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Die Erfindung betrifft ein Batterieladegerät mit Spannungswandler und ein Verfahren zum Laden von Batterien, insbesondere ein Bordladegerät eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs zum Laden einer Hoch- und einer Niedervoltbatterie des Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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Elektrisch betriebene Fahrzeuge, beispielsweise Elektroautos und Plug-In-Hybridfahrzeuge, verfügen üblicherweise über zwei Batterien – eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) oder auch Traktionsbatterie für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs und eine Niedervoltbatterie (NV-Batterie) oder auch Bordnetzbatterie für die elektrische Versorgung des Bordnetzes, welches beispielsweise die Steuerelektronik des Fahrzeugs und weitere elektrische Verbraucher, wie zum Beispiel Klimaanlage, Bordcomputer, Pumpen, Lüfter, lichttechnische Einrichtungen und dergleichen, mit elektrischer Spannung versorgt. Die HV-Batterie und die NV-Batterie liegen dabei zumeist auf unterschiedlichen Spannungslagen. Beispielsweise kann die Spannungslage der HV-Batterie bis zu mehreren hundert Volt betragen, während die Spannungslage der NV-Batterie üblicherweise 12 Volt beträgt.
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Zur Versorgung des Bordnetzes aus der HV-Batterie können Gleichspannungswandler eingesetzt werden. Daneben können Batterieladegeräte im Fahrzeug vorhanden sein, sogenannte On-Board-Ladegeräte, welche zum Laden der HV-Batterie aus einem Wechselstromnetz eingesetzt werden.
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In der Druckschrift
DE 196 46 666 A1 ist ein Bordnetzsystem eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem Batterieladegerät beschrieben, welches über einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler zum Laden einer Hochvoltbatterie und einer Niedervoltbatterie verfügt.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 007 737 A1 offenbart ein On-Board-Ladegerät für eine Vielzahl von elektrischen Energiespeichereinrichtungen mit unterschiedlichen Spannungslagen. Das Ladegerät umfasst dabei einen galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler, dessen Transformator eine Vielzahl von sekundärseitigen Wicklungen mit entsprechenden Gleichrichtern aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Batterieladegerät, mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss, einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss sowie einem ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler und einem zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler. Der erste galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler weist einen primärseitigen Wechselrichter, welcher mit dem ersten und zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, einen Transformator mit einer primärseitigen Transformatorwicklung, welche mit dem primärseitigen Wechselrichter gekoppelt ist, einer ersten sekundärseitigen Transformatorwicklung und einer zweiten sekundärseitigen Transformatorwicklung, einen ersten sekundärseitigen Gleichrichter, welcher zwischen die erste sekundärseitige Transformatorwicklung und den ersten und zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten sekundärseitigen Gleichrichter auf, welcher mit der zweiten sekundärseitigen Transformatorwicklung gekoppelt ist. Der zweite galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler weist einen primärseitigen Wechselrichter, welcher mit dem ersten und zweiten Eingangsanschluss gekoppelt ist, einen Transformator mit einer primärseitigen Transformatorwicklung, welche mit dem primärseitigen Wechselrichter gekoppelt ist, und einer sekundärseitigen Transformatorwicklung, und einen sekundärseitigen Gleichrichter auf, welcher zwischen die sekundärseitige Transformatorwicklung und den ersten und zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Dabei ist das Batterieladegerät dazu ausgelegt, eine erste Ladespannung für eine erste Batterie an dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss und eine zweite Ladespannung für eine zweite Batterie an dem Ausgang des zweiten sekundärseitigen Gleichrichters des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Bordnetzsystem, mit einem erfindungsgemäßen Batterieladegerät, dessen Eingangsanschlüsse mit einem Wechselstromnetz koppelbar sind, einer Hochvoltbatterie, welche mit den Ausgangsanschlüssen des Batterieladegeräts gekoppelt ist, und einer Niedervoltbatterie, welche mit dem sekundärseitigen Gleichrichter des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden von Batterien mit einem erfindungsgemäßen Batterieladegerät, mit dem Schritt des Ansteuerns des primärseitigen Wechselrichters des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers zum Optimieren der Ladeleistung einer an den ersten sekundärseitigen Gleichrichter des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers angeschlossenen Niedervoltbatterie oder einer an den zweiten sekundärseitigen Gleichrichter des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers angeschlossenen Hochvoltbatterie.
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Vorteile der Erfindung
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Es ist Idee der vorliegenden Erfindung, die unterschiedlichen Leistungsklassen eines Batterieladegeräts und eines Gleichspannungswandlers dadurch zu berücksichtigen, dass der Gleichspannungswandler zweisträngig ausgeführt wird, wobei ein Strang einen Transformator mit zwei Wicklungen aufweist und der andere Strang einen Transformator mit drei Wicklungen.
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Ein erheblicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass ein gleichzeitiges Laden von Hochvolt- und Niedervoltbatterie ohne Zusatzaufwand und ohne Verlängerung der gesamten Ladezeit möglich wird. Insbesondere wird dabei die Maximalleistung des angeschlossenen Energienetzes zu jedem Zeitpunkt voll ausgenutzt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zwei Stränge jeweils auf eine der beiden Batterien vom Leistungsbereich her optimiert werden können. Der Transformator mit drei Wicklungen kann dabei auf den Leistungsbereich der Niedervoltbatterie optimiert werden, wohingegen der Transformator mit zwei Wicklungen unter Berücksichtigung der Anforderungen an das Laden der Hochvoltbatterie ausgestaltet werden kann. Das bedeutet, dass die Ladezeit der Niedervoltbatterie über die Auslegung des Transformators mit drei Wicklungen minimiert werden kann, ohne die Ladezeit für die Hochvoltbatterie zu beeinträchtigen, und umgekehrt.
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Vorteilhafterweise können die jeweiligen Wechselrichter der zwei Gleichspannungswandlerstränge gestaffelt angesteuert werden („Interleaving“ bzw. Ansteuerung „auf Lücke“). Dadurch vermindern sich zum einen die Stromschwankungen („Ripple“) des Ladestroms sowie die Verlustwärme pro Strang. Zum anderen bietet sich die Möglichkeit zu einer selektiven Ab- und Zuschaltung der einzelnen Stränge, beispielsweise bei geringeren Leistungsanforderungen oder geringerer Ladekapazität des Energienetzes.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Batterie eine Hochvoltbatterie und die zweite Batterie eine Niedervoltbatterie sein. Damit eignet sich das Batterieladegerät besonders für ein elektrisches Fahrzeug mit zwei Batterien unterschiedlicher Spannungslagen, beispielsweise mit einer Traktionsbatterie und einer Bordnetzbatterie.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Leistungsbereich des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers an die Niedervoltbatterie und der Leistungsbereich des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers an die Hochvoltbatterie angepasst sein. Dadurch kann die erforderliche Ladezeit für beide Batterien gleichzeitig minimiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der erste sekundärseitige Gleichrichter des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers eine aktive Gleichrichterschaltung umfassen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der sekundärseitige Gleichrichter des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers eine aktive Gleichrichterschaltung umfassen. In beiden Fällen kann der Energiefluss aus der Hochvoltbatterie vorteilhafterweise durch einen der beiden Gleichspannungswandler selektiv umgekehrt werden, um einen erhöhten Leistungsbedarf der Niedervoltbatterie zu stützen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Batterieladegerät weiterhin eine Umschalteinrichtung aufweisen, welche zwischen den ersten sekundärseitigen Gleichrichter des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers und den ersten und zweiten Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, den ersten Ausgangsanschluss schaltbar mit dem ersten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss schaltbar mit dem zweiten Eingangsanschluss zu koppeln. Über die Umschalteinrichtung kann die Hochvoltbatterie selektiv an den Eingang des Batterieladegeräts gekoppelt werden, um zusätzliche Energie für die Niedervoltbatterie bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzsystems können eine Blindleistungskompensationsstufe, welche dazu ausgelegt ist, Verluste der Stromaufnahme aus dem Wechselstromnetz zu minimieren, und ein Zwischenkreiskondensator, welcher zwischen die Blindleistungskompensationsstufe und die Eingangsanschlüsse des Batterieladegeräts gekoppelt ist, vorgesehen sein. Dadurch kann die Leistungsaufnahme aus einem Wechselstromnetz optimiert werden und Strom- bzw. Spannungsschwankungen des Versorgungsnetzes ausgeglichen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzsystems kann das Batterieladegerät eine Umschalteinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, die Ausgangsanschlüsse schaltbar mit Eingängen der Blindleistungskompensationsstufe zu koppeln. Dies bietet den Vorteil, dass die Leistungsaufnahme der Niedervoltbatterie aus der Hochvoltbatterie optimiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzsystems kann die Umschalteinrichtung dazu ausgelegt sein, die Ausgangsanschlüsse schaltbar mit Eingängen des Zwischenkreiskondensators zu koppeln.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Ansteuerns des primärseitigen Wechselrichters des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers zum Optimieren der Ladeleistung der an den sekundärseitigen Gleichrichter des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers angeschlossenen Hochvoltbatterie umfassen. Dies kann vorteilhaft sein, da bei einem Anschluss des Batterieladegeräts an ein externes Wechselstromnetz unabhängig davon, welche Batterie über den erste galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler geladen, die Hochvoltbatterie immer über den zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler geladen werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann, wenn das Ansteuern des primärseitigen Wechselrichters zum Optimieren der Ladeleistung der an den ersten sekundärseitigen Gleichrichter des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers angeschlossenen Niedervoltbatterie erfolgt, das Verfahren weiterhin die Schritte des Bestimmens eines momentanen Leistungsbedarfs der Niedervoltbatterie, und des selektiven Einspeisens der Energie der Hochvoltbatterie in den ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler zum Versorgen der Niedervoltbatterie aus der Hochvoltbatterie in Abhängigkeit von dem momentanen Leistungsbedarf umfasssen. Dieser Betriebsmodus kann insbesondere in einem Fahrbetrieb eines mit dem Batterieladegerät ausgestatteten elektrischen Fahrzeug vorteilhaft sein, da die Niedervoltbatterie während des Betriebs des elektrischen Fahrzeugs selektiv durch die Hochvoltbatterie gestützt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das selektive Einspeisen ein Ansteuern der Umschalteinrichtung des Batterieladegeräts zum Koppeln des ersten Ausgangsanschluss mit dem ersten Eingangsanschluss und des zweiten Ausgangsanschluss mit dem zweiten Eingangsanschluss umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das selektive Einspeisen ein Ansteuern der aktiven Gleichrichterschaltung des ersten sekundärseitigen Gleichrichters des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers zum Umkehren des Energieflusses aus der Hochvoltbatterie in den ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das selektive Einspeisen ein Ansteuern der aktiven Gleichrichterschaltung des sekundärseitigen Gleichrichters des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers zum Umkehren des Energieflusses aus der Hochvoltbatterie durch den zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler umfassen.
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In den drei vorstehend genannten Ausführungsformen besteht der Vorteil, dass je nach Topologie des Batterieladegeräts stets ein Stützen der Niedervoltbatterie durch die Hochvoltbatterie, beispielsweise während eines Fahrbetriebsmodus eines mit dem Batterieladegerät ausgestatteten elektrischen Fahrzeugs erfolgen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der in den Figuren beispielhaft beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnlich wirkende Komponenten.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler;
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2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler;
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3 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler;
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4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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8 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Laden von Batterien mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Bordnetztopologie der Leistungselektronik an Bord eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs.
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Das Bordnetzsystem 100 in 1 wird aus einem Wechselstromnetz 101 einphasig gespeist. Das Wechselstromnetz 101 kann bei einer Netzspannung von 230 V einen typischen Ladestrom von 16 A liefern, so dass die typische Ladeleistung etwa 3,5 kW beträgt (230V × 16A = 3,68kW). Über eine Zuschalteinrichtung 102 kann das Wechselstromnetz 101 an einen Gleichrichter 103 angeschlossen werden, welcher die Wechselspannung aus dem Wechselstromnetz 101 gleichrichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird über eine Blindleistungskompensationsstufe 104 („power factor correction“, PFC), welche durch Leistungsfaktorkorrektur Verluste bei der Stromentnahme aus dem Wechselstromnetz 101 minimiert, auf einen Zwischenkreiskondensator 105 übertragen. Der Gleichrichter 103 kann beispielsweise ein Brückengleichrichter mit Dioden sein. Es kann jedoch auch möglich sein, einen brückenlosen Gleichrichter einzusetzen. Die Blindleistungskompensationsstufe 104 kann beispielsweise einen Hochsetzsteller bzw. Aufwärtswandler aufweisen. Zusätzlich zu der Blindleistungskompensationsstufe 104 können auch weitere (nicht gezeigte) Anpassstufen für die Spannung vorhanden sein, wie beispielsweise Tiefsetzsteller oder weitere Aufwärtsregler.
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Der Zwischenkreiskondensator 105 speist einen ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler, welcher im dargestellten Beispiel des Systems 100 einen primärseitigen Wechselrichter 106, eine primärseitige Transformatorwicklung 107, eine sekundärseitige Transformatorwicklung 108 sowie einen sekundärseitigen Gleichrichter 109 umfasst. Der erste galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler dient dabei dem Laden der HV-Batterie 110, welche an den sekundärseitigen Gleichrichter 109 angeschlossen ist.
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Der erste galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler kann beispielsweise ein Gegentaktflusswandler sein, welcher eine aktive primärseitige Wechselrichterbrückenschaltung 106 mit Halbleiterschaltern und einen passiven sekundärseitigen Brückengleichrichter 109 mit Dioden aufweist. Die HV-Batterie 110 kann beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie aufweisen, und kann zum Beispiel als Serienschaltung einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen aufgebaut sein. Insbesondere ist die HV-Batterie 110 über den galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler über dne Anschluss an das Wechselstromnetz 101 wiederaufladbar.
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Die HV-Batterie 110 speist eine NV-Batterie 115 des Systems 100 über einen zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler, welcher einen primärseitigen Wechselrichter 111, eine primärseitige Transformatorwicklung 112, eine sekundärseitige Transformatorwicklung 113 sowie einen sekundärseitigen Gleichrichter 114 umfasst. Der zweite galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler ist im Gegensatz zu dem ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler auf den Leistungsbereich der NV-Batterie ausgelegt. Beispielsweise kann der Leistungsbereich des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers zwischen 1,5 kW und 2,5 kW, insbesondere zwischen 1,7 kW und 1,9 kW, zum Beispiel etwa 1,8 kW betragen. Dagegen ist der erste galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler auf die Ladeleistung für die HV-Batterie 110 ausgelegt, beispielsweise auf einen Leistungsbereich von etwa 3,5 kW.
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Während des Ladens der HV-Batterie 110 muss die NV-Batterie 115 gestützt werden, um die Funktionsfähigkeit bestimmter elektrischer Verbraucher, wie beispielsweise Lüfter, Pumpen oder der Steuerelektronik sicherzustellen. Dazu kann beispielsweise ein separates Ladegerät für die NV-Batterie 115 vorgesehen werden. Alternativ dazu kann der zweite galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler selbst genutzt werden. In letzterem Fall ist der Wirkungsgrad jedoch relativ schlecht, da die beiden Gleichspannungswandler in Reihe geschaltet sind.
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Die Topologie eines Systems
200, welches beispielsweise ähnlich dem System der Druckschrift
DE 196 46 666 A1 sein kann, ist in
2 schematisch dargestellt. Dabei ist eine schaltungstechnische Integration des Ladegeräts und des Gleichspannungswandlers vorgesehen, indem ein Transformator mit einer primärseitigen Transformatorwicklung
107 und zwei separaten, galvanisch voneinander getrennten sekundärseitigen Transformatorwicklungen
208 und
213 verwendet wird. Über die erste sekundärseitige Transformatorwicklung
208 wird ein erster sekundärseitiger Gleichrichter
109 gespeist, welcher die HV-Batterie
110 versorgt. Über die zweite sekundärseitige Transformatorwicklung
213 wird ein zweiter sekundärseitiger Gleichrichter
114 gespeist, welcher die NV-Batterie
115 versorgt. Die sekundärseitigen Gleichrichter
109 und
114 können dabei jeweils passive Gleichrichterschaltungen umfassen, beispielsweise Brückenschaltungen aus Dioden.
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Ein zusätzliche Umschalteinrichtung 216 zwischen dem ersten sekundärseitigen Gleichrichter 109 und der HV-Batterie 110 ermöglicht es, die HV-Batterie 110 statt mit dem ersten sekundärseitigen Gleichrichter 109 mit dem Eingang der Blindleistungskompensationsstufe 104 zu verbinden, so dass Energie von der HV-Batterie 110 in den Zwischenkreis 105 eingespeist werden kann. Diese Energie kann dann wiederum zum Laden der NV-Batterie 115 über die zweite sekundärseitige Transformatorwicklung 213 und den zweiten sekundärseitigen Gleichrichter 114 eingesetzt werden.
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3 zeigt eine weitere Möglichkeit für die Ausgestaltung eines Bordnetzsystems
300 eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Dieses Bordnetzsystem
300 kann in analoger Weise wie das in der Druckschrift
DE 10 2009 007 737 A1 offenbarte System aufgebaut sein. Dazu wird wie in dem in
2 beschriebenen System
200 ein Transformator mit einer primärseitigen Transformatorwicklung
107 und zwei separaten, galvanisch voneinander getrennten sekundärseitigen Transformatorwicklungen
208 und
213 verwendet. Statt eines passiven sekundärseitigen Gleichrichters wird als erster sekundärseitiger Gleichrichter
309 jedoch ein aktiver Gleichrichter eingesetzt, beispielsweise ein Synchrongleichrichter
309 mit Halbleiterschaltern, zum Beispiel MOSFET-Schaltern. Mithilfe des ersten sekundärseitigen Gleichrichters
309 kann ein bidirektionaler Betrieb des Gleichspannungswandlers realisiert werden, das heißt, Energie aus der HV-Batterie
110 kann über den ersten sekundärseitigen Gleichrichter
309 und die erste sekundärseitige Transformatorwicklung
208 auf die zweite sekundärseitige Transformatorwicklung
213 übertragen werden, so dass die NV-Batterie
115 durch die HV-Batterie
110 mit Spannung versorgt wird. Der Gleichspannungswandler ist somit bezüglich der ersten Sekundärseite als sogenannte „Dual Active Bridge“ ausgelegt.
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Mit den Systemen 200 und 300 in 2 bzw. 3 ist ein gleichzeitiges Laden von HV- und NV-Batterie nicht ohne Weiteres möglich. Zugleich sind die Übersetzungsverhältnisse des Gleichspannungswandlers durch die Windungszahlen der Transformatorwicklungen 107, 208 und 213 vorgegeben, so dass die Ansteuerung der Primärseite nur auf eine der sekundärseitigen Tranformatorwicklungen 208, 213 abgestimmt werden kann, üblicherweise an die Sekundärseite, an der die HV-Batterie 110 angeschlossen ist. Die Spannung der NV-Batterie 115 müsste beispielsweise über eine weitere Anpassungsstufe optimiert werden.
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Daher werden mit den Systemen 200 und 300 die HV-Batterie 110 und die NV-Batterie 115 sequentiell geladen, das heißt, für eine erste Zeitspanne wird die HV-Batterie 110 geladen und für eine zweite Zeitspanne die NV-Batterie 115. Dabei wird die Ladeleistung an die jeweils zu ladende Batterie angepasst. Gerade beim Laden der NV-Batterie 115 wird allerdings die Kapazität des Wechselstromnetzes 101 nicht vollständig ausgenutzt, so dass sich die Ladezeit insgesamt verlängert. Zudem muss in dem System 200 der Ladestrom der HV-Batterie 110 für die NV-Batterie 115 über die Umschalteinrichtung 216 geführt werden, was zu zusätzlichen Verlusten führen kann.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 400, welches ein Batterieladegerät 40 mit einem zweisträngigen Gleichspannungswandler aufweist. Das System 400 weist ein Wechselstromnetz 101, eine Schalteinrichtung 102, einen Gleichrichter 103, eine Blindleistungskompensationsstufe 104 und einen Zwischenkreiskondensator 105 auf, die denjenigen Komponenten entsprechen können, welche jeweils im Zusammenhang mit den 1 bis 3 erläutert worden sind.
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Das Batterieladegerät 40 weist zwei Eingangsanschlüsse 41 und 42 auf, welche an die Ausgänge des Zwischenkreiskondensators 105 angeschlossen sind. Von den zwei Eingangsanschlüssen 41 und 42 verzweigen sich zwei Wandlerstränge in dem Batterieladegerät 40. Der erste Wandlerstrang umfasst einen ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43. Der zweite Wandlerstrang umfasst einen zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44.
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Der erste galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler 43 weist einen primärseitigen Wechselrichter 106 auf, welcher mit dem ersten und zweiten Eingangsanschluss 41, 42 gekoppelt ist. An die Ausgänge des Wechselrichters 106 ist ein Transformator mit einer primärseitigen Transformatorwicklung 107, welche mit dem primärseitigen Wechselrichter 106 gekoppelt ist, einer ersten sekundärseitigen Transformatorwicklung 208 und einer zweiten sekundärseitigen Transformatorwicklung 213 gekoppelt. Der Transformator weist daher drei Wicklungen auf, welche jeweils galvanisch voneinander getrennt sind. Zwischen die erste sekundärseitige Transformatorwicklung 208 und den ersten und zweiten Ausgangsanschluss 45, 46 des Batterieladegeräts 40 ist ein erster sekundärseitiger Gleichrichter 109 gekoppelt. An die zweite sekundärseitige Transformatorwicklung 213 ist ein zweiter sekundärseitiger Gleichrichter 114 gekoppelt. Zwischen dem ersten sekundärseitigen Gleichrichter 109 und der ersten sekundärseitigen Transformatorwicklung 208 bzw. zwischen dem zweiten sekundärseitigen Gleichrichter 114 und der zweiten sekundärseitigen Transformatorwicklung 213 kann jeweils ein (nicht gezeigter) Längsschalter vorgesehen sein. Mithilfe der Längsschalter kann eine selektive Unterbrechung des Stromflusses auf der jeweiligen Sekundärseite eingestellt werden, beispielsweise wenn die jeweilige Sekundärseite je nach Betriebsmodus des Batterieladegeräts 40 gerade nicht benötigt wird.
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Der zweite galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler 44 weist einen primärseitigen Wechselrichter 406 auf, welcher ebenfalls mit dem ersten und zweiten Eingangsanschluss 41, 42 gekoppelt ist. An den primärseitigen Wechselrichter 406 ist ein Transformator mit einer primärseitigen Transformatorwicklung 407 und einer sekundärseitigen Transformatorwicklung 408 gekoppelt. An die sekundärseitige Transformatorwicklung 408 ist ein sekundärseitiger Gleichrichter 409 gekoppelt, dessen Ausgänge 417 und 418 mit dem ersten bzw. zweiten Ausgangsanschluss 45 und 46 des Batterieladegeräts 40 gekoppelt sind.
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Die Ausgangsanschlüsse 45, 46 sind dabei mit einer ersten Batterie 110 gekoppelt, die beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie umfassen kann. Die Ausgänge des zweiten sekundärseitigen Gleichrichters 114 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 sind mit einer zweiten Batterie 115 verbunden, welche beispielsweise eine Niedervoltbatterie oder Bordnetzbatterie umfassen kann.
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Zwischen die Ausgänge des ersten sekundärseitigen Gleichrichters 109 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 und die Ausgangsanschlüsse 45, 46 kann eine Umschalteinrichtung 216 gekoppelt sein. Durch die Umschalteinrichtung 216 kann der erste Ausgangsanschluss 45 schaltbar mit einem ersten Eingangsanschluss 217 der Blindleistungskompensationsstufe 104 und der zweite Ausgangsanschluss 46 schaltbar mit einem zweiten Eingangsanschluss 218 der Blindleistungskompensationsstufe 104 gekoppelt werden. Alternativ kann es auch möglich sein, dass die Umschalteinrichtung 216 die Ausgangsanschlüsse 45, 46 jeweils mit Eingangsanschlüssen des Zwischenkreiskondensators 105 schaltbar verbindet. Durch die Umschalteinrichtung 216 kann eine Umkehrung des Energieflusses von der Hochvoltbatterie 115 über den ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43 in die Niedervoltbatterie 110 erfolgen, beispielsweise wenn der Leistungsbedarf der Niedervoltbatterie 110 momentan hoch ist, um zum Beispiel elektrische Verbraucher wie Pumpen, Lüfter oder Steuerelektronik zu versorgen. Der Leistungsbedarf der Niedervoltbatterie 110 kann dabei beispielsweise zwischen 200 W und 400 W betragen. Ein Vorteil des Systems 400 gegenüber dem System 200 in 2 besteht darin, dass nur ein Teil der Leistung, welche aus dem Wechselstromnetz in die Hochvoltbatterie 110 fließt, durch die Umschalteinrichtung 216 fließen muss. Der andere Teil kann über den zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44 in die Hochvoltbatterie 110 fließen. Dadurch sinken die Leistungsverluste, die durch das Passieren der Umschalteinrichtung 216 beim Laden der Hochvoltbatterie 115 auftreten. Die Umschalteinrichtung 216 kann als Schaltelemente beispielsweise Relais aufweisen.
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Der Leistungsbereich des ersten galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler 43 kann dabei beispielsweise auf die Niedervoltbatterie 115 ausgelegt sein, und zum Beispiel zwischen 1,5 kW und 2,5 kW betragen, insbesondere etwa 1,8 kW. Zum Laden der Hochvoltbatterie 110 ist dieser Leistungsbereich nicht optimal. Daher kann der zweite galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler 44 auf einen Leistungsbereich ausgelegt sein, der den Leistungsbereich des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 derart ergänzt, dass die kumulierte Leistung, die über die erste sekundärseitige Transformatorwicklung 208 und den zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44, auf die Hochvoltbatterie 110 optimiert ist. Beispielsweise kann der Leistungsbereich des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44 ebenfalls auf etwa 1,8 kW ausgelegt sein, so dass bei einem (beispielhaften) Leistungsbereich von 1,8 kW des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43 die Summe der in die Hochvoltbatterie 110 eingespeisten Leistung 1,8kW + 1,8kW = 3,6kW beträgt. Dies ist im Bezug auf die aus dem Wechselstromnetz 101 entnommene Leistung zum Laden der Hochvoltbatterie 110 optimal.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 500, welches ein Batterieladegerät 40 mit einem zweisträngigen Gleichspannungswandler aufweist. Die Komponenten des Systems 500 entsprechen dabei im Wesentlichen den Komponenten des Systems 400. Das System 500 unterscheidet sich von dem System 400 dadurch, dass die Umschalteinrichtung 216 den ersten Ausgangsanschluss 45 schaltbar direkt mit dem ersten Eingangsanschluss 41 des Batterieladegeräts 40 und den zweiten Ausgangsanschluss 46 schaltbar direkt mit dem zweiten Eingangsanschluss 42 des Batterieladegeräts 40 koppelt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 600, welches ein Batterieladegerät 40 mit einem zweisträngigen Gleichspannungswandler aufweist. Die Komponenten des Systems 600 entsprechen dabei im Wesentlichen den Komponenten des Systems 400. Das System 600 unterscheidet sich von dem System 400 dadurch, dass keine Umschalteinrichtung an den Ausgangsanschlüssen 45, 46 des Batterieladegeräts 40 vorgesehen ist. Stattdessen wird die Umkehr des Energieflusses aus der Hochvoltbatterie 110 in die Niedervoltbatterie 115 dadurch erreicht, dass statt eines passiven Gleichrichters als erster sekundärseitiger Gleichrichter 609 eine aktive Gleichrichterschaltung, beispielsweise eine Synchrongleichrichterschaltung mit entsprechenden Halbleiterschaltern eingesetzt wird. Dabei kann der erste sekundärseitige Gleichrichter 609 eine Bidirektionalität des ersten Transformatorastes mit der Hochvoltbatterie 110 gewährleisten („Dual Active Bridge“), das heißt, durch geeignete Ansteuerung der aktiven Schaltelemente des ersten sekundärseitigen Gleichrichters 609 kann Energie aus der Hochvoltbatterie 110 in den ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43 und in Folge in die Niedervoltbatterie 115 eingespeist werden.
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Alternativ dazu kann statt des ersten sekundärseitigen Gleichrichters 109 auch der sekundärseitige Gleichrichter des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 44 als aktiver Gleichrichter ausgestaltet werden, wie in 7 schematisch dargestellt. Das System 700 in 7 unterscheidet sich von dem System 600 in 6 lediglich darin, dass der sekundärseitige Gleichrichter 709 des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 44 eine aktive Gleichrichterschaltung, beispielsweise eine Synchrongleichrichterschaltung mit entsprechenden Halbleiterschaltern, aufweist. Es kann beispielsweise möglich sein, sowohl den ersten sekundärseitigen Gleichrichter 609 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 als auch den sekundärseitigen Gleichrichter 709 des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 44 mit einer aktiven Gleichrichterschaltung auszugestalten. In diesem Fall kann der Energiefluss aus der Hochvoltbatterie 110 über beide Gleichspannungswandler 43 und 44 in die Eingangsanschlüsse 41, 42 des Batterieladegeräts 40 zurückgeführt werden.
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In den 4 bis 7 sind jeweils Batterieladegeräte 40 mit zwei Strängen dargestellt, das heißt Topologien, welche einen ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43 und einen parallel dazu geschalteten zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44 aufweisen. Es sollte dabei klar sein, dass auch weitere galvanisch entkoppelte Gleichspannungswandler in weiteren parallel zu den zwei in 4 bis 7 gezeigten Wandlersträngen verlaufenden Strängen vorgesehen werden können. Die Anzahl der parallel verlaufenden Wandlerstränge ist demnach prinzipiell nicht begrenzt und kann an die jeweiligen Erfordernisse des Gesamtsystems angepasst werden.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 800 zum Laden von Batterien mit einem Batterieladegerät mit Spannungswandler, insbesondere einer Hochvoltbatterie und einer Niedervoltbatterie. Dabei kann das Verfahren 800 mithilfe eines Batterieladegeräts 40 wie in den 4 bis 7 dargestellt implementiert werden.
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In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Ansteuern des primärseitigen Wechselrichters 106 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 zum Optimieren der Ladeleistung einer an den ersten sekundärseitigen Gleichrichter 109, 609 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 angeschlossenen Niedervoltbatterie 115 oder einer an den zweiten sekundärseitigen Gleichrichter 114 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 angeschlossenen Hochvoltbatterie 110. Die Ansteuerung kann dabei je nach gewählten Ladebetriebsmodus erfolgen, beispielsweise wenn das Batterieladegerät 40 an ein Wechselstromnetz 101 angeschlossen ist. Als Standardeinstellung kann beispielsweise das Ansteuern des primärseitigen Wechselrichters 106 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 zum Optimieren der Ladeleistung der an den zweiten sekundärseitigen Gleichrichter 114 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 angeschlossenen Hochvoltbatterie 110 eingestellt sein, so dass hauptsächlich und priorisiert die Hochvoltbatterie 110 geladen wird. Zwischenzeitlich kann von diesem Lademodus in den anderen Lademodus gewechselt werden, in dem die Ladeleistung der an den ersten sekundärseitigen Gleichrichter 109, 609 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 angeschlossenen Niedervoltbatterie 115 optimiert wird, um die Niedervoltbatterie 115 zu stützen.
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Je nach Ansteuerung des primärseitigen Wechselrichters 106 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 kann die jeweils nicht der Optimierung unterworfene Sekundärseite über einen Längsschalter von der Stromversorgung getrennt werden, das heißt, nur die jeweils optimierte Sekundärseite wird mit Ladestrom versorgt.
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In Schritt S2 kann optional ein Ansteuern des primärseitigen Wechselrichters 406 des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 44 zum Optimieren der Ladeleistung einer an den sekundärseitigen Gleichrichter 409, 709 des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 44 angeschlossenen Hochvoltbatterie 110 erfolgen. Dies ist insbesondere in den zwei oben beschriebenen Lademodi für die Versorgung der Hochvoltbatterie 110 aus dem Wechselstromnetz 101 sinnvoll, da die Hochvoltbatterie 110 auf diese Weise unabhängig von der Ansteuerung des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 stets zumindest über den zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44 mit Strom versorgt wird.
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In einem Schritt S3 kann der momentane Leistungsbedarf der Niedervoltbatterie 115 bestimmt werden, insbesondere in einem Arbeitsbetrieb des jeweiligen Systems. Beispielsweise kann der Arbeitsbetrieb ein Fahrbetrieb eines elektrischen Fahrzeugs umfassen, welches ein Batterieladegerät 40 umfasst. Der Leistungsbedarf kann dabei variieren, wenn beispielsweise zusätzliche elektrische Verbraucher im Bordnetz zu- oder abgeschaltet werden. Wenn der momentane Leistungsbedarf die derzeitige Leistungsfähigkeit der Niedervoltbatterie 115 überschreitet, kann in Schritt S4 optional ein selektives Einspeisen der Energie der Hochvoltbatterie 110 in den ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43 zum Versorgen bzw. Stützen der Niedervoltbatterie 115 aus der Hochvoltbatterie 110 in Abhängigkeit von dem momentanen Leistungsbedarf erfolgen. Dies kann zum Beispiel durch ein Ansteuern einer Umschalteinrichtung 216 zum Koppeln des ersten Ausgangsanschluss 45 mit dem ersten Eingangsanschluss 41 und des zweiten Ausgangsanschluss 46 mit dem zweiten Eingangsanschluss 42 geschehen, beispielsweise mit einem System 400 oder 500, wie in 4 und 5 schematisch dargestellt. Alternativ dazu kann auch ein Ansteuern der aktiven Gleichrichterschaltung des ersten sekundärseitigen Gleichrichters 609 des ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 43 zum Umkehren des Energieflusses aus der Hochvoltbatterie 110 in den ersten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 43 erfolgen, beispielsweise mit einem System 600, wie in 6 schematisch dargestellt. Schließlich kann es möglich sein, ein Ansteuern der aktiven Gleichrichterschaltung des sekundärseitigen Gleichrichters 709 des zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandlers 44 zum Umkehren des Energieflusses aus der Hochvoltbatterie 110 durch den zweiten galvanisch entkoppelten Gleichspannungswandler 44 durchzuführen, beispielsweise mit einem System 700, wie in 7 schematisch dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19646666 A1 [0004, 0044]
- DE 102009007737 A1 [0005, 0046]
