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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zwei- oder Mehrspannungsbordnetz mit einem Gleichspannungswandler, eine Steuereinrichtung für ein derartiges Bordnetz und ein zugehöriges Betriebsverfahren.
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Stand der Technik
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Zwei- oder Mehrspannungsbordnetze für Kraftfahrzeuge werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn in einem Kraftfahrzeug Verbraucher mit unterschiedlicher Leistungsaufnahme zu versorgen sind. Typischerweise werden hierbei Zweispannungsbordnetze verwendet, die ein erstes Teilnetz und ein zweites Teilnetz aufweisen. Das erste Teilnetz wird mit einem höheren Sollspannungswert betrieben als das zweite Teilnetz. Beispielsweise werden im ersten Teilnetz 48 V als Sollspannungswert, im zweiten Teilnetz 12 V als Sollspannungswert vorgegeben. Das Bordnetz ist in der Regel als Gleichspannungsnetz ausgebildet. Das Teilnetz mit höherem Sollspannungswert wird auch als Hochspannungs(teil)netz, das Teilnetz mit niedrigerem Sollspannungswert auch als Niederspannungsteilnetz bezeichnet.
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Häufig wird nur eines der Teilnetze, z.B. mit einem Generator, direkt mit Spannung versorgt und das andere Teilnetz über einen geeigneten Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) angebunden. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler dabei das Niederspannungsteilnetz mit elektrischer Energie aus dem Hochspannungsteilnetz versorgen. Gleichspannungswandler können als galvanisch getrennte Wandler ausgebildet sein, dies ist funktional jedoch nicht zwingend erforderlich. Entsprechende Gleichspannungswandler können als eigenständiges Gerät mit separatem Gehäuse oder in einem Gehäuse gemeinsam mit einem Pulswechselrichter oder einer Batterie verbaut werden, so dass sich eine kompakte Einheit zur Bereitstellung zweier Spannungsebenen ergibt.
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Fällt im Hochspannungsteilnetz ein Dämpfungsglied (zum Beispiel eine dort angeschlossene Batterie oder ein entsprechender Kondensator) aus, kann die Energieversorgung in diesem Teilnetz aufgrund erheblicher Spannungsschwankungen unter Umständen nur erschwert aufrecht erhalten werden. So führen beispielsweise Lastzu- und -abschaltungen dort zu Spannungsschwankungen, welche abhängig von den Gradienten der Laständerungen zu einer Destabilisierung des Bordnetzes führen. Die üblicherweise vorgesehene Generatorregelung kann in der Regel Lastsprünge nicht ausreichend schnell ausregeln.
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Das Hochspannungsteilnetz, und damit unter Umständen auch das Niederspannungsteilnetz (letzteres durch Degradation des Gleichspannungswandlers) können daher beim Zuschalten eines Verbrauchers in Unterspannung und beim Abschalten eines Verbrauchers in Überspannung geraten.
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Dies hat beispielsweise zur Folge, dass entweder die Berührspannungsgrenze von 60 V nicht eingehalten werden kann oder eine Überspannungsschutzschaltung übermäßig belastet wird. Je nach vorgesehener Regelstrategie können Spannungsschwankungen zu Ausfällen von Verbrauchern oder des gesamten Hochspannungsteilnetzes führen. Elektrisch erregte Maschinen, die typischerweise an das Hochspannungsteilnetz angeschlossen sind, können im spannungslosen Zustand nicht ohne Weiteres angeschaltet werden.
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Man kann einen Gleichspannungswandler zur Stabilisierung der Spannungsversorgung des Niederspannungsnetzes verwenden. Die wechselseitige Versorgung von Teilnetzen über bidirektionale oder wechselweise schaltbare unidirektionale Wandler ist beispielsweise aus der
DE 101 19 985 A1 bekannt.
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Es besteht jedoch weiterhin der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Stabilisierung entsprechender Spannungen, insbesondere bei Ausfall von Dämpfungsgliedern, wie Batterien oder Kondensatoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Bordnetz mit einem Gleichspannungswandler, eine Steuereinrichtung für ein derartiges Bordnetz sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglichen es, im Fall des Verlustes einer Batterie oder eines Kondensators, allgemeiner eines Dämpfungsglieds, insbesondere im Hochspannungsteilnetz, die Teilnetzte über den Gleichspannungswandler direkt zu koppeln, so dass ein Dämpfungsglied, bspw. die Batterie oder ein Kondensator, im Niederspannungsteilnetz als Dämpfungsglied für die Komponenten im Hochspannungsteilnetz, z.B. einen Generator und die entsprechenden Verbraucher, wirken kann.
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Der Gleichspannungswandler wird hierbei nicht, wie es der normalen Funktion eines Gleichspannungswandlers entspricht, uni- oder bidirektional betrieben, sondern durchgesteuert. Der Wandler stellt in diesem Fall eine direkte Verbindung zwischen den beiden Teilnetzen her. Dieser Betriebsmodus wird im Rahmen dieser Anmeldung als "zweiter Betriebsmodus" bezeichnet, der reguläre Betrieb als Abwärts- und/oder Aufwärtswandler als "erster Betriebsmodus". Wird ein derartiger Gleichspannungswandler durchgesteuert, werden Ströme gleichberechtigt in beide Richtungen zwischen Teilnetzen übertragen und beide Teilnetze sind direkt elektrisch miteinander verbunden.
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Ein entsprechender Gleichspannungswandler kann erfindungsgemäß dafür eingerichtet sein, auf Grundlage eines Ansteuersignals von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, einen Gleichspannungswandler derart auszubilden, dass er mittels entsprechender Überwachungsmittel kontinuierlich die Spannungswerte an seinen Klemmen (Anschlüssen) zu beiden Teilnetzen überwacht. Ein entsprechender Gleichspannungswandler kann daher autonom entweder von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umschalten oder eine direkte elektrische Kopplung zwischen beiden Teilnetzen aufheben, d.h. von dem zweiten Betriebsmodus zurück in den ersten Betriebsmodus schalten. Ein derartiger Gleichspannungswandler kann auch ohne eine Steuereinrichtung betrieben werden.
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Eine externe Überwachung der Bordnetze mittels einer Steuereinrichtung ermöglicht es demgegenüber, vorhandene Spannungsmesseinrichtungen weiter zu nutzen, die durch eine entsprechende Steuereinrichtung ausgewertet werden. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, die Istspannungswerte in beiden Teilnetzen kontinuierlich, d.h. über einen definierten (auch gleitenden) Zeitraum zu überwachen und anhand vordefinierter Kriterien festzustellen, dass ein Umschalten von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus erforderlich ist. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn Schwankungen in den Istspannungswerten in einem oder in beiden Teilnetzen, insbesondere in dem Hochspannungsteilnetz, eine definierte Grenze überschreiten.
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Schaltet ein erfindungsgemäß vorgesehener Gleichspannungswandler von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus um, kann damit das Hochspannungsteilnetz mit der Spannung des Niederspannungsteilnetzes betrieben werden. Auch wenn der entsprechende Spannungswert nicht dem Sollspannungswert des Hochspannungsteilnetzes entspricht, kann hierdurch zumindest ein Notbetrieb aufrecht erhalten werden. Aufgrund der Dämpfungswirkung der Batterie im Niederspannungsteilnetz gelangt das System nicht mehr ohne Weiteres in Über- oder Unterspannung, sondern erlaubt einen kontinuierlichen Betrieb.
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Insbesondere wenn im Hochspannungsteilnetz eine elektrische Maschine angeordnet ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren deren Betrieb. Ein Wegfall eines Dämpfungsglieds im Hochspannungsteilnetz führt damit nicht mehr notwendigerweise zum totalen Systemausfall.
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Der erfindungsgemäße Betrieb stellt damit eine Rückfallebene bereit, die ein Teilsystem, nämlich das Hochspannungsteilnetz, funktional für einen Notbetrieb eines Fahrzeugs aufrechterhält, um das Liegenbleiben eines Fahrzeugs zu verhindern. Sie ermöglicht damit zumindest noch das Anfahren der nächstgelegenen Werkstatt oder eines Servicezentrums, wo ein entsprechender Schaden behoben werden kann. Vorteilhafterweise sind hierbei die an das Hochspannungsteilnetz angeschlossenen Komponenten so ausgebildet, dass sie einen Notbetrieb mit einem entsprechend geringeren Spannungswert zumindest für eine gewisse Zeit oder mit eingeschränkter Funktionalität zulassen. Ein Notbetrieb kann dabei auch umfassen, bestimmte, für die Grundfunktionen des Fahrzeugs nicht unbedingt erforderliche Komponenten abzuschalten, um den Leistungsbedarf im Bordnetz zu reduzieren.
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Ist im Hochspannungsteilnetz ein Generator verbaut, kann ein vorteilhaftes Verfahren auch umfassen, dass, wenn der Gleichspannungswandler in den zweiten Betriebsmodus umschaltet, der Generator oder ein diesem zugeordneter Gleichrichter zugleich auf den Sollspannungswert des Niederspannungsteilnetzes abgeregelt wird. Hierdurch liefert der Generator den Sollspannungswert des Niederspannungsteilnetzes und kann damit das Hochspannungsteilnetz und das Niederspannungsteilnetz mit dieser Spannung versorgen. Das Niederspannungsteilnetz gerät damit nicht in Überspannung.
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Auch Zwischenkonfigurationen sind möglich. So kann ein Notbetrieb auch eine Einstellung des entsprechenden Spannungswerts auf einen Zwischenwert umfassen, die zwischen jenem des Hoch- und des Niederspannungsteilnetzes liegt.
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Es sei betont, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen nicht auf die Verwendung in Bordnetzen mit zwei Teilnetzen beschränkt sind, sondern grundsätzlich auch zur Wandlung von Spannungen auf mehreren Spannungsebenen Verwendung finden können. Gleichfalls ist die Erfindung nicht auf den Einsatz in Kraftfahrzeugen beschränkt, sondern in allen Zwei- oder Mehrspannungsnetzen verwendbar, beispielsweise auch bei Booten, Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und dergleichen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eines Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs oder DVDs. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend 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.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Bordnetz gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung.
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2 zeigt ein Bordnetz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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3 zeigt ein Bordnetz gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den nachfolgenden Figuren sind jeweils Bordnetze bzw. Bordnetzsysteme dargestellt, von denen zwei Spannungsebenen gezeigt sind. Diese können, wie zuvor erläutert, auch weitere, nicht dargestellte Spannungsebenen umfassen. Die Bordnetze sind mit den für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten dargestellt, wobei gleiche oder gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben sind. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
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1 zeigt ein Bordnetz gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung. Das Bordnetz ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Es verfügt über ein erstes Teilnetz 10 und ein zweites Teilnetz 20, wobei das erste Teilnetz 10 im vorliegenden Fall für einen Betrieb mit einer Gleichspannung mit einem höheren Sollspannungswert eingerichtet ist als das zweite Teilnetz 20. Sämtliche Komponenten sind für die entsprechenden Spannungswerte ausgelegt. Beispielsweise beträgt der Sollspannungswert 48 V im ersten Teilnetz 10 und 12 V im zweiten Teilnetz 20. Dies ist durch die unterschiedliche Darstellung der in dem ersten Teilnetz 10 und dem zweiten Teilnetz 20 angeordneten Batterien 11, 21 veranschaulicht. Mindestens ein Speicherkondensator kann statt oder zusätzlich zu einer der Batterien 11, 21 vorgesehen sein. Neben der Batterie 11 in dem ersten Teilnetz 10 ist dort ein schematisch dargestellter Verbraucher 12 vorgesehen, der zu- oder abgeschaltet werden kann. Im ersten Teilnetz 10 ist eine elektrische Maschine 13 dargestellt, die als Generator ausgebildet ist. Über die elektrische Maschine kann mittels eines Pulswechsel- bzw. Gleichrichters 14 ein Gleichspannungssignal in das erste Teilnetz 10 eingespeist werden.
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Die elektrische Maschine 13 ist mit einer entsprechenden Regelung versehen, die beispielsweise auch auf den Pulswechselrichter 14 einwirkt und eine Regelung des Spannungsniveaus der durch die elektrische Maschine 13 bereitgestellten Spannung ermöglicht. Durch die Auslegung der elektrischen Maschine 13 und/oder des Pulswechselrichters 14 sind diese Einheiten dafür eingerichtet, das erste Teilnetz 10 mit der ersten Spannung zu versorgen.
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Im zweiten Teilnetz 20 ist neben der Batterie 21 ebenfalls ein Verbraucher 22 vorgesehen, der, wie zuvor erläutert, zu- oder abgeschaltet werden kann. Im zweiten Teilnetz 20 ist beispielsweise ein Starter 23 vorgesehen, der zum Starten einer Brennkraftmaschine beim Start verwendet werden kann.
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Das erste Teilnetz 10 und das zweite Teilnetz 20 sind über einen Gleichspannungswandler 300 herkömmlicher Bauart miteinander verbunden. Dieser Gleichspannungswandler 300 wirkt im vorliegenden Fall als Abwärtswandler und nimmt eine Umwandlung der ersten Spannung des ersten Teilnetzes 10 in die zweite Spannung des zweiten Teilnetzes 20, beispielsweise also von dem durch die elektrische Maschine 13 und den Pulswechselrichter 14 bereitgestellten Spannungswert von 48 V auf den im zweiten Teilnetz benötigte Spannungswert von 12 V vor. Im ersten Teilnetz 10 wirkt die Batterie 11 als Dämpfungsglied. Dies bedeutet, dass mittels der Batterie 11 auch bei Zu- und Abschalten von Lasten, wie z.B. des Verbrauchers 12, und/oder bei einer mangelnden Dynamik einer elektrischen Maschine 13 bzw. des Pulswechselrichters 14, Spannungsspitzen oder Spannungseinbrüche abgefangen werden können. Fällt die Batterie 11 aus, schlagen entsprechende Schwankungen voll auf die Verbraucher durch und es kommt zu den zuvor erläuterten Problemen. Der herkömmlich ausgebildete Gleichspannungswandler 300 kann diese Schwankungen nicht ausgleichen.
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Die 2 zeigt ein Bordnetz gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung. Das Bordnetz ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Das Bordnetz 1 verfügt über die wesentlichen Komponenten, wie sie bereits zuvor in Bezug auf das Bordnetz 100 erläutert wurden. Die Elemente der beiden Teilnetze 10 und 20 sind identisch zu den zuvor erläuterten. Abweichend vom Bordnetz 100 ist der Gleichspannungswandler 30 jedoch dafür eingerichtet, von einem ersten Betriebsmodus, in dem er als Abwärtswandler betrieben wird, in einen zweiten Betriebsmodus umzuschalten, in dem er eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Teilnetzen 10 und 20 herstellt. Der Gleichspannungswandler 30 ist hier als galvanisch nicht getrennter Gleichspannungswandler 30 dargestellt. Neben anderen Bauteilen verfügt der Gleichspannungswandler 30 über aktive Schaltelemente 31, 32, die entsprechend angesteuert werden können. Ein spannungsseitig angeordnetes Schaltelement 31 wird hierbei als sogenanntes "highside"-Schaltelement, ein masseseitig angeordnetes Schaltelement 32 als sogenanntes "lowside"-Schaltelement bezeichnet. Zur Bereitstellung des zweiten Betriebsmodus wird z.B. das highside-Schaltelement voll durchgesteuert und die Teilnetze 10, 20 werden damit direkt, bzw. über eine Koppelinduktivität 33, verbunden.
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Ein Gleichspannungswandler 30 kann autonom zwischen den Betriebszuständen umschalten. Es kann jedoch, wie zuvor erläutert, auch vorteilhaft sein, eine Steuereinrichtung 40 bereitzustellen, die eine entsprechende Überwachung oder Ansteuerung vornimmt. Eine Steuereinrichtung 40 verfügt hierzu über eine Auswerteeinheit 43 und eine Ansteuereinheit 44. Die Auswerteeinheit 43 ist beispielsweise über entsprechende Signalleitungen 41' und 42' mit Spannungsmesseinrichtungen 41 und 42 in den Teilnetzen 10 und 20 verbunden. Stellt die Auswerteeinrichtung fest, dass ein Dämpfungsglied im Hochspannungsteilnetz, wie beispielsweise die Batterie 11, ausgefallen ist, kann sie die Ansteuereinrichtung 44 dazu anweisen, ein Ansteuersignal über eine Ansteuerleitung 44' auszugeben. Dieses bewirkt, dass den Gleichspannungswandler 30 eine direkte Verbindung zwischen den Teilnetzen 10, 20 herstellt.
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Die Feststellung eines entsprechenden Fehlerzustands kann beispielsweise auch durch zeitliche Auswertung von Spannungssignalen und die Feststellung von übermäßigen Spannungsschwankungen und/oder die Auswertung von Fehlersignalen vorgenommen werden. Gleichzeitig kann die Steuereinrichtung 40 auch eine Generatorregelung, z.B. eine Regelung der elektrischen Maschine 13, derart anpassen, dass der entsprechende Generator oder ein Pulswechselrichter 14 auf den Sollspannungswert des Teilnetzes 20 abregelt. Die Steuereinrichtung 14, bzw. ihre Auswerteeinheit 43 kann die Spannung kontinuierlich auswerten und entsprechende Spannungsschwankungen detektieren.
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In 3 ist ein Bordnetz gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und ebenfalls mit 1 bezeichnet. Das Bordnetz der 3 unterscheidet sich von jenem der 2 lediglich durch die Bauart des Gleichspannungswandlers 30. Eine entsprechende Steuereinrichtung 40 kann hier ebenfalls vorgesehen sein, ist jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. In der 3 ist der Gleichspannungswandler 30 als galvanisch getrennter Gleichspannungswandler 30 ausgebildet, der zwei galvanisch getrennte Einheiten 34, 35 aufweist. Zur Überbrückung der galvanischen Trennung ist ein Schaltelement bzw. Schalter 36 vorgesehen, der, entweder autonom oder nach Maßgabe einer Ansteuerung durch eine Steuereinrichtung 40, zur Bereitstellung des zweiten Betriebsmodus durchgesteuert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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