用于将电网耦合的设备

技术领域

本发明涉及一种用于将电网、尤其是将直流电网、例如机动车车载电网与单相交变电网或其它直流电网耦合的设备。这种耦合设备尤其可以被用于从单相交变电网或从其它车辆给电动车辆的车辆电池充电。本发明也涉及一种由耦合设备构成的系统，利用这些耦合设备可以将直流电网与多相交变电网耦合。

背景技术

为了实现电气安全，如今公知的用于给电动车辆的电池充电的充电设备使用变压器来将交变电网侧与车辆直流侧(电池连接在所述车辆直流侧上)电流隔离。这些变压器花费高且笨重。

此外，还公知没有变压器的耦合设备，利用这些耦合设备可以将直流电压源、诸如光伏发电机连接到交变电网上。这些耦合设备的缺点在于：这些耦合设备可能由于直流电压侧的寄生电容以及开关频率(或者说切换频率)或电网频率而产生漏电电流，所述漏电电流例如可能损害剩余电流保护装置的功能。为了在三相电网上使用，还常用多级充电转换器，这些多级充电转换器对于多级转换来说相应地花费高。

发明内容

本发明所基于的任务在于提出一种无变压器的耦合设备，利用该耦合设备可以将直流电网与不同的电网耦合。

按照本发明，该任务通过如下方式来被解决：该设备具有同相直流转换器和反相直流转换器，该同相直流转换器和该反相直流转换器分别具有第一输入和/或输出端以及第二输入和/或输出端，第一直流转换器的第一输入和/或输出端与第一整流器串联成第一串联电路，并且第二直流转换器的第一输入和/或输出端与第二整流器串联成第二串联电路，而且第一串联电路和第二串联电路并联并且这些直流转换器的第二输入和/或输出端并联。这些串联电路的并联电路的连接端与按照本发明的设备的第一输入和/或输出端连接，并且这些直流转换器的第二输入和/或输出端的并联电路的连接端与该设备的第二输入和/或输出端连接。

利用按照本发明的设备能够在不使用变压器的情况下将交变电流转换成直流电流。漏电电流，如其在使用常规转换器电路的情况下在车载电网上应用时会产生的那样，可以利用按照本发明的设备来予以避免。因此这尤其是可能的，因为这两个直流转换器中的一个、优选地同相直流转换器的第一输入和/或输出端的连接端或者该设备的第一输入和/或输出端的连接端直接地或者在中间接有开关或保险装置的情况下间接地与同一直流转换器的第二输入和/或输出端的连接端或者该设备的第二输入和/或输出端的连接端连接。由于可以减少漏电电流，所以可以使用剩余电流保护装置来保护生命和财产。

尤其是为了节省结构体积和重量，第一直流转换器和第二直流转换器可具有共同的线圈或扼流圈。这两个直流转换器也可具有共同的开关。

这些直流转换器可以是降压转换器、升压转换器和/或降压-升压转换器。也可以是四象限调节器。即，这些直流转换器可以是双向直流转换器。

那么，有利的是：第一整流器和/或第二整流器是双向整流器。如果只应该将功率从第一输入和/或输出端传输到第二输入和/或输出端，那么单向整流器就足够，例如构成半波整流器的二极管。

按照本发明的设备可具有滤波器，所述滤波器用于对在直流转换器的第二侧的电流纹波进行滤波。该滤波器可以是有源滤波器。该滤波器可以被设计为使得该滤波器阻止在可连接到第一输入和/或输出端上的交变电网的基本振荡的频率范围内的频带以及该基本振荡的谐波频率。该滤波器可具有储能电容器并且附加地可具有一个或多个滤波电容器和滤波线圈，所述电容器和滤波线圈以公知的方式组合成滤波器。该滤波器可包括开关，该开关将该滤波器与同相直流转换器的第一侧的第二连接端或与用于中性导体的第一输入和/或输出端的连接端连接或者与该连接端断开。

按照本发明的用于将直流电网与多相交变电网耦合的系统可具有至少两个按照本发明的设备。

按照本发明的系统的设备的第一输入和/或输出端可具有第一连接端，用于与多相交变电网的各一个外导体连接，而每个第一输入和/或输出端的第二连接端均与多相交变电网的中性导体连接。这些设备的第二输入和/或输出端可以并联。

所述系统的设备的直流转换器的线圈可以磁耦合。

附图说明

随后，本发明依据随附的附图进一步予以阐述。在此：

图1示出了按照本发明的第一设备的简化原理电路图；

图2、2a、2b示出了不同的第一设备的包括所使用的直流转换器的内部结构的简化表示在内的简化电路图；

图3示出了按照本发明的第二设备的简化原理电路图；

图4、4a、4b示出了不同的第二设备的包括所使用的直流转换器的内部结构的简化表示在内的简化电路图；

图5示出了用于在三相交变电网上运行的系统的简化原理电路图；

图6示出了系统的包括所使用的具有有源滤波器的直流转换器的内部结构的简化表示在内的模块的简化电路图；

图7a至d示出了在图4a中示出的按照本发明的设备的利用具体构件来实现的电路的示例。

具体实施方式

本发明涉及一种用于将电网耦合的无变压器的单级的设备，利用所述设备能够优选地在交变或三相电网与直流电网之间传输能量。直流电网可包括可充电的电池。直流电网可以是车载电网，例如电动车辆的车载电网。按照本发明的设备可以是用于电动车辆的电池的充电设备。

按照本发明的设备具有：作为第一整流器的第一半波整流器R1；第一同相直流转换器B1；作为第二整流器的第二半波整流器R2；和第二反相直流转换器B2。

第一半波整流器R1与用于第一直流转换器B1的第一侧的正电位的连接端连接并且与该设备的用来与单相交变电网的外导体连接的外导体连接端L1连接。用于第一直流转换器B1的第一侧的负电位的连接端与该设备的用来与单相交变电网的中性导体或者说中性导线连接的连接端N连接。

第二半波整流器R2与用于第二直流转换器B2的第一侧的负电位的连接端连接并且与外导体连接端L1连接。用于第二直流转换器B2的第一侧的正电位的连接端与用来与单相交变电网的中性导体连接的连接端N连接。

连接端L1、N构成该设备的第一输入和/或输出端。

用于第一直流转换器B1的第二侧的正电位的连接端和用于第二直流转换器的第二侧的正电位的连接端彼此连接，并且被引导到该设备的用于直流电网的第一连接端DC1。用于第一直流转换器B1的第二侧的负电位的连接端和用于第二直流转换器的负电位的连接端同样彼此连接，并且被引导到该设备的用于直流电网的第二连接端DC2。

连接端DC1、DC2构成该设备的第二输入和/或输出端。

第一直流转换器B1可以是升压转换器、降压转换器或者降压-升压转换器。第二直流转换器B2可以是降压-升压转换器。

第一直流转换器B1可以实施为升压转换器或者实施为以半桥拓扑的降压转换器或者实施为以全桥拓扑的降压-升压转换器。优选地，第二直流转换器B2实施为以半桥拓扑的反相降压-升压转换器。

直流转换器B1、B2可以以公知的方式双向地进行工作，也就是说要么将能量从第一侧传输到第二侧要么反过来将能量从第二侧传输到第一侧。为此，通过可控开关元件来实现半波整流器。因此，除了从直流电网、单相交变电网或多相交变电网给直流电网的电池供电之外，该电路也可以实现从该电池到直流电网、单相交变电网或多相交变电网的反馈或者为交变电网或多相交变电网提供无功功率。

在图1、2、2a、2b、3、4a、4b、5中示出的设备可以是例如用于在直至大约500V的电压范围内从例如为110V或230V的电网交变电压给车辆电池充电的充电设备，该电网交变电压连接到连接端L1、N上。该设备的连接端DC、D2可引导到车辆电池。在图3、4、4a、4b和5中示出的有利的变型方案中，设置在直流转换器B1、B2中的储能扼流圈L和直流转换器B1、B2的一个或多个开关元件被共同用于两个直流转换器B1、B2，以便例如节省单独的扼流圈的花费、结构空间和重量。

交变电压的存在于用于外导体和中性导体的连接端L1、N处的一个半波经由第一半波整流器R1被引导到第一直流转换器B1并且在那里被转换成极性相同的数值上更高的、更低的或相同的电压，以便接着被引导到连接端DC1、DC2。

该交变电压的存在于用于外导体和中性导体的连接端L1、N处的另一半波经由第二半波整流器R2被引导到第二直流转换器B2并且在那里被转换成极性相反的数值上更高的、更低的或相同的电压，以便接着被引导到连接端DC1、DC2。

针对作为用于从连接到连接端DC1和DC2上的直流电网给连接到连接端L1和N上的交变电网馈电的逆变器的运行，整流器R1和R2可以设计成可控的，使得这些整流器在有操控时让电流逆着其整流方向通过。

在连接端L1、N上有输入交变电压下作为整流器的运行中，直流转换器B1、B2优选地被调节为使得在连接端DC1、DC2上的输出直流电压尽可能恒定并且在连接端L1中的电流变化尽可能同时遵循在连接端L1上的交变电压的变化。直流转换器B1、B2同样可以被调节为使得在连接端DC1中的电流变化尽可能同时遵循在连接端L1上的交变电压的平方。由此，功率因素接近1，这通常是对将高功率的耗电器耦合到交变电压供电电网上的重要要求。

在连接端DC1、DC2上有输入直流电压的逆变器运行中，直流转换器B1和B2有利地被调节为使得输出交变电流在连接端L1、N上的时间变化基本上遵循在连接端L1、N上的交变电压。与在连接端L1、N上的交变电压的偏差、例如以相移为形式的偏差或者以数值变化偏差为形式的偏差——例如为了实现如尤其是无功功率馈给那样的电网服务——可能在对直流转换器B1、B2的调节中被实现。在此，直流转换器B1、B2分别针对交变电流的半波之一产生电流。

中性导体N和第二连接端DC2可以在充电设备中彼此连接(参见图2、2a、2b、4、4a、4b和5)。原则上，在按照本发明的设备中，该设备的用于单相交流系统或多相交流系统的中性导体N的连接端可以直接或经由保险装置和分离/开关元件连接到该设备的用于直流电网的(例如在负极上的)电位的连接端上。

图2示出了一种用于在DC1、DC2上的电压比在连接端L1、N上的电压的最大值(例如在交变电压方面的峰值)更高的情况下的应用的变型方案，该变型方案具有同相升压转换器B1和反相降压-升压转换器B2并且针对从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的能量传输方向。这种情况例如可能在具有110V的交变电网上给具有250-500V直流电压的电动车辆电池充电时或者在具有230V的交变电网或相应的三相电网上给具有400-900V直流电压的电动车辆电池充电时发生。在根据图2的变型方案中，示例性地使用两个分开的扼流圈。开关Q2和/或Q6可以是无源整流器并且尤其通过二极管来实现。这些扼流圈L可以被共同使用的扼流圈代替，所述被共同使用的扼流圈被共同用于反相转换器和同相转换器。该变型方案在图4中示出。

图2a示出了用于在连接端DC1、DC2上的电压比在连接端L1、N上的电压的最大值(例如在连接端L1、N上的峰值)时高时低的情况下的应用、例如用于在具有230V的交变电网或相应的三相电网上给具有200至500V直流电压的电动车辆电池充电的变型方案，该变型方案具有同相降压-升压转换器和反相降压-升压转换器并且针对该设备的从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的能量传输方向。这里，也示例性地使用两个分开的扼流圈。图4a示出了以共同的方式使用用于同相降压-升压转换器和反相降压-升压转换器的两个储能扼流圈以用于从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的能量传输方向的实际实现方案的一般性情况。这是在具有大约230V导体电压(或者说相间电压或线电压)的交变电网或三相电网和具有大约250至500V的电动车辆-高压-直流车载电网方面的优选的变型方案。

图2b示出了用于在连接端DC1、DC2上的电压比在连接端L1、N上的电压的最大值(例如在连接端L1、N上的峰值)更低的情况下的、例如用于在具有230V的交变电网上给具有12至48V直流电压的电池充电的变型方案，该变型方案具有同相降压转换器和反相降压-升压转换器并且针对从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的能量传输方向。这里，也示例性地使用两个分开的扼流圈(图2b)，或替选地将扼流圈功能组合在一个构件中(图4b)。不过这里要注意：只要输入电压大于电池电压，在正半波中借助于R1、Q3和Q4只能产生充电电流。

本发明也可以被用于将多相交变电网和直流电网耦合。对于在例如三相交变电网中的应用而言，三个按照本发明的设备被用作在根据图5的按照本发明的系统中由第一半波整流器R1和同相直流转换器B1以及反向的第二半波整流器R2和反相直流转换器B2构成的模块。也就是说，按照本发明的设备被用作用于各一个相的模块并且在它们的直流电压连接端上彼此连接。有利地，每个模块的储能扼流圈L和一个或多个开关元件于是也共同地被使用。此外，于是也可以使这些相的储能扼流圈L彼此磁耦合，尤其是以便进一步减小结构体积。

在多相实施方案中，这些模块中的一个或两个模块可以被扩展成主要针对在输入交变电压频率及其谐波的范围内的频率的有源滤波器F，其方式是借助于至少一个可控开关元件Q7将具有至少一个滤波电容器的无源纹波电流滤波器接到相电路上，并且该相电路作为双向DC/DC转换器来被运行。也可以设置附加的有源滤波器，以便提高滤波性能。

图6和7d示出了纹波电流滤波器在具有同相降压-升压转换器和反相降压-升压转换器的转换器模块中的实现方案。如果这种模块不应该被连接到交变电网的外导体或外导线上，则可以省去反相升压转换器及其整流器的为此所需的构件、即Q5和R2、降压转换器的构件Q3、Q4和整流器R1以及所分配的电容器。

电容器C

可能的是：经由在按照本发明的设备中的连接端N，将输入交变电网的中性导体引导到该设备中并且在电路的中性点上连接直流转换器B1、B2。替选地，也可以在设备中产生中性点，例如通过具有电容器的星形电路来产生中性点，其中，至少一个第一电容器连接端分别在外导体连接端L1、L2、L3之一上与第二电容器连接端彼此连接并且必要时连接在中性导体连接端N上。

按照本发明的设备和按照本发明的系统无变压器地工作，而且由此且由于单级能量转换而特别简单并且借此紧凑且成本有利，而且仍然允许如功率因素修正、电网反馈、无功功率馈给等那样的各种各样的功能。此外，按照本发明的设备和按照本发明的系统还避免了由于第二侧的参照第一侧的中性导体或接地电位的恒定电位所引起的漏电电流。由此，本发明一方面能够实现高度电气安全，例如其方式是剩余电流检测器不受漏电电流干扰，而且因此也已经可以可靠地检测到很低的漏电电流。此外，按照本发明的设备和按照本发明的系统由此也适合于在第一侧上的多相、尤其是三相系统。也可以将两个直流电网连接到该设备上，例如以便借助于直流电来给其它车辆充电或者以便给一个直流独立电网供电。

用于直流转换器B1、B2的受控的开关元件可以是半导体开关，这些半导体开关对于电流方向来说与对这些半导体开关的操控无关地就可以有导通能力，即已经可以集成二极管功能。这些开关元件例如通过MOSFET、晶闸管或其它可控半导体开关元件来实现，或者被实现为这些开关元件的组合，例如通过同类或不同类的、同向或反向连接的开关元件的串联电路或并联电路来实现。为此的示例是反串联的MOSFET或者同向并联的MOSFET、IGBT和所谓的宽禁带(Wide-Bandgap)器件，如氮化镓或碳化硅构件。

图7a示出了用于利用Si-MOSFET来双向运行的在图4a中示出的转换器的利用具体的构件所实现的电路的示例；图7b示出了具有通过二极管的简化配置的单相运行的示例。这里，开关元件Q6与开关元件Q1反串联地被添加，以便可以在该支路中双向地阻断电流。开关元件Q1和Q6的顺序也能相反地被选择。

接着，开关元件Q6也可以被二极管替代，如在图7c中示出的那样。如果这种电路选择性地也应该被用作用于在连接端DC、DC2上的电压的有源滤波器，则这借助于储能元件、尤其是储能电容器C

对半桥电压的稳定和滤波通常经由每个半桥通过电容器来实现。

为了减少总损耗或者也为了能够实现从连接端DC1、DC2到连接端L1、N的能量传输，整流器R1、R2可以——例如借助于MOSFET、晶闸管或其它可控开关元件——构造为受控的、所谓的(电网)同步的整流器。为了操控这些开关元件的控制电极而设置控制电路，该控制电路未被示出。

该电路可以建造在车辆、飞行器或船舶中，或者可以被用在用于电储能器的位置固定的或移动的充电装置中。根据运行状态和开关元件，以如下所述的与在连接端L1、N上的交变电流频率同步的开关频率或者以一个如下开关频率、也就是说在控制装置中产生并且明显高于交变电流频率、例如在kHz范围内或者更高的频率来对可控半导体开关进行操控。这可以是固定设定的频率，或者该频率根据在连接端L1、N上的电压的极性和数值或者经过L1或DC1的电流以公知的方式被调整或调节为使得产生具有连续电流或不连续电流或者具有电流过零的运行方式。对于在连接端L1、N上施加有直流电压或者应该产生直流电压的情况来说，交变电流频率为0并且根据针对交变电压正半振荡周期或交变电压负半振荡周期的相应的开关状态的所需的极性来调整。

在此，在开关元件的控制电极上的利用开关频率来控制的占空比借助于控制装置被调整或调节为使得输出参量、例如输入或输出电流或者传输功率被调整到目标值。尤其是，交变电流可以用与交变电压同步的电网频率来被调节，使得得出针对交变电网连接端的高功率因素。在较长时间段内、例如在多个交变电流振荡周期上，输出电流被调节为使得电池电压和交变电流、直流电流等等不违反相应所容许的极限值。

该操控示例性地并且首先针对图6的从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的能量传输来示出。在此，在连接端L1、N上的交变电压的峰值电压的数值可大于、小于或等于在连接端DC1、DC2上的直流电压。

在交变电压的负半振荡周期期间，反相升压转换器工作。在交变电压的正半波期间，同相直流转换器工作。如果在正半波期间交变电压小于直流电压，则同相直流转换器在升压运行下工作(时间段1)。如果在正半波期间交变电压大于直流电压，则转换器在降压运行下工作(时间段2)。如果接着瞬时电压在正半波期间再次降低并且再次小于直流电压，则转换器B1重新在升压运行下工作，直至瞬时电压达到0为止(时间段3)。

具体运行方式如下：

为了从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的能量传输，在连接端L1、N上的交变电压的正半波的情况下当该交变电压小于在连接端DC1、DC2上的电压时(时间段1、时间段3)用开关频率来控制开关Q1。开关Q2与开关Q1反相地被操控，其中在开关转变或者说开关过渡中附加地可以维持短的死区时间，在该短死区时间内，开关Q1和Q2断开。因此，开关Q1和Q2作为用于将功率从连接端L1、N传输到连接端DC1、DC2的升压转换器来工作。在此，开关Q4接通，而开关Q3和Q5断开。

而如果在连接端L1、N上的交变电压大于在连接端DC1、DC2上的电压(时间段2)，则用开关频率来控制开关Q4。开关Q3与开关Q4反相地被操控，其中在开关转变或者说开关过渡中又附加地可以维持短的死区时间。因此，开关Q3和Q4作为在连接端L1、N与连接端DC1、DC2之间的降压转换器来工作。在此，开关Q2接通。开关Q1以及开关Q5断开。

在连接端L1、N上的交变电压的负半波中，用开关频率反相地操控开关Q5和Q2。开关Q3接通，而开关Q1和Q4断开。因此，开关Q5和Q2作为从连接端L1、N到连接端DC1、DC2的反相升压转换器来工作。整流器R1和R2以交变电流频率来进行开关或者说切换。

为了沿相反方向从连接端DC1、DC2到连接端L1、N的能量传输，整流器R1、R2必须构造为受控的开关元件、例如借助于MOSFET晶体管、晶闸管或其它可控开关元件来受控的开关元件。在连接端L1、N上的交变电压的正半波的情况下，构造为受控的开关元件的整流器R1接通，而同样构造为受控的开关元件的整流器R2断开。在负半波的情况下相反。

如果在连接端L1、N上的交变电压小于在连接端DC1、DC2上的电压，则开关Q1和Q2作为从连接端DC1、DC2到连接端L、N的降压转换器用开关频率彼此反相地必要时以短死区时间来被控制。在此，开关Q4接通。开关Q3以及开关Q5断开。

如果在连接端L1、N上的交变电压大于在连接端DC1、DC2上的电压，则用开关频率来控制开关Q3。开关Q4与开关Q3反相地被操控，其中在开关转变或者说开关过渡中又附加地可以维持短的死区时间。因此，开关Q3和Q4作为从连接端DC1、DC2到连接端L1、N的升压转换器来工作。在此，开关Q2接通。开关Q3以及开关Q5断开。

在连接端L1、N上的交变电压的负半波中，将构成整流器R2的开关元件接通。用开关频率反相地来操控开关Q5和Q2。开关Q3接通，而开关Q1和Q4断开。因此，开关Q5和Q2作为用于将功率从连接端DC1、DC2传输到连接端N、L1(也就是说反相地到L1、N)的降压转换器来工作。

构成整流器R1和R2的可控开关元件交替地被接通。如果有交变电压施加在这些可控开关元件上或者在这些可控开关元件上应该由这里所描述的装置来产生交变电压，则这些可控开关元件以交变电网的交变电流频率来进行开关。如果有直流电压施加在连接端L1、N上或者在连接端L1、N上应该产生直流电压，则这些可控开关元件被操控为使得由该装置产生的极性对应于施加的或所要求的极性。

在所有这些情况下，滤波器F的开关Q7都断开。如果相电路应该被用于在时域内使在连接端DC1、DC2上的电压稳定、尤其是例如针对由利用来自一个或多个其它相电路的脉冲电流进行的电池充电所引起的电压纹波而稳定，则开关Q7被接通。开关Q3、Q4和Q5被断开。

接着，用开关频率彼此反相地操控开关Q1和Q2，使得只要在连接端DC1、DC2上的电压高于预先给定的值，就通过使开关Q1和Q2在降压模式下运行用来自连接端DC1、DC2的功率来给缓冲电容器充电。只要在连接端DC1、DC2上的电压低于预先给定的值，就通过使Q1和Q2在升压模式下运行通过将功率传输到连接端DC1、DC2来使缓冲电容器放电。在此，充电或放电电流的数值与在连接端DC1、DC2上的电压纹波基本上同步地被调节。借助于降压或升压运行进行的充电和放电以及滤波电流的大小也可以根据像输入交变电压L1...3那样的其它参量来被推导出。

相应使用的开关频率的大小可以根据运行状态、也就是说例如电压、电流和在连接端L1、N上的电压极性来改变，以便影响在开关频率下的电流纹波、所发出的干扰的频谱或者开关损耗，如同这对于降压-升压电路来说公知的那样。

在转换器的输入和输出接线柱上以及在扼流圈上的电压和电流测量装置以及温度传感器产生对于控制或调节装置来说所需的信号，用于调整开关频率的控制信号、也就是说这些控制信号的频率、调制和死区时间。这些测量装置和传感器未示出。

能量传输的方向被控制为使得该方向对于输入交变电压的半个周期或整个周期来说保持恒定，以便给连接到连接端DC1、DC2上的直流电网馈电或给连接在那里的储能器充电，或者以便给连接在连接端L1、N上的耗电器或那里的电网馈电。

但是，能量传输的方向也可以被控制为使得该方向在半波期间与这些半波有相移地变化，以便例如以公知的方式将无功功率引入交流侧，如果上级控制装置促使这一点的话。

对能量传输的方向的这种命令可以通过来自包含这里所描述的充电装置的车辆的通信的请求利用网络运营商或网络调节装置来产生。这些命令也可以为了给连接在交流侧的耗电器或者要在那里借助于直流或交变电压充电的其它车辆或其蓄能器充电而被生成。

附图标记列表：

B1 同相直流转换器

B2 反相直流转换器

R1 第一整流器

R2 第二整流器

L1、N 第一输入和/或输出端

DC1、DC2 第二输入和/或输出端

L 共同的线圈

F 滤波器

L1、L2、L3 在多相系统的情况下第一输入和输出端的第一连接端

Q1至Q6 直流转换器的开关

D2、D3 直流转换器的二极管

Q7 滤波电路的开关

C

L