EP2721720A2 - Charging device and method for charging an electrical energy store - Google Patents

Charging device and method for charging an electrical energy store

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Publication number
EP2721720A2
EP2721720A2 EP12716015.8A EP12716015A EP2721720A2 EP 2721720 A2 EP2721720 A2 EP 2721720A2 EP 12716015 A EP12716015 A EP 12716015A EP 2721720 A2 EP2721720 A2 EP 2721720A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
converter circuit
output
circuit
rectifier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12716015.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jochen Fassnacht
Christoph VAN BOOVEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2721720A2 publication Critical patent/EP2721720A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/337—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
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    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
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    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a charging device for charging an electrical energy storage device with a first and a second input voltage connection in order to connect the charging device to an AC voltage source, a first and a second output voltage connection to connect the charging device to the energy storage device to be charged
  • Rectifier voltage converter circuit the input side with the
  • Input voltage terminals is connected and the output side connected to a first and a second intermediate circuit voltage terminal and is adapted to between the intermediate circuit voltage terminals a
  • DC link voltage a DC-DC converter circuit, which is the input side connected to the DC link and output side connected to the output voltage terminals of the charging device, wherein the DC-DC converter circuit is adapted to provide a DC output voltage and a DC output current at the output terminals.
  • the present invention relates to a method for charging an electrical energy storage device, wherein a rectifier voltage converter circuit to a
  • a DC voltage source is provided by the rectifier voltage converter circuit and wherein from the DC link voltage by means of a DC-DC converter circuit, a DC output voltage and a DC output current for charging the electrical energy storage is provided.
  • the charging devices To charge energy storage by means of charging devices that are connected to a public low-voltage network as an AC voltage source from the low-voltage network, the corresponding power to charge the electrical To obtain energy storage.
  • the charging devices usually have
  • These PFC stages provide a pulsating DC voltage to a DC link, which smoothes the pulsating AC voltage or the pulsating electrical power by means of a DC link capacitor.
  • the thus smoothed electrical voltage is adjusted by means of a DC-DC converter according to the state of charge of the energy storage or the battery to an optimum charging voltage.
  • the PFC stage sets a constant intermediate circuit voltage, the necessary voltage spread during the charging of the electrical energy storage is provided by the DC-DC converter. Therefore, since the DC-DC converter does not have a constant voltage-to-voltage ratio, the commonly used potential-separating converters can use an electromagnetic
  • Transmission element can not be optimally designed.
  • Such a charging device with a PFC stage and a DC-DC converter as a series resonant converter is known for example from US 5,581,171.
  • a disadvantage of the known charging devices is therefore the limited life, the high technical complexity, in particular the large control effort for adjusting the charging voltage and the associated high costs.
  • the present invention provides a charging device for charging an electrical energy storage device of the aforementioned type, in which the
  • DC link voltage across the rectifier voltage converter circuit is adjustable to adjust an electric power that is transmitted from the input voltage terminals to the output voltage terminals and the energy storage to be charged.
  • the present invention provides a charging device for loading a
  • Capacitors are connected whose total capacity is less than 100 ⁇ .
  • the present invention provides a method for charging an electrical energy store of the aforementioned type, wherein the
  • DC link voltage is adjusted by means of the rectifier voltage converter circuit to adjust a transmitted from the AC voltage source to the electrical energy storage to be charged electrical power.
  • the regulatory burden for charging the electrical energy storage can be reduced and at the same time can be reduced.
  • the entire charging device better adapted and dimensioned. Due to the small dimensions of the capacitors between the rectifier stage and the DC-DC converter cheaper and more reliable capacitors can be used, whereby the charging device is more reliable and more cost-effective. Overall, the loader is thus technically less expensive and cheaper.
  • the voltage at the output voltage terminals is determined by the connected electrical energy storage, so that the output power is adjustable via the output current.
  • the voltage difference between the input side and the output side of the DC-DC converter circuit increases, so that the current and thus also the transmitted power increase. This can be done by Setting the amount of DC link voltage to the electrical
  • Output terminals forms. As a result, a return of error direct currents to the DC voltage source can be avoided.
  • Transformers are compensated, so that the current between the input and output is limited only by the ohmic resistance of the transformer transformer. It is further preferred if the DC-DC converter circuit is designed to provide a pulsating output current having the same frequency as the DC link voltage.
  • capacitor or capacitors between the first and the second DC link voltage connection are formed as film capacitors.
  • the rectifier voltage converter circuit comprises a rectifier circuit and a DC-DC converter circuit which is designed as a switching power supply, wherein the amount of the intermediate circuit voltage is adjustable by means of the switching power supply.
  • the entire charging device acts like an ohmic load, causing the
  • the AC voltage source is a public
  • the charging device can be used substantially independently of location for charging the electrical energy store.
  • the intermediate circuit DC voltage is a pulsating DC voltage and one of the rectifier voltage converter circuit
  • intermediate circuit current is a pulsating direct current, which is formed in phase with the intermediate DC voltage.
  • the entire charging device acts like an ohmic load. It is understood that features, properties and advantages of the charging device according to the invention also apply correspondingly to the method according to the invention or are applicable.
  • Fig. 1 shows in schematic form a charging device according to the invention for charging an electrical energy storage device
  • Fig. 2 shows in schematic form a rectifier with downstream
  • Fig. 3 shows a series resonance converter
  • Fig. 4a) to d) show the time course of the DC link current
  • Fig. 1 the circuit of a charging device according to the invention is shown schematically and generally designated 10.
  • the charging device 10 has a first input voltage terminal 12 and a second input voltage terminal 14, which together form a voltage input.
  • the charging device 10 further includes a first output voltage terminal 12 and a second output voltage terminal 14 which together form a voltage output.
  • the input voltage terminals 12, 14 are adapted to be connected to an AC voltage source, not shown.
  • Input voltage terminals 12, 14 is applied to the input voltage UN, the
  • AC power source in a preferred embodiment of the invention is a public low-voltage network.
  • an input current IN is provided about the input voltage terminals 12, 14 of the charging device 10.
  • the input voltage UN is an alternating voltage and the input current IN is an alternating current, which are preferably sinusoidal.
  • the output voltage terminals 16, 18 are connected to an electrical energy storage 20 to be charged or a battery 20 to the electrical
  • the input voltage terminals 12, 14 are connected to a
  • Rectifier voltage converter circuit 22 is connected, which is preferably formed as a PFC stage.
  • the rectifier voltage converter circuit 22 is connected on the output side to a first intermediate circuit terminal 24 and a second intermediate circuit terminal 26.
  • the rectifier voltage converting circuit 22 is formed of
  • Rectifier voltage converter circuit 22 the pulsating DC link voltage UZK arbitrarily set by simple means.
  • Rectifier voltage converter circuit 22 is connected to a control unit 28 which adjusts the mean DC link voltage UZK via a control signal 30.
  • a DC link current IZK provided by the rectifier voltage converter circuit 22 at the DC link terminals 24, 26 and the DC link voltage UZK have no phase shift due to the reactive power compensation circuit.
  • the charging device 10 also has a DC-DC converter circuit 32, which is connected on the input side to the intermediate circuit terminals 24, 26 and on the output side to the output voltage terminals 16, 18.
  • Rectifier voltage converter circuit 32 is preferably designed as a resonant converter and converts the intermediate circuit voltage UZK and the intermediate circuit current IZK into an output voltage UO and an output current IO, which serve to charge the energy store 20. As the voltage drop across the electrical
  • Energy storage 20 is predetermined by the energy storage 20 itself, a fixed voltage UO is at the output voltage terminals 16, 18 a. As a result, the output current IO variable and thus also the output to the electrical energy storage 20 electrical power. Since the DC-DC converter 32 is preferably designed as a series resonant converter with galvanic isolation, the
  • Charging power can be set variably by setting the DC link voltage UZK.
  • the loading device 10 dispenses with the use of a large DC link capacitor for power smoothing.
  • the output current IO has a frequency that is twice as high as the frequency of the AC voltage source. This can be costly and expensive
  • Electrolytic capacitors with limited life are dispensed with.
  • the charging power of the charging device 10 can be set arbitrarily via the intermediate circuit voltage UZK.
  • the rectifier voltage converter circuit 22 is shown schematically.
  • the rectifier voltage converter circuit 22 includes a rectifier circuit 34 and a DC-DC converter 36.
  • the rectifier 34 is designed as a conventional B2 rectifier and has two parallel current branches, each with two diodes, between which the
  • the rectifier circuit 34 provides the DC-DC converter 36 with a pulsating DC voltage or a pulsating DC voltage.
  • the DC-DC converter 36 is as
  • Step-up converter 36 is formed and has in this embodiment, a coil and a diode, between which a bridge is connected to a transistor, and a parallel-connected capacitance.
  • Rectifier voltage converter circuit 22 is a reactive power compensated circuit that behaves like an ohmic load.
  • Rectifier voltage converter circuit are to be regarded as exemplary, wherein the respective components consisting of the rectifier 34 and the
  • the DC-DC converter 36 can be replaced by any components with the same function.
  • a Senenresonanzwandler is shown and generally designated 40.
  • the series resonant converter 40 preferably forms the DC-DC converter circuit 22 of the charging device 10 according to the invention.
  • the series resonant converter 40 has an inverter 42, a transformer 44 and a rectifier 46.
  • an intermediate circuit capacitor 48 is connected between the intermediate circuit terminals 24, 26, which is formed as a film capacitor and has a capacitance of about 50 F having.
  • an output capacitor 50 is connected between the output voltage terminals 16, 18.
  • the inverter 42 has two bridge branches 52, 54, which converts an alternating current IP, which forms the input current for the transformer 44, by appropriate control from the pulsating DC link DC current IZK.
  • the drive of the inverter 42 or the transistors of the inverter 42 takes place with a full duty cycle, so that a positive current IP is provided to the transformer 44 during half of each sampling period and a negative current IP is provided to the transformer 44 during the respective other half of the clock period becomes.
  • the transformer 44 has a constant winding ratio over a constant
  • the transformer provides a correspondingly translated voltage and a corresponding current to the rectifier 46 ready.
  • the rectifier 46 is formed by two-way rectification with the bridge branches 56, 58 and converts the
  • DC link voltage UZK has a frequency which corresponds to twice the frequency of the AC voltage source.
  • the voltage UO present between the output voltage sources 16, 18 is predetermined or set by the voltage of the connected energy store 20.
  • an output current IO corresponding to the intermediate circuit voltage UZK at the input of the inverter 42 sets.
  • the transmitted power of the entire charging device 10 can be adjusted via the intermediate circuit voltage UZK.
  • the intermediate circuit voltage UZK rises, the voltage difference between the input and the output of the series resonance converter increases, so that a correspondingly increased output current IO and thus a correspondingly increased
  • a separate control of the DC-DC converter circuit 32 can be dispensed with.
  • an optimum operating point can be set. Due to the pulsating performance is the
  • the transformer volume increases sharply.
  • the transformer volume increases by about 70% over a power smoothing design.
  • FIG. 4 schematically shows curves of the intermediate circuit current IZK, the intermediate circuit voltage UZK, the battery charging power P and the battery charging current 10.
  • Fig. 4a shows the DC link current IZK, which is designed as a pulsating direct current, with a frequency of 100 Hz, which is twice the frequency of
  • DC link voltage UZK has a fundamental frequency of 100 Hz, which is twice the frequency of the AC voltage source and is in phase with the DC link current IZK. Furthermore, the intermediate circuit voltage to another, higher-frequency signal, which is caused by the timing of the switching power supply 36. In Fig. 4c) the battery charging power is shown, resulting from the product of
  • Output voltage UO and the output current IO results.
  • the charging power is also pulsating with a frequency of 100 Hz and in phase with UZK and IZK.
  • the charging current IO is shown, which is also a pulsating direct current with a frequency of 100 Hz. It can therefore be seen that the battery or the energy store 20 is charged with pulsating direct current.
  • the resulting increased current load for the semiconductor diodes of the rectifier 46 can by the lower switching losses in the galvanically isolated transformer over the entire
  • Voltage or power range of the energy storage 20 are compensated or overcompensated, since the increased losses in the diodes are less than the reduction of the switching losses.
  • Almost any desired energy store 20 can be charged by the charging device, although the voltage supplied by the energy store 20 can be charged by the charging device
  • Rectifier voltage converter circuit 22 as well as for the
  • DC-DC converter circuit can be used semiconductor devices (transistors and diodes), which have a higher blocking capability.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
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Abstract

The present invention relates to a charging device (10) for charging an electrical energy store (20), comprising a first and a second input voltage terminal (12, 14), for connecting the charging device (10) to an AC voltage source, a first and a second output voltage terminal (16, 18) for connecting the charging device (10) to the energy store (20) to be charged, a rectifier voltage converter circuit (22), which on the input side is connected to the input voltage terminals (12, 14) and on the output side is connected to a first and a second intermediate circuit voltage terminal (24, 26) and is designed to provide an intermediate circuit DC voltage (UZK) between the intermediate circuit voltage terminals (24, 26), a DC voltage converter circuit (32) which on the input side is connected to the intermediate circuit terminals (24, 26) and on the output side is connected to the output voltage terminals (16, 18) of the charging device (10), wherein the DC voltage converter circuit (32) is designed to provide a DC output voltage (UO) and a DC output current (IO) at the output terminals (16, 18), wherein the intermediate circuit DC voltage (UZK) can be set by means of the rectifier voltage converter circuit (22) in order to set an electrical power (P) that is transmitted from the input voltage terminals (12, 14) to the output voltage terminals (16, 18) or the energy store (20) to be charged.

Description

Beschreibung Titel  Description title
Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers  Charging device and method for charging an electrical energy store
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers mit einem ersten und einem zweiten Eingangsspannungsanschluss, um die Ladevorrichtung an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen, einem ersten und einem zweiten Ausgangsspannungsanschluss, um die Ladevorrichtung an den zu ladenden Energiespeicher anzuschließen, einer The present invention relates to a charging device for charging an electrical energy storage device with a first and a second input voltage connection in order to connect the charging device to an AC voltage source, a first and a second output voltage connection to connect the charging device to the energy storage device to be charged
Gleichrichterspannungswandlerschaltung, die eingangsseitig mit den Rectifier voltage converter circuit, the input side with the
Eingangsspannungsanschlüssen verbunden ist und ausgangsseitig mit einem ersten und einem zweiten Zwischenkreisspannungsanschluss verbunden ist und dazu ausgebildet ist, zwischen den Zwischenkreisspannungsanschlüssen eine Input voltage terminals is connected and the output side connected to a first and a second intermediate circuit voltage terminal and is adapted to between the intermediate circuit voltage terminals a
Zwischenkreisgleichspannung bereitzustellen, einer Gleichspannungswandlerschaltung, die eingangsseitig mit den Zwischenkreisanschlüssen verbunden ist und ausgangsseitig mit den Ausgangsspannungsanschlüssen der Ladevorrichtung verbunden ist, wobei die Gleichspannungswandlerschaltung dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsgleichspannung und einen Ausgangsgleichstrom an den Ausgangsanschlüssen bereitzustellen.  DC link voltage, a DC-DC converter circuit, which is the input side connected to the DC link and output side connected to the output voltage terminals of the charging device, wherein the DC-DC converter circuit is adapted to provide a DC output voltage and a DC output current at the output terminals.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers, wobei eine Gleichrichterspannungswandlerschaltung an eine Furthermore, the present invention relates to a method for charging an electrical energy storage device, wherein a rectifier voltage converter circuit to a
Wechselspannungsquelle angeschlossen wird, eine Zwischenkreisgleichspannung von der Gleichrichterspannungswandlerschaltung bereitgestellt wird und wobei aus der Zwischenkreisgleichspannung mittels einer Gleichspannungswandlerschaltung eine Ausgangsgleichspannung und ein Ausgangsgleichstrom zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird. A DC voltage source is provided by the rectifier voltage converter circuit and wherein from the DC link voltage by means of a DC-DC converter circuit, a DC output voltage and a DC output current for charging the electrical energy storage is provided.
Stand der Technik State of the art
Auf dem Gebiet der elektrischen Energiespeicher ist es allgemein bekannt, In the field of electrical energy storage it is well known
Energiespeicher mittels Ladevorrichtungen aufzuladen, die mit einem öffentlichen Niederspannungsnetz als Wechselspannungsquelle verbunden sind, um aus dem Niederspannungsnetz die entsprechende Leistung zum Laden des elektrischen Energiespeichers zu beziehen. Die Ladevorrichtungen weisen üblicherweise To charge energy storage by means of charging devices that are connected to a public low-voltage network as an AC voltage source from the low-voltage network, the corresponding power to charge the electrical To obtain energy storage. The charging devices usually have
eingangsseitig eine PFC-Stufe für die Entnahme sinusförmiger Ströme aus dem On the input side, a PFC stage for the extraction of sinusoidal currents from the
Versorgungsnetz auf. Diese PFC-Stufen stellen eine pulsierende Gleichspannung einem Zwischenkreis zur Verfügung, der mittels eines Zwischenkreiskondensators die pulsierende Wechselspannung bzw. die pulsierende elektrische Leistung glättet. Die derart geglättete elektrische Spannung wird mittels eines Gleichspannungswandlers entsprechend des Ladezustandes des Energiespeichers bzw. der Batterie auf eine optimale Ladespannung eingestellt. Um die Anforderung der Glättung der Zwischenkreisspannung zu erfüllen, sind Supply network on. These PFC stages provide a pulsating DC voltage to a DC link, which smoothes the pulsating AC voltage or the pulsating electrical power by means of a DC link capacitor. The thus smoothed electrical voltage is adjusted by means of a DC-DC converter according to the state of charge of the energy storage or the battery to an optimum charging voltage. To meet the requirement of smoothing the DC link voltage are
Zwischenkreiskondensatoren mit einer großen Kapazität notwendig (etwa 1 F bei einer Ladeleistung von 3,3 kW), die sich wirtschaftlich lediglich mit Elektrolytkondensatoren realisieren lassen. Elektrolytkondensatoren zeigen jedoch in Abhängigkeit von ihrer Strombelastung und ihrer Betriebstemperatur starke Alterungserscheinungen. Für den Einsatz im Automobilbereich sind derartige Elektrolytkondensatoren durch den großen spezifizierten Temperaturbereich und die dadurch reduzierte Lebensdauer eher begrenzt einsetzbar.  DC link capacitors with a large capacity necessary (about 1 F at a charging power of 3.3 kW), which can be realized economically only with electrolytic capacitors. However, electrolytic capacitors show strong signs of aging, depending on their current load and their operating temperature. For use in the automotive sector such electrolytic capacitors are rather limited by the large specified temperature range and thus reduced life.
Da die PFC-Stufe eine konstante Zwischenkreisspannung einstellt, wird die notwendige Spannungsspreizung beim Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers von dem Gleichspannungswandler bereitgestellt. Da der Gleichspannungswandler daher kein konstantes Spannungsübersetzungsverhältnis aufweist, können die üblicherweise verwendeten potenzialtrennenden Wandler mit einem elektromagnetischen Since the PFC stage sets a constant intermediate circuit voltage, the necessary voltage spread during the charging of the electrical energy storage is provided by the DC-DC converter. Therefore, since the DC-DC converter does not have a constant voltage-to-voltage ratio, the commonly used potential-separating converters can use an electromagnetic
Übertragungsglied nicht optimal ausgelegt werden. Die zur Zeit eingesetzten Transmission element can not be optimally designed. The currently used
potenzialtrennenden weichschaltenden Gleichspannungswandler verlieren ab einer bestimmten Übertragungsleistung ihre weichschaltende Eigenschaft, so dass der Wirkungsgrad durch zusätzlich anfallende Schaltverluste reduziert ist. potential-separating soft-switching DC-DC converters lose their soft-switching characteristic after a certain transmission power, so that the efficiency is reduced by additional switching losses.
Eine derartige Ladevorrichtung mit einer PFC-Stufe und einem Gleichspannungswandler als Serienresonanzwandler ist beispielsweise bekannt aus der US 5,581 ,171 . Such a charging device with a PFC stage and a DC-DC converter as a series resonant converter is known for example from US 5,581,171.
Nachteilig bei den bekannten Ladevorrichtungen ist daher die begrenzte Lebensdauer, der technisch hohe Aufwand, insbesondere der große Regelaufwand zum Einstellen der Ladespannung und die damit verbundenen hohen Kosten. A disadvantage of the known charging devices is therefore the limited life, the high technical complexity, in particular the large control effort for adjusting the charging voltage and the associated high costs.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung stellt eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers der eingangs genannten Art bereit, bei der die Disclosure of the invention The present invention provides a charging device for charging an electrical energy storage device of the aforementioned type, in which the
Zwischenkreisgleichspannung über die Gleichrichterspannungswandlerschaltung einstellbar ist, um eine elektrische Leistung, die von den Eingangsspannungsanschlüssen an die Ausgangsspannungsanschlüsse bzw. den zu ladenden Energiespeicher übertragen wird, einzustellen. DC link voltage across the rectifier voltage converter circuit is adjustable to adjust an electric power that is transmitted from the input voltage terminals to the output voltage terminals and the energy storage to be charged.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung eine Ladevorrichtung zum Laden eines Furthermore, the present invention provides a charging device for loading a
elektrischen Energiespeichers der eingangs genannten Art bereit, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenkreisspannungsanschluss ein oder mehrere electrical energy store of the type mentioned above, in which between the first and the second DC link voltage connection one or more
Kondensatoren geschaltet sind, deren Gesamtkapazität kleiner als 100 μΡ ist. Capacitors are connected whose total capacity is less than 100 μΡ.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers der eingangs genannten Art bereit, wobei die Finally, the present invention provides a method for charging an electrical energy store of the aforementioned type, wherein the
Zwischenkreisgleichspannung mittels der Gleichrichterspannungswandlerschaltung eingestellt wird, um eine von der Wechselspannungsquelle auf den zu ladenden elektrischen Energiespeicher übertragene elektrische Leistung einzustellen. Vorteile der Erfindung  DC link voltage is adjusted by means of the rectifier voltage converter circuit to adjust a transmitted from the AC voltage source to the electrical energy storage to be charged electrical power. Advantages of the invention
Durch die vorliegende Erfindung kann der Regelungsaufwand zum Laden des elektrischen Energiespeichers reduziert werden und gleichzeitig kann der By the present invention, the regulatory burden for charging the electrical energy storage can be reduced and at the same time can
Gleichspannungswandler und somit die gesamte Ladevorrichtung besser angepasst und dimensioniert werden. Durch die geringe Dimensionierung der Kondensatoren zwischen der Gleichrichterstufe und dem Gleichspannungswandler können kostengünstigere und zuverlässigere Kondensatoren eingesetzt werden, wodurch die Ladevorrichtung insgesamt zuverlässiger und kostengünstiger wird. Insgesamt wird die Ladevorrichtung somit technisch weniger aufwendig und kostengünstiger. DC-DC converter and thus the entire charging device better adapted and dimensioned. Due to the small dimensions of the capacitors between the rectifier stage and the DC-DC converter cheaper and more reliable capacitors can be used, whereby the charging device is more reliable and more cost-effective. Overall, the loader is thus technically less expensive and cheaper.
Mit anderen Worten wird die Spannung an den Ausgangsspannungsanschlüssen durch den angeschlossenen elektrischen Energiespeicher bestimmt, so dass die abgegebene Leistung über den Ausgangsstrom einstellbar ist. Sofern die Spannung zwischen den Zwischenkreisanschlüssen ansteigt, nimmt die Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Gleichspannungswandlerschaltung zu, so dass der Strom und somit auch die übertragene Leistung zunimmt. Dadurch kann durch Einstellen des Betrages der Zwischenkreisspannung die an den elektrischen In other words, the voltage at the output voltage terminals is determined by the connected electrical energy storage, so that the output power is adjustable via the output current. As the voltage between the intermediate circuit terminals increases, the voltage difference between the input side and the output side of the DC-DC converter circuit increases, so that the current and thus also the transmitted power increase. This can be done by Setting the amount of DC link voltage to the electrical
Energiespeicher übertragene Leistung eingestellt werden. Im Ergebnis kann somit durch einfache Spannungsregelung der Zwischenkreisspannung die übertragene Ladeleistung eingestellt werden. Energy storage transmitted power to be set. As a result, the transferred charging power can thus be adjusted by simple voltage regulation of the intermediate circuit voltage.
Es ist von besonderem Vorzug, wenn die Gleichspannungswandlerschaltung eine galvanische Trennung zwischen den Zwischenkreisanschlüssen und den It is of particular advantage if the DC-DC converter circuit provides a galvanic isolation between the DC-bus terminals and the DC bus
Ausgangsanschlüssen bildet. Dadurch kann eine Rückführung von Fehlergleichströmen an die Gleichspannungsquelle vermieden werden. Output terminals forms. As a result, a return of error direct currents to the DC voltage source can be avoided.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Gleichspannungswandlerschaltung als It is preferred if the DC-DC converter circuit as
Serienresonanzwandler ausgebildet ist. Series resonant converter is formed.
Dadurch können im Betrieb vorhandene Streuinduktivitäten des integrierten As a result, in operation existing stray inductances of the integrated
Transformators kompensiert werden, so dass der Strom zwischen Eingang und Ausgang nur noch durch den Ohmschen Wicklungswiderstand des Transformators begrenzt wird. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Gleichspannungswandlerschaltung dazu ausgebildet ist, einen pulsierenden Ausgangsstrom bereitzustellen, der dieselbe Frequenz wie die Zwischenkreisgleichspannung aufweist. Transformers are compensated, so that the current between the input and output is limited only by the ohmic resistance of the transformer transformer. It is further preferred if the DC-DC converter circuit is designed to provide a pulsating output current having the same frequency as the DC link voltage.
Dadurch kann der Regelungsaufwand und die Schaltverluste der As a result, the control effort and the switching losses of
Gleichspannungswandlerschaltung reduziert werden. DC-DC converter circuit can be reduced.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn der oder die Kondensatoren zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenkreisspannungsanschluss als Folienkondensatoren ausgebildet sind. It is further preferred if the capacitor or capacitors between the first and the second DC link voltage connection are formed as film capacitors.
Dadurch kann ein zuverlässiger Zwischenkreis bereitgestellt werden. As a result, a reliable DC link can be provided.
Es ist weiterhin allgemein bevorzugt, wenn die Gleichrichterspannungswandlerschaltung eine Gleichrichterschaltung und eine Gleichspannungswandlerschaltung aufweist, die als Schaltnetzteil ausgebildet ist, wobei der Betrag der Zwischenkreisspannung mittels des Schaltnetzteils einstellbar ist. Dadurch wird eine einfache und kostengünstige Schaltung zum Einstellen des Betrages der Zwischenkreisgleichspannung bereitgestellt, die einen geringen Regelbedarf aufweist und die entsprechende Spannung verlustarm einstellen kann. It is also generally preferred if the rectifier voltage converter circuit comprises a rectifier circuit and a DC-DC converter circuit which is designed as a switching power supply, wherein the amount of the intermediate circuit voltage is adjustable by means of the switching power supply. As a result, a simple and cost-effective circuit for adjusting the amount of DC link voltage is provided, which has a low control requirement and can set the corresponding voltage loss.
Es ist dabei bevorzugt, wenn die Gleichrichterspannungswandlerschaltung eine It is preferred if the rectifier voltage converter circuit a
Blindleistungskompensationsspannungbildet. Reactive power compensation voltage forms.
Dadurch wirkt die gesamte Ladevorrichtung wie eine Ohmsche Last, wodurch die As a result, the entire charging device acts like an ohmic load, causing the
Aufnahme von Blindleistung reduziert bzw. eliminiert ist. Recording of reactive power is reduced or eliminated.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Wechselspannungsquelle ein öffentliches It is furthermore preferred if the AC voltage source is a public
Niederspannungsnetz ist. Dadurch kann die Ladevorrichtung im Wesentlichen ortsunabhängig zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet werden. Low voltage network is. As a result, the charging device can be used substantially independently of location for charging the electrical energy store.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Zwischenkreisgleichspannung eine pulsierende Gleichspannung ist und ein von der Gleichrichterspannungswandlerschaltung It is further preferred if the intermediate circuit DC voltage is a pulsating DC voltage and one of the rectifier voltage converter circuit
bereitgestellter Zwischenkreisstrom ein pulsierender Gleichstrom ist, der phasengleich mit der Zwischengleichspannung ausgebildet ist. provided intermediate circuit current is a pulsating direct current, which is formed in phase with the intermediate DC voltage.
Dadurch wirkt die gesamte Ladevorrichtung wie eine Ohmsche Last. Es versteht sich, dass Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung auch entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren zutreffen bzw. anwendbar sind. As a result, the entire charging device acts like an ohmic load. It is understood that features, properties and advantages of the charging device according to the invention also apply correspondingly to the method according to the invention or are applicable.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers; Fig. 1 shows in schematic form a charging device according to the invention for charging an electrical energy storage device;
Fig. 2 zeigt in schematischer Form einen Gleichrichter mit nachgeschaltetem Fig. 2 shows in schematic form a rectifier with downstream
Gleichspannungswandler zur Blindleistungskompensation; Fig. 3 zeigt einen Serienresonanzwandler; und DC-DC converter for reactive power compensation; Fig. 3 shows a series resonance converter; and
Fig. 4a) bis d) zeigen die zeitlichen Verläufe des Zwischenkreisstroms, der Fig. 4a) to d) show the time course of the DC link current, the
Zwischenkreisspannung, der Ladeleistung des elektrischen Energiespeichers und des Ausgangsstroms. DC link voltage, the charging power of the electrical energy storage and the output current.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In Fig. 1 ist die Schaltung einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. In Fig. 1, the circuit of a charging device according to the invention is shown schematically and generally designated 10.
Die Ladevorrichtung 10 weist eine erste Eingangsspannungsklemme 12 und eine zweite Eingangsspannungsklemme 14 auf, die zusammen einen Spannungseingang bilden. Die Ladevorrichtung 10 weist ferner eine erste Ausgangsspannungsklemme 12 und eine zweite Ausgangsspannungsklemme 14 auf, die zusammen einen Spannungsausgang bilden. Die Eingangsspannungsklemmen 12, 14 sind dazu ausgebildet, mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden zu werden. Zwischen den The charging device 10 has a first input voltage terminal 12 and a second input voltage terminal 14, which together form a voltage input. The charging device 10 further includes a first output voltage terminal 12 and a second output voltage terminal 14 which together form a voltage output. The input voltage terminals 12, 14 are adapted to be connected to an AC voltage source, not shown. Between
Eingangsspannungsklemmen 12, 14 liegt die Eingangsspannung UN an, die Input voltage terminals 12, 14 is applied to the input voltage UN, the
vorzugsweise der öffentlichen Netzspannung entspricht. Das heißt, dass die preferably corresponds to the public grid voltage. That means that the
Wechselspannungsquelle in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein öffentliches Niederspannungsnetz ist. Über die Eingangsspannungsklemmen 12, 14 wird der Ladevorrichtung 10 ein Eingangsstrom IN bereitgestellt. Die Eingangsspannung UN ist eine Wechselspannung und der Eingangsstrom IN ist ein Wechselstrom, die vorzugsweise sinusförmig ausgebildet sind. AC power source in a preferred embodiment of the invention is a public low-voltage network. About the input voltage terminals 12, 14 of the charging device 10, an input current IN is provided. The input voltage UN is an alternating voltage and the input current IN is an alternating current, which are preferably sinusoidal.
Die Ausgangsspannungsklemmen 16, 18 sind mit einem zu ladenden elektrischen Energiespeicher 20 bzw. einer Batterie 20 verbunden, um den elektrischen The output voltage terminals 16, 18 are connected to an electrical energy storage 20 to be charged or a battery 20 to the electrical
Energiespeicher 20 bzw. die Batterie 20 entsprechend zu laden. Die Eingangsspannungsklemmen 12, 14 sind mit einer Energy store 20 and the battery 20 to load accordingly. The input voltage terminals 12, 14 are connected to a
Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 verbunden, die vorzugsweise als PFC-Stufe ausgebildet ist. Die Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 ist ausgangsseitig mit einer ersten Zwischenkreisklemme 24 und einer zweiten Zwischenkreisklemme 26 verbunden. Die Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 bildet aus der  Rectifier voltage converter circuit 22 is connected, which is preferably formed as a PFC stage. The rectifier voltage converter circuit 22 is connected on the output side to a first intermediate circuit terminal 24 and a second intermediate circuit terminal 26. The rectifier voltage converting circuit 22 is formed of
Eingangswechselspannung UN eine gleichgerichtete pulsierende Gleichspannung UZK zwischen den Zwischenkreisklemmen 24, 26. Die Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 weist einen in Fig. 1 nicht näher Input AC voltage UN a rectified pulsating DC voltage UZK between the intermediate circuit terminals 24, 26. Die Rectifier voltage converter circuit 22 does not have a closer in Fig. 1
dargestellten Gleichrichter und einen Gleichspannungswandler zum Einstellen der mittleren Zwischenkreisspannung UZK auf und bildet eine shown rectifier and a DC-DC converter for adjusting the average DC link voltage UZK and forms a
Blindleistungskompensationsschaltung, wie es im Weiteren erläutert ist. Dadurch wirkt die Gleichspannungswandlerschaltung 22 wie eine rein Ohmsche Last, da sich keine  Reactive power compensation circuit, as explained below. As a result, the DC-DC converter circuit 22 acts as a purely resistive load, since no
Phasenverschiebung zwischen UN und IN ergibt. Ferner kann die Phase shift between UN and IN results. Furthermore, the
Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 die pulsierende Zwischenkreisspannung UZK mit einfachen Mitteln beliebig einstellen. Die Rectifier voltage converter circuit 22, the pulsating DC link voltage UZK arbitrarily set by simple means. The
Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 ist mit einer Steuereinheit 28 verbunden, die über ein Steuersignal 30 die mittlere Zwischenkreisspannung UZK einstellt. Ein von der Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 an den Zwischenkreisklemmen 24, 26 bereitgestellter Zwischenkreisstrom IZK und die Zwischenkreisspannung UZK weisen durch die Blindleistungskompensationsschaltung keine Phasenverschiebung auf.  Rectifier voltage converter circuit 22 is connected to a control unit 28 which adjusts the mean DC link voltage UZK via a control signal 30. A DC link current IZK provided by the rectifier voltage converter circuit 22 at the DC link terminals 24, 26 and the DC link voltage UZK have no phase shift due to the reactive power compensation circuit.
Die Ladevorrichtung 10 weist ferner eine Gleichspannungswandlerschaltung 32 auf, die eingangsseitig mit den Zwischenkreisklemmen 24, 26 und ausgangsseitig mit den Ausgangsspannungsklemmen 16, 18 verbunden ist. Die The charging device 10 also has a DC-DC converter circuit 32, which is connected on the input side to the intermediate circuit terminals 24, 26 and on the output side to the output voltage terminals 16, 18. The
Gleichrichterspannungswandlerschaltung 32 ist vorzugsweise als Resonanzwandler ausgebildet und wandelt die Zwischenkreisspannung UZK und den Zwischenkreisstrom IZK in eine Ausgangsspannung UO und einen Ausgangsstrom IO um, die zum Laden des Energiespeichers 20 dienen. Da der Spannungsabfall an dem elektrischen  Rectifier voltage converter circuit 32 is preferably designed as a resonant converter and converts the intermediate circuit voltage UZK and the intermediate circuit current IZK into an output voltage UO and an output current IO, which serve to charge the energy store 20. As the voltage drop across the electrical
Energiespeicher 20 durch den Energiespeicher 20 selbst vorgegeben ist, stellt sich eine feste Spannung UO an den Ausgangsspannungsklemmen 16, 18 ein. Dadurch wird der Ausgangsstrom IO variabel und somit auch die an den elektrischen Energiespeicher 20 abgegebene elektrische Leistung. Da der Gleichspannungswandler 32 vorzugsweise als Serienresonanzwandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist, wird der Energy storage 20 is predetermined by the energy storage 20 itself, a fixed voltage UO is at the output voltage terminals 16, 18 a. As a result, the output current IO variable and thus also the output to the electrical energy storage 20 electrical power. Since the DC-DC converter 32 is preferably designed as a series resonant converter with galvanic isolation, the
Ausgangsstrom IO über die Zwischenkreisspannung UZK und somit den sich Output current IO via the intermediate circuit voltage UZK and thus the
einstellenden Zwischenkreisstrom IZK bestimmt. Daher kann die übertragene adjusting DC link current IZK determined. Therefore, the transmitted
Ladeleistung durch Einstellen der Zwischenkreisspannung UZK variabel eingestellt werden. Charging power can be set variably by setting the DC link voltage UZK.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der Ladevorrichtung 10 auf den Einsatz eines großen Zwischenkreiskondensators zur Leistungsglättung verzichtet. Dadurch weist der Ausgangssstrom IO eine Frequenz auf, die doppelt so hoch ist wie die Frequenz der Wechselspannungsquelle. Dadurch kann auf aufwendige und teure In contrast to the prior art, the loading device 10 dispenses with the use of a large DC link capacitor for power smoothing. As a result, the output current IO has a frequency that is twice as high as the frequency of the AC voltage source. This can be costly and expensive
Elektrolytkondensatoren mit begrenzter Lebensdauer verzichtet werden. Im Ergebnis kann somit die Ladeleistung der Ladevorrichtung 10 über die Zwischenkreisspannung UZK beliebig eingestellt werden. Electrolytic capacitors with limited life are dispensed with. In the result Thus, the charging power of the charging device 10 can be set arbitrarily via the intermediate circuit voltage UZK.
In Fig. 2 ist die Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 schematisch dargestellt. Die Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 weist eine Gleichrichterschaltung 34 und einen Gleichspannungswandler 36 auf. 2, the rectifier voltage converter circuit 22 is shown schematically. The rectifier voltage converter circuit 22 includes a rectifier circuit 34 and a DC-DC converter 36.
Der Gleichrichter 34 ist als herkömmlicher B2-Gleichrichter ausgebildet und weist zwei parallele Stromzweige mit jeweils zwei Dioden auf, zwischen denen die The rectifier 34 is designed as a conventional B2 rectifier and has two parallel current branches, each with two diodes, between which the
Eingangsspannungsanschlüsse 12, 14 angeschlossen sind. Die Gleichrichterschaltung 34 stellt dem Gleichspannungswandler 36 einen pulsierenden Gleichstrom bzw. eine pulsierende Gleichspannung bereit. Der Gleichspannungswandler 36 ist als Input voltage terminals 12, 14 are connected. The rectifier circuit 34 provides the DC-DC converter 36 with a pulsating DC voltage or a pulsating DC voltage. The DC-DC converter 36 is as
Hochsetzsteller 36 ausgebildet und weist in dieser Ausführungsform eine Spule und eine Diode, zwischen denen eine Brücke mit einem Transistor angeschlossen ist, und eine parallel geschaltete Kapazität auf. Insgesamt stellt die Step-up converter 36 is formed and has in this embodiment, a coil and a diode, between which a bridge is connected to a transistor, and a parallel-connected capacitance. Overall, the
Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 eine blindleistungskompensierte Schaltung dar, die sich wie eine Ohmsche Last verhält.  Rectifier voltage converter circuit 22 is a reactive power compensated circuit that behaves like an ohmic load.
Dadurch wird durch die Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 aus der Thereby, by the rectifier voltage converter circuit 22 of the
Wechselspannung UN und dem Wechselstrom IN eine leicht pulsierende Gleichspannung UZK und ein entsprechend pulsierender Gleichstrom IZK bereitgestellt, die keine AC voltage UN and the AC IN a slightly pulsating DC voltage UZK and a correspondingly pulsating DC IZK provided that no
Phasenverschiebung aufweisen und wobei über den Gleichspannungswandler der Mittelwert der Zwischenkreisspannung UZK nahezu beliebig einstellbar ist. Dazu ist der Transistor S1 mit der Steuereinheit 28 verbunden. Die Elemente, die in Fig. 2 die Have phase shift and wherein the mean value of the intermediate circuit voltage UZK is almost arbitrarily adjustable via the DC-DC converter. For this purpose, the transistor S1 is connected to the control unit 28. The elements that in Fig. 2 the
Gleichrichterspannungswandlerschaltung bilden, sind als beispielhaft anzusehen, wobei die jeweiligen Komponenten bestehend aus dem Gleichrichter 34 und dem Rectifier voltage converter circuit are to be regarded as exemplary, wherein the respective components consisting of the rectifier 34 and the
Gleichspannungswandler 36 durch beliebige Komponenten mit gleicher Funktion ersetzt werden können. In Fig. 3 ist ein Senenresonanzwandler dargestellt und allgemein mit 40 bezeichnet. Der Serienresonanzwandler 40 bildet vorzugsweise die Gleichspannungswandlerschaltung 22 der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 10. Der Serienresonanzwandler 40 weist einen Wechselrichter 42, einen Transformator 44 und einen Gleichrichter 46 auf. Eingangsseitig ist zwischen den Zwischenkreisklemmen 24, 26 ein Zwischenkreiskondensator 48 geschaltet, der als Folienkondensator ausgebildet ist und eine Kapazität von ca. 50 F aufweist. Ausgangsseitig ist zwischen den Ausgangsspannungsklemmen 16, 18 ein Ausgangskondensator 50 geschaltet. DC-DC converter 36 can be replaced by any components with the same function. In Fig. 3, a Senenresonanzwandler is shown and generally designated 40. The series resonant converter 40 preferably forms the DC-DC converter circuit 22 of the charging device 10 according to the invention. The series resonant converter 40 has an inverter 42, a transformer 44 and a rectifier 46. On the input side, an intermediate circuit capacitor 48 is connected between the intermediate circuit terminals 24, 26, which is formed as a film capacitor and has a capacitance of about 50 F having. On the output side, an output capacitor 50 is connected between the output voltage terminals 16, 18.
Der Wechselrichter 42 weist zwei Brückenzweige 52, 54 auf, die durch entsprechende Ansteuerung aus dem pulsierenden Zwischenkreisgleichstrom IZK einen Wechselstrom IP wandelt, der den Eingangsstrom für den Transformator 44 bildet. Die Ansteuerung des Wechselrichters 42 bzw. der Transistoren des Wechselrichters 42 erfolgt mit vollem Tastgrad, so dass während der Hälfte einer jeden Tastperiode ein positiver Strom IP dem Transformator 44 bereitgestellt wird und während der jeweiligen andere Hälfte der Taktperiode ein negativer Strom IP dem Transformator 44 bereitgestellt wird. Die The inverter 42 has two bridge branches 52, 54, which converts an alternating current IP, which forms the input current for the transformer 44, by appropriate control from the pulsating DC link DC current IZK. The drive of the inverter 42 or the transistors of the inverter 42 takes place with a full duty cycle, so that a positive current IP is provided to the transformer 44 during half of each sampling period and a negative current IP is provided to the transformer 44 during the respective other half of the clock period becomes. The
Taktfrequenz und der Tastgrad sind vorzugsweise fest eingestellt, wodurch der Clock frequency and the duty cycle are preferably fixed, whereby the
Regelaufwand reduziert werden kann. Regular effort can be reduced.
Der Transformator 44 weist über ein festes Windungsverhältnis ein konstantes The transformer 44 has a constant winding ratio over a constant
Übersetzungsverhältnis auf und bildet eine galvanische Trennung zwischen den Transmission ratio and forms a galvanic isolation between the
Ausgangsspannungsklemmen 16, 18 und den Zwischenkreisklemmen 24, 26. Der Transformator stellt eine entsprechend übersetzte Spannung und einen entsprechenden Strom dem Gleichrichter 46 bereit. Der Gleichrichter 46 ist durch eine Zweiweg- Gleichrichtung mit den Brückenzweigen 56, 58 gebildet und wandelt die Output voltage terminals 16, 18 and the intermediate circuit terminals 24, 26. The transformer provides a correspondingly translated voltage and a corresponding current to the rectifier 46 ready. The rectifier 46 is formed by two-way rectification with the bridge branches 56, 58 and converts the
Wechselspannung bzw. den Wechselstrom, die von dem Transformator 44 bereitgestellt werden, in eine pulsierende Gleichspannung bzw. einen pulsierenden Gleichstrom um, der an den Ausgangsspannungsklemmen 16, 18 anliegt und die Ladeleistung für den Energiespeicher 20 bildet. Entsprechend stellt sich ein sinusförmiger Ausgangsstrom IO ein, der aufgrund der fehlenden Leistungsglättung ebenso wie die AC voltage or the alternating current, which are provided by the transformer 44, in a pulsating DC voltage or a pulsating DC current, which is applied to the output voltage terminals 16, 18 and forms the charging power for the energy storage 20. Accordingly, a sinusoidal output current IO sets in, due to the lack of power smoothing as well as the
Zwischenkreisspannung UZK eine Frequenz aufweist, die der doppelten Frequenz der Wechselspannungsquelle entspricht. DC link voltage UZK has a frequency which corresponds to twice the frequency of the AC voltage source.
Die zwischen den Ausgangsspannungsquellen 16, 18 anliegende Spannung UO ist durch die Spannung des angeschlossenen Energiespeichers 20 vorgegeben bzw. eingestellt. Dadurch stellt sich ein Ausgangsstrom IO entsprechend der Zwischenkreisspannung UZK am Eingang des Wechselrichters 42 ein. Dadurch lässt sich die übertragene Leistung der gesamten Ladevorrichtung 10 über die Zwischenkreisspannung UZK einstellen. Sobald die Zwischenkreisspannung UZK ansteigt, steigt auch die Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Serienresonanzwandlers, so dass sich ein entsprechend erhöhter Ausgangsstrom IO und damit eine entsprechend erhöhte The voltage UO present between the output voltage sources 16, 18 is predetermined or set by the voltage of the connected energy store 20. As a result, an output current IO corresponding to the intermediate circuit voltage UZK at the input of the inverter 42 sets. As a result, the transmitted power of the entire charging device 10 can be adjusted via the intermediate circuit voltage UZK. As soon as the intermediate circuit voltage UZK rises, the voltage difference between the input and the output of the series resonance converter increases, so that a correspondingly increased output current IO and thus a correspondingly increased
Übertragungsleistung einstellt. Entsprechend sinkt der Ausgangsstrom IO bzw. die übertragene Ladeleistung mit sinkender Zwischenkreisspannung UZK. Somit kann auf eine gesonderte Regelung der Gleichspannungswandlerschaltung 32 verzichtet werden. Setting transmission power. Accordingly, the output current IO or decreases transferred charging power with decreasing intermediate circuit voltage UZK. Thus, a separate control of the DC-DC converter circuit 32 can be dispensed with.
Daher kann mittels der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung 10 eine nahezu beliebige Ladeleistung eingestellt werden, und zwar lediglich über die Ansteuerung des Therefore, by means of the charging device 10 according to the invention, an almost any charging power can be set, and only via the control of the
Schaltnetzteils 36 und die dadurch einstellbare Zwischenkreisspannung UZK. Switching power supply 36 and the thus adjustable intermediate circuit voltage UZK.
Dadurch, dass sich ein konstantes Spannungsübersetzungsverhältnis für die Due to the fact that a constant voltage transmission ratio for the
potenzialtrennende Gleichspannungswandlerschaltung einstellt, kann ein optimaler Arbeitspunkt eingestellt werden. Aufgrund der pulsierenden Leistung ist die adjusting DC-DC converter circuit, an optimum operating point can be set. Due to the pulsating performance is the
Gleichspannungswandlerschaltung für diesen Betrieb jedoch für die doppelte DC-DC converter circuit for this operation but for the double
Übertragungsleistung auszulegen, wodurch das Transformatorvolumen stark zunimmt. In dem vorliegenden Fall nimmt das Transformatorvolumen um etwa 70 % gegenüber einem Aufbau mit Leistungsglättung zu. Durch eine geeignete Auswahl des Transmission power to design, whereby the transformer volume increases sharply. In the present case, the transformer volume increases by about 70% over a power smoothing design. By a suitable choice of the
Gleichspannungswandlers in Verbindung mit der verwendeten Schaltfrequenz lässt sich dieser Nachteil jedoch kompensieren. DC converter in conjunction with the switching frequency used, however, this disadvantage can be compensated.
In Fig. 4 sind Verläufe des Zwischenkreisstroms IZK, der Zwischenkreisspannung UZK, der Batterieladeleistung P und des Batterieladestroms 10 schematisch dargestellt. FIG. 4 schematically shows curves of the intermediate circuit current IZK, the intermediate circuit voltage UZK, the battery charging power P and the battery charging current 10.
Fig. 4a) zeigt den Zwischenkreisstrom IZK, der als pulsierender Gleichstrom ausgebildet ist, mit einer Frequenz von 100 Hz, was der doppelten Frequenz der Fig. 4a) shows the DC link current IZK, which is designed as a pulsating direct current, with a frequency of 100 Hz, which is twice the frequency of
Wechselspannungsquelle bzw. der doppelten Netzfrequenz entspricht. Aus Fig. 4a) ist ersichtlich, dass der Zwischenkreisstrom IZK lediglich gleichgerichtet ist, wobei keine Glättung durch einen Zwischenkreiskondensator erfolgt ist. AC voltage source or twice the mains frequency corresponds. From Fig. 4a) it can be seen that the DC link current IZK is only rectified, with no smoothing is done by a DC link capacitor.
In Fig. 4b) ist die Zwischenkreisspannung UZK dargestellt, die als pulsierende In Fig. 4b), the intermediate circuit voltage UZK is shown, which as a pulsating
Gleichspannung ausgebildet ist, wobei durch die geringe Kapazität des DC voltage is formed, which is due to the low capacity of the
Zwischenkreiskondensators 48 eine leichte Glättung erfolgt ist. Die DC link capacitor 48 a slight smoothing is done. The
Zwischenkreisspannung UZK weist eine Grundfrequenz von 100 Hz auf, was der doppelten Frequenz der Wechselspannungsquelle entspricht und ist phasengleich mit dem Zwischenkreisstrom IZK. Ferner weist die Zwischenkreisspannung ein weiteres, hoherfrequentes Signal auf, was durch die Taktung des Schaltnetzteils 36 hervorgerufen wird. In Fig. 4c) ist die Batterieladeleistung dargestellt, die sich aus dem Produkt der DC link voltage UZK has a fundamental frequency of 100 Hz, which is twice the frequency of the AC voltage source and is in phase with the DC link current IZK. Furthermore, the intermediate circuit voltage to another, higher-frequency signal, which is caused by the timing of the switching power supply 36. In Fig. 4c) the battery charging power is shown, resulting from the product of
Ausgangsspannung UO und des Ausgangsstroms IO ergibt. Die Ladeleistung ist ebenfalls pulsierend mit einer Frequenz von 100 Hz und phasengleich mit UZK und IZK. In Fig. 4d) ist der Ladestrom IO dargestellt, der ebenfalls ein pulsierender Gleichstrom mit einer Frequenz von 100 Hz ist. Es ist daher ersichtlich, dass die Batterie bzw. der Energiespeicher 20 mit pulsierendem Gleichstrom geladen wird. Die dadurch erhöhte Strombelastung für die Halbleiterdioden des Gleichrichters 46 kann durch die geringeren Schaltverluste in dem galvanisch getrennten Transformator über den gesamten Output voltage UO and the output current IO results. The charging power is also pulsating with a frequency of 100 Hz and in phase with UZK and IZK. In Fig. 4d), the charging current IO is shown, which is also a pulsating direct current with a frequency of 100 Hz. It can therefore be seen that the battery or the energy store 20 is charged with pulsating direct current. The resulting increased current load for the semiconductor diodes of the rectifier 46 can by the lower switching losses in the galvanically isolated transformer over the entire
Spannungs- bzw. Leistungsbereich des Energiespeichers 20 ausgeglichen werden bzw. überkompensiert werden, da die erhöhten Verluste in den Dioden geringer sind als die Reduktion der Schaltverluste. Voltage or power range of the energy storage 20 are compensated or overcompensated, since the increased losses in the diodes are less than the reduction of the switching losses.
Durch die Ladevorrichtung können nahezu beliebige Energiespeicher 20 geladen werden, wobei allerdings die bereitgestellte Spannung des Energiespeichers 20 durch die Almost any desired energy store 20 can be charged by the charging device, although the voltage supplied by the energy store 20 can be charged by the charging device
Sperrfähigkeit der verwendeten Transistoren und Dioden begrenzt ist. Für den Fall sehr hoher Batteriespannungen müssen sowohl für die  Blocking capability of the transistors and diodes used is limited. In the case of very high battery voltages, both for the
Gleichrichterspannungswandlerschaltung 22 als auch für die  Rectifier voltage converter circuit 22 as well as for the
Gleichspannungswandlerschaltung Halbleiterbauteile (Transistoren und Dioden) verwendet werden, die eine höhere Sperrfähigkeit aufweisen.  DC-DC converter circuit can be used semiconductor devices (transistors and diodes), which have a higher blocking capability.

Claims

Ansprüche 1 . Ladevorrichtung (10) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (20), mitClaims 1. Charging device (10) for charging an electrical energy store (20), with
- einem ersten und einem zweiten Eingangsspannungsanschluss (12, 14), um die Ladevorrichtung (10) an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen, a first and a second input voltage terminal (12, 14) for connecting the charging device (10) to an AC voltage source,
- einem ersten und einem zweiten Ausgangsspannungsanschluss (16, 18), um die Ladevorrichtung (10) an den zu ladenden Energiespeicher (20) anzuschließen,  a first and a second output voltage connection (16, 18) in order to connect the charging device (10) to the energy store (20) to be charged,
- einer Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22), die eingangsseitig mit den - A rectifier voltage converter circuit (22), the input side with the
Eingangsspannungsanschlüssen (12, 14) verbunden ist und ausgangsseitig mit einem ersten und einem zweiten Zwischenkreisspannungsanschluss (24, 26) verbunden ist und dazu ausgebildet ist, zwischen den Zwischenkreisspannungsanschlüssen (24, 26) eine Zwischenkreisgleichspannung (UZK) bereitzustellen,  Input voltage terminals (12, 14) is connected and the output side with a first and a second intermediate circuit voltage terminal (24, 26) is connected and adapted to provide between the intermediate circuit voltage terminals (24, 26) a DC link voltage (UZK),
- einer Gleichspannungswandlerschaltung (32), die eingangsseitig mit den - A DC-DC converter circuit (32), the input side with the
Zwischenkreisanschlüssen (24, 26) verbunden ist und ausgangsseitig mit den  DC link connections (24, 26) is connected and the output side with the
Ausgangsspannungsanschlüssen (16, 18) der Ladevorrichtung (10) verbunden ist, wobei die Gleichspannungswandlerschaltung (32) dazu ausgebildet ist, eine Output voltage terminals (16, 18) of the charging device (10) is connected, wherein the DC-DC converter circuit (32) is adapted to a
Ausgangsgleichspannung (UO) und einen Ausgangsgleichstrom (IO) an den DC output voltage (UO) and a DC output current (IO) to the
Ausgangsanschlüssen (16, 18) bereitzustellen, Provide output terminals (16, 18),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Zwischenkreisgleichspannung (UZK) über die the DC link voltage (UZK) over the
Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) einstellbar ist, um eine elektrische Leistung (P), die von den Eingangsspannungsanschlüssen (12, 14) an die  Rectifier voltage converter circuit (22) is adjustable to an electrical power (P) from the input voltage terminals (12, 14) to the
Ausgangsspannungsanschlüsse (16, 18) und/oder den zu ladenden Energiespeicher (20) übertragen wird, einzustellen. Output voltage terminals (16, 18) and / or to be charged energy storage (20) is transmitted, set.
2. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 2. Loading device according to claim 1, characterized in that the
Gleichspannungswandlerschaltung (32) eine galvanische Trennung (44) zwischen den Zwischenkreisanschlüssen (24, 26) und den Ausgangsspannungsanschlüssen (16, 18) bildet. DC converter circuit (32) forms a galvanic isolation (44) between the intermediate circuit terminals (24, 26) and the output voltage terminals (16, 18).
3. Ladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gleichspannungswandlerschaltung (32) als Serienresonanzwandler (32) ausgebildet ist. 3. Charging device according to claim 1 or 2, wherein the DC-DC converter circuit (32) is designed as a series resonant converter (32).
4. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandlerschaltung (32) dazu ausgebildet ist, einen pulsierenden 4. Loading device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the DC-DC converter circuit (32) is adapted to a pulsating
Ausgangsstrom (IO) bereitzustellen, der dieselbe Frequenz wie die Output current (IO) to provide the same frequency as the
Zwischenkreisgleichspannung (UZK) aufweist. DC link voltage (UZK) has.
5. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder dem Oberbegriff von Anspruch5. Loading device according to one of claims 1 to 4 or the preamble of claim
I , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten I, characterized in that between the first and the second
Zwischenkreisspannungsanschluss (24, 26) ein oder mehrere Kondensatoren (48) geschaltet sind, deren Gesamtkapazität kleiner als 100 μΡ ist, insbesondere kleiner als 50 μΡ ist. DC link voltage connection (24, 26) one or more capacitors (48) are connected, whose total capacity is less than 100 μΡ, in particular less than 50 μΡ.
6. Ladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die 6. Loading device according to claim 5, characterized in that the or
Kondensatoren (48) als Folienkondensatoren ausgebildet sind. Capacitors (48) are designed as film capacitors.
7. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) eine Gleichrichterschaltung (34) und eine Gleichspannungswandlerschaltung (36) aufweist, die als Schaltnetzteil (36) ausgebildet ist, wobei der Betrag der Zwischenkreisspannung (UZK) mittels des Schaltnetzteils (36) einstellbar ist. 7. Loading device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rectifier voltage converter circuit (22) comprises a rectifier circuit (34) and a DC-DC converter circuit (36) which is designed as a switching power supply (36), wherein the amount of the intermediate circuit voltage (UZK) by means of the switching power supply (36) is adjustable.
8. Ladevorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) eine Blindleistungskompensationsschaltung bildet. A charging device according to claim 7, wherein the rectifier voltage converting circuit (22) constitutes a reactive power compensation circuit.
9. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die 9. Loading device according to one of claims 1 to 8, wherein the
Wechselspannungsquelle ein öffentliches Niederspannungsnetz ist. AC power source is a public low voltage network.
10. Ladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisgleichspannung (UZK) eine pulsierende Gleichspannung ist und ein von der Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) bereitgestellter Zwischenkreisstrom (IZK) ein pulsierender Gleichstrom ist, der phasengleich mit der 10. Loading device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the intermediate circuit DC voltage (UZK) is a pulsating DC voltage and one of the rectifier voltage converter circuit (22) provided intermediate circuit current (IZK) is a pulsating direct current, which is in phase with the
Zwischenkreisgleichspannung (UZK) ausgebildet ist. DC link voltage (UZK) is formed.
I I . Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (20), wobei eine I i. A method for charging an electrical energy store (20), wherein a
Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird, wobei eine Zwischenkreisgleichspannung (UZK) von der Rectifier voltage converter circuit (22) is connected to an AC voltage source, wherein a DC link DC voltage (UZK) of the
Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) bereitgestellt wird, und wobei aus der Zwischenkreisgleichspannung (UZK) mittels einer Gleichspannungswandlerschaltung (32) eine Ausgangsgleichspannung (UO) und einen Ausgangsgleichstrom (IO) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (20) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisgleichspannung (UZK) mittels der Gleichrichterspannungswandlerschaltung (22) eingestellt wird, um eine von der Wechselspannungsquelle auf den zu ladenden elektrischen Energiespeicher (20) übertragene elektrische Leistung (P) einzustellen. Rectifier voltage converter circuit (22) is provided, and wherein the DC link voltage (UZK) by means of a DC voltage converter circuit (32) a DC output voltage (UO) and a DC output current (IO) for charging the electrical energy store (20) is provided, characterized in that the DC link voltage (UZK) is adjusted by means of the rectifier voltage converter circuit (22), to adjust one of the AC voltage source to be charged to the electrical energy storage device (20) transmitted electrical power (P).
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