CN109641527A - 双向车载网络转换器和其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双向车载网络转换器(10)，其具有用于馈送输入电压的输入侧、通向能连接的至少一个用电设备(16)的第一电流路径(14)以及与第一电流路径(14)并联的、来自和通向电池(20)的第二电流路径(18)以及第二电流路径(18)中的输出变流器(80)，其中，输出变流器(80)在对电池(20)充电的车载网络转换器(10)的充电运行中能够作为整流器运行，并且在至少对一个用电设备(16)供应能量的反馈运行中能够作为逆变器运行，其中，第一和第二电流路径(14、18)从变换器(72)的次级侧出发，其中，第二电流路径(18)中的输出变流器(80)连接至变换器(72)，并且其中，在反馈运行中，能够借助输出变流器(80)产生交流电压，所述交流电压借助变换器(72)到达第一电流路径(14)，并且到达连接在那里的至少一个用电设备(16)。

Description

双向车载网络转换器和其运行方法
技术领域
本发明涉及一种设置用于在车辆中、尤其是在轨道车辆中、即在铁路运行中使用的双向车载网络转换器，其可以在不同的铁路网络输入电压(例如DC 750V-、DC 1500V-、DC3000V-、AC 1000V-、AC 1500V-和AC 3000V-)下使用。
背景技术
轨道车辆中的双向车载网络转换器不仅能够从所谓的接触线电压、而且能够从由电池供电的DC车载网络对相应的用电设备(1AC用电设备和3AV用电设备)持续供应电能。
这种双向车载网络转换器在中频和低频实施方案中是已知的。然而，对于来自电池的能量流方向，双向车载网络转换器需要附加的变流器和构件。这导致明显的附加的重量、附加的空间需求，因此导致附加的成本。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，给出一种确定用于在车辆中使用、尤其是用于在铁路运行中使用的双向车载网络转换器，其避免或者至少减少这些缺点。
根据本发明，上述技术问题借助具有权利要求1的特征的尤其是确定用于在铁路运行中使用的双向车载网络转换器以及借助具有平行的方法独立权利要求的特征的用于运行这种双向车载网络转换器的方法来解决。
在双向车载网络转换器中，在输入侧可以向该双向车载网络转换器馈送外部输入电压、在铁路运行中为接触线电压，并且该双向车载网络转换器包括通向可连接的至少一个用电设备的第一电流路径以及与第一电流路径并联的、来自和通向可连接的至少一个电池的第二电流路径，在此设置如下：
双向车载网络转换器在来自和通向可连接的至少一个电池的第二电流路径中包括输出变流器。
双向车载网络转换器的第一运行方式是借助外部输入电压对至少一个电池充电的充电运行。双向车载网络转换器的第二运行方式是借助至少一个电池和在那里可以量取的电池电压至少对一个用电设备供应能量的反馈运行。
在充电运行中，输出变流器可以作为整流器运行，并且在充电运行中作为整流器工作。在包括半导体开关和反向并联的续流二极管的输出变流器的实施方式中，在充电运行中，输出变流器的半导体开关是可关断的，并且在充电运行中关断。同样，在输出变流器的这种实施方式中，在充电运行中，可以借助逆变器的续流二极管对由于外部输入电压而施加在逆变器上的电压进行整流，并且在充电运行中对该电压进行整流。在充电运行中，借助产生的直流电压对连接至双向车载网络转换器的第二电流路径的电池或者每个电池充电。
在反馈运行中，输出变流器可以作为逆变器运行，并且在反馈运行中作为逆变器工作。在包括半导体开关和反向并联的续流二极管的输出变流器的实施方式中，借助半导体开关的节拍(Taktung)，可以以预先给定或者可预先给定的、尤其是恒定的开关频率，从电池电压产生交流电压，并且在反馈运行中产生交流电压。
第一电流路径和第二电流路径从双向车载网络转换器所包括的变换器的次级侧出发。来自和通向可连接的至少一个电池的第二电流路径包括输出变流器。借助输出变流器可产生和借助输出变流器在反馈运行中产生的交流电压借助变换器到达第一电流路径中(借助变换器将在第二电流路径中产生的交流电压馈入第一电流路径中)。在反馈运行中产生的交流电压到达第一电流路径中，并且到达连接在那里的至少一个用电设备，以这种方式保证即使在外部输入电压中断时也对用电设备供应电能。
本发明的优点在于，减少了双向车载网络转换器所需的功能单元的数量，从而与已知的双向车载网络转换器相比，产生的双向车载网络转换器以更小的重量、减小的位置/空间需求、因此更有利的价格而突出。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。在此使用的引用关系指出独立权利要求的主题通过相应的从属权利要求的特征实现的进一步的构造。其不应当理解为放弃实现针对所引用的从属权利要求的特征组合的独立的具体的保护。此外，在权利要求的解释方面，在更详细地具体化后面的权利要求中的特征时，旨在在相应地在前面的权利要求中不存在这种限制。
在双向车载网络转换器的一个特别的实施方式和其运行方法中，变换器包括第一变压器和第二变压器，其中，第一和第二变压器在初级侧并联连接，并且两个变压器包括共同的初级电路，其中，第一电流路径连接至第一变压器，并且第二电流路径连接至第二变压器。变换器的这种实施方式特别适合于将基于外部输入电压产生的电能并行地馈入到用于对连接在那里的用电设备或者每个用电设备供电的第一电流路径中和用于对至少一个电池充电的第二电流路径中。但是变换器的这种实施方式同样特别适合于在反馈运行期间将来自第二电流路径的电能从至少一个电池馈入到第一电流路径中，然后对仍然要运行的用电设备供电。
在双向车载网络转换器的另一个特别的实施方式中，双向车载网络转换器包括第二电流路径中的与输出变流器连接的电池充电电路，其中，电池充电电路包括降压/升压转换器，其在充电运行中可以作为降压转换器运行，并且在反馈运行中可以作为升压转换器运行。在运行这种双向车载网络转换器的方法中，电池充电电路的降压/升压转换器在充电运行中作为降压转换器运行，并且在反馈运行中作为升压转换器运行。以这种方式，保证在充电运行中向至少一个电池馈送借助降压/升压转换器在其作为降压转换器工作时产生的适当的直流电压，并且在反馈运行中向输出变流器同样馈送借助降压/升压转换器此时在其作为升压转换器工作时产生的适当的直流电压。
附图说明
下面，借助附图详细说明本发明的实施例。在所有附图中，对彼此对应的对象或者元素设置相同的附图标记。
这不应当理解为对本发明的限制。相反，在本公开的范围内，也完全可以进行补充和修改，特别是本领域技术人员例如通过对结合一般性或者具体的描述部分描述以及在权利要求和/或附图中包含的各个特征或者方法步骤进行组合或者变形针对上述技术问题的解决方案可以推断出并且通过可组合的特征产生新的主题或者新的方法步骤或方法步骤序列的补充和修改。
图1示出了车载网络转换器，
图2示出了用于反馈运行的电路，
图3示出了根据在此提出的方案的车载网络转换器，
图4示出了根据图3的车载网络转换器的变流器，以及
图5示出了根据图3的车载网络转换器的双向电池充电电路。
具体实施方式
图1中的图示以框图的形式示出了原则上已知的双向车载网络转换器10的原理图。双向车载网络转换器10可以借助输入侧的变流器12(AC/DC或者DC/DC转换器)12连接至直流或者交流电网，并且变流器12相应地具有输入端，输入端根据输入电压用作AC输入端或者DC输入端。在变流器12的输出侧，双向车载网络转换器10包括通向可连接的至少一个用电设备16的第一电流路径14以及与第一电流路径14并联的、来自和通向可连接的至少一个电池20的第二电流路径18。
在输出侧，在第一以及第二电流路径14、18中，在相应的自己的中间电路中，在变流器12后面连接有中间电路电容器22、24。
在第一电流路径14中，下面有时也仅简称为车载网络转换器10的双向车载网络转换器10以与那里的中间电路电容器22连接的方式包括脉宽调制变流器26(3AC或者1AC脉冲逆变器26)，并且又以与其连接的方式包括正弦滤波器28。在正弦滤波器28的输出端，可以量取单相交流电压(1AC)和/或三相交流电压(3AC)。相应的用电设备16、即1AC用电设备或者3AC用电设备可以连接至正弦滤波器28。
在第二电流路径18中，车载网络转换器10以与那里的中间电路电容器24连接的方式包括中频逆变器34，并且以与其连接的方式包括具有串联谐振电容器的中频变换器36。电池侧的中频变流器38、具有中间电路电容器40的电池侧的中间电路、电池侧的降压转换器(TSS)42和电池侧的升压转换器(HSS)44又连接至中频变换器36。在HSS 44后面连接有作为输出滤波器46的LC滤波器。输出滤波器46的输出端用作DC输出端(对于DC用电设备；未示出)和/或者用作电池输入端。
在有时也仅简称为PWR 26的脉冲逆变器26、逆变器34、变流器38以及TSS 42和HSS44的各个桥式路径中，那里的所谓的电流阀(相应的半导体开关30和续流二极管32的并联电路)仅以叉的形式示出。在图1中的图示的右侧，更详细地示出了单个电流阀。电流阀以本身已知的方式包括半导体开关30和反向并联的续流二极管32。为了清楚起见，进行了这种替换，并且这种替换也适用于图2中的图示。
施加在变流器12的输入侧的外部输入电压，在铁路运行中为所谓的接触线电压，通过第一电流路径14对连接在那里的用电设备16或者每个用电设备16供电，并且同时通过第二电流路径18对至少一个电池20充电。因为在这种运行情况下对至少一个电池20充电，所以将车载网络转换器10的相应的运行方式称为充电运行。车载网络转换器10的运行方式确定对第二电流路径18中的半导体开关30的控制。
在外部输入电压中断时，借助至少一个电池20至少对一个用电设备16供电。车载网络转换器10于是借助相应地控制半导体开关30，以使得能够至少对一个用电设备16供应电能的方式运行。从至少一个电池20汲取电能，并且(与充电运行中的电流方向相反地)反馈到第二电流路径18中，从那里馈入的电能通过第一电流路径14到达在外部输入电压中断时仍然要供电的每个用电设备16。由于将电能反馈到车载网络转换器10中，因此将这种运行方式称为反馈运行。对半导体开关30的这种控制也通过对第二电流路径18中的半导体开关30的特征性控制来确定。
图2中的图示示出了用于来自电池20的反馈运行的另一个已知的电路。3AC或者1AC脉冲逆变器(PWR)52通过中间电路电容器50连接至电池20。在通向一个或者多个用电设备16、即1AC用电设备16或者3AC用电设备16的电流路径中，在电池20的输出侧以与PWR 52连接的方式存在低频三相变压器54，特别是在一个实施方式中，作为50Hz/60Hz变压器54，并且又以与其连接的方式存在正弦滤波器56。用电设备16或者每个用电设备16连接至正弦滤波器56。利用根据图2的电路实现的电池-PWR-变压器设备非常重、大并且昂贵。并不总是能够提供这种设备所需的空间。
图3中的图示示出了双向车载网络转换器10的一个实施方式和根据在此提出的方案的双向车载网络转换器电路。下面有时也仅将该双向车载网络转换器10简称为车载网络转换器10。
这种车载网络转换器10例如在铁路运行中使用。在那里，车载网络转换器10将接触线电压变换为电势隔离的3xAC输出电压(例如3AC 280V/60Hz、400V/50Hz和480V/60Hz)和电势隔离的DC输出电压(例如DC 24V、36V和110V)，并且用于对1AC和3AC用电设备16(例如压缩机、通风装置等)供电、对车辆电池(Wagen-Batterie)20充电以及对连接的DC用电设备供电。
在输入侧施加的供电电压中断时，在铁路运行中使用的情况下，即在铁路网络和接触线电压中断时，车载网络转换器10承担至少对一个用电设备16的供电。为此，在外部输入电压中断时，车载网络转换器10从至少一个电池20(通常是一组电池20；在铁路运行中，从相应的车辆电池20)汲取所需的电能。将至少一个电池20的电压变换为电势隔离的3AC电压，以便在外部供电电压中断期间也能够继续对所需的3AC用电设备16、例如压缩机、通风装置等供电(反馈运行)。
从用于馈送外部输入电压的输入侧出发，与根据图1的车载网络转换器10一样，根据图3的车载网络转换器10也包括第一电流路径14和第二电流路径18。第一电流路径14通向至少一个用电设备16的连接位置，并且在车载网络转换器10运行时通向连接的至少一个用电设备16。第二电流路径18与第一电流路径14并联地延伸，并且通向在车载网络转换器10运行时连接的至少一个电池20。此外，观察图3所示的框图，车载网络转换器10包括位于两个电流路径14、18的分支之前的输入滤波器60，以与输入滤波器60连接的方式包括具有电势隔离的变流器62(AC/DC或者DC/DC转换器)，从变流器62出发，两个电流路径14、18在第一电流路径14中包括脉宽调制变流器(PWR)26，并且在第二电流路径18中包括双向电池充电电路64。
图4中的图示以框图的形式更详细地示出了根据图3的车载网络转换器10的变流器62的一个实施方式。在所示出的实施方式中，变流器62包括升压转换器(HSS)66、具有连接在前面的中间电路电容器70的中频逆变器68以及变换器72、尤其是具有串联谐振电容器的中频变换器(MF变换器)。变换器72包括第一变压器74以及第二变压器76。第一和第二变压器74、76在初级侧并联连接，因此具有共同的初级电路。第一变压器74形成第一电流路径14的开端，第一电流路径14通向在那里可连接的用电设备16的连接位置。第二变压器76形成来自和通向至少一个电池20的第二电流路径18的开端。
用作输出整流器78的整流器连接至第一变压器74，并且PWR 26(图3)和一个用电设备16或者多个用电设备16又连接至整流器。输出变流器80连接至第二变压器76，并且双向电池充电电路64(图3；图5)和至少一个电池20又连接至输出变流器80。
对于实施为AC/DC转换器的变流器62，在HSS 66的输入端处设置B2二极管桥式电路。
HSS 66(图4)将具有大的电压范围的输入电压增大至中间电路中(中间电路电容器70)的恒定电压。逆变器68(图4)包括半导体全桥。以预先给定或者可预设先给定的、尤其是恒定的开关频率控制其半导体开关30、尤其是IGBT，并且在变换器72的输入侧、因此在变换器72包括的变压器74、76的初级侧产生交流电压。
在第一电流路径14中，PWR 26通过输出整流器78进一步连接至第一变压器74。因此，也将第一变压器74称为PWR变换器74。在第二电流路径18中，双向电池充电电路64通过输出变流器80进一步连接至第二变压器76。因此，为了进行区分，也将第二变压器76称为电池充电电路变换器或者简称为电池变换器76。PWR变换器74和电池变换器76在初级侧并联地连接至逆变器68的输出端。在变换器74、76(PWR变换器74和电池变换器76)的初级电路中，一个电容器分别与相应的初级绕组串联连接。在电池变换器76的次级电路中，一个电容器与电池变换器76的次级绕组串联连接。
通过输出整流器78对PWR变换器74的次级电压进行整流。PWR 26对产生的直流电压进行脉冲调制，并且产生所需的正弦形的3AC输出电压，用于对连接的用电设备16或者每个用电设备16供电。
在电池变换器76的次级侧连接有半导体全桥作为输出变流器80。在正常的充电运行(借助外部供电电压、尤其是接触线电压供电)中，输出变流器80的半导体开关30、尤其是IGBT形式的半导体开关30关断。然后，借助输出变流器80的全桥电路的续流二极管28对电池变换器76的次级电压进行整流，并且输出变流器80用作整流器。
图5中的图示以框图的形式更详细地示出了根据图3的车载网络转换器10的双向电池充电电路64的一个实施方式。对此，双向电池充电电路64包括降压/升压转换器(TSS/HSS)82和输出滤波器84(在一个实施方案中作为LC滤波器的DC输出滤波器)。TSS/HSS 82在正常的充电运行(借助外部供电电压、尤其是接触线电压供电)中作为降压转换器工作，并且使得将输出变流器80由于半导体开关30关断而输出的直流电压转换为适用于对至少一个电池20充电的电压水平。通过在LC滤波器形式的输出滤波器84中位于输出端的扼流圈和电容器，使产生的DC输出电压变平滑。
在来自电池20的反馈运行(外部供电电压中断，借助电池电压至少对一个用电设备16供电)中，双向电池充电电路64的TSS/HSS 82作为升压转换器工作，并且将在至少一个电池20上可量取的直流电压(DC电池电压)增大为恒定的电压。输出变流器80的半导体开关30(图4)以预先给定或者可预先给定的、尤其是恒定的开关频率发出节拍(takten)，并且在电池变换器76的次级侧产生交流电压。因此，在反馈运行中，输出变流器80用作逆变器。所产生的交流电压和其电能通过变换器74、76(PWR变换器74和电池变换器76)的并联连接的初级绕组直接到达PWR变换器74的次级侧。借助输出整流器78对PWR变换器74的次级电压进行整流，并且PWR 26对产生的直流电压进行脉冲调制，并且产生正弦形的3AC输出电压，用于在反馈运行期间借助至少一个电池20的电压至少使一个用电设备16运行。
为了使输出变流器80在其在充电运行中作为整流器的功能与其在反馈运行中作为逆变器的功能之间进行切换而对半导体开关30的控制，借助为此设置的控制单元(未示出)来进行，控制单元产生并且输出针对半导体开关30的相应的控制信号。控制单元还产生针对车载网络转换器10的其它功能单元的控制信号，这些功能单元包括可控的半导体开关30，即HSS 66、逆变器68和TSS/HSS 82。在此介绍的方案的优点也在于，这种控制单元的功能与用于根据图1的车载网络转换器10的控制单元相比几乎不需要改变。
虽然通过实施例在细节上详细说明和描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的一个或者多个示例，本领域技术人员可以由此推导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。
在此呈现的描述的各个重要方面因此可以简短地概括如下：给出了一种双向车载网络转换器10以及运行这种双向车载网络转换器10的方法，双向车载网络转换器10具有用于馈送外部输入电压的输入侧、通向可连接至少一个的用电设备16的第一电流路径14、与第一电流路径14并联的、来自和通向可连接的至少一个电池20的第二电流路径18以及第二电流路径18中的输出变流器80。输出变流器80在借助外部输入电压对至少一个电池20充电的双向车载网络转换器10的充电运行中可以作为整流器运行，并且在借助至少一个电池20至少对一个用电设备16供应能量的双向车载网络转换器10的反馈运行中可以作为逆变器运行。第一和第二电流路径14、18从变换器72的次级侧出发，其中，第二电流路径18中的输出变流器80连接至变换器72，并且其中，在反馈运行中，借助输出变流器80可以产生交流电压，并且在双向车载网络转换器10运行时产生交流电压，其可以借助变换器72馈入到第一电流路径14中，并且在双向车载网络转换器10运行时馈入到第一电流路径14中，并且到达连接在那里的至少一个用电设备16。

Claims (7)

1.一种双向车载网络转换器(10)，其具有用于馈送外部输入电压的输入侧，
-通向能连接的至少一个用电设备(16)的第一电流路径(14)以及与第一电流路径(14)并联的、来自和通向能连接的至少一个电池(20)的第二电流路径(18)，以及
-第二电流路径(18)中的输出变流器(80)，
-其中，输出变流器(80)在借助外部输入电压对至少一个电池(20)充电的车载网络转换器(10)的充电运行中能够作为整流器运行，并且在借助至少一个电池(20)至少对一个用电设备(16)供应能量的车载网络转换器(10)的反馈运行中能够作为逆变器运行，
其特征在于，
-第一和第二电流路径(14、18)从变换器(72)的次级侧出发，
-第二电流路径(18)中的输出变流器(80)连接至变换器(72)，并且
-在反馈运行中，能够借助输出变流器(80)产生交流电压，所述交流电压借助变换器(72)到达第一电流路径(14)，并且到达连接在那里的至少一个用电设备(16)。
2.根据权利要求1所述的双向车载网络转换器(10)，
其中，变换器(72)包括第一变压器(74)和第二变压器(76)，
其中，第一和第二变压器(74、76)在初级侧并联连接，并且两个变压器(74、76)包括共同的初级电路，
其中，第一电流路径(14)连接至第一变压器(74)，并且
其中，第二电流路径(18)连接至第二变压器(76)。
3.根据权利要求1或者2所述的双向车载网络转换器(10)，其具有第二电流路径(18)中的、与输出变流器(80)连接的电池充电电路(64)，
其中，电池充电电路(64)包括降压/升压转换器(82)，其在充电运行中能作为降压转换器运行并且在反馈运行中能作为升压转换器运行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的双向车载网络转换器(10)，
其中，输出变流器(80)包括半导体开关(30)和与半导体开关(30)反向并联的续流二极管(32)，
其中，在充电运行中，能够关断输出变流器(80)所包括的半导体开关(30)，并且能够借助输出变流器(80)所包括的续流二极管(32)对由于外部输入电压而施加在输出变流器(80)上的电压进行整流，并且
其中，在反馈运行中，能够借助具有预先给定或者能预先给定的开关频率的输出变流器(80)的半导体开关(30)的节拍，从在至少一个电池(20)上能量取的电池电压产生能借助变换器(72)馈入到第一电流路径(14)中的交流电压。
5.一种运行根据前述权利要求中任一项所述的双向车载网络转换器(10)的方法，
其中，在对至少一个电池(20)充电的车载网络转换器(10)的充电运行中，输出变流器(80)用作整流器，并且对由于外部输入电压而施加在输出变流器(80)上的电压进行整流，并且
其中，在至少对一个用电设备(16)供应能量的车载网络转换器(10)的反馈运行中，输出变流器(80)用作逆变器，并且从在至少一个电池(20)上能量取的电池电压产生交流电压，所述交流电压借助变换器(72)到达第一电流路径(14)，并且到达连接在那里的至少一个用电设备(16)。
6.根据权利要求5所述的运行根据权利要求2或者3所述的车载网络转换器(10)的方法，
其中，通过变换器(72)包括第一变压器(74)和在初级侧与第一变压器(74)并联连接的第二变压器(76)，在反馈运行中，由于电池电压而产生的交流电压借助变换器(72)到达第一电流路径(14)，并且到达连接在那里的至少一个用电设备(16)，
其中，所产生的交流电压馈入两个变压器(74、76)的共同的初级电路中，并且从那里借助第二变压器(76)到达第一电流路径(14)。
7.根据权利要求5或者6所述的运行根据权利要求3所述的车载网络转换器(10)的方法，
其中，电池充电电路(64)的降压/升压转换器(82)在充电运行中作为降压转换器运行，并且在反馈运行中作为升压转换器运行。
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