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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug.
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In heutigen Fahrzeugen wird sowohl der Warmstart, als auch der Kaltstart durch einen 12 V-Starter und dementsprechend teuren und schweren Batterien bewältigt. Bei Einführung des 48 V-Bordnetzes geht man davon aus, dass aufgrund des extrem hohen Startmomentes des Motors bei Kälte zusätzlich zu dem leistungsstarken 48 V-Startergenerator (riemengetrieben oder in den Antriebsstrang integriert) ein Ritzelstarter nötig ist. Dieser ist als 12 V Variante am günstigsten, bedarf aber einer großen 12 V-Batterie. Diese Batterien müssen dafür ausgelegt sein, ihre jeweiligen Ausgangsspannungen (also beispielsweise 48 V bzw. 12 V) auch bei den im Zusammenhang mit einem Startvorgang der Brennkraftmaschine auftretenden hohen Kurzschlussströmen in der Kaltstart- bzw. Warmstart-Startereinheit ohne unerwünschte Spannungseinbrüche bereitzustellen, so dass von diesen Batterien mit elektrischer Energie versorgte Fahrzeugkomponenten wie beispielsweise ein 12 V-Bordnetz des Kraftfahrzeugs nicht aufgrund unerwünschter Spannungseinbrüche der Batterien in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt werden.
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Da also sowohl eine 12 V-Batterie für die Kaltstart-Startereinheit als auch eine 48 V-Batterie für die Warmstart-Startereinheit und die Aufnahme großer Energien simultan in dem Kraftfahrzeug bereitgestellt werden müssen, weisen die beiden Batterien in dem Kraftfahrzeug ein relativ hohes Gewicht auf, was sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs auswirken kann. Zudem ist die Bereitstellung zweier separater leistungsfähiger Batterie-Einheiten auch mit relativ hohen Kosten verbunden.
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Eine Möglichkeit zur Kostensenkung besteht darin, auf die Bereitstellung einer separaten Kaltstart-Startereinheit und damit verbunden einer geeigneten Batterie zum Versorgen der Kaltstart-Startereinheit mit elektrischer Energie zu verzichten, so dass ein Start der Brennkraftmaschine ausschließlich mittels der Warmstart-Startereinheit durchgeführt wird.
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Eine derartige Variante weist jedoch den Nachteil auf, dass eine solche Warmstart-Startereinheit das sehr hohe Kaltstartmoment des Motors ausgelegt werden muss.
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Die
DE 10 2007 062 955 A1 betrifft eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei diese Schaltung in elektrischer Verbindung zwischen dem zu stabilisierenden Bordnetz und einem ersten Energiespeicher angeordnet ist. Die Schaltung umfasst ein Diodenelement, welches mehrere parallel geschaltete Halbleiterschalter beinhaltet, sowie eine Kontroll- und Steuerschaltung, welche die Stromstärke eines durch das Diodenelement fließenden elektrischen Stroms bestimmt. Entsprechend der auf diese Weise bestimmten Stromstärke werden die Halbleiterschalter des Diodenelements gesteuert. Des Weiteren umfasst die Schaltung einen mit dem Diodenelement und dem Bordnetz elektrisch verbundenen zweiten Energiespeicher.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei welchem die erläuterten Nachteile beseitigt oder zumindest reduziert sind, und welches sich insbesondere durch ein leistungsfähiges Startsystem auszeichnet, das auf effektive Weise sowohl einen Kaltstart als auch einen Warmstart der Brennkraftmaschine ermöglicht.
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Oben genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeug gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zwei verschiedene Startereinheiten in einem Kraftfahrzeug mit nur einer einzigen geeigneten Batterie-Einheit mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Batterie-Einheit stellt eine zweite elektrische Ausgangsspannung bereit, wobei die zweite elektrische Ausgangsspannung mittels einer Konvertierungseinheit in eine modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung umgewandelt wird. Mittels der zweiten elektrischen Ausgangsspannung wird eine Kaltstart-Startereinheit zum Kaltstart der Brennkraftmaschine betrieben, und mittels der modifizierten zweiten elektrischen Ausgangsspannung wird einen Warmstart-Startereinheit zum Warmstart der Brennkraftmaschine betrieben. Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, eine zweite Batterie-Einheit zum Betreiben der Kaltstart-Startereinheit bereitzustellen; vielmehr können durch Verwendung der Konvertierungseinheit sowohl die Kaltstart-Startereinheit als auch die Warmstart-Startereinheit mittels einer einzigen Batterie-Einheit mit der notwendigen elektrischen Energie versorgt werden. Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit eine weitere, herkömmliche Batterie-Einheit auf (zur Versorgung weiterer elektrischer Komponenten des Kraftfahrzeugs auf), welche eine erste elektrische Ausgangsspannung bereitstellt und welche nicht für den Betrieb der Warmstart- bzw. Kaltstart-Startereinheit ausgelegt sein muss und daher vereinfacht aufgebaut sein kann. Auf diese Weise lassen sich sowohl das Gewicht als auch die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs signifikant reduzieren. Die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit muss also nur eine einzige leistungsfähige Batterie-Einheit umfassen, welche die zweite elektrische Ausgangsspannung bereitstellt. Da die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung von der zweiten elektrischen Ausgangsspannung abgeleitet wird, muss hierfür keine weitere, zusätzliche Batterie-Einheit ebenfalls entsprechend leistungsfähig ausgelegt sein. Hingegen kann die Bereitstellung der ersten elektrischen Ausgangsspannung mit einer vereinfachten, nicht für den Betrieb von Startereinheiten ausgelegten ersten Batterie-Einheit erfolgen. Mit einer solchen Batterie kann beispielsweise ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch stabil und unabhängig von den Startvorgängen der Startereinheit(en) ausgeführt werden.
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In einer besonders einfach und damit kostengünstig herzustellenden Ausführungsform kann die Konvertierungseinheit eine Schalter-Einheit umfassen, welche durch sukzessives Unterbrechen und Wiederherstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem zweiten und dritten Anschlusselement die zweite elektrische Ausgangsspannung im zeitlichen Mittel auf die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung reduziert. Eine solche Schalter-Einheit kann in der Art eines mechanischen oder elektrischen Schalters ausgebildet sein und insbesondere einen Halbleiterschalter umfassen. Die Schalter-Einheit kann auch als Pulsweiten-Modulationseinheit realisiert sein. Zur Spannungskonvertierung kann die Schalter-Einheit eingangsseitig elektrisch mit dem zweiten Anschlusselement verbunden sein, so dass die Schalter-Einheit ausgangsseitig die erfindungsgemäße modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung bereitstellt, die kleiner ist als die zweite elektrische Ausgangsspannung. Dies bedeutet, dass mittels der Konvertierungseinheit die zweite elektrische Ausgangsspannung auf die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung reduziert wird. Um Fehlfunktionen in dem elektrischen System des Kraftfahrzeugs aufgrund von elektrischen Spannungsspitzen, welche beim Betrieb der Warmstart-Startereinheit aufgrund der elektrischen Induktivität der Warmstart-Startereinheit auftreten können, zu verhindern, kann die Schalter-Einheit in einer weiterbildenden Ausführungsform eine Freilaufdioden-Schutzschaltung umfassen, mittels welcher das unerwünschte Auftreten solcher elektrischen Spannungsspitzen weitgehend oder sogar vollständig verhindert werden kann. Um sicherzustellen, dass die modifizierte zweite Ausgangsstellung auf einen beliebigen Wert zwischen einem Null-Wert und einem Wert, der kleiner ist als die zweite (nicht-modifizierte) elektrische Ausgangsspannung, eingestellt werden kann, kann die Konvertierungseinheit eine Steuerungseinheit umfassen, mittels welcher ein Puls-Pause-Verhältnis der modifizierten zweiten Ausgangsspannung zum Einstellen des zeitlichen Mittelwerts der modifizierten zweiten Ausgangsspannung einstellbar ist.
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Das Puls-Pause-Verhältnis ist auch variabel während des Motorstarts einstellbar, um den Stromfluss in den Starter besser der Momentenanforderung des Motors im Start anzupassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die erste elektrische Ausgangsspannung im Wesentlichen 12 V und die zweite elektrische Ausgangsspannung im Wesentlichen 48 V betragen. Gemäß dieser Ausführungsform beträgt die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung im zeitlichen Mittel dann ebenfalls im Wesentlichen 12 V.
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In einer besonders einfachen und damit kostengünstig herzustellenden Ausführungsform kann die Energieversorgungseinheit eine 12 V-Batterie, mittels welcher die erste elektrische Ausgangsspannung an dem ersten Anschlusselement bereitgestellt werden kann, umfassen, und kann die Energieversorgungseinheit eine 48 V-Batterie, mittels welcher die zweite elektrische Ausgangsspannung an dem zweiten Anschlusselement bereitgestellt werden kann, umfassen.
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Für einen verbesserten Praxisbetrieb des Kraftfahrzeugs kann in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens ein erster elektrischer Verbraucher elektrisch mit dem ersten Anschlusselement verbunden sein oder/und wenigstens ein zweiter elektrischer Verbraucher elektrisch mit dem zweiten Anschlusselement verbunden sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kraftfahrzeug,
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2 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
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3 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Konvertierungseinheit.
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Inder 1 ist ein Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik grobschematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 100 umfasst eine ebenfalls nur grobschematisch dargestellte Brennkraftmaschine 101 sowie eine Energieversorgungseinheit 102, welche an einem ersten Anschlusselement 103 eine erste elektrische Ausgangsspannung und an einem zweiten Anschlusselement 104 eine zweite elektrische Ausgangsspannung bereitstellt.
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Die Energieversorgungseinheit 102 umfasst zwei herkömmliche Batterien, wobei eine erste Batterie 105 als 12 V-Batterie und eine zweite Batterie 106 als 48 V-Batterie ausgebildet ist. Folglich ist an dem ersten Anschlusselement 103 eine erste elektrische Ausgangsspannung von 12 V und an dem zweiten elektrischen Anschlusselement 104 eine zweite elektrische Ausgangsspannung von 48 V bereitgestellt.
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An das erste Anschlusselement 103 können verschiedene elektrische Verbraucher 107 angeschlossen sein, die wiederum Teil eines ersten (12 V-)Bordnetzes sein können.
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Entsprechend können an das zweite elektrische Anschlusselement 104 zweite elektrische Verbraucher 108 angeschlossen sein, die Teil eines zweiten elektrischen (48 V-)Bordnetzes sein können. Des Weiteren ist mit dem ersten Anschlusselement 103 eine Kaltstart-Startereinheit 109 zum Kaltstart der Brennkraftmaschine 101 verbunden und eine Warmstart-Startereinheit 110 mit dem zweiten Anschlusselement 104 unter anderem zum Warmstart der Brennkraftmaschine 101 verbunden. Dabei sind die erste und zweite Batterie 105, 106 derart ausgelegt, dass sie hinsichtlich der von ihr bereitgestellten ersten und zweiten elektrischen Ausgangsspannung kein elektrischer Spannungseinbruch auftreten kann, wenn während des Betriebs der Warmstart- bzw. Kaltstart-Startereinheit 109, 110 aufgrund der während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine 101 auftretenden hohen elektrischen Kurzschlussströme die beiden Batterien 105, 106 elektrische besonders stark belastet werden. Die beiden Batterien 105, 106 müssen also entsprechend leistungsstark dimensioniert sein werden, was sich negativ sowohl auf das Gesamtgewicht (und damit den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs) als auch auf die Herstellungskosten der Energieversorgungseinheit 102 auswirkt. Das Kraftfahrzeug 100 weist also den Nachteil auf, dass es zum Betrieb der beiden Startereinheiten 109, 110 zwei leistungsstarke und somit sowohl sehr schwere als auch teure Batterien 105, 106 benötigt.
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Alternativ kann in dem herkömmlichen Kraftfahrzeug 100 gemäß dem Stand der Technik auch daran gedacht sein, auf die Kaltstart-Startereinheit 109 zu verzichten, so dass dann alle Startvorgänge der Brennkraftmaschine 101 unabhängig davon, ob zum Starten der Brennkraftmaschine 101 ein Kaltstart oder ein Warmstart erforderlich ist, von der Warmstart-Startereinheit 110 durchgeführt werden müssen. In diesem Fall muss die erste Batterie 105 hinsichtlich der Stabilität der von ihr bereitgestellten ersten elektrischen Ausgangsspannung hinsichtlich der Vermeidung unerwünschter elektrischer Spannungseinbrüche bei der Aktivierung der Kaltstart-Startereinheit 109 nicht entsprechend leistungsfähig ausgelegt werden, da mit ihr ja nur herkömmliche elektrische Verbraucher 107 des ersten Bordnetzes mit elektrischer Energie versorgt werden müssen. Dann muss jedoch die Warmstart-Startereinheit 110 entsprechend leistungsfähig ausgeführt werden, da von der Warmstart-Startereinheit 110 sowohl Kalt- als auch Warmstarts der Brennkraftmaschine ausgeführt werden.
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Beide Varianten gemäß dem Stand der Technik weisen also den Nachteil auf, dass entweder zwei leistungsfähige Batterien oder eine leistungsfähige Batterie in Kombination mit einer leistungsfähigen Warmstart-Startereinheit bereitgestellt werden müssen, was sich negativ auf das Gesamtgewicht und die Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs auswirkt.
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In der 2 ist ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 weist eine Brennkraftmaschine 2, welche in der 2 nur grobschematisch dargestellt ist, und eine Energieversorgungseinheit 3 auf, welche zur Energieversorgung eines ersten und zweiten Bordnetzes des Kraftfahrzeugs 1 eine erste und zweite elektrische Ausgangsspannung (V1, V2) bereitstellt. Die erste und zweite Ausgangsspannung V1, V2 ist dabei jeweils an einem ersten bzw. zweiten Anschlusselement 4, 5 der Energieversorgungseinheit 3 bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 1 umfasst ferner eine Warmstart-Startereinheit 6 zum Warmstart der Brennkraftmaschine 2, wobei die Warmstart-Startereinheit 6 mit dem zweiten Anschlusselement 5 elektrisch verbunden ist. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Konvertierungseinheit 7, welche eine Schalter-Einheit 8 umfassen kann. Die Schalter-Einheit 8 kann in der Art eines mechanischen oder elektrischen Schalters ausgebildet sein und insbesondere einen Halbleiterschalter umfassen. Die Schalter-Einheit 8 kann auch als Pulsweiten-Modulationseinheit realisiert sein. Die Konvertierungseinheit 7 ist dabei eingangsseitig mit dem zweiten Anschlusselement 5 elektrisch verbunden, so dass eingangsseitig die zweite elektrische Ausgangsspannung V2 der Energieversorgungseinheit an der Konvertierungseinheit 7 anliegt. Ausgangsseitig ist die Konvertierungseinheit 7 mit einem dritten Anschlusselement 9 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Mittels der Konvertierungseinheit 7 wird die zweite elektrische Ausgangsspannung V2 in eine modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung V'2 konvertiert. Die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung V'2 ist kleiner als die zweite elektrische Ausgangsspannung V2.
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Die Spannungs-Konvertierung kann in der Schalter-Einheit 8 durch sukzessives Unterbrechen und Wiederherstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten und dritten Anschlusselement 5, 9 erfolgen, so dass die zweite elektrische Ausgangsspannung V2 im zeitlichen Mittel auf die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung V'2 reduziert wird. Insbesondere kann die Konvertierung mittels Pulsweite-Modulation erfolgen.
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Mit dem dritten Anschlusselement 9 ist eine Kaltstart-Startereinheit 10 elektrisch verbunden, so dass die Kaltstart-Startereinheit 10 mittels der modifizierten zweiten elektrischen Ausgangsspannung V'2 mit elektrischer Energie versorgt wird, wohingegen die Warmstart-Startereinheit 6 über die zweite elektrische Ausgangsspannung V2, welche an dem zweiten Anschlusselement 5 bereitgestellt ist, mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Zur Versorgung der Warmstart- und Kaltstart-Startereinheit 6, 10 wird ausschließlich die von der Energieversorgungseinheit 3 bereitgestellte zweite elektrische Ausgangsspannung V2 und die aus dieser mittels der Konvertierungseinheit 7 erzeugten modifizierten zweiten elektrischen Ausgangsspannung V'2 verwendet, nicht jedoch die erste elektrische Ausgangsspannung V1, die an dem ersten Anschlusselement 4 bereitgestellt ist.
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Vorzugsweise beträgt die erste elektrische Ausgangsspannung V1 im Wesentlichen 12 V, die zweite elektrische Ausgangsspannung V2 im Wesentlichen 48 V, und die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung V'2 im zeitlichen Mittel im Wesentlichen 12 V. Hierfür kann die Energieversorgungseinheit 3 zur Bereitstellung der ersten und zweiten elektrischen Ausgangsspannung V1, V2 an dem ersten bzw. zweiten Anschlusselement 4, 5 eine 12 V-Batterie 11 bzw. eine 48 V-Batterie 12 umfassen. Für den Betrieb der Kaltstart- und Warmstart-Startereinheit 6, 10 kommt also ausschließlich die 48 V-Batterie 12 zum Einsatz, so dass diese entsprechend leistungsfähig ausgelegt sein muss. Zur Bereitstellung der ersten elektrischen Ausgangsspannung V1 an dem ersten Anschlusselement 4 ist dagegen lediglich eine herkömmliche 12 V-Batterie 11 erforderlich, welche nicht speziell für den Betrieb der Kaltstart- und Warmstart-Startereinheit 6, 10 dimensioniert werden muss.
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Mittels der 48 V-Batterie 12 können durch Bereitstellung der zweiten elektrischen Ausgangsspannung V2 (neben der Kaltstart-Startereinheit 6) weitere elektrische Verbraucher 14 mit elektrischer Energie versorgt werden. Solche elektrische Verbraucher 14 können beispielsweise Teil eines 48 V-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs sein. Mittels der 12 V-Batterie 11 können demgegenüber elektrische Verbraucher 13 durch Bereitstellung der ersten elektrischen Ausgangsspannung V1 mit elektrischer Energie versorgt werden. Solche elektrische Verbraucher 13 können beispielsweise Teil eines 12 V-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs 1 sein.
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In der Darstellung der 3 ist der elektrische Aufbau der Konvertierungseinheit 7, die die Schalter-Einheit 8 umfassen kann, genauer dargestellt. Eine solche Schalter-Einheit 8 kann in der Art eines mechanischen oder elektrischen Schalters ausgebildet sein und insbesondere einen Halbleiter-Schalter umfassen. Die Schalter-Einheit 8 kann auch als Pulsweiten-Modulationseinheit realisiert sein. Mittels sukzessivem Unterbrechen und Wiederherstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten und dritten Anschlusselement 5, 9 durch die Schalter-Einheit 8 kann die zweite elektrische Ausgangsspannung V2 im zeitlichen Mittel auf die modifizierte zweite elektrische Ausgangsspannung V'2 reduziert werden. Die Konvertierungseinheit 7 kann eine Steuerungseinheit 18 umfassen, mittels welcher ein Puls-Pause-Verhältnis der modifizierten zweiten elektrischen Ausgangsspannung V2 zum Einstellen des zweiten zeitlichen Mittelwerts der modifizierten zweiten elektrischen Ausgangsspannung V'2 einstellbar ist. In einer Variante kann die Konvertierungseinheit 7 wie in der 3 gezeigt (oder auch alternativ dazu die Schalter-Einheit 8 selbst) eine Freilaufdioden-Schutzschaltung 15 umfassen, mittels welcher aufgrund eines Unterbrechens bzw. Wiederherstellens der elektrischen Verbindung zwischen dem zweiten und dritten Anschlusselement 5, 9 auftretende elektrische Spannungsspitzen an der Warmstart-Startereinheit 10 (vgl. 3) verhindert werden kann. Der genaue Aufbau einer solchen Freilaufdioden-Schutzschaltung 15 ist dem Fachmann bekannt, so dass eine solche Freilaufdioden-Schutzschaltung 15 in der Darstellung der 3 vereinfacht nur mittels eines Dioden-Symbols dargestellt ist.
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Optional kann in der Konvertierungseinheit 7 eine elektrische Kapazität 16 vorgesehen sein, welche die Schalter-Einheit 8 eingangsseitig kapazitiv mit einem Masseanschluss 17 der Konvertierungseinheit 7 verbindet. Mit diesem Masseanschluss 17 kann, wie in der Darstellung der 3 gezeigt, auch die Freilaufdioden-Schutzschaltung 15 elektrisch verbunden sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062955 A1 [0006]
