具有直接连接到功率因数校正滤波器的牵引蓄电池的车辆车载电网的制作方法

具有直接连接到功率因数校正滤波器的牵引蓄电池的车辆车载电网
1.具有电驱动装置的车辆、即纯电力开动的车辆和混合动力车辆具有蓄电池。已知的是，借助于交流充电柱将电功率传输给蓄电池，以便对所述蓄电池进行充电。在此，经常使用功率因数校正滤波器来将交流电压转换为直流电压并且有规律地进行能量提取。由于其输出电压范围一般来说不包括蓄电池电压范围，因此通常附加地使用变换器来适配不同的电压电平（spannungslagen），所述变换器通过中间电路存储器被连接到功率因数校正滤波器的输出端。变换器和中间电路存储器引起充电设备的制造成本、重量和损耗功率的重要份额。因此，本发明的任务是表明以下可能性：利用所述可能性可以降低充电设备的成本、重量和损耗功率。
2.该任务通过权利要求1的主题来解决。其他特征、实施方式、特性和优点利用从属权利要求、说明书和图得出。
3.提出：经由功率因数校正滤波器将交流电压充电端子直接地与牵引蓄电池连接。因此，除功率因数校正滤波器之外，从交流电压充电端子开始直至牵引蓄电池的电路不包括电压变换器，并且也不包括其他整流器或中间电路存储器。功率因数校正滤波器设置整流和直流电压变换作为功能。已经认识到，不需要用于进行电压适配的其他设备，因为功率因数校正滤波器本身除了整流之外还具有降压或升压功能，并且这尤其是可以在与交流电压的水平相配的蓄电池标称电压情况下被使用。
4.描述一种车辆车载电网（fahrzeugbordnetz），所述车辆车载电网具有交流电压充电端子、牵引蓄电池和功率因数校正滤波器。牵引蓄电池被构造为高压蓄电池。用词头“高压”表示具有超过60伏特的标称电压的组件（例如蓄电池）。
5.功率因数校正滤波器将交流电压充电端子以直接的方式与牵引蓄电池连接。因此，蓄电池和充电端子之间的连接经由功率因数校正滤波器进行。充电端子和功率因数校正滤波器之间的连接是直接连接（也就是说无电压变换器或整流器）。功率因数校正滤波器和蓄电池之间的连接同样是直接的（也就是说无直流电压变换器并且无整流器）。因为在一方面功率因数校正滤波器与另一方面充电端子或蓄电池之间不设置其他变换器或整流器，因此功率因数校正滤波器将充电端子直接地与牵引蓄电池连接。也可以使用表述“无直流电压变换器地和无整流器地”来代替术语“直接地”。虽然直接连接既不包括整流器也不包括变换器，但是可以例如具有（无源）滤波器或者如熔断器或自动保险装置之类的安全机制，或者甚至故障电流保护机制，或者甚至开关、继电器或接触器。这是电流连接式（galvanisch verbundene）连接。
6.尤其是当功率因数校正滤波器是升压的，即具有升压转换器的特性时，功率因数校正滤波器优选地被构造为维也纳（vienna）滤波器。此外，功率因数校正滤波器可以被构造为图腾柱（totem-pole）pfc电路。功率因数校正滤波器可以被配置为双向的，或者也可以被构造为单向的，具有从交流电压充电端子朝向蓄电池的传输方向。功率因数校正滤波器被构造有降压功能或升压功能。
7.尤其是，功率因数校正滤波器和交流电压端子分别被构造为三相的。此外，功率因
数校正滤波器可以被构造为三相的（一般：多相的）。在以三相方式构造两个组件时，在功率因数校正滤波器和交流电压端子之间可以存在三个相线。
8.使用电路拓扑，所述电路拓扑允许在功率因数校正滤波器的三相运行时从交流电压端子的3个相中提取能量，并且将所述能量发出给朝向牵引蓄电池的一个输出端；对于为此需要的充电电流求和不使用电流隔断（galvanische trennung）。如果功率因数校正滤波器被构造为双向的，则能量流动可以在两个方向上进行。
9.功率因数校正滤波器优选地被构造用于通过取决于牵引蓄电池的充电状态的直流电压将可调整的充电电流发出给牵引蓄电池，并且由功率因数校正滤波器以协定的容差使所述充电电流适配于额定值，所述额定值从外部被通知给所述功率因数校正滤波器。在此，根据额定值可以得出不同的充电功率。
10.为此，功率因数校正滤波器的开关元件的占空比和/或频率（或对充电电流产生影响的类似运行参数）可以是可变的。充电电流可以在一定的范围内被调整。该范围的下限可以处于0.5 a或1 a。上限从交流端子的相的最大载流能力以及功率因数校正滤波器和牵引蓄电池的载流能力或最大损耗功率中得出。
11.功率因数校正滤波器可以被构造为降压功率因数校正滤波器，也即具有降压转换器的特性。因此，功率因数校正滤波器除了整流外还具有降压的功能。因此，在功率因数校正滤波器的情况下，在充电端子和功率因数校正滤波器内的可控开关元件之间分别得出（单独的）电感。单独的电感用于在降压时暂存少量能量。在此情况下，在功率因数校正滤波器的输出端处的直流电压向上相对严格地受限制（nach oben hin relative eng begrenzt）。
12.尤其是，功率因数校正滤波器被设立用于在具有恒定的有效值的输入交流电压的情况下发出可调整的充电电流，而且在处于最小电压和最大电压之间的输出直流电压的情况下发出可调整的充电电流。可以为功率因数校正滤波器的（与输出电压有关的）最小电压选择处于50伏特的值。所述值基本上是50伏特，但也可以是至少80伏特或100伏特。
13.从（单个相有关的）电网峰值乘以链接因数（verkettungsfaktor）（3的平方根）和另一因数（0.5 * 3的平方根）得出功率因数校正滤波器的（与输出电压有关的）最大电压。该电压表示标称上限，三相降压功率因数校正滤波器可以输出所述标称上限。所述电压在（单个相有关的）有效值为230伏特时为大约488伏特。根据输入电压和电路构件的容差，该最大可能的电压可以更高或更低。由于例如在欧洲低压电网中电压可能比具有有效值为230伏特的标准交流电压低高达10%，并且在降压功率因数校正滤波器中的由电路决定的效应可能引起最大可能输出电压的进一步降低（例如5%），所以可能仅大约415 v的经整流的最大电压在最低情况下在功率因数校正滤波器的输出端处可用。因此，如果牵引蓄电池具有不处于功率因数校正滤波器的该最大电压以上的最大电压，则是有利的。
14.尤其是，牵引蓄电池可以被配置用于在完全充电状态中具有不超过415伏特的最大电压。这通过选择电池技术并且通过单池数量来实现。牵引蓄电池例如可以是锂蓄电池，所述锂蓄电池的单池数被选择为使得不超过以上描述的最大工作电压。在此，单池数涉及处于串联中的单池（zellen）。
15.如果使用具有单池电压范围为2.5 v..4.3 v的单池（例如lco单池），则在降压功率因数校正滤波器情况下允许使最大96个单池串联连接。如果使用具有单池电压范围为
2.5..3.7 v的单池（例如lfp单池），则允许使最大112个单池串联连接。如果使用具有单池电压范围为1.3..2.9 v的单池（例如lto单池），则允许使最大143个单池串联连接。也可以使较少的单池串联连接。因此，牵引蓄电池优选地具有不大于功率因数校正滤波器的最大电压的下限的最大工作电压。最大工作电压是牵引蓄电池的以下电压，所述牵引蓄电池在充电状态为100%且单池状态（剩余电量（state of health）soh）同样为100%时具有所述电压。如果容忍于是在一些情况（功率因数校正滤波器的低输入电压、不利的电路容差）下牵引蓄电池不再能够被充电到100%的充电状态，而仅仍能被充电到例如97%，则串联接线的单池的数量也可以高于所描述的，并且牵引蓄电池的最大工作电压也可以高于415 v，例如430v。
16.另一变型方案是将功率因数校正滤波器构造为升压功率因数校正滤波器，即具有升压转换器的特性。功率因数校正滤波器除了整流之外还具有升压的功能。因此，在功率因数校正滤波器的情况下，在充电端子和功率因数校正滤波器内的可控开关元件之间分别得出（单独的）电感。单独的电感用于在升压时暂存少量能量。在此情况下，功率因数校正滤波器的输出端处的直流电压向下相对严格地受限制。
17.功率因数校正滤波器和交流电压端子分别优选地被构造为三相的。功率因数校正滤波器包括三个可控制的相，所述相尤其是可以单独地被操控。此外，功率因数校正滤波器可以被设立为使得不是其所有相而是仅所述相中的子组是激活的，而一个或多个相是非激活的。这例如允许以可调整的方式以单相或三相方式运行功率因数校正滤波器。一般而言，最大可能充电功率在三相运行中比在单相运行中高。
18.也就是说，功率因数校正滤波器具有各个相，所述相中的所有相或仅相中的一部分可以是激活的。这尤其是对于施加在交流电压端子处并且从而也施加在功率因数校正滤波器处的三相电压而言是这种情况。因此，功率因数校正滤波器可以在单相运行和三相运行之间切换（而三相电压施加在交流电压端子处或功率因数校正滤波器处）。
19.功率因数校正滤波器可以被设立用于在充电状态不超过25%-40%时、尤其是在充电状态不超过30%或33%（或甚至35%）时在单相运行中工作并且在处于该极限以上的充电状态下以三相方式工作。为此，功率因数校正滤波器可以具有控制装置，所述控制装置被设立用于确定充电状态并且如所提到的那样设定单相或三相运行。一般来说，功率因数校正滤波器可以被设立用于以单相方式进行充电直至预先给定义的充电状态极限为止，并且在该极限以上以三相方式进行充电。
20.此外可以规定，牵引蓄电池的由串联连接的单池的（单独）单池电压的总和得出的电压构成准则，根据所述准则设定单相运行或三相运行。功率因数校正滤波器被设立用于在单相运行中工作直至平均单独单池电压极限为止，并且在该极限以上在单相运行中工作。如果使用具有单池电压范围为2.5 v..4.3 v的单池（例如lco单池），则该单独单池电压极限可以为3.1 v。在这种情况下，牵引蓄电池被设计为使得使大约210个单池串联连接。在此，是仅使用一个由这种串联电路组成的支路（strang）还是使用多个支路是无关紧要的，所述多个支路又彼此并联接线。如果使用具有单池电压范围为2.5..3.7 v的单池（例如lfp单池），则该单独单池电压极限可以为2.9 v。在这种情况下，牵引蓄电池优选地具有每支路大约224个串联接线的单池。如果使用具有单池电压范围为1.3至2.9 v的单池（例如lto单池），则该单独单池电压极限可以为1.8 v。牵引蓄电池于是具有361个串联连接的单池。如
上所提到的，这包含着以下原理：对于牵引蓄电池的充电状态范围的大约下三分之一接受单相运行并且对于上三分之二保证三相运行。串联连接的单池的单池数也可以被选择得更高，于是更少地（seltener）需要单相运行。如果单池数被选择得如此高，以致于平均最小单池电压乘以串联连接的单池的数量得出处于下面描述的三相最小电压以上的电压，则根本不需要单相运行。在这种情况下，仅在三相运行中使用功率因数校正滤波器。于是可以取消用于选择和切换运行方式的相应的切换设备和控制组件。
21.功率因数校正滤波器可以具有三个相，如果存在三相运行，则所述相利用三个不同的相电压被运行。功率因数校正滤波器可以被设立用于在单相运行中仅以一个相电压运行这些相中的一个相，或者以相同的相电压运行所述相中的多个或所有相。功率因数校正滤波器此外可以具有仅用于单相运行的分段（abschnitt），如果功率因数校正滤波器处于单相运行中，则所述分段是激活的，而（仅）当功率因数校正滤波器处于三相运行中时，功率因数校正滤波器的三个（其他）相（才）是激活的。
22.功率因数校正滤波器优选地被构造用于在三相运行和三相交流电压时，在具有恒定的有效值的输入交流电压的情况下经由直流电压向牵引蓄电池发出可调整的充电电流，其中输出电压可以从三相最小电压延伸直至三相最大电压。三相最小电压和三相最大电压分别是直流电压。词头“三相”涉及功率因数校正滤波器的所有三个相都是激活的，或者功率因数校正滤波器处于三相运行中。
23.从（单个相有关的）电网峰值乘以链接因数（3的平方根）得出功率因数校正滤波器的三相最小电压。所述三相最小电压是三相升压功率因数校正滤波器可以输出的标称下限。在具有（单个相有关的）有效值为230伏特以及单相电网峰值为325伏特的三相输入电压的情况下，所述三相最小电压标称地为大约563 v。根据输入电压和电路构件的容差，该最小可能电压可以更高或更低。因为例如在欧洲低压电网中电压可能比具有有效值为230伏特的标准交流电压高高达10%，并且在升压功率因数校正滤波器中的由电路决定的效应可能引起最小可能输出电压的进一步提高（例如5%），所以可能低于大约650 v的经整流的电压在最高情况下在功率因数校正滤波器的输出端处不可用。因此，如果牵引蓄电池被设计为使得在大约650 v以下不需要三相运行，则是有利的。三相最大电压例如为1500伏特，尤其是基本上为800伏特、900伏特或基本上为1000伏特，但也可以为超过1400伏特或1500伏特。在车辆车载电网的配置中，三相最大电压基本上为800或850伏特或900伏特。可以为三相最大电压设置1500伏特的上限。
24.功率因数校正滤波器被设立用于在三相最小电压和三相最大电压之间的跨距上延伸的输出直流电压的情况下产生进入牵引蓄电池的可调整的充电电流。在此情况下，牵引蓄电池可以例如是锂蓄电池，其中串联连接的单池的单池数优选地为超过192。如果单池具有单池电压范围为2.5 v..4.3 v（例如在lco单池情况下），则单池数例如可以为大约210。如果单池具有单池电压范围为2.5 v..3.7 v（例如在lfp单池情况下），则单池数例如可以为大约224。如果单池具有单池电压范围为1.3..2.9 v（例如在lto单池情况下），则单池数例如可以为大约361。在此，单池数始终涉及串联连接的单池。也可以使用更高的单池数。单池数的上限由三相最大电压除以在充电状态100%情况下的单池电压得出。如果容忍在一些情况下（容差的不利重合，参见上面）牵引蓄电池不再能够被充电到100%的充电状态，而是仅仍能被充电到例如97%，则也可以超过该上限。
25.功率因数校正滤波器优选地也被构造用于单相运行。功率因数校正滤波器优选地被构造用于在单相运行时向牵引蓄电池发出可调整的充电电流，而且在从单相最小电压开始直至单相最大电压的直流电压情况下向牵引蓄电池发出可调整的充电电流。最小和最大电压是直流电压。词头“单相”涉及仅功率因数校正滤波器的一个相是激活的或功率因数校正滤波器处于单相运行中。功率因数校正滤波器的单相最小电压由输入交流电压的电网峰值得出。所述单相最小电压表示单相升压功率因数校正滤波器可以输出的标称下限。因此在230伏特的（单个相有关的）有效值的情况下得出325伏特的单相最小电压。根据输入电压和电路构件的容差，最小可能电压可以更高或更低。因为例如在欧洲低压电网中电压可能比具有有效值为230伏特的标准交流电压高高达10%，并且在升压功率因数校正滤波器中的由电路决定的效应可能引起最小可能输出电压的进一步提高（例如5%），所以可能低于大约375 v的经整流的电压在最高情况下在功率因数校正滤波器的输出端处不可用。因此，牵引蓄电池优选地被设计为使得所述牵引蓄电池从不具有处于该极限以下的电压。因此，如果单池具有单池电压范围为2.5 v..4.3 v（例如lco单池）或2.5 v..3.7 v（例如lfp单池），则串联接线的单池的单池数在升压功率因数校正滤波器的情况下必须至少为150。如果单池具有单池电压范围为1.3..2.9 v（例如lto单池），则单池数必须至少为289。在此，单池数始终涉及串联连接的单池。单池电压范围始终指的是以下电压范围：即在所述电压范围中应该能够运行单池并且充电应该是可能的。在此，单池电压指的是串联接线的单池的平均单池电压。串联接线的支路的各个单池可以与之向上或向下偏离。在实施方式中，单相最小电压为至少大约276伏特、325伏特或至少375伏特，或者甚至至少410伏特。尤其是，单相最小电压可以基本上为350伏特、370伏特、390伏特或410伏特。
26.单相最大电压优选地不小于480伏特、550伏特或650伏特。此外，单相最小电压例如可以为700伏特。单相最大电压可以至少与三相最小电压的100%、105%、110%或120%一样大。
27.可比的实施方式规定，用于三相运行的功率因数校正滤波器具有与单相运行中的电压范围重叠的电压范围。由此，可以尤其是通过切换运行或激活的相数量以及通过相应地操控功率因数校正滤波器来产生电压带，所述电压带从单相最小电压通到三相最大电压。尤其是，功率因数校正滤波器被设立用于在不同的运行模式（单相和三相）下涵盖从单相最小电压伸展直至三相最大电压的电压范围。
28.车辆车载电网此外优选地包括控制装置。该控制装置以操控的方式与升压功率因数校正滤波器连接。控制装置被设立用于调整功率因数校正滤波器的运行，也就是说将功率因数校正滤波器从单相运行转变到三相运行（或反之亦然）。控制装置被设立用于如果牵引蓄电池处的端电压达到三相最小电压，则执行该转变。
29.在降压型功率因数校正滤波器的情况下，在充电状态为100％的情况下牵引蓄电池的工作电压优选地处于功率因数校正滤波器的最大电压以下。对于牵引蓄电池在不超过大约10％的最小充电状态的情况下的工作电压，优选地适用的是，该工作电压大于功率因数校正滤波器的最小电压。
30.对于升压型功率因数校正滤波器，对于空的牵引蓄电池（例如具有充电状态为1%、5%、10%或20%的蓄电池）优选地得出大于功率因数校正滤波器的单相最小电压的电压，使得通过调整相数量即使在最小充电状态的情况下也得出合适的电压，在所述最小充电状态的
情况下充电电流可以被发出给牵引蓄电池。因此，在不超过10%的最小充电状态的情况下，牵引蓄电池具有大于功率因数校正滤波器的单相最小电压的工作电压。满的牵引蓄电池优选地具有处于功率因数校正滤波器的三相最大电压以下的电压。
31.交流电压充电端子尤其是被构造为插塞连接装置，尤其是被构造为插座。充电端子可以具有多个接触件，尤其是对于交流电压相具有多个接触件（例如三件）。此外，充电端子可以具有用于中性线的接触件。充电端子优选地根据用于电动车辆的有线充电的标准被标准化。
32.图1用于表示连接到交流电源的车辆车载电网。
33.图1示出交流电源wq和车辆车载电网bn。车辆车载电网bn包括交流电压充电端子wa、功率因数校正滤波器lf以及牵引蓄电池ak。可以看出，功率因数校正滤波器lf直接连接到牵引蓄电池ak。此外可以看出，车载电网bn的交流电压充电端子wa直接地与功率因数校正滤波器连接。功率因数校正滤波器lf包括交流电压侧，所述交流电压侧与交流电压充电端子wa以直接的方式连接。功率因数校正滤波器lf此外包括直流电压侧，所述直流电压侧直接地与牵引蓄电池ak连接。
34.示出了交流电压端子wa可以连接到交流电压源wq。交流电压充电端子wa被配置为三相的。功率因数校正滤波器lf包括三个相，所述相可以借助于控制装置c如通过以虚线表示的箭头所示的那样单独地被激活。因此，在三相状态中，功率因数校正滤波器lf的所有三个相工作。在单相运行中，仅功率因数校正滤波器lf的相中的一个相工作，或多个相以同步的方式或利用交流电压端子wa的相同的相工作。这两种运行方式通过使用交流电压源wq作为单相源或作为三相源来表示。这种表示不应该意味着交流电压源wq本身可以在单相运行和三相运行之间转变；相反地通过操控功率因数校正滤波器来表示单相运行或三相运行，其中使用交流电压源wq的一个相或三个相。实际上，在功率因数校正滤波器内或在控制装置c内实现转换开关，所述控制装置可以激活或去活功率因数校正滤波器lf的各个相。
35.由于校正滤波器的各个相的基本激活或去活由控制装置控制并且由功率因数校正滤波器实施，因此具有虚线箭头的表示是纯象征性的；实际上，相数通过由控制装置c发出给功率因数校正滤波器lf的控制信号定义。然而，由于交流电压源wq作为单相源或三相源的使用由该控制装置设定，因此在图1的象征性表示中选择这种不应理解为实现的象征性控制指派。
36.在图1中示出一种示例，其中功率因数校正滤波器被构造为升压型的（hochsetzstellend）。在此情况下，在相对低的牵引蓄电池电压时（即在比较低的充电状态下），首先选择单相运行，并且随着蓄电池ak的电压升高（即在相比之下升高的充电状态下），选择三相运行。由于在升压型功率因数校正滤波器lf的情况下在单相和三相运行中的电压带（spannungsband）重叠，所以在功率因数校正滤波器lf的直流电压侧处得出不间断连续带电压。在降压型功率因数校正滤波器的情况下，仅得出三相运行，并且因此也不得出通过控制装置c的操控，利用所述控制装置c可以设定单相运行。
37.用点划线箭头表示控制装置还操控功率因数校正滤波器lf的可控开关元件，并且因此（在交流侧处的恒定有效电压情况下）可以在功率因数校正滤波器lf的直流电压侧处产生充电电流的输出。不仅在升压功率因数校正滤波器情况下而且在降压型功率因数校正滤波器情况下均存在这种进一步的控制干预。（在交流侧处的恒定有效电压情况下）借助于
控制装置c也调整功率因数校正滤波器lf的充电电流，所述充电电流在功率因数校正滤波器lf的直流电压侧处被输出给牵引蓄电池ak。在此情况下，如可控开关元件的占空比和/或频率（或对充电电流产生影响的类似运行参数）之类的运行参量在功率因数校正滤波器内被设定。可以借助于所述调节参量控制功率因数校正滤波器处的输出电流以及从而也控制传输给牵引蓄电池ak的功率。尤其是，从而可以由功率因数校正滤波器发出充电电流，所述充电电流尽可能精确地遵循额定值，所述额定值例如源自监控牵引蓄电池ak的蓄电池监控装置。