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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich allgemein auf ein Verfahren und ein Gerät zum Laden oder Entladen einer elektrischen Vorrichtung in einem Fahrzeug.
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Elektrische Energie wird als ein Mechanismus verwendet, um ein Hybrid- und/oder Elektrofahrzeug anzutreiben. Um genug Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs zu liefern, kann eine Hochspannungsleistung verwendet werden, um einen oder mehrere Motoren in solchen Fahrzeugen anzutreiben. Es ist bekannt, dass die in verschiedenen Kondensatoren gespeicherte Hochspannungsenergie ggf. entladen werden muss, wenn das Fahrzeug abschaltet, oder in anderen Situationen. Übliche Entladungsverfahren enthalten eine aktive Entladung und eine passive Entladung, um gespeicherte HS-Energie zu entfernen. Bei der aktiven Entladung werden Wicklungen innerhalb des Motors des Fahrzeugs verwendet, um die Energie zu entladen. Bei der passiven Entladung wird ein Widerstand (d.h. Ableitwiderstand) verwendet, um die Energie zu entladen.
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Um Energieverluste zu verringern, wenn das Fahrzeug in einem Funktionsmodus ist, kann es vorteilhaft sein, einen hohen Widerstandswert des Widerstands zu wählen. Um bei einer passiven Entladung schnell Energie zu entladen, kann es aber vorteilhaft sein, wenn der Widerstandswert des Widerstands niedrig ist. Durch die Wahl eines niedrigen Widerstandswerts für den Widerstand, um einer schnellen passiven Entladung zu genügen, kann diese Bedingung die Kraftstoffersparnis des Fahrzeugs negativ beeinflussen.
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In einer Ausführungsform wird ein Gerät zum Laden und Entladen einer elektrischen Vorrichtung im Fahrzeug geliefert. Das Gerät weist einen Schalter, erste und zweite Leistungsquellen und erste und zweite Schütze auf. Die erste Leistungsquelle ist konfiguriert, um eine Niederspannung zu liefern. Der Schalter ist konfiguriert, um die erste Leistungsquelle zu aktivieren/deaktivieren. Die zweite Leistungsquelle ist konfiguriert, um eine Hochspannung zum Laden der elektrischen Vorrichtung zu liefern. Das erste Schütz ist mit der ersten Leistungsquelle und mit der zweiten Leistungsquelle wirkverbunden, wobei das erste Schütz dazu konfiguriert ist, es der zweiten Leistungsquelle zu ermöglichen, die Hochspannung zum Laden der elektrischen Vorrichtung als Reaktion darauf zu liefern, dass der Schalter die erste Leistungsquelle aktiviert. Das zweite Schütz ist mit der ersten Leistungsquelle und mit der zweiten Leistungsquelle wirkverbunden, wobei das zweite Schütz als Reaktion darauf, dass der Schalter die erste Leistungsversorgung aktiviert, in einem offenen Zustand ist.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Gerät bereitgestellt, das ein erstes Schütz, ein zweites Schütz, ein Steuergerät und einen Kondensator aufweist. Das erste Schütz empfängt eine Niederspannung von einer ersten Leistungsquelle und eine Hochspannung von einer zweiten Leistungsquelle. Das zweite Schütz empfängt die Niederspannung und die Hochspannung. Das Steuergerät aktiviert/deaktiviert eine Übertragung der Niederspannung. Der Kondensator empfängt die Hochspannung, um als Reaktion auf die Aktivierung der Übertragung der Niederspannung durch das Steuergerät Energie zu speichern.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Laden einer elektrischen Vorrichtung in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren weist das Bereitstellen eines ersten Schützes und eines zweiten Schützes und das Steuern des Schließens des ersten Schützes und des Öffnens des zweiten Schützes als Reaktion auf eine Niederspannung auf. Das Verfahren weist weiter das Laden der elektrischen Vorrichtung mit Energie von einer Hochspannung als Reaktion auf das Steuern des Schließens des ersten Schützes und des Öffnens des zweiten Schützes auf.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in ihren wesentlichen Grundzügen in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt. Andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, die im beanspruchten Schutzumfang der Erfindung liegen, gehen aber klarer aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor und werden am besten in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden, in denen:
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1 ein Gerät in einem Funktionsmodus darstellt;
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2 das Gerät in einem Entladungsmodus darstellt; und
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3 ein Gerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Wie vorgeschrieben werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, es versteht sich aber, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele der Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; manche Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Bauteile zu zeigen. Daher sollten spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht einschränkend, sondern nur als eine repräsentative Basis zur Anleitung eines Fachmanns zur verschiedenartigen Verwendung der vorliegenden Erfindung interpretiert werden.
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1 stellt ein Gerät 10 in einem Funktionsmodus dar. Das Gerät 10 kann in ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug eingebaut werden. Es versteht sich, dass verschiedene Anpassungen des Geräts und/oder des Verfahrens, wie hier beschrieben, in Verbindung mit einem beliebigen Fahrzeugtyp verwendet werden können, der eine Entladungsfunktion zum Entladen verschiedener elektrischer Bauteile in einem beliebigen System verwendet. Das Gerät 10 enthält eine Hochspannungsleistungsquelle 12, ein Schütz 14, einen Entladekreis 16, ein Ladeelement 18, einen bidirektionalen Wechselrichter/Gleichrichter 20 (nachfolgend “bidirektionaler Schaltkreis 20”) und einen Motor 22. Allgemein kann die Leistungsquelle 12 eine beliebige Anzahl von Batterien oder Batteriezellen enthalten und ist konfiguriert, um eine Hochspannungs(HS)-/Gleichstrom-Energie zu erzeugen. Wenn das Schütz 14 geschlossen ist, kann die HS/Gleichstrom-Energie zwischen der Leistungsquelle 12 und dem Motor über den bidirektionalen Schaltkreis 20 übertragen werden. Der bidirektionale Schaltkreis 20 wandelt die HS/Gleichstrom-Energie in eine Wechselstrom-Energie für die Übertragung an die Wicklungen 24a–24n (“24") des Motors 22 um. Der bidirektionale Schaltkreis 20 enthält eine Vielzahl von Schaltern 26a–26n (z.B. kann jeder Schalter ein Isolierschicht-Bipolartransistor (IGBT), ein Feldeffekttransistor (FET) oder eine andere geeignete elektronische Vorrichtung sein), die es ermöglichen, dass die Gleichstrom-Energie in eine Wechselstrom-Energie umgewandelt wird. Der Motor 22 ist ein Wechselstrom-Motor, der eine zusätzliche Leistung an das Fahrzeug liefern kann, zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt), oder der elektrische Energie in einem Generator-Modus erzeugen kann. Das Gerät 10 ermöglicht auch das Fließen von Energie vom Motor 22 zurück an die Leistungsquelle 12, um die Leistungsquelle 12 zu laden.
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Der Ladekreis 18 kann als Kondensator ausgeführt sein. Der Kondensator 18 ist eingerichtet, um die HS-Energie zwischen der Leistungsquelle 12 und dem Motor 22 zu speichern. Der Entladekreis 16 enthält einen Schalter 30 und einen Entladungswiderstand 32. Der Funktionsmodus ist allgemein als ein Modus, bei dem der Motor 22 eine Gleichstrom-Leistung vom bidirektionalen Schaltkreis 20 empfängt, oder als ein Modus definiert, bei dem die Leistungsquelle 12 Energie vom Motor 22 empfängt. Im Funktionsmodus ist das Fahrzeug in einem Zustand, in dem es gefahren wird oder gestartet wurde. Wenn Energie an den Motor 22 übertragen werden soll, steuert ein Steuergerät (nicht gezeigt) das Schließen des Schützes 14 und das Öffnen des Schalters 30, so dass Energie an den Motor 22 fließt. Es versteht sich, dass der Schalter 30 ein Transistor, IGBT, MOSFET, oder eine andere geeignete Vorrichtung sein kann, die dazu konfiguriert ist, sich zu öffnen/zu schließen, damit nach Wunsch ein Energietransfer durch sie hindurch stattfinden kann. Der Schalter 30 bleibt im Funktionsmodus offen, um einen Energieverlust durch den Widerstand 32 zu vermeiden. Im Funktionsmodus speichert der Kondensator 18 mindestens einen Teil der HS-Energie, die von der Leistungsquelle 12 erzeugt wird. Der Kondensator 18 liefert einen transienten Strom an den bidirektionalen Schaltkreis 20, um Spannungsspitzen auf einem HS-Bus zu verringern und die HS-Busspannung zu stabilisieren. Wenn Energie vom Motor 22 zurück zur Leistungsquelle 12 übertragen werden soll, steuert das Steuergerät das erneute Schließen des Schützes 14 und steuert das Öffnen des Schalters 30.
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2 stellt das Gerät 10 im Entladungsmodus dar. Der Entladungsmodus ist allgemein als ein Modus definiert, bei dem der Energietransfer zum und vom Motor 22 deaktiviert ist (z.B. kann das Fahrzeug ausgeschaltet sein). Im Entladungsmodus steuert das Steuergerät das Öffnen des Schützes 14, um den Fluss von HS-Energie zum und vom Motor 22 zu verhindern. Zusätzlich steuert das Steuergerät das Schließen des Schalters 30, und die im Kondensator 18 gespeicherte Energie wird über den Widerstand 32 entladen. Im Entladungsmodus ist es vorteilhaft, die im Kondensator 18 und den Motorwicklungen 24a–24n gespeicherte Energie zu entladen, um bei einer Wartung des Fahrzeugs durch einen Mechaniker die Sicherheit des Mechanikers zu gewährleisten. Der Widerstandswert des Widerstands 32 kann niedrig sein, so dass Energie vom Kondensator 18 schnell entladen werden kann. Die Anordnung des Entladekreises 16 bezüglich der Stellung des Schützes 14 kann es ermöglichen, einen niedrigen Widerstandswert für den Widerstand 32 zu wählen. Aufgrund der Anordnung des Entladekreises 16 und des niedrigen Widerstandswerts für den Widerstand 32 können Leistungsverluste im Gerät 10 minimiert werden, wenn das Gerät 10 im Funktionsmodus ist.
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3 stellt ein Gerät 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Gerät 50 enthält eine HS-Leistungsquelle 52, ein Schütz 54, einen NS-Schaltkreis 56, einen Entladekreis 58, einen Kondensator 60 und einen bidirektionalen Umrichter/Gleichrichter 62 (nachfolgend “bidirektionaler Schaltkreis 62”), einen Motor 64 und ein Steuergerät 65. In gleicher Weise wie für das Gerät 10 der 1 beschrieben, enthält die Leistungsquelle 52 allgemein eine beliebige Anzahl von Batterien oder Batteriezellen und ist konfiguriert, um elektrische Energie an den Motor 64 zu liefern, oder vom Motor 64 erzeugte Energie zu speichern. Der bidirektionale Schaltkreis 62 enthält eine Vielzahl von Schaltern 68a–68n (“68") (wie, aber nicht beschränkt auf, IGBTs und FETs). Die Vielzahl von Schaltern 68 ermöglicht die Umwandlung der Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie zur Lieferung an den Motor 64. Die Vielzahl von Schaltern 68 ermöglicht auch die Gleichrichtung der Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie zum Speichern in der Leistungsquelle 52.
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Der Kondensator 60 speichert die HS-Energie zwischen der Leistungsquelle 52 und dem Motor 64. Der Entladekreis 58 enthält ein Schütz 70 und einen Widerstand 72. Das Schütz 54 und das Schütz 70 können beide die Form eines mechanischen Relais haben. Das Schütz 54 enthält eine Wicklung 74 und einen Schalter 76, der das Relais formt. Das Schütz 54 kann als ein normalerweise offenes Relais ausgeführt sein. Das normalerweise offene Relais ist allgemein definiert als das Öffnen des Schalters 76, wenn die Wicklung 74 nicht erregt ist. Das Schütz 70 enthält eine Wicklung 78 und einen Schalter 80, der das Relais formt. Das Schütz 70 kann als ein normalerweise geschlossenes Relais ausgeführt sein. Das normalerweise geschlossene Relais ist allgemein definiert als das Schließen des Schalters 80, wenn die Wicklung 78 nicht erregt ist. Die Wicklungen 74, 78 sind auf dem NS-Schaltkreis 56 positioniert. Der NS-Schaltkreis 56 enthält weiter eine Leistungsversorgung 82, einen Schalter 84, eine Diode 86 und eine Zener-Diode 88. Das Fahrzeug ist allgemein konfiguriert, um auf zwei Spannungspegeln zu arbeiten, einem HS-Leistungspegel (z.B. etwa 150 V oder höher), und einem NS-Leistungspegel (z.B. etwa 12 V oder höher). Die HS-Leistungsquelle 52, der Kondensator 60, der bidirektionale Schaltkreis 62, der Motor 64, der Schalter 76 des Schützes 54, der Schalter 80 des Schützes 70 und der Widerstand 72 sind allgemein konfiguriert, um im Bereich des Hochleistungsspannungspegels zu arbeiten. Die Leistungsversorgung 52 kann eine Spannung auf 150 V oder höher erzeugen. Allgemein, wenn das Steuergerät 65 des Schließen des Schalters 84 steuert, schließt sich das Schütz 54 und das Schütz 70 öffnet sich. Als Reaktion darauf wandelt der bidirektionale Schaltkreis 62 die HS-Energie in eine Gleichstrom-Spannung zum Antrieb des Motors 64 um, oder richtet die Wechselstrom-Energie in eine HS/Gleichstrom-Energie gleich.
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Die Leistungsversorgung 82, der Schalter 84, die Wicklung 74 des Schützes 54, die Wicklung 78 des Schützes 70, die Diode 86 und die Zener-Diode 88 sind allgemein konfiguriert, um im Niedrigleistungsspannungsbereich zu arbeiten. Die von der Leistungsversorgung 82 erzeugte NS-Energie kann eine Spannung auf etwa 12 V erzeugen. Verschiedene Funktionen wie, aber nicht beschränkt auf, Heizen/Kühlen des Fahrzeugs, Unterhaltung, Verriegelung, Beleuchtungen (außen/innen) werden allgemein von der Leistungsversorgung 82 angetrieben.
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Wenn das Fahrzeug im Funktionsmodus ist, steuert das Steuergerät 65 das Schließen des Schalters 84, wodurch die NS-Energie an die Wicklung 74 und die Wicklung 78 übertragen wird. Die Wicklung 74 erzeugt ein elektromagnetisches Feld als Reaktion auf die NS-Energie, wodurch der Schalter 76 des Schützes 54 schließt. In ähnlicher Weise erzeugt die Wicklung 78 ein elektromagnetisches Feld als Reaktion auf die NS-Energie, wodurch der Schalter 80 des Schützes 70 sich öffnet (z.B. ist das Schütz 70 normalerweise im offenen Zustand und schließt sich, wenn es durch das elektromagnetische Feld induziert wird). Dieser Zustand ermöglicht es der HS-Energie, durch den bidirektionalen Schaltkreis 62 zu gehen. Der bidirektionale Schaltkreis 62 wandelt seinerseits die Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie zur Lieferung an den Motor 64 um, oder richtet die Wechselstrom-Energie vom Motor 64 zur Leistungsquelle 52 gleich.
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Durch Verwendung des Schützes 54 und des Schützes 70 als mechanische Relais kann dieser Zustand solche Vorrichtungen physikalisch isolieren und einen Leckstrom minimieren oder verhindern, der die Fähigkeit des Kondensators 60, einen vollgeladenen Zustand zu erreichen, beeinträchtigen kann. Zum Beispiel kann, während das Schütz 70 geöffnet ist (z.B. ist der Schalter 80 geöffnet), ein Leckstrom, der als ein Ergebnis dessen erzeugt werden kann, dass das Schütz 54 geschlossen ist, allgemein daran gehindert werden, zum Widerstand 72 zu gelangen, wodurch die Energiemenge erhöht wird, die an den Kondensator 60 übertragen werden kann. Falls das Schütz 54 und das Schütz 70 als Festkörperschalter ausgeführt sind, können solche Vorrichtungen es ermöglichen, dass eine nicht akzeptable Menge von Leckstrom durch sie hindurch geht, selbst wenn das Schütz 54 oder das Schütz 70 in einem offenen Zustand wäre. Insbesondere kann durch Ausführen des Schützes 70 als Festkörperschalter das Schütz 70 es erlauben, dass eine unerwünschte Menge von Leckstrom durch es hindurch fließt, selbst wenn es in einem offenen Zustand ist. Ein solcher Leckstrom kann den Leistungsverlust erhöhen und die Kraftstoffersparnis negativ beeinflussen.
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Im Entladungsmodus (z.B. ist das Fahrzeug abgeschaltet) kann das Steuergerät 65 die Öffnung des Schalters 84 steuern, wodurch der NS-Energiefluss an die Wicklungen 74 und 78 verhindert wird. Der Schalter 76 öffnet sich als Reaktion darauf, und der Energiefluss wird am Erreichen des Motors 64 gehindert (oder die Übertragung des Energieflusses vom Motor 64 zur Leistungsquelle 52 wird verhindert). Zusätzlich wird die Wicklung 78 abgeregt, was zum Schließen des Schalters 80 führt. Als Ergebnis wird im Kondensator 60 gespeicherte Energie durch den Schalter 80 des Entladungsschalters 58 entladen. Der Widerstand 72 kann mit einem niedrigen Widerstandswert ausgeführt sein, um eine schnelle Entladung der Energie vom Kondensator 60 zu gewährleisten. Zusätzlich versteht sich, dass die Zener-Diode 88 dazu beitragen kann, die gesamte Energie von den Wicklungen 74 und 78 abzuleiten. Zum Beispiel kann die Zener-Diode 88 einen höheren Spannungsabfall hinzufügen (zusätzlich zu demjenigen, der mit der Diode 86 hinzugefügt wird), was dazu führen kann, dass die Energie schneller abgeleitet wird (z.B. P = V * I, wobei V der gesamte Spannungsabfall in der Diode 86 und der Zener-Diode 88 ist). Wenn die Zener-Diode 88 nicht verwendet wird, kann die Diode 86 einen Spannungsabfall von etwa 0,7 V liefern, nachdem der Schalter 84 sich geöffnet hat. Der Leistungsverbrauch der Diode 86 alleine kann in diesem Fall niedrig sein. Dies kann den Zustand erzeugen, in dem eine längere Zeit benötigt wird, um die gesamte Energie der Wicklungen 74 und 78 zu verbrauchen, und eine Verzögerung der Schaltaktion des Schützes 54 und des Schützes 70 verursachen, wenn der Schalter 84 geöffnet wird.
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Es versteht sich, dass das Schütz 54, während es als ein mechanisches Relais ausgeführt ist, keinen Leckstrom durch den Kondensator 60 erlauben (oder die Möglichkeit eines Leckstroms deutlich verringern) kann. Eine solche Maßnahme kann auch gewährleisten, dass die im Kondensator 60 geladene Energie vom Gerät 50 in kurzer Zeit entladen werden kann.
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Während bisher beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Im Gegenteil, die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind beschreibend und nicht einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
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Gerät zum Laden und Entladen einer elektrischen Vorrichtung in einem Fahrzeug, wobei das Gerät Folgendes aufweist:
eine erste Leistungsquelle, die dazu konfiguriert ist, eine Niederspannung zu liefern;
einen Schalter zum Aktivieren und Deaktivieren der ersten Leistungsquelle;
eine zweite Leistungsquelle, die dazu konfiguriert ist, eine Hochspannung zum Laden der elektrischen Vorrichtung zu liefern;
ein erstes Schütz, das mit der ersten Leistungsquelle und der zweiten Leistungsquelle wirkverbunden ist, wobei das erste Schütz dazu konfiguriert ist, es der zweiten Leistungsquelle zu ermöglichen, die Hochspannung zum Laden der elektrischen Vorrichtung als Reaktion auf das Aktivieren der ersten Leistungsquelle durch den Schalter zu liefern; and
ein zweites Schütz, das mit der ersten Leistungsquelle und der zweiten Leistungsquelle wirkverbunden ist, wobei das zweite Schütz als Reaktion auf die Aktivierung der ersten Leistungsquelle durch den Schalter in einem offenen Zustand ist.
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Gerät nach Anspruch 1, das weiter ein Steuergerät aufweist, welches dazu konfiguriert ist, den Schalter zu steuern, um die erste Leistungsquelle zu aktivieren und zu deaktivieren.
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Gerät nach Anspruch 1, wobei das erste Schütz weiter dazu konfiguriert ist, das Liefern der Hochspannung durch die zweite Leistungsquelle als Reaktion darauf zu deaktivieren, dass der Schalter die erste Leistungsquelle deaktiviert.
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Gerät nach Anspruch 1, wobei die elektrische Vorrichtung einen Kondensator enthält, wobei der Kondensator dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf Energie zu speichern, dass der Schalter die zweite Leistungsquelle aktiviert, um die Hochspannung zu liefern.
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Gerät nach Anspruch 4, wobei der Kondensator weiter dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf die Energie davon zu entladen, dass der Schalter die zweite Leistungsquelle deaktiviert.
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Gerät nach Anspruch 5, das weiter einen mit dem zweiten Schütz in Reihe geschalteten Widerstand aufweist, um als Reaktion auf das Entladen der Energie durch den Kondensator die Energie durchzulassen.
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Gerät nach Anspruch 1, wobei das erste Schütz eine Wicklung und einen ersten Schalter enthält, wobei die Wicklung mit der ersten Leistungsquelle und der erste Schalter mit der zweiten Leistungsquelle verbunden ist.
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Gerät nach Anspruch 1, wobei das zweite Schütz eine Wicklung und einen ersten Schalter enthält, wobei die Wicklung mit der ersten Leistungsquelle und der erste Schalter mit der zweiten Leistungsquelle verbunden ist.
