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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Ladevorrichtung eines Fahrzeugs, eine Ladevorrichtung eines Fahrzeugs zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs und ein Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Ladevorrichtung eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, welches einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs und einen elektrischen Energiespeicher zum Versorgen des Elektromotors umfasst, wobei der elektrische Energiespeicher von der Ladevorrichtung aufgeladen werden kann.
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Bei einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug kann ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise eine aufladbare Batterie, welcher einen Elektromotor des Elektro- oder. Hybridfahrzeugs antreibt, mit elektrischer Energie von einem Energieversorgungssystem. aufgeladen werden. Das Energieversorgungssystem kann beispielsweise eine sogenannte Ladesäule umfassen, welche über einen elektrischen Anschluss elektrische Energie zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitstellt. Alternativ kann das Energieversorgungssystem einen Stromanschluss von beispielsweise einem Wohn- oder Industriegebäude umfassen, an welchen das Fahrzeug zum Laden des elektrischen Energiespeichers über ein Ladekabel angeschlossen wird.
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Die Ladung des elektrischen Energiespeichers erfolgt üblicherweise über eine Ladevorrichtung ein sogenanntes Energiespeicherladegerät. Diese Ladevorrichtung kann im Fahrzeug verbaut sein oder extern sein. Das Energieversorgungssystem kann die elektrische Energie beispielsweise als eine einphasige Wechselspannung oder eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung mit 400 V,bereitstellen. Alternativ können auch Gleichspannungen zur Ladung des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt werden. Um einen Personenschutz gegen gefährliche . Berührungsströme und Berührungsspannungen sicherzustellen, werden üblicherweise Fehlerstromschutzschalter verwendet. Da jedoch aus Sicht des Fahrzeugs nicht immer sichergestellt werden kann, dass die Verbindung des Schutzleiters (PE-Leiter oder FE-Leiter) zwischen dem Energieversorgungssystem und dem Elektrofahrzeug oder innerhalb des Energieversorgungssystems besteht, kann die Funktion des Fahrzeugs, einen Schutz gegen. einen Fehlerstrom oder Berührungsstrom bereitzustellen, nicht gewährleistet werden. Wenn beispielsweise der Schutzleiter; mit welchem die Fahrzeugkarosserie bei einer Kopplung des Fahrzeugs mit dem Energieversorgungssystem verbunden wird, in dem Ladekabel oder in dem Energieversorgungssystem, beispielsweise in einer Häusverteilung oder der Ladesäule, unterbrochen ist, kann beispielsweise über einen Insassen des Fahrzeugs, welcher mit der Karosserie und einem spannungsführenden Teil in Berührung kommt, kein Schutz über einen Fehlerstromschutzschalter gewährleistet werden.
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In diesem Zusammenhang ist aus der
EP 0 915 347 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Schleifenwiderstandes in schutzschaltergeschützten Netzen bekannt. Bei dem Verfahren wird ein Schleifenwiderstand in schutzschaltergeschützten Netzen und zumindest einem Außenleiter und einem Nullleiter und einem Schutzleiter bestimmt. Dazu wird zwischen dem Außenleiter und dem Schutzleiter ein Strom eingeprägt, der kleiner als der Nennstrom des Schutzschalters ist. Der durch den eingeprägten Strom hervorgerufene Spannungsabfall zwischen Nullleiter und Schutzleiter wird .gemessen und der Erdungswiderstand durch Division des Spannungsabfalls und des eingeprägten Stromes berechnet: Weiterhin wird zwischen jedem Außenleiter und dem Nullleiter ein Strom eingeprägt, welcher wesentlich größer als der Auslösestrom des Schutzschalters ist und eine Spannungsdifferenz zwischen jedem Außenleiter und Schutzleiter zwischen unbelasteten und belasteten Fall gemessen. Durch Division der Spannungsdifferenz und des eingeprägten Stroms wird der Netzinnenwiderstand berechnet. Der Schleifenwiderstand wird schließlich aus der Summe des Erdungswiderstandes und des Netz-innenwiderstandes ermittelt.
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In der
EP 1 566 644 B1 ist ein Verfahren zum Messen der Erdungswiderstände von elektrischen Anlagen durch Messung der Schleifenimpedanz offenbart. Mit Hilfe von spannungserzeugenden Wandlermitteln wird ein Strom in die Schleife eingekoppelt und dieser Strom anhand von Stromwandlermitteln gemessen. Die Schleifenimpedanz wird in Abhängigkeit des gemessenen Stroms ermittelt.
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Weiterhin offenbart die
EP 0 706 663 B2 ein Verfahren zum Testen eines Schleifenwiderstandes in einer durch einen Schutzschalter geschützten Wechselstromschaltung. Bei dem Verfahren wird ein Teststrom, welcher kleiner als der Auslöse-Nennwert des Schutzschalters ist und die Schleife durchfließt, eingerichtet. Der Teststrom hat eine Frequenz F
0, die mit einem Wechselstromzuführungssignal direkt synchronisiert ist. Ein Testspannungssignal, welches sich aufgrund des Teststroms entwickelt, wird isoliert und erfasst. Der Schleifenwiderstand kann in Abhängigkeit von dem Teststrom und dem Testspannungssignal bestimmt werden.
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Die
DE 10 2011 076 320 A1 betrifft eine Erdungsüberwachungs-Vorrichtung, welche einen Erddurchgangstest auf Basis eines festgestellten Erdungswiderstands durchführt. Die Erdungsüberwachungs-Vorrichtung kann so betrieben werden, dass sie den Erdungswiderstand als Funktion einer beim Anlegen eines Teststroms erfassten Spannungsdifferenz erfasst. Die Erdungsüberwachungs-Vorrichtung, .welche zwischen einer Fahrzeugladeeinrichtung und einer Wandsteckdose eines Haushaltsstromnetzes geschaltet ist, ist so konfiguriert, dass sie ein sicheres Zuführen von Energie von der Wandsteckdose zu einer Stromsteckbuchse ermöglicht, die in dem Fahrzeug enthalten ist.
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Die
US 2007 / 0 153 560 A1 betrifft tragbare Ladegeräte zur Verwendung bei elektrischen Fahrzeugen. Ein Unterbrecherschaltkreis kann als Hauptstromschalter dienen. Eine derartige Vorrichtung dient als ein Sicherheitsmerkmal, um einen Strom bei einem abnormalen Vorfall abzuschalten...
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Die
DE 102 07 856 A1 betrifft ein Verfahren zur Messung der Impedanz eines Energieversorgungsnetzes bei dessen Nennfrequenz durch Einprägung eines Prüfstroms in das Netz und Messung der dadurch erhaltenen Änderungen des Netzstroms und der Netzspannung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zuverlässigen Schutz gegen gefährliche Berührungsströme an einem Fahrzeug beim Laden des Fahrzeugs bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren für eine Ladevorrichtung eines Fahrzeugs nach Anspruch 1, eine Ladevorrichtung eines Fahrzeugs nach Anspruch 10 und ein Fahrzeug nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für eine Ladevorrichtung eines Fahrzeugs bereitgestellt. Die Ladevorrichtung ist zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs, beispielsweise eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, mit Energie von einem elektrischen Energieversorgungssystem geeignet. Der Energiespeicher umfasst beispielsweise aufladbare Batterien des Fahrzeugs. Das Energieversorgungssystem umfasst beispielsweise eine Ladesäule, mit welcher das Fahrzeug zum Laden des elektrischen Energiespeichers gekoppelt werden kann, oder einen Stromanschluss von beispielsweise einem privaten Haushalt. Das Energieversorgungssystem kann beispielsweise einen einphasigen Wechselstrom oder einen mehrphasigen Wechselstrom, insbesondere einen dreiphasigen Wechselstrom bereitstellen. Alternativ kann das, Energieversorgungssystem auch einen Gleichstrom bereitstellen. Die Ladevorrichtung ist über mindestens einen Leiter, einen Neutralleiter und einen Schutzleiter mit dem Energieversorgungssystem koppelbar. Bei dem Verfahren wird eine Schleifenimpedanz eines Stromkreises, welcher den Schutzleiter zwischen der Ladevorrichtung und dem. Energieversorgungssystem umfasst, bestimmt. In Abhängigkeit von der bestimmten Schleifenimpedanz wird die Ladevorrichtung von dem Energieversorgungssystem entkoppelt. Durch Bestimmen der Schleifenimpedanz des Stromkreises, welcher ,den Schutzleiter zwischen der Ladevorrichtung und dem Energieversorgungssystem umfasst, , kann überprüft werden, ob der Schutzleiter eine ausreichende Erdung des Fahrzeugs bereitstellt und somit ein Personenschutz gegen gefährliche Berührungsströme an dem Fahrzeug, insbesondere der Fahrzeugkarosserie, sichergestellt werden kann. Falls keine ausreichende Erdung sichergestellt. ist, wird die Ladevorrichtung von dem Energieversorgungssystem entkoppelt, so dass ein Personenschutz sichergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die bestimmte Schleifenimpedanz mit einem vorgegebenen Impedanzschwellenwert verglichen und die Ladevorrichtung in Abhängigkeit von dem Vergleich der bestimmten Schleifenimpedanz mit dem vorgegebenen Impedanzschwellenwert von dem Energieversorgungssystem entkoppelt. Der vorgegebene Impedanzschwellenwert kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Nennspannung des Energieversorgungssystems und einem Abschaltstrom eines Fehlerstromschutzschalters des Energieversorgungssystems eingestellt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Schleifenimpedanz hinreichend gering ist, um im Falle - eines Fehlerstroms einen Fehlerstromschutzmechanismus in dem Energieversorgungssystem auszulösen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden beim Entkoppeln der Ladevorrichtung von dem Energieversorgungssystem der mindestens eine Leiter und der Neutralleiter entkoppelt. Dadurch .kann sichergestellt werden, dass in dem Fahrzeug keine gefährlichen Berührungsströme auftreten können. Umfasst der mindestens eine Leiter beispielsweise drei Leiter eines dreiphasigen Wechselstroms, so werden alle drei Leiter entkoppelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Schleifenimpedanz erfasst, indem ein, Messstrom in den Schutzleiter eingespeist wird und der Strom in dem Schutzleiter erfasst wird. Ferner wird ein'Spannungspotenzial des Schutzleiters erfasst und die Schleifenimpedanz in Abhängigkeit von dem erfassten Strom und dem erfassten Spannungspotenzial bestimmt. Der Messstrom kann einen Wert im Bereich von beispielsweise 5-25 mA aufweisen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Fehlerstromschutzmechanismus des Energieversorgungssystems, beispielsweise ein Fehlerstromschutzschalter, nicht aufgrund des Messstroms ausgelöst wird. Das Erfassen des Spannungspotenzials des Schutzleiters kann wahlweise durch Erfassen einer Spannung zwischen dem mindestens .einen Leiter und dem, Schutzleiter, also zwischen einem Außenleiter und dem Schutzleiter, oder durch Erfassen einer Spannung zwischen dem Neutralleiter und dem Schutzleiter erfolgen. Darüber hinaus kann das Bestimmen der Schleifenimpedanz und des Entkoppeln der Ladevorrichtung von dem Energieversorgungssystem in Abhängigkeit von der bestimmten Schleifenimpedanz kontinuierlich und unabhängig von einem Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers durchgeführt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Personenschutz gegen gefährliche Berührungsströme gewährleistet ist, solange das Fahrzeug mit dem Energieversorgungssystem verbunden ist. Durch die kontinuierliche Überwachung kann auf einen auftretenden Fehler, welcher die Schleifenimpedanz erhöht, unmittelbar reagiert werden und die Ladevorrichtung und somit das Fahrzeug von dem Energieversorgungssystem entkoppelt werden..
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Fahrzeug mit einer Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs mit Energie von einem elektrischen - Energieversorgungssystem bereitgestellt. Das Fahrzeug umfasst eine Anschlusseinheit zum Koppeln der Ladevorrichtung mit dem Energieversorgungssystem, eine Schleifenimpedanzbestimmungsvorrichtung und eine Schalteinheit. Die Anschlusseinheit umfasst elektrische Verbindungen zum Koppeln der Ladevorrichtung mit dem. Energieversorgungssystem über mindestens einen Leiter, einen Neutralleiter und einen Schutzleiter. Der mindestens eine Leiter kann bei einem Einphasenwechselstrom des Energieversorgungssystems einen einzigen Leiter umfassen und bei einem mehrphasigen Wechselstrom des Energieversorgungssystems für jede Phase einen eigenen Leiter umfassen. Die Schleifehimpedanzbestimmungsvorrichtung ist in der Lage, eine Schleifenimpedanz eines Stromkreises, welcher den Schutzleiter zwischen der Ladevorrichtung und dem, Energieversorgungssystem umfasst, zu bestimmen. Die Schalteinheit ist in der Lage, in Abhängigkeit von der bestimmten Schleifenimpedanz die Ladevorrichtung von dem Energieversorgungssystem zu entkoppeln. Die Ladevorrichtung ist daher zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet und umfasst ebenfalls die zuvor beschriebenen Vorteile.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Schalteinheit in einem Ladekabel angeordnet, welches die Ladevorrichtung mit dem Energieversorgungssystem verbindet. Dadurch kann die Schalteinheit beispielsweise zusätzlich die Ausgangsanschlüsse des Ladekabels von dem Energieversorgungssystem trennen, wenn das Ladekabel von der Anschlusseinheit der Ladevorrichtung abgezogen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schalteinheit in dem Fahrzeug angeordnet. Dadurch können elektrische Kontakte in der Anschlusseinheit der Ladevorrichtung spannungsfrei geschaltet werden, wenn eine erhöhte Schleifenimpedanz festgestellt wird. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Ladekabel von der Anschlusseinheit abgezogen wird.
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Das Fahrzeug kann einen Elektromotor umfassen, , welcher das Fahrzeug antreibt und mit dem elektrischen Energiespeicher zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Energie, gekoppelt ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben., .
- 1 zeigt schematisch eine Draufsicht eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt schematische eine Ladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug 10 in einer Draufsicht. Das Fahrzeug 10 umfasst einen elektrischen Energiespeicher 11, welcher mit einem elektrischen Antriebsmotor 12 des Fahrzeugs 10 gekoppelt ist. Der elektrische Energiespeicher 11 umfasst beispielsweise wiederäufladbare *Batterien, welche elektrische Energie für den Elektromotor 12 bereitstellen. Der elektrische Energiespeicher 11 kann mit Hilfe einer Ladevorrichtung 13des Fahrzeugs 10 mit elektrischer Energie von einem Energieversorgungssystem 16 aufgeladen werden. Das ,Energieversorgungssystem 16 kann beispielsweise einen Ladesäule oder einen elektrischen Anschluss eines Wohngebäudes oder einer Garage umfassen. Das Energieversorgungssystem 16 kann beispielsweise einen einphasigen Wechselstrom öder einen mehrphasigen Wechselstrom, insbesondere einen dreiphasigen Wechselstrom, bereitstellen. Zur Kopplung des Fahrzeugs 10 mit dem Energieversorgungssystem 16 umfasst das Fahrzeug 10 eine Anschlusseinheit 14. Über die Anschlusseinheit 14 werden elektrische Verbindungen zum Koppeln der Ladevorrichtung 13 mit dem Energieversorgungssystem 16 über einen oder mehrere Außenleiter, einen Neutralleiter und einen Schutzleiter hergestellt. Ein Ladekabel 15, welches mit der Anschlusseinheit 14 koppelbar ist und über eine weitere Anschlusseinheit 17 mit dem Energieversorgungssystem 16 koppelbar ist, stellt eine flexible elektrische Verbindung zwischen der Ladevorrichtung 13 und dem Energieversorgungssystem 16 bereit. Übliche Spannungen, welche zur Übertragung des Ladestroms über. das Ladekabel 15 verwendet werden, liegen im Bereich von einigen hundert Volt. Daher ist ein Personenschutz erforderlich, welcher sicherstellt, dass auch im Falle von Isolationsfehlern keine gefährlichen Berührspannungen und Berührströme an metallischen Gegenständen des Fahrzeugs 10 auftreten. Dazu können beispielsweise sowohl in dem elektrischen Energieversorgungssystem 16 als auch in der Ladevorrichtung 13 Fehlerstromschutzschalter verwendet werden. Darüber hinaus ist die Masse des Fahrzeugs 10 über das Ladekabel 15 zuverlässig mit Masse oder Erde zu verbinden, d.h. das Fahrzeug 10 ist zuverlässig zu erden. Dazu wird von der Ladevorrichtung 13 eine Schleifenimpedanz des Schutzleiters überwacht, und, wie nachfolgend im Zusammenhang mit 2 im Detail erläutert werden wird, im Fehlerfall die Verbindung zwischen der Ladevorrichtung 13 und dem Energieversorgungssystem 16 getrennt.
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2 zeigt die Ladevorrichtung 13 des Fahrzeugs 10, das Ladekabel 15 und das, Energieversorgungssystem 16 im Detail. Das Energieversorgungssystem 16 umfasst beispielhaft drei Wicklungen 20-22 eines Transformators, welche in einer Sternschaltung angeordnet sind und einen dreiphasigen Wechselstrom liefern. - Das Ladekabel 15 enthält fünf Leiter, welche die drei Phasen L1, L2 und L3 des dreiphasigen Wechselstroms der Transformatorwicklungen 20-22, den Neutralleiter N, welcher mit dem Sternpunkt -des Transformators gekoppelt ist, und den Schutzleiter PE umfassen. Der Schutzleiter PE ist im Energieversorgungssystem 16 ebenso wie der Sternpunktleiter geerdet. Die Ladevorrichtung 13 umfasst eine Schalteinheit 23, eine Verarbeitungseinheit 24, eine steuerbare Stromquelle 25, eine Strommessvorrichtung 26 und eine Spannungsmessvorrichtung 27. Die Steuervorrichtung 24 umfasst beispielsweise -eine Mikroprozessorsteuerung und ist mit der einstellbaren Stromquelle 25, der Strommessvorrichtung 26 und der Spannungsmessvorrichtung 27 gekoppelt. Die einstellbare Stromquelle 25 speist einen Strom in den PE-Leiter ein. Zur Versorgung der einstellbaren Stromquelle 25 kann die einstellbare Stromquelle 25 , beispielsweise mit dem Leiter L1, wie in 2 gezeigt, gekoppelt werden. Die Strommessvorrichtung 26 misst den durch den PE-Leiter fließenden Strom. Die. Spannungsmessvorrichtung 27 misst eine Spannung zwischen dem PE-Leiter und dem Leiter L1. Die Schalteinheit 23 umfasst vier Schalter, welche aufgrund einer Ansteuerung von der Steuervorrichtung 24 wahlweise die Leiter L1, L2, L3 und N-durchschalten oder trennen: Die Ladevorrichtung 13 umfasst üblicherweise weitere Komponenten, beispielsweise einen Gleichrichter und einen Anschluss für den elektrischen Energiespeicher 11, um im Betrieb elektrische Energie von dem Energieversorgungssystem 16 über das Ladekabel 15 und die Schalteinheit 23 zu dem Energiespeicher 11 zuführen. Diese weiteren Komponenten wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 weggelassen.
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Im normalen Betrieb der Ladevorrichtung 13 sind die Schalter der Schalteinheit 23 geschlossen. Die Steuervorrichtung 24 steuert die einstellbare -Stromquelle 25 derart an, dass ein vorbestimmter Messstrom in den PE-Leiter eingespeist wird. Dieser Messstrom kann mit Hilfe der Strommessvorrichtung 26 überwacht werden. Der Messstrom weist einen Wert auf, welcher im Bereich von wenigen mA liegt, beispielsweise 5-10 mA. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein Fehlerstromschutzschalter des Energieversorgungssystems 16 nicht aufgrund des Messstroms ausgelöst wird. In der in 2 gezeigten .Anordnung fließt somit ein Schleifenstrom über den PE-Leiter.in das Energieversorgungssystem 16 und dort über den Sternpunkt des Transformators und die Transformatorwicklung 20 zurück über den Leiter L1 in die Ladevorrichtung 13. Mit Hilfe der Spannungsmessvorrichtung 27 wird eine entsprechende Schleifenspannung ermittelt und aus dem Schleifenstrom und der Schleifenspannung eine Schleifenimpedanz ermittelt. Die Schleifenimpedanz wird beispielsweise mit einem vorgegebenen Schleifenimpedanzschwellenwert in der Steuervorrichtung 24 verglichen und, wenn die gemessene Schleifenimpedanz den Impedanzschwellenwert überschreitet, steuert die Steuervorrichtung 24 die Schalteinheit 23 derart an, dass die Schalter der Schalteinheit 23 geöffnet werden. Dadurch wird die Ladevorrichtung 13 von dem Energieversorgungssystem 16 entkoppelt. Damit kann ein Personenschutz sichergestellt werden, welcher einen Schutz gegen gefährliche Berührungsströme und Berührungsspannungen darstellt.
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Die Schalteinheit 23 kann zusätzlich einen Fehlerstromschutzschalter umfassen, welcher einen Summenstrom aus den Strömen der Leiter L1, L2, L3 und N bestimmt und, falls dieser Summenstrom größer als ein vorbestimmter Fehlerstrom ist, automatisch die vier Schalter der Schalteinheit 23 öffnet, um die Ladevorrichtung 13 von dem Energieversorgungssystem 16 zu trennen.
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In Abhängigkeit von der Anschlussart kann der Schutzleiter PE auch eine sogenannte „Funktionserde“ FE umfassen..
