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Die Erfindung betrifft ein System umfassend ein Fahrzeug und eine fahrzeugexterne Induktionseinheit.
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Im Stand der Technik (z. B.
US 5617003 A ) sind induktive Ladesysteme mit einer Primärspule für Fahrzeuge mit elektrifiziertem Antriebsstrang beschrieben. Geladen wird das Fahrzeug bzw. eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs an einer Induktionseinheit, die außerhalb des Fahrzeugs befindlich ist. Die Energieübertragung erfolgt über eine elektromagnetische Kopplung zwischen einer Primärspule der Induktionseinheit und einer Sekundärspule des Fahrzeugs.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System umfassend ein Fahrzeug und eine fahrzeugexterne Induktionseinheit zu beschreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein System gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Induktionseinheit eine Primärspule, die als primäre Induktionsspule ausgebildet ist, und es umfasst das Fahrzeug ein Niedervoltbordnetz mit einer Sekundärspule, die als sekundäre Induktionsspule ausgebildet ist, wobei durch eine elektromagnetische Kopplung der Sekundärspule mit der Primärspule eine elektrische Wechselspannung in zumindest einem Teil des Niedervoltbordnetzes induzierbar ist, und zumindest eine Komponente des Niedervoltbordnetzes mit der induzierten Wechselspannung oder über einen Gleichrichter mit Gleichspannung speisbar ist.
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Dies bedeutet, dass Komponenten aus dem Niedervoltbordnetz mit der in der Sekundärspule induzierten Spannung direkt versorgbar sind, d. h. ohne eine Wandlung oder Anpassung der induzierten Spannungslage. Gegebenenfalls wird die induzierte Spannung gleichgerichtet.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Sekundärspule in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs befindlich ist, die Primärspule bodennah ausgeführt ist, die elektromagnetische Kopplung über einen Luftspalt zwischen der Primärspule und der Sekundärspule bei stehendem Fahrzeug herstellbar ist, und bei hergestellter elektromagnetischer Kopplung elektrische Leistung von der Induktionseinheit zu dem Fahrzeug übertragbar ist.
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Eine bodennahe Ausführung bedeutet, dass die Primärspule im Bereich der Oberfläche einer Fahrbahn oder eines Stellplatzes integriert ist oder platzierbar ist. Es kann sich also um eine fest an einem Platz, der zum Laden eines Elektrofahrzeugs geeignet und eingerichtet ist, integrierte Primärspule handeln. Alternativ ist auch eine bewegbare Primärspule ausführbar, die unterhalb des Fahrzeugs im Bereich der Sekundärspule platzierbar ist und somit bei dortiger Platzierung den Fahrzeugunterboden teilweise ausfüllt.
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Besonders vorteilhaft ist es außerdem, wenn zu der Sekundärspule ein Abstimmkondensator parallel geschaltet ist, an welchem die induzierte Wechselspannung abgreifbar ist.
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Es sind auch alternative Auskopplungsmöglichkeiten zum Abgreifen der induzierten Wechselspannung möglich. Der Abstimmkondensator übernimmt die Funktion eines Resonanzkondensators. Es können z. B. bei speziellen EMV-Anforderungen komplexere IC-Netzwerke eingesetzt werden.
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Eine Alternative ist gegeben, wenn zu der Sekundärspule ein Abstimmkondensator in Serie geschaltet ist und dieser Schaltung eine elektrische Last nachgeschaltet ist.
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Die nachgeschaltete elektrische Last kann durch einen elektrischen Kleinverbraucher gegeben sein.
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Ferner ist die Induktionseinheit von einem Wechselspannungsnetz mit elektrischer Leistung versorgbar und es ist durch die Induktionseinheit eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung an der Primärspule einstellbar.
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Die Leistungsregelung der Induktionseinheit erfolgt vorteilhafterweise mit dem Leistungsbedarf an induzierter elektrischer Leistung in dem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs als Regelgröße.
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Beispielsweise ist als elektrischer Verbraucher mit verhältnismäßig geringem Leistungsbedarf (Kleinverbraucher) in das Niedervoltbordnetz eine Sitzheizung mit einer Leistung von 50 Watt bis 100 Watt integriert. Ein Verbraucher mit verhältnismäßig hohem Leistungsbedarf ist z. B. ein Heizelement für eine Standheizung mit einer Leistung in einer Größenordnung von mehr als einem Kilowatt.
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Im Stand des Fahrzeugs und bei hergestellter elektromagnetischer Kopplung wird die Induktionseinheit anhand des Leistungsbedarfs des Heizelements geregelt. Zu diesem Zweck kann eine kabellose Datenverbindung zwischen der Induktionseinheit und dem Fahrzeug hergestellt werden. Die kabellose Datenverbindung ist beispielsweise als WLAN-Verbindung oder Bluetooth-Verbindung ausgeführt. Die Regelung und Steuerung der Induktionseinheit erfolgt zweckmäßigerweise fahrzeugextern anhand des übermittelten Leistungsbedarfs des Fahrzeugs als Regelgröße, um die Elektrik-/Elektronikumfänge im Fahrzeug möglichst einfach zu halten.
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Das Heizelement kann z. B. als zentrales Heizelement einer Standheizung dienen. Durch ein solches Heizelement ist die induzierte Wechselspannung direkt nutzbar, d. h. ohne eine Transformation, Wandlung, Gleichrichtung o. Ä.
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Eine andere Ausführungsform ist erreichbar, wenn das Fahrzeug neben der Sekundärspule zumindest eine weitere der Sekundärspule gleichartige Nebenspule umfasst.
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Diese Nebenspulen können jeweils verschiedene Anwendungen unabhängig voneinander mit induzierter Spannung versorgen.
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Nach einer anderen Variante der Erfindung ist die zumindest eine mit der induzierten Wechselspannung speisbare Komponente ein Transformator mit einer Transformatorprimärspule und mit einer Transformatorsekundärspule, wobei die Transformatorprimärspule der induzierten Wechselspannung zugeordnet ist, und der Transformatorsekundärspule ein Gleichrichter nachgeschaltet ist.
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Durch diese Variante kann die induzierte Wechselspannung in eine gleichgerichtete Spannung mit einer durch den Transformator vorgebbar bedingten Spannungslage gewandelt werden. Der Vorteil dieser Variante ist gegeben durch eine höhere Variabilität bei der Versorgung verschiedener Komponente im Niedervoltbordnetz.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sekundärspule und die zumindest eine Nebenspule einen gemeinsamen Ferritkern aufweisen.
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Dadurch ist eine hohe Energieeffizienz des Systems erreichbar bei gleichzeitig minimalem Bauraumbedarf der Sekundäreinheit im Fahrzeug.
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Wenn der zumindest einen Nebenspule ein Spannungsregler nachgeschaltet ist, kann unabhängig von der Regelung eines Verbrauchers mit verhältnismäßig großem Leistungsbedarf wie einem Standheizungs-Heizelement eine weitere Regelung für die Spannungsversorgung von Kleinverbrauchern im Niedervoltbordnetz realisiert werden.
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Zweckmäßigerweise weist das Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs eine Nennspannungslage von 12–16 Volt auf. Künftige alternative Bordnetze verwenden gegebenenfalls alternativ oder zusätzlich auch eine Spannungslage bei 48 Volt.
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Vorteilhaft ist es überdies, wenn das Fahrzeug als ein verbrennungskraftmotorisches Fahrzeug mit einem Bordnetz bei einer einfachen Spannungslage (z. B. 12–16 Volt – Bordnetz) ausgebildet ist, wobei die fahrzeugexterne Induktionseinheit zur induktiven Energieversorgung dieses Fahrzeugs geeignet ist und die fahrzeugexterne Induktionseinheit zusätzlich zum Laden einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs mit elektrifiziertem Antriebsstrang geeignet ist.
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Damit ist umfasst, dass die fahrzeugexterne Induktionseinheit von verschiedenen Fahrzeugtypen zur induktiven Energieübertragung genutzt werden kann. Ein konventionelles Fahrzeug mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb kann die induktiv übertragbare Energie zur Versorgung des Niedervoltbordnetzes nutzen. Ein Fahrzeug mit elektrifiziertem Antriebsstrang und mit einer Traktionsbatterie kann die induktiv übertragbare Energie zum Laden der Traktionsbatterie in einem Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs und ggf. auch zur Versorgung von Komponenten in einem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs nutzen.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Die moderne Fahrzeugentwicklung befasst sich mit kabellosen Ladesystemen auf Basis induktiver Energieübertragung für BEV- und PHEV-Fahrzeuge (BEV = battery electric vehicle, PHEV = plug-in hybrid electric vehicle). Diese Systeme sind üblicherweise so ausgelegt, dass ein Hochvoltspeicher in einem Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs geladen werden kann.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Vorkonditionierungen z. B. der Innenraumklimatisierung mit der Energie aus dem Stromnetz durchzuführen. Ebenso können im Stand Komponenten eines Niedervoltbordnetzes wie etwa Komfortsysteme oder Nachladen der 12 Volt-Batterie aus dem Stromnetz über einen Gleichstromsteller versorgt werden.
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Ladeverfahren für BEV- und PHEV-Fahrzeuge sind weitgehend vollständig automatische Ladeverfahren. Bei jedem Abstellen des Fahrzeugs in geeigneter Position zu einer Primäreinheit des induktiven Ladesystems erfolgt automatisch die Verbindung mit dem Stromnetz. Damit steht dem Fahrzeug im Stand ausreichend elektrische Energie zur Verfügung.
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Induktive Ladesysteme bestehen aus der fahrzeugexternen Primäreinheit und einer fahrzeugseitigen Sekundäreinheit. Eine weite Verbreitung der induktiven Ladeinfrastruktur ist möglich, wenn beliebige Fahrzeuge über ihre Sekundäreinheiten über beliebige fahrzeugexterne Primäreinheiten geladen werden können.
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Nachteilig an heutigen induktiven Ladesystemen ist der überwiegende ausschließliche Vorbehalt dieser Systeme für BEV- und PHEV-Fahrzeuge. Es sind die Primäreinheiten nur für BEV- und PHEV-Fahrzeuge nutzbar. Aufgrund der hohen Kosten und Systemkomplexität ist ein Einsatz im Zusammenhang mit konventionellen Fahrzeugen ohne elektrifizierten Antriebsstrang praktisch kaum bzw. nur mit hohem technischem Aufwand umsetzbar.
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Es wird ein konventionelles verbrennungskraftmotorisches Fahrzeug ohne ein Hochvoltbordnetz für Elektrotraktion vorgeschlagen, das mit einer Sekundäreinheit für ein induktives Ladesystem ausgestattet ist. Es handelt sich um ein modifiziertes Sekundärsystem eines BEV- und PHEV-Fahrzeugs. Dieses System ermöglicht eine Energieversorgung des Fahrzeugs im Stand von einer externen Energiequelle aus. Auf diese Weise ist eine Vorkonditionierung, eine Versorgung von 12 Volt-Verbrauchern z. B. für zeitlich unbegrenzte On-Line-Funktionen und Standfunktionen sowie eine Stützung oder eine Nachladung der 12 Volt-Bordnetzbatterie möglich. Dieses System ist anpassbar auf Fahrzeuge mit beliebiger Spannungslage des Niedervoltbordnetzes wie etwa bei 12 Volt, 36 Volt oder 48 Volt.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Fahrzeug die induzierte Spannung direkt, d. h. wandlungsfrei genutzt wird kann. Es wird also durch eine geschickte Systemauslegung, die einen Gleichrichter umfassen kann, auf eine Spannungswandlung verzichtet. Außerdem kann die im induktiven Übertragungssystem vorhandene Regelung direkt zur Regelung der angeschlossenen Verbrauer im Fahrzeug genutzt werden.
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Ein solches System ist für verschiedene Anwendungen nutzbar. Neben dem direkten Betrieb von Verbrauchern, kann ein geringer Leistungsanteil im Fahrzeug zur Versorgung von Kleinverbrauchern im Niederspannungsbordnetz verwendet werden. Zur Versorgung von Niederspannungsverbrauchern kann alternativ direkt die Wechselspannung aus dem induktiven Übertragungssystem in einem Transformator gewandelt werden. Dies ist aufgrund der genutzten Hochfrequenz sehr effizient möglich und sorgt für eine galvanische Entkopplung, die zur Hochvoltsicherheit beiträgt. Ferner ist ein separater Abgriff einer Wechselspannung mit anderer Spannung an der Sekundärspule zur Reduktion der Systemaufwendungen bei der Versorgung von Niederspannungsumfängen realisierbar. Mit Einführung von induktiven Ladesystemen, die bei Ampelstopps und während der Fahrt aktiv sind, kann dieses System auch zur zusätzlichen Energieversorgung von Nebenverbrauchern in konventionellen Fahrzeugen herangezogen werden. Es ermöglicht auch eine vereinfachte Versorgung des Niedervoltbordnetzes mit Gleichrichter unter Verwendung der Regelfähigkeit des induktiven Übertragungssystems.
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Mögliche Niederspannungsumfänge, welche durch dieses System elektrisch betreibbar sind, können beispielsweise gegeben sein durch Standheizen des Fahrzeuginnenraums ohne direkte Emissionserzeugung, Stützung des Bordnetzes für Standfunktionen (z. B. Datenupdate des Fahrzeugs) bei gleichzeitiger Mitbenutzung einer Kommunikationsschnittstelle des induktiven Ladesystems oder durch das Nachladen vorhandener kleiner Speicher, z. B. einer 12 Volt-Bordnetzbatterie.
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Dies führt zu einer Reduktion des Verbrauchs konventioneller Fahrzeuge infolge der nachgeladenen Bordnetzbatterie bzw. zur Reduktion der Zahl von Batterie-Gewährleistungsfällen aufgrund ausbleibender, hoher Batteriebelastung durch Standverbraucher.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 System zur induktiven Energieversorgung eines konventionellen Fahrzeugs
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2 Alternatives System zur induktiven Energieversorgung eines konventionellen Fahrzeugs
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1 und 2 zeigen jeweils ein System, das ein Fahrzeug (1) und eine fahrzeugexterne Induktionseinheit (2) umfasst. Die fahrzeugexterne Induktionseinheit umfasst eine Primärspule (4) und optional einen Resonanzkondensator (11).
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Das Fahrzeug weist ein elektrisches Bordnetz mit einer Nennspannungslage zwischen 12 Volt und 48 Volt auf, das aufgrund dieser Nennspannungslage von weniger als 60 Volt auch als Niedervoltbordnetz bezeichnet wird. Neben konventionellen elektrischen Komponenten wie einer Fahrzeugbatterie, Steuergeräten sowie Sensoren und Aktoren für Komfortfunktionen (z. B. elektrische Fensterheber) umfasst das Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs auch eine fahrzeugeigene Induktionseinheit (3).
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Die fahrzeugeigene Induktionseinheit besteht aus einer Sekundärspule (5) mit einem optionalen Abstimmkondensator (9), der zu der Sekundärspule parallel oder seriell geschaltet sein kann. Elektrische Verbraucher des Niedervoltbordnetzes sind unter dem Bezugszeichen (10) zusammengefasst.
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Ein Fahrzeug gemäß 1 oder 2 ist durch eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule mit elektrischer Leistung versorgbar. Zu diesem Zweck ist das Fahrzeug vergleichbar einem Ladevorgang eines BEV- oder PHEV-Fahrzeuge im Bereich der fahrzeugexternen Induktionseinheit zu platzieren und abzustellen. Über eine Datenverbindung zwischen dem Fahrzeug und der Induktionseinheit, die zum Beispiel als bidirektionale WLAN-Verbindung (6a, 6b) ausgeführt sein kann, ist ein Datenaustausch zwischen dem Fahrzeug und der Induktionseinheit per Kommunikation möglich. Ähnlich dem Laden eines BEV- oder PHEV-Fahrzeuge wird eine elektromagnetische Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule aufgebaut (dargestellt durch den Pfeil in 1 und 2). Die Pfeilrichtung zeigt den Pfad der elektrischen Leistung von der Primärspule zur Sekundärspule an.
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Die fahrzeugexterne Induktionseinheit ist vom öffentlich zugänglichen Wechselstromnetz (7) speisbar. Eine Steuereinheit (8) der Induktionseinheit betreibt, steuert und regelt die Primärspule sowie die Leistungsübertragung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule des stehenden Fahrzeugs. Eine Regelgröße kann beispielsweise der Energiebedarf sein, den z. B. ein Energiemanagement-Steuergerät im Niedervoltbordnetz ermittelt und über die WLAN-Verbindung an die Induktionseinheit übermittelt.
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Im Fahrzeug ist die an der Sekundärspule induzierte Spannung direkt nutzbar. Dies bedeutet, dass ein Wechselstrom IAC,1 im Niedervoltbordnetz zur Verfügung steht, um elektrische Verbraucher im Niedervoltbordnetz zu versorgen. Als ein Wechselstromverbraucher kann z. B. ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein Heizelement einer Standheizung dienen.
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Ergänzend oder alternativ kann gemäß 1 der Wechselstrom über einen Transformator (13, 14), der Bestandteil des Niedervoltbordnetzes sein kann, in eine andere, vorgegebene Spannungslage transformiert werden und über einen Gleichrichter (15) als Gleichstrom IDC,1 weiteren Komponenten des Niedervoltbordnetzes zur Verfügung gestellt werden. Dabei kann es sich etwa um eine Bordnetzbatterie (12) handeln, die als übliche 12 Volt-Blei-Säure-Batterie ausgestaltet sein kann. Somit kann die Bordnetzbatterie im Stand geladen werden.
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Nach einer weiteren Option, die aus 2 hervorgeht, kann die Sekundärspule eine oder mehrere weitere Nebenspulen (21) aufweisen, die über einen Ferritkern (20) mit der Sekundärspule elektromagnetisch gekoppelt sind. Auf diese Weise kann das Niedervoltbordnetz über verschieden Stränge mit induzierter elektrischer Leistung versorgt werden. Gemäß 2 kommt es zu einer Versorgung der Komponente (10) mit Wechselstrom durch IAC,1 und zu einer Versorgung der Komponente (24) mit Gleichstrom IDC,2 der durch einen Gleichrichter (23) im Niedervoltbordnetz verbreitet wird.
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Über die Resonanzkondensatoren wird die Energieübertragung unterstützt. Es entstehen Schwingkreise mit hoher Güte, die eine Verkopplung der Primär- und Sekundärspule über einen weiten Luftspalt ermöglicht.
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Die Schalter (25) und (26) ermöglichen es, unterschiedliche Lasten einzeln zu betreiben. Z. B. kann über den Schalter (25) ein Heizelement abgeschaltet werden, um eine Standfunktion im 12 Volt-Netz zu versorgen (z. B. Datenupdate der Festplatte). Ansonsten würde immer durch dieses Heizelement Leistung verbraucht werden.
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Der Vorteil dieser Ausführungsbeispiele ist, dass durch ein konventionelles Fahrzeug, d. h. ein Fahrzeug mit einem konventionellen, nicht elektrifizierten Antriebsstrang, die Ladeinfrastruktur für Elektro- und Hybridfahrzeuge nutzbar ist. Dabei ist die fahrzeugseitige Architektur zur Aufnahme der elektrischen Leistung, die vollständig in das Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs integriert ist, in Bezug auf den Bauraumbedarf, die thermische Integration, die Systemkomplexität, die Kosten und das Gewicht mit geringerem technischen Aufwand realisierbar als die Ladeinfrastruktur bei einem Elektro- und Hybridfahrzeug zum Laden einer Traktionsbatterie.
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Dies bedeutet also, dass die Ladeinfrastrukur für Elektro- und Hybridfahrzeuge auch durch konventionelle Fahrzeuge der gezeigten Ausführungsbeispiele nutzbar gemacht wird. Daraus entstehen Vorteile für die Errichtung und den Betrieb der Ladeinfrastruktur, da diese zu einem höheren Maß ausgelastet werden kann und noch rentabler betrieben werden kann.
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Ein weiterer Ausbau der Infrastruktur kommt wiederum den Nutzern von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu Gute, wenn diese dadurch ein noch dichter ausgebautes Netz an Lademöglichkeiten vorfinden können.
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Ferner können gemäß 1 oder 2 konzipierte konventionelle Fahrzeuge in vielerlei Hinsicht modifiziert entwickelt werden. Beispielsweise kann eine Bordnetzbatterie in kleinerer Ausführung vorgesehen werden bei gleichzeitiger hoher Verfügbarkeit einer Standheizung. Zusätzlich kann das Energiemanagement des Fahrzeugs den Fahrzeugnutzer über eine Checkcontrol-Meldung auffordern, das Fahrzeug induktiv mit elektrischer Energie zu versorgen, um zum Beispiel die Bordnetzbatterie nachzuladen. Dies trägt zu Pannenvermeidung und zur Reduzierung von Gewährleistungskosten bei.
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Bei Fahrzeugen, die über längere Zeit (z. B. über eine Winterperiode) abgestellt werden, muss die Batterie nachgeladen werden, da über die Ruheströme des Fahrzeugs die Batterie langsam entladen wird. Wird das Fahrzeug über einer induktiven Ladeeinheit abgestellt, kann ein zyklisches Nachladen automatisch erfolgen. In extremen Kaltländern z. B. in Polarkreisnähe kann durch Vorwärmen des Motors auch bei sehr tiefen Temperaturen die Startfähigkeit auch mit einer verhältnismäßig kleinen Bordnetzbatterie sichergestellt werden. Dies gilt trotz der extrem ungünstigen Startbedingungen in diesen Gegenden, die dadurch gegeben ist, dass mit Abnahme der Motortemperatur der Leistungsaufwand zum Motorstart zunimmt und mit Abnahme der Batterietemperatur deren Leistungsfähigkeit abnimmt. In diesen Gegenden über eine Kabelanbindung von außen angeschlossene Motorvorwärmer können von der vorgestellten Infrastruktur ersetzt werden. Zusätzlich kann infolge einer reduzierten Warmlaufphase die Menge nach dem Motorstart zu verbrauchenden Kraftstoffs reduziert werden.
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Das System zur induktiven Energieversorgung kann auch für einen Flottenbetreiber, der Fahrzeuge an unterschiedlichste Nutzer gibt, von Vorteil sein. Nach einer Rücknahme eines Fahrzeugs kann der Flottenbetreiber durch Abstellen des Fahrzeugs über einem induktiven Energieversorgungssystem ohne Entladung der Bordnetzbatterie Wartungsfunktionen wie Software-Abfragen oder Software-Updates durchführen. Der Flottenbetreiber kann auch sicherstellen, dass ein Fahrzeug nach Rücknahme mit einem niedrigen Batterieladungszustand mit einer vollen, nachgeladenen Batterie dem nächsten Nutzer übergeben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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