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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators mit elektrischer Energie aus einer Aufladebatterie, mit einem ersten Schaltelement zur wahlweisen elektrischen Verbindung eines ersten Anschlusskontaktes der Schaltungsanordnung für die Aufladebatterie mit einem zweiten Anschlusskontakt der Schaltungsanordnung für den Zwischenkreiskondensator, und mit einem elektrischen Vorladewiderstand, der parallel zum ersten Schaltelement schaltbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators mit elektrischer Energie aus einer Aufladebatterie, bei dem ein Aufladestrom zumindest teilweise durch einen elektrischen Vorladewiderstand zum Zwischenkreiskondensator geleitet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Batteriesystem mit einer solchen Schaltungsanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.
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Stand der Technik
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Schaltungsanordnungen zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators mit elektrischer Energie sind allgemein bekannt. Der Zwischenkreiskondensator dient dabei dazu, Ströme für einen kurzzeitigen hohen Strombedarf eines mit elektrischer Energie aus der Batterie zu versorgenden Verbrauchers bereitzustellen. Um den Zwischenkreiskondensator mit elektrischer Energie aufzuladen, ist dieser insbesondere parallel mit der Aufladebatterie verbunden.
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Zu Beginn eines Aufladevorgangs kann das wenigstens eine Schaltelement geschlossen und der Zwischenkreiskondensator elektrisch leitfähig direkt mit der Aufladebatterie verbunden werden. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Zwischenkreiskondensators würde bei einer direkten Verbindung der Aufladebatterie mit dem Zwischenkreiskondensator jedoch insbesondere zu Beginn des Aufladevorgangs ein vergleichsweiser hoher Strom von der Aufladebatterie zum Zwischenkreiskondensator fließen. Ein derartig hoher Strom kann beispielsweise die Aufladebatterie überlasten und gegebenenfalls sogar beschädigen.
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Um den Aufladestrom zumindest zeitweise zu begrenzen, weisen die bekannten Schaltungsanordnungen einen parallel zum ersten Schaltelement schaltbaren Aufladewiderstand auf. Der Aufladewiderstand ist in der Regel ein ohmscher Widerstand, der mithilfe eines weiteren Schaltelementes mit der Aufladebatterie und/oder dem Zwischenkreiskondensator verbindbar und das erste Schaltelement somit überbrückbar ist. Da das weitere Schaltelement in der Lage sein muss, hohe Ströme bei hohen Spannungen, beispielsweise von bis zu 600 V, zu schalten, benötigt das Schaltelement in der Regel viel Bauraum und hat ein hohes Gewicht. Insbesondere bei der Verwendung der Schaltungsanordnung im Kraftfahrzeug sind Bauraum jedoch knapp und hohes Gewicht nachteilig. Auch bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, kann Bauraum begrenzt sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung zur Aufladung eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt, die zusätzlich zum ersten Schaltelement zwei weitere Schaltelemente aufweist, die mit dem Vorladewiderstand in Reihe geschaltet parallel zum ersten Schaltelement schaltbar sind. Bei Verwendung von zwei weiteren Schaltelementen anstelle nur eines weiteren Schaltelementes zum Überbrücken des ersten Schaltelements wie im Stand der Technik, lassen sich überraschend der benötigte Bauraum der Schaltungsanordnung sowie das Gewicht der Schaltungsanordnung reduzieren.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt, bei dem zwei vom durch den Vorladewiderstand im Betrieb fließenden Aufladestrom nacheinander durchflossene Schaltelemente zu Beginn des Aufladens nacheinander geschlossen und/oder zum Beenden des Aufladens durch den Vorladewiderstand nacheinander geöffnet werden. Dadurch, dass die Schaltelemente nacheinander geschlossen beziehungsweise geöffnet werden, kann die Belastung der einzelnen Schaltelemente durch die Schaltvorgänge reduziert und die Größe und das Gewicht der Schaltelemente somit überproportional verringert werden.
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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 ist im Folgenden eingegangen.
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Vorteile der Erfindung
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform kann eines der weiteren Schaltelemente als ein elektronischer Schalter ausgestaltet sein. Ein elektronischer Schalter kann auch hohe Ströme schalten. Dabei schaltet der elektronische Schalter die hohen Ströme im Vergleich zu einem elektromechanischen Schalter, wie er im Stand der Technik zum Zuschalten des Aufladewiderstands verwendet wird, verschleißarm oder sogar verschleißfrei, da bei Schaltvorgängen eines elektronischen Schalters keine Schaltlichtbögen wie bei elektromechanischen Schaltern auftreten. Verschleiß durch Kontaktabbrand tritt somit bei Verwendung eines elektronischen Schalters nicht auf.
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Der elektronische Schalter ist insbesondere ein Halbleiterschalter und weist beispielsweise einen im Betrieb Aufladestrom zum oder vom Vorladewiderstand leitenden Transistor oder IGBT, also zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, auf, wobei der Transistor oder IGBT ohne mechanische Kontaktelemente den Aufladestrom schaltet.
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Zwar können mit dem elektronischen Schalter hohe Ströme verschleißfrei geschaltet werden. Eine galvanische Potentialtrennung der Aufladebatterie vom Zwischenkreiskondensator ist mit einem elektronischen Schalter jedoch nicht möglich, da der elektronische Schalter keine räumlich voneinander trennbaren Schaltkontakte aufweist. Außerdem beinhalten elektronische Schalter wie MOSFET-Transistoren, also beispielsweise ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, und IGBT eine bauartbedingte Diode in der Sperrrichtung. Um die Aufladebatterie und den Zwischenkreiskondensator potentialmäßig in beiden Stromrichtungen ohne nennenswerte beziehungsweise sogar ohne jegliche Leckströme galvanisch voneinander trennen zu können, kann eines der weiteren Schaltelemente als ein elektromechanischer Schalter ausgestaltet sein. Das als elektromechanischer Schalter ausgestaltete weitere Schaltelement kann dabei deutlich kleiner und leichter als das elektromechanische Schaltelement zum Zuschalten des Vorladewiderstands aus dem Stand der Technik ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße elektromechanische Schalter braucht nämlich keine hohen Ströme zu schalten, da diese bereits durch den elektronischen Schalter geschaltet werden. Der erfindungsgemäße elektromechanische Schalter braucht also lediglich die galvanische Potentialtrennung durchzuführen, um den Aufladevorgang über den Vorladewiderstand durch die Potentialtrennung zu beenden. Dadurch, dass durch den elektronischen Schalter im offenen, also im nicht-leitfähigen beziehungsweise sperrenden Zustand, kein elektrischer Strom fließt, kann beim Öffnen oder beim Schließen des elektromechanischen Schalters kein Schaltlichtbogen entstehen und Kontaktabbrand verhindert werden.
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Der elektromechanische Schalter kann ein im Betrieb Aufladestrom zum oder vom Vorladewiderstand leitendes Relais sein. Durch die Trennung der Stromschaltung durch den elektrischen Schalter von der Spannungsschaltung durch den elektromechanischen Schalter können die beiden Schaltelemente so klein ausgebildet sein, dass sowohl der elektronische Schalter als auch der elektromechanische Schalter als auf einer Leiterplatte bestückbare Schalter ausgebildet sein können. Insbesondere die Ausbildung des elektromechanischen Schalters als ein Schütz wie im Stand der Technik ist nicht notwendig.
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Dadurch, dass die beiden Schaltelemente vergleichsweise klein und leicht ausgebildet sein können, können diese in einem Gehäuse einer Batteriesteuereinheit angeordnet sein. Beispielsweise kann die Schaltungsanordnung zumindest teilweise in einer solchen Batteriesteuereinheit zur Steuerung der Schaltelemente angeordnet sein, wobei die beiden weiteren Schaltelemente innerhalb eines Gehäuses der Batterieeinheit angeordnet sind.
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Hierdurch lässt sich insbesondere der für die Schaltungsanordnung benötigte Bauraum verringern, da lediglich der Vorladewiderstand außerhalb des Gehäuses der Batteriesteuereinheit anzuordnen ist. Zwar lässt sich auch der Vorladewiderstand innerhalb des Gehäuses der Batteriesteuereinheit anordnen. Da jedoch beim Aufladen des Zwischenkreiskondensators eine über dem Vorladewiderstand abfallende Verlustleistung viel Verlustwärme erzeugen kann, könnte die Batteriesteuereinheit ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen durch die Verlustwärme überhitzen. Da die Schaltung insbesondere mit dem elektromechanischen Schalter ohne nennenswerte Schaltlichtbögen stattfindet, erzeugen die beiden weiteren Schaltelemente im Betrieb wenig Abwärme, so dass sie ohne Weiteres in der Batteriesteuereinheit betrieben werden können. Aufgrund der hohen Verlustleistung kann der Vorladewiderstand außerdem viel Bauraum benötigen, der innerhalb der Batteriesteuereinheit nicht zur Verfügung steht. Die beiden weiteren Schaltelemente sind hingegen für eine Anordnung in der Batteriesteuereinheit klein genug.
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Um mit dem Aufladevorgang des Zwischenkreiskondensators zu beginnen, sind die beiden Schaltelemente zunächst in einem nicht leitenden Zustand und leiten den Aufladestrom also nicht. Zuerst kann das Batteriepotential der Aufladebatterie an den Zwischenkreiskondensator angelegt werden, ohne dass der Aufladestrom über den Vorladewiderstand zum Zwischenkreiskondensator fließt. Hierzu kann das als elektromechanischer Schalter ausgebildete Schaltelement geschlossen werden. Ist das elektromechanische Schaltelement geschlossen, liegt zwar das Batteriepotential am Zwischenkreiskondensator an. Da jedoch das als elektronischer Schalter ausgebildete Schaltelement noch geöffnet, also nicht leitfähig oder sperrend ist, fließt noch kein Strom von der Aufladebatterie über das als elektromechanischer Schalter ausgebildete Schaltelement zum Zwischenkreiskondensator. Beim Schließen des elektromechanischen Schalters entsteht folglich kein nennenswerter Schaltlichtbogen, so dass die Schaltkontakte nicht durch Kontaktabbrand abnutzen.
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Wird nun das als elektronischer Schalter ausgestaltete Schaltelement geschlossen, also elektrisch leitfähig geschaltet, fließt der Aufladestrom über den Aufladewiderstand zum Zwischenkreiskondensator, wieder ohne einen nennenswerten Schaltlichtbogen zu erzeugen.
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Um das Aufladen des Zwischenkreiskondensators über den Vorladewiderstand zu beenden, kann zunächst das als elektronischer Schalter ausgebildete Schaltelement geöffnet, also elektrisch nicht leitfähig oder sperrend geschaltet werden. Zwar fließt nun der Aufladestrom nicht mehr von der Aufladebatterie zum Zwischenkreiskondensator. Um die Aufladebatterie und den Zwischenkreiskondensator jedoch auch galvanisch voneinander trennen zu können, ist nun das als elektromechanischer Schalter ausgestaltete Schaltelement zu öffnen. Da durch den bereits vorab geöffneten elektronischen Schalter kein nennenswerter Strom von der Aufladebatterie über den elektromechanischen Schalter zum Zwischenkreiskondensator fließen kann, können beim Öffnen des elektromechanischen Schalters keine nennenswerten Schaltlichtbögen entstehen, wodurch Kontaktabbrand und folglich Verschleiß sowie thermische Belastung verhindert werden.
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Die Aufladebatterie umfasst vorzugsweise wenigstens eine oder mehrere Batteriezellen auf Lithiumbasis und insbesondere wenigstens eine oder mehrere Lithium-Ionen-Batteriezellen.
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Zeichnungen
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Im Folgenden ist 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. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Flussdiagramm, und
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3 ein Ausführungsbeispiel eines weiteren Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Flussdiagramm.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
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1 zeigt schematisch die Schaltungsanordnung 1 mit einem elektrischen Vorladewiderstand 2 und einem ersten Schaltelement 3.
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Mit dem ersten Schaltelement 3 ist eine Aufladebatterie 4, die mehrere Batteriezellen umfassen kann, mit einem Zwischenkreiskondensator 5 elektrisch leitfähig verbindbar. Die Schaltungsanordnung 1 ist über Anschlusskontakte 6, 7 mit der Aufladebatterie 4 und dem Zwischenkreiskondensator 5 so verbunden, dass das erste Schaltelement 3 mit der Aufladebatterie 4 und dem Zwischenkreiskondensator 5 in Reihe geschaltet ist. Der Vorladewiderstand 2 ist über die Anschlusskontakte 6, 7 mit dem ersten Schaltelement 3 parallel verschaltbar.
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Ist das erste Schaltelement 3, wie im Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt, geöffnet, also elektrisch nicht leitfähig, so fließt kein Strom von der Aufladebatterie 4 zum Zwischenkreiskondensator 5. Auch ein parallel zum Zwischenkreiskondensator 5 geschalteter Verbraucherstromkreis 8, der beispielsweise einen Inverter 9 und einen elektrischen Motor 10, zum Beispiel einen Stellmotor für einen Windradflügel oder einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges, aufweisen kann, wird nicht mit elektrischer Energie aus der Aufladebatterie 4 versorgt.
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Würde nun der Stromkreis zwischen der Aufladebatterie 4 und dem Zwischenkreiskondensator 5 durch Schließen des ersten Schaltelementes 3 geschlossen, so würde der Aufladestrom von der Aufladebatterie 4 zum Zwischenkreiskondensator 5 fließen. Zum Schließen des Stromkreises wäre gegebenenfalls ein weiteres Schaltelement 11, mit dem die Aufladebatterie 4 über einen anderen Strompfad mit dem Zwischenkreiskondensator 5 in Reihe schaltbar ist, zu schließen.
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Ist der Stromkreis nun geschlossen und der Zwischenkreiskondensator 5 beispielsweise nicht mit elektrischer Energie aufgeladen, so würde aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Zwischenkreiskondensators 5 ein Aufladestrom von der Aufladebatterie 4 zum Zwischenkreiskondensator 5 fließen, der im Wesentlichen lediglich durch den Innenwiderstand der Aufladebatterie 4 begrenzt wäre. Ein solcher Aufladestrom könnte zu einer Überlastung oder gar Beschädigung der Aufladebatterie 4 führen.
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Um den Zwischenkreiskondensator 5 zumindest teilweise mit Aufladestrom aufzuladen und dabei eine Überlastung der Aufladebatterie 4 zu verhindern, wird der Stromkreis zu Beginn des Aufladevorgangs zunächst nicht über das Schaltelement 3 geschlossen. Vielmehr wird der Aufladestrom zumindest zu Beginn des Aufladevorgangs über den Vorladewiderstand 2 begrenzt zum Zwischenkreiskondensator 5 geleitet. Um den Vorladewiderstand 2 parallel zum ersten Schaltelement 3 zu schalten, weist die Schaltungsanordnung 1 zwei weitere Schaltelemente 12, 13 auf, die während des Aufladevorgangs über den Vorladewiderstand 2 miteinander und mit dem Vorladewiderstand 2 in Reihe und zum ersten Schaltelement 3 parallel geschaltet sind. Sind die beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 geschlossen, also elektrisch leitfähig, überbrücken die beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 zusammen mit dem Vorladewiderstand 2 das erste Schaltelement 3. Ist das weitere Schaltelement 11 vorhanden und geschlossen, kann nun der Aufladestrom von der Aufladebatterie 4 über den Vorladewiderstand 2 zum Zwischenkreiskondensator 5 fließen, obwohl das erste Schaltelement 3 nicht leitfähig ist.
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Eines der beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 ist vorzugsweise als ein elektronischer Schalter 12, z.B. ein PCB Schalter, ein Transistor, ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor), ein MOSFET, ausgebildet. Der andere der beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 kann als ein elektromechanischer Schalter 13, z.B. ein PCB (printed circuit board) Relais, ausgebildet sein.
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2 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens 20 zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 5 schematisch als ein Flussdiagramm. In einem ersten Verfahrensschritt 30 wird der Aufladevorgang gestartet. Beispielsweise wird der Zwischenkreiskondensator 5 über den Verbindungskontakt 7 mit der Schaltungsanordnung 1 verbunden und das weitere Schaltelement 11 geschlossen. In einem weiteren Verfahrensschritt 31 wird nun das als elektromechanischer Schalter ausgebildete Schaltelement 13 geschlossen. Durch das Schließen des elektromechanischen Schalters 13 wird ein Batteriepotential der elektrisch leitfähig mit der Schaltungsanordnung 1 verbundenen Aufladebatterie 4 an den Zwischenkreiskondensator 5 angelegt. Es fließt jedoch noch kein Aufladestrom von der Aufladebatterie 4 über den Vorladewiderstand 2 zum Zwischenkreiskondensator 5, da das zweite Schaltelement 12 der beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 nicht leitfähig, also offen oder sperrend ist.
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Wird das als ein elektronischer Schalter ausgebildete Schaltelement 12 im nun folgenden Verfahrensschritt 32 ebenfalls geschlossen, also elektrisch leitfähig geschaltet, so kann der Aufladestrom von der Aufladebatterie 4 über den Vorladewiderstand 2 und nacheinander durch die beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 zum Zwischenkreiskondensator 5 fließen.
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Die beiden weiteren Schaltelemente 12, 13 der Schaltungsanordnung 1 sind in einer Batteriesteuereinheit 14 angeordnet dargestellt, wobei die Batteriesteuereinheit 14 eine Schaltsteuereinrichtung 15 aufweist, mit der zumindest das als elektronischer Schalter ausgebildete Schaltelement 12 und zusätzlich auch das als elektromechanischer Schalter ausgebildete Schaltelement 13 geöffnet oder geschlossen werden kann.
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3 zeigt einen weiteren Teil des Verfahrens 20 zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 5. Insbesondere zeigt die 3, wie das Aufladen des Zwischenkreiskondensators 5 über den Vorladewiderstand 2 beendet wird. In einem ersten Verfahrensschritt 40 startet das Beenden des Aufladevorgangs über den Vorladewiderstand 2. Beispielsweise hat der Zwischenkreiskondensator 5 einen Zustand erreicht, in dem er direkt über das erste Schaltelement 3 geladen werden kann, ohne dass der Aufladestrom zum Beispiel über den Vorladewiderstand 2 begrenzt werden muss. Zum Beenden des Aufladevorgangs wird zunächst im Verfahrensschritt 41 das als elektronischer Schalter ausgebildete Schaltelement 12 geöffnet, also nicht leitfähig oder sperrend geschaltet. Hierdurch wird ein nennenswerter Stromfluss von der Aufladebatterie 4 über den Vorladewiderstand 2 zum Zwischenkreiskondensator 5 beendet.
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Da der Stromfluss durch den geöffneten elektronischen Schalter 12 unterbunden ist, kann im nun folgenden Verfahrensschritt 42 das als elektromechanischer Schalter ausgestaltete Schaltelement 13 stromlos geöffnet werden, um die Aufladebatterie 4 und den Zwischenkreiskondensator 5 potentialmäßig voneinander zu trennen. Soll der Zwischenkreiskondensator 5 weiter aufgeladen werden, ohne dass der Aufladestrom durch den Vorladewiderstand 2 begrenzt wird, kann zum Beenden des Aufladevorgangs über den Vorladewiderstand im folgenden Verfahrensschritt 43 das erste Schaltelement 3 geschlossen werden, so dass der Aufladestrom ungehindert direkt von der Aufladebatterie 4 zum Zwischenkreiskondensator 5 fließen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Batterie 4 nun auch direkt mit dem Verbraucherstromkreis elektrisch leitfähig verbunden sein.
