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Die Erfindung betrifft ein Vorlademodul, aufweisend mindestens einen Vorladewiderstand. Die Erfindung betrifft auch eine Vorladeschaltung, aufweisend mindestens ein solches Vorlademodul. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Vorladeschaltungen für Kraftfahrzeuge, insbesondere kraftstoffbetriebene Fahrzeuge und/oder Elektrofahrzeuge.
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DE 10 2012 213 057 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Batteriesystems. Das Batteriesystem umfasst wenigstens eine Batteriezelle und ein daran angeschlossenes Hochspannungsnetz, das eine Vorladeschaltung mit wenigstens einem Vorladewiderstand umfasst. Das Batteriesystem umfasst ferner eine Komponente mit einem Zwischenkreiskondensator mit einer bestimmten Kapazität. Das Verfahren weist wenigstens folgende Schritte auf: Messen einer ersten Spannung am Zwischenkreiskondensator vor einem Aufladen, Aufladen des Zwischenkreiskondensators und Messen einer zweiten Spannung am Zwischenkreiskondensator nach dem Aufladen. Das Verfahren zeichnet sich aus durch Bilden eines Spannungsunterschieds aus der ersten und der zweiten Spannung und Ermitteln einer von dem Vorladewiderstand aufgenommenen Energie basierend auf dem Spannungsunterschied am Zwischenkreiskondensator und basierend auf der Kapazität des Zwischenkreiskondensators. Ferner werden ein Batteriesystem und ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem offenbart.
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DE 11 2012 002 942 T5 offenbart ein Stromanschlussgehäuse für ein Hybridfahrzeug. Das Stromanschlussgehäuse weist Folgendes auf: einen Stromversorgungsteil zum Zuführen eines konstanten Stroms zu einem Stromrichter, wobei der Stromversorgungsteil ein erstes und ein zweites Hauptrelais sowie ein Vorladerelais zwischen dem ersten Hauptrelais und einer Stromschiene beinhaltet, sowie einen Zuleitungs-Montageteil mit einer Mehrzahl von Zuleitungen, die auf einer gegenüberliegenden Seite des Körpers vorgesehen sind und mit dem ersten und dem zweiten Hauptrelais sowie dem Vorladerelais verbunden sind, um dem ersten und dem zweiten Hauptrelais sowie dem Vorladerelais Betriebsstrom zuzuführen. Ein Verheddern oder eine Beschädigung der Zuleitungen aufgrund von Reibung zwischen diesen ist verhindert. Die Zuleitungen sind in die Anschlussverbindungseinrichtungen der Leiterplatte mit den Schaltungsmustern eingesetzt, sodass die Zuleitungen in einfacher Weise von der Leiterplatte getrennt oder mit der Leiterplatte verbunden werden können.
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US 2013/0 313 915 A1 beschreibt eine Relaiseinheit, welche zwischen einer Energieversorgung und einer energieverbrauchenden Vorrichtung elektrisch öffnet und schließt. Die Relaiseinheit umfasst elektronische Komponenten, welche in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die elektronischen Komponenten einen Widerstand, ein erstes in Serie zu dem Widerstand (
20) geschaltetes Relais und ein zweites Relais umfassen, wobei das zweite Relais (
40) die Energieversorgung und die energieverbrauchende Vorrichtung durch einen externen Verbindungsanschluss des zweiten Relais verbindet und parallel zu dem Widerstand und dem ersten Relais geschaltet ist, wobei einer von Verbindungsanschlüssen des Widerstands und einer von Verbindungsanschlüssen des ersten Relais durch ein vertikal in einer Verdrahtungsplatte bereitgestelltes verbindendes Überstandsteil verbunden sind, während es von einem relaisantreibenden Spulenanschluss des Relais isoliert ist, und der andere Verbindungsanschluss des ersten Relais und einer der externen Verbindungsanschlüsse des zweiten Relais miteinander verbunden sind, während es von dem relaisantreibenden Spulenanschluss des Relais isoliert ist.
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DE 10 2010 038 851 A1 beschreibt eine elektrische Erfassungsvorrichtung für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, mit einem Spannungsteiler, der mit einer Hochspannungs-Versorgungseinrichtung in einem Hochspannungsnetz des Fahrzeugs verbindbar ist, und der ausgebildet ist zum Herunterteilen einer Hochspannung des Hochspannungsnetzes auf eine geringere zu messende Teilspannung, und einer elektrischen Messeinrichtung, ausgelegt zum Erfassen der Teilspannung, um Spannungen im Hochspannungsnetz zu überwachen, wobei der Spannungsteiler einen hochohmigen und einen niederohmigen Widerstandsabschnitt umfasst, und die Widerstandsabschnitte durch eine auf einem Substrat mittels Dickschichtverfahren aufgebrachte Widerstandspaste gebildet sind, und ferner mit einer Leiterplatte, auf der die elektrische Messeinrichtung und der Spannungsteiler angebracht sind.
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DE 10 2012 214 366 A1 betrifft eine Schaltvorrichtung für einen Stromschienen-basierten Fahrzeugstromverteiler sowie einen Stromverteiler. Die Schaltvorrichtung wird bereitgestellt mit einer Leiterplatte und mindestens einem darauf angeordneten Schaltelement, Leistungshalbleiter oder Relais, und einem Sicherungsträger zum Aufnehmen von einer Vielzahl von Sicherungen, wobei die Leiterplatte einerseits mit einer Stromschiene des Fahrzeugstromverteiler verbindbar ist und anderseits mit dem Sicherungsträger verbunden ist, und das Schaltelement, Leistungshalbleiter oder Relais ausgebildet ist zum Schalten, sodass ein elektrischer Strom von der Stromschiene zu dem Sicherungsträger über das mindestens eine Schaltelement, Leistungshalbleiter oder Relais fließt.
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DE 102 60 851 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung für ein Leistungsbauelement mit den Verfahrensschritten: Auflöten des Leistungsbauelementes auf eine ein lötfähiges Material enthaltende Oberfläche eines Kühlkörpers aus einer mit einem Metall infiltrierten Keramik und Aufkleben des Kühlkörpers auf eine Grundplatte mittels eines wärmeleitenden Klebstoffes, wobei die ein lötfähiges Material enthaltende Oberfläche des Kühlkörpers durch chemische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen oder Dickschichtpasten-Drucken beschichtet ist.
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US 2012/0 013 297 A1 beschreibt eine Energieladeanordnung und -verfahren, um einen Vorladezustand mit niedrigem Strom, einen stationären Zustand mit hohem Strom und einen Zustand ohne Verbindung für eine elektrische Last eines elektrischen Antriebssystems in einem elektrischen Hybridfahrzeug bereitzustellen.
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Bisher werden Vorladeschaltungen mit Hilfe von Stromschienen aufgebaut, wobei ein Vorladewiderstand und ein elektromechanisches Vorladeschütz jeweils als Einzelkomponenten an den Stromschienen oder zwischen zwei Stromschienen befestigt werden. Dabei ist jedoch nachteilig, dass sich hohe Kosten der Einzelkomponenten, eine aufwändige Systemintegration und ein hoher Montage-Aufwand ergeben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine kostengünstigere und einfachere Möglichkeit einer Integration von Vorladewiderstand und Vorladeschütz, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Vorlademodul, mindestens aufweisend einen Vorladewiderstand und mindestens ein Vorladeschütz, welche auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Vorladeschütz ganz allgemein als Leistungsschalter beispielsweise unter Verwendung eines Leistungshalbleiters ausgestaltet sein.
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Durch die Verwendung des mindestens einen Vorladewiderstands und des mindestens ein Vorladeschützes als Bauelemente eines Substrats anstatt als Einzelkomponenten lässt sich eine besonders preiswerte, leichte und kompakte Anordnung dieser Komponenten der Vorladeschaltung bereitstellen. Sie lassen sich zusammen mit dem Substrat als eigenständig handhabbares Vorlademodul bereitstellen und besonders einfach montieren, was auch eine System-Integration in eine übergeordnete Vorladeschaltung vereinfacht. Auch wird so eine effektivere Kühlung dieser Modulkomponenten und der gesamten Vorladeschaltung ermöglicht.
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Mindestens ein Vorladewiderstand ist ein Dickschichtwiderstand. Dickschichtwiderstände sind noch einfacher an einem Substrat bereitzustellen als bestückbare Widerstände, insbesondere in einem automatisierten Fertigungsablauf. Der Dickschichtwiderstand weist ferner eine besonders kompakte, weil flache Bauform auf. Er ist robust und ermöglicht eine besonders effektive thermische Anbindung an das Substrat und folglich einen verbesserten Überhitzungsschutz. Zudem verträgt ein Dickschichtwiderstand besonders hohe Impulsbelastungen, so wie sie beispielsweise bei einer Nutzung als Vorladewiderstand auftreten können.
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Der Dickschichtwiderstand mag beispielsweise als Metallschichtwiderstand, als Metalloxid-Schichtwiderstand oder als Cermet-Widerstand ausgebildet sein. Der Dickschichtwiderstand mag beispielsweise eine Dicke im Bereich von ca. 0,01 mm aufweisen.
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Der Dickschichtwiderstand mag z.B. durch Aufbringen einer Paste aus Widerstandsmaterial auf das Substrat und folgendes Einbrennen herstellbar sein. Die Paste aus Widerstandsmaterial mag beispielsweise aufgedruckt, aufgerakelt, aufgesprüht usw. werden. Das Aufdrucken mag mittels eines Siebdruckverfahrens durchgeführt werden.
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Mindestens eine auf dem Substrat angebrachte Leiterbahn ist ebenfalls mittels eines Dickschichtverfahrens hergestellt. Dies vereinfacht eine Herstellung weiter, z.B. durch eine mögliche Nutzung eines gemeinsamen Brennvorgangs für den mindestens einen Dickschichtwiderstand und die mindestens eine Leiterbahn.
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Insbesondere mögen die mindestens eine Leiterbahn und der mindestens eine Dickschichtwiderstand aus unterschiedlichem Material bestehen. Die Leiterbahn(en) und der mindestens eine Dickschichtwiderstand lassen sich insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens aufbringen. Ein Widerstandswert des Dickschichtwiderstands lässt sich beispielsweise durch eine Schichtbreite und/oder Schichthöhe variieren. Auch mag für einen gewünschten Widerstandswert eine bestimmte Paste aus Widerstandsmaterial ausgewählt werden.
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Das Substrat ist ein Keramiksubstrat. Dieses lässt sich aufgrund seiner hohen Temperaturbeständigkeit insbesondere als Träger für in Dickschichttechnologie aufgebrachte Widerstände und Leiterbahnen verwenden, ist aber nicht darauf beschränkt. Das Keramiksubstrat mag beispielsweise ein Aluminiumoxidsubstrat oder ein LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics)-Substrat sein.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein Vorladewiderstand ein THT-Widerstand ist. Unter einem THT-Widerstand wird insbesondere ein Widerstand in Durchsteckmontage (englisch als Through-Hole Technology, THT; oder Pin-In-Hole Technology, PIH, bezeichnet). Der THT-Widerstand ist insbesondere ein gehäuster Dickschichtwiderstand mit mindestens zwei axial oder nicht-axial in oder durch das Gehäuse hindurchgeführten Anschlussstiften oder Anschlussbeinchen. Das Gehäuse mag insbesondere ein zweireihiges Gehäuse oder DIL (Dual In-Line)-Gehäuse sein.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass mindestens ein Vorladewiderstand ein oberflächenmontierter Widerstand ist, der auch als SMT (Surface Mounted Technology)- oder SMD (Surface Mounted Device)-Widerstand bezeichnet werden kann. Das Substrat ist mittels eines solchen Widerstands besonders einfach bestückbar, da kein Einsteckvorgang durch das Substrat durchgeführt zu werden braucht. Der Vorladewiderstand mag z.B. an dem Substrat verlötet sein, z.B. mittels eines Bestückautomaten oder eines Reflowofens.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das Substrat eine Leiterplatte mit einem nichtkeramischen Basismaterial ist. Eine solche Leiterplatte ist besonders preiswert. Sie mag insbesondere mit THT- und/oder SMT-Widerständen bestückt sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Das nichtkeramische Basismaterial mag beispielsweise ein Glasfasergewebe wie FR4 oder FR5, Polyimid mit oder ohne Fasern, Glasvlies oder PTFE mit oder ohne Fasern sein.
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Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Vorladeschütz und mindestens ein Vorladewiderstand elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das Vorlademodul mag noch mindestens einen weiteren Schütz aufweisen, welcher z.B. als ein Vorladeschütz dienen mag. Mindestens ein weiterer Schütz mag mit einem Widerstand verbunden sein, insbesondere einem Vorladewiderstand.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass mindestens ein Vorladeschütz ein elektromechanisches Schütz oder Schaltschütz ist, z.B. ein Relais, insbesondere ein HV-Lötrelais. Das Lötrelais mag mittels herkömmlicher Löttechniken an dem Substrat befestigt werden.
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Mindestens ein Schütz ist eine elektronische Schaltung, welche mindestens eine Funktion eines elektromechanischen Schützes übernehmen oder nachstellen kann. Diese elektronische Schaltung wird im Folgenden auch als „elektronisches Schütz“ bezeichnet, kann aber z.B. auch als „Halbleiterschütz“ bezeichnet werden. Das elektronische Schütz mag mindestens einen elektronischen Schalter aufweisen, z.B. mindestens einen MOSFET und/oder mindestens einen IGBT. Auch mag an dem Substrat eine Ansteuerschaltung für den mindestens einen elektronischen Schalter vorhanden sein.
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Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass an dem Substrat (z.B. Keramiksubstrat oder Leiterplatte) eine Filterschaltung angeordnet ist. Sie mag insbesondere zur Vermeidung von EMV-Störungen dienen. Sie mag insbesondere Störungen in einem Vorlademodul dämpfen, die beim Start der Vorladung bzw. des Vorladevorgangs durch ein Zuschalten eines Vorlade-Schaltelements, z.B. eines elektromechanischen oder elektronischen Schützes, verursacht werden.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das Substrat mit einem Kühlkörper verbunden ist. Dies ermöglicht eine besonders effektive Wärmeableitung von dem mindestens einen Vorladeschütz und/oder Vorladewiderstand. Insbesondere mag das Substrat nur an einer Seite, z.B. einer Vorderseite, mit Bauelementen versehen sein, z.B. mit dem mindestens einen Vorladeschütz und/oder Vorladewiderstand und ggf. weiteren Bauelementen. An einer zweiten Seite, der Rückseite, mag die Leiterplatte flächig auf dem Kühlkörper aufliegen, ggf. über ein doppelseitiges Klebeband oder ein Wärmeleit-Verbindungsmaterial wie eine Wärmeleitpaste oder einen Wärmeleitkleber. Der Kühlkörper mag z.B. aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Er mag Kühlstrukturen wie Kühlrippen, Lamellen, Kühlstifte usw. aufweisen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Vorlademodul zumindest teilweise oder bereichsweise gekapselt ist. So kann sie vor äußeren Einflüssen besonders effektiv geschützt werden, z.B. vor Feuchtigkeit. Die Schaltung mag beispielsweise vor lackiert, vergossen oder umspritzt sein. Insbesondere mögen alle spannungsführenden Bereiche des Vorlademoduls auf dem Substrat gekapselt sein. Anschlussleitungen und/oder elektrisch nicht spannungsführende Bereiche wie ein Kühlkörper mögen nicht gekapselt sein.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass an dem Substrat mindestens eine Installations- oder Anschlussleitung zum elektrischen Anschluss der daran angeordneten elektrischen oder elektronischen Komponenten vorhanden ist. So lässt sich eine besonders einfache und flexible Systemintegration des Moduls erreichen. Die Anschlussleitung mag insbesondere eine Schiene oder ein einadriges oder mehradriges Kabel sein. Sie mag an dem dem Substrat abgewandten Ende z.B. einen Kabelschuh aufweisen. Die mindestens eine Anschlussleitung mag mit dem Substrat verlötet oder daran angesteckt sein. Mindestens eine Anschlussleitung mag an eine Stromschiene der Vorladeschaltung anschließbar sein.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorladeschaltung mit mindestens einem Vorlademodul wie oben beschrieben.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
- 1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Vorlademoduls;
- 2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Vorlademoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Vorlademoduls.
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1 zeigt ein Vorlademodul 1, das mindestens einen elektrischen Widerstand, den „Vorladewiderstand“ 2, und mindestens ein Schütz, den „Vorladeschütz“ 3, aufweist. Der Vorladewiderstand 2 und der Vorladeschütz 3 sind an einer Vorderseite eines gemeinsamen plattenförmigen Keramiksubstrats 4 angebracht, das z.B. aus Aluminiumoxid bestehen kann. An seiner Rückseite ist das Keramiksubstrat 4 mit einem Kühlkörper 5, z.B. aus Aluminium, verbunden, sodass eine effektive Wärmeabfuhr von den an der Vorderseite des Substrats 4 angeordneten Komponenten 2, 3 ermöglicht wird.
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Der Vorladewiderstand 2 ist als ein Dickschichtwiderstand ausgebildet. Dazu ist auf das Substrat 5 eine Paste aus passendem Widerstandsmaterial aufgebracht worden und zusammen mit dem Substrat 5 gebrannt worden. Vor dem Brennen sind auch Leiterbahnen 6 mittels eines Dickschichtverfahrens hergestellt worden, und zwar mittels einer Paste aus passendem Leitmaterial. Die Leiterbahnen 6 können dann im gleichen Brennvorgang gebrannt werden wie der Dickschicht-Vorladewiderstand 2.
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Das Vorladeschütz 3 ist hier als ein elektromechanisches Schütz z.B. in Form eines Vorlade-Relais, z.B. eines HV-Lötrelais, ausgebildet. Das Vorladeschütz 3 mag mittels herkömmlicher Löttechniken an dem Substrat 4 befestigt worden sein.
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Die Leiterbahnen 6 verbinden den Vorladewiderstand 2 und das Vorladeschütz 3 elektrisch in Reihe, und zwar zwischen zwei Anschlussleitungen 7, z.B. Kabeln. Die Anschlussleitungen 7 sind mit einem ihrer Enden an dem Substrat 4 befestigt, z.B. mit einer der Leiterbahnen 6 verlötet oder gesteckt, und mögen an dem jeweils anderen Ende beispielsweise einen Kabelschuh aufweisen, z.B. zur Befestigung an einer jeweiligen Stromschiene einer das Vorlademodul 1 aufweisenden Vorladeschaltung V.
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Das Vorlademodul 1 mag an seiner Vorderseite, an dem sich die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten befinden, gekapselt sein, z.B. durch Verguss mit einer Vergussmasse 8, und zwar so, dass die freien Enden der Anschlussleitungen 7 nicht mit eingekapselt sind, um deren einfachen Anschluss zu ermöglichen.
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Das Vorlademodul 1 mag vorgefertigt und als eine Montagekomponente des Vorladesystems verwendet werden.
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Vorlademoduls 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei sind die Leiterbahnen 6 und die Vergussmasse 8 nicht eingezeichnet, können aber vorhanden sein.
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Das Vorlademodul 11 ist ähnlich zu dem Vorlademodul 1 aufgebaut, wobei aber nun anstelle des elektromechanischen Vorladeschützes 3 eine als „elektronisches Schütz“ 12 dienende Elektronik mit einem Leistungs-Halbleiterschalter 13 und einer Ansteuerschaltung 14 eingesetzt wird. Der Leistungs-Halbleiterschalter 13 mag z.B. als MOSFET oder als IGBT ausgebildet sein. Das elektronische Schütz 12 übernimmt mindestens die Funktion des elektromechanischen Vorladeschützes 3, mag aber auch noch andere Funktionen aufweisen.
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An dem Substrat 4 ist ferner eine Filterschaltung 15 angeordnet, die dazu dient, EMV-Störungen zu vermeiden. Sie mag insbesondere Störungen in dem Vorlademodul 1 dämpfen, die beim Start der Vorladung bzw. des Vorladevorgangs durch ein Zuschalten des Leistungs-Halbleiterschalters 13 verursacht werden. Die Filterschaltung 15 mag auch an dem Vorlademodul 1 vorhanden sein.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Vorlademoduls 21. Auch hier sind Leiterbahnen nicht eingezeichnet. Auf eine Einkapselung, z.B. durch eine Vergussmasse, wird beispielhaft verzichtet.
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Das Vorlademodul 21 ist ähnlich zu dem Vorlademodul 1 aufgebaut, weist aber nun als Substrat eine Leiterplatte 22 mit einem nichtkeramischen Basismaterial auf, z.B. eine FR4-Leiterplatte.
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Zudem ist der Vorladewiderstand nun ein bestückbares Bauelement, z.B. ein SMT-Widerstand 23 oder ein THT-Widerstand 24. Der Vorladeschütz mag ein elektromechanisches Schütz 3 oder ein elektronisches Schütz 12 sein.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorlademodul
- 2
- Vorladewiderstand
- 3
- Vorladeschütz
- 4
- Keramiksubstrat
- 5
- Kühlkörper
- 6
- Leiterbahn
- 7
- Anschlussleitung
- 8
- Vergussmasse
- 11
- Vorlademodul
- 12
- Elektronisches Schütz
- 13
- Leistungs-Halbleiterschalter
- 14
- Ansteuerschaltung
- 15
- Filterschaltung
- 21
- Vorlademodul
- 22
- Leiterplatte
- 23
- SMT-Widerstand
- 24
- THT-Widerstand
- V
- Vorladeschaltung
