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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Laden einer Batterie. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Energieversorgungsvorrichtung für ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Laden einer Fahrzeugbatterie eines Elektrofahrzeugs.
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Stand der Technik
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Aufgrund der hohen auftretenden elektrischen Spannungen müssen bei einem Ladevorgang eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. So ist es beispielsweise aus der
WO 2012/055612 A1 bekannt, einen Ladevorgang dann zu unterbrechen, wenn eine Beschleunigung des Fahrzeugs ermittelt wird.
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Zusätzlich stellen die auftretenden Spannungen auch besondere Anforderungen an die Dimensionen und Ausmessungen der verwendeten elektronischen Komponenten und Bauteile. So dürfen die Luftstrecken und Kriechstrecken zwischen zwei leitenden Teilen vorgegebene Schwellenwerte nicht unterschreiten, welche von den auftretenden elektrischen Spannungen, der Betriebshöhe und gegebenenfalls von der Verschmutzung durch leitende Partikel abhängen. Dadurch steigt jedoch der Bauraumbedarf.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 und ein Verfahren zum Laden einer Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Energieversorgungsvorrichtung, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einer Batterie zum Bereitstellen von Gleichspannung und einer Ladeschnittstelle, um die Batterie zum Laden mit einer externen Energiequelle zu verbinden. Weiter umfasst die Energieversorgungsvorrichtung eine Ausgangsschnittstelle zum Koppeln mit einem Verbraucher. Eine Schaltereinrichtung ist zwischen der Batterie und der Ausgangsschnittstelle geschaltet. Eine Ladezustandserkennungseinrichtung ist dazu ausgebildet, zu erkennen, dass die Batterie über die Ladeschnittstelle geladen wird. Eine Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Schaltereinrichtung zu öffnen, wenn die Ladezustandserkennungseinrichtung erkennt, dass die Batterie über die Ladeschnittstelle geladen wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einer Energieversorgungsvorrichtung und einem Antriebsstrang, welcher mit der Ausgangsschnittstelle der Energieversorgungsvorrichtung gekoppelt ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie eines Elektrofahrzeugs. Eine Schaltereinrichtung, welche zwischen der Batterie und einem Verbraucher geschaltet ist, wird geöffnet. Die Batterie wird mittels einer externen Energiequelle geladen.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Beim Laden einer Fahrzeugbatterie können Spannungspeaks auftreten, welche bei Wechselspannung etwa 4 kV und bei Gleichspannung etwa 2,5 kV betragen können. Entsprechend müssen die beim Ladevorgang der Batterie beteiligten Komponenten durch hinreichend groß gewählte Luftstrecken für derartige Spannungen konzipiert sein. Indem jedoch beim Laden der Batterie die Schaltereinrichtung geöffnet wird, wird erfindungsgemäß verhindert, dass diese hohen Spannungen beim Laden an der Ausgangsschnittstelle anliegen. Die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung ermöglicht somit eine klare Trennung zwischen einer beim Ladevorgang involvierten Primärseite, welche für hohe Spannungen ausgelegt werden muss, und einer durch die Schaltereinrichtung von der Primärseite getrennten Sekundärseite, welche den Verbraucher, beispielsweise einen Antriebsstrang des Fahrzeugs, umfasst, und welche lediglich für deutlich geringere Spannungen ausgelegt werden muss. Dadurch können die Luftstrecken auf der Sekundärseite kleiner ausgelegt werden als auf der Primärseite. Somit ist ein deutlich kompakterer Aufbau der Sekundärseite möglich.
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Vorzugsweise weist die Energieversorgungsvorrichtung eine Wechselrichtervorrichtung auf, welche der Ausgangsschnittstelle vorgeschaltet ist und dazu ausgebildet ist, Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren und der Ausgangsschnittstelle bereitzustellen. Die Wechselrichtervorrichtung umfasst die Schaltereinrichtung zumindest teilweise.
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Vorzugsweise umfasst die Energieversorgungsvorrichtung einen Gleichspannungswandler, welcher die Schaltereinrichtung zumindest teilweise umfasst und dazu ausgebildet ist, die von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung zu wandeln. Vorzugsweise kann die Wechselrichtervorrichtung die von dem Gleichspannungswandler gewandelte Gleichspannung transformieren und der Ausgangsschnittstelle bereitstellen. Der Gleichspannungswandler umfasst vorzugsweise Schaltmittel der Schaltereinrichtung, welche dazu ausgelegt sind, beim Öffnen den Gleichspannungswandler galvanisch von der Ausgangsschnittstelle und vorzugsweise von der Wechselrichtervorrichtung zu trennen.
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Die Wechselrichtervorrichtung kann insbesondere einen mehrphasigen, insbesondere 3-phasigen oder 6-phasigen Wechselrichter umfassen, welcher Halbbrücken mit IGBTs oder MOSFETs umfasst. Die Halbbrücken des Wechselrichters können als Schaltelemente der Schaltereinrichtung von der Steuereinrichtung angesteuert werden. Vorzugsweise werden die IGBTs der Halbbrücken von der Steuereinrichtung geöffnet, wenn die Batterie über die Ladeschnittstelle geladen wird. Die Schaltelemente im Wechselrichter dienen somit als aktive Trennschalter.
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Vorzugsweise umfasst die Energieversorgungseinrichtung eine Spannungsmesseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine Spannung an der Ausgangsschnittstelle zu messen. Die Steuereinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, einen Ladevorgang der Batterie zu unterbrechen, falls die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Falls die Schalter der Schaltereinrichtung nicht vollständig öffnen, etwa durch einen Defekt der Schalter, wird somit verhindert, dass die Sekundärseite, d. h. insbesondere der Verbraucher, den hohen Spannungen während des Ladens ausgesetzt wird.
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Vorzugsweise wird die Ausgangsschnittstelle beim Öffnen der Schaltereinrichtung von der Batterie galvanisch getrennt.
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Vorzugsweise umfasst die Schaltereinrichtung IGBTs oder MOSFETs.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Schaltereinrichtung geöffnet, sobald die Batterie mit der externen Energiequelle verbunden wird.
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Vorzugsweise wird eine Spannung an einer Ausgangsschnittstelle zwischen der Schaltereinrichtung und dem Verbraucher gemessen und das Laden der Batterie unterbrochen, falls die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Elektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 ein schematisches Schaltbild eines Elektrofahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Laden einer Batterie.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Energieversorgungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Die Energieversorgungsvorrichtung 1 dient vorzugsweise dazu, elektrische Energie für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug bereitzustellen.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst eine Batterie 11, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, zum Bereitstellen von Gleichspannung. Die Batterie 11 ist mit einer Ladeschnittstelle 12 galvanisch gekoppelt, wobei die Ladeschnittstelle 12 dazu ausgebildet ist, die Batterie 11 zum Laden mit einer externen Energiequelle Q zu verbinden.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst weiter eine Ausgangsschnittstelle 13, welche dazu ausgebildet ist, mit einem Verbraucher 21 zu koppeln. Der Verbraucher 21 kann beispielsweise einen Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs umfassen.
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Zwischen der Batterie 11 und der Ausgangsschnittstelle 13 ist eine Schaltereinrichtung 14 geschaltet, welche galvanisch mit der Batterie 11 und der Ausgangsschnittstelle 13 verbunden ist. Die Schaltereinrichtung 14 umfasst ein erstes Schaltmittel 14a und ein zweites Schaltmittel 14b. Das erste Schaltmittel 14a ist Teil einer Wechselrichtervorrichtung 17 der Energieversorgungsvorrichtung 1, wobei die Wechselrichtervorrichtung 17 dazu ausgebildet ist, die von der Batterie 11 bereitgestellte Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren und der Ausgangsschnittstelle 13 bereitzustellen. Das zweite Schaltmittel 14b ist zwischen der Batterie 11 und der Wechselrichtervorrichtung 17 geschaltet.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst weiter eine Ladezustandserkennungseinrichtung 22, welche dazu ausgebildet ist, zu erkennen, dass die Batterie 11 über die Ladeschnittstelle 12 geladen wird. Die Ladezustandserkennungseinrichtung 22 kann beispielsweise ein Strommessmittel umfassen, welches dazu ausgebildet ist, einen Ladestrom zwischen der externen Energiequelle Q und der Batterie 12 zu messen. Die Ladezustandserkennungseinrichtung 22 kann jedoch auch einen Empfänger umfassen, welcher mit der externen Energiequelle Q gekoppelt ist. Die externe Energiequelle Q kann einen Sensor umfassen, welcher dazu ausgebildet ist, zu erkennen, dass die externe Energiequelle Q elektrische Energie abgibt und ein entsprechendes Sensorsignal auszugeben. Anhand des Sensorsignals kann die Ladezustandserkennungseinrichtung 22 erkennen, dass die Batterie 11 geladen wird. Die Ladezustandserkennungseinrichtung 22 kann auch dazu ausgebildet sein, zu erkennen, dass die Batterie 11 geladen wird, wenn die Ladeschnittstelle 12 mit der externen Energiequelle Q verbunden bzw. gekoppelt ist.
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Die Schaltereinrichtung 14 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, die Batterie 11 von der Ausgangsschnittstelle 13 galvanisch zu trennen. Die Schaltereinrichtung 14 wird hierbei von einer Steuereinrichtung 15 der Energieversorgungsvorrichtung 1 angesteuert und überwacht. Die Steuereinrichtung 15 ist dazu ausgebildet, die Schaltereinrichtung 14 zu öffnen, wenn die Ladezustandserkennungseinrichtung 22 erkennt, dass die Batterie 11 über die Ladeschnittstelle 12 geladen wird. Die Steuereinrichtung 15 kann hierbei das erste Schaltmittel 14a und/oder das zweite Schaltmittel 14b öffnen. Beim Öffnen des ersten Schaltmittels 14a wird die Batterie 11 und das zweite Schaltmittel 14b galvanisch von der Ausgangsschnittstelle 13 getrennt. Beim Öffnen des zweiten Schaltmittels 14b wird die Batterie 11 galvanisch von der Wechselrichtervorrichtung 17 getrennt.
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Unter einem Öffnen der Schaltereinrichtung 14 wird somit vorzugsweise das Öffnen von mindestens einem Schaltmittel 14a, 14b der Schaltereinrichtung 14 verstanden, wobei vorzugsweise durch Öffnen des mindestens einen Schaltmittels 14a, 14b die Batterie 11 galvanisch von der Ausgangsschnittstelle 13 getrennt wird.
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Das erste Schaltmittel 14a kann insbesondere IGBTs oder MOSFETs von Halbbrücken der Wechselrichtervorrichtung 17 umfassen, welche dazu ausgelegt sind, Gleichspannung in Wechselspannung zu transformieren. Somit können die bereits vorhandenen IGBTs der Wechselrichtervorrichtung 17 als erstes Schaltmittel 14 verwendet und aktiv von der Steuereinrichtung 15 angesteuert werden.
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Das zweite Schaltmittel 14b kann vorzugsweise ein Element eines (nicht gezeigten) Gleichspannungswandlers sein, welcher dazu ausgebildet ist, die von der Batterie 11 bereitgestellte Gleichspannung zu wandeln und der Wechselrichtervorrichtung 17 bereitzustellen. Der Gleichspannungswandler kann insbesondere einen Abwärtswandler umfassen. Das zweite Schaltmittel 14b kann den bereits vorhandenen Schalter des Abwärtswandlers umfassen. Zusätzlich umfasst das zweite Schaltmittel 14b vorzugsweise einen weiteren Schalter, welcher in der Masseleitung des Gleichspannungswandlers eingebracht ist. Durch Öffnen dieser beiden Schalter kann eine Primärseite des Gleichspannungswandlers galvanisch von einer Sekundärseite des Gleichspannungswandlers getrennt werden.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Abwärtswandler beschränkt. So können auch weitere Arten von Gleichspannungswandlern verwendet werden. Vorzugsweise umfasst das zweite Schaltmittel 14b zusätzlich zu den bereits vorhandenen Schaltern des Gleichspannungswandlers mindestens einen weiteren Schalter, wobei durch Öffnen der Schalter des zweiten Schaltmittels 14b eine Primärseite des Gleichspannungswandlers galvanisch von einer Sekundärseite des Gleichspannungswandlers getrennt werden kann.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 weist weiter eine Spannungsmesseinrichtung 16 auf, welche dazu ausgebildet ist, eine an der Ausgangsschnittstelle 13 anliegende elektrische Spannung zu messen. Die Spannungsmesseinrichtung 16 kann galvanisch mit der Ausgangsschnittstelle 13 verbunden sein oder die Spannung auch kontaktlos messen. Falls die Spannungsmesseinrichtung 16 eine Spannung misst, welche einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, so ist die Steuereinrichtung 15 dazu ausgebildet, einen Ladevorgang der Batterie 11 zu unterbrechen.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 15 mindestens ein Schaltelement von einer Vielzahl von Schaltelementen der Schaltereinrichtung 14 öffnen, wenn die Batterie über die Ladeschnittstelle geladen wird. Wenn die Spannungsmesseinrichtung 23 eine Spannung misst, welche einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinrichtung 15 dazu ausgebildet sein, mindestens ein weiteres Schaltelement der Schaltereinrichtung 14 zu öffnen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 15 zuerst nur das erste Schaltmittel 14a öffnen, wenn die Batterie 11 über die Ladeschnittstelle 12 geladen wird. Falls die Spannungsmesseinrichtung 16 eine Spannung misst, welche einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinrichtung 15 zusätzlich das zweite Schaltmittel 14b öffnen. Dadurch wird die Sicherheit zusätzlich erhöht, da bei einem Versagen des ersten Schaltmittels 14a das zweite Schaltmittel 14b automatisch durch die Steuereinrichtung geöffnet wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. So kann die Schaltereinrichtung 14 ein einziges Schaltmittel oder auch eine Vielzahl von Schaltmitteln umfassen.
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In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs 2 illustriert. Das Elektrofahrzeug 2 umfasst eine Energieversorgungsvorrichtung 1 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Die Energieversorgungsvorrichtung 1 kann mit einer externen Energiequelle Q gekoppelt werden, um die Batterie 11 der Energieversorgungsvorrichtung 1 zu laden. Die Ausgangsschnittstelle 13 der Energieversorgungsvorrichtung 1 ist mit einem Antriebsstrang 21 des Elektrofahrzeugs 2 gekoppelt. Vorzugsweise sind Luftstrecken und/oder Kriechstrecken von elektrischen Komponenten des Antriebsstrangs 21 zumindest teilweise kleiner als Luftstrecken bzw. Kriechstrecken von elektrischen Komponenten der Energieversorgungsvorrichtung 1.
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In 3 ist ein schematisches Schaltbild eines Elektrofahrzeugs 2 illustriert. Eine externe Energiequelle Q kann mit einer Ladeschnittstelle 12 einer Energieversorgungsvorrichtung 1 des Elektrofahrzeugs 2 verbunden werden. Eine Batterie 11 der Energieversorgungsvorrichtung 1 kann über eine Gleichspannungsquelle Q2 der externen Energiequelle Q oder über eine Wechselspannungsquelle Q1 der externen Energiequelle Q geladen werden, wobei die Wechselspannung über einen Wechselrichter 19 der Energieversorgungsvorrichtung 1 zuerst in Gleichspannung umgewandelt wird.
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Die Batterie 11 des Elektrofahrzeugs 2 versorgt einen Verbraucher 101 des Elektrofahrzeugs 3, einen ersten Antriebsstrang 21a, einen zweiten Antriebsstrang 21b und einen Kompressor 21c für eine Klimaanlage des Elektrofahrzeugs 2. Die von der Batterie 11 bereitgestellte Gleichspannung wird mittels eines Gleichspannungswandlers 18 transformiert, mittels einer ersten Wechselrichtereinrichtung 17a in Wechselspannung transformiert und über eine erste Ausgangsschnittstelle 13a dem Antriebsstrang 21a bereitgestellt. Analog wird die von dem Gleichspannungswandler 18 transformierte Gleichspannung von einer zweiten Wechselrichtereinrichtung 17b in Wechselspannung transformiert und über eine zweite Ausgangsschnittstelle 13b dem zweiten Antriebsstrang 21b bereitgestellt. Die von der Batterie 11 bereitgestellte Gleichspannung wird mittels einer dritten Wechselrichtereinrichtung 17c und über eine dritte Ausgangsschnittstelle 13c dem Kompressor 21c bereitgestellt. Die Wechselrichtereinrichtungen 17a bis 17c bilden eine Wechselrichtervorrichtung 17 und umfassen jeweils sechs Halbbrücken 14a-1 bis 14a-18, welche ein erstes Schaltmittel 14a bilden.
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Weiter umfasst der Gleichspannungswandler 18 ein zweites Schaltmittel 14b, welches ein erstes Schaltelement 14b-1 und ein zweites Schaltelement 14b-2 umfasst, welche in der positiven bzw. negativen Leitung des Gleichspannungswandler 18 eingebracht sind. Eine (nicht gezeigte) Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, das erste Schaltmittel 14a und/oder das zweite Schaltmittel 14b zu öffnen, wenn die Batterie 11 über die Ladeschnittstelle 12 geladen wird.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 des Elektrofahrzeugs 2 kann weiter eine oben beschriebene Spannungsmesseinrichtung umfassen.
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In 4 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Laden einer Batterie 11, insbesondere eines Elektrofahrzeugs 2, illustriert.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Schaltereinrichtung 14 geöffnet, welche zwischen der Batterie 11 und einem Verbraucher 21 geschaltet ist. Das Öffnen der Schaltereinrichtung 14 kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn erkannt wird, dass die Batterie 11 geladen werden soll. Beispielsweise kann eine Steuereinrichtung 15 die Schaltereinrichtung 14 dann öffnen, wenn eine externe Energiequelle Q mit einer Ladeschnittstelle 12 verbunden wird, um die Batterie 11 zu laden.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird die Batterie 11 mittels der externen Energiequelle Q geladen.
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Vorzugsweise kann weiter eine Spannung an einer Ausgangsschnittstelle 13 zwischen der Schaltereinrichtung 14 und dem Verbraucher 21 gemessen werden. Falls die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird das Laden der Batterie 11 unterbrochen.
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Die Schaltereinrichtung 14 kann vorzugsweise eine Vielzahl von Schaltmitteln umfassen, wobei jedes der Schaltmittel dazu ausgebildet ist, die Batterie 11 von der Ausgangsschnittstelle 13 galvanisch zu trennen. Das Öffnen der Schaltereinrichtung 14 kann das Öffnen von einem oder mehreren der Schaltmittel umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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