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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein teilweise oder vollständig elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug. Das elektrische Bordnetz weist einen elektrischen Inverter auf, mittels welchem für einen ersten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung und für einen zweiten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugbar ist. Ferner weist das elektrische Bordnetz zumindest einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler auf, welcher mit dem elektrischen Inverter auf einer Gleichspannungsseite des elektrischen Inverters verschaltet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren und Einrichtungen zum Inverterladen bekannt, welche insbesondere ein galvanisch gekoppeltes Laden ermöglichen. Dabei wird beim Gleichrichten der Wechselspannung vom Hausnetz/von der Ladesäule eine Gleichspannung erzeugt, die bezüglich PE und Rohbaumassepotentialsprünge aufweist. In den Y-Kapazitäten des mit dem Inverter galvanisch gekoppelt verbundenen Hochvoltsystems des Kraftfahrzeugs wird dadurch ein Ableitstrom erzeugt, der den Fl-Schutzschalter Typ A in der Haustechnik/Ladesäule zum Auslösen bringt. Ferner kann ein Isolationsfehler im Hochvoltsystem nach der Gleichrichtung zu einem Gleichspannungs-Ableitstrom zwischen den Wechselspannungs-Phasen und dem Nullleiter/PE führen. Dieser überlagerte Gleichstrom treibt den FI-Schutzschalter Typ A in der Haustechnik/Ladesäule in die Sättigung und macht ihn somit unwirksam bezüglich der Erkennung von Wechselspannungsfehlerströmen. Ferner können Störungen in der Wechselspannungsversorgung (zum Beispiel bei Blitzeinschlag) vom Hausnetz/der Ladesäule in das gesamte Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs übertragen werden.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Methoden bekannt, die diesem Problem entgegenwirken. Beispielsweise kann der Ableitstrom von einer Auswerteelektronik im Fahrzeug gemessen werden und ein von dieser Auswerteelektronik kompensierender Wechsel-Strom kann in den Nullleiter eingespeist werden, sodass die Auslöseschwelle des Fehlerstromschutzschalters Typ A unterschritten wird. Ferner besteht die Möglichkeit, dass im Kraftfahrzeug selbst eine Elektronik zum Erkennen von Gleichspannungsfehlerströmen verbaut ist. Ebenfalls möglich ist, dass in der Haustechnik/der Ladesäule ein Fehlerstromschutzschalter Typ B verbaut wird, welcher eine Erkennung von Wechselspannungs- und Gleichspannungsfehlerströmen erlaubt. Eine weitere Möglichkeit ist, das gesamte Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs (Ladeeinheit und Hochvoltbordnetz) auf eine verstärkte Isolation auszulegen, sodass ein Isolationsfehler auszuschließen ist. Allerdings müssen die Hochvoltkomponenten auf die zu erwartenden Überspannungen entsprechend ausgelegt werden.
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Des Weiteren offenbart die
US 2009/0121659 A1 eine Ladesteuerungseinheit und ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug. Es wird eine Spannung eines Aufwärtswandlers durch die Steuerungseinheit kontrolliert, welche abhängig ist von einer externen Spannungsquelle. Insbesondere ist die Spannung gleich der Spannung der Eingangsquelle.
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Des Weiteren beschreibt die
US 5,291,388 eine Inverterschaltung für ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug. In einem Fahrbetrieb wandelt der Inverter Gleichstrom in einen Wechselstrom um. In einem Ladebetrieb wird eine externe elektrische Energie in eine Gleichspannung für die Batterie umgewandelt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Bordnetz zu schaffen, mittels welchem ein verbesserter Betrieb des elektrischen Bordnetzes ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bordnetz gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein teilweise oder vollständig elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug. Das elektrische Bordnetz weist einen elektrischen Inverter auf, mittels welchem für einen ersten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung und für einen zweiten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugbar ist. Ferner weist das elektrische Bordnetz zumindest einen galvanisch gekoppelten Gleichspannungswandler auf, welcher mit dem elektrischen Inverter auf der Gleichspannungsseite des elektrischen Inverters verschaltet ist. Dadurch ist insbesondere der Inverter vom restlichen Fahrzeug-HV-Bordnetz getrennt.
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Der zumindest eine Gleichspannungswandler weist ein zu taktendes Energiespeicherelement auf, welches in einem Minus-Pfad des zumindest einen Gleichspanungswandlers verschaltet ist.
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Bei dem elektrischen Bordnetz handelt es sich insbesondere um ein Hochvolt-Bordnetz. Dadurch ist es ermöglicht, dass am Ausgang des elektrischen Bordnetzes eine konstante Gleichspannung ohne Potentialsprünge erzeugt werden kann. Somit tragen die Y-Kapazitäten aller dort angeschlossenen Hochvoltgeräte nicht mehr zum Ableitstrom bei. Zudem tritt bei einem Isolationsfehler am Ausgang kein DC-Fehlerstrom im AC-Fehlerstromschutzschalter der Haustechnik auf, der den Fehlerstromschutzschalter unwirksam machen würde. Dadurch ist für diese Geräte am Ausgang des Gleichspannungswandlers keine doppelte Isolation mehr notwendig. Des Weiteren kann eine Mehrfachnutzung des Inverters zum Fahren als erster Betriebszustand und zum Laden als zweiter Betriebszustand mit hoher Leistung realisiert werden. Des Weiteren ist eine Symmetrierung der Hochvoltpotentiale bezüglich der Rohbaumasse (entspricht dem Nullleiter-Potential beim Laden) an der Ausgangsseite des elektrischen Bordnetzes möglich. Dadurch wird die gespeicherte Gesamtenergie in den Y-Kapazitäten zwischen dem Hochvoltplus-Pfad zur Rohbaumasse und dem Hochvoltminus-Pfad zur Rohbaumasse minimiert. Des Weiteren können durch das zu taktende Energiespeicherelement Überspannungen aus dem Wechselspannungsnetz gedämpft und reduziert werden. Die Y-Kapazitäten wirken sich insbesondere nach dem Ausgang des Inverters mit der Korrektur von Potentialsprüngen nicht mehr als Ableitströme an der Hausversorgungsseite aus. Durch den Einsatz des zu taktenden Elements im Minus-Pfad lässt sich somit ein verbesserter Betrieb des elektrischen Bordnetzes realisieren.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der elektrische Inverter mit Spulen zusammen als Leistungskorrekturfilter ausgebildet ist. Die Spulen können hierbei sowohl durch die Motorinduktivitäten und/oder auch durch separate Lade-Induktivitäten ausgebildet sein. Der Gleichspannungswandler hat insbesondere die Aufgabe, nach der Gleichrichtung der Eingangsspannung und gegebenenfalls einer Leistungskorrektur die negativen Halbwellen des Hochvolt-Minus-Potentials bezogen auf das Nullleiterpotential auszuregeln. Somit kann das Hochvolt-Minus-Potential bezogen auf das Potential des Nullleiters wieder auf einen zeitlich festen Spannungswert stabilisiert werden. Es bietet sich dabei an, diesen Spannungswert so zu legen, dass er der negativen halben Ausgangsspannung (Spannung des Hochvolt-Bordnetzes) entspricht, damit die Y-Kapazitäten des positiven und negativen Hochvolt-Bordnetzpotentials symmetriert werden. Dadurch wird die gespeicherte Energie in den Y-Kapazitäten minimiert, wodurch der Berührstrom ebenfalls minimiert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das zu taktende Energiespeicherelement als Drossel oder Kondensator ausgebildet sein. Dadurch kann vorteilhaft die Eliminierung der negativen Halbwelle bezüglich des Nullleiterpotentials im Hochvoltminus-Pfad durchgeführt werden. Somit ist ein verbesserter Betrieb des elektrischen Bordnetzes durchführbar.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der zumindest eine Gleichspannungswandler als Abwärtswandler ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Gleichspannungswandler als Buck Converter ausgebildet. Die Ausgangsspannung des Abwärtswandler ist kleiner als der Betrag der Eingangsspannung. Somit kann die höhere Eingangsspannung von der „Last“ abgehalten werden. Dadurch kann ein einfacher Gleichspannungswandler bereitgestellt werden, sodass ein verbesserter Betrieb des elektrischen Bordnetzes realisiert werden kann.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn der zumindest eine Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann der Gleichspannungswandler als Boost Converter ausgebildet sein. Beim Aufwärtswandler ist der Betrag der Ausgangsspannung größer als der Betrag der Eingangsspannung. Somit kann mittels des Aufwärtswandlers die Gleichspannung entsprechend bspw. für eine nachgeschaltete Batterie des elektrischen Bordnetzes, gewandelt werden. Dadurch ist ein verbesserter Betrieb des elektrischen Bordnetzes realisiert.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler als Ab-/Aufwärtswandler (Buck/Boost Converter) ausgebildet ist.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das elektrische Bordnetz einen weiteren Gleichspannungswandler aufweist, welcher zwischen dem Gleichspannungswandler und einer Batterie des elektrischen Bornetzes verschaltet ist. Insbesondere ist die Ausgangsspannung nach dem Gleichspannungswandler zeitlich nicht konstant sondern unterliegt Schwankungen mit negativen Halbwellen. Durch den Einsatz des zweiten Gleichspannungswandlers kann die Ausgangsspannung, insbesondere im Hochvoltplus-Potential, auf einen festen Wert stabilisiert werden. Somit kann ein verbesserter und stabilisierter Betrieb des elektrischen Bordnetzes realisiert werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn auf der Gleichspannungsseite zumindest ein Bypass-Schalter parallel zum zumindest einen Gleichspannungswandler verschaltet ist. Insbesondere beim Einsatz eines weiteren Gleichspannungswandlers kann ein weiterer Bypass-Schalter parallel zum weiteren Gleichspannungswandler verschaltet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Gleichspannungswandler und der weitere Gleichspannungswandler unidirektional ausgelegt sind oder für Ströme dimensioniert sind, die kleiner sind als der Strom zum Inverter beim Fahren. Im zweiten Betriebszustand des elektrischen Inverters sind dann zumindest der Bypass-Schalter bzw. der weitere Bypass-Schalter geöffnet. Dadurch ist auch bei einer unidirektionalen Auslegung der Gleichspannungswandler ein verbesserter Betrieb ermöglicht. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Komponenten wie bspw. der Inverter und der Gleichspannungswandler, separat auf die Anwendungsfälle des ersten Betriebszustands, insbesondere des Fahrens, und des zweiten Betriebszustands, insbesondere des Ladens (unidirektional oder bidirektional), ausgelegt werden. Somit ist ein höherer Wirkungsgrad für den Ladefall und das Fahren erreichbar. Des Weiteren können dadurch auch Gleichspannungswandler eingesetzt werden, welche für niedrigere Ströme dimensioniert sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs;
- 2 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers; und
- 3 ein weiteres schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes 10. Das elektrische Bordnetz 10 ist vorliegend als Hochvolt Bordnetz ausgebildet. Im folgenden Ausführungsbeispiel weist das elektrische Bordnetz 10 eine Wechselspannungsquelle 12 auf. Die Wechselspannungsquelle 12 ist im vorliegenden Beispiel dreiphasig ausgebildet. Es ist ebenfalls möglich, dass die Wechselspannungsquelle zweiphasig oder einphasig ausgebildet ist. Die Wechselspannungsquelle 12 kann bspw. eine Ladesäule oder ein Hausanschluss sein.
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Ferner weist das folgende Ausführungsbeispiel Spulen 14 auf. Die Spulen 14 sind vorliegend in einer jeweiligen Phase der Wechselspannungsquelle 12 verschaltet. Die Spulen 14 können als separate Spulen 14 in dem Ladevorgang als zweiter Betriebszustand vorhanden sein oder durch bspw. Motorinduktivitäten (Auftrennung-Sternpunkt) realisiert sein.
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Das elektrische Bordnetz 10 weist ferner einen Bereich 16 auf, welcher eine verstärkte Isolation aufweist. Im Bereich 16 wiederum ist insbesondere ein elektrischer Inverter 18 ausgebildet, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Spulen 14 mit der Wechselspannungsquelle 12 gekoppelt ist. Der elektrische Inverter 18 ist insbesondere dazu ausgebildet, für einen ersten Betriebszustand, welcher insbesondere ein Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs sein kann, aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung und für einen zweiten Betriebszustand, welcher insbesondere ein Ladebetriebszustand sein kann, aus der Wechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen. Dazu weist der elektrische Inverter 18 taktende Elemente 20 auf, um die Spannungswandlung durchführen zu können. Vorliegend weist der elektrische Inverter sechs taktende Elemente 20 auf. Der elektrische Inverter 18 kann insbesondere in Verbindung mit den Spulen 14 als Leistungskorrekturfilter ausgebildet sein.
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Ferner weist der Bereich 16 an einer Gleichspannungsseite 22 des elektrischen Inverters 18 einen Gleichspannungswandler 24 auf. Der Gleichspannungswandler 24 ist aktiv und dient zur Stabilisierung des Hochvolt-Potentials. Der Gleichspannungswandler 24 kann dabei als Abwärtswandler 26 (2) und/oder als Aufwärtswandler 28 (3) ausgebildet sein. Ebenfalls möglich ist, dass der Gleichspannungswandler 24 als Ab-/Aufwärtswandler ausgebildet sein kann. Ferner kann der Gleichspannungswandler 24 bidirektional oder unidirektional ausgebildet sein.
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Ferner zeigt 1, dass das elektrische Bordnetz 10 einen weiteren Gleichspannungswandler 30 aufweisen kann, welcher zwischen dem Gleichspannungswandler 24 und einer Batterie 32 des elektrischen Bordnetzes 10 angeordnet sein kann. Der weitere Gleichspannungswandler 30 dient insbesondere zur Stabilisierung der Hochvolt-Ausgangsspannung. Der weitere Gleichspannungswandler 30 kann dabei als Abwärtswandler 26 oder als ein Abwärtswandler aus dem Stand der Technik und/oder als Aufwärtswandler 28 und/oder als Aufwärtswandler aus dem Stand der Technik ausgebildet sein. Ferner kann der weitere Gleichspannungswandler 30 bidirektional oder unidirektional ausgebildet sein.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass auf der Gleichspannungsseite 22 zumindest ein Bypass-Schalter 34 parallel zum Gleichspannungswandler 24 verschaltet ist. Ferner ist im vorliegenden Beispiel ein weiterer Bypass-Schalter 26 parallel zum weiteren Gleichspannungswandler 30 verschaltet. Insbesondere kann durch die Benutzung der Bypass-Schalter 34, 36 der Gleichspannungswandler 24 und/oder der weitere Gleichspannungswandler 30 unidirektional ausgelegt sein, oder für Ströme dimensioniert sein, die kleiner sind als der Strom zum elektrischen Inverter 18 im ersten Betriebszustand. Es ist vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler 24 und/oder der weitere Gleichspannungswandler 30 jeweilig ein zu taktendes Energiespeicherelement 38 (s. 2 und 3) aufweist, welches in einem Minus-Pfad 40, insbesondere in einem Hochvolt-Minus-Pfad, verschaltet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das zu taktende Energiespeicherelement 38 als Drossel oder Kondensator ausgebildet ist.
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Dadurch ist es ermöglicht, dass sich am Ausgang des Bereichs 16 eine konstante Gleichspannung ohne Potentialsprünge ergibt. Somit tragen Y-Kapazitäten aller dort angeschlossenen Hochvolt-Geräte nicht mehr zum Ableitstrom bei. Durch die Korrekturmöglichkeit der HV-Potentiale der Gleichspannungswandler 24, 30 kann darüber hinaus auch auf die Anforderung der doppelten Isolation für die nachfolgend angeschlossenen Komponenten im Fahrzeug-HV-Bordnetz verzichtet werden. Die Mehrfachnutzung des elektrischen Inverters 18 für den ersten Betriebszustand und/oder den zweiten Betriebszustand mit einer hohen Leistung beim Wechselspannungs-Laden bleibt weiterhin erhalten. Des Weiteren kann eine Symmetrierung der Hochvolt-Potentiale bezüglich der Rohbaumasse an der Ausgangsseite des Bereichs 16 möglich sein. Dadurch wird die gespeicherte Gesamtenergie in den Y-Kapazitäten zwischen dem Hochvoltplus-Pfad zur Rohbaumasse und dem Hochvoltminus-Pfad zur Rohbaumasse minimiert. Durch das zu taktende Energiespeicherelement 38 können Überspannungen aus der Wechselspannungsquelle 12 gedämpft und reduziert werden. Die einzelnen Komponenten 18, 24, 30 können separat auf die Anwendungsfälle Fahren und Laden (unidirektional oder bidirektional) ausgelegt werden. Somit ist ein höherer Wirkungsgrad für den Ladefall und das Fahren erreichbar. Die Y-Kapazitäten des Fahrzeugbestandteils wirken sich nicht mehr nach dem Ausgang des elektrischen Inverters 18 mit Korrektur von Potentialsprüngen mehr als Ableitströme an der Hausversorgungsseite aus.
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Die 1 zeigt insbesondere eine Verschaltung gemäß dem zweiten Betriebszustand. Bei einer Verschaltung gemäß dem ersten Betriebszustand, würde die Wechselspannungsquelle 12 durch einen nicht dargestellten elektrischen Motor ersetzt werden. Die zu der 1 gezeigten Ausführungen gelten in analoger Weise für den Fahrbetrieb mit dem nicht dargestellten elektrischen Motor. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen empfiehlt es sich, die Gleichspannungswandler 24, 30 durch parallele Schütze, welche die Bypass-Schalter 34, 36 sein können, zu überbrücken.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 24, 30. Im folgenden Ausführungsbeispiel ist der Gleichspannungswandler 24, 30 als Abwärtswandler 26 ausgebildet. Der Abwärtswandler 26 kann auch als Buck Converter bezeichnet werden. Dazu weist der Abwärtswandler 26 das taktende Element 20 auf, welches insbesondere mit dem Minus-Pfad 40 gekoppelt ist. Das zu taktende Energiespeicherelement 38 ist vorliegend als Drossel ausgebildet und ist zwischen dem Minus-Pfad 40 des Gleichspannungswandlers 24, 30 geschaltet. Ferner weist der Abwärtswandler 26 zwischen einem Plus-Pfad 44 eine Diode 42 auf.
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3 zeigt ein weiteres schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers 24, 30. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Gleichspannungswandler 24, 30 als Aufwärtswandler ausgebildet. Der Aufwärtswandler 28 kann auch als Boost Converter bezeichnet werden. Das zu taktende Energiespeicherelement 38 ist im Minus-Pfad 40 verschaltet. Die Diode 42 ist ebenfalls mit dem Minus-Pfad 40 verschaltet. Das zu taktende Element 20 ist zwischen dem zu taktenden Energiespeicherelement 38 und dem zu taktenden Element 20 und dem Plus-Pfad 44 verschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das zu taktende Energiespeicherelement 38 ebenfalls als Drossel ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrisches Bordnetz
- 12
- Wechselspannungsquelle
- 14
- Spulen
- 16
- Bereich
- 18
- elektrischer Inverter
- 20
- taktendes Element
- 22
- Gleichspannungsseite
- 24
- Gleichspannungswandler
- 26
- Abwärtswandler
- 28
- Aufwärtswandler
- 30
- weiterer Gleichspannungswandler
- 32
- Batterie
- 34
- Bypass-Schalter
- 36
- weiterer Bypass-Schalter
- 38
- zu taktendes Energiespeicherelemente
- 40
- Minus-Pfad
- 42
- Diode
- 44
- Plus-Pfad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0121659 A1 [0004]
- US 5291388 [0005]
