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Stand der Technik
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Zur Steuerung und zum Versorgen von elektronischen Komponenten eines Fahrzeugs mit bspw. einer elektrischen Maschine mit Elektrizität, d. h. mit elektrischem Strom bzw. Spannung, werden traditionellerweise Kabelbäume eingesetzt, die aufwändig an ein jeweiliges Fahrzeug angepasst werden müssen und entsprechend viel Konstruktionsaufwand bedingen.
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Weiterhin müssen Steuerungselemente zur Steuerung sowie Energiespeicher zum Versorgen jeweiliger elektronischer Komponenten eines Fahrzeugs mit Elektrizität in dem Fahrzeug verteilt und jeweils unabhängig voneinander verkabelt und gesichert werden.
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Bemühungen zum Verbessern einer Versorgungsstruktur zur Steuerung und zum Versorgen jeweiliger elektronischer Komponenten mit Elektrizität richten sich zumeist auf die Verwendung zentraler Steuergeräte und/oder eine Verwendung von zentralen Datenleitungen. Derartige Systeme sind in ihrer Funktionalität stets speziell an ein jeweiliges Fahrzeug angepasst und entsprechend wenig skalierbar bzw. veränderbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Energieversorgungselement nach Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 und ein Fahrzeug nach Patentanspruch 15 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
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Das vorgestellte Energieversorgungselement dient insbesondere zum Steuern elektronischer Komponenten eines Fahrzeugs und zur Versorgung der elektronischen Komponenten mit Elektrizität, d. h. mit elektrischem Strom bzw. Spannung. Dazu ist vorgesehen, dass elektronische Module zur Steuerung und/oder zur Versorgung jeweiliger elektronischer Komponenten mit Elektrizität an dem vorgestellten Energieversorgungselement angeordnet werden, das eine Stromschiene, d. h. eine Leitung zum Versorgen jeweiliger an dem Energieversorgungselement angeordneter elektronischer Module, und ggf. mindestens eine Datenleitung, wie bspw. einen Bus, zum Übertragen von Kommunikationsdaten umfassen kann.
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Um möglichst viele unterschiedlich konfigurierte Fahrzeuge mit einer Ausgestaltung des vorgestellten Energieversorgungselements auszurüsten, ist vorgesehen, dass das vorgestellte Energieversorgungselement modular zu bestücken ist, d. h. mit verschiedenen elektronischen Modulen zu kombinieren ist, um eine fahrzeugspezifische Konfiguration des Energieversorgungselements zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass verschiedene elektronische Module, wie bspw. Steuergeräte oder Energiespeicher unterschiedlicher Kapazität an dem Energieversorgungselemente angeordnet werden können, so dass eine zu den Anforderungen eines Fahrzeugs passende Versorgungstruktur bereitgestellt werden kann. Dabei kann das vorgestellte Energieversorgungselement unabhängig von einem jeweiligen Fahrzeug mit elektronischen Modulen bestückt und anschließend vorkonfiguriert in das entsprechende Fahrzeug eingebaut werden, so dass aufwändige partielle Einbauarbeiten für Teile einer Versorgungsstruktur entfallen können.
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Das vorgestellte Energieversorgungselement ermöglicht eine Montage eines Fahrzeugs nach einem Baukastenprinzip, bei dem eine komplette Versorgungsstruktur zur Versorgung elektronischer Komponenten des Fahrzeugs als einzelner Baustein außerhalb des Fahrzeugs vorkonfiguriert und anschließend schnell und einfach in dem Fahrzeug verbaut werden kann.
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Eine fahrzeugspezifische Konfiguration des vorgestellten Energieversorgungselements, d. h. eine Konfiguration des vorgestellten Energieversorgungselements, die jeweilige einer Konfiguration eines jeweiligen Fahrzeugs entsprechende bzw. zur Steuerung und/oder zum Versorgen mit Elektrizität von Komponenten des Fahrzeugs geeignete elektronische Module umfasst, wird mit dem vorgestellten Energieversorgungselement dadurch ermöglicht, dass das Energieversorgungselement mit fahrzeugspezifischen elektronischen Modulen bestückt wird. Dies bedeutet, dass jeweilige elektronische Module an dem vorgestellten Energieversorgungselement angeordnet und über von dem Energieversorgungselement umfasste Anschlüsse, die insbesondere standardisiert sind, mit diesem reversibel verbunden werden. Mittels standardisierter Anschlüsse ist es möglich, elektronische Module permutierend an dem Energieversorgungselement anzuordnen. Entsprechend können bspw. bei einer Fertigung auf einer Fertigungsstraße verschiedene Energiespeichertypen zwischen verschiedenen Fahrzeugbaureihen bereits vorkonfiguriert durch entsprechende Energieversorgungselemente bereitgestellt werden, so dass identische Arbeitsplätze zum Einbau verschiedener Versorgungsstrukturen verwendet werden können.
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Weiterhin ermöglicht es das vorgestellte Energieversorgungselement auch nach einem Einbau in ein Fahrzeug elektronische Module, wie bspw. einen veralteten Energiespeicher, schnell und effizient gegen einen neueren Energiespeicher auszutauschen.
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Das vorgestellte Energieversorgungselement kann unabhängig von einem jeweiligen Fahrzeug hergestellt und getestet werden, so dass aufwändige Fahrzeugtests am Ende einer Produktionskette entfallen können. Insbesondere kann das Energieversorgungselement schnell aus einem Fahrzeug ausgebaut und als komplette Einheit geprüft werden. Dabei ist es möglich, durch partiellen Austausch elektronischer Module einen Fehler in einem Energieversorgungselement schnell und einfach zu diagnostizieren und entsprechend zu korrigieren.
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Es ist denkbar, dass an dem vorgestellten Energieversorgungselement Anzeigeelemente angeordnet sein können, die einen Status des Energieversorgungselements und/oder jeweiliger an dem Energieversorgungselement angeordneter elektronischer Module anzeigen. Dies bedeutet, dass ein Techniker mit einem Blick erkennen kann, welches elektronische Modul einen Defekt verursacht.
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Unter Verwendung des vorgestellten Energieversorgungselements kann auf eine aufwändige fahrzeugindividuelle Konfiguration von Versorgungsleitungen bzw. einer Versorgungsstruktur zum Steuern und/oder zum Versorgen jeweiliger elektronischer Komponenten mit Elektrizität durch bspw. einen Kabelbaum verzichtet werden. Ein Fahrzeug benötigt unter Verwendung des vorgestellten Energieversorgungselements lediglich Raum zum Einbau des Energieversorgungselements und Versorgungsleitungen zur Kopplung elektronischer Komponenten mit dem vorgestellten Energieversorgungselement über bspw. Stromverteiler.
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Das vorgestellte Energieversorgungselement ermöglicht eine kompakte und gewichtsoptimierte Anordnung einer elektronischen Versorgungsstruktur zur Versorgung elektronischer Komponenten eines Fahrzeugs in dem Fahrzeug. Insbesondere aufgrund der von dem vorgestellten Energieversorgungselement umfassten Stromschiene, die bspw. als Kabelleitung ausgestaltet sein kann, können aufwändige Verkabelungen zu verteilt in dem Fahrzeug angeordneten elektronischen Komponenten reduziert werden.
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Weiterhin ermöglicht das vorgestellten Energieversorgungselement eine effiziente Diagnose bzw. eine einfache Reparatur durch bspw. einen Austausch des Energieversorgungselements oder eines elektronischen Moduls. Es ist insbesondere vorgesehen, dass elektronische Module mittels Anschlüssen, die bspw. als Steckverbinder ausgestaltet sein können, mit dem Energieversorgungselement verbunden werden. Entsprechend können elektronische Module einfach ausgesteckt und ausgetauscht werden.
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Durch eine an dem Energieversorgungselement vorgesehene Diagnoseschnittstelle können das Energieversorgungselement an sich und/oder an dem Energieversorgungselement angeordnete elektronische Module auf ihre Funktion geprüft werden, ohne das weiterführende Kenntnisse über ein jeweiliges durch das Energieversorgungselement versorgtes Fahrzeug vorausgesetzt werden müssen.
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Unter einem elektronischen Modul ist jedes elektronische Element zum Steuern einer elektronischen Komponente eines Fahrzeugs und/oder zur Versorgung einer elektronischen Komponente eines Fahrzeugs mit Elektrizität zu verstehen.
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Insbesondere ist unter einem elektronischen Modul zur Anordnung an dem vorgestellten Energieversorgungselement ein elektronisches Modul der folgenden Liste an elektronischen Modulen zu verstehen: Energiespeicher, Antriebsbatterie, Stromwandler, Spannungswandler, Energieverteiler und Steuergerät.
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Um mit an dem vorgestellten Energieversorgungselement angeordneten elektronischen Modulen zu kommunizieren und/oder eine Kommunikation von an dem Energieversorgungselement angeordneten elektronischen Modulen zu ermöglichen, kann das Energieversorgungselement eine oder mehrere Kommunikationsleitungen umfassen, an die die elektronischen Module bspw. über einen Anschluss anzuschließen sind. Entsprechend ist insbesondere vorgesehen, dass das vorgestellte Energieversorgungselement eine Kommunikationsschnittstelle umfasst, mittels derer Daten mit einem jeweiligen Fahrzeug ausgetauscht werden können.
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Das vorgestellte Energieversorgungselement ist vorteilhafterweise als modulares System ausgestaltet, das durch variierende elektronische Komponenten an Anforderungen eines Fahrzeugs angepasst werden kann. Unter einer Anforderung eines Fahrzeugs ist eine zur Versorgung des Fahrzeugs bzw. jeweiliger elektronischer Komponenten des Fahrzeugs benötigte Versorgungsstruktur zu verstehen, die bspw. eine vorgegebene Kapazität eines Energiespeichers oder eine benötigte Bandbreite einer Kommunikationsleitung bereitstellen muss. Je nach Fahrzeug kann das vorgestellte Energieversorgungselement mit unterschiedlichen elektronischen Modulen bestückt werden, so dass ein Fahrzeug direkt in Abhängigkeit von Vorgaben des Energieversorgungselements, wie bspw. Abmaßen oder einem Gewicht und entsprechend unabhängig von jeweiligen elektronischen Modulen konstruiert werden kann. Dies bedeutet, dass unter Verwendung des vorgestellten Energieversorgungselements bei einer Konstruktion eines Fahrzeugs auf aufwändige konstruktive Maßnahmen zur Bereitstellung einer dem Fahrzeug entsprechenden Versorgungsstruktur verzichtet werden kann, so dass eine Entwicklungszeit des Fahrzeugs gegenüber einer traditionellen Konstruktionsart wesentlich verkürzt wird.
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Um an dem vorgestellten Energieversorgungselement angeordnete elektronische Module bspw. bei einem Unfall zu schützen, kann das vorgestellte Energieversorgungselement als Hohlkörper ausgestaltet sein, der aus einem plastisch deformierbaren Material, wie bspw. Duroplast, besteht. Durch ein plastisch deformierbares Material kann ein bei einem Unfall stattfindender Energieeintrag in ein Inneres des Energieversorgungselements hinein bzw. auf elektronische Module vermieden oder zumindest gegenüber einer steifen Hülle reduziert werden, so dass die elektronischen Module gegenüber einer Anordnung in einer steifen Hülle weniger stark beschleunigt und insbesondere Batteriezellen vor einem Überlaufen geschützt werden. Mit einer plastisch deformierbaren Hüllstruktur des vorgestellten Energieversorgungselements können bspw. gesetzliche Vorgaben an eine Unfallsicherheit umgesetzt werden, ohne dass ein jeweiliges Fahrzeug diesbezüglich konstruiert werden muss.
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Weiterhin ermöglicht das vorgestellte Energieversorgungselement einen gegenüber einer traditionellen Infrastruktur mit einem Kabelbaum reduzierten Materialbedarf, da das Energieversorgungselement eine kompakte Anordnung von elektronischen Modulen ermöglicht, die über eine entsprechend kurze Stromschiene verbunden werden.
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Selbstverständlich kann im Inneren des vorgestellten Energieversorgungselements jede technisch geeignete Komponente eines Fahrzeugs, wie bspw. ein Massekabel, angeordnet werden. Dabei ist es auch denkbar, dass das Energieversorgungselement selbst, bspw. mittels einer elektrisch leitenden Beschichtung aus Kupfer oder Aluminium an einer Innenseite des Energieversorgungselements, als Massekabel oder Datenkabel ausgestaltet ist und an der Innenseite entsprechende Massenanschlüsse bzw. Kommunikationsanschlüsse zum Versorgen elektronischer Module bereitstellt.
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Das vorgestellte Energieversorgungselement kann in jeder technisch geeigneten Position in einem Fahrzeug angeordnet werden, insbesondere jedoch in Längsrichtung, bspw. entlang einem Mitteltunnel. Durch eine Anordnung in einem Mitteltunnel kann das Energieversorgungselement schnell und einfach bspw. für Wartungsarbeiten oder einen Austausch eines elektronischen Moduls erreicht werden. Dabei kann der Mitteltunnel nach außen bspw. mit einer Wartungsklappe gegen äußere Einflüsse wie bspw. Witterung oder Steinschlag geschützt werden.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Anschlüsse zum Verbinden eines elektronischen Moduls mit dem vorgestellten Energieversorgungselement einheitlich, d. h. standardisiert, sind, so dass elektronische Module zwischen verschiedenen Energieversorgungselementen problemlos ausgetauscht werden können.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Versorgen mindestens einer elektronischen Komponente eines Fahrzeugs mit Elektrizität, bei dem mindestens ein elektronisches Modul über einen Anschluss aus einer Vielzahl Anschlüsse mit einem Energieversorgungselement reversibel verbunden und über eine von dem Energieversorgungselement umfasste Stromschiene mit Elektrizität versorgt wird, und bei dem mindestens ein an dem Energieversorgungselement angeordneter Energiespeicher über mindestens einen Stromverteiler des Energieversorgungselements mit dem Fahrzeug elektrisch verbunden wird und die mindestens eine Komponente des Fahrzeugs mit Elektrizität versorgt und/oder steuert.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Energieversorgungselements.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Struktur zum Versorgen eines Fahrzeugs mit Elektrizität gemäß dem Stand der Technik.
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2 zeigt einen Vergleich eines Verkabelungsaufwands zwischen einer Verkabelung des Fahrzeugs gemäß 1 und einer Anordnung der Batterien mittels einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Energieversorgungselements.
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3 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Energieversorgungselements in einem Fahrzeug.
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4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Energieversorgungselements in einem weiteren Fahrzeug.
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5 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Energieversorgungselements in dem Fahrzeug aus 3.
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In 1 ist ein Fahrzeug 1 dargestellt, in dem verschiedene elektronische Komponenten verteilt angeordnet sind. Eine erste Batterie 3 dient dabei zur Versorgung eines 12 Volt Bordnetzes, eine zweite Batterie 5 als Starterbatterie einer Brennkraftmaschine und eine dritte Batterie 7 zur Versorgung eines 24 Volt Bordnetzes.
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Die Batterien 3, 5 und 7 sind verteilt in dem Fahrzeug 1 angeordnet und über entsprechend lange Leitungen mit entsprechenden Stromabnehmern und Steuergeräten verbunden, wie es in 2 exemplarisch dargestellt ist.
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In 2 ist ein Verkabelungsschema der Batterien 3, 5 und 7 aus 1 dargestellt. Eine Leitung 9 verläuft von der Batterie 3 zu einer Leitung 11, die die Batterien 5 und 7 verbindet.
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Im Gegensatz zu den Leitungen 9 und 11 sind Batterien 13, 15 und 17 an einem Energieversorgungselement 19 angeordnet, das die Batterien 13, 15 und 17 über eine Stromschiene 21 direkt miteinander verbindet. Die Batterien 13, 15 und 17 können in ihrer Position auf dem Energieversorgungselement 19 beliebig getauscht werden, da diese über standardisierte Anschlüsse, d. h. Anschlüsse die an Aufnahmen des Energieversorgungselements 19 gleich sind, mit dem Energieversorgungselement 19 verbunden sind.
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Durch die direkte Verbindung der Batterien 13, 15 und 17 über die Stromschiene 21 kann die Stromschiene 21 gegenüber den Leitungen 9 und 11 kürzer ausfallen. Vorliegend messen die Leitungen 9 und 11 bspw. 8 Meter und die Stromschiene 21 6 Meter. Entsprechend kann die Stromschiene 21 gegenüber den Leitungen 9 und 11 um ca. 25 % kürzer ausfallen und benötigt entsprechend weniger Material.
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In 3 ist ein Fahrzeug 30 dargestellt. In dem Fahrzeug 30 ist ein Energieversorgungselement 31 angeordnet. Das Energieversorgungselement 31 umfasst verschiedene elektronische Module, wie bspw. einen ersten DC/DC-Wandler 32, einen ersten Stromverteiler 33, ein erstes Batteriemodul 34, ein zweites Batteriemodul 35, einen zweiten DC/DC-Wandler 36, einen zweiten Stromverteiler 37, ein drittes Batteriemodul 38 und einen dritten Stromverteiler 39, die jeweils über eine durch das Energieversorgungselement 31 verlaufende Kommunikationsleitung untereinander in kommunikativer Verbindung stehen.
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Mit dem ersten Batteriemodul 34 und dem zweiten Batteriemodul 35, die durch das Energieversorgungselement 31 seriell verschaltet sind, kann eine elektrische Maschine 40 mit Elektrizität versorgt werden. Dazu ist das Energieversorgungselement 31 direkt mit der elektrischen Maschine 40 verbunden.
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Durch das dritte Batteriemodul 38 können bspw. Steuergeräte 41 zum Regeln einer Wankstabilisierung des Fahrzeugs 30 mit Elektrizität versorgt werden. Dazu sind die Steuergeräte 41 über den ersten Stromverteiler 33 mit dem Energieversorgungselement 31 verbunden.
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Über den zweiten Stromverteiler 37 wird eine Sitzheizung 43 des Fahrzeugs 30 mit dem Energieversorgungselement 31 verbunden und entsprechend mit Elektrizität versorgt.
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Der dritte Stromverteiler 39 verbindet eine Beleuchtungsanlage 45 des Fahrzeugs 30 mit dem Energieversorgungselement 31, um diese mit Elektrizität zu versorgen.
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In 4 ist ein Fahrzeug 50 dargestellt, das ein Energieversorgungselement 31 umfasst, das mit verschiedenen elektronischen Modulen, wie bspw. einem Kommunikationsmodul 51, einem ersten Batteriemodul 52, einem ersten DC/DC-Wandler 53, einem ersten Stromverteiler 54, einem zweiten Batteriemodul 55, einem dritten Batteriemodul 56, einem zweiten Stromverteiler 57 und einem zweiten DC/DC-Wandler 58 bestückt ist.
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Das Kommunikationsmodul 51 versorgt ein elektronisches Bremssystems 60 des Fahrzeugs 50 mit Daten, die bspw. dem dritten Batteriemodul 56 bereitgestellt werden. Weiterhin leitet das Kommunikationsmodul 51 Daten von dem elektronischen Bremssystem 60 über einen vor dem Energieversorgungselement 31 umfassten Bus zu einer Beleuchtungsanlage 61 des Fahrzeugs 50.
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Der zweite Stromverteiler versorgt sowohl eine Sitzheizung 63 als auch die Beleuchtungsanlage 61 mit durch das dritte Batteriemodul 56 bereitgestellter Elektrizität.
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Der erste Stromverteiler 54 versorgt eine weitere Sitzheizung 65 für vordere Sitze des Fahrzeugs 50 mit Elektrizität aus dem ersten Batteriemodul 52.
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In 5 ist das Fahrzeug 30 aus 3 dargestellt, bei dem das Energieversorgungselement 31 mit anderen elektronischen Modulen bestückt wurde, um eine Reichweite und eine Leistung der elektrischen Maschine 40 zu erhöhen.
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Das Energieversorgungselement 31 ist hier mit einem Inverter 70, einem ersten Hochspannungsbatteriemodul 71, einem zweiten Hochspannungsbatteriemodul 72, einem dritten Hochspannungsbatteriemodul 73, einem vierten Hochspannungsbatteriemodul 74, einem fünften Hochspannungsbatteriemodul 75, einem DC/DC-Wandler 76 und einem Stromverteiler 77 bestückt.
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Durch den DC/DC-Wandler 76, der zur Wandlung von 100 Volt Spannung in 12 Volt Spannung konfiguriert ist, kann die Sitzheizung 43 mit Elektrizität versorgt werden, ohne das dazu eine separate 12 Volt Spannungsquelle erforderlich ist.
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Der Stromverteiler 77 versorgt die Beleuchtungsanlage 45 und einen weiteren Komfortverbraucher 79 mit durch den DC/DC-Wandler 76 bereitgestellter 12 Volt Spannung.
