbbrücke umfasst der Gleichrichter Halbbrücken mit Schaltereinheiten, wobei jede dieser Halbbrücke eine Phase der Wechselspannungsschnittstelle zugeordnet ist bzw. mit dieser (beispielsweise über Induktivitäten) verbunden ist.
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Wie erwähnt ist der Gleichrichter vorzugsweise als aktiver Gleichrichter ausgebildet. Hierbei umfasst der Gleichrichter ein oder mehrere Halbbrücken, die jeweils eine Serienschaltung aus zwei Schaltelementen umfassen. Vorzugsweise ist der Gleichrichter als aktiver Leistungsfaktorkorrekturfilter ausgebildet. Hierbei umfasst dieser mehrere Halbbrückenschaltungen, die über Serieninduktivitäten mit der Wechselstromschnittstelle verbunden sind. Die Verbindungen sind hierbei individuell, sodass auch die Serieninduktivitäten eine individuelle Verbindung zwischen jeweiliger Halbbrücke und Phasenkontakt der Wechselspannungsschnittstelle darstellen. Wie erwähnt kann zum einphasigen Laden bzw. im Einphasenzustand vorgesehen sein, dass die Phasenkontakte über entsprechende Verbindungen miteinander verbunden sind. Der Gleichrichter kann insbesondre als Vienna-Gleichrichter ausgebildet sein.
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Die 1 dient zur näheren Erläuterung der hier beschriebenen Ladeschaltung.
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Die 1 zeigt ein Bordnetz mit einer beispielhaften Ladeschaltung, die über die Wechselspannungsschnittstelle IF an ein Stromnetz SN (statisch) angeschlossen ist. Das Versorgungsstromnetz ist hierbei dreiphasig ausgebildet und umfasst einen Neutralleiter N. Es ergeben sich somit vier Kontakte der Wechselstromschnittstelle IF mit drei Phasenkontakten P1, P2, P3 und einem Kontakt für den Neutralleiter N, der als Neutralleiterkontakt NK bezeichnet wird.
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Die Ladeschaltung schließt sich an das Stromnetz SN an, welches beispielsweise ein öffentliches Stromversorgungsnetz ist. Die Ladeschaltung umfasst die Wechselspannungsschnittstelle IF, die an einen Gleichrichter GR angeschlossen ist. An den Gleichrichter schließen sich wiederum zwei Gleichspannungswandler GW1, GW2 an, die mittels einer Schaltervorrichtung SV miteinander konfigurierbar verbunden sind. Die Gleichrichter GW1, GW2 umfassen jeweils einen Transistor T1, T2, an die sich der Sekundär-Gleichrichter SG anschließt. Der Sekundär-Gleichrichter SG bildet somit die Verbindung zu einem Bordnetzanschluss AN.
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Der Gleichrichter umfasst drei Halbbrücken HB1 bis HB3, die jeweils vollsteuerbar sind. Die Verbindungspunkte der Halbbrücken HB1, HB2, HB3, die sich durch die Serienschaltung von zwei Schaltelementen ergeben, sind jeweils über Induktivitäten L1 bis L3 mit den Phasenkontakten P1 bis P3 verbunden. Der Neutralleiterkontakt NK ist direkt, das heißt ohne zusätzliche Induktivität, mit einer Dioden-Halbbrücke DH verbunden, die auch zum Gleichrichter GR gehört. Als Gleichrichter wird hierbei derjenige Gleichrichter bezeichnet, welcher zwischen der Wechselspannungsschnittstelle IF und den Gleichspannungswandlern GW1, GW2 angeschlossen ist. Der Sekundär-Gleichrichter GR, der den Gleichspannungswandlern GW1, GW2 nachgeschaltet ist, wird durchweg als Sekundär-Gleichrichter bezeichnet, um diesen von dem erstgenannten Gleichrichter zu unterscheiden.
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Die Halbbrücken HB1 bis HB3 sowie die Dioden-Halbbrücke DH sind jeweils mit ihren Enden an zwei Versorgungspotentiale V-, V+ angeschlossen. Die Versorgungspotentiale werden durch entsprechende Stromschienen realisiert. Die Gleichrichter sind an eine dieser Versorgungspotentiale angeschlossen, jedoch nicht beide. Dies erlaubt eine konfigurierbare Seriell- oder Parallel-Schaltung mittels der Schaltervorrichtung SV.
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Der erste Gleichspannungswandler GW1 ist mit dem positiven Versorgungspotential V+ verbunden. Ein zweites Versorgungspotential des Gleichspannungswandlers GW1 ist über die Schaltervorrichtung SV wählbar mit dem anderen Versorgungspotential V- oder mit dem positiven Versorgungspotential des zweiten Gleichspannungswandlers verbindbar. Dadurch kann ausgewählt werden, ob beide Gleichspannungswandler GW1, GW2 seriell oder parallel zueinander geschaltet werden sollen.
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Der zweite Gleichspannungswandler weist ein negatives Versorgungspotential auf, das dem negativen Versorgungspotential V-der Ladeschaltung entspricht. Jedoch weist auch der zweite Gleichspannungswandler GW2 ein Potential auf, nämlich das positive Versorgungspotential, welches über die Schaltervorrichtung SV auswählbar mit dem ersten Gleichspannungswandler bzw. dessen negativen Versorgungspotential, oder mit dem positiven Versorgungspotential V+ der Ladeschaltung verbunden werden kann. Hierzu umfasst die Schaltervorrichtung SV einen ersten Schalter S1. Dieser erlaubt die schaltbare Verbindung des negativen Versorgungspotentials des ersten Gleichspannungswandlers GW1 mit dem positiven Versorgungspotential des zweiten Gleichspannungswandlers GW2. Ist dieser Schalter S1 geschlossen, dann sind die Eingänge der Gleichspannungswandler bzw. deren Zwischenkreiskondensatoren C1, C2 oder auch deren Schaltereinheiten SE1, SE2 in Serie miteinander verbunden und so als Serienschaltung mit den beiden Versorgungspotentialen V+, V- der Ladeschaltung verbunden.
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Ein zweiter Schalter S2 erlaubt die Verbindung des positiven Versorgungspotentials des zweiten Spannungswandlers mit dem Versorgungspotential V+ der Ladeschaltung. Entsprechend gibt es einen dritten Schalter S3, der schaltbar das negative Versorgungspotential des ersten Gleichspannungswandlers GW1 mit dem negativen Versorgungspotential V+ der Ladeschaltung verbindet. Sind die Schalter S2, S3 geschlossen, dann arbeiten beide Gleichspannungswandler GW1, GW2 mit dem Versorgungspotential V-, V+ der Ladeschaltung, das heißt mit der Ausgangsspannung des Gleichrichters GR. Eine symbolisch dargestellte Steuerung ST ist ansteuernd mit den Schaltern S1 bis S3 verbunden.
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Im dargestellten Schaltzustand 2 der Schaltervorrichtung SV ist der Schalter S1 geschlossen und die Schalter S2, S3 sind offen. Dadurch sind die Gleichspannungswandler GW1, GW2 seriell miteinander verbunden. In einem Schaltzustand 1 (der entgegengesetzt ist zu dem dargestellten Schaltzustand) ist S1 offen und die Schalter S2, S3 sind geschlossen. Dadurch sind die Spannungswandler jeweils unmittelbar mit dem Gleichrichter GR verbunden; mit anderen Worten sind die Gleichspannungswandler GW1, GW2 zueinander parallel geschaltet. Die Schalter S2, S3 sind gleichzeitig offen oder geschlossen. Der Schalter S1 ist geöffnet, wenn die Schalter S2, S3 geschlossen sind. Der Schalter S2 ist geschlossen, wenn die Schalter S2, S3 geöffnet sind. Der Schalter S1 und die Schalter S2, S3 arbeiten somit vorzugsweise komplementär zueinander (bezogen auf ihren Schaltzustand) . Dies betrifft insbesondere den aktiven Zustand der Schaltung; in einem inaktiven Zustand der Schaltung können die Schalter S1 - S3 offen sein.
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Die beiden Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfassen jeweils eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren, wobei der Gleichspannungswandler GW1 die Kondensatoren CK1 und CK2 in Reihenschaltung aufweist und der zweite Gleichspannungswandler GW2 die Reihenschaltung der Kondensatoren CK3 und CK4 aufweist. Die Reihenschaltungen sind jeweils parallel an die Versorgungspotentiale der jeweiligen Gleichspannungswandler angeschlossen.
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Jeder Gleichspannungswandler GW1, GW2 umfasst eine Schaltereinheit, die jeweils eine Reihenschaltung von zwei Schaltern aufweist. Der Verbindungspunkt zwischen diesen Schaltern ist mit der zugehörigen Primärspule verbunden. Somit ist der Verbindungspunkt der Schaltereinheit SE1 des ersten Gleichspannungswandlers GW1 mit der Primärspule PW1 des Transistors T1 verbunden, und die Primärspule T2 des zweiten Transistors T2 ist mit dem Verbindungspunkt der Schaltereinheit SE2 des Gleichspannungswandlers GW2 verbunden. Das jeweils entgegengesetzte Ende der Primärwicklung P1, P2 ist mit dem Verbindungspunkt der Serienschaltung der entsprechenden Serienschaltung von Kondensatoren CK1 bis CK4 verbunden. Ein Ende der jeweiligen Primärwicklung P1, P2 ist somit an einem kapazitiven Spannungsteiler des betreffenden Gleichspannungswandlers GW1, GW2 verbunden. Der kapazitive Spannungsteiler wird von der Serienschaltung der zwei Kondensatoren CK1, CK2 bzw. CK3 und CK4 gebildet. Ein Sekundär-Gleichrichter SG ist den Transistoren T1, T2 nachgeschaltet bzw. über deren Sekundärwicklungen angeschlossen.
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Der Sekundär-Gleichrichter SG kann zwei Gleichrichterschaltungen aufweisen, wobei eine erste dieser Gleichrichterschaltungen mit dem ersten Transistor T1 verbunden ist, und eine zweite dieser Gleichrichterschaltungen mit dem zweiten Transistor T2 verbunden ist. Die Gleichrichterschaltungen können jeweils als Grätz-Schaltung aufgebaut sein. Um die Ladeschaltung rückspeisefähig auszubilden, kann der Sekundär-Gleichrichter steuerbare Gleichrichterschaltungen aufweisen. An Stelle von Dioden sind hierbei steuerbare Halbleiterschalter verwendbar. Dadurch kann auch Leistung an den Bordnetzanschluss AN angelegt werden, von dem Sekundär-Gleichrichter in einen Rückspeisezustand zerhackt werden, um das zerhackte Signal über die Transistoren und die Schaltereinheiten SE1, SE2 an den Gleichrichter GR zu übertragen, der ebenso der Rückspeisung über die Wechselspannungsschnittstelle IF in das Stromnetz SN hinein beiträgt.
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Der besseren Übersicht wegen ist der Sekundär-Gleichrichter SG nur schematisch dargestellt als gestricheltes Rechteck.
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Mit Punktlinien dargestellt sind zwei Verbindungen V1, V2 zwischen Phasenkontakten bzw. Phasen der Wechselspannungsschnittstelle bzw. des Eingangs des Gleichrichters GR. Die Verbindungen V1, V2 liegen vor, wenn sich die Ladeschaltung im Einphasenladezustand befindet, das heißt wenn die Wechselspannungsschnittstelle einphasig belegt ist. Ist der Mehrphasenzustand vorgesehen, bei dem die Schnittstelle IF mehrphasig belegt ist, dann sind die Verbindungen V1, V2 nicht vorhanden.
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Zusammenfassend erlaubt die Schaltervorrichtung SV sowie die Aufteilung in zwei Gleichspannungswandler GW1, GW2 eine konfigurierbare Kombination der Spannungswandler. Hierbei kann der Schalter S1 als Seriellschalter angesehen werden (da die Gleichspannungswandler in Serie geschaltet sind, wenn der Schalter S1 geschlossen ist). Die Schalter S2, S3 können als Parallelschalter angesehen werden, da dann die Gleichspannungswandler GW1, GW2 zueinander parallel geschaltet sind, wenn die Schalter S2, S3 geschlossen sind. Die Schaltzustände des Schalters S1 einerseits und der Schalter S2, S3 sind gegengleich. Der Schalter S2 ist einem positiven Versorgungspotential zugeordnet, der Schalter S3 ist einem negativen Versorgungspotential zugeordnet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass alle Schalter geöffnet sind, beispielsweise in einem Inaktivmodus oder in einem Fehlermodus.
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Anstatt einer kapazitiven Ankopplung der Transistoren bzw. der zugehörigen Primärspulen P1, P2 sind auch andere Ankupplungsarten oder Verbindungsarten möglich, etwa bei Schaltereinheiten, die jeweils als Vollbrücke ausgebildet sind. Die 1 zeigt jedoch Schaltereinheiten SE1, SE2, die als Halbbrücke ausgebildet sind, wobei ebenso die Kondensatoren CK1 bis CK4 jeweils als Halbbrücken angesehen werden können (insbesondere als kapazitive Halbbrücken), wobei die Primärspulen P1, P2 zwischen den jeweiligen Verbindungspunkten der Schaltereinheiten SE1, SE2 und den jeweiligen kapazitiven Spannungsteilen CK1, CK2; CK3, CK4 angeschlossen sind.
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Wie erwähnt kann der Sekundär-Gleichrichter SG passiv ausgestaltet sein, insbesondere wenn die Ladeschaltung unidirektional ausgebildet ist, oder kann aktiv ausgebildet sein, wenn die Ladeschaltung bidirektional ausgestaltet ist, das heißt rückspeisefähig ist. Im letztgenannten Fall umfasst der Sekundär-Gleichrichter für jeden Transistor eine vollgesteuerte H-Brücke. Jede H-Brücke ist hierbei an einem der beiden Transformatoren T1, T1 angeschlossen.
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Ein Fahrzeugbordnetz kann die Ladeschaltung (insbesondere die dargestellte Ladeschaltung) und ein daran angeschlossener Bordnetzabschnitt umfassen. Der Bordnetzabschnitt weist zumindest einen Akkumulator auf und kann ferner mindestens eine (fahrzeugseitige) Last und/oder eine (fahrzeugseitige) elektrische Energiequelle aufweisen. Dieser Bordnetzabschnitt würde sich wie in 1 dargestellt rechts an die Ladeschaltung anschließen, und wäre beispielsweise an den Anschluss AN angeschlossen.
