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Die Erfindung betrifft eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken und ein Verfahren zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie. Ferner betrifft die Erfindung ein Inverterladessystem, einen elektrischen Antriebsstrang mit einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Vollständig oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, wie zum Beispiel Hybrid- und Elektrofahrzeuge, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig steigt auch der Wunsch nach höheren Reichweiten und Leistungen der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. In diesem Zusammenhang gewinnt auch die Ladetechnik für Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Typischerweise werden in heutigen Elektrofahrzeugen konduktive Ladekonzepte eingesetzt, die autarke und räumlich von der Antriebselektronik getrennte Einheiten darstellen. Darüber hinaus sind auch bereits kontaktlose, in der Regel induktive, Ladekonzepte bekannt. Diese Ladekonzepte werden typischerweise ebenfalls als Stand-Alone-Systeme realisiert.
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Aufgrund wachsender Batteriekapazitäten und dem Streben nach immer kürzeren Ladezeiten ist es wünschenswert, dass die übertragene Energiemenge pro Zeiteinheit im Ladebetrieb sich der im Fahrbetrieb entnommenen Energiemenge aus der Traktionsbatterie annähert, oder diese sogar übersteigt. Dabei müssen die bei dem Ladevorgang beteiligten Bauteile für entsprechend große Ströme ausgelegt werden. Das Aufladen der elektrischen Energiespeicher in einem Elektrofahrzeug erfolgt dabei in der Regel mittels der durch ein Wechselspannungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie.
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Aus der WO 2016 / 050392 A1 ist eine kostengünstige und effiziente Ladeschaltung für einen elektrischen Energiespeicher zum Aufladen bekannt, wobei für das Aufladen und Entladen des elektrischen Energiespeichers werden gemeinsame Bauteile eingesetzt. Auf diese Weise wird eine flexible Schaltungsanordnung mit einer geringen Anzahl von Bauelementen ermöglicht.
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Weiter besteht Bedarf für effiziente Ladeschaltungen für elektrische Systeme zur Speisung von Verbrauchern, beispielsweise elektrische Maschinen, welche mehr als drei elektrische Phasen aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Folgenden wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken beschrieben, mit der es möglich ist, einerseits eine Batterie zu laden und andererseits mindestens eine elektrische Maschine zu betreiben. Insbesondere kann in einem Rückspeisemodus Energie aus der Batterie zurück in eine Ladeenergiequelle zurückgespeist werden oder eine andere Batterie geladen werden. Die hierzu anzuschließende mindestens eine elektrische Maschine ist entweder als eine mindestens sechsphasige Maschine ausgeführt mit jeweils mindestens zwei dreiphasigen sternförmig verschalteten Systemen oder als mindestens zwei dreiphasige sternförmig verschaltete Maschinen ausgeführt. Die mindestens zwei dreiphasigen Maschinen können beispielsweise in separaten Gehäusen oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann folglich an Stelle einer sechsphasigen Maschine beispielsweise eine neunphasige elektrische Maschine mit drei Sternpunkten eingesetzt werden, wobei dann eine entsprechend angepasste Inverter-Lader-Schaltungstopologie zu verwenden ist. Die neunphasige elektrische Maschine kann wiederum durch drei dreiphasige Maschinen, die in einem gemeinsamen oder separaten Gehäusen angeordnet sein können, ersetzt werden.
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Es wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken bereitgestellt. Eine B6-Brücke umfasst mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken. Eine Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente. Die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente ist zwischen einen ersten Potentialanschluss und einen zweiten Potentialanschluss geschaltet. Weiter umfasst die Halbbrücke einen Mittenanschluss zwischen den zwei Schaltelementen zum Anschluss einer Phase einer elektrischen Maschine. Jeweils drei Phasen der mindestens einen elektrischen Maschine sind sternförmig verschaltet. Jeweils mindestens eine der drei Phasen umfasst zwischen dem Mittenanschluss und einer Phase der elektrischen Maschine ein Ladeschaltelement. Das Ladeschaltelement verbindet elektrisch in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss mit der Phase der elektrischen Maschine und in einem zweiten Schaltzustand einen Ladeanschluss mit der Phase der elektrischen Maschine. Der erste und der zweite Potentialanschluss sind zum Anschluss der Batteriepole einer Batterie eingerichtet. Und der mindestens erste und zweite Ladeanschluss sind zum Anschluss einer Ladeenergiequelle eingerichtet.
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Somit wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken bereitgestellt. Insbesondere umfasst die Inverter-Lader-Schaltungstopologie die Ladeschaltelemente und Ladeanschlüsse. Die Ladeanschlüsse bilden die Anschlusspunkte für die anschließbare Ladeenergiequelle aus. Insbesondere stellen die Anschlusspunkte über die anschließbare elektrische Maschine die elektrische Verbindung über die B6-Brücken zu der anzuschließenden Batterie her. Für den Betrieb von dreiphasigen elektrischen Maschinen ist der Einsatz einer B6-Brücke zum Bestromen der drei Phasen der elektrischen Maschine bekannt. Hierzu umfasst eine B6-Brücke mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken. Diese Halbbrücken umfassen je eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente. Jede Reihenschaltung der zwei Schaltelemente ist einerseits mit einem ersten Potentialanschluss und andererseits mit einem zweiten Potentialanschluss elektrisch verbunden. Die Reihenschaltungen sind somit parallel geschaltet. Jede Halbbrücke umfasst einen Mittenanschluss zwischen den zwei Schaltelementen der Reihenschaltung zum Anschluss einer Phase einer elektrischen Maschine. Es ergeben sich somit mindestens sechs Mittenanschlüsse zum Anschluss je einer Phase mindestens einer anzuschließenden elektrischen Maschine. Je nach Schalterstellung der zwei Schaltelemente kann somit der Mittenanschluss wahlweise mit dem ersten Potentialanschluss oder mit dem zweiten Potentialanschluss verbunden werden. So kann ein Stromfluss durch eine an den Mittenanschluss angeschlossene Phase einer elektrischen Maschine ermöglicht werden. Jeweils drei Phasen der mindestens einen anzuschließenden elektrischen Maschine sind sternförmig verschaltet. Mindestens an einer der drei Phasen ist zwischen dem Mittenanschluss und einer Phase der elektrischen Maschine ein Ladeschaltelement vorgesehen. Das Ladeschaltelement umfasst einen Schalter mit zwei Schaltzuständen, beispielsweise ein Relais. Das Ladeschaltelement stellt in einem ersten Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Mittenanschluss und der Phase der elektrischen Maschine her und in einem zweiten Schaltzustand eine elektrische Verbindung zwischen einem Ladeanschluss und der Phase der elektrischen Maschine her. Diese Ladeanschlüsse sind derart ausgestaltet und/ oder aus der elektrischen Maschine oder dem Inverter-Lader herausgeführt, dass eine Kontaktierung oder elektrische Verbindung mit den Anschlüssen einer Ladeenergiequelle ermöglicht wird. Der erste und der zweite Potentialanschluss sind zum Anschluss der Batteriepole einer Batterie eingerichtet. Und der mindestens erste und zweite Ladeanschluss sind zum Anschluss einer Ladeenergiequelle eingerichtet. Sowohl die Ladeschaltelemente, Ladeanschlüsse als auch die Potentialanschlüsse sind insbesondere derart ausgestaltet, beispielsweise innerhalb oder außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine oder des Inverter-Laders oder eines gemeinsamen Gehäuses, sodass eine elektrische Verbindung zur Ladeenergiequelle oder Batterie mittels bekannter Stecker oder anderer Verbindungsmittel möglich ist. Vorteilhaft wird eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens zwei parallel geschalteten B6-Brücken bereitgestellt, die den Anschluss einer Batterie und den Anschluss und Betrieb mindestens einer elektrischen Maschine mit zwei dreiphasigen Wicklungen oder mindestens zweier dreiphasiger elektrischen Maschinen ermöglicht und den Anschluss einer Ladeenergiequelle und das Laden mittels der Ladeenergiequelle ermöglicht. Vorteilhaft wird eine besonders einfache, robuste Topologie bereitgestellt, die ein Laden der Batterie mit wenig zusätzlichen beziehungsweise modifizierten Teilen und entsprechend wenig zusätzlich benötigtem Bauraum ermöglicht.
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Insbesondere ist wenigstens ein Schaltelement z. B. ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar-Transistor (IGBT)) oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOS-FET)). IGBTs sowie auch MOSFETs sind Leistungselektronikbauteile, die auch hohe Ströme von mehreren Ampere zuverlässig schalten können.
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Insbesondere ist die elektrische Maschine ein elektrischer Traktionsmotor. Elektrische Traktionsmotoren werden als Antriebsaggregate in Fahrzeugen eingesetzt. Es kann auch eine Kombination aus Traktionsmotoren und anderen elektrischen Maschinen wie Generatoren, Lichtmaschinen, Anlassern und der gleichen zum Einsatz kommen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer zweiphasigen Ladeenergiequelle eingerichtet.
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Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie ist bevorzugt zum Anschluss einer zweiphasigen Ladeenergiequelle eingerichtet. Bei einer, insbesondere anzuschließenden, zweiphasigen Ladeenergiequelle ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer Gleichstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet.
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Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie ist bevorzugt zum Anschluss einer Gleichstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet. Bei einer, insbesondere anzuschließenden, Gleichstrom-Ladeenergiequelle ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss möglich. So ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen die anzuschließende Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss ein Tiefsetzsteller geschaltet.
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Zwischen die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss ist bevorzugt ein Tiefsetzsteller geschaltet. Ein Tiefsetzsteller besteht aus einem ansteuerbaren Schaltelement, welches einerseits an den ersten Ladeanschluss angeschlossen ist und andererseits als Anschlusskontakt zum Anschluss eines ersten Anschlusses der Ladeenergiequelle eingerichtet ist. Weiter umfasst der Tiefsetzsteller eine Diode, welche einerseits mit dem ersten Ladeanschluss und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss verbunden ist. Die anzuschließende Ladeenergiequelle wird einerseits über den Anschlusskontakt mit dem ansteuerbaren Schaltelement und andererseits über den zweiten Ladeanschluss mit der Inverter-Lader-Schaltungstopologie verbunden. Die Diode ist derart ausgerichtet, dass die Diode bei geschlossenem ansteuerbaren Schaltelement den Strom vom dem ersten zum zweiten Anschluss der Ladeenergiequelle sperrt. Durch Ansteuern des ansteuerbaren Schaltelementes mit angepasstem Taktverhältnis wird die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie tiefgesetzt. Vorteilhaft wird eine ergänzende Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Tiefsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer dreiphasigen Ladeenergiequelle eingerichtet.
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Bei der Verwendung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit drei parallel geschalteten B6-Brücken wird neben dem ersten und dem zweiten Ladeanschluss ein dritter Ladeanschluss ausgebildet. Die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle ist bevorzugt dreiphasig. So ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten und dritten Ladeanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer Wechselstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet.
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Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie ist bevorzugt zum Anschluss einer Wechselstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet. Bei einer, insbesondere anzuschließenden, Wechselstrom-Ladeenergiequelle ist ein direkter Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle an den mindestens ersten und zweiten Ladeanschluss, beziehungsweise dritten Ladeanschluss möglich. Aufgrund der sich im Strompfad zwischen Ladeenergiequelle und Batterie befindlichen Induktivitäten oder Wicklungen der elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit mittels angepasstem Taktverhältnis der Betätigung der Schaltelemente der Halbbrücken die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie hochzusetzen. Vorteilhaft wird eine Möglichkeit für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen die anzuschließende Ladeenergiequelle und die Ladeanschlüsse ein gepulster Gleichrichter geschaltet.
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Zwischen die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle und den ersten und den zweiten Ladeanschluss ist bevorzugt ein zwei- oder dreiphasiger gepulster Gleichrichter geschaltet, je nachdem ob eine zweiphasige oder dreiphasige Wechselstrom-Ladeenergiequelle angeschlossen wird. Ein gepulster Gleichrichter besteht je Phase der anzuschließenden Ladeenergiequelle aus einer Reihenschaltung einer ersten Diode, eines ersten Schaltelementes, einem Mittenabgriff zum Anschluss einer Phase der Ladeenergiequelle, einer zweiten Diode und eines zweiten Schaltelementes. Die Reihenschaltungen und eine weitere Diode werden parallel geschaltet. Die Diode und die parallel geschalteten Reihenschaltungen sind einerseits mit dem ersten und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss verbunden. Die Dioden sind alle derart ausgerichtet, dass sie, auch bei geschlossenen Schaltelementen des gepulsten Gleichrichters, einen Strom von dem ersten Ladeanschluss zum zweiten Ladeanschluss sperren. Bei angeschlossener Ladeenergiequelle wird durch Ansteuern der Schaltelemente des gepulsten Gleichrichters mit angepasstem Taktverhältnis die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie tiefgesetzt. Vorteilhaft wird eine ergänzende Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt, wobei ein Tiefsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie ermöglicht wird.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer dreiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle eingerichtet. Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie umfasst dazu neben den zwei B6-Brücken eine parallelgeschaltete weitere Halbbrücke. Die weitere Halbbrücke umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente. Die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente ist zwischen den ersten Potentialanschluss und den zweiten Potentialanschluss geschaltet. Die weitere Halbbrücke umfasst einen Mittenanschluss zwischen den zwei Schaltelementen zum Anschließen einer Spule zwischen der weiteren Halbbrücke und einer der drei Phasen der dreiphasigen Ladeenergiequelle.
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Zum Anschluss einer dreiphasigen Ladeenergiequelle kann bevorzugt zu den zwei B6-Brücken eine weitere Halbbrücke parallel geschaltet werden, deren Aufbau dem der Halbbrücken aus den B6-Brücken entspricht. Statt der angeschlossenen sternförmig geschalteten drei Phasen einer elektrischen Maschine ist am Mittenabgriff eine Spule anschließbar, die vergleichbar der induktiven Wirkung der Wicklung einer elektrischen Maschine wirkt. Die andere Seite der Spule ist als dritter Ladeanschluss für den Anschluss einer Phase einer Ladeenergiequelle ausgestaltet. Vorteilhaft wird eine ergänzende Topologie für einen einfachen Betrieb der Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit einer dreiphasigen Ladeenergiequelle bereitgestellt, wobei keine dritte B6-Brücke benötigt wird. Ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie wird ermöglicht.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Inverterladesystem mit einer wie bisher beschriebenen Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle.
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Es wird ein Inverterladesystem bereitgestellt, welches eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle umfasst. Vorteilhaft wird ein System bereitgestellt, welches das Laden einer Batterie und das Betreiben einer anzuschließenden elektrischen Maschine ermöglicht.
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Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Antriebsstrang mit einer wie bisher beschriebenen Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer angeschlossenen elektrischen Maschine, einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle.
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Es wird ein elektrischer Antriebsstrang bereitgestellt, welcher eine Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit mindestens einer angeschlossenen elektrischen Maschine, einer angeschlossenen Batterie und/ oder einer Ladeenergiequelle umfasst. Vorteilhaft wird ein elektrischer Antriebsstrang System bereitgestellt, welcher das Laden einer Batterie und das Betreiben einer elektrischen Maschine ermöglicht.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: Ansteuern der Schaltelemente der Halbbrücken für den Betrieb einer angeschlossenen Maschine; Ansteuern der Schaltelemente der Halbbrücken für das Laden einer angeschlossenen Batterie. Bei der Ansteuerung der Schaltelemente der Halbbrücken für das Laden der angeschlossenen Batterie wird die Spannung der Ladeenergiequelle in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten Spannung hochgesetzt.
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Es wird ein Verfahren bereitgestellt für den Betrieb einer wie bisher beschriebenen Inverter-Lader-Schaltungstopologie. Dabei werden die Schaltelemente derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer angeschlossenen Batterie für den Betrieb der elektrischen Maschine zu der elektrischen Maschine transportiert wird. Weiter werden die Schaltelemente derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer Ladeenergiequelle zu der Batterie transportiert wird. Dabei werden die Schaltelemente so angesteuert, dass die Spannung der Ladeenergiequelle in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten Spannung hochgesetzt wird. Insbesondere wird die Spannung der Ladeenergiequelle in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten Spannung tiefgesetzt falls entsprechende Topologien vorhanden sind, die ein Tiefsetzen ermöglichen, beispielsweise ein Tiefsetzsteller oder ein gepulster Gleichrichter. Insbesondere werden bei der Ansteuerung der Schaltelemente der Halbbrücken für das Laden der angeschlossenen Batterie in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie benötigten elektrischen Energie die Phasenlage der Ladeströme berücksichtigt und mittels gezielter Beeinflussung der Ansteuerung die Rückwirkungen in Richtung der Ladeenergiequelle minimiert. Insbesondere ein Netzfilter oder entsprechende PFC-Einrichtungen zur Power Factor Correction werden folglich nicht benötigt. Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie bereitgestellt.
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Insbesondere zum Laden der Batterie mittels einer Ladeenergiequelle, können die Low-Side-Schalter, also die Schaltelemente SL_X, in einem Aussetzmodus (interleave mode) oder einem Gleichschaltmodus (simultane mode) betrieben werden. Nachfolgend wird das Schalten der Low-Side-Schalter der ersten B6-Brücke erläutert, die mit dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle verbunden ist, wobei nachfolgend angenommen ist, dass an dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle eine positive Spannung anliegt. Im Falle einer Wechselstromquelle muss die Schaltung der Low-Side-Schalter beim Wechsel des Vorzeichens der anliegenden Spannung dementsprechend wie zuvor bei der jeweils anderen B6-Brücke erfolgen. Im Aussetzmodus (interleave mode) ist zu einer Zeit immer nur ein Low-Side-Schalter geschlossen, sie werden zeitlich nacheinander in den geschlossenen Zustand versetzt. So wird jeder Schalter mit einem Drittel der Schaltfrequenz und entsprechend mit einem maximalen Drittel Tastverhältnis (duty cycle) angesteuert. Im Gleichschaltmodus werden alle drei Low-Side-Schalter, die mit dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle verbunden sind, gleichzeitig geschlossen und gleichzeitig geöffnet. Somit fließt ein Strom in der technischen Stromrichtung über alle High-Side-Schalter, also die Schaltelemente SH_X, welche mit dem ersten Anschluss der Ladeenergiequelle verbunden sind, immer dann, wenn die Low-Side-Schalter geschlossen sind. Im Gleichschaltmodus wird die Batterie daher mit einem gepulsten Ladestrom über die High-Side-Schalter aufgeladen, wobei die Stromstärke zwischen Null Ampere und einem Maximalwert springt. Die Spannung der Batterie steigt dabei nicht gleichmäßig, sondern nur bei jedem Strompuls an. Im Aussetzmodus wird die Batterie mit einem gleichmäßigeren Ladestrom über die High-Side-Schalter aufgeladen, wobei die Stromstärke unter bestimmten Bedingungen nicht auf Null Ampere abfällt. Die Spannung der Batterie steigt dabei gleichmäßiger an.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Inverter-Lader-Schaltungstopologie entsprechend auf das Verfahren bzw. das Inverterladesystem oder den Antriebsstrang und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
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eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit zwei parallel geschalteten B6-Brücken
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eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie mit drei parallel geschalteten B6-Brücken
- 3
eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Ladeenergiequelle
- 4
eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle,
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eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen Tiefsetzsteller,
- 6
eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Ladeenergiequelle
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eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle,
- 8
eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen gepulsten Gleichrichter
- 9
eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen gepulsten Gleichrichter
- 10eine alternative schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie zum Anschluss einer dreiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle
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ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 mit zwei parallel geschalteten B6-Brücken 120, 140. Jede der B6-Brücken 120, 140 umfasst jeweils mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken H_1..H_3 bzw. H_4..H_6. Jede Halbbrücke H_1..H_6 besteht aus einer Reihenschalung zweier Schaltelemente SH_1..SH_6 und SL_1..SL_6, wobei zwischen den Schaltelementen jeweils ein Mittenanschluss MA_1..MA_6 angeordnet ist. Die Schaltelemente SH_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem ersten Potentialanschluss POA1 und die Schaltelemente SL_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem zweiten Potentialanschluss POA2. Der erste und zweite Potentialanschluss POA1 und POA2 sind derart ausgestaltet, dass eine Batterie 150 daran angeschlossen werden kann. Parallel kann zu der Batterie ein Zwischenkreiskondensator 170 vorgesehen sein, der beim elektrisch belasteten Betrieb der Schaltelemente entstehende Spannungs- und Stromrippel dämpft. Die drei Mittenanschlüsse MA_1..MA_3 beziehungsweise MA_4..MA_6 sind derart ausgestaltet, dass jeweils drei Phasen PH_1..PH_3, PH_4..PH_6 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 daran angeschlossen werden können. Die Wicklungen IN_1..IN_3, IN_4..IN_6 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 sind sternförmig verschaltet. Jeweils mindestens eine der drei Phasen PH_X zwischen dem Mittenanschluss MA_X und einer Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y umfasst ein Ladeschaltelement RL_X oder Relais. Das Ladeschaltelement RL_X verbindet elektrisch in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss MA_X mit der Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y und in einem zweiten Schaltzustand einen Ladeanschluss LA_X mit der Phase PH_X der elektrischen Maschine. Die resultierenden Ladeanschlüsse LA_1 und LA_2 sind derart ausgestaltet, dass eine Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie 200 mit drei parallel geschalteten B6-Brücken 120, 140, 160. Zusätzlich zu den bereits in 1 enthaltenen zwei B6-Brücken 120, 140 umfasst die dritte B6-Brücke 160 mindestens drei parallelgeschaltete Halbbrücken H_7..H_9. Jede Halbbrücke H_7..H_9 besteht aus einer Reihenschalung zweier Schaltelemente SH_7..SH_9 und SL_7..SL_9, wobei zwischen den Schaltelementen jeweils ein Mittenanschluss MA_7..MA_7 angeordnet ist. Die Schaltelemente SH_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem ersten Potentialanschluss POA1 und die Schaltelemente SL_X ermöglichen im geschlossenen Zustand eine elektrische Verbindung eines Mittenanschlusses MA_X mit einem zweiten Potentialanschluss POA2. Der erste und zweite Potentialanschluss POA1 und POA2 sind derart ausgestaltet, dass eine Batterie 150 daran angeschlossen werden kann. Parallel kann zu der Batterie ein Zwischenkreiskondensator 170 vorgesehen sein, der beim elektrisch belasteten Betrieb der Schaltelemente entstehende Spannungs- und Stromrippel dämpft. Zusätzlich zu den bereits in 1 enthaltenen Mittenanschlüsse MA_1..MA_6 sind die Mittenanschlüsse MA_7..MA_9 derart ausgestaltet, dass drei Phasen PH_7..PH_9 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2, EM_3 daran angeschlossen werden können. Die Wicklungen IN_1..IN_3, IN_4..IN_6, IN_7..IN_9 der mindestens einen elektrischen Maschine EM_1, EM_2, M_3 sind sternförmig verschaltet. Jeweils mindestens eine der drei Phasen PH_X zwischen dem Mittenanschluss MA_X und einer Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y umfasst ein Ladeschaltelement RL_X oder Relais.
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Das Ladeschaltelement RL_X verbindet elektrisch in einem ersten Schaltzustand den Mittenanschluss MA_X mit der Phase PH_X der elektrischen Maschine EM_Y und in einem zweiten Schaltzustand einen Ladeanschluss LA_X mit der Phase PH_X der elektrischen Maschine. Die resultierenden Ladeanschlüsse LA_1, LA_2 und LA_3 sind derart ausgestaltet, dass eine zwei- oder dreiphasige Ladeenergiequelle daran angeschlossen werden kann. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 200 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2, EM_3 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Ladeenergiequelle LE_2Z, deren Phasen jeweils an einem der Ladeanschlüsse LA_1 und LA_2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle LE_2D, deren positive Phase an dem Ladeanschluss LA_1 und deren negative Phase an dem Ladeanschluss LA_2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle LE_2D mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100, 200, 500, 600 angeschlossenen Tiefsetzsteller 300. Der Tiefsetzsteller 300 besteht aus einem ansteuerbaren Schaltelement TS, welches einerseits an den ersten Ladeanschluss LA_1 angeschlossen ist und andererseits als Anschlusskontakt zum Anschluss eines ersten Anschlusses der Ladeenergiequelle LE_2D eingerichtet ist. Weiter umfasst der Tiefsetzsteller 300 eine Diode TD, welche einerseits mit dem ersten Ladeanschluss LA_1 und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss LA_2 verbunden ist. Die anzuschließende Ladeenergiequelle, beispielsweise die Ladeenergiequelle LE_2D, wird einerseits über den Anschlusskontakt mit dem ansteuerbaren Schaltelement TS und andererseits über den zweiten Ladeanschluss LA_2 mit der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100, 200, 500, 600 verbunden. Die Diode TD ist derart ausgerichtet, dass die Diode TD den Strom vom dem ersten zum zweiten Ladeanschluss LA_1, LA_2 oder bei angeschlossener Ladeenergiequelle bei geschlossenem ansteuerbaren Schaltelement TS den Strom vom dem ersten Anschluss zum zweiten Anschluss der Ladeenergiequelle sperrt. Durch Ansteuern des ansteuerbaren Schaltelementes TS mit angepasstem Taktverhältnis wird die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie 150 tiefgesetzt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Ladeenergiequelle LE_3A, deren Phasen jeweils an einem der Ladeanschlüsse LA_1, LA_2 und LA_3 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle LE_2A, deren erste Phase an dem Ladeanschluss LA_1 und deren zweite Phase an dem Ladeanschluss LA_2 angeschlossen werden können. Bei entsprechendem Anschluss ist mittels einer darauf angepassten Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 möglich.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren dreiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie 100, 200, 500, 600 angeschlossenen gepulsten Gleichrichter 400. Zwischen die, insbesondere anzuschließende, Ladeenergiequelle LE_3A und den ersten und den zweiten Ladeanschluss LA_1 und LA_2 ist ein dreiphasiger gepulster Gleichrichter 400 geschaltet. Der gepulste Gleichrichter 400 besteht je Phase der anzuschließenden Ladeenergiequelle aus einer Reihenschaltung einer ersten Diode GD1, GD3, GD5, eines ersten SchaltelementesGS1, GS3, GS5, einem Mittenabgriff MG1, MG2, MG3 zum Anschluss je einer Phase der Ladeenergiequelle, einer zweiten Diode GD2, GD4, GD6 und eines zweiten Schaltelementes GS2, GS4, GS6. Die Reihenschaltungen und eine weitere Diode GDD sind parallel geschaltet. Die Diode GDD und die parallel geschalteten Reihenschaltungen sind einerseits mit dem ersten und andererseits mit dem zweiten Ladeanschluss LA_1, LA_2 verbunden. Die Dioden GDX, GDD sind alle derart ausgerichtet, dass sie, auch bei geschlossenen Schaltelementen GSX des gepulsten Gleichrichters, einen Strom von dem ersten Ladeanschluss LA_1 zum zweiten Ladeanschluss LA_2 sperren. Bei angeschlossener Ladeenergiequelle wird durch Ansteuern der Schaltelemente des gepulsten Gleichrichters GSX mit angepasstem Taktverhältnis die Spannung der Ladeenergiequelle zum Laden der Batterie tiefgesetzt.
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer anschließbaren zweiphasigen Gleichstrom-Ladeenergiequelle LE_2A mit einem an die Inverter-Lader-Schaltungstopologie angeschlossenen gepulsten Gleichrichter 420. Die Darstellung und Funktionsweise der ergänzenden Topologie entspricht der der 8, wobei eine Reihenschaltung für den Anschluss einer dritten Phase der Ladeenergiequelle entfällt.
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10 zeigt eine alternative schematische Darstellung einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie 250 zum Anschluss einer dreiphasigen Wechselstrom-Ladeenergiequelle LE_3X. Die Inverter-Lader-Schaltungstopologie 250 umfasst dazu neben den zwei B6-Brücken 120, 140 eine parallelgeschaltete weitere Halbbrücke H_A. Die weitere Halbbrücke H_A umfasst eine Reihenschaltung zweier Schaltelemente SH_A, SL_A. Die Reihenschaltung der zwei Schaltelemente SH_A, SL_A ist zwischen den ersten Potentialanschluss POA1 und den zweiten Potentialanschluss POA2 geschaltet. Die weitere Halbbrücke H_A umfasst einen Mittenanschluss MA_A zwischen den zwei Schaltelementen SH_A, SL_A zum Anschließen einer Spule oder Induktivität IN_A über die Verbindung PH_A zwischen der weiteren Halbbrücke H_A und einer der drei Phasen der dreiphasigen Ladeenergiequelle. Somit entspricht der Aufbau der weiteren Halbbrücke H_A dem der Halbbrücken aus den B6-Brücken 120, 140. Statt der angeschlossenen sternförmig geschalteten drei Phasen einer elektrischen Maschine EM_1, EM_2 ist am Mittenabgriff MA_A eine Spule IN_A anschließbar, die vergleichbar der induktiven Wirkung der Wicklung einer elektrischen Maschine wirkt. Die andere Seite der Spule IN_A ist als dritter Ladeanschluss LA_3 für den Anschluss einer Phase einer Ladeenergiequelle ausgestaltet. Mittels der Inverter-Lader-Schaltungstopologie 500 ist bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X sowohl ein Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 als auch ein Laden der angeschlossenen Batterie 150 aus einer angeschlossenen Ladeenergiequelle möglich. Auch ein Hochsetzen der Spannung der Ladeenergiequelle ist aufgrund der sich im Strompfad zwischen der Ladeenergiequelle und der Batterie 150 befindlichen Induktivitäten IN_X bei entsprechender Ansteuerung der Schaltelemente SH_X und SL_X möglich.
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Die 11 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren (700) zum Betrieb einer Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200, 250). Mit Schritt 705 beginnt das Verfahren. In Schritt 710 werden die Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für den Betrieb einer angeschlossenen elektrischen Maschine EM_1, EM_2 angesteuert. Dabei werden die Schaltelemente SH_X, SL_X derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer angeschlossenen Batterie 150 für den Betrieb der elektrischen Maschine zu der elektrischen Maschine transportiert wird. In Schritt 720 werden die Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für das Laden einer angeschlossenen Batterie 150 angesteuert. Dabei werden die Schaltelemente SH_X, SL_X derart angesteuert, dass eine elektrische Energie einer Ladeenergiequelle LE_XZ zu der Batterie 150 transportiert wird. Mit Schritt 725 endet das Verfahren. Bei der Ansteuerung 720 der Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für das Laden der angeschlossenen Batterie 150 wird die Spannung der Ladeenergiequelle LE_XZ in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie 150 benötigten Spannung hochgesetzt. Insbesondere wird die Spannung der Ladeenergiequelle LE_XZ in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie 150 benötigten Spannung tiefgesetzt falls entsprechende Schaltungstopologien angeschlossen sind, die ein Tiefsetzen ermöglichen, beispielsweise ein Tiefsetzsteller 300 oder ein gepulster Gleichrichter 400. Insbesondere werden bei der Ansteuerung der Schaltelemente SH_X, SL_X der Halbbrücken H_X für das Laden der angeschlossenen Batterie 150 in Abhängigkeit der für das Laden der Batterie 150 benötigten elektrischen Energie die Phasenlage der Ladeströme berücksichtigt und mittels gezielter Beeinflussung der Ansteuerung die Rückwirkungen in Richtung der Ladeenergiequelle minimiert. Insbesondere ein Netzfilter oder entsprechende PFC-Einrichtungen zur Power Factor Correction werden folglich nicht benötigt.. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung derart, dass die Inverter-Lader-Schaltungstopologie (100, 200, 250) der Ladeenergiequelle nahezu keine Blindleistung entnimmt, das bedeutet, dass an den Anschlüssen der Ladeenergiequellen zwischen Strom und Spannung eine möglichst kleine, im Idealfall gar keine, Phasenverschiebung Φ auftritt, also Φ≈0 und damit cos(Φ)≈1 ist. Jedenfalls soll gelten: cos(Φ)≈1, jedenfalls cos(Φ)≥0,98. Insbesondere werden die Schaltelemente idealerweise so geschaltet, dass möglichst wenige, im Idealfall keine, Oberwellen der Frequenz der Wechselstromquelle in die versorgende Ladeenergiequelle bzw. in ein versorgendes Netz eingespeist werden. Um dies zu erreichen werden insbesondere die Low-Side Schalter, die Schaltelemente SL_X, in geeigneter Weise angesteuert, sodass der über die Anschlüsse der Ladeenergiequelle entnommene Strom (im Wesentlichen oder exakt) in Phase mit der Spannung der Ladeenergiequelle und damit die entnommene Blindleistung im Idealfall null ist.
