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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Stromquelle für eine Vorrichtung, die zum Ausführen eines Schweiß- oder Schneidvorgangs verwendet wird, nach den Ansprüchen 1 und 10. Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Hybridstromquelle, die sowohl eine Motorkomponente als auch eine Batteriekomponente zum Zuführen von elektrischem Strom zu einer Vorrichtung aufweist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Hybridstromquelle, die einen Chopper-Bus enthält, der Strom von der Motorkomponente und/oder der Batteriekomponente empfängt, und eine Steuereinheit enthält, die den Beitrag jeder Komponente variieren kann, um eine ausgewählte Ausgangsleistung in die Vorrichtung einzuspeisen.
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BESCHREIBUNG
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Um das Schweißen, insbesondere das Hybridschweißen, zu verbessern, wird eine Stromquelle für eine Vorrichtung, die zum Ausführen eines Schweiß- oder Schneidvorgangs verwendet wird, nach den Ansprüchen 1 und 10 bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche. Die folgende Kurzdarstellung vermittelt ein grundlegendes Verständnis eines Aspekts des im vorliegenden Text besprochenen Systems und Verfahrens. Die Kurzdarstellung ist weder eine umfassende Besprechung des Systems und Verfahrens, noch soll sie kritische Elemente benennen oder den Schutzumfang solcher Systeme und Verfahren abgrenzen.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Topologie für eine Hybridstromversorgung mit einer motorgetriebenen Komponente und einer Batteriekomponente bereitgestellt. Die Topologie enthält eine Dreiphasen-Diodenbrücke, die Wechselstrom von der Motorkomponente oder dem Generator in Gleichstrom umwandelt. Eine Chopper-Komponente ist mit der Diodenbrücke verbunden, um Gleichstrom von dem Generator zu empfangen. Eine Batterie ist mit dem Chopper verbunden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Boostkreis für die Batterie bereitgestellt, der Strom von der Batterie zu einem Chopper-Bus liefert. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Batteriemonitor bereitgestellt, um die Ausgangsleistung von dem Batteriepack zu überwachen und die Ausgangsleistung von dort zu steuern. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Batterieladegerät bereitgestellt, um die Batterie zu laden, wenn nicht geschweißt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Steuereinheit bereitgestellt, die mit dem Generator, dem Chopper-Bus, dem Schweiß-Chopper und der Batterie verbunden ist, um einen Boost-Wandler und ein Batterieladegerät zu steuern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Stromquelle für eine Vorrichtung, die zum Ausführen eines Schweiß- oder Schneidvorgangs verwendet wird, bereitgestellt. Die Stromquelle enthält: eine Motorkomponente, die einen Generator und einen Gleichrichter enthält, der elektrisch mit dem Generator verbunden ist und dafür ausgelegt ist, durch den Generator ausgegebenen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln, wobei die Motorkomponente zwischen einem Ein-Zustand und einem Aus-Zustand umgeschaltet werden kann; mindestens eine Batterie, wobei die Motorkomponente und mindestens eine Batterie elektrisch mit einem Chopper-Bus verbunden sind; und eine Steuereinheit, die mit dem Generator, dem Chopper-Bus, dem Operations-Chopper und dem Ladeschalter kommuniziert; einen Zusatzleistungswandler, der einen Gleichstrom-Wechselstrom- und/oder einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler enthält, wobei der Zusatzleistungswandler elektrisch mit dem Operations-Chopper und der mindestens einen Batterie verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Stromquelle bereitgestellt und enthält: eine Motorkomponente, die einen Generator enthält, wobei die Motorkomponente zwischen einem Ein-Zustand und einem Aus-Zustand umgeschaltet werden kann; mindestens eine Batterie, wobei die Motorkomponente und mindestens eine Batterie elektrisch mit einem Chopper-Bus verbunden sind; einen Gleichrichter, der elektrisch mit dem Generator verbunden ist und dafür ausgelegt ist, durch den Generator ausgegebenen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln; einen Lade-Chopper, der elektrisch mit dem Generator und der Batterie verbunden ist, wobei der Lade-Chopper eine ausgewählte Leistung in die mindestens eine Batterie einspeist; einen Ladeschalter zwischen dem Lade-Chopper und der Batterie, wobei, wenn der Ladeschalter aktiviert wird, Strom von dem Generator durch den Lade-Chopper zu der mindestens einen Batterie geroutet wird; einen Operations-Chopper, der elektrisch mit dem Generator verbunden ist, wobei der Operations-Chopper dafür ausgelegt ist, eine ausgewählte Ausgangsleistung in die Vorrichtung einzuspeisen; einen Batterie-Boost-Wandler, der elektrisch mit der mindestens einen Batterie verbunden ist; und eine Steuereinheit, die mit dem Generator, dem Chopper-Bus, dem Operations-Chopper und dem Ladeschalter kommuniziert; einen Zusatzleistungswandler, der einen Gleichstrom-Wechselstrom- und/oder einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler enthält, wobei der Zusatzleistungswandler elektrisch mit dem Operations-Chopper und der mindestens einen Batterie verbunden ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine teilweise schematische Ansicht eines Hybridstromversorgungssystems gemäß einer Ausführungsform.
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2 ist ein Schaltbild gemäß einer Ausführungsform.
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3 ist ein Schaltbild gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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4 ist eine teilweise schematische Ansicht einer Schnittstelle in einem Hybridstromversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform.
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5 ist ein Flussdiagram, das schematisch eine durch die Hybridstromquelle implementierte Laderoutine zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Sinne des vorliegenden Textes meint „Stromquelle” beispielsweise – ohne darauf beschränkt zu sein – eine portable Stromerzeugung oder eine Notstromerzeugung zum Erwärmen, Plasmaschneiden, Schweißen und Aushöhlen. Die Stromquelle kann in jeder „Operation” verwendet werden, wie zum Beispiel einer Schweißoperation, wie zum Beispiel Schweißen, Hartlöten, Weichlöten, Beschichten, Hartauftragsschweißen oder Erwärmen, oder einer Schneidoperation, wie zum Beispiel Materialabtrag, Aushöhlen und Schneiden. Eine „Vorrichtung” im Sinne des vorliegenden Textes meint eine Vorrichtung, die elektrisch mit der Stromversorgung verbunden ist, um von ihr Strom zum Ausführen einer Operation zu beziehen. Eine „Vorrichtung” kann ein Brenner oder eine sonstige Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtbogens sein, der für die Operation geeignet ist, einschließlich beispielsweise ein Schweißbrenner, ein Plasmaschneider und dergleichen. Die Stromquelle kann mit einer manuell bedienten Vorrichtung verbunden sein, wie zum Beispiel einer handgehaltenen Vorrichtung, oder kann mit einem automatisierten System verbunden sein, wie zum Beispiel einem robotischen Schweißgerät, oder mobilen Schweißplattformen, wie zum Beispiel einem Rover oder einer Orbitalschweißplattform. Zu typischen Schweißoperationen gehören beispielsweise Schutzgas-Metall-Lichtbogenschweißen (SMAW) (zum Beispiel Stabelektrodenschweißen), Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW) und andere Schweißprozesse, wie zum Beispiel Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) und dergleichen.
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Gemäß einer Ausführungsform ergibt sich eine erreichbare Betriebsleistungsabgabe allgemein aus einer Eingangsleistung von der Stromquelle. Ein Betrag an Eingangsleistung, die die Stromversorgung liefern kann, kann von verschiedenen Bedingungen und/oder Umständen bezüglich der Stromversorgung, des Schweißgerätes und/oder der Umgebung abhängen. Dementsprechend ist angesichts der Tatsache, dass der Betrag an lieferbarer Eingangsleistung variabel sein kann, die erreichbare Schweißausgangsleistung ebenfalls variabel. Zum Beispiel kann ein Hybridschweißsystem ein Schweißgerät und eine Stromversorgung enthalten, die einen motorgetriebenen Generator und ein Batteriesystem enthält. Wenn der Generator ausfällt (weil dem Motor beispielsweise der Kraftstoff ausgeht), so ändert sich der Betrag der lieferbaren Eingangsleistung zu nur noch dem, was das Batteriesystem bereitstellt. Somit ändert sich die erreichbare Schweißausgangsleistung zu einem Wert, der sich aus der Leistung herleitet, die allein vom Batteriesystem kommt. Zu einer ähnlichen Änderung kann es in einem solchen Hybridschweißsystem kommen, wenn zum Beispiel der Ladungszustand des Batteriesystems nachlässt, so dass nun der motorgetriebene Generator allein die gesamte Eingangsleistung bereitstellen muss.
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Es können noch weitere Faktoren, die mit der Verfügbarkeit der Stromquelle nichts zu tun haben, den Betrag der lieferbaren Eingangsleistung und folglich der erreichbaren oder realisierbaren Schweißausgangsleistung beeinflussen. Beispielsweise beeinflusst ein Zustand einer Stromquelle den Betrag der Eingangsleistung. Der Zustand kann sich auf einen physischen Zustand oder einen Betriebszustand der Stromquelle beziehen, oder auf einen Umgebungszustand, der mit einer Umgebung zu tun hat, in der sich die Stromquelle befindet. Zu einigen beispielhaften Stromquellen- oder Stromversorgungsbedingungen gehören, ohne Einschränkung: eine Kraftstoffart (zum Beispiel Benzin, Diesel usw.); Kraftstoffeigenschaften (zum Beispiel Spezifikation, Zusammensetzung usw.), die sich je nach Kraftstoffgemisch ändern können; eine Betriebstemperatur (zum Beispiel eine Temperatur der, oder innerhalb der, Stromquelle); ein Kühlmittelstand; Öl- oder Schmierstoffstand; eine Luftströmung; ein Luftfilterzustand; eine Kraftstoffmenge; das Produktionsdatum (oder die vergangene Zeit seit der Produktion); eine Betriebsdauer (zum Beispiel die Zeit, die die Komponente bereits im Einsatz ist); Materialien, die in den Komponenten der Stromquelle verarbeitet wurden; die erwartete Lebensdauer von Komponenten oder Materialien; einen Anzahl von Zyklen (für Batteriesysteme) und dergleichen. Beispielsweise könnte ein motorgetriebener Generator, der mit Kraftstoff arbeitet, der aus Benzin besteht, das mit Ethanol vermischt ist, eine geringere Ausgangsleistung bereitstellen als derselbe motorgetriebene Generator, der seine Leistung aus reinem Benzin gewinnt. In einer anderen Veranschaulichung kann ein verstopfter Luftfilter die Luftmenge reduzieren, die einen Zylinder des Motors erreicht, was eine weniger effiziente oder weniger energetische Verbrennungsreaktion zur Folge hat, wodurch sich auch die lieferbare Leistung verringern kann. In einem weiteren Beispiel kann die lieferbare Leistung im Lauf der Zeit in dem Maße abnehmen, wie die Stromquelle oder ihre Komponenten durch den Gebrauch altern und/oder verschleißen. Zum Beispiel kann ein motorgetriebener Generator aufgrund von Alter und Verschleiß allmählich Verdichtungsdruck verlieren, was zu einer Einbuße an lieferbarer Leistung führt.
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Der physische oder Betriebszustand der Stromquelle, wie oben beschrieben, hat aber nicht nur eine Auswirkung auf die Ausgangsleistung (d. h. die lieferbaren Leistung), sondern kann auch die Effizienz beeinflussen, wie zum Beispiel die Kraftstoffeffizienz für motorgetriebene Generatoren oder die Lade- und Entladeeffizienz für Batteriesysteme. Beispielsweise können verschiedene Kraftstoffgemische mit verschiedenen Raten verbrannt werden. Die Betriebstemperatur kann die Effizienz ebenfalls beeinflussen. Ein motorgetriebener Generator kann bei einer höheren Betriebstemperatur weniger effizient arbeiten als dasselbe System bei einer geringeren Betriebstemperatur. Aus diesem Grund könnte es für einen Nutzer sinnvoll sein, den Beitrag einer Nicht-Motorkomponente zu ändern, um die Differenzen bei der Effizienz auszugleichen.
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Außerdem ist eine Motorkomponente eine Lärmquelle. Um genügend Leistung zu erzeugen, muss der Motor möglicherweise mit einer höheren Rate arbeiten, die oft in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen wird. Diese Erhöhung der Rate des Motors geht mit einer entsprechenden Erhöhung des Betriebsgeräusches oder Lärmpegels einher, was in Dezibel (dB) gemessen wird. Bestimmte Dezibelpegel mögen beim Arbeiten unter offenen Bedingungen akzeptabel sein, wie zum Beispiel im Freien ohne Umgrenzungen, doch beim Arbeiten in Räumen oder innerhalb umgrenzter Bereiche kann die Intensität des Lärms zunehmen oder den Lärm zu einem beeinträchtigenden Faktor für andere Personen in Raum werden lassen. Die Abgase, die durch die Motorkomponente erzeugt werden, sind bei Arbeiten in umschlossenen Räumen ebenfalls bedenklich.
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Um eine größere Nutzungsflexibilität zu erreichen, kann der Nutzer gemäß einem Aspekt der Erfindung den Beitrag der Nicht-Motorkomponente erhöhen, um den durch die Motorkomponente erzeugten Lärm zu reduzieren. Gemäß diesem Aspekt kann der Nutzer den Beitrag der Nicht-Motorkomponente auf mindestens 100% des Beitrags der Motorkomponente erhöhen, so dass die Motorkomponente vorübergehend abgeschaltet werden kann, wodurch der durch den Motor erzeugte Lärm wegfällt. Dadurch entfallen auch alle Abgase, die der Motor erzeugen würde, was dem Schweißgerät mehr Flexibilität beim Wechsel vom Arbeiten im Freien zum Arbeiten in Innenräumen verleiht. In einem weiteren Aspekt kann das Schweißsystem einen Betrag an Leistung nutzen, die von einer Stromquelle zur Verfügung steht (und/oder eine Zeitdauer, die ein bestimmter Leistungswert geliefert werden kann), um eine Schweißausgangsleistung von einer Schweißstromquelle zu steuern. Im Sinne des vorliegenden Textes meint „Schweißausgangsleistung” einen Ausgangsstrom, eine Ausgangsspannung oder beides, die durch eine Schweißstromquelle erzeugt werden, um eine Schweißnaht zu ziehen oder Metall abzutragen, wenn das Gerät als ein Plasmaschneider verwendet wird. Das Schweißsystem steuert den Ausgangsstrom, die Ausgangsspannung oder beides, um zu verhindern, dass die Schweißausgangsleistung den Betrag an Leistung übersteigt, der von der Stromquelle verfügbar ist. In einem Beispiel kann die Schweißstromquelle direkt so gesteuert werden, dass diese Obergrenze durchgesetzt wird. In einem weiteren Beispiel kann das Schweißsystem diese Obergrenze durchsetzen, indem die einstellbaren Werte einer Schweißausgangsleistungs-Voreinstellung begrenzt werden. Zum Beispiel kann das Schweißsystem eine Benutzerschnittstelle des Schweißsystems so konfigurieren, dass verhindert wird, dass ein Bediener eine Schweißausgangsleistungs-Voreinstellung vornimmt, die die Fähigkeiten der Stromquelle übersteigen. Es versteht sich, dass das Schweißsystem entweder durch zuvor festgelegte Daten oder durch Analyse physikalischer oder Betriebszustandsinformationen der Schweißstromquelle eine Effizienz der Schweißstromquelle bestimmt. Das heißt, für einen bestimmten Leistungspegel, den die Stromversorgung liefert, kann das Schweißsystem eine entsprechende Schweißausgangsleistung auf der Basis der Effizienz der Schweißstromquelle bestimmen.
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Beispielsweise kann ein Schweißsystem eine Bemessung oder Fähigkeit zum Erzeugen einer Schweißausgangsleistung von 333 A bei 30 V (d. h. ungefähr 10.000 W) haben, aber die Zustandsinformationen geben eine lieferbare Leistung von der Stromquelle an, die einer Schweißausgangsleistung von 9000 W entspricht. Dementsprechend kann das Schweißsystem die Erzeugung der Schweißausgangsleistung oder die Benutzerschnittstelle steuern, um beispielsweise die Schweißausgangsleistung auf 300 A bei 30 V zu begrenzen.
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Es werden nun beispielhafte Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Beispiele und Zeichnungen sind lediglich veranschaulichend und sollen nicht die Erfindung einschränken, die allein am Wesen und Schutzumfang der Ansprüche zu bemessen ist. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
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Eine Stromquelle gemäß einer Ausführungsform ist allgemein mit der Zahl 100 bezeichnet und schematisch in 1 gezeigt. Die Stromquelle 100 ist ein Hybridsystem, weil Energie von zwei eigenständigen Quellen bereitgestellt wird. Die Stromquelle 100 enthält einen Generator 112, der durch einen Motor 114 angetrieben wird. Der Motor 114 kann einen Verbrennungsmotor enthalten, wie zum Beispiel einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, Flüssigpropangasmotor und dergleichen. Der Generator 112 erzeugt während des Betriebes des Motors 114 elektrische Energie. Der Generator 112 kann einen Dreiphasen-Synchrongenerator enthalten. Alternativ könnte der Generator gewünschtenfalls ein Einphasengenerator oder ein Gleichstromgenerator sein. Der Motor und der Generator können zusammen als eine motorgetriebene Komponente oder Motorkomponente 115 bezeichnet werden. Die Motorkomponente 115 kann in einem Gehäuse H untergebracht sein und kann einen Auspuff 116 enthalten, der aus dem Gehäuse H nach außen ragt.
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Die Hybridstromquelle 100 enthält des Weiteren eine Batterie 118. Die Batterie 118 kann mindestens eine Batterie oder mehrere Batterien oder Zellen enthalten, wie zum Beispiel eine Batteriebank, um eine für eine Operation geeignete Gleichspannung bereitzustellen. Zum Beispiel kann in einer Schweißanwendung AD-100 (V–) eingespeist werden. Der Begriff „Batterie” meint im Sinne des vorliegenden Textes sowohl einzelne Batterien als auch Batteriebänke, d. h. mehrere in Reihe geschaltete Batterien. Der Generator 112 allein oder die Batterie 118 allein kann genügend Leistung für eine bestimmte Operation erbringen, oder sie können zusammen betrieben werden, wie unten noch ausführlicher besprochen wird.
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Wie am besten in 2 gezeigt, enthält die Hybridstromquelle 100 eine Diodenbrücke, die allgemein mit der Zahl 120 bezeichnet ist und elektrisch mit der motorgetriebenen Komponente 115 verbunden ist. Die Diodenbrücke 120 ist elektrisch über einen Chopper-Bus 130 mit einem Ausgang 140 verbunden. Der Ausgang 140 kann wiederum mit einer Vorrichtung I zum Ausführen einer Operation verbunden. Die Batterie 118 kann mit dem Generator 112 parallel geschaltet sein und kann ebenfalls Leistung in den Ausgang 140 einspeisen. Die Batterie 118 ist so verbunden, dass sie Leistung in den Ausgang unabhängig vom Generator 112 oder mit dem Generator 112 einspeist. In diesem Sinne kann Leistung in den Ausgang 140 durch die motorgetriebene Komponente 115 und/oder durch die Batterie 118 eingespeist werden, so dass genügend Leistung zum Ausführen der Operation durch die Motorkomponente 115 oder die Batterie 118 unabhängig bereitgestellt werden kann, oder die Batterie 118 kann Strom vom Generator 112 ergänzen, so dass die Energiezufuhr vom Generator gedrosselt werden kann. Alternativ kann Zusatzleistung von der Batterie 118 verwendet werden, um es dem Generator 112 zu erlauben, in einem stabilen Betriebszustand zu arbeiten und Leistungsbedarfsschwankungen mit Strom von der Batterie 118 auszugleichen, wie in Beispielen unten beschrieben wird.
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Alternativ kann die gezeigte Konfiguration verwendet werden, um die Batterie 118 zu laden, wenn die Leistungskapazität vom Generator 112 größer ist als der Leistungsbedarf. Zum Beispiel kann der Generator 112 mit 3000 U/min betrieben werden, um genügend Leistung für eine Operation zu generieren, aber er kann auch mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, um zusätzliche Leistung zu generieren, die dem Laden der Batterie 118 zugeteilt werden könnte. Zum Beispiel könnte der Motorgenerator 112 mit 3500 U/min betrieben werden, um die erzeugte Leistung zu erhöhen, und der Leistungsüberschuss könnte der Batterie 118 zum Laden zugeführt werden.
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Der Generator 112 liefert Leistung an den Chopper-Bus 130. Die Ausgangsleistung des motorgetriebenen Dreiphasengenerators wird gleichgerichtet und dafür verwendet, den Chopper-Bus 130 direkt zu versorgen. Der Generator 112 kann durch Feldsteuerung gesteuert werden oder kann mit einem Feld in Sättigung arbeiten, so dass der Chopper-Bus 130 gedrosselt werden kann. Wenn Zusatzleistung vom Chopper-Bus 130 abgezogen wird, so kann sie vom Batteriepack bezogen werden, wenn der Motor aus ist, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Der Generator 112 kann Feldsteuerung verwenden, um einen Abfall der Chopper-Bus-Spannung zu vermeiden. Ein Boostkreis, allgemein bei 150 gezeigt, wird für die Batterie 118 bereitgestellt, um Leistung in den Chopper-Bus 130 einzuspeisen. Eine Batterieüberwachungskomponente, allgemein bei 170 gezeigt, kann dafür verwendet werden, die Batterie 118 zu steuern und zu überwachen oder eine Rückmeldung an eine Steuereinheit zu übermitteln, wie unten noch beschrieben wird. Der Generator 112 kann dafür verwendet werden, die Batterie 118 zu laden, wenn nicht geschweißt wird, oder die Batterie 118 kann nach Bedarf mit einer externen Batterieladequelle verbunden werden.
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Mit Bezug auf die 1–3 kann die Stromquelle 100 eine Steuereinheit 200 enthalten, die zum Beispiel ein Mikrocontroller, ein System auf einem Chip, ein Mikroprozessor, eine Logiksteuereinheit oder ein Logikschaltkreis sein kann, im vorliegenden Text beschriebene Aspekte implementiert. Die Steuereinheit 200 ist mit dem Generator 112, der Batterie 118, dem Chopper-Bus 130 und dem Operations-Chopper 125 verbunden und steuert den Boostkreis 150 und das Batterieladen. Es werden isolierte Gleichstrom-Gleichstrom-Versorgungen und isolierte Gleichstrom-Wechselstrom-Versorgungen gebildet, die vom Chopper-Bus 130 gespeist werden. Wenn der Motor aus ist, so kann die Batterie 118 den Chopper-Bus 130 versorgen, bis der Motor anspringt oder bis die Batterie 118 auf ihren Minimumpegel gesunken ist. Die Batterie 118 liefert zusätzliche Leistung parallel zum Generator 112.
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Gemäß einer in 3 gezeigten Ausführungsform wird die Batterie 118 vom Chopper-Bus 130 durch einen Buck-Regler 135 geladen. Es kann jede Art von Batterie verwendet werden, einschließlich beispielsweise NiCd-, Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien. In Abhängigkeit vom Typ der Batterie 118 kann der Betrieb des Buck-Reglers 135 so gesteuert werden, dass ein ordnungsgemäßes Laden sichergestellt ist und Überhitzungs- oder sonstige Probleme vermieden werden. In dem gezeigten Beispiel ist die Batterie 118 eine Lithium-Ionen-Batterie. Der Buck-Regler 135 wird so gesteuert, dass ordnungsgemäße Ladetechniken für diesen Typ von Batterie 118 verwendet werden. In diesem Beispiel findet ein Laden statt, wenn keine Schweißoperation ausgeführt wird. Zum Beispiel können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wenn die Vorrichtung I nicht betrieben wird, die vom Generator 112 gelieferten 90 V durch den Buck-Regler 135 auf 58 V heruntergesetzt werden, um die Batterie 118 zu laden. Ein Beispiel einer Laderoutine, die durch die Hybridstromquelle 100 implementiert wird, ist schematisch in 5 gezeigt. Wie besprochen, kann die Steuereinheit 200 sicherstellen, dass die Vorrichtung I aus ist, um den Batteriebeitrag zu reduzieren und Leistung, die dem Chopper-Bus 130 zugeführt wird, von der Motorkomponente zu einem Buck-Regler 135 umzuleiten, um sie für das Laden der Batterie 118 herunterzusetzen. Ein Batteriemonitor 170 kann bereitgestellt werden, um den Betrag der Ladung an der Batterie 118 zu bestimmen oder einfach der Steuereinheit 200 anzuzeigen, dass das Laden beendet ist.
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Die Stromquelle 100 kann außerdem eine Schnittstelle 300 enthalten, die es dem Nutzer oder Bediener erlaubt, den Beitrag der Motorkomponente 112 relativ zur Batteriekomponente 118 manuell zu steuern oder zu beeinflussen. Zum Beispiel kann die Schnittstelle 300 mit der Steuereinheit 200 kommunizieren, um eine Eingabe vom Bediener bezüglich mindestens eines gewünschten Betriebszustand für die Motorkomponente 112 relativ zu der Batterie 118 zu übermitteln. Zu diesem Zweck kann die Schnittstelle 300 jedes geeignete Gerät oder jede geeignete Komponente zum Übermitteln von Informationen vom Bediener an die Steuereinheit 200 oder direkt an den Schaltkreis, wenn keine Steuereinheit 200 verwendet wird, enthalten. Die Eingabe 302 für die Schnittstelle kann beispielsweise einen Schieberegler, einen Drehknauf, einen Schalter, ein Tastenfeld, eine Berührungsbildschirm, einen Knopf und dergleichen enthalten. Die Eingabe 302 kann am selben Gehäuse angeordnet sein wie die Stromquelle 100 oder kann räumlich entfernt angeordnet sein, wie zum Beispiel an einer kabelgebundenen Fernsteuerung, einer Fernbedienung oder einem Mobiltelefon, wobei Signale von der Eingabe 302 an die Stromquelle 100 oder die Steuereinheit 200 über leitungsgebundene oder drahtlose Verbindungen übermittelt werden, einschließlich beispielsweise Wireless-LAN-Protokoll; Bluetooth, drahtloses USB oder andere ähnliche HF-Protokolle; ein Mobilfunk-Protokoll; ein Satelliten-Protokoll; ein Infrarot-Protokoll oder dergleichen. In dem in 1 gezeigten Beispiel enthält die Eingabe ein Tastenfeld K mit mehreren Knöpfen B. In 4 fungiert ein Touchpad als die Eingabe 302. Diese Beispiele sind nicht einschränkend. Die Schnittstelle 300 kann eine Ausgabe 304 enthalten, die Informationen an den Bediener über den ausgewählten Betriebszustand übermittelt, und kann beispielsweise ein Abziehbild oder einen aufgemalten Indikator auf dem Gehäuse neben der Eingabe 302, ein digitales Display, einen Berührungsbildschirm, LEDs oder ein sonstiges beleuchtetes Display und dergleichen enthalten. In dem in 1 gezeigten Beispiel enthält die Ausgabe 304 ein digitales Display. In 4 enthält die Ausgabe 304 ein Touchpad. Diese Beispiele sind nicht einschränkend. Um eine leitungsgebundene Kommunikation zu ermöglichen, kann die Schnittstelle 300 geeignete Kommunikationsports 306 (2) enthalten, um leitungsgebundene Eingabe 302- oder Ausgabe 304-Komponenten zu verbinden. Der Kommunikationsport 306 kann beispielsweise Videoports, serielle Ports, Parallelports, USB-Ports und dergleichen enthalten. Es versteht sich, dass die Komponenten, die in den Ausführungsformen gezeigt sind, die in den verschiedenen Figuren dargestellt sind, jeweils auch in den anderen Ausführungsformen verwendet werden können. Die gezeigten Ausführungsformen sind nicht einschränkend.
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Die Schnittstelle 300 kann verschiedene Betriebsmodi enthalten, die es dem Nutzer erlauben, den Beitrag der Motorkomponente 115 und der Batterie 118 zu steuern. Diese Modi können einen Modus enthalten, in dem die Steuereinheit 200 die Beiträge automatisch steuert. In dem in 4 gezeigten Beispiel kann ein normaler Modus 311 gewählt werden, in dem die Motor- und die Batteriekomponente automatisch durch die Steuereinheit 200 bedient werden. In diesem Modus kann die Steuereinheit 200 jeden Beitrag variieren, um die Ausgangsleistung für die Vorrichtung I bereitzustellen und das Laden der Batterie 118 ausführen, wenn zusätzliche Leistung verfügbar ist und Laden erforderlich ist. Ein hoher Modus 314 kann bereitgestellt werden, um die Leistung zur Vorrichtung I zu erhöhen, wie beschrieben. Es versteht sich, dass weniger oder mehr Modi auf der Schnittstelle 300 bereitgestellt werden können, und das gezeigte Beispiel ist nicht einschränkend. Gleichermaßen kann die Art der Schnittstelle 300 variieren, wie im vorliegenden Text besprochen. Das in 4 gezeigte Beispiel enthält einen Berührungsbildschirm 325, der die Eingabe 302- und Ausgabe 304-Funktionen in einer Einheit kombiniert. Wie in 4 gezeigt, kann die Schnittstelle 300 eine Beitragseingabe 315 enthalten, die einen Balanceregler enthält, der es dem Nutzer erlaubt, den Beitrag der Motorkomponente 115 relativ zu der Batterie 118 manuell zu justieren. Die Ausgabe 304 kann ein Beitragsdisplay enthalten, das allgemein bei 320 gezeigt ist und das mindestens einen der Beiträge der Motorkomponente 115 und der Batterie 118 anzeigt. In dem gezeigten Beispiel enthält das Komponentendisplay 320 ein Balkendiagramm 322, das die relativen Beiträge von der Motorkomponente 115 und von der Batterie 118 anzeigt. Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform die Beitragseingabe 315 ein Schieberegler auf dem Display, der es dem Nutzer erlaubt, die Balance zwischen der Motorkomponente 115 und der Batterie 118 zu verschieben. In diesem Beispiel arbeiten die Motorkomponente 115 und die Batteriekomponente am Mittelpunkt mit voller Kapazität. Ein Abweichen von der Mitte reduziert den Beitrag der Motorkomponente 115 oder der Batterie 118. Zum Beispiel kann, wie gezeigt, der Beitrag der Motorkomponente reduziert werden, indem der Beitragsindikator 317 zur Batterieseite 318 auf der Schiebereglerskala verschoben wird. Gleichermaßen kann der Beitrag der Batterie 118 reduziert werden, indem man den Indikator 317 zur Motorseite 319 hin verschiebt. In diesem Beispiel kann das manuelle Variieren des Beitrags zum Zweck des Reduzierens des Beitrags der Motorkomponente 115 dafür verwendet werden, die Lärmemission zu reduzieren oder die Motorkomponente 115 abzuschalten. Alternativ kann, wie unten noch beschrieben wird, ein Flüstermodus 310 bereitgestellt werden, um es der Steuereinheit zu ermöglichen, den Beitrag der Motorkomponente 115 so zu justieren, dass eine gewünschte Lärmemission erreicht wird.
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In diesem Modus kann die Beitragseingabe 315 dem Nutzer weitere Feinabstimmungsfähigkeiten zur Verfügung stellen, um den Beitrag nach Bedarf noch präziser zu justieren. In diesem Sinn kann die Steuereinheit 200 als ein offenes System arbeiten, das weitere Eingaben vom Nutzer gestattet. Alternativ kann, wie in 5 gezeigt, die Steuereinheit als ein geschlossenes System arbeiten, wobei, nachdem der Modus von der Schnittstelle 300 her eingegeben wurde, die Steuereinheit 200 gemäß einer vorprogrammierten Routine arbeitet. Zum Beispiel ist in 5 die Auswahl von drei Modi gezeigt (Flüstermodus 310, Normalmodus 311 und Lademodus 313). Wie besprochen, steuert die Steuereinheit 200 im Normalmodus die Zuführung von Leistung zu der Vorrichtung direkt und kann den Beitrag der Motorkomponente 115 und der Batterie 118 nach Bedarf auf der Basis der Erzeugung der Ausgangsleistung für den Betrieb der Vorrichtung I variieren. Im Flüstermodus wird die Motorkomponente 115 so betrieben, dass ein ausgewählter Lärmpegel erreicht wird. Der Lärmpegel kann ein Dezibelpegel sein, der durch einen Lärmsensor 330 überwacht wird, wie schematisch gezeigt, oder die Steuereinheit 200 kann so programmiert sein, dass sie ausgewählte Motordrehzahlwerte enthält, um einen ausgewählten Lärmpegel auf der Basis von Testdaten zu erzeugen. Wir bleiben bei unserem Beispiel von 90 dB. Wenn Testdaten zeigen, dass die Motorkomponente die gewünschten 90 dB bei der, oder um die, Leerlaufdrehzahl erzeugt, so kann die Motorkomponente 115 mit Leerlaufdrehzahl betrieben werden. Die Ausgangsleistung von der Batterie 118 zum Chopper-Bus 130 wird durch die Steuereinheit 200 so justiert, dass die Ausgangsleistung geliefert wird, die für die Operation auf der Basis des ausgewählten Beitrags der Motorkomponente 115 benötigt wird.
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Gemäß einer in 4 gezeigten Ausführungsform enthält die Schnittstelle 300 einen Flüsterbetriebsmodus 310, der ausgewählt werden kann, um den von der Motorkomponente 115 erzeugten Lärmpegel (Dezibel) auf einen ausgewählten Pegel zu reduzieren. Zum Beispiel kann der Flüstermodus 310 den Dezibelpegel auf einen Pegel von maximal 90 dB reduzieren. Dieser Pegel ist ein Beispiel. Es versteht sich, dass auch andere Pegel verwendet werden können. Wenn der Flüstermodus 310 ausgewählt wird, so wird ein Beitrag der Motorkomponente 115 zum Chopper-Bus 130 reduziert, um die Betriebsdrehzahl des Motors zu senken, um einen Dezibelpegel innerhalb des gewünschten Flüstermodusbereichs zu erzeugen. Es versteht sich, dass auch andere Bereiche durch den angegebenen Flüstermodus gebildet werden können, einschließlich einer 0 dB-Lärmemission, wobei der Beitrag der Motorkomponente auf 0 reduziert wird und die Batterie 118 die gesamte Ausgangsleistung für das Schweißen liefert. Zu diesem Zweck kann die Schnittstelle 300 einen Aus-Modus 312 enthalten, bei dem die Motorkomponente 115 aus ist.
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Der Flüstermodus-Emissionspegel kann auch durch die Dezibel-Emission der Motorkomponente 115 im Leerlauf beeinflusst werden. Wenn zum Beispiel die Motorkomponente im Leerlauf eine Lärmemission von ungefähr 90 dB erzeugt, so kann die Bedienerauswahl des Flüstermodus 310 bewirken, dass die Motorkomponente 115 bei Leerlaufdrehzahl betrieben wird und der Beitrag der Batterie 118 zum Chopper-Bus 130 so justiert wird, dass die gewünschte Ausgangsleistung für die Operation bereitgestellt wird. Wenn die Dezibel-Emission der Motorkomponente 115 geringer ist als die ausgewählte Ausgangsleistung für den Flüstermodus, so kann die Motorkomponente 115 mit einer höheren Drehzahl als dem Leerlaufpegel angetrieben werden. Es versteht sich, dass mehrere Lärmemissionspegel durch den Bediener über die Eingabe 302 ausgewählt werden können. Als ein Beispiel kann der Bediener die Möglichkeit haben, einen bestimmten Dezibelpegel für den Betrieb mit der Motorkomponente 115, der mit einer höheren Drehzahl als der Leerlaufdrehzahl arbeitet, einen zweiten Dezibelpegel, der die Motorkomponente 115 in Leerlauf versetzt, und einen dritten Dezibelpegel, der der Motorkomponente im abgeschalteten Zustand entspricht, auszuwählen. Wenn in einer Betriebsumgebung Lärmbeschränkungen gelten, so kann die Eingabe 302 es dem Nutzer erlauben, dem maximal zulässigen Lärmpegel einzugeben, und die Steuereinheit 200 variiert den Beitrag der Motorkomponente 115 relativ zu der Batterie 118 zum Chopper-Bus 130, so dass die eingestellte Obergrenze eingehalten oder unterschritten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in den 2 und 3 gezeigt ist, stellt die Stromquelle 100 Leistung für eine Peripheriekomponente P bereit, selbst wenn die Motorkomponente in einem Aus-Zustand ist. Die Peripheriekomponente P kann jede Komponente sein, die Leistung benötigt, und kann interne Komponenten enthalten, d. h. jene, die an dem Gehäuse H angeordnet sind, oder eine externe Komponente, das nicht an dem Gehäuse angeordnet ist und an die Stromquelle 100 angeschlossen ist. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Peripheriekomponente P die Schnittstelle 300. In diesem Beispiel liefert die Steuereinheit 200 Leistung zur Schnittstelle 300, selbst wenn die Motorkomponente 115 nicht arbeitet. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 200 Leistung vom Chopper-Bus 130 aus der Batterie 118 abziehen, um die Schnittstelle 300 zu versorgen. In dem gezeigten Beispiel werden 40 V– aus der Batterie 118 über den Chopper-Bus 130 abgezogen, wenn die Motorkomponente 115 aus ist, um die Schnittstelle 300 zu versorgen. Es versteht sich, dass diese Anforderung in Abhängigkeit von der Art der Schnittstelle 300 und ihrer Eingabe 302- und Ausgabe 304-Komponenten variieren kann. Gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform kann die Peripheriekomponente eine externe Komponente enthalten, die mit der Stromquelle 100 verbunden ist. Wie im Fall der oben beschriebenen internen Komponente kann Leistung zu der externen Komponente geführt werden, wenn die Motorkomponente 115 in einem Ein-Zustand ist oder wenn die Motorkomponente 115 in einem Aus-Zustand ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Hilfskomponente, allgemein bei 400 gezeigt, mit dem Chopper-Bus 130 verbunden. Die Hilfskomponente 400 kann eine Steckdose 402 enthalten, die Zusatzleistung für eine Peripheriekomponente P bereitstellt, einschließlich beispielsweise portabler Schleifmaschinen, Pumpen, Luftkompressoren, Unterhaltungsgeräte, Kaffeemaschinen, Computer oder andere Gerät, die sich auf einer Baustelle befinden und Strom brauchen. Mit Bezug auf 3 ist ein Beispiel einer Peripheriekomponente P eine Schleifmaschine 410. Hier ist die Schleifmaschine 410 an der Steckdose 402A über ein Stromkabel 412 mit der Stromquelle 100 verbunden.
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Die Hilfskomponente 400 kann eine isolierte Gleichstrom-Gleichstrom-Versorgung 403 und/oder eine Gleichstrom-Wechselstrom-Versorgung 404, die über den Chopper-Bus 130 betrieben werden, enthalten. Die Hilfskomponente 400 kann einen Wechselstrom-Chopper 405 enthalten, der mit dem Chopper-Bus 130 für die Gleichstrom-Wechselstrom-Versorgung verbunden ist. Der Wechselstrom-Chopper 405 kann seinerseits mit der Steckdose 402 (1) verbunden sein, um Wechselstrom in eine Peripheriekomponente P einzuspeisen, die an die Steckdose 402 angeschlossen ist. Gleichermaßen kann eine Gleichstromkomponente mit der Gleichstrom-Gleichstrom-Versorgung 403 über eine Steckdose verbunden sein. Wie gezeigt, können mehrere Steckdosen 402 vorhanden sein. Zum Beispiel kann eine Steckdose 402A eine Wechselstromsteckdose sein, die mit der Wechselstromversorgung 404 verbunden ist, und eine zweite Steckdose 402B kann eine Gleichstromsteckdose sein, die mit der Gleichstrom-Gleichstrom-Versorgung 403 verbunden ist. Alternativ können mehrere Wechselstrom- oder mehrere Gleichstromsteckdosen vorhanden seine. Da die Hilfskomponente 400 mit dem Chopper-Bus 130 verbunden ist, der Leistung parallel von der Motorkomponente 115 und der Batterie 118 empfängt, kann die Hilfskomponente mit Leistung von der Motorkomponente 115 oder der Batterie 118 oder von beiden versorgt werden. Dies erlaubt die Flexibilität, die Motorkomponente 115 abzuschalten und weiterhin Leistung von der Batterie 118 an die Hilfskomponente 400 zu liefern, oder umgekehrt. Wie besprochen, kann es wünschenswert sein, die Hilfskomponente 400 nur dann über die Batterie 118 zu betreiben, wenn Lärm oder Auspuffgase bedacht werden müssen. Alternativ kann es wünschenswert sein, allein die Leistung vom Motor zu nutzen, wenn die Batterie 118 wiederaufgeladen wird.
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Obgleich Prinzipien und Betriebsmodi mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen erläutert und veranschaulicht wurden, versteht es sich jedoch, dass diese auch auf andere Weise praktiziert werden können, als es ausdrücklich erläutert und veranschaulicht wurde, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Das oben Beschriebene enthält Beispiele der vorliegenden Innovation. Es ist natürlich nicht möglich, jede denkbare Kombination von Komponenten oder Methodologien zum Zweck des Beschreibens des beanspruchten Gegenstandes zu beschreiben. Doch der Durchschnittsfachmann erkennt, dass viele weitere Kombinationen und Abwandlungen der hier besprochenen Innovation möglich sind. Dementsprechend ist es beabsichtigt, dass der beanspruchte Gegenstand alle derartigen Abänderungen, Modifizierungen und Varianten umfasst, die unter das Wesen und den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
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Im vorliegenden Text sind konkrete Ausführungsformen einer Innovation offenbart. Der Durchschnittsfachmann erkennt ohne Weiteres, dass die Innovation auch andere Anwendungen in anderen Umgebungen haben kann. Es sind praktisch viele Ausführungsformen und Implementierungen möglich. Die folgenden Ansprüche sollen in keiner Weise den Schutzumfang der vorliegenden Innovation auf die oben beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränken. Außerdem soll jeder Verweis auf „ein Mittel zum” als eine Mittel-plus-Funktion-Sichtweise eines Elements und eines Anspruchs verstanden werden, während alle Elemente, die nicht ausdrücklich die Formulierung „ein Mittel zum” verwenden, nicht als Mittel-plus-Funktion-Elemente gedacht sind, selbst wenn der Anspruch ansonsten das Wort „Mittel” enthält.
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Obgleich die vorliegende Innovation mit Bezug auf eine oder mehrere konkrete bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass dem Fachmann beim Lesen und Verstehen dieser Spezifikation und der angehängten Zeichnungen äquivalente Änderungen und Modifikationen einfallen. Speziell in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Elemente (Gehäuse, Seiten, Komponenten, Baugruppen usw.) ausgeführt werden, ist es beabsichtigt, dass – sofern nicht etwas anderes angegeben ist – die Begriffe (einschließlich der Verwendung des Begriffes „Mittel”), die dafür verwendet werden, solche Elemente zu beschreiben, jeglichen Elementen entsprechen, die die spezifizierte Funktion des beschriebenen Elements (das beispielsweise funktional äquivalent ist) ausführen, selbst wenn sie der offenbarten Struktur, welche die Funktion in der oder den im vorliegenden Text veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen der Innovation ausführt, nicht strukturell äquivalent ist. Des Weiteren kann, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der Innovation oben mit Bezug auf nur eine oder mehrere von verschiedenen veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, so wie es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht wird und vorteilhaft ist. Obgleich konkrete Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass dem Fachmann beim Lesen und Verstehen dieser Spezifikation Äquivalente und Modifizierungen, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen, einfallen.
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Des Weiteren kann, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der vorliegenden Innovation mit Bezug auf nur eine von verschiedenen Implementierungen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, so wie es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht wird und vorteilhaft ist. Insofern die Begriffe „einschließlich”, „enthält”, „aufweist”, „hat”, „mit” oder Varianten davon in der detaillierten Beschreibung und/oder in den Ansprüchen verwendet werden, ist es des Weiteren beabsichtigt, dass diese Begriffe in einer Weise ähnlich dem Begriff „umfassen” als einem offenen Übergangswort inkludierend sind, ohne dass weitere oder andere Elemente ausgeschlossen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Stromquelle
- 112
- Generator
- 114
- Motor
- 115
- Motorkomponente
- 116
- Auspuff
- 118
- Batterie
- 120
- Brücke
- 125
- Chopper
- 130
- Chopper-Bus
- 135
- Buck-Regler
- 140
- Ausgang
- 150
- Boostkreis
- 170
- Batteriemonitor
- 200
- Steuereinheit
- 300
- Schnittstelle
- 302
- Eingabe
- 304
- Ausgang
- 306
- Öffnung
- 310
- Flüstermodus
- 311
- Normalmodus
- 313
- Laden
- 314
- hoher Modus
- 315
- Eingabe
- 317
- Indikator
- 318
- Batterieseite
- 319
- Motorseite
- 320
- Display
- 322
- Balkendiagramm
- 325
- Berührungsbildschirm
- 330
- Lärmsensor
- 400
- Komponente
- 402
- Steckdose
- 402A
- Steckdose
- 402B
- Steckdose
- 403
- Versorgung
- 404
- Versorgung
- 405
- Chopper
- 410
- Schleifmaschine
- H
- Gehäuse
- K
- Tastenfeld
- P
- Peripheriekomponente
