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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators, mit einem eine Aufladebatterie aufweisenden Energiespeicher, der Energie übertragend mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators, bei dem der Zwischenkreiskondensator mit Energie aus einem eine Aufladebatterie aufweisenden Energiespeicher aufgeladen wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Batterie mit einer solchen Schaltungsanordnung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung, wobei die Schaltungsanordnung mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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Stand der Technik
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Bei der Aufladung des Zwischenkreiskondensators in Wärme umgesetzte Verlustenergie lässt sich aus der Batteriespannung der Aufladebatterie und der Kapazität des Zwischenkreiskondensators berechnen, wobei die Batteriespannung quadriert mit der Kapazität des Zwischenkreiskondensators multipliziert und das Ergebnis daraus mit 0,5 multipliziert wird. Die durch die Verlustenergie entstehende Verlustwärme kann problematisch beim Betrieb der Schaltungsanordnung und/oder des Zwischenkreiskondensators sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt, deren Energiespeicher wenigstens eine mit der Aufladebatterie in Reihe schaltbare weitere Aufladebatterie und einen Überbrückungsschalter aufweist, wobei der Überbrückungsschalter die weitere Aufladebatterie in seinem geschlossenen Zustand elektrisch überbrückt. Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt, bei dem eine Ladespannung des Energiespeichers für den Zwischenkreiskondensator schrittweise erhöht wird. Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine Batterie beziehungsweise ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsanordnung zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt, wobei die Schaltungsanordnung erfindungsgemäß ausgebildet ist.
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Zu Beginn des Ladevorgangs kann wenigstens die eine weitere Aufladebatterie mit dem Überbrückungsschalter überbrückt sein, so dass deren Batteriespannung nicht am Zwischenkreiskondensator anliegt. Lediglich die mit dem Zwischenkreiskondensator verbundene Aufladebatterie lädt dann den Zwischenkreiskondensator. Beispielsweise nach einer vorgegebenen Ladezeit kann dann der Überbrückungsschalter geöffnet werden und die weitere Aufladebatterie zur Aufladung des Zwischenkreiskondensators beitragen. Durch das Zuschalten der weiteren Aufladebatterie zu der anderen Aufladebatterie erhöht sich die Ladespannung, so dass der Zwischenkreiskondensator weiter geladen wird.
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Die Verlustenergie kann durch das Zuschalten der einzelnen Aufladebatterien, wie oben erläutert, berechnet werden, wobei die obige Verlustenergie bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren noch durch die Anzahl der in Reihe schaltbaren Aufladebatterien beziehungsweise die Anzahl der Erhöhungsschritte der Ladespannung geteilt wird. Die mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare Verlustenergie ist bei Verwendung von zwei Aufladebatterien also um einen Faktor 2 kleiner als bei der Verwendung von nur einer Aufladebatterie. Bei Verwendung von mehr als 2 und zum Beispiel 3 sequenziell zuschaltbaren Aufladebatterien verringert sich die Verlustenergie um den Faktor 3; bei n Aufladebatterien also um den Faktor n. Die mit der bekannten Vorrichtung mit durchgängig angeschlossenen Aufladebatterien oder mit dem bekannten Verfahren mit einer im Wesentlichen konstanten Ladespannung erzeugte Verlustenergie ist also durch die Anzahl der sequenziell zuschaltbaren Ladebatterien, also zum Beispiel 2, 3 oder n, oder die Anzahl der Ladeerhöhungsschritte, also beispielsweise 2, 3 oder n, zu teilen.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile wird im Folgenden eingegangen, wobei die konstruktiven Maßnahmen beziehungsweise die Verfahrensschritte und deren Wirkungen lediglich beispielhaft für eine Schaltungsanordnung mit nur zwei Aufladebatterien beschrieben sind. Selbstverständlich kann die Schaltungsanordnung mehr als zwei Aufladebatterien aufweisen.
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Vorteile der Erfindung
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die wenigstens eine weitere Aufladebatterie mit dem Überbrückungsschalter eine Batterieeinrichtung bilden, wobei die Batterieeinrichtung einen Betriebsschalter aufweist, der mit der weiteren Aufladebatterie in einer Reihenschaltung angeordnet und der Überbrückungsschalter parallel zu der Reihenschaltung geschaltet ist. Durch den Betriebs- und den Überbrückungsschalter kann die jeweilige Aufladebatterie wahlweise überbrückt oder mit dem Zwischenkreiskondensator elektrisch leitfähig verbindbar sein, ohne dass die Aufladebatterie durch den Überbrückungsschalter kurzgeschlossen wird.
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Der Energiespeicher kann mehrere Batterieeinrichtungen aufweisen, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei die Aufladebatterien jeweils über Betriebsschalter mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar oder über einen Überbrückungsschalter überbrückbar sind. Auch die eingangs genannte Aufladebatterie kann Teil einer Batterieeinrichtung sein, so dass alle Aufladebatterien zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators jeweils Teil einer Batterieeinrichtung sind. Durch den Betriebs- und den Überbrückungsschalter kann die Aufladebatterie einer jeden Batterieeinrichtung wahlweise zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators mit diesem verbunden werden. Dabei kann der Energiespeicher modular aufgebaut sein und die Batterieeinrichtungen können nach Bedarf miteinander verbunden werden. Hierdurch kann die Aufladeleistung der Schaltungsanordnung an den aufzuladenden Zwischenkreiskondensator angepasst werden, ohne dass beispielsweise bei der Fertigung der Schaltungsanordnung die einzelnen Komponenten der Batterieeinrichtung immer einzeln zusammengeführt werden müssen, wodurch Fertigungskosten eingespart werden können.
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Zur schrittweisen Erhöhung der Ladespannung kann wenigstens eine weitere Batterie des Energiespeichers zugeschaltet werden. Beim Zuschalten einer Aufladebatterie können Stromspitzen entstehen. Solche Stromspitzen können zu einer elektrischen Überlastung beispielsweise der verwendeten Schalter oder der jeweiligen Aufladebatterie führen. Um Stromspitzen zu verringern oder zu vermeiden, kann ein vom Energiespeicher zum Zwischenkreiskondensator fließender Ladestrom im Wesentlichen unabhängig von der Ladespannung der Aufladebatterien begrenzt und insbesondere konstant gehalten werden. Hierzu kann die Schaltungsanordnung mit einem Strombegrenzer, bevorzugt mit einer Stromquelle ausgebildet sein, die in Reihe mit wenigstens einer der Aufladebatterien geschaltet ist. Mit der Stromquelle lässt sich der zum Zwischenkreiskondensator von den Aufladebatterien fließende Ladestrom begrenzen. Insbesondere kann mit der Stromquelle im Betrieb ein konstanter Ladestrom an den Zwischenkreiskondensator abgegeben werden. Die Stromquelle kann innerhalb der Batterieeinrichtung mit der Aufladebatterie in Reihe geschaltet sein.
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Um unnötig hohe Kosten für die Fertigung der Batterieeinrichtungen zu vermeiden, kann der Strombegrenzer auch außerhalb der Batterieeinrichtungen angeordnet sein. Dann kann es ausreichen, wenn die Schaltungsanordnung nicht einen Strombegrenzer pro Batterieeinrichtung, sondern nur einen einzigen Strombegrenzer aufweist. Beispielsweise kann der Strombegrenzer mit zumindest einer oder allen Batterieeinrichtungen oder mit dem Energiespeicher in Reihe geschaltet Teil des Energiespeichers oder der Schaltungsanordnung sein.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaltungsanordnung und die schrittweise Erhöhung der Ladespannung sind also auch die Verluste im Strombegrenzer im Vergleich zur Verwendung mit nur einer Aufladebatterie und einer konstanten Ladespannung, wie eingangs dargelegt, um den Faktor 1/n verringert, wobei n die Anzahl der Aufladebatterien oder Ladespannungserhöhungsschritte ist.
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Wenigstens eine der Aufladebatterien ist bevorzugt als eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Batterietechnologien für die Aufladebatterien verwendet werden. Die Schaltungsanordnung kann ferner andere Speicher elektrischer Energie, beispielsweise Kondensatoren, aufweisen. Die Aufladebatterien können jeweils eine Batteriezelle oder ein mehrere Batteriezellen umfassendes Batteriemodul aufweisen und insbesondere daraus bestehen. Die Schaltungsanordnung kann an ein Batterie-Management-System angeschlossen sein oder das Batterie-Management-System kann die Schaltungsanordnung wenigstens teilweise umfassen.
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Die Schaltungsanordnung kann in einem zumindest teilweise oder sogar vollständig elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug angeordnet sein. Die Aufladebatterien können teilweise oder vollständig in eine Antriebsenergie bereitstellende Batterie des Kraftfahrzeugs integriert sein oder sogar selbst die Antriebsenergie des Kraftfahrzeugs bereitstellen.
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Der Überbrückungsschalter und/oder der Betriebsschalter beziehungsweise der Strombegrenzer können in die Batterie integriert oder zumindest teilweise außerhalb der Batterie und beispielsweise in einem Steuergerät angeordnet sein. Der Überbrückungsschalter und/oder der Betriebsschalter können in Abhängigkeit von Steuersignalen des Steuergerätes ihren Schaltzustand ändern und hierzu Steuersignal übertragend mit dem Steuergerät verbunden sein.
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Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
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3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
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1 zeigt die Schaltungsanordnung 1 schematisch mit einem an die Schaltungsanordnung 1 angeschlossenen Zwischenkreiskondensator 2.
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Die Schaltungsanordnung 1 ist mit zwei Batterieeinrichtungen 3, 3’ dargestellt, die miteinander durch eine Verbindungsleitung 4 in Reihe geschaltet verbunden sind. Jede der Batterieeinrichtungen 3, 3’ ist mit einer Aufladebatterie 5 ausgebildet, wobei die Aufladebatterien 5 miteinander in Reihe schaltbar sind. Um die Aufladebatterien 5 miteinander in Reihe schalten zu können, ist jede der Batterieeinrichtungen 3, 3’ mit einem Betriebsschalter 6 versehen, der mit der jeweiligen Aufladebatterie 5 in Reihe geschaltet ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus Aufladebatterie 5 und Betriebsschalter 6 ist ein Überbrückungsschalter 7 geschaltet.
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Die Schaltungsanordnung 1 kann mit mehr als den gezeigten Batterieeinrichtungen 3, 3’ ausgebildet sein, wobei weitere Batterieeinrichtungen vorzugsweise in Reihe mit den bereits vorhandenen Batterieeinrichtungen 3, 3’ geschaltet sind.
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Zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 wird zunächst die Batterieeinrichtung 3 durch Schließen des Betriebsschalters 6 aktiviert. Wenn der Betriebsschalter 6 geschlossen werden soll, muss der Überbrückungsschalter 7 geöffnet sein, da die Aufladebatterie 5 ansonsten durch den Überbrückungsschalter 7 kurzgeschlossen wird. Gegebenenfalls ist der Überbrückungsschalter 7 zu öffnen. Wenn der Betriebsschalter 6 geschlossen und der Überbrückungsschalter 7 geöffnet sind, so ist die Aufladebatterie 5 in Reihe mit der weiteren Batterieeinrichtung 3’ geschaltet. Ist der Überbrückungsschalter 7 der Batterieeinrichtung 3’ geschlossen, so liegt an einem Anschluss 8 der Schaltungsanordnung 1 als Ladespannung L die Batteriespannung der Aufladebatterie 5 der Batterieeinrichtung 3 an. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zwischenkreiskondensator 2 am Anschluss 8 angeschlossen, so dass ein Ladestrom 9 aus der Batterieeinrichtung 3 zum Zwischenkreiskondensator 2 fließen kann.
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Ist eine vorgegebene Bedingung eingetreten, so kann auch die Aufladebatterie 5 der weiteren Batterieeinrichtung 3’ mit der Batterieeinrichtung 3 in Reihe geschaltet werden. Sind die Aufladebatterien 5 bei den Batterieeinrichtungen 3, 3’ miteinander in Reihe geschaltet verbunden, so liegt am Anschluss 8 eine Ladespannung L an, die der Summe der Batteriespannungen der elektrisch leitfähig miteinander verbundenen Aufladebatterien 5 entspricht. Der Ladestrom 9 ändert sich entsprechend der Anzahl der miteinander elektrisch leitfähig verbundenen Aufladebatterien 5 und in Abhängigkeit vom Ladezustand des Zwischenkreiskondensators 2.
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Sind mehr als zwei Batterieeinrichtungen 3, 3’ vorgesehen, können diese bei Erreichen von weiteren Bedingungen ebenfalls durch Schließen des Betriebsschalters 6, gegebenenfalls bei vorherigem Öffnen des Überbrückungsschalters 7, zugeschaltet werden. Die Bedingung zum Zuschalten der Batterieeinrichtungen 3, 3’ kann beispielsweise ein Erreichen eines vorgegebenen Ladeniveaus des Zwischenkreiskondensators 2 oder ein Verstreichen einer vorgegebenen Ladezeit sein.
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Der Betriebsschalter 6 und der Überbrückungsschalter 7 können so ausgebildet sein, dass einer der beiden Schalter schließt, wenn der andere öffnet. Insbesondere können der Betriebsschalter 6 und der Überbrückungsschalter 7 der Batterieeinrichtungen 3, 3’ Wechselkontakte eines Relais oder einer zum Beispiel Transistoren oder Thyristoren umfassenden Halbleiterschalteranordnung sein.
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Die Batterieeinrichtungen 3, 3’ können Teil eines Energiespeichers 10 sein, wobei der Energiespeicher 10 wenigstens Energie zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 enthält. Der Energiespeicher 10 kann jedoch auch mehr Energie enthalten, als zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 notwendig ist. Beispielsweise kann der Energiespeicher 10 Teil einer Antriebsenergie bereitstellenden Batterie eines wenigstens teilweise oder vollständig elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeuges sein. Dabei kann wenigstens eine der Aufladebatterien 5 eine Lithium-Ionen-Batterie-Technologie aufweisen.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, werden dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber wird lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
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Die in der 2 dargestellte Schaltungsanordnung 1 weist zusätzlich zu den Batterieeinrichtungen 3, 3’ noch einen Ladestromregulator 11 auf. Mit dem Ladestromregulator 11 können beim Schließen des Betriebsschalters 6 einer der Batterieeinrichtungen 3, 3’ auftretende Stromspitzen begrenzt und zumindest abgemildert werden. Hierzu kann der Ladestromregulator 11 einen Strombegrenzer 12, der vorzugsweise als eine Stromquelle und beispielsweise als eine Konstantstromquelle ausgebildet ist, aufweisen. Ist der Strombegrenzer 12 im Betrieb mit einer der Aufladebatterien 5 beziehungsweise einer der Batterieeinrichtungen 3, 3’ oder sogar dem Energiespeicher 10 in Reihe geschaltet und fließt der Ladestrom 9 durch den Strombegrenzer 12, so ist der durch den Strombegrenzer 12 fließende Ladestrom 9 begrenzt.
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Zusätzlich zum Strombegrenzer 12 und beispielsweise zur Stromquelle kann der Ladestromregulator 11 einen parallel zum Strombegrenzer 12 geschalteten Bypass-Schalter 13 aufweisen. Ist der Bypass-Schalter 13 geöffnet, so fließt der Ladestrom 9 durch den Strombegrenzer 12 begrenzt zum Anschluss 8 und zumindest teilweise in den Zwischenkreiskondensator 2. Ist der Bypass-Schalter 13 jedoch geschlossen, so fließt der Ladestrom 9 am Strombegrenzer 12, also beispielsweise an der Stromquelle, vorbei zum Anschluss 8 und ist folglich nicht durch den Strombegrenzer 12 begrenzt. Insbesondere bei höheren Ladezuständen des Zwischenkreiskondensators 2 kann auf eine Begrenzung des Ladestroms 9 durch den Strombegrenzer 12 verzichtet werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 14 zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2. In einem ersten Verfahrensschritt 15 startet das Verfahren 14. In einem auf den ersten Schritt 15 folgenden Schritt 16 wird die Ladespannung L erhöht. Zunächst kann die Ladespannung L von einem Startniveau, das beispielsweise 0 V betragen kann, auf die Batteriespannung der Aufladebatterie 5 einer der Batterieeinrichtungen 3, 3’ und beispielsweise der Batterieeinrichtung 3 erhöht werden. Hierzu ist der Überbrückungsschalter 7 der Batterieeinrichtung 3 gegebenenfalls zu öffnen. Im Folgenden ist der Betriebsschalter 6 zu schließen, so dass die Aufladebatterie 5 der Batterieeinrichtung 3 elektrisch leitfähig mit der Verbindungsleitung 4 verbunden ist. Ist oder wird nun der Überbrückungsschalter 7 der Batterieeinrichtung 3’ und auch von weiteren möglicherweise vorgesehenen Batterieeinrichtungen geschlossen, so liegt am Ende des Verfahrensschritts 16 die Batteriespannung der Aufladebatterie 5 der Batterieeinrichtung 3 am Anschluss 8 an.
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Im folgenden Verfahrensschritt 17 wird geprüft, ob eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist. Die Bedingung kann beispielsweise das Erreichen eines vorgegebenen Ladeniveaus des Zwischenkreiskondensators 2 oder das Verstreichen einer vorgegebenen Ladezeit sein. Ist die Bedingung erfüllt, so wird die Ladespannung L, wie durch den Pfeil 18 angedeutet, durch erneutes Durchführen des Verfahrensschrittes 16 erhöht. Beispielsweise kann nun bei einer anderen der Batterieeinrichtungen 3, 3’ und zum Beispiel bei der Batterieeinrichtung 3’ der Überbrückungsschalter 7 geöffnet und der Betriebsschalter 6 geschlossen werden, so dass auch die Aufladebatterie 5 der Batterieeinrichtung 3’ elektrisch leitfähig mit dem Anschluss 8 verbunden ist. Die am Anschluss 8 anliegende Ladespannung L entspricht nun der Summe der Batteriespannungen der Aufladebatterien 5 der Batterieeinrichtungen 3, 3’. Der Ladespannungserhöhungsschritt 16 kann entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Batterieeinrichtungen 3, 3’ wiederholt durchgeführt werden.
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Sind alle vorgesehenen Batterieeinrichtungen 3, 3’ aktiviert, so dass deren Aufladebatterien elektrisch leitfähig miteinander und mit dem Anschluss 8 in Reihe geschaltet sind, kann das Verfahren zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 2 im Verfahrensschritt 19 beendet werden. Vor dem Beenden des Ladeverfahrens im Verfahrensschritt 19 kann eine weitere Bedingung abgefragt werden. Auch hier kann die weitere Bedingung wieder der erreichte Ladezustand des Zwischenkreiskondensators 2 oder das Verstreichen einer vorgegebenen Ladezeit sein.
