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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Aufladen eines an die Ladevorrichtung anschließbaren elektrischen Energiespeichers eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einer ersten Anschlusseinheit zum Anschließen an den elektrischen Energiespeicher, einer zweiten Anschlusseinheit zum Anschließen an ein mehrphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz, mit jeweils einem Anschlusselement für jede Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes, und wenigstens einem Lademodul pro Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes, wobei jedes der Lademodule einen jeweiligen Wechselspannungsanschluss zum Zuführen einer einphasigen elektrischen Wechselspannung und einen jeweiligen Gleichspannungsanschluss zum Bereitstellen einer elektrischen Gleichspannung aufweist, wobei der Wechselspannungsanschluss an dem Anschlusselement der dem Lademodul zugeordneten Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes angeschlossen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Anlage, die einen elektrischen Energiespeicher aufweist, sowie einer an die elektrische Anlage angeschlossenen Antriebseinheit, wobei die elektrische Anlage eine an den elektrischen Energiespeicher angeschlossene Ladevorrichtung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers aufweist, mit einer Anschlusseinheit zum Anschließen an ein mehrphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz, die jeweils ein Anschlusselement für jede Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes aufweist, und wenigstens einem Lademodul pro Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes, wobei jedes der Lademodule einen jeweiligen Wechselspannungsanschluss zum Zuführen einer einphasigen elektrischen Wechselspannung und einen jeweiligen Gleichspannungsanschluss zum Bereitstellen einer elektrischen Gleichspannung aufweist, wobei der Wechselspannungsanschluss an dem Anschlusselement der dem Lademodul zugeordneten Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes angeschlossen ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Aufladen eines an eine Ladevorrichtung angeschlossenen elektrischen Energiespeichers eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die Ladevorrichtung mit elektrischer Energie aus einem mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetz versorgt wird, indem an jede Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes jeweils wenigstens ein Lademodul mit einem jeweiligen Wechselspannungsanschluss angeschlossen wird, wobei dem Lademodul über seinen jeweiligen Wechselspannungsanschluss eine einphasige elektrische Wechselspannung zugeführt wird, wobei jedes Lademodul durch Wandeln der wechselspannungsseitig zugeführten elektrischen Energie an einem jeweiligen Gleichspannungsanschluss eine elektrische Gleichspannung bereitstellt.
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Eine gattungsgemäße Ladevorrichtung sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zum Aufladen eines an die Ladevorrichtung angeschlossenen elektrischen Energiespeichers eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der
US 2015/0180252 A1 bekannt. Ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz, das hier durch ein öffentliches Energieversorgungsnetz gebildet ist, ist an eine Primärseite eines Dreiphasen-Wechselspannungstransformators angeschlossen. Sekundärseitig ist der Dreiphasen-Wechselspannungstransformator mit jeder Phase jeweils an einen Mittelanschluss eines zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter aufweisenden Halbbrückenmoduls angeschlossen. Die Halbbrückenmodule sind in Bezug auf ihre Reihenschaltung parallelgeschaltet und bilden dadurch einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis. An dem Gleichspannungszwischenkreis sind zwei weitere Halbbrückenmodule angeschlossen, deren Mittelanschlüsse jeweils auf einen Tiefpassfilter geführt sind, mittels welchem eine Gleichspannung bereitgestellt werden kann. Die beiden letztgenannten Halbbrückenmodule werden als DC/DC-Wandler betrieben, um aus der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises andere Gleichspannungen in vorgebbarer Weise bereitstellen zu können. Diese können zum Laden von Akkumulatoren von elektrisch antreibbaren Fahrzeugen genutzt werden.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist ein Fahrzeug, das eine elektrische Antriebseinheit aufweist, die im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs für dessen Antrieb zumindest anteilig eine entsprechende mechanische Antriebsleistung bereitstellt. Weist das Kraftfahrzeug ausschließlich eine elektrische Antriebseinheit auf, handelt es sich dabei um ein Elektrofahrzeug. Ist hingegen das Kraftfahrzeug darüber hinaus mit einer Verbrennungskraftmaschine versehen, um den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs realisieren zu können, handelt es sich dabei um ein Hybridfahrzeug. Bei einem Hybridfahrzeug können die elektrische Antriebseinheit und die Verbrennungskraftmaschine im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb auch gemeinsam betrieben werden.
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Moderne elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge der vorgenannten Art benötigen leistungsstarke bordeigene Ladevorrichtungen, die einem schnellen Aufladen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dienen. Der Energiespeicher ist in der Regel durch eine Hochvoltbatterie beziehungsweise einen Hochvoltakkumulator gebildet, der für eine Gleichspannung in einem Bereich von mehreren 100 V ausgelegt ist. Um eine leistungsstarke Ladevorrichtung realisieren zu können, ist diese häufig für den Anschluss an ein Dreiphasen-Wechselspannungsnetz, nämlich dem öffentlichen Energieversorgungsnetz, ausgelegt. Die Wechselspannung des öffentlichen Energieversorgungsnetzes, welches vorliegend häufig zum Einsatz kommt, beträgt etwa 400 V bei 50 Hz. Über genormte Steckverbindungen, über die pro Phase 16 oder 32 Ampere geführt werden können, kann der Ladevorrichtung eine elektrische Leistung von 11 kW oder 22 kW zur Verfügung gestellt werden. Zur Verfügung gestellt werden kann die Dreiphasen-Wechselspannung beispielsweise über Leistungsanschlüsse an Ladesäulen, wie sie durch die Normung IEC 62196, Typ 2 definiert ist, oder auch direkt über einen CEE-Dreiphasen-Steckverbinder, wie er beispielsweise in der Normung gemäß IEC 60309 definiert ist.
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Vorgeschriebene Ladevorrichtungen der gattungsgemäßen Art haben beim derzeitigen Stand der Technik Leistungen von 3,6 kW oder 7,2 kW. Beträgt die Leistung 7,2 kW, ist häufig noch eine aktive Phasenumschaltung vorgesehen, um eine Phasenschieflast bezüglich des Dreiphasen-Wechselspannungsnetzes zu reduzieren. Auch dies ist beispielsweise durch Normung geregelt, und zwar durch die Niederspannungsrichtlinie VDE-AR-N 4105 für Scheinleistungen von größer als 3,69 kVA. Solche Ladevorrichtungen bilden dabei eine geschlossene Einheit, die einen konstruktiven homogenen Aufbau bereitstellt.
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Obwohl sich der vorgenannte Stand der Technik bewährt hat, erweist es sich dennoch als nachteilig, dass bezüglich einer erforderlichen Phasenumschaltung ein aufwändiges Leistungsmodul innerhalb der Ladevorrichtung vorzusehen ist. Dies steht im Übrigen auch einer strukturierten Konstruktion entgegen, die fertigungstechnische Vorteile nach sich ziehen könnte. Darüber hinaus wird die durch das vorgenannte Dreiphasen-Wechselspannungsnetz bereitgestellte Leistung nicht voll genutzt. Dadurch sind vergleichsweise lange Ladezeiten für den Aufladevorgang der Hochvoltbatterie die Folge. Darüber hinaus erweist es sich als nachteilig, dass für eine Anschlussstation an das Dreiphasen-Wechselspannungsnetz Phasenanschlüsse mit entsprechenden Leitungsschutzvorrichtungen verlegt werden müssen, obwohl die verfügbaren Leistungen nicht vollständig genutzt werden können, im ungünstigsten Fall lediglich 3,6 kW bei verfügbaren 22 kW.
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Ferner erweist es sich als nachteilig, dass für die gesamte Ladevorrichtung eine einzige Kühlvorrichtung, und zwar eine Wasserkühlvorrichtung, vorgesehen ist, sodass bei einer Störung der Ladevorrichtung immer die komplette Ladevorrichtung ausgetauscht werden muss.
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Schließlich erweist es sich als nachteilig, dass Energiewandler der Ladevorrichtung immer für die gesamte maximale Batteriespannung der Hochvoltbatterie ausgelegt sein müssen, weil die Energiewandler, wenn mehr als ein Energiewandler vorhanden ist, im Parallelbetrieb betrieben werden.
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Weiterhin offenbart die
WO 2013/104408 A1 eine Ladeeinrichtung, die über eine Vielzahl von DC/DC-Wandlern entsprechend viele unabhängige Gleichspannungen bereitstellt. Schließlich offenbart die
JP 2013-81301 A einen Energiewandler mit drei Halbbrückenmodulen, die umschaltbar in unterschiedlichen Energieflussrichtungen als DC/DC-Wandler betrieben werden, um eine Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs sowohl mit einer Kraftfahrzeugbatterie als auch mit einem einphasigen öffentlichen Energieversorgungsnetz elektrisch zu koppeln.
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Insgesamt ist es die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ladevorrichtung bereitzustellen.
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Als Lösung wird mit der Erfindung eine Ladevorrichtung gemäß Anspruch 1, ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 8 sowie ein Verfahren gemäß dem weiteren unabhängigen Anspruch 9 vorgeschlagen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Ladevorrichtungsseitig wird in Bezug auf eine gattungsgemäße Ladevorrichtung insbesondere vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsanschlüsse der Lademodule in Reihe geschaltet an die erste Anschlusseinheit angeschlossen sind.
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Kraftfahrzeugseitig wird in Bezug auf ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug insbesondere vorgeschlagen, dass die Gleichspannungsanschlüsse der Lademodule in Reihe geschaltet an den elektrischen Energiespeicher angeschlossen sind.
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Schließlich wird verfahrensseitig bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens insbesondere vorgeschlagen, dass der Energiespeicher über die in Reihe geschalteten Gleichspannungsanschlüsse aufgeladen wird.
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Mit der Erfindung wird somit erstmals vorgeschlagen, dass gleichspannungsseitig die Lademodule nicht mehr parallelgeschaltet betrieben zu werden brauchen, sondern stattdessen in Reihe geschaltet betrieben werden können. Dabei ist die Verschaltung in der Reihenschaltung natürlich so zu verstehen, dass sich die einzelnen Gleichspannungen der Lademodule zu einer Gesamtspannung aufaddieren und nicht durch Verpolung eine teilweise Kompensation auftritt. Ist jeweils genau ein einziges Lademodul wechselspannungsseitig an genau eine einzige Phase des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes angeschlossen, werden somit sämtliche Lademodule gleichspannungsseitig vom gleichen elektrischen Strom durchströmt. Handelt es sich dabei der Art nach um identische Lademodule, kann darüber hinaus davon ausgegangen werden, dass jedes der Lademodule etwa die gleiche elektrische Gleichspannung bereitstellt. Das hat den Vorteil, dass die Lademodule nicht mehr für die volle Gleichspannung ausgelegt zu werden brauchen, die durch die maximale Batteriespannung des Energiespeichers, insbesondere der Hochvoltbatterie, vorgegeben ist. Durch geeignete Wahl kann erreicht werden, dass dadurch auch Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit bezüglich der Auslegung der jeweiligen Lademodule vereinfacht sein können, sodass eine Kostenersparnis erreicht werden kann.
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Vorzugsweise weist das Lademodul einen getakteten Energiewandler auf oder ist durch diesen gebildet. Das Lademodul kann ferner eine Gleichrichtereinheit aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Gleichrichterfunktion zugleich durch den getakteten Energiewandler bereitgestellt wird. Darüber hinaus kann das Lademodul auch einen Linearregler aufweisen, beispielsweise um eine elektrische Gleichspannung einzustellen.
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Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, die Ladevorrichtung modular aufzubauen, beispielsweise indem jedes Lademodul ein einziges Modul bildet, welches eine handhabbare und vorzugsweise auch einzeln prüfbare Baugruppe darstellt, die auf einfache Weise lösbar mit der Ladevorrichtung gekoppelt sein kann. Dies vereinfacht neben der Herstellung der Ladevorrichtung auch etwaige Wartungs- und Reparaturarbeiten. Natürlich kann an einer Phase des mehrphasigen Wechselspannungsnetzes auch vorgesehen sein, dass zwei oder mehrere Lademodule parallelgeschaltet angeschlossen sind, die dann zugleich auch gleichspannungsseitig entsprechend parallelgeschaltet sind. Dadurch kann eine matrixartige Verschaltung innerhalb der Ladevorrichtung erreicht werden, die ein hohes Maß an Flexibilität erlaubt. Auf diese Weise können unterschiedlich leistungsstarke Ladevorrichtungen durch lediglich Anpassung der Bestückung mit entsprechenden Lademodulen bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft erweist sich die Erfindung natürlich beim Einsatz bei dem üblichen dreiphasigen Wechselspannungsnetz, wie es durch das öffentliche Energieversorgungsnetz bereitgestellt wird. Wechselspannungsseitig können die Lademodule entweder in Sternschaltung oder auch in Dreieckschaltung an das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz angeschlossen sein. Je nach Leistungsbedarf kann auch eine Umschaltung bezüglich dieser Schaltungsvarianten vorgesehen sein. Insgesamt kann dadurch wechselspannungsseitig eine im Wesentlichen gleichmäßige Beanspruchung des dreiphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes erreicht werden. Die im Stand der Technik übliche aktive Phasenumschaltung kann gänzlich eingespart werden. Zugleich kann eine erheblich höhere Leistung gegenüber Ladevorrichtungen des Stands der Technik erreicht werden, wodurch auch Ladezeiten für das Aufladen der Hochvoltbatterie reduziert werden können.
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Mehrphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz im Sinne der Erfindung meint ein elektrisches Wechselspannungsnetz, welches wenigstens zwei Phasen aufweist, deren Wechselspannungen vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Frequenz und insbesondere auch etwa die gleiche Amplitude aufweisen, die jedoch hinsichtlich einer Phasenlage gegeneinander verschoben sind. Neben den jeweiligen Phasen, für die entsprechende Phasenleiter vorgesehen sind, umfasst das mehrphasige elektrische Wechselspannungsnetz in der Regel auch einen Nullleiter. Dieser kann zum Schließen des Stromkreises dienen, insbesondere bei einer unsymmetrischen Beanspruchung des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes. Er kann je nach Betriebsart im Betrieb auch stromlos sein. Darüber hinaus kann zusätzlich auch noch ein Schutzleiter vorgesehen sein. Mehrphasige elektrische Wechselspannungsnetze sind insbesondere das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz, welches – wie zuvor bereits erläutert – durch das öffentliche Energieversorgungsnetz bereitgestellt wird, ein vierphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz, ein fünfphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz und/oder dergleichen, wie sie beispielsweise bei besonderen Industrieinstallationen oder dergleichen zum Einsatz kommen. Mehrphasige elektrische Wechselspannungsnetze zeichnen sich unter anderem vorzugsweise dadurch aus, dass mit ihnen sogenannte Drehfelder erzeugbar sind, mittels denen rotierende elektrische Maschinen besonders günstig elektrisch betrieben werden können. Üblicherweise ist die Spannungsamplitude bei mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzen im Wesentlichen für jede Phase gleich. Bei einer symmetrischen Belastung des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes kann darüber hinaus erreicht werden, dass der Nullleiter des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes im Wesentlichen nicht mit elektrischem Strom beaufschlagt wird.
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Das Lademodul ist vorzugsweise ausgebildet, nur über den jeweiligen Wechselspannungsanschluss mit elektrischer Energie versorgt zu werden und durch Wandeln der wechselspannungsseitig zugeführten elektrischen Energie am jeweiligen Gleichspannungsanschluss die elektrische Gleichspannung bereitzustellen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Lademodule im Wesentlichen für die gleiche elektrische Leistung ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft sind sie darüber hinaus auch mechanisch im Wesentlichen identisch ausgebildet, sodass sie in nahezu beliebiger Weise ausgetauscht werden können.
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Die Erfindung sieht somit vor, dass entsprechend der Anzahl der Phasen des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes jeweils wenigstens ein Lademodul vorgesehen ist, das an genau diese Phase angeschlossen ist. Vorzugsweise ist der getaktete Energiewandler dann auch ausschließlich an dieser Phase angeschlossen.
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Die vorhergehenden sowie auch die folgenden Ausführungen gelten gleichermaßen für das elektrisch antreibbare Fahrzeug sowie für das Verfahren zum Aufladen eines an die Ladevorrichtung angeschlossenen elektrischen Energiespeichers eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass jedes der Lademodule am Gleichspannungsanschluss eine Bypass-Diode aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Lademodule bei aufgrund von dynamischen Vorgängen auftretenden Verpolungen auf der Gleichspannungsseite, die beispielsweise durch Toleranzen und/oder bei Schaltvorgängen entstehen können, gegen eine Verpolung geschützt sind. Eine solche Situation kann insbesondere beim Einschalten der Ladevorrichtung auftreten, beispielsweise wenn sich an den Gleichspannungsanschlüssen der Lademodule die Gleichspannung unterschiedlich schnell aufbaut. Durch die Bypass-Diode, die in Bezug auf die elektrische Gleichspannung im bestimmungsgemäßen Betrieb der Lademodule in Sperrrichtung an dem Gleichspannungsanschluss angeschlossen ist, kann somit insbesondere eine erhöhte Betriebssicherheit hinsichtlich dynamischer Anforderungen erreicht werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Ladevorrichtung eine Überwachungsschaltung aufweist, über die die in Reihe geschalteten Gleichspannungsanschlüsse der Lademodule an die erste Anschlusseinheit angeschlossen sind. Mittels der Überwachungsschaltung können Betriebszustände der Ladevorrichtung, insbesondere der Lademodule erfasst und überwacht werden. Darüber hinaus kann mittels der Überwachungsschaltung die gleichspannungsseitig vorgesehene Reihenschaltung der Gleichspannungsanschlüsse der Lademodule von dem elektrischen Energiespeicher elektrisch entkoppelt, insbesondere abgeschaltet werden. Dies ist beispielsweise sinnvoll, wenn die Ladevorrichtung eine Störung erkennt, und gefährliche Zustände vermieden werden sollen. Ein derartiger Zustand kann beispielsweise durch einen Defekt eines Lademoduls oder dergleichen hervorgerufen sein. Ein solcher Defekt kann beispielsweise ein Isolationsfehler oder dergleichen sein. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Überwachungsschaltung eine Verpolung eines angeschlossenen elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Hochvoltbatterie, erkennt und eine elektrische Kopplung der gleichspannungsseitig in Reihe geschalteten Lademodule mit dem elektrischen Energiespeicher verhindert. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass bei Störungen innerhalb des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes eine elektrische Entkopplung vorgesehen ist, beispielsweise, wenn bei dem mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetz eine oder mehrere Phasen ausfallen und so eine stark unsymmetrische Belastung des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes auftritt. Es ist nämlich ein Aspekt der Erfindung, durch die Schaltungstopologie zu erreichen, dass bei hoher Leistungsentnahme aus dem mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetz eine möglichst gleichmäßige Belastung des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes gewährleistet werden kann. Zu diesem Zweck ist insbesondere vorgesehen, dass die Lademodule vorzugsweise im Wesentlichen mit der gleichen elektrischen Leistung betrieben werden. Zu diesem Zweck kann die Ladevorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, die an die Lademodule angeschlossen ist und diese entsprechend steuert.
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Die Überwachungsschaltung kann darüber hinaus auch weitere Parameter der Ladevorrichtung, insbesondere der Lademodule überwachen und entsprechende Zustandsänderungen, insbesondere hinsichtlich der elektrischen Kopplung, steuern. So besteht die Möglichkeit, die Temperatur der Ladevorrichtung, insbesondere auch die Temperatur eines jeden der Lademodule, eine Funktion einer Kühlvorrichtung sowie gegebenenfalls lademodulindividueller Kühlmodule oder dergleichen zu überwachen.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Überwachungsschaltung eine Rückstromschutzdiode aufweist. Die Rückstromschutzdiode ist vorzugsweise in Reihe zu den gleichspannungsseitig in Reihe geschalteten Gleichspannungsanschlüssen der Lademodule geschaltet, und zwar derart, dass in bestimmungsgemäßem Ladungsbetrieb der elektrische Strom fließen kann. Durch die Rückstromschutzdiode kann sichergestellt werden, dass vom elektrischen Energiespeicher elektrische Energie nicht in die Ladevorrichtung eingespeist werden kann. Dadurch können die Lademodule vor einer unzulässigen Beaufschlagung mit elektrischer Energie auf der Gleichspannungsseite geschützt werden. Die Rückstromschutzdiode weist zu diesem Zweck vorzugsweise eine Sperrspannungsfestigkeit auf, die die Bemessungsspannung des elektrischen Energiespeichers um einen Schutzfaktor überschreitet, um sicherzustellen, dass die Spannungsfestigkeit der Rückstromschutzdiode in bestimmungsgemäßem Betrieb der Ladevorrichtung immer ausreicht.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass zum Bereitstellen eines modularen Aufbaus der Ladevorrichtung jedes der Lademodule als einzeln handhabbare Baueinheit ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Ladevorrichtung insgesamt modular auszubilden, sodass die Ladevorrichtung bei Bedarf auf einfache Weise hergestellt werden kann. So ist es möglich, die Lademodule als separat handhabbare Baueinheit bereitzustellen und vorzugsweise auch prüfen zu können. Dies erlaubt es, die Lademodule zwischenzulagern und erst bei Vorliegen von Aufträgen zur Herstellung der jeweiligen Ladevorrichtung diese entsprechend mit den Lademodulen zu bestücken. Dadurch, dass die Lademodule einzeln handhabbare Baueinheiten sind, können diese in nahezu beliebiger Weise in der Ladevorrichtung angeordnet sein. Darüber hinaus kann durch geeignete Wahl von Anschlusseinheiten, insbesondere durch Steckverbindungen gewährleistet werden, dass eine einfache Montage erreicht werden kann. Ferner erlaubt es diese Ausgestaltung natürlich auch, auf sehr einfache Weise eine Ladevorrichtung hinsichtlich einer Störung eines Lademoduls zu warten. Auf einfache Weise kann das gestörte Lademodul einfach durch ein anderes Lademodul, insbesondere eines, das hinsichtlich seiner Funktion bereits geprüft ist, ausgetauscht werden. Dies ist mit geringem Zeitaufwand möglich, sodass insgesamt die Verfügbarkeit der Ladevorrichtung verbessert ist.
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Vorzugsweise weist auch jedes der Lademodule eine eigene Kühleinheit auf, die von seiner Baueinheit umfasst ist. Dadurch kann der modulare Aufbau der Ladevorrichtung weiter verbessert werden, gerade wenn die Lademodule ihre eigene Kühleinheit umfassen. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Ladevorrichtung eine Kühlvorrichtung aufweist, welche die Kühleinheiten der Lademodule thermisch koppelt und die Wärmeenergie zuverlässig von den Lademodulen abführt. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass die Kühleinheiten beispielsweise eine Kühlplatte umfassen, die eine entsprechende Kontaktfläche der Kühlvorrichtung ladevorrichtungsseitig kontaktieren. Die Kontaktfläche der Ladevorrichtung kann beispielsweise mittels einer Luftkühlung, einer Wasserkühlung und/oder dergleichen ausgerüstet sein, um die Wärme abführen zu können. Zum Zwecke der thermischen Kopplung kann vorgesehen sein, dass die Kühlplatten an die entsprechenden Kontaktflächen lademodulseitig angepresst sind.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Lademodule ausgebildet sind, im Wesentlichen die gleiche elektrische Gleichspannung bereitzustellen. Dadurch können im Wesentlichen baugleiche Lademodule für die Erstellung der Ladevorrichtung genutzt werden. Darüber hinaus kann dadurch auch eine Standardisierung der Lademodule erreicht werden, sodass der modulare Aufbau der Ladevorrichtung insgesamt verbessert werden kann. Durch die Standardisierung kann im Übrigen auch erreicht werden, dass unterschiedliche Ladevorrichtungen für unterschiedliche Leistungsanforderungen erstellt werden können, indem lediglich eine entsprechende Anzahl von Lademodulen in der jeweiligen Ladevorrichtung angeordnet wird. Darüber hinaus kann auch die Herstellung der Lademodule günstiger erfolgen, weil diese aufgrund einer Standardisierung serienmäßig hergestellt und insbesondere auch geprüft werden können.
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Um die Ladevorrichtung an unterschiedliche elektrische Energiespeicher hinsichtlich der elektrischen Betriebsspannung gleichspannungsseitig anpassen zu können, wird insbesondere vorgeschlagen, dass wenigstens eines der Lademodule stromgeregelt und die weiteren der Lademodule spannungsgeregelt betrieben werden. Dies erlaubt es, die Gleichspannung, die an der ersten Anschlusseinheit für den elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird, bedarfsgerecht anzupassen und dadurch zu erreichen, dass der elektrische Energiespeicher in vorgebbarer Weise mit einem elektrischen Strom zum Zwecke des Aufladens beaufschlagt wird. Der elektrische Strom kann beispielsweise davon abhängig sein, um was für einen elektrischen Energiespeicher es sich handelt, was für eine Ladungskapazität er aufweist, welchen Ladezustand der elektrische Energiespeicher aufweist und/oder dergleichen. Insbesondere handelt es sich dabei um einen herstellerseitig vorgegebenen Parameter, der mittels der Ladevorrichtung realisiert wird, um den elektrischen Energiespeicher möglichst optimal zu laden, um eine möglichst schnelle Aufladung zu erreichen, um eine möglichst lange Lebensdauer des elektrischen Energiespeichers zu erreichen und/oder dergleichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer Ladevorrichtung des Stands der Technik, die an ein dreiphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz wechselspannungsseitig angeschlossen ist, mit zwei Lademodulen, die gleichspannungsseitig parallelgeschaltet an eine Hochvoltbatterie angeschlossen sind; und
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2 eine Ladevorrichtung gemäß der Erfindung, die an ein dreiphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz wechselspannungsseitig angeschlossen ist und die für jede Phase ein Lademodul aufweist, die gleichspannungsseitig parallelgeschaltet an eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs angeschlossen sind.
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1 zeigt eine Ladevorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, wie sie derzeit üblicherweise zum Einsatz kommt. Die Ladevorrichtung 10 weist eine erste Anschlusseinheit 16 auf, die an einen elektrischen Energiespeicher 14 angeschlossen ist, der vorliegend durch eine Hochvoltbatterie eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs gebildet ist. Das Kraftfahrzeug weist eine ebenfalls nicht dargestellte elektrische Antriebseinheit auf, die die Hochvoltbatterie 14 antriebstechnisch nutzt.
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Ferner weist die Ladevorrichtung 10 eine zweite Anschlusseinheit 18 auf, die an ein dreiphasiges elektrisches Wechselspannungsnetz 12, hier das öffentliche Energieversorgungsnetz angeschlossen ist. Aus der 1 ist nicht ersichtlich, dass die zweite Anschlusseinheit 18 für jede Phase P1, P2, P3 des dreiphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes 12 jeweils genau ein Anschlusselement aufweist. Jedes Anschlusselement ist somit mit genau einer der Phasen P1, P2, P3 elektrisch gekoppelt. Darüber hinaus weist die Ladevorrichtung 10 einen Anschluss für einen Nullleiter N sowie einen Anschluss für einen Schutzleiter S des dreiphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes 12 auf.
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Die Ladevorrichtung 10 umfasst ferner ein Lademodul 22 und ein Lademodul 24, die jeweils vorliegend als getaktete Energiewandler ausgebildet sind und die einen einphasigen Wechselspannungseingang aufweisen, der über eine aktive Phasenumschaltung 20 an das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz 12 angeschlossen ist. Gleichspannungsseitig sind die Lademodule 22, 24 parallelgeschaltet an die erste Anschlusseinheit 16 angeschlossen.
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Die Lademodule 22, 24 sind in einer gemeinsamen Baugruppe angeordnet. Um eine Phasenschieflast zu reduzieren, ist die aktive Phasenumschaltung 20 vorgesehen, mittels der die Lademodule 22, 24 wechselspannungsseitig in vorgebbarer Weise an die jeweiligen Phasen P1, P2, P3 des dreiphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes 12 angeschlossen werden. Dadurch soll unter anderem ein Einhalten der Niederspannungsrichtlinie VDE-AR-N 4105 erreicht werden. Die Ladevorrichtung 10 ist vorliegend mit einer Leistung von 3,6 kW oder mit 7,2 kW verfügbar. Bei der Leistung 7,2 kW ist die aktive Phasenumschaltung 20 erforderlich, um die Phasenschieflast zu vermeiden.
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Die Ladevorrichtung 10 hat sich zwar im Stand der Technik bewährt, jedoch benötigt sie innerhalb der Ladevorrichtung 10 ein aufwändiges Leistungsmodul in Form der aktiven Phasenumschaltung 20. Dadurch kann auch keine modulare Aufbauweise realisiert werden, weil bereits konstruktive Gründe dem entgegenstehen. Darüber hinaus kann die durch das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz 12 bereitgestellte Leistung nicht voll ausgeschöpft werden, weil entweder nur 3,6 kW oder nur 7,2 kW möglich sind. Das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz 12 in Form des öffentlichen Energieversorgungsnetzes im Bereich Niederspannung erlaubt es jedoch, je nach Anschlussart entweder 11 kW oder 22 kW bereitzustellen. Entsprechende Anschlüsse sind beispielsweise für eine Nennstrombelastung von 16 Ampere oder 32 Ampere ausgelegt. Darüber hinaus erweist sich die Ladevorrichtung 10 dahingehend als nachteilig, dass bei einer Störung immer die gesamte Ladevorrichtung 10 ausgetauscht beziehungsweise gewartet werden muss. Schließlich müssen die Lademodule 22, 24 immer für die gesamte Betriebsspannung der Hochvoltbatterie 14 ausgelegt sein, weil die Lademodule 22, 24 parallelgeschaltet betrieben werden.
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Diesbezüglich kann mittels der Erfindung Abhilfe geschaffen werden. 2 zeigt eine entsprechende Ladevorrichtung 30 gemäß der Erfindung, die ebenfalls eine erste Anschlusseinheit 16 aufweist, die an den elektrischen Energiespeicher 14 angeschlossen ist. Darüber hinaus weist die Ladevorrichtung 30 ebenfalls eine zweite Anschlusseinheit 18, die an das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz 12 angeschlossen ist und – ebenso wie bei der Ausführung gemäß 1 – jeweils ein Anschlusselement für jede Phase P1, P2, P3 sowie des Nullleiters N und des Schutzleiters S des mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes 12 aufweist. Insoweit, was die Anschlussmöglichkeiten nach außen betrifft, entspricht die Ladevorrichtung 30 somit weitgehend der Ladevorrichtung 10.
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Unterschiedlich hingegen ist nunmehr der Aufbau der Ladevorrichtung 30. Anders als bei der Ausgestaltung gemäß 2 ist bei der Ausgestaltung gemäß der Erfindung nach 2 nunmehr pro Phase P1, P2, P3 des dreiphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes 12 genau ein Lademodul 32, 34, 36 in Form eines getakteten Energiewandlers vorgesehen. Jedes der Lademodule 32, 34, 36 weist genau einen jeweiligen Wechselspannungsanschluss 56, 58, 60 auf, der dem Zuführen einer einphasigen elektrischen Wechselspannung dient. Sie sind wechselspannungsseitig in Sternschaltung angeschlossen. Jedes der Lademodule 32, 34, 36 weist darüber hinaus einen jeweiligen Gleichspannungsanschluss 62, 64, 66 zum Bereitstellen einer jeweiligen Gleichspannung auf. Der jeweilige Wechselspannungsanschluss 56, 58, 60 ist an dem Anschlusselement der dem Lademodul 32, 34, 36 zugeordneten Phase P1, P2, P3 des dreiphasigen elektrischen Wechselspannungsnetzes 12 angeschlossen. Jedes der Lademodule 32, 34, 36 ist ferner an eine nicht weiter dargestellte Steuereinheit der Ladevorrichtung 30 angeschlossen. Mittels der Steuereinheit können die Lademodule 32, 34, 36 aktiviert oder deaktiviert werden. Darüber hinaus können Parameter wie elektrische Spannung, elektrischer Strom und/oder dergleichen eingestellt werden. Schließlich erfasst die Steuereinheit auch eine jeweilige Lademodultemperatur zum Zwecke der Temperaturüberwachung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gleichspannungsanschlüsse 62, 64, 66 der Lademodule 32, 34, 36 in Reihe geschaltet an die erste Anschlusseinheit 16 angeschlossen sind. Vorliegend erfolgt der Anschluss über eine Überwachungsschaltung 44, die ein elektromechanisches Schaltelement in Form eines Schaltkontaktes 46 aufweist. Darüber hinaus umfasst die Überwachungsschaltung 44 eine Rückstromschutzdiode 48, die ebenfalls in Reihe zu der Reihenschaltung aus den Gleichspannungsanschlüssen 62, 64, 66 angeschlossen ist. Durch die Rückstromschutzdiode 48 wird erreicht, dass die Hochvoltbatterie 14 nicht in unerwünschter Weise elektrische Energie in die Ladevorrichtung 30 einspeisen kann und so zu Beschädigungen innerhalb der Ladevorrichtung 30, insbesondere in Bezug auf die Lademodule 32, 34, 36 führen kann. Auch die Überwachungsschaltung 44 ist vorliegend an die Steuereinheit angeschlossen.
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Die Überwachungsschaltung 44 überwacht vorliegend die elektrische Spannung an der ersten Anschlusseinheit 16 sowie auch die Temperatur der Lademodule 32, 34, 36. Darüber hinaus wird mittels eines nicht weiter dargestellten Stromsensors auch der elektrische Strom überwacht, der über die erste Anschlusseinheit 16 strömt. Weiterhin wird die elektrische Spannung der Phasen P1, P2, P3 sowie auch der elektrische Strom in diesen Phasen überwacht. Treten unzulässige Zustände auf, wird mittels des elektromechanischen Schaltelements 46 gleichstromseitig der Stromkreis geöffnet, sodass ein Stromfluss über die erste Anschlusseinheit 16 unterbrochen ist.
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Weiterhin weist die Ladevorrichtung 30 bezüglich jedes der Lademodule 32, 34, 36 gleichspannungsseitig jeweils eine Bypass-Diode 50, 52, 54 auf. Die Bypass-Dioden 50, 52, 54 dienen dazu, bei dynamischen Vorgängen, insbesondere beim Einschalten der Ladevorrichtung 30, eine Spannungsverpolung gleichspannungsseitig an den Gleichspannungsanschlüssen 62, 64, 66 zu verhindern. Dadurch können die Lademodule 32, 34, 36 vor Verpolung geschützt werden.
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Die vorliegende Ausgestaltung gemäß 2 erlaubt es darüber hinaus, die Ladevorrichtung 30 zum Bereitstellen eines modularen Aufbaus auszubilden. Vorliegend ist vorgesehen, dass jedes der Lademodule 32, 34, 36 als einzeln handhabbare Baueinheit ausgebildet ist. Dadurch kann bei der Herstellung aber auch bei der Wartung jedes Lademodul einzeln auf einfache Weise angeordnet beziehungsweise ausgetauscht werden. Besonders vorteilhaft ist vorliegend vorgesehen, dass zur Herstellung der elektrischen Verbindungen elektrische Steckverbinder vorgesehen sind, sodass aufwändige Montagearbeiten reduziert werden können.
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Weiterhin weist vorliegend jedes der Lademodule 32, 34, 36 eine eigene Kühleinheit 38, 40, 42 nach Art einer Kühlplatte auf. Die Kühleinheit 38, 40, 42 ist jeweils von der Baueinheit des Lademoduls 32, 34, 36 umfasst. Dadurch kann die handhabbare Baueinheit nicht nur das Lademodul, sondern zugleich auch noch seine Kühlung in geeigneter Weise umfassen. Dies erlaubt es, einzelne Lademodule 32, 34, 36 unabhängig vom Betrieb in der Ladevorrichtung 30 zu prüfen. Die Kühlplatten 38, 40, 42 kontaktieren eine entsprechende, in 2 nicht dargestellte Kontaktfläche der Ladevorrichtung 30. Die Kühlplatten 38, 40, 42 dienen dem Abführen von Wärmeenergie, die während des Wandlungsvorgangs in den Lademodulen 32, 34, 36 entsteht. Zu diesem Zweck sind die Kühlplatten 38, 40, 42 mit entsprechenden Kontaktflächen der Ladevorrichtung 30 thermisch gekoppelt, sodass die thermische Energie hierüber abgeführt werden kann. Die Ladevorrichtung 30 weist ein nicht näher dargestelltes, an die Kontaktfläche ein thermisch angekoppeltes Kühlsystem auf, was vorliegend durch eine Luftkühlung realisiert ist. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Flüssigkeitskühlung beispielsweise unter Nutzung eines Kühlmittels wie Wasser oder dergleichen vorgesehen sein.
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Vorliegend ist ferner vorgesehen, dass die Lademodule 32, 34, 36 ausgebildet sind, im Wesentlichen die gleiche elektrische Gleichspannung bereitstellen zu können. Dadurch können die Lademodule 32, 34, 36 standardisiert werden und die Fertigung sowie auch die Wartung kann erleichtert werden. Im Übrigen ermöglicht es die Reihenschaltung auf der Gleichspannungsseite, dass die Lademodule 32, 34, 36 nicht mehr für die gesamte elektrische Betriebsspannung der Hochvoltbatterie 14 ausgelegt zu sein brauchen. Das reduziert den Aufwand in Bezug auf die elektrische Sicherheit.
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Um eine Anpassung an die Hochvoltbatterie 14 zu ermöglichen, ist vorliegend vorgesehen, dass das Lademodul 36 stromgeregelt und die Lademodule 32 und 34 spannungsgeregelt betrieben werden. Dadurch kann im Rahmen des Regelbereichs eine Spannungsanpassung ermöglicht werden, wobei zugleich durch die Stromregelung die Hochvoltbatterie 14 in vorgebbarer Weise mit elektrischem Strom zum Zwecke des Aufladens beaufschlagt werden kann. Dies ermöglicht es in hochflexibler Weise, die elektrischen Parameter in Bezug auf die Hochvoltbatterie 14 einstellen zu können, sodass ein optimales Laden, beispielsweise in Bezug auf eine Ladegeschwindigkeit, eine möglichst lange Lebensdauer und/oder dergleichen erreicht werden kann. Da alle Lademodule 32, 34, 36 gleichspannungsseitig vom gleichen Gleichstrom durchströmt werden, kann eine hochflexible Einstellung erreicht werden.
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Vorzugsweise sind die Lademodule 32, 34, 36 mittels der nicht weiter dargestellten Steuereinheit der Ladevorrichtung 30 derart gesteuert, dass sie im Wesentlichen etwa die gleiche elektrische Leistung umsetzen. Dadurch kann erreicht werden, dass wechselspannungsseitig das dreiphasige elektrische Wechselspannungsnetz 12 im Wesentlichen symmetrisch beansprucht wird. Die sich im Stand der Technik häufig einstellende Phasenschieflage kann dadurch im Wesentlichen vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Die im Stand der Technik dadurch erforderliche aktive Phasenumschaltung 20 kann durch die Erfindung vollständig eingespart werden. Darüber hinaus kann durch die Erfindung erreicht werden, dass die Ladevorrichtung 30 den modularen Aufbau realisiert. Die zuvor bereits diskutierten Vorteile können dadurch erreicht werden. Darüber hinaus kann durch die Überwachungsschaltung 44 ein hohes Maß an Sicherheit, insbesondere in Bezug auf die Ladevorrichtung 30, aber auch in Bezug auf die angeschlossenen Einrichtungen wie der Hochvoltbatterie 14 und dem Wechselspannungsnetz 12 erreicht werden. Die Überwachungsschaltung 44 ist vorliegend insbesondere auch dazu ausgebildet, die Ladevorrichtung 30 insgesamt schon bei Störung lediglich eines einzigen der Lademodule 32, 34, 36 abzuschalten. Darüber hinaus kann in Bezug auf die Ladevorrichtung 30 vorgesehen sein, dass die Kühlplatten 38, 40, 42 thermisch untereinander seriell verbunden sind. Dadurch kann ein thermischer Ausgleich unter den Lademodulen 32, 34, 36 erfolgen.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Weiterhin ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für das entsprechende Verfahren gelten und umgekehrt. Insbesondere können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0180252 A1 [0002]
- WO 2013/104408 A1 [0009]
- JP 2013-81301 A [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Normung IEC 62196 [0004]
- Normung gemäß IEC 60309 [0004]
