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Die Erfindung betrifft ein Ladesystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
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In Zukunft wird die Energieversorgung in Wohnhäusern wesentlich komplexer als heutzutage, da der Wandel zu erneuerbaren Energien und Elektromobilität andere Anforderungen an die Energieversorgung stellt. Neben dem Standard-AC-Netzanschluss kommen zukünftig weitere Gleichstromquellen wie beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Heimspeicher hinzu. Außerdem kommt mit dem Elektroauto ein Energiegroßabnehmer hinzu, der in der heutigen Netzinfrastruktur der Hauselektrik nicht vorgesehen ist.
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Wenn eine Gleichstromquelle oder Senke mit dem Wechselstromnetz eines Hauses verbunden wird, wird meist ein bidirektionaler Gleich-/Wechselrichter und auch noch ein zusätzlicher Hoch-/Tiefsetzsteller benötigt. Dies führt zu hohen Verlusten der wiederholten Umwandlung sowie hohen Kosten durch die verbaute Leistungselektronik. Jede Quelle, sei es eine Photovoltaikanlage, ein Heimspeicher oder ein Fahrzeug, wird in der Regel mit einer eigenen Leistungselektronik an das bestehende Wechselstromnetz angebunden. Beispielsweise kann der Solarstrom aus der Photovoltaikanlage über einen Hoch-Tiefsetzsteller (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 98%) und einem Wechselrichter (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 97%) der Photovoltaikanlage sowie einen bidirektionalen Gleichrichter (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 97%), einem Hoch-/Tiefsetzsteller (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 98%) in den Gleichstromhochvoltspeicher (DC-HV-Heimspeicher) zwischengespeichert werden. Wird nun am Abend das Fahrzeug geladen, so wird der Solarstrom aus dem DC-HV-Heimspeicher über den bidirektionalen Gleichrichter (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 97%) über den Hoch-/Tiefsetzsteller (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 98%) in das Wechselstromnetz des Hauses übertragen. Aus dem Wechselstromnetz des Hauses wird mittels eines Gleichrichters mit Hoch-/Tiefsetzsteller und galvanischer Trennung (mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise 97%) die Gleichstromhochvoltbatterie geladen. Im Ergebnis wird ein Gesamtwirkungsgrad von beispielsweise 79% erzielt. Dieser Wirkungsgrad ist für Heimanwendungen deutlich zu gering.
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Aus der
DE 10 2011 083 020 A1 ist eine Ladevorrichtung insbesondere für Kraftfahrzeuge mit zumindest zwei Leistungseingangsanschlüssen bekannt. Die Leistungseingangsanschlüsse sind mit jeweils unterschiedlichen elektrischen Energiequellen koppelbar. Ferner ist ein Leistungsausgangsanschluss vorhanden, welcher mit einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeughochvoltbatterie koppelbar ist. Ferner ist eine steuerbare Schalteinrichtung vorhanden, welche dazu ausgebildet ist, eine elektrische Verbindung zwischen zumindest einem der Leistungseingangsanschlüssen und Leistungsausgangsanschlüssen einzuschalten und/oder zu unterbrechen. Die Ladevorrichtung weist somit eine steuerbare Schaltvorrichtung auf, mit welcher die unterschiedlichen Energiequellen derart mit der Batterie verbunden werden können, dass eine Gleichspannung zum Laden der Batterie sicher zur Verfügung steht. Die Ladevorrichtung ist einfacher und kostengünstiger aufgebaut, da eine Vielzahl von Komponenten mehrfach verwendet werden können. Es kann dabei ein einzelner Gleichrichter für eine Vielzahl von Wechselspannungsquellen eingesetzt werden. Es ist eine einzelne Wandlerelektronik für alle Leistungseingangsanschlüsse vorhanden. Eine solche Wandlerelektronik ist zwischen den Leistungseingangsanschlüssen und der Schalteinrichtung angeordnet. Die Wandlerelektronik weist einen steuerbaren Gleichrichter und einen steuerbaren Spannungswandler auf. Dadurch können sowohl Gleichspannung als auch Wechselspannung unterschiedlicher Höhe in eine zum Laden der Batterie benötigte Gleichspannung gewandelt werden. Dies ermöglicht eine Integration unterschiedlicher Ladesysteme in eine einzige Ladevorrichtung. In einer Ausführungsform ist die Wandlerelektronik nicht in einem Leistungseingangsanschluss angeordnet, sondern dem Leistungsausgangsanschluss zugeordnet. Ein Fahrzeug kann somit eine Fahrzeughochvoltbatterie aufweisen, welche mit einer dementsprechenden Ladevorrichtung gekoppelt ist. Die Ladevorrichtung ist Teil des Kraftfahrzeugs. Die Ladevorrichtung stellt drei Leistungseingangsanschlüsse bereit, die jeweils über zwei eigene elektrische Leitungen mit der entsprechenden Schaltvorrichtung gekoppelt sind. Dabei weist die Schaltvorrichtung jeweils Schalter für jeden der Leistungseingangsanschlüsse auf. Auf der Ausgangsseite ist die Schalteinrichtung mit einem Leistungsausgangsanschluss gekoppelt. Zwei der Leistungseingangsanschlüsse sind jeweils mit einer Wandlerelektronik in Form eines Gleichrichters verbunden. Der weitere Leistungseingangsanschluss ist mit einer Gleichspannungshochenergiequelle gekoppelt. Die beiden anderen Leistungseingangsanschlüsse können mit einer Haushaltsstromquelle oder mit einer kabellosen Energiequelle gekoppelt sein. Es ist offenbart, dass eine einzelne kombinierte Wandlerelektronik vorgesehen ist, welche ein steuerbaren Gleichrichter und einen Spannungswandler aufweist. Die Spannungswandlerelektronik kann einen Buck-Boost-Wandler, d.h. einen Gleichspannungswandler ohne galvanische Trennung mit einer Speicherdrossel aufweisen.
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Aus der
DE 10 2013 220 704 A1 ist die Doppelnutzung eines Umrichters zur konduktiven und induktiven Ladung eines Elektrofahrzeuges bekannt. Die entsprechende Schaltung weist einen Gleichspannungswandler, eine Stromrichterschaltung und einen Umschalter auf. Der Gleichspannungswandler ist durch einen Tiefsetzsteller gebildet. Der Gleichspannungswandler kann eine galvanische Trennung zwischen dem Gleichspannungseingang und dem Gleichspannungsausgang aufweisen. Die Stromrichterschaltung ist mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden, wobei der Umschalter ausgebildet ist, um die Stromrichterschaltung in schaltbarer Weise mit dem konduktiven Anschluss oder mit dem induktiven Anschluss zu koppeln.
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Aus der
JP H-07250405 A ist bekannt, mittels eine Ladesystems zwei Batterien zu laden, wobei das Ladesystem einen Konverter und eine Zeitschaltuhr aufweist.
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Aus der
US 2014 / 0 300 185 A1 ist ein Ladesystem eines Gebäudes bekannt, wobei das Ladesystem mit einem AC-Leistungsanschluss an ein Wechselstromnetz und über ein DC-Leistungsanschluss an eine Fotovoltaikanlage angeschlossen ist. Hiermit ist eine Batterie eines Kraftfahrzeugs ladbar. Der AC-Leistungsanschluss ist mit einem Gleichrichter verbunden. Ferner ist ein Gleichspannungswandler vorhanden. Der erste Gleichspannungswandler arbeitet unidirektional. Der DC-Leistungsanschluss ist über einen Schalter und einen Schalter sowohl mit dem Gleichrichter als auch mit dem Gleichspannungswandler verbindbar.
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Aus der
DE 10 2009 026 936 A1 ist eine Ladestation bekannt, die mit einer Phase eines AC-Leistungsanschlusses verbunden ist. Die Ladestation weist einen Anschluss in Form einer Steckdose auf. Die Ladestation weist einen Übertrager beispielsweise in Form eines Impulstransformators auf, der über eine steuerbare Schaltergruppe überbrückt werden kann. Wenn der Schalter geöffnet ist, besteht keine galvanische Verbindung zwischen der Phase und der Steckdose.
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Aus der
KR 101287586 B1 ist ein Ladesystem mit einer Wechselspannungsquelle, mit einem bidirektionalen Gleichrichter, einer Batterie, einem bidirektionalen Gleichspannungswandler, vier Schaltern S1 bis S4 und einer Steuereinheit bekannt. Die Wechselspannungsquelle versorgt ein Terminal L1 mit einer Wechselspannung von 220V. Der Gleichrichter ist in Reihe mit der Wechselspannungsquelle angeordnet. Mittels des Schalters S1 kann eine Verbindung zu einem Ausgangsterminal L2 zum Laden einer Fahrzeugbatterie hergestellt werden. Die Batterie ist über einen Schalter S2 mit einem Knotenpunkt zwischen dem Schalter S1 und Gleichrichter verbindbar. Der Gleichspannungswandler kann über die Schalter S3 und S4 einerseits sowohl mit der Batterie als auch andererseits über den Schalter S1 mit dem Ausgangsterminal L2 verbunden werden. Die Batterie kann mittels der Wechselspannungsquelle geladen werden. Über einen Gleichspannungswandler kann ferner eine Solarzelle in das Ladesystem integriert werden.
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Aus der
US 2012/181990 A1 ist ein Ladesystem für eine Fahrzeugbatterie bekannt. Der AC-Leistungsabschluss ist dabei über einen Gleichrichter verbunden, dieser ist wiederum mit einem ersten Gleichspannungswandler verbunden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das Ladesystem derart auszugestalten, sodass die Energie bzw. der Strom effizient und wirkungsgradoptimiert verteilt werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein Ladesystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Das Ladesystem weist mindestens einen Gleichspannungsanschluss, der im Folgenden auch als DC-Leistungsanschluss benannt wird, und mindestens einen Wechselspannungsanschluss, der im Folgenden auch als AC-Leistungsanschluss benannt wird, sowie einen Batterieleistungsanschluss auf, wobei der Batterieleistungsanschluss mit einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeughochvoltbatterie verbindbar ist. Das Ladesystem weist einen Gleichrichter auf, wobei der Gleichrichter mit dem AC-Leistungsanschluss verbunden ist. Ferner weist das Ladesystem einen ersten Gleichspannungswandler auf. Der Gleichrichter ist einerseits mit dem AC-Leistungsanschluss und andererseits mit dem ersten Gleichspannungswandler verbunden. Der erste Gleichspannungswandler ist mit der Gleichspannungsseite des Gleichrichters verbunden. Der erste Gleichspannungswandler ist insbesondere als Hoch- / Tiefsetzsteller ausgebildet. Ferner weist das Ladesystem galvanisches Trennelement, insbesondere in Form eines zweiten Gleichspannungswandler auf. Der erste Gleichspannungswandler ist einerseits mit dem Gleichrichter und andererseits mit dem galvanischen Trennelement verbunden. Das galvanische Trennelement ist einerseits mit dem ersten Gleichspannungswandler und andererseits mit dem Batterieleistungsanschluss verbunden. Der mindestens eine DC-Leistungsanschluss ist über eine erste Schaltergruppe sowohl mit dem Gleichrichter als auch mit dem ersten Gleichspannungswandler und über eine zweite Schaltergruppe sowohl mit dem ersten Gleichspannungswandler als auch mit dem galvanischen Trennelement verbunden bzw. verbindbar. Durch diese Ausgestaltung des Ladesystems ist ein Ladesystem mit mehreren Anschlüssen bzw. Schnittstellen bereitgestellt. Dieses Ladesystem kann von einem beliebigen Anschluss in einen anderen Anschluss laden. Der Gleichrichter, der erste Gleichspannungswandler und das galvanische Trennelement arbeiten bidirektional. Die Besonderheit ist hier das gemeinsame Gleichspannungsbezugsnetz sowie die Benutzung lediglich eines Hoch- / Tiefsetzstellers, welcher durch eine intelligente Verschaltung eine völlig variable Verbindung einer Quelle und einer Senke über die entsprechenden Anschlüsse bilden kann.
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Dadurch kann an jeder DC-Quelle, wie z.B. einer Photovoltaikanlage oder einem Heimspeicher auf den Wechselrichter und den Hoch- / Tiefsetzsteller verzichtet werden. Das Ladesystem ermöglicht die intelligente Verschaltung der Senken und Quellen, so dass nur ein geringstmöglicher Hardwareeinsatz realisiert werden muss. Durch die Reduzierung der Hardwareanteile werden der Wirkungsgrad und die Effizienz des Gesamtsystems erhöht. Die dazu notwendigen Schalter bzw. Schaltergruppen können jede Quelle mit jeder Senke verschalten. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Wirkungsgrad beispielsweise bei der Ladung eines E-Fahrzeugs aus einem Heimspeicher, der mittels Solarstrom geladen worden ist.
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Jeweils ein Eingang und ein Ausgang des galvanischen Trennelements ist mittels jeweils eines weiteren Schalters überbrückbar. Hierdurch kann der Wirkungsgrad weiter gesteigert werden. Der oben erwähnte Leistungspfad ist auf die Photovoltaikanlage den Hoch-/Tiefsetzsteller den den Gleichstromhochvoltspeicher und den Hoch-/Tiefsetzsteller und das Fahrzeug verkürzt, wobei das galvanische Trennelement überbrückt wird. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad ohne Berücksichtigung der Verluste im Heimspeicher von beispielsweise 96%. Darüber hinaus lassen sich über die beiden Schaltergruppen der Wirkungsgrad der Fahrzeugladung aus den Gleichspannungsquellen wie Photovoltaikanlage, Heimspeicher oder Brennstoffzelle weiter erhöhen, da hier das von den Normen geforderte Niederspannungsnetz, das sogenannte IT-Netz (Isole Terre-Netz), bereits eingehalten wird und somit die galvanische Trennung überbrückt werden kann, da der Heimspeicher und die Photovoltaikanlage bereits eine Erdung besitzen. Dadurch ergibt sich beispielsweise bei der direkten Ladung eines Elektrofahrzeugs aus der Solarstromquelle, nämlich der Photovoltaikanlage, ein erhöhter Wirkungsgrad, der Leistungspfad reduziert sich auf Photovoltaikanlage, Tiefsetzsteller und Fahrzeug. Dies ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von 98%. Durch den Hoch- / Tiefsetzsteller können die Spannungslevel zwischen den einzelnen Quellen und Senken angepasst werden. Dies ermöglicht ein kompakteres und günstigeres Ladesystem als es aktuell Stand der Technik ist.
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das Ladesystem auszugestalten und weiterzubilden. Es darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
- 1 in einer stark schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Ladesystem zusammen mit mehreren Quellen und Senken.
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1 zeigt ein Ladesystem 1 mit mindestens einem, insbesondere mehreren Gleichstromanschlüssen, die im Folgenden als DC-Leistungsanschlüsse 2, 3 bezeichnet werden. An den DC-Leistungsanschluss 2 kann beispielsweise ein Heimspeicher 4 und an den DC-Leistungsanschluss 3 kann beispielsweise eine Photovoltaikanlage 5 angeschlossen sein bzw. angeschlossen werden. Ferner weist das Ladesystem 1 einen Batterieleistungsanschluss 6 auf, wobei der Batterieleistungsanschluss 6 mit einer Batterie 7, insbesondere einer Fahrzeughochvoltbatterie 7 verbindbar bzw. verbunden ist. Ferner weist das Ladesystem 1 einen Wechselspannungsanschluss auf, der im Folgenden AC-Leistungsanschluss 8 genannt wird. Der AC-Leistungsanschluss 8 ist mit einem AC-Netz 9 verbunden. Das AC-Netz 9 kann beispielsweise durch ein Wechselspannungsnetz mit 220 Volt oder 110 Volt und einer Frequenz von 50 Hz gebildet sein.
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Das Ladesystem 1 weist einen Gleichrichter 10 auf, wobei der Gleichrichter 10 zum einem mit dem AC-Netz 9, d.h. mit dem AC-Leistungsanschluss 8 verbunden ist und auf der Gleichspannungsseite mit einem ersten Gleichspannungswandler 11 verbunden ist. Der erste Gleichspannungswandler 11 ist insbesondere als Hoch- / Tiefsetzsteller ausgebildet. Der erste Gleichspannungswandler 11 ist mit DC-Seite des Gleichrichters 10 verbunden. Der erste Gleichspannungswandler 11 ist nun andererseits mit einem galvanischen Trennelement 12 verbunden. Das galvanische Trennelement 12 ist durch einen zweiten Gleichspannungswandler gebildet. Das galvanische Trennelement 12 ist einerseits mit dem ersten Gleichspannungswandler 11 und andererseits mit dem AC-Leistungsanschluss 8 verbunden. Das galvanische Trennelement 12 ermöglicht eine galvanische Trennung. Das galvanische Trennelement 12 ist dabei über die Schalter S2a und S2b überbrückbar.
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Das Ladesystem 1 weist nun eine erste Schaltergruppe S1a und eine zweite Schaltergruppe S1b auf. Die Schaltergruppen S1a und S1b weisen jeweils mehrere unabhängig voneinander betätigbare Schalter auf, die den jeweils angeschlossenen Quellen, DC-Leistungsanschlüssen 2, 3 zugeordnet sind. Der mindestens eine DC-Leistungsanschluss 2, 3 ist nun über die erste Schaltergruppe S1a sowohl mit dem Gleichrichter 10 als auch mit dem ersten Gleichspannungswandler 11 verbindbar bzw. verbunden. Der mindestens eine DC-Leistungsanschluss 2, 3 ist ferner über die zweite Schaltergruppe S1b sowohl mit dem ersten Gleichspannungswandler 11 als auch mit dem galvanischen Trennelement 12 bzw. dem zweiten Gleichspannungswandler verbindbar. Dieses Ladesystem 1 weist nun mehrere Schnittstellen in Form der DC-Leistungsanschlüsse 2, 3 des AC-Leistungsanschlusses 8 und des Batterieleistungsanschlusses 6 auf. Diese Ladesystem 1 kann von einem beliebigen Anschluss in einen anderen Anschluss laden. Es wird ein gemeinsames Gleichspannungsbezugsnetz genutzt. Ferner wird lediglich ein einziger Hoch- / Tiefsetzsteller in Form des ersten Gleichspannungswandlers 11 benutzt, welcher durch eine intelligente Verschaltung eine völlig Variable mit Verbindung einer Quelle und einer Senke bilden kann. Dadurch kann an jeder DC-Quelle, wie beispielsweise dem Heimspeicher 4 oder der Photovoltaikanlage 5 auf einen Wechselrichter und auf den Hoch-/ Tiefsetzsteller verzichtet werden. Durch dieses Ladesystem 1 ist eine intelligente Verschaltung der oben genannten verschiedenen elektrischen Quellen und Senken möglich, so dass nur ein geringstmöglicher Hardwareeinsatz realisiert werden muss. Durch die Reduzierung der Hardwareanteile werden der Wirkungsgrad und die Effizienz des Gesamtsystems erhöht. Die dazu notwendigen Schalterbaugruppen S1a und S1b sind universell mit jeder Quelle und Senke verschaltbar.
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Der Leistungsfluss von AC-Netz 9 zum Fahrzeug, d.h. zur Batterie 7, erfolgt nun über den Gleichrichter 10, dem Hoch- / Tiefsetzsteller 11 und dem zweiten Gleichspannungswandler 12. Der Leistungsfluss zwischen der Photovoltaikanlage 5 und dem AC-Netz 9 erfolgt dadurch, dass die erste Schaltergruppe S1a in der offenen Stellung verbleibt und der entsprechende Schalter der zweiten Schaltergruppe S1b geschlossen wird, so dass eine Verbindung zwischen der Photovoltaikanlage 5, dem Hoch- / Tiefsetzsteller 11 und dem Gleichrichter 10 bis hin zum AC-Leistungsanschluss 8, d.h. dem AC-Netz 9, bereitgestellt wird.
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Der Leistungsfluss zwischen dem AC-Netz 9 und dem Heimspeicher 4 wird dadurch realisiert, dass die Schaltergruppe S1a in der geöffneten Stellung verbleibt und der entsprechende der Schaltergruppe S1b geschlossen wird, wodurch eine Verbindung des AC-Netzes über den Gleichrichter 10, den Hoch- / Tiefsetzsteller 11 und dem Heimspeicher 4 bereitgestellt ist. Der Leistungsfluss zwischen dem Heimspeicher 4 und dem Kraftfahrzeug, nämlich der Batterie 7 wird dadurch bereitgestellt, dass der entsprechende Schalter der ersten Schaltergruppe S1a geschlossen wird und die zweite Schaltergruppe S1b geöffnet wird, so dass eine Verbindung zwischen dem Heimspeicher 4 über den Hoch-/ Tiefsetzsteller 11 zur Fahrzeugbatterie 7 realisiert ist, wobei die Schalter S2a, S2b geschlossen werden um das galvanische Trennelement 12 zu überbrücken. Der Leistungsfluss zwischen der Photovoltaikanlage 5 und dem Fahrzeug in Form der Batterie 7 ergibt sich dadurch, dass die erste Schaltergruppe S1a geöffnet und der entsprechende Schalter der zweiten Schaltergruppe S1b geschlossen ist, so dass die Photovoltaikanlage 5 direkt mit dem Fahrzeug verbunden ist. Der Heimspeicher 4 und die Photovoltaikanlage 5 weisen jeweils eine Erdung auf, so dass das galvanische Trennelement 12 überbrückt werden kann, wenn die Fahrzeugbatterie 7 aus dem Heimspeicher 4 oder der Photovoltaikanlage 5 geladen wird. Der Wirkungsgrad wird hierdurch weiter erhöht.
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Der Leistungsfluss zwischen der Photovoltaikanlage 5 und dem Heimspeicher 4 kann dadurch bereitgestellt werden, dass sowohl die der Photovoltaikanlage 5 als auch dem Heimspeicher 4 zugeordneten Schalter der Schaltergruppe S1a und der Schaltergruppe S1b geschlossen werden, so dass die Photovoltaikanlage 5 mit dem Heimspeicher 4 über den Hoch-/Tiefsetzsteller 11 verbunden ist.
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Das Ladesystem 1 bildet eine intelligente Ladestation, die die wirkungsgradoptimierte Einbindung einer Photovoltaikanlage 5 und einem Heimspeicher 4 ermöglicht. Weitere Schnittstellen können beispielsweise Brennstoffzellen, Windräder, Elektrolyseure und weitere sein. Auch kann ein solches Ladesystem in vielfältiger Anwendung zum Einsatz kommen, beispielsweise E-Mobilität, Schifffahrt, Luft- und Raumfahrt, Heimanwendung oder Industrieanwendung.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Ladesystem
- 2
- DC-Leistungsanschluss
- 3
- DC-Leistungsanschluss
- 4
- Heimspeicher
- 5
- Photovoltaikanlage
- 6
- Batterieleistungsanschluss
- 7
- Batterie / Fahrzeughochvoltbatterie
- 8
- AC-Leistungsanschluss
- 9
- AC-Netz
- 10
- Gleichrichter
- 11
- erster Gleichspannungswandler / Hoch- / Tiefsetzsteller
- 12
- galvanisches Trennelement
- S1a
- erste Schaltergruppe
- S1b
- zweite Schaltergruppe
- S2a
- dritter Schalter
- S2b
- vierter Schalter
