1.本發明涉及一種充電設備和一種用于運行所述充電設備的方法。此外，本發明涉及一種具有充電設備的動力傳動系、一種具有動力傳動系的交通工具以及一種計算機程序和一種機器可讀的存儲介質。
背景技術：
2.例如在具有電驅動裝置的交通工具中、在電動交通工具或者混合動力交通工具中的充電設備用于從電能量源、優選交流電源或公共交流電網中對電池、優選蓄電池或牽引電池進行再充電。為此，所述充電設備將能量源的正弦交流電轉換為直流電。對于單相交流電來說，功率以交流電的頻率的兩倍進行脈動。
3.充電設備優選具有兩級的功率電子裝置。第一級對來自交流電網的正弦輸入電流進行整形，即所謂的功率因數校正（pfc）級。第二級由dc/dc轉換器構成，該dc/dc轉換器確保通過變壓器進行電隔離并且調整電壓水平、優選借助于電路和調節機構來調節輸出電壓或輸出電流。在所述兩個級之間布置有中間電路電容器，該中間電路電容器對具有能量源的交流電的兩倍頻率的功率脈沖進行緩沖。典型的是，這條中間電路通過電解電容器來實現。這些拓撲結構允許在電網側維持差不多正弦的輸入電流以滿足電網側標準、在電網與交通工具之間進行電隔離以滿足安全要求并且在電池側提供恒定的輸出直流電以使電池在充電運行中的負載最小化。
4.基于這種兩級的電路拓撲結構及其特性，存在對用于緊湊且更輕的充電設備的簡化的電路拓撲結構的需求，所述充電設備優選用于電動交通工具。
技術實現要素：
5.提供了一種充電設備，所述充電設備具有用于與電能量源進行連接的在輸入側的第一接頭、用于與有待充電的電池進行連接的在輸出側的第二接頭以及變壓器，所述變壓器的初級繞組通過初級電路與第一接頭電連接并且所述變壓器的次級繞組通過次級電路與第二接頭電連接。
6.所述初級電路包括整流電路和兩條支路的并聯電路，所述支路分別具有一個高側元件和一個低側元件。第一支路包括串聯連接的第一電容器和第二電容器以及處于所述電容器之間的第一中間抽頭，該第一中間抽頭與初級繞組的第一連接極相連接。第二支路包括串聯連接的第一低側開關元件和串聯的第二高側開關元件連同處于所述開關元件之間的第二中間抽頭，該第二中間抽頭與初級繞組的第二連接極相連接，其中所述第一和第二開關元件的本征二極管如此定向，從而允許所述第二支路的從低側到高側的電流。
7.所述次級電路包括由兩條支路、即第三和第四支路構成的并聯電路，所述支路分別具有一個高側元件和一個低側元件。
8.所述第三支路包括第一高側二極管和第三低側開關元件的串聯電路，該串聯電路
具有處于第一二極管與第三開關元件之間的第三中間抽頭，所述第三中間抽頭與次級繞組的第二連接極相連接，其中所述第一二極管和第三開關元件的本征二極管如此定向，從而允許所述第三支路的從低側到高側的電流。所述第四支路包括第二高側二極管和第四低側開關元件的串聯電路，該串聯電路具有處于第二二極管與第四開關元件之間的第四中間抽頭，所述第四中間抽頭與次級繞組的第一連接極相連接，其中所述第二二極管和第四開關元件的本征二極管如此定向，從而允許所述第四支路的從低側到高側的電流。所述第二接頭的第一連接極與第一和第二二極管的陰極相連接并且所述第二接頭的第二連接極與處于在第三和第四分支的端部上的第三及第四開關元件相連接。
9.電能量源優選是單相交流電網、優選是公共的低壓電網。有待充電的電池優選是蓄電池或牽引電池，借助其能量來運行交通工具的電動力傳動系。整流電路優選是用于將交流電流轉換為直流電的整流器。具有高側元件和低側元件的并聯電路的支路優選是具有兩個電氣的、無源的和/或有源的元器件和處于所述元器件之間的中間抽頭的半橋。通過所述元器件向所述半橋的中間抽頭供給電能，其中處于所述中間抽頭的第一側上的第一元器件被稱為高側元器件，并且處于所述中間抽頭的另一側上的第二元器件被稱為低側元器件。開關元件優選是包括本征二極管的功率半導體開關、優選是igbts或mosfets。優選“例如中間抽頭與連接極的連接”這種表述意味著借助于可導電的線路或電連接來聯接、接觸或連接構件。
10.有利地提供一種充電設備的簡化的電路裝置，其能夠實現在電網側上的幾乎正弦形的輸入電流、在電網與交通工具之間的電隔離以及恒定的輸出直流電。這用最少數量的元器件來實現，這能夠實現基于這種拓撲結構的充電設備的成本低廉的制造。僅僅使用4個開關元件、優選使用有源的半導體開關，其優選以零電壓開關（zvs）和/或零電流開關（zcs）來運行。由此產生小的開關損耗，這實現了高的開關頻率。這允許使用小的無源的元器件。優選的是，通過少量的開關的元器件來明顯降低操控開銷（驅動器、邏輯電路、處理器）。優選僅僅使用一個電感的元器件：所述拓撲結構優選僅僅將一個耦合電抗器不僅用作變壓器而且用作pfc電感器。優選將所述變壓器用作用于進行電隔離的構件并且用作用于充電設備的pfc電感器。這引起所述充電設備的體積減小。
11.在本發明的另一種設計方案中，所述整流電路包括串聯連接的第三高側二極管和第四低側二極管連同處于所述二極管之間的第五中間抽頭，所述第五中間抽頭與第一接頭的第一連接極相連接，其中所述串聯連接的第三高側二極管和第四低側二極管與第一和第二電容器并聯，并且其中所述第三和第四二極管如此定向，從而允許從低側到高側的電流，并且其中所述電容器之間的第一中間抽頭與第一接頭的第二連接極相連接。
12.所述二極管的簡單的串聯電路僅僅允許從能量源沿著所期望的方向到初級電路中的電流流動。
13.有利地為充電設備的簡化的電路裝置提供一種簡單的整流電路，其能夠實現在電網側上的幾乎正弦形的輸入電流、在電網與交通工具之間的電隔離以及恒定的輸出直流電。
14.在本發明的另一種設計方案中，所述整流電路包括一個具有四個二極管的橋式整流器，所述橋式整流器在輸入側與第一接頭的第一連接極和第二連接極相連接并且在輸出側與第二電容器并聯。
15.所述橋式整流器允許從能量源到初級電路中的電流流動，這與該電流流動的方向無關。由于雙向整流，所述（交流）能量源的半波在初級電路的直流電路中被相同極化。
16.有利地為充電設備的簡化的電路裝置提供一種作為替代方案的整流電路，其能夠實現在電網側上的幾乎正弦形的輸入電流、在電網與交通工具之間的電隔離以及恒定的輸出直流電。
17.在本發明的另一種設計方案中，包括第三電容器的另一第五支路與所述初級電路并聯。優選這第三電容器是電解電容器，其對所述初級電路中的脈動功率（雙倍電網頻率）進行緩沖。有利地為簡化的充電設備提供一種得到優化的初級電路。
18.在本發明的另一種設計方案中，在所述第四中間抽頭與所述次級繞組的第一連接極之間連接有第四電容器。優選這第四電容器是薄膜電容器或陶瓷電容器，其被設計用于補償電網頻率的電壓分量。
19.有利地為簡化的充電設備提供一種得到優化的次級電路。
20.此外，本發明涉及交通工具的一種動力傳動系，其具有逆變器和電機，其中所述動力傳動系包括至少一個如上所述的充電設備。有利地提供電動交通工具的動力傳動系，其具有一個帶有簡化的電路拓撲結構的充電設備。
21.此外，本發明涉及一種具有如上所述的動力傳動系的交通工具。
22.有利地提供一種交通工具，其具有一個帶有簡化的電路拓撲結構的充電設備。
23.此外，本發明涉及一種用于運行如上所介紹的充電設備的方法，該方法具有以下步驟：交替地接通并且切斷第二和第一開關元件，其中在接通第一開關元件的情況下將所述第四開關元件接通并且切斷至少一次，其中在接通第二開關元件的情況下將所述第三開關元件接通并且切斷至少一次。
24.借助于所述第二和第一開關元件的交替的接通和切斷，在能量源的電壓為正的情況下，交替地給所述初級繞組或主電感器和所述第三電容器或電解電容器充電。在電網電壓為負的情況下，所述元器件交換其角色，從而同樣對所述初級繞組和第三電容器進行充電。存在升壓斬波器運行。所述第一和第二開關元件的能預先給定的開關頻率在此明顯大于能量源的交流電頻率，從而在正的電網電壓或負的電網電壓的一個階段期間多次接通并且切斷所述第一和第二開關元件s1、s2。為了避免短路，從來都不同時地接通所述第一和第二開關元件s1和s2并且在切斷一個開關元件之后且在接通另一開關元件之前優選遵守靜止時間。借助于所述第一和/或第二開關元件的占空比的變化來調節輸入電流。在所述第一開關元件被接通的期間，所述次級線圈借助于所述第四開關元件的至少單重的接通和切斷來吸收能量。在所述第二開關元件被接通的期間，借助于所述第三開關元件的至少單重的接通和切斷在輸出接頭上提供來自所述次級線圈的能量。同樣存在升壓斬波器運行。借助于所述第三和/或第四開關元件的占空比的變化來調節輸出電流和/或輸出電壓。
25.所述變壓器的主電感器用作pfc電抗器。要區分四種開關狀態。所述第一和第二開關元件s1和s2總是交替地以所限定的占空比來開關。在所述第一和第二開關元件s1或者s2的切斷與所述第二和第一開關元件s2或者s1的接通之間提供靜止時間，以便實現電流的無源換向或者以便可靠地防止橋短路。只要所述電網電壓是正的，所述第三高側二極管在這個階段中就持久地導通，也就是僅僅以電網頻率來運行。因此，所述電網電壓也加載在電容器半橋的第一電容器或上電容器上。首先接通所述第二開關元件s2。通過所述變壓器的主
電感器來加載電網電壓并且產生流經所述變壓器的升高的電流。隨后將所述第二開關元件s2切斷。電流被動地換向到所述第一開關元件s1的向后導通的本征二極管上，從而在靜止時間之后能夠以zvs接通這個開關元件。然后所述主電感器優選將電流驅動到第三電容器或電解電容器中。在此涉及升壓斬波器運行。在此，能量被儲存在所述第三電容器中。在一定時間之后將所述第一開關元件s1切斷并且將所述第二開關元件s2再次接通。由此，所描述的循環重新開始。對于負的電網電壓來說，所述運行以非常類似的方式發揮功能。在此，所有元器件交換其角色?，F在所述第四低側二極管導通。當所述第一開關元件s1被接通時，再次構建流經所述變壓器（沿著與前面相同的方向）的電流。在切斷所述第一開關元件s1之后，以zvs接通所述第二開關元件s2并且在此向所述第三電容器提供能量。這也是升壓斬波器運行。通過所述第二開關元件s2的切斷和所述第一開關元件s1的接通，所述循環重新開始。
26.在接通所述第一開關元件s1的情況下，為了進行電壓變換而接通所述第四開關元件s4。這在所述變壓器的漏電感上構建了升高的電流。優選所述第四電容器或所述轉換器的次級側上的串聯電容用作dc塊并且被設計得如此之大，從而一個開關周期的范圍內不產生顯著的電壓變化。在切斷所述第四開關元件之后，電流自主地換向到這條支路中的第二高側二極管上并且因此將電流提供給所連接的電池。一旦切斷所述第一開關元件s1并且在靜止時間之后接通所述第二開關元件s2，則電流以陡峭的速率從次級側返回換向到初級側?，F在接通所述第三開關元件s3。所述次級側的電流改變其符號并且現在反向地流過第三開關元件s3和第四開關元件s4。在一定的持續時間之后，將所述第三開關元件s3切斷并且電流換向到相應的第一高側二極管上并且將電流提供給電池。隨著所述第一開關元件s1和第四開關元件s4的接通，所述循環重新開始。
27.所述轉換器優選以連續的運行方式來運行，也就是說，所述變壓器的次級側的漏電感中的電流不具有以下相，在所述相中該電流為零。所有開關元件以特別低損耗的zvs來接通。如果所述轉換器以斷斷續續的運行方式來運行，則所述次級側的變壓器電流具有一個明顯的相，在所述相中該變壓器電流為零。因此涉及所述轉換器的次級側上的間歇運行。在這個工作點中，所述第一、第二和第四開關元件s1、s2和s4以zvs來開關。所述第三開關元件s3以zcs逆著降低的電壓來接通。這個運行點也具有小的開關損耗并且因此同樣允許高的開關頻率。
28.為了能夠隨時向電池傳輸恒定的功率，所述第一和第二開關元件s1、s2的占空比不允許低于或者超過一定的最小和最大極限。由此得出的是，所述轉換器僅僅能夠在直至最小的輸入電壓的情況下從電網接收電流。因此，從所述能量源獲得的電流在所述能量源的電壓的過零點的區域中具有以下區域，所述區域中所述電流為零并且所述二極管半橋的第三二極管和第四二極管同時截止。
29.有利地提供一種方法，用該方法如此操控所述充電設備的開關元件，使得能量傳輸通過所述充電設備從所連接的能量源到所連接的電池來進行。
30.此外，本發明涉及一種計算機程序，該計算機程序被設立用于執行所描述的方法。
31.此外，本發明涉及一種機器可讀的存儲介質，在該存儲介質上存儲有所描述的計算機程序。
32.不言而喻，所述充電設備的特征、特性和優點相應地適用于或者能夠運用到所述
方法或者動力傳動系和交通工具上并且反之亦然。
33.本發明的實施方式的其他特征和優點從以下參照附圖所作的描述中得出。
附圖說明
34.下面要借助于一些附圖來詳細解釋本發明，為此：圖1示出了用于充電設備的電路拓撲結構的第一種實施方式的示意圖，圖2示出了用于充電設備的電路拓撲結構的第二種實施方式的示意圖，圖3示出了用于充電設備的電路拓撲結構的第三種實施方式的示意圖，圖4示出了具有帶充電設備的動力傳動系的示意性地示出的交通工具，圖5示出了用于用來運行充電設備的方法的示意性地示出的流程圖。
具體實施方式
35.圖1示出了充電設備100，該充電設備在運行中在輸入側的第一接頭110_1、110_2上與能量源200電連接并且在輸出側的第二接頭190_1、190_2上與有待充電的電池300電連接。所述能量源200優選是單相交流電源、例如公共供電網絡，其中要借助于所述能量源的能量來給電池充電。所述充電設備在輸入側包括初級電路400和輸出側的次級電路500。初級電路和次級電路通過變壓器150的初級繞組150_1和其次級線圈150_2彼此優選感應地連接、然而在電方面隔離。所述初級電路包括整流電路405和由兩條支路構成的并聯電路，所述支路分別具有一個布置在半橋的高側-側的高側元件、優選電氣的元器件和布置在半橋的低側-側的低側元件、優選電氣的元器件。第一支路包括串聯連接的第一和第二電容器422、424以及處于所述電容器之間的第一中間抽頭426。所述第一中間抽頭426與變壓器的初級繞組150_1的第一連接極152相連接。第二支路包括串聯連接的第一低側開關元件s1和串聯連接的第二高側開關元件s2連同處于所述開關元件s1、s2之間的第二中間抽頭436。所述第二中間抽頭436與初級繞組150_1的第二連接極154相連接。所述第一和第二開關元件s1、s2的本征二極管如此定向，從而允許第二支路的從低側到高側的電流。所述次級電路500包括由兩條支路構成的并聯電路，所述支路分別具有高側元件和低側元件。這些支路之一、即第三支路包括第一高側二極管512和第三低側開關元件s3的串聯電路，該串聯電路具有處于第一二極管與第三開關元件之間的第三中間抽頭516。所述第三中間抽頭516與變壓器150的次級繞組150_2的第二連接極158相連接。所述第一二極管512和第三開關元件s3的本征二極管如此定向，從而允許所述第三支路的從低側到高側的電流。所述次級電路的另一支路、即第四支路包括第二高側二極管522和第四低側開關元件s4的串聯電路，該串聯電路具有處于第二二極管522與第四開關元件s4之間的第四中間抽頭526。所述第四中間抽頭526與變壓器150的次級繞組150_2的第一連接極156相連接。所述第二二極管522和第四開關元件s4的本征二極管如此定向，從而允許所述第四支路的從低側到高側的電流。所述第二接頭190的第一連接極190_1與第一和第二二極管512、522的陰極相連接，并且所述第二接頭190的第二連接極190_2與處于第三和第四支路的端部上的第三和第四開關元件s3、s4相連接。按照圖1的整流電路405包括串聯連接的第三高側二極管412和第四低側二極管414連同處于第三與第四二極管412、414之間的第五中間抽頭416。所述第五中間抽頭與第一接頭的第一連接極110_1相連接。所述串聯連接的第三高側二極管412和第四低側二極管414
與第一和第二電容器422、424并聯連接。所述第三和第四二極管如此定向，從而允許從低側到高側的電流。所述電容器之間的第一中間抽頭426與第一接頭的第二連接極110_2相連接。優選所述初級電路400與包括第三電容器425的另一第五支路并聯。此外，優選在所述第四中間抽頭526與所述變壓器150的次級繞組的第一連接極156之間連接有第四電容器525。
36.圖2示出了用于充電設備的電路拓撲結構的第二種實施方式的示意圖。所述電路拓撲結構和附圖標記在很大程度上對應于在圖1中所示出的電路拓撲結構。下面僅僅探討相對于在圖1中所示出的電路拓撲結構的區別。所述整流器電路405包括一個具有四個二極管的橋式整流器。該橋式整流器在輸入側與第一接頭的第一連接極110_1及第二連接極110_2相連接并且在輸出側與第二電容器424并聯。優選所述次級電路500與包括第五電容器536的另一第六支路并聯。尤其是與按照圖1的拓撲結構不同的是，對于兩個電網半波來說僅僅與所述第二電容器424存在電連接。
37.圖3示出了用于充電設備的電路拓撲結構的第三種實施方式的示意圖。所述電路拓撲結構和附圖標記在很大程度上對應于在圖2中所示出的電路拓撲結構。下面僅僅探討相對于在圖2中所示出的電路拓撲結構的區別。所述充電設備100的次級電路500包括由兩條支路構成的并聯電路，所述支路分別具有一個高側元件和一個低側元件。這些支路之一、即第三支路包括第一高側二極管512和第三低側開關元件s3的串聯電路，該串聯電路具有處于第一二極管與第三開關元件之間的第三中間抽頭516。所述第三中間抽頭516與變壓器150的次級繞組150_2的第二連接極158相連接。所述第一二極管512和第三開關元件s3的本征二極管如此定向，從而允許所述第三支路的從低側到高側的電流。所述次級電路的另一支路、即第四支路包括第六電容器532和第七電容器534的串聯電路，該串聯電路具有處于第六與第七電容器532、534之間的第四中間抽頭526。所述第四中間抽頭526與變壓器150的次級繞組150_2的第一連接極156相連接。所述第二接頭190的第一連接極190_1與第一二極管512的陰極相連接，并且所述第二接頭190的第二連接極190_2與第三開關元件s3在第三和第四支路的末端處相連接。
38.圖4示出了示意性示出的交通工具600，其具有帶充電設備100的動力傳動系650。所述交通工具600在這里僅僅示范性地用四個車輪來示出，其中本發明同樣能夠在具有任意數量的車輪的陸用、水用和空中的任意交通工具中使用。示范性地示出的動力傳動系650包括至少一個充電設備100。此外，所述動力傳動系優選包括電池300、逆變器640和電機630。
39.圖5示出了用于用來運行充電設備100的方法700的示意性地示出的流程圖。所述方法700以步驟705開始。在步驟710中，交替地接通并且切斷所述第二和第一開關元件。在接通第一開關元件（720）的情況下，將所述第四開關元件接通且切斷至少一次。在接通第二開關元件（730）的情況下，將所述第三開關元件接通且切斷一次。以步驟740結束所述方法。