JP7843382B2 - 充電機器および充電機器の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、充電機器および充電機器の動作方法に関する。さらに本発明は、充電機器を備えたパワートレイン、パワートレインを備えた車両、ならびにコンピュータプログラムおよび機械可読のメモリ媒体に関する。

例えば電気駆動部を備えた車両内、電動車両またはハイブリッド車両内の充電機器は、電気エネルギー源、好ましくは外部の交流電流源または公共の交流電流ネットワークから、バッテリー、好ましくは蓄電池またはトラクションバッテリーを再充電するために用いられる。このため、充電機器は外部のエネルギー源の正弦波交流電流を直流電流に変換する。単相交流電流の場合、電力は交流電流の２倍の周波数で脈動する。

充電機器は、２段のパワーエレクトロニクスを有することが好ましい。第１の段、いわゆる力率改善回路段、ＰＦＣ段は、交流電圧ネットワークからの正弦波入力電圧を直流電圧に変換する。第２の段は直流電圧変換器またはＤＣ／ＤＣ変換器から成り、変圧器によるガルバニック絶縁を保証し、電圧レベルを適合する。電気回路および調節部によって、出力電圧および／または出力電流がバッテリーの充電のために調整されることが好ましい。両方の段の間には、エネルギー源の交流電流の２倍の周波数での電力脈動をバッファリングする中間回路コンデンサが配置されている。この中間回路は、少なくとも１つの電解コンデンサによって実現されるのが典型的である。このトポロジーは、ネットワーク側の規準を満たすためにネットワーク側でのほぼ正弦波状の入力電流を維持すること、安全要件を満たすためのネットワークと車両の間のガルバニック絶縁、および充電動作中のバッテリーの負荷を最小限に抑えるためにバッテリー側で一定の出力直流電流を提供することを可能にする。

電気駆動部を備えた車両内で、バッテリーはさらに、電気駆動機械にエネルギーを供給するためのインバータと結合されている。このインバータに並列に、直流電圧変換器が、エネルギーを制御機器に供給するべく車両の低電圧ネットワークまたはオンボードネットワークに供給するために接続されている。オンボードネットワークに接続されたインバータを使って、車両内の交流電圧コンセントにエネルギーを供給するために交流電圧を生成することが知られている。この交流電圧コンセントは、家庭用消費機器を車両内で動作させるために設けられている。家庭用消費機器とは、例えばメディアプレーヤー、コンピュータ、モバイルデバイス用充電機器、アイスボックス、またはコーヒーメーカーである。

結果としての車両内での多くの電圧変換器は困難であり、車両内の多くの空間を必要とする。したがって多くの必要な電圧を提供するための、単純で、コンパクトで、効率的な解決策への要求が存在している。

車両用の充電機器であって、
入力側で単相～三相の交流電圧を接続するための好ましくは三相の入力端子ユニットと、中間端子に直流電圧を提供するためのＰＦＣ段と、交流電圧を提供するための２極の交流電圧端子とを含む、充電機器が提供される。ＰＦＣ段は、第１、第２、および第３のハーフブリッジを含む。第１、第２、および第３のハーフブリッジはそれぞれ、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを備えた直列回路を含む。ハーフブリッジのハイサイドスイッチとローサイドスイッチの間の中間タップはそれぞれ、第１、第２、および第３のチョークコイルをそれぞれ介して、好ましくは三相の入力端子ユニットのそれぞれ第１、第２、および第３の入力端子と、それぞれ第１、第２、および第３の接続導線を介して結合可能である。したがって第１のハーフブリッジの中間タップは、第１のチョークコイルを介し、第１の接続導線を介して第１の入力端子と結合可能である。したがって第２のハーフブリッジの中間タップは、第２のチョークコイルを介し、第２の接続導線を介して第２の入力端子と結合可能である。したがって第３のハーフブリッジの中間タップは、第３のチョークコイルを介し、第３の接続導線を介して第３の入力端子と結合可能である。これらのハーフブリッジは並列に接続されており、それらの端は２極の中間端子と結合されている。ハイサイドスイッチは２極の中間端子の正の中間端子と、およびローサイドスイッチは負の中間端子と結合されている。この充電機器は、第１、第２、および第３のハーフブリッジに対して並列に接続された第４のハーフブリッジを含む。第４のハーフブリッジはハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチを含み、第４のハーフブリッジのハイサイドスイッチとローサイドスイッチの間の中間タップは、第６のスイッチング素子を介して２極の交流電圧端子の第２の交流電圧端子とスイッチング可能に結合されている。第４のスイッチング素子、好ましくは第４の切替接点が設けられており、第３のチョークコイルを介した第３のハーフブリッジと２極の交流電圧端子の第１の交流電圧端子との結合または第３のチョークコイルを介した第３のハーフブリッジと第３の接続導線との第３の入力端子への結合を確立するために適応されている。第４のスイッチング素子を使って、第３の接続導線がＰＦＣ段から、したがって第１および第２のコンデンサから切り離され得ることがさらに有利である。これにより第１および第２のコンデンサの充電後に初めて第３の接続導線がＰＦＣ段と結合されることが好ましい。したがって、第３の接続導線を接続した際の始動電流が阻止されることが好ましい。第３の入力端子と第３の接続導線の間のプリチャージ抵抗をなくせることが好ましい。

２極の交流電圧端子の動作時には、中間端子に印加されている電気エネルギーが、２極の交流電圧端子に提供されることが好ましい。中間端子における電気エネルギーは、外部のエネルギー源またはインフラまたはＥＶＳＥ（電気自動車用給電装置）から、入力端子ユニットおよびＰＦＣ段を介して提供されるか、または充電機器に接続されたバッテリー、好ましくは車両のトラクションバッテリーから、中間端子に接続された双方向ＤＣ／ＤＣ変換器を介して提供されることが好ましい。

調節可能な交流電圧を提供可能な２極の交流電圧端子を提供するために、充電機器のＰＦＣ段に第４のハーフブリッジが付加され、この第４のハーフブリッジの中間タップは第２の交流電圧端子に通じている。第１の交流電圧端子は、ＰＦＣ段の第３のチョークコイルを介し、ＰＦＣ段の第３のハーフブリッジの中間タップと結合される。調節可能な交流電圧を２極の交流電圧端子に提供することを可能にする充電機器用回路が提供されることが有利である。交流電圧の提供は、充電機器によるバッテリーの充電のための充電工程中に行われ得る。中間端子における直流電圧が、第３および第４のハーフブリッジによって所望の交流電圧に変換されることが好ましい。バッテリーの充電工程中も、２極の交流電圧端子に接続された消費機器での電圧および電流に、充電機器によって影響を及ぼし得ることが好ましい。第３および第４のハーフブリッジのハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチの的確な開放ならびにそれによって行われる、接続された消費機器のスイッチオフにより、外部のエネルギー源の過負荷が防止され得ることが好ましい。短絡の場合には、過電流シャットダウンによって充電機器およびまたは接続された消費機器が保護され得ることが好ましい。

外部のエネルギー源は、好ましくは公共の低電圧ネットワークの、好ましくは単相、二相、または三相の交流電圧ネットワークである。これは北米地域または日本地域では１２０または２４０ボルトの単相交流電圧ネットワークであることが好ましい。これは中国地域または欧州地域では約２３０ボルトの三相交流電圧ネットワークであることが好ましい。充電機器の充電動作のために、充電機器は、相応の交流電圧ネットワークと結合されるか、または相応の交流電圧に接続される。充電されるバッテリーは、蓄電池またはトラクションバッテリーであることが好ましく、そのエネルギーを使って車両の電気パワートレインが動作する。整流回路は、交流電流を直流電流に変換するための整流器であることが好ましい。半導体ブリッジのハイサイドスイッチまたはローサイドスイッチが、真性ダイオードを含むパワー半導体スイッチであることが好ましく、好ましくはＳｉ、ＳｉＣ、またはＧａＮ技術をベースとするＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。例えば中間タップと接続導線の結合という表現は、導電線またはガルバニック接続による部品の接続、接触、または結合を意味することが好ましい。遮断、防止、切り離し、または電流フローを阻止という表現は、導電線または結合の分離を意味する。接続という表現は、電気的結合と同じ意味で使用されることが好ましく、スイッチング可能に結合とは、電気的結合が、好ましくはスイッチまたはスイッチング素子によって確立可能または分離可能であることを意味する。配置という表現は、回路トポロジー内での電気コンポーネント、好ましくはスイッチまたはスイッチング素子の位置を定義するために使用されることが好ましく、これは、隣に配置された電気コンポーネントとの電気的結合を含む。

別の一形態では、入力端子ユニットが中性線端子を含む。第１～第４のハーフブリッジには、第１および第２のダイオードの直列回路が並列に接続されている。第１および第２のダイオードは逆方向に接続されており、正の中間端子から負の中間端子への電流フローを防止、遮断、または阻止し、負の中間端子から正の中間端子への電流フローを可能にする。第１と第２のダイオードの間の中間タップは、中性線を介して中性線端子と結合している。これらのハーフブリッジには、第１および第２のコンデンサから成る直列回路が並列に接続されている。さらに第５のスイッチング素子が設けられており、第５のスイッチング素子は、一方では第２のハーフブリッジと結合された第２のチョークコイルを、中性線と、または第２の接続導線と第２の入力端子に向かって結合するために適応されている。

第５のスイッチング素子、好ましくは第５の切替接点は、第２のチョークコイルと第２の接続導線の間に配置されている。したがって開閉状態に応じて、第２のチョークコイルは中性線と、または第２の接続導線と第２の入力端子に向かって結合される。入力端子ユニットにおいて、第１の入力端子および中性線端子に交流電圧を提供するという可能性がもたらされることが有利である。中間端子における直流電圧が、第１および第２のハーフブリッジによって所望の交流電圧に変換され、第１の入力端子および中性線端子に交流電圧として提供されることが好ましい。中間端子における電気エネルギーは、充電機器に接続されたバッテリー、好ましくは車両のトラクションバッテリーから、中間端子に接続された双方向ＤＣ／ＤＣ変換器を介して提供されることが好ましい。

本発明の別の一形態では、第２の接続導線が、第２の接続導線の第１の部分と第２の接続導線の第２の部分とに分割されている。第２のスイッチング素子が設けられており、この第２のスイッチング素子は、第２の接続導線の第１の部分と第２の接続導線の第２の部分との間に配置されており、充電電流を第２の入力端子から第２の接続導線の第１の部分および第２の部分を介して第２のチョークコイルへ導くために、または充電電流を第１の接続導線から第２の接続導線の第２の部分を介して第２のチョークコイルへ導くために適応されている。

第２のスイッチング素子、好ましくは第２の切替接点は、第２の接続導線の第１の部分と第２の接続導線の第２の部分との間に配置されている。したがって第２のスイッチング素子の開閉状態に応じて、充電電流は第２の入力端子から第２の接続導線の第１の部分および第２の部分を介して第２のチョークコイルへ導かれるか、または充電電流は第１の接続導線から第２の接続導線の第２の部分を介して第２のチョークコイルへ導かれる。第１の接続導線に沿って流れる単相充電電流を部分的に分岐させて、第２の接続導線の第２の部分を介して第２のチョークコイルおよび第２のハーフブリッジへ導くという可能性がもたらされることが有利である。これにより、好ましくは単相充電電流が存在する場合に、第１のチョークコイルおよび第１のハーフブリッジの負荷が低減され得る。単相充電電流は、入力端子に単相交流電圧を接続した際に生じることが好ましい。第２のスイッチング素子を使って、第２の接続導線の第１の部分がＰＦＣ段から、したがって第１および第２のコンデンサから切り離され得ることがさらに有利である。これにより、第１および第２のコンデンサの充電後に初めて第２の接続導線の第１の部分がＰＦＣ段と結合されることが好ましい。したがって、第２の接続導線の第１の部分を接続した際の始動電流が阻止されることが好ましい。第２の入力端子と第２の接続導線の第１の部分との間のプリチャージ抵抗をなくせることが好ましい。第２の切替接点としての第２のスイッチング素子の形態に基づき、第１の接続導線と第２の接続導線の第１の部分との間の短絡が阻止されることが好ましい。誤って制御された単純なスイッチング素子による第１の入力端子と第２の入力端子の間の短絡があり得るかもしれず、第２の切替接点により、制御の際のこのエラーが確実に排除され得ることが好ましい。

別の一形態では、第１のスイッチング素子が設けられており、第１の入力端子と、第１の接続導線またはＰＦＣ段の第１のチョークコイルとの間の電流フローを可能にするかまたは中断するために適応されている。

第１のスイッチング素子は、第１の接続導線と第１の入力端子の間に配置されている。したがって開閉状態に応じて、第１の入力端子からＰＦＣ段の第１のチョークコイルの方向への電流フローまたは充電電流が、可能にされるかまたは防止される。第１の接続導線を介した充電電流を中断またはスイッチオンするという可能性がもたらされることが有利である。第１のスイッチング素子に、始動電流の制限に利用されるサーミスタまたはＮＴＣ抵抗が並列に接続されていることが好ましい。始動電流は、第１の入力端子からＰＦＣ段を介して第１および／または第２のコンデンサに流れ込むことが好ましい。低温では、サーミスタの抵抗が高く、始動電流を減少させることが好ましい。電源投入後はサーミスタが電流フローによって熱くなり、その高い初期抵抗を損失する。サーミスタの損失を減らすため、第１のスイッチング素子を閉じることにより、第１および／または第２のコンデンサが実質的に充電されている際にサーミスタが迂回されることが好ましい。

別の一形態では、第３のスイッチング素子が設けられており、第３の入力端子と、第３の接続導線またはＰＦＣ段の第３のチョークコイルとの間の充電電流を可能にするかまたは中断するために適応されている。

第３のスイッチング素子は、第３の接続導線と第３の入力端子の間に配置されている。したがって開閉状態に応じて、第３の入力端子からＰＦＣ段の第３のチョークコイルの方向への電流フローまたは充電電流が、可能にされるかまたは防止される。好ましくは三相充電電流が存在する場合に、第３の接続導線を介した充電電流を中断またはスイッチオンするという可能性がもたらされることが有利である。第３のスイッチング素子に、始動電流の制限に利用されるサーミスタまたはＮＴＣ抵抗が並列に接続されていることが好ましい。始動電流は、第３の入力端子からＰＦＣ段を介して第１および／または第２のコンデンサに流れ込むことが好ましい。低温では、サーミスタの抵抗が高く、始動電流を減少させることが好ましい。電源投入後はサーミスタが電流フローによって熱くなり、その高い初期抵抗を損失する。サーミスタの損失を減らすため、第３のスイッチング素子を閉じることにより、第１および／または第２のコンデンサが実質的に充電されている際にサーミスタが迂回されることが好ましい。

別の一形態では、第７のスイッチング素子が、第１と第２のダイオードの間の中間タップと、第１と第２のコンデンサの間の中間タップとの間に配置されている。
第７のスイッチング素子は、第１と第２のダイオードの間の中間タップと、第１と第２のコンデンサの間の中間タップとの間に接続されている。したがって開閉状態に応じて、ダイオード直列回路およびコンデンサ直列回路の中間タップ間の電流フローが、可能にされるかまたは防止される。好ましくは二相または三相の充電電流が存在する場合に、第１と第２のダイオードの間の中間タップと、第１と第２のコンデンサの間の中間タップとの間の電流フローを中断またはスイッチオンするという可能性がもたらされることが有利である。第７のスイッチング素子は、非対称負荷で充電機器を動作させるために閉じられることが好ましい。非対称負荷は、２相ネットワークでの動作の場合に、または３相ネットワークでの動作の際の非対称負荷の場合も、つまり、二相または三相の交流電圧の場合に存在する。これらの場合には、閉じた第７のスイッチング素子を介し、結果として生じる電流が中性線上を流れる。対称負荷の場合、第１、第２、および第３の接続導線上の交流電圧は同じ大きさであり、交流電圧の相互の位相ずれはそれぞれ１２０度である。この場合には、相電流の合計および中性線上で結果として生じる電流はゼロである。非対称負荷の場合、第１、第２、および第３の接続導線上の交流電圧はすべて同じ大きさなのではなく、／または交流電圧の相互の位相ずれがそれぞれ１２０度ではない。この場合には、相電流の合計および結果として生じる電流はゼロではない。スイッチング素子が閉じている場合に、この合計電流のための、中性線を介した中性線端子への電流フローが可能にされることが好ましい。

別の一形態では、２極の交流電圧端子に電気エネルギーを提供するために、正の中間端子および負の中間端子に提供された直流電圧が少なくとも部分的に、交流電圧として第１の交流電圧端子および第２の交流電圧端子に提供され、第４のスイッチング素子が、第３のハーフブリッジの中間タップから第３のチョークコイルを介しての第１の交流電圧端子への結合を確立し、第６のスイッチング素子が、第４のハーフブリッジの中間タップから第２の交流電圧端子への結合を確立する。

第４および第６のスイッチング素子が、２極の交流電圧端子における調節可能な交流電圧の提供を可能にするよう接続されることが有利である。中間端子における直流電圧は、第３および第４のハーフブリッジによって、好ましくは第３のチョークコイルおよび第１と第２の交流電圧端子の間の第４のコンデンサによるフィルタリングによって、所望の交流電圧に変換される。したがって第３および第４のハーフブリッジは、直流電圧から２極の交流電圧端子での好ましくは単相の交流電圧を生成するために、インバータのように作用する。

別の一形態では、中間端子に電気エネルギーを提供するために、
－ 入力端子ユニットに提供された交流電圧が、ＰＦＣ段を介して少なくとも部分的に直流電圧として正の中間端子および負の中間端子に提供され、充電電流は少なくとも第１の接続導線および第２の接続導線、もしくは少なくとも第２の接続導線の第２の部分を介し、ＰＦＣ段を介して中間端子へ導かれ、好ましくは全充電電流が中性線を介して戻される、
－ または中間端子に接続された双方向直流電圧変換器およびそれに接続されたバッテリー、好ましくはトラクションバッテリーの側から提供された直流電圧が正の中間端子および負の中間端子に提供され、このために双方向直流電圧変換器がバッテリーの電圧を、正の中間端子および負の中間端子に提供されるべき直流電圧に変換する。

中間端子における直流電圧の提供を可能にするトポロジーが提供されることが有利であり、このためのエネルギーは、一方では外部のエネルギー源によって提供することができ、またはバッテリー、好ましくは車両内のバッテリーによって提供される。

一形態では、充電機器は、入力端子ユニットにおいて、第１の入力端子および中性線端子に交流電圧を提供するために適応されており、第１の入力端子および中性線端子に電気エネルギーを提供するために、正の中間端子および負の中間端子に提供された直流電圧が少なくとも部分的に、交流電圧として第１の入力端子および中性線端子に提供され、電流は正の中間端子と第１の入力端子の間を第１のチョークコイルを介して導かれ、電流は負の中間端子と中性線端子の間を第２のチョークコイルを介して導かれる。

第１の入力端子および中性線端子における交流電圧の提供を可能にするトポロジーが提供されることが有利であり、このためのエネルギーは、バッテリー、好ましくは車両内のバッテリーによって提供される。

さらに本発明は、上で説明したような充電機器を備えた車両のパワートレインであって、とりわけトラクションバッテリー、インバータ、および／または電気機械を含む、パワートレインに関する。単純化された回路トポロジーを有する充電機器を備えた電動車両のパワートレインが提供されることが有利である。

さらに本発明は、上で説明したようなパワートレインを備えた車両に関する。
単純化された回路トポロジーを有する充電機器を備えた車両が提供されることが有利である。

さらに本発明は、２極の交流電圧端子に電気エネルギーを提供するために、第４および第６のスイッチング素子ならびに第３および第４のハーフブリッジのハイサイドおよびローサイドスイッチを制御するステップを有する、上で紹介したような充電機器の動作方法に関する。

第３および第４のハーフブリッジのスイッチの制御ならびに第４および第６のスイッチング素子の閉鎖により、中間端子に印加されている直流電圧が交流電圧に変換され、この交流電圧が２極の交流電圧端子に印加される。２極の交流電圧端子における調節可能な交流電圧の提供を可能にする方法が提供されることが有利である。

さらに本発明は、コンピュータによるプログラムの実行時にコンピュータに前述の方法を実行させる命令を含むコンピュータプログラムに関する。
さらに本発明は、コンピュータによる実行の際にコンピュータに前述の方法を実行させる命令を含むコンピュータ可読のメモリ媒体に関する。

充電機器の特徴、特性、および利点が、方法またはパワートレインおよび車両に相応に当てはまるかまたは適用可能であること、ならびにその逆であることは自明である。
本発明の実施形態のさらなる特徴および利点は、添付の図面に関連する以下の説明から明らかである。

以下に、幾つかの図に基づいて本発明をより詳細に解説する。

充電機器用の回路トポロジーの現況技術から知られた一実施形態の概略図である。 充電機器用の回路トポロジーの第１の実施形態の概略図である。 充電機器用の回路トポロジーの第１の動作モード時の例示的な電流フローまたはエネルギーフローの概略図である。 充電機器用の回路トポロジーの第２の動作モード時の例示的な電流フローまたはエネルギーフローの概略図である。 充電機器用の回路トポロジーの第３の動作モード時の例示的な電流フローまたはエネルギーフローの概略図である。 充電機器を備えたパワートレインを備えた車両の概略図である。 充電機器の動作方法を概略的に表現したフロー図である。

図１は、好ましくは車両用の充電機器５００を示している。充電機器５００は、入力側で単相～三相の交流電圧を接続するための入力端子ユニット１００、中間端子３００に直流電圧を提供するためのＰＦＣ段２００を含む。充電機器５００のＰＦＣ段２００は、第１のハーフブリッジ２１０、第２のハーフブリッジ２２０、および第３のハーフブリッジ２３０を含む。第１、第２、および第３のハーフブリッジ２１０、２２０、２３０はそれぞれ、ハイサイドスイッチ２１１、２１３、２１５およびローサイドスイッチ２１２、２１４、２１６を備えた直列回路を含む。ハーフブリッジのハイサイドスイッチとローサイドスイッチの間の中間タップはそれぞれ、第１、第２、および第３のチョークコイル２０２、２０４、２０６をそれぞれ介して、入力端子ユニット１００のそれぞれ第１、第２、および第３の入力端子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と、それぞれ第１、第２、および第３の接続導線１１０、１２０、１３０を介して結合可能である。したがって第１のハーフブリッジ２１０の中間タップは、第１のチョークコイル２０２を介し、第１の接続導線１１０を介して第１の入力端子Ｌ１と結合可能である。したがって第２のハーフブリッジ２２０の中間タップは、第２のチョークコイル２０４を介し、第２の接続導線１２０を介して第２の入力端子Ｌ２と結合可能である。したがって第３のハーフブリッジ２３０の中間タップは、第３のチョークコイル２０６を介し、第３の接続導線１３０を介して第３の入力端子Ｌ３と結合可能である。これらのハーフブリッジ２１０、２２０、２３０は並列に接続されている。それらの端は２極の中間端子３００と結合されている。ハイサイドスイッチは正の中間端子３１０と、およびローサイドスイッチは負の中間端子３２０と結合されている。中間端子３００に直流電圧変換器４５０が接続していることが好ましい。直流電圧変換器４５０の入力側に印加されている中間端子３００における直流電圧が、直流電圧変換器４５０の出力側に接続可能なバッテリー４７０、好ましくはトラクションバッテリーまたは高電圧バッテリーの充電のため、充電電圧に変換されることが好ましい。バッテリー４７０に対して並列にさらなる直流電圧変換器４６０、好ましくは降圧コンバータが、低電圧バッテリー４６２を充電するべく、および車両の制御機器に供給するために車両のオンボードネットワークに供給するべく、充電電圧を低電圧に変換するために接続されていることが好ましい。低電圧バッテリー４６２は、また好ましくはさらなる図示していない低電圧消費機器も、車両のオンボードネットワークに接続されている。さらなる直流電圧変換器４６０は双方向直流電圧変換器であることが好ましい。つまり、さらなる直流電圧変換器４６０は、バッテリー４７０が充電機器５００に接続される前に、高電圧中間回路のプリチャージに使用され得ることが好ましい。高電圧中間回路は、出力側で直流電圧変換器４５０に隣接している。オンボードネットワークには、家庭用消費機器に供給するために低電圧を交流電圧に変換するインバータ４８０が接続されていることが好ましい。家庭用消費機器は交流電圧を供給されることが好ましく、この交流電圧は、地域に応じて異なり、約１２０ボルトまたは２３０～２４０ボルトである。このために交流電圧消費機器は、第１の端子電極４８２および第２の端子電極４８４に接続され得る。

図１に基づく充電機器５００を出発点として、図２に基づく本発明による充電機器５００は、２極の交流電圧端子４００を含む。交流電圧端子４００に交流電圧を提供するために、充電機器５００は第４のハーフブリッジ２４０を含み、この第４のハーフブリッジ２４０は、第１、第２、および第３のハーフブリッジ２１０、２２０、２３０に対して並列に接続されており、ハイサイドスイッチ２１７およびローサイドスイッチ２１８を備えており、第４のハーフブリッジ２４０のハイサイドスイッチとローサイドスイッチの間の中間タップは、第６のスイッチング素子Ｓ６を介して２極の交流電圧端子４００の第２の交流電圧端子４２０とスイッチング可能に結合されており、第４のスイッチング素子Ｓ４が設けられており、この第４のスイッチング素子Ｓ４は、第３のチョークコイル２０６を介した第３のハーフブリッジ２３０と第１の交流電圧端子４１０との結合または第３のチョークコイル２０６を介した第３のハーフブリッジ２３０と第３の接続導線１３０との第３の入力端子Ｌ３への結合を確立するために適応されている。２極の交流電圧端子が、動作中に家庭用消費機器に供給するために適応されていることが好ましい。家庭用消費機器に交流電圧が供給されることが好ましく、この交流電圧は、地域に応じて異なり、約１２０ボルトまたは２３０～２４０ボルトである。

入力端子ユニット１００がさらに中性線端子Ｎ１を含むことが好ましい。ハーフブリッジ２１０、２２０、２３０、２４０には、第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２の直列回路が並列に接続されている。第１および第２のダイオードＤ１、Ｄ２は逆方向に接続されており、正の中間端子３１０から負の中間端子３２０への電流フローを防止し、負の中間端子３２０から正の中間端子３１０への電流フローを可能にする。第１と第２のダイオードＤ１、Ｄ２の間の中間タップは、中性線１４０を介して中性線端子Ｎ１と結合している。これらのハーフブリッジ２１０、２２０、２３０、２４０には、第１のコンデンサＣ１および第２のコンデンサＣ２から成る直列回路が並列に接続されている。第５のスイッチング素子Ｓ５が設けられており、一方では第２のハーフブリッジ２２０と結合された第２のチョークコイル２０４を、中性線１４０と、または第２の接続導線１２０と第２の入力端子Ｌ２に向かって結合するために適応されている。

第２の接続導線１２０が、第２の接続導線の第１の部分１２０＿１と第２の接続導線の第２の部分１２０＿２とに分割されていることが好ましい。このために第２のスイッチング素子Ｓ２が設けられており、この第２のスイッチング素子Ｓ２は、第２の接続導線の第１の部分１２０＿１と第２の接続導線の第２の部分１２０＿２との間に配置されている。第２のスイッチング素子Ｓ２は、充電電流を第２の入力端子Ｌ２から第２の接続導線の第１の部分および第２の部分１２０＿１、１２０＿２を介して第２のチョークコイル２０４へ導くために、または充電電流を第１の接続導線１１０から第２の接続導線の第２の部分１２０＿２を介して第２のチョークコイル２０４へ導くために適応されている。

第１のスイッチング素子Ｓ１が設けられており、第１の入力端子Ｌ１と第１の接続導線１１０の間の電流フローを可能にするかまたは中断するために適応されていることが好ましい。

第３のスイッチング素子Ｓ３が設けられており、第３の入力端子Ｌ３と第３の接続導線１３０の間の充電電流を可能にするかまたは中断するために適応されていることが好ましい。

第１および第３のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３が閉じられる前に、入力端子ユニット１００に交流電圧を接続する際の突入電流を減衰および制限するために、第１のスイッチング素子Ｓ１および第３のスイッチング素子Ｓ３にプリチャージ抵抗、好ましくはスイッチング可能な抵抗、サーミスタまたはＮＴＣ抵抗が並列に接続されていることが好ましい。

第７のスイッチング素子Ｓ７が、第１と第２のダイオードＤ１、Ｄ２の間の中間タップと、第１と第２のコンデンサＣ１、Ｃ２の間の中間タップとの間に配置されていることが好ましい。

第１、第２、および第３のチョークコイル２０２、２０４、２０６にそれぞれ電流センサ（Ａ）が、それぞれのチョークコイル２０２、２０４、２０６を通る電流を確定するために配置されていることが好ましい。確定された電流に依存して、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチならびにスイッチング素子が、所望の動作モードを実施するために制御されることが好ましい。第１、第２、および第３の接続導線１１０、１２０、１３０と中性線１４０との間にそれぞれ電圧センサ（Ｖ）が、電圧を確定するために配置されていることが好ましい。正と負の中間端子３１０、３２０の間、および第１と第２のコンデンサＣ１、Ｃ２の間の中間タップと負の中間端子３２０との間にもそれぞれ電圧センサ（Ｖ）が配置されていることが好ましい。確定された電圧に依存して、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチならびにスイッチング素子が、所望の動作モードを実施するために制御されることが好ましい。負の中間端子３２０がグラウンドＧＮＤ ＡＣと結合されていることが好ましい。ＧＮＤ ＡＣは内部電位であることが好ましい。

スイッチング素子が、半導体スイッチ部品（Ｓｉ、ＳｉＣ、もしくはＧａＮをベースとするＩＧＢＴもしくはＭＯＳＦＥＴ）として、またはコンタクタもしくはリレーとして設けられていることが好ましい。

図３は、充電機器５００用の回路トポロジーの第１の動作モード時の例示的な電流フローまたはエネルギーフローの概略図を示している。２極の交流電圧端子４００に電気エネルギーを提供するために、正の中間端子３１０および負の中間端子３２０に提供された直流電圧が少なくとも部分的に、交流電圧として第１の交流電圧端子４１０および第２の交流電圧端子４２０に提供されることが好ましい。このために、第４のスイッチング素子Ｓ４が、第３のハーフブリッジ２３０の中間タップから第３のチョークコイル２０６を介しての第１の交流電圧端子４１０への結合を確立し、第６のスイッチング素子Ｓ６が、第４のハーフブリッジ２４０の中間タップから第２の交流電圧端子４２０への結合を確立することが好ましい。したがって図３に示した、正の中間端子３１０から第３のハーフブリッジ２３０および第３のチョークコイル２０６を介し、第４のスイッチング素子Ｓ４を介して、好ましくはフィルタ４０４、好ましくはＥＭＣフィルタを介した第１の交流電圧端子４１０への、および第２の交流電圧端子４２０から、閉じたスイッチング素子Ｓ６を介し、第４のハーフブリッジ２４０を介して負の中間端子３２０へ戻る電流経路が生じる。第１の交流電圧端子４１０と第２の交流電圧端子４２０の間の第４のコンデンサＣ４が補助的に、提供される交流電圧をフィルタリングすることが好ましい。要約すると、２極の交流電圧端子４００に電気エネルギーを提供することが可能にされる。この２極の交流電圧端子４００は、接続された好ましくは家庭用の消費機器４０２に供給するために、好ましくはコンセントにより、車両内または車両外で提供されることが好ましい。中間端子３００における電気エネルギーは、単相～三相で入力端子に接続されたエネルギー源の側から、および／または好ましくは直流電圧変換器４５０を介して接続されたバッテリー４７０の側から提供され得る。このために、直流電圧変換器４５０は双方向直流電圧変換器として形成されている。この直流電圧変換器４５０は、バッテリー４７０の直流電圧を、中間端子３００における所望の直流電圧に変換する。

図４は、充電機器用の回路トポロジーの第２の動作モード時の例示的な電流フローまたはエネルギーフローの概略図を示している。中間端子３００に電気エネルギーを提供するために、入力端子ユニット１００に提供された交流電圧が、ＰＦＣ段２００を介して少なくとも部分的に直流電圧として正の中間端子３１０および負の中間端子３２０に提供されることが好ましい。充電電流は少なくとも第１の接続導線１１０および第２の接続導線１２０、または少なくとも第２の接続導線の第２の部分１２０＿２を介し、ＰＦＣ段２００を介して中間端子３００へ導かれることが好ましい。全充電電流が、第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２を介してフィルタリングされ、ダイオードＤ２および中性線１４０を介して中性線端子Ｎ１に戻されることが好ましい。入力端子ユニットに接続された三相交流電圧源の三相交流電流が、閉じた第１および第３のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３の場合に、すべての３つの接続導線１１０、１２０、１３０により、第１、第２、および第３のチョークコイル２０２、２０４、２０６を介して中間端子へ導かれることが好ましい。入力端子ユニットに接続された三相交流電圧源の三相交流電流が、閉じた第１のスイッチング素子Ｓ１および開いた第３のスイッチング素子Ｓ３の場合に、第１および第２の接続導線１１０、１２０により、第１および第２のチョークコイル２０２および２０４を介して中間端子へ導かれることが好ましい。充電機器５００のこの生じている非対称負荷に基づき、スイッチング素子Ｓ７を使って、第１および第２のコンデンサＣ１、Ｃ２の直列回路の中間タップと、第１および第２のダイオードＤ１、Ｄ２の直列回路の中間タップとの結合が閉じられることが好ましい。閉じたスイッチング素子Ｓ７は、充電電流が、または結果として生じている電流が、中性線１４０に沿って戻るための代替的な経路を可能にする。入力端子ユニットに接続された単相交流電圧源の単相交流電流が、第１、第２、および第３の入力端子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の間のブリッジ１５０、ガルバニック接続によって、閉じた第１および第３のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３の場合に、すべての３つの接続導線１１０、１２０、１３０により、第１、第２、および第３のチョークコイル２０２、２０４、２０６を介して中間端子へ導かれることが好ましい。入力端子ユニットに接続された単相交流電圧源の単相交流電流が、第１、第２、および第３の入力端子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の間のブリッジ１５０、ガルバニック接続によって、閉じた第１のスイッチング素子Ｓ１および開いた第３のスイッチング素子Ｓ３の場合に、第１および第２の接続導線１１０、１２０により、第１および第２のチョークコイル２０２および２０４を介して中間端子へ導かれることが好ましい。インフラおよび公共の電流ネットワークが単相交流電圧源しか外部の交流電圧源として提供しない世界中の地域で用いられる充電機器５００内で、ブリッジ１５０が使用されることが好ましい。入力端子ユニット１００の第１の入力端子Ｌ１に接続された単相交流電圧源の単相交流電流が、第２のスイッチング素子Ｓ２によって、閉じた第１のスイッチング素子Ｓ１の場合に、第１の接続導線１１０および第２の接続導線の第２の部分１２０＿２により、第１および第２のチョークコイル２０２および２０４を介して中間端子へ導かれることが好ましい。要約すると、中間端子３００に電気エネルギーを提供するための様々な可能性がもたらされる。この様々な可能性は、入力端子１００に接続された外部のエネルギー源のエネルギーが中間端子３００へ伝送される充電動作時の電流経路に対応する。第２の動作モードが単独で実行されることが好ましい。スイッチング素子Ｓ３が開いた第２の動作モードの可能性の場合、第１の動作モード、２極の交流電圧端子４００における電気エネルギーの提供が、同時に実行されることが好ましい。

図５は、充電機器用の回路トポロジーの第３の動作モード時の例示的な電流フローまたはエネルギーフローの概略図を示している。第１の入力端子Ｌ１および中性線端子Ｎ１に電気エネルギーを提供するために、正の中間端子３１０および負の中間端子３２０に提供された直流電圧が少なくとも部分的に、交流電圧として第１の入力端子Ｌ１および中性線端子４２０に提供されることが好ましい。正の中間端子３１０と第１の入力端子Ｌ１の間で、第１のハーフブリッジ２１０および第１のチョークコイル２０２を介して電流が導かれることが好ましい。このために第１のスイッチング素子Ｓ１が閉じられていることが好ましい。負の中間端子３２０と中性線端子Ｎ１の間の電流は、第２のハーフブリッジ２２０および第２のチョークコイル２０４を介して導かれ、第５のスイッチング素子Ｓ５が、第２のチョークコイル２０４から中性線１４０を介した中性線端子Ｎ１への電流フローを可能にする。第１の接続導線１１０と中性線１４０の間の第３のコンデンサＣ３が補助的に、提供される交流電圧をフィルタリングすることが好ましい。提供された交流電圧は、家庭用消費機器に供給するために規定されていることが好ましい。家庭用消費機器は交流電圧を供給されることが好ましく、この交流電圧は、地域に応じて異なり、約１２０ボルトまたは２３０～２４０ボルトである。要約すると、第１の入力端子Ｌ１および中性線端子Ｎ１における電気エネルギー、調節可能な交流電圧の提供が可能にされる。この電気エネルギーは、好ましくは接続された好ましくは家庭用のさらなる消費機器に供給するために、好ましくはコンセントにより、車両外で提供される。このために、中間端子３００における電気エネルギーは、好ましくは直流電圧変換器４５０を介して接続されたバッテリー４７０の側から提供される。このために、直流電圧変換器４５０は双方向直流電圧変換器として形成されている。第３の動作モードが単独でまたは第１の動作モードと同時に実行されることが好ましい。

図６は、充電機器５００を備えたパワートレイン６００を備えた車両７００の概略図を示している。車両７００は、ここでは例示的にのみ４つの車輪を備えて表現されており、本発明は、陸上、水上、および空中での任意の数の車輪を備えた任意の車両内で、同じように用いられ得る。例示的に図示したパワートレイン６００は、少なくとも１つの充電機器５００を含む。さらにパワートレインは、バッテリー４７０、インバータ４７２、およびまたは電気機械４７４を含むことが好ましい。

図７は、充電機器５００の動作方法８００を概略的に表現したフロー図を示している。方法８００はステップ８０５でスタートする。ステップ８１０では、２極の交流電圧端子４００に電気エネルギーを提供するために、第４および第６のスイッチング素子Ｓ４、Ｓ６ならびに第３および第４のハーフブリッジ２１０、２２０、２３０、２４０のハイサイドおよびローサイドスイッチが制御される。ステップ８１５でこの方法は終了する。

Claims (14)

1. 車両用の充電機器であって、
   前記充電機器（５００）が、入力側で単相または三相の交流電圧を接続するための入力端子ユニット（１００）と、中間端子（３００）に直流電圧を提供するためのＰＦＣ段（２００）と、交流電圧を提供するための２極の交流電圧端子（４００）とを含み、
   前記ＰＦＣ段（２００）が、第１（２１０）、第２（２２０）、および第３（２３０）のハーフブリッジを含み、
   前記第１、第２、および第３のハーフブリッジ（２１０、２２０、２３０）がそれぞれ、ハイサイドスイッチ（２１１、２１３、２１５）およびローサイドスイッチ（２１２、２１４、２１６）を備えた直列回路を含み、ハーフブリッジの前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチの間の中間タップがそれぞれ、第１、第２、および第３のチョークコイル（２０２、２０４、２０６）をそれぞれ介して、前記入力端子ユニット（１００）のそれぞれ第１、第２、および第３の入力端子（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）と、それぞれ第１、第２、および第３の接続導線（１１０、１２０、１３０）を介して結合可能であり、
   前記ハーフブリッジ（２１０、２２０、２３０）が並列に接続されており、それらの端が前記２極の中間端子（３００）と結合されており、前記ハイサイドスイッチが正の中間端子（３１０）と、および前記ローサイドスイッチが負の中間端子（３２０）と結合されており、
   前記充電機器が第４のハーフブリッジ（２４０）を含み、前記第４のハーフブリッジ（２４０）が、前記第１、第２、および第３のハーフブリッジ（２１０、２２０、２３０）に対して並列に接続されており、ハイサイドスイッチ（２１７）およびローサイドスイッチ（２１８）を備え、前記第４のハーフブリッジ（２４０）の前記ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチの間の中間タップが、第６のスイッチング素子（Ｓ６）を介して前記２極の交流電圧端子（４００）の第２の交流電圧端子（４２０）とスイッチング可能に結合されており、
   第４のスイッチング素子（Ｓ４）が設けられており、前記第４のスイッチング素子（Ｓ４）が、前記第３のチョークコイル（２０６）を介した前記第３のハーフブリッジ（２３０）と前記２極の交流電圧端子（４００）の第１の交流電圧端子（４１０）との結合または前記第３のチョークコイル（２０６）を介した前記第３のハーフブリッジ（２３０）と前記第３の接続導線（１３０）との前記第３の入力端子（Ｌ３）への結合を確立するために適応されている、
   充電機器。
2. 前記入力端子ユニット（１００）がさらに中性線端子（Ｎ１）を含み、
   前記第１、第２、および第３のハーフブリッジ（２１０、２２０、２３０）には、第１（Ｄ１）および第２（Ｄ２）のダイオードの直列回路が並列に接続されており、前記第１および前記第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）が逆方向に電圧が印加されるよう接続されており、前記正の中間端子（３１０）から前記負の中間端子（３２０）への電流フローを阻止し、前記負の中間端子（３２０）から前記正の中間端子（３１０）への電流フローを可能にし、前記第１と前記第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の間の中間タップが、中性線（１４０）を介して前記中性線端子（Ｎ１）と結合しており、
   前記第１、第２、および第３のハーフブリッジ（２１０、２２０、２３０）には、第１（Ｃ１）および第２（Ｃ２）のコンデンサから成る直列回路が並列に接続されており、
   第５のスイッチング素子（Ｓ５）が設けられており、前記第５のスイッチング素子（Ｓ５）が、一方では前記第２のハーフブリッジ（２２０）と結合された前記第２のチョークコイル（２０４）を、前記中性線（１４０）と、または前記第２の接続導線（１２０）と前記第２の入力端子（Ｌ２）に向かって結合するために適応されている、
   請求項１に記載の充電機器。
3. 前記第２の接続導線（１２０）が、前記第２の接続導線の第１の部分（１２０＿１）と前記第２の接続導線の第２の部分（１２０＿２）とに分割されており、
   第２のスイッチング素子（Ｓ２）が設けられており、前記第２のスイッチング素子（Ｓ２）が、前記第２の接続導線の前記第１の部分（１２０＿１）と前記第２の接続導線の前記第２の部分（１２０＿２）との間に配置されており、充電電流を前記第２の入力端子（Ｌ２）から前記第２の接続導線の前記第１の部分および前記第２の部分（１２０＿１、１２０＿２）を介して前記第２のチョークコイル（２０４）へ導くために、または充電電流を前記第１の接続導線（１１０）から前記第２の接続導線の前記第２の部分（１２０＿２）を介して前記第２のチョークコイル（２０４）へ導くために適応されている、
   請求項２に記載の充電機器。
4. 第１のスイッチング素子（Ｓ１）が設けられており、前記第１の入力端子（Ｌ１）と前記第１の接続導線（１１０）との間の電流フローを可能にするかまたは中断するために適応されている、請求項１に記載の充電機器。
5. 第３のスイッチング素子（Ｓ３）が設けられており、前記第３の入力端子（Ｌ３）と前記第３の接続導線（１３０）との間の充電電流を可能にするかまたは中断するために適応されている、請求項２に記載の充電機器。
6. 第７のスイッチング素子（Ｓ７）が、前記第１と前記第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の間の前記中間タップと、前記第１と前記第２のコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の間の中間タップとの間に配置されている、請求項２に記載の充電機器。
7. 前記２極の交流電圧端子（４００）に電気エネルギーを提供するために、前記正の中間端子（３１０）および前記負の中間端子（３２０）に提供された直流電圧が少なくとも部分的に、交流電圧として前記第１の交流電圧端子（４１０）および前記第２の交流電圧端子（４２０）に提供され、
   前記第４のスイッチング素子（Ｓ４）が、前記第３のハーフブリッジ（２３０）の前記中間タップから前記第３のチョークコイル（２０６）を介しての前記第１の交流電圧端子（４１０）への結合を確立し、前記第６のスイッチング素子（Ｓ６）が、前記第４のハーフブリッジ（２４０）の前記中間タップから前記第２の交流電圧端子（４２０）への結合を確立する、
   請求項１に記載の充電機器。
8. 前記中間端子（３００）に電気エネルギーを提供するために、
   － 前記入力端子ユニット（１００）に提供された交流電圧が、前記ＰＦＣ段（２００）を介して少なくとも部分的に直流電圧として前記正の中間端子（３１０）および前記負の中間端子（３２０）に提供され、充電電流が少なくとも前記第１の接続導線（１１０）および前記第２の接続導線（１２０）、もしくは少なくとも前記第２の接続導線の前記第２の部分（１２０＿２）を介し、前記ＰＦＣ段（２００）を介して前記中間端子（３００）へ導かれ、前記全充電電流が前記中性線（１４０）を介して戻される、または
   － 前記中間端子（３００）に接続された双方向直流電圧変換器（４５０）およびそれに接続されたバッテリー（４７０）の側から提供された直流電圧が前記正の中間端子（３１０）および前記負の中間端子（３２０）に提供され、このために前記双方向直流電圧変換器（４５０）が前記バッテリー（４７０）の電圧を、前記正の中間端子（３１０）および前記負の中間端子（３２０）に提供されるべき直流電圧に変換する、
   請求項3に記載の充電機器。
9. 前記充電機器（５００）が、前記入力端子ユニット（１００）において、前記第１の入力端子（Ｌ１）および前記中性線端子（Ｎ１）に交流電圧を提供するために適応されており、
   前記第１の入力端子（Ｌ１）および前記中性線端子（Ｎ１）に電気エネルギーを提供するために、前記正の中間端子（３１０）および前記負の中間端子（３２０）に提供された直流電圧が少なくとも部分的に、交流電圧として前記第１の入力端子（Ｌ１）および前記中性線端子（４２０）に提供され、
   電流が前記正の中間端子（３１０）と前記第１の入力端子（Ｌ１）の間を前記第１のチョークコイル（２０２）を介して導かれ、電流が負の中間端子（３２０）と前記中性線端子（Ｎ１）の間を前記第２のチョークコイル（２０４）を介して導かれる、
   請求項２に記載の充電機器。
10. 請求項１に記載の充電機器（５００）を備えた車両（７００）のパワートレイン（６００）。
11. 請求項１０に記載のパワートレイン（６００）を備えた車両（７００）。
12. 請求項１に記載の充電機器の動作方法（８００）であって、
    前記２極の交流電圧端子（４００）に電気エネルギーを提供するために、前記第４および前記第６のスイッチング素子（Ｓ４）および（Ｓ６）ならびに前記第３および第４のハーフブリッジ（２３０、２４０）の前記ハイサイドおよびローサイドスイッチを制御するステップ（８１０）を有する、
    動作方法（８００）。
13. コンピュータによるプログラムの実行時に前記コンピュータに請求項１２に記載の方法（８００）を実行させる命令を含むコンピュータプログラム。
14. コンピュータによる実行の際に前記コンピュータに請求項１２に記載の方法（８００）を実行させる命令を含むコンピュータ可読のメモリ媒体。