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Es ist bekannt, Fahrzeuge mit einem elektrischen Energiespeicher wie einem Akkumulator oder einer Batterie auszustatten, insbesondere um damit einen elektrischen Antrieb zur Fortbewegung des Fahrzeugs mit Energie zu speisen. Hierzu sind Elektrofahrzeuge oder Plug-In-Hybridfahrzeuge bekannt, die etwa eine Ladebuchse aufweisen, um das Fahrzeug mittels einer Ladestation zu laden.
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Ferner ist bekannt, dass derartige Fahrzeuge über die Ladebuchse nicht nur Energie aufnehmen können, sondern auch Energie rückspeisen können, etwa zur Rückspeisung von überschüssiger Energie des Energiespeichers, die durch Rekuperieren gewonnen wurde, oder beispielsweise zum Ausgleich von Lastspitzen in einem Stromversorgungsnetz.
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Um zu vermeiden, dass ein vom restlichen Versorgungsnetz abgetrenntes Inselnetz eines Gebäudes, etwa bei Wartungsarbeiten, durch Anschluss eines Fahrzeugs unter Spannung gesetzt wird (sei es durch Rückspeisen oder auch durch bloßes Anschließen des Fahrzeugbordnetzes über die Ladebuchse) müssen Sicherungsmittel vorgesehen sein. Es besteht somit eine Aufgabe darin, ein derartiges Sicherungsmittel vorzusehen.
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Das im Folgenden beschriebene Fahrzeugbordnetz ermöglicht eine besonders einfache Realisierung eines derartigen Sicherungsmittels.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Fahrzeugbordnetz des Anspruchs 1. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften oder Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, zum Zwecke der erhöhten Sicherheit und Redundanz einen ersten Schalter zwischen einem fahrzeugseitigen Ladegerät und einem Verbindungselement (etwa einer Ladebuchse) sowie einen zweiten Schalter zwischen dem Ladegerät und einem Energiespeicher des Fahrzeugbordnetzes vorzusehen. Insbesondere der zweite Schalter kann ein ohnehin vorhandener Trennschalter (oder auch Leistungsschalter) des Energiespeichers sein.
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Der erste Schalter lässt sich besonders einfach als Trennschalter realisieren, wenn parallel zu dem ersten Schalter ein erster Transistor (in Serienschaltung) angeschlossen ist, wobei dieser Transistor eingerichtet ist, in offenem Zustand einen den ersten Schalter überbrückenden Strompfad zu unterdrücken. Mit anderen Worten ist der erste Transistor derart mit dem ersten Schalter parallel verbunden, dass bei einem offenen Transistor und offenem ersten Schalter kein Strom zwischen dem Ladegerät und dem Verbindungselement fließen kann. Der erste Transistor ist derart mit dem ersten Schalter verbunden, dass auch bei einer Restspannung an der Seite des Ladegeräts (vom ersten Schalter aus gesehen) an dem Verbindungselement keine Berührspannung anliegt.
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Darüber hinaus lässt sich dieser Transistor verwenden, um die Erfordernisse an die Ausschaltstromtragfähigkeit des ersten Schalters stark zu reduzieren. Soll eine Verbindung zwischen dem (spannungsführenden) Verbindungselement und dem Ladegerät hergestellt werden, oder ist diese Verbindung zu unterbrechen, dann ergeben sich für den (ersten) Schalter hohe Schaltströme, die einen hohen Aufwand bei der Realisierung des Schalters bedeuten. Mit dem erfindungsgemäß parallel verbundenen Transistor ist es jedoch möglich, dass dieser beim Schalten den Stromtransienten (d.h. den Einschaltstrom oder den Ausschaltstrom) übernimmt und erst dann der erste Schalter seinen Schaltzustand ändert. Dadurch, dass der Transistor den Transienten des Stroms übernimmt, kann der Schalter mit einer deutlich geringeren Schaltstromstärke ausgebildet werden, insbesondere als Trennschalter. Da der Transistor jedoch (nur) den transienten Strom und nicht den Haltestrom führen muss, welcher wiederum vom Schalter getragen wird, ist die thermische Belastung für den Transistor gering, sodass dieser nicht für eine besonders hohe Stromtragfähigkeit ausgebildet sein muss.
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Der Transistor (bei einer Trennung des Verbindungselements vom Ladegerät) ist insbesondere nur für den Schaltübergang (bzw. während diesem) geschlossen, sodass der dauerhafte Strom bzw. der Haltestrom vom (ersten) Schalter getragen werden kann.
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Ein zweiter Schalter zwischen dem Ladegerät und dem Energiespeicher ermöglicht eine hierzu redundante Möglichkeit, den Energiespeicher von dem Verbindungselement elektrisch zu trennen, sodass beim Versagen des ersten Schalters der zweite Schalter eine Kopplung des Energiespeichers mit dem Verbindungselement verhindern kann, wenn dies unerwünscht ist. Dadurch kann redundant verhindert werden, dass der Energiespeicher über das Verbindungselement ein Inselnetz etwa beim Versuch, rückzuspeisen, unter eine gefährliche Spannung setzt, während das Inselnetz selbst etwa bei Wartungsarbeiten spannungsfrei ist bzw. spannungsfrei bleiben soll.
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Es wird ein Fahrzeugbordnetz vorgeschlagen, das ein elektrisches Verbindungselement, einen Energiespeicher und ein Ladegerät umfasst. Das Verbindungselement ist ein konduktives Verbindungselement, beispielsweise ein Steckkontakt zum konduktiven Verbinden des Fahrzeugbordnetzes mit einer stationären Einheit, etwa einer Ladestation. Der Energiespeicher ist ein Akkumulator, insbesondere ein Hochvoltakkumulator bzw. Hochvoltspeicher, der beispielsweise auf Lithium als Elektrodengrundmaterial basiert. Als Hochvoltspeicher werden Speicher bezeichnet, deren Nennspannung größer als 100 Volt, 200 Volt, insbesondere mindestens 320, 350 oder 380 Volt ist.
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Das Verbindungselement kann insbesondere gemäß einem Ladestandard ausgebildet sein. Das Ladegerät ist ein fahrzeugseitiges Ladegerät, das insbesondere zum Wechselstromladen ausgestaltet ist. Das Ladegerät hat somit (zumindest) die Funktion eines gesteuerten oder ungesteuerten Gleichrichters. Das Ladegerät ist insbesondere rückspeisefähig und somit ausgelegt, elektrische Energie ausgehend vom Energiespeicher in Wechselstrom umzuwandeln, um diesen Wechselstrom zum Verbindungselement zu führen. Das Ladegerät kann somit auch die Funktion eines Stromrichters aufweisen. Das Ladegerät ist vorzugsweise bidirektional, kann jedoch auch unidirektional (zur Leistungsübertragung in Richtung Energiespeicher) ausgebildet sein.
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Das Ladegerät ist über den ersten Schalter mit dem Verbindungselement verbunden. Das Verbindungselement und/oder eine Wechselstromseite des Ladegeräts kann ein- oder mehrphasig ausgebildet sein, insbesondere dreiphasig. Das Verbindungselement kann somit zum Übertragen von Drehstrom ausgebildet sein.
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Das Ladegerät ist ferner über einen zweiten Schalter mit dem Energiespeicher verbunden. Insbesondere ist hierbei eine Gleichstromseite des Ladegeräts über den zweiten Schalter mit dem Energiespeicher verbunden, beispielsweise über einen zweiten Schalter in der positiven Versorgungsschiene des elektrischen Energiespeichers. Wie erwähnt ist parallel zu dem ersten Schalter ein erster Transistor in Serienschaltung angeschlossen. Dieser ist eingerichtet, im geöffneten Zustand einen den ersten Schalter überbrückenden Strompfad zu unterdrücken. Mit anderen Worten besteht nur eine einzige Serienschaltung, die den ersten Schalter überbrückt bzw. parallel zu diesem angeschlossen ist. In dieser Serienschaltung ist der erste Transistor in Serie geschaltet. Aus diesem Grund, das heißt aufgrund dieser Schaltungstopologie, ist der erste Transistor eingerichtet, im geöffneten Zustand einen den ersten Schalter überbrückenden Strompfad zu unterdrücken. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass der erste Transistor in der (einzigen) Serienschaltung, die parallel zu dem ersten Schalter angeschlossen ist, in Serie liegt und somit ein offener erster Transistor als eine in Serie bzw. in Reihe geschaltete Komponente einen Strom unterbindet, wenn er geöffnet ist.
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Dadurch lässt sich effektiv verhindern, dass das Verbindungselement bei versuchtem oder unabsichtlichem Rückspeisen ausgehend von dem Ladegerät unter eine gefährliche Spannung gesetzt wird (oder überhaupt unter Spannung gesetzt wird) . Da der erste Schalter zwischen dem Ladegerät und dem Verbindungselement angeschlossen ist, verhindert der erste Schalter auch, dass das Verbindungselement unter einer gefährlichen Spannung steht, wenn nur das Ladegerät einen geladenen Energiespeicher wie einen Zwischenkreiskondensator aufweist, der Energiespeicher jedoch (über den zweiten Schalter) abgetrennt ist. Dadurch ist auch eine Restladung innerhalb des Ladegeräts nicht mehr gefährlich, da der erste Schalter und der parallel geschaltete erste Transistor das Ladegerät effektiv von dem Verbindungselement abtrennen können. Der erste Transistor kann Teil einer Vorladeschaltung sein, die eingerichtet ist, einen Zwischenkreiskondensator des Ladegeräts vorzuladen.
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Gleichzeitig ist es jedoch möglich, dass mittels des ersten Transistors hohe Schaltströme realisiert werden, während der erste Schalter jedoch diese hohen Schaltströme nicht aufnehmen muss. Dies ergibt sich durch die Parallelschaltung zwischen dem ersten Schalter und dem ersten Transistor bzw. der Serienschaltung, in der sich dieser befindet. Durch eine geeignete Reihenfolge bzw. Verzögerung ist es möglich, dass der erste Schalter die Schaltstellung zuerst ändert, wonach der erste Schalter die Schaltstellung ändert, sodass die Änderung der Schaltstellung und somit der Schaltstrom im Wesentlichen über den ersten Transistor zufällt bzw. an diesen anfällt und dadurch der erste Schalter entlastet wird. Hierzu wird eine Steuerung verwendet, die weiter unten näher erläutert ist.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Ladegerät ein bidirektionales Ladegerät ist. Alternativ oder in Kombination hiermit ist vorgesehen, dass das Ladegerät ein Wechselstrom-Ladegerät ist und somit insbesondere eine Wechselstromseite und eine Gleichstromseite aufweist. Die Wechselstromseite ist direkt oder indirekt mit dem Verbindungselement verbunden, während die Gleichstromseite direkt oder indirekt mit dem Energiespeicher verbunden ist. Die Wechselstromseite kann ein- oder mehrphasig ausgestaltet sein, insbesondere dreiphasig.
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Als bidirektionales Ladegerät ist das Ladegerät eingerichtet, zum einen den Ladevorgang zu steuern, bei dem elektrische Energie von dem Verbindungselement gesteuert an den Energiespeicher des Fahrzeugbordnetzes übertragen wird. Da als bidirektionales Ladegerät auch die umgekehrte Richtung möglich ist, ist das Ladegerät vorzugsweise auch eingerichtet, Energie von dem Energiespeicher zu entnehmen und dem Verbindungselement zuzuführen. Hierbei ist das Ladegerät vorzugsweise als Wechselstrom-Ladegerät eingerichtet, die Gleichspannung des Energiespeichers in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung des Verbindungselements zu wandeln. Hierbei arbeitet das Ladegerät als Stromrichter und wandelt Gleichstrom (des Energiespeichers des Fahrzeugbordnetzes) in Wechselstrom (für das Verbindungselement).
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Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner eine Steuerung. Diese Steuerung ist als Steuerungsvorrichtung ausgebildet und kann einteilig, verteilt oder hierarchisch untergliedert sein. Da die konkrete Realisierungsform der Steuerung nicht von besonderer Bedeutung ist, wird im Allgemeinen im Weiteren von einer Steuerung gesprochen, die wie erwähnt verschiedenartig aufgebaut sein kann. In einer Ausführungsform ist die Steuerung mittels eines Mikroprozessors und einem zugehörigen Programm realisiert, kann jedoch auch teilweise oder vollständig durch eine Schaltung realisiert sein.
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Die Steuerung ist ansteuernd mit dem ersten und mit dem zweiten Schalter verbunden. Ferner ist die Steuerung vorzugsweise auch mit dem ersten Transistor ansteuernd verbunden. Hierzu kann die Steuerung einen Steuerungsausgang haben, während die Schalter bzw. der Transistor einen Steuerungseingang haben, wobei eine signalübertragende Verbindung zwischen Steuerung einerseits und Transistor bzw. Schalter andererseits besteht. Die Steuerung kann bei Vorliegen eines Fehlersignals, insbesondere an einem Eingang der Steuerung oder auch in einem Fehlermodus, der einen Fehler innerhalb des Fahrzeugbordnetzes kennzeichnet, den ersten Schalter und den zweiten Schalter (und ggf. auch den ersten Transistor) öffnen. Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet, den Transistor und den ersten Schalter zu öffnen.
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Vorzugsweise ist die Steuerung eingerichtet, den ersten Transistor nach dem ersten Schalter zu öffnen, insbesondere um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert. Hierzu kann die Steuerung ein Verzögerungsglied aufweisen. Zunächst wird somit der erste Schalter geöffnet, und, nachdem vorzugsweise eine vorgeschriebene Mindestdauer verstrichen ist, der erste Transistor. Erst mit dem Öffnen des Transistors wird der Stromfluss unterbrochen, so dass der Transistor den Schaltstrom übernimmt, während der erste Schalter, der vor dem ersten Transistor geöffnet wird, beim Öffnen den Stromfluss nicht unterbricht und somit auch nicht unter Strom geschaltet wird (d.h. einen wesentlichen Schaltstrom übernehmen muss). Das Verzögerungsglied kann eine feste Verzögerung zwischen dem Signal zum Öffnen des ersten Transistors und dem Signal zum Öffnen des ersten Schalters vorsehen. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Steuerung eingerichtet sein, den ersten Schalter nach dem ersten Transistor zu schließen. Auch dann übernimmt der Transistor den Schaltstrom, da durch dessen Schließen der Stromfluss beginnt. Das Schließen des ersten Schalters (nach dem Schließen des Transistors) ist nicht mehr mit einem Wesentlichen Schaltstrom verknüpft. Der erste Schalter wird dadurch vor abnutzenden Schaltströmen (Transienten) geschont. Die Steuerung ist eingerichtet, den ersten Schalter zu öffnen (bevor die Steuerung den ersten Transistor geöffnet hat), wenn ein Fehlersignal vorliegt. Die Steuerung ist eingerichtet, den ersten Schalter und den ersten Transistor (insbesondere wie dargestellt nacheinander) zu öffnen, wenn ein Fehlersignal vorliegt oder auftritt.
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Die Steuerung ist eingerichtet, den ersten Transistor bei Vorliegen eines Fehlersignals oder bei Auftreten eines Fehlersignals geschlossen zu halten, bis der erste Schalter geöffnet wurde, und, ggf., geschlossen zu halten, bis nach diesem Öffnen des ersten Schalters eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist. Wird der erste Schalter geöffnet, wenn der erste Transistor noch geschlossen ist, dann ergibt sich kein voller Abschaltstrom bzw. kein vollständiges Abschaltereignis für den ersten Schalter, da der Transistor (nach Erreichen der betreffenden ON-Spannung über den Transistor) den Strom übernimmt. Dadurch entstehen an dem ersten Schalter keine Lichtbogen, insbesondere da der Widerstand des Transistors im geschlossenen Zustand geringer ist als der Widerstand eines Lichtbogens und insbesondere da die maximale Spannung, die an dem ersten Transistor abfällt, zu klein ist, um einen Lichtbogen am Schalter hervorrufen zu können.
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Der erste Transistor ist vorzugsweise ein MOSFET oder ein IGBT. Insbesondere ist der erste Transistor ein Transistor mit einer Inversdiode. Der erste Schalter ist insbesondere ein elektromechanischer Schalter, beispielsweise ein Relais oder ein Schütz. Der erste Schalter ist wie das Verbindungselement bzw. wie die Wechselstromseite des Ladegeräts ein- oder mehrphasig ausgestaltet und insbesondere für Wechselstrom ausgebildet.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eingerichtet ist, den zweiten Schalter nach dem ersten Schalter zu öffnen. Auch hierzu kann ein Verzögerungsglied vorgesehen sein. Das Öffnen des zweiten Schalters nach dem ersten Schalter wird insbesondere durchgeführt, wenn ein Fehlersignal vorliegt oder erfasst wird. Die Steuerung ist eingerichtet, bei Erfassen bzw. Vorliegen eines Fehlersignals ein Öffnungssignal an den ersten Schalter abzugeben, und, insbesondere nach einer vorgegebenen Zeitdauer, ein entsprechendes Öffnungssignal an den zweiten Schalter abzugeben. Dadurch ist gesichert, dass das Ladegerät und insbesondere dessen interne Steuerung noch mit Strom versorgt sind, wenn durch den ersten Schalter bzw. den ersten Transistor das Verbindungselement vom restlichen Fahrzeugbordnetz bzw. vom Ladegerät abgetrennt wird. Insbesondere kann das Ladegerät selbst deaktiviert werden, nachdem der erste Schalter geöffnet wird. Die Steuerung kann somit auch ansteuernd mit dem Ladegerät verbunden sein und dieses aktivieren. Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet, das Ladegerät zu deaktivieren, nachdem der erste Schalter geöffnet wurde. Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, das Ladegerät zu deaktivieren, bevor der zweite Schalter geöffnet wird. Die Steuerung kann eingerichtet sein, bei Auftreten eines Notaus-Signals (welches bei einer gravierenden Störung als das Fehlersignal erzeugt wird) den ersten und den zweiten Schalter gleichzeitig zu öffnen, gegebenenfalls zusammen mit dem ersten Transistor oder (kurz) vor dem Öffnen des ersten Transistors.
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Da der zweite Schalter geöffnet wird, nachdem bereits der erste Schalter geöffnet wurde (und somit ein Stromfluss über das elektrische Verbindungselement unterbunden ist), wird der zweite Schalter stromlos geöffnet. Dadurch kann auch der zweite Schalter mit einem geringeren Nenn-Ausschaltstrom ausgebildet sein. Dies gilt auch für den ersten Schalter. Mit einem geringeren Ausschaltstrom wird ein Nenn-Ausschaltstrom bezeichnet, der geringer ist als ein Ausschaltstrom, der ohne ersten Transistor fließen würde, das heißt der volle zu übernehmende transiente Schaltstrom. Aus diesem Grund können der erste und der zweite Schalter, da diese nur sehr geringe Schaltströme und insbesondere Ausschaltströme tragen müssen, als Trennschalter ausgebildet sein.
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Hierbei sei bemerkt, dass als Trennen ein (fast) leistungsloser Trennvorgang ist, während Schalten ein Schaltvorgang unter voller Last bzw. bei vollem Nenn-Betriebsstrom ist. In dem hier beschriebenen Fahrzeugbordnetz übernimmt der erste Transistor den Schaltvorgang, während der erste und insbesondere auch der zweite Schalter lediglich trennen. Die Schalter bzw. der Transistor sind hierzu durch deren Dimensionierung ausgestaltet, wobei die Dimensionierung insbesondere den Schaltstrom betrifft, besonders bevorzugt das Verhältnis des Nenn-Schaltstroms zur Stromtragfähigkeit. Wie erwähnt ist bei Trennschaltern der Schaltstrom deutlich geringer als der Nenn-Dauerstrom, während dies bei dem ersten Transistor als Schalter zum Ausführen eines Schaltvorgangs nicht der Fall ist. Das Ladegerät kann mit einer Entladeschaltung ausgestattet sein. Die Entladeschaltung ist eingerichtet, steuerbar einen Zwischenkreiskondensator des Ladegeräts zu entladen. Die Steuerung kann ansteuernd mit der Entladeschaltung verbunden sein. Die Steuerung ist eingerichtet, die Entladeschaltung nach dem Öffnen des ersten Schalters und nach dem Öffnen des zweiten Schalters zu aktivieren. Die Steuerung ist somit eingerichtet, nach dem Aussenden eines Öffnungssignals an den ersten Schalter und an das Öffnungssignal des zweiten Schalters (vorzugsweise nach dem Schaltsignal für den ersten Schalter) ein Aktivierungssignal an die Entladeschaltung abzugeben.
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Dadurch ist gewährleistet, dass der Zwischenkreiskondensator entladen wird, wenn das Ladegerät zum einen vom Verbindungselement (und somit von einer potentiellen externen Stromquelle) und von dem Energiespeicher des Fahrzeugbordnetzes getrennt ist.
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Die Steuerung kann zur Inselnetzerkennung ausgestaltet sein. Hierzu kann die Steuerung eine Schaltung und/oder einen betreffenden Programmcode aufweisen, mit dem die Inselerkennung realisiert wird. Beispielsweise kann zur Inselerkennung die Steuerung eingerichtet sein, ob die Spannung und/oder die Frequenz am Verbindungselement einer von der Steuerung veranlassten Änderung folgt. Ist dies der Fall, so wird das an das Verbindungselement angeschlossene Netz als Inselnetz erkannt. Ist dies nicht der Fall, wird das angeschlossene Netz als ein Netz erkannt, das kein Inselnetz ist. Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, den ersten Schalter und den ersten Transistor (vorzugsweise wie vorangehend beschrieben) zu öffnen, wenn ein Inselnetz erkannt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Steuerung erfasst, dass das Verbindungselement belegt ist. Beispielsweise ein in Wartung befindliches Inselnetz, das spannungsfrei geschaltet ist, kann mit dem Fahrzeugbordnetz über das Verbindungselement verbunden sein. Hierbei ist das Verbindungselement belegt, und das angeschlossene (abgetrennte) Inselnetz wird als solches erkannt.
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Da gesichert sein muss, dass das in Wartung befindliche Inselnetz nicht unter Spannung gesetzt bleibt, werden der erste Schalter und der erste Transistor geöffnet. Vorzugsweise wird hierbei auch der zweite Schalter geöffnet. Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Belegzustand des Verbindungselements zu erfassen. Die Steuerung ist vorzugsweise auch eingerichtet zu erfassen, wenn das Verbindungselement belegt ist, jedoch ein Inselnetz angeschlossen ist, und ist ferner ausgestaltet, in diesem Fall den ersten Schalter und den ersten Transistor zu öffnen, ggf. auch den zweiten Schalter zu öffnen. Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, Fehlerfall ein Fehlersignal abzugeben, das beispielsweise akustisch oder optisch dargestellt werden kann.
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Parallel zu dem ersten Schalter ist wie erwähnt der erste Transistor in Serienschaltung angeschlossen. Jedoch kann parallel zu dem ersten Schalter der erste Transistor und ein zweiter Transistor angeschlossen sein, wobei der zweite und der erste Transistor in Serienschaltung zueinander geschaltet sind. Der erste Schalter wird somit von dem ersten und dem zweiten Transistor (in Serienschaltung) überbrückt. Der erste und der zweite Transistor weisen jeweils eine Inversdiode auf. Auch der zweite Transistor kann wie der erste Transistor ausgestaltet sein und kann als MOSFET oder als IGBT ausgebildet sein. Der erste und der zweite Transistor sind zueinander antiseriell geschaltet. Der erste Transistor und der zweite Transistor können jeweils eine Inversdiode aufweisen. Die Sperrrichtung der Inversdioden sin zueinander entgegengesetzt. Dadurch können trotz Inversdiode zu jedem Zeitpunkt die Überbrückung des ersten Schalters durch den ersten und zweiten Transistor aufgehoben werden, da immer einer der beiden Transistoren derart geschaltet ist, dass seine Inversdiode sperrt und somit der offene Schaltzustand auch zum Erliegen des Stromflusses führt.
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Alternativ ist hierzu kann parallel zu dem ersten Schalter der erste Transistor und eine hierzu in Serienschaltung angeschlossene Diode angeschlossen sein. Hierbei wird der erste Schalter überbrückt von dem ersten Transistor und der Diode, wobei der erste Transistor und die Diode in Serienschaltung miteinander verbunden sind. Die Diode nimmt hierbei den Platz ein des zweiten Transistors. Der erste Transistor weist eine Inversdiode auf. Deren Sperrrichtung ist zur Sperrrichtung der Diode entgegengesetzt. Mit anderen Worten sind der erste Transistor und die Diode zueinander antiseriell geschaltet. Die Diode ermöglicht, dass zumindest bei einer Halbwelle und offenem ersten Transistor die Inversdiode keinen Strom leitet und somit das Sperren der Diode bzw. der Inversdiode des Transistors bei offenem Transistor dazu führt, dass kein Strom parallel zum ersten Schalter fließt.
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Der erste Schalter, der zweite Schalter und vorzugsweise beide Schalter sind insbesondere Trennschalter. Wie erwähnt sind Trennschalter nur für nahezu leistungslose Trennvorgänge vorgesehen. Die Schalter haben somit einen maximalen oder nominalen Ausschaltstrom, der unter deren nominellen oder maximalen Dauerstrom liegt. Insbesondere ist der maximale oder nominelle Abschaltstrom der Schalter kleiner als der maximale oder nominelle Schaltstrom des ersten (und ggf. auch des zweiten) Transistors.
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Der erste Schalter, der zweite Schalter oder beide Schalter können als Halbleiterschalter ausgebildet sein, sind jedoch vorzugsweise als elektromechanische Schalter ausgebildet, insbesondere als Relais oder als Schütz.
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Die 1 und 2 zeigen Ausführungsformen zur beispielhaften Erläuterung des hier erwähnten Fahrzeugbordnetzes.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils ein Fahrzeugbordnetz FB, das über eine Schnittstelle RS mit einem Wechselstromnetz ACN verbunden ist. Zur Ausbildung dieser Schnittstelle RS weist das Fahrzeugbordnetz das Verbindungselement VE auf, während seitens des Wechselstromnetzes ein stationäres Verbindungselement SVE vorgesehen ist. Das stationäre Verbindungselement SVE kann von den Kontakten eines Ladesteckers vorgesehen sein, während das Verbindungselement VE von Kontakten einer Ladebuchse gebildet wird.
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Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner ein Ladegerät LG, das über einen ersten Schalter S1 mit dem Verbindungselement VE verbunden ist, und (auf entgegengesetzter Seite) über einen zweiten Schalter S2 mit dem Energiespeicher ES verbunden ist. Der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 sind somit auf zwei entgegengesetzten Seiten des Ladegeräts LG vorgesehen.
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Es ist lediglich eine Phase der Verbindung zwischen Ladegerät LG und Wechselstromnetz ACN dargestellt, wobei jedoch, wie symbolhaft gezeigt, weitere Phasen folgen können. Die Phasen sind vorzugsweise alle gleich ausgebildet, sodass auch jede Phase einen Schalter S1 umfasst und auch ansonsten wie die dargestellte Phase ausgebildet ist.
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Parallel zum ersten Schalter S1 ist eine Serienschaltung geschaltet. Somit überbrückt die Serienschaltung den Schalter S1. Die Serienschaltung umfasst die zueinander in Reihe geschalteten Transistoren T1 und T2, das heißt den ersten Transistor T1 und den zweiten Transistor T2. Das zur Darstellung verwendete Ersatzschaltbild der Transistoren zeigt jeweils einen Schalter TS1, TS2, zu dem eine Inversdiode bzw. Bodydiode TD1, TD2 parallel geschaltet ist. Somit umfasst der Transistor T1 einen Transistorschalter T1 sowie eine dazu parallel geschaltete Inversdiode TD1. In gleicher Weise umfasst der zweite Transistor T2 einen Transistorschalter TS2 des Ersatzschaltbildes, zu dem eine Inversdiode TD2 parallel geschaltet ist. Bei der Darstellung der 1 und 2 handelt es sich nur um symbolhafte Wiedergaben, wobei die Ersatzschaltbilder der Transistoren reduziert sind auf die Transistorenschalter, die sich etwa durch den Drain-Source-Übergang bzw. Emitter-Kollektor-Übergang ergeben. Die Inversdioden TD1, TD2 werden von dem Halbleitersubstrat gebildet, welches die jeweiligen Transistoren TS1, TS2 realisiert.
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Ebenso ist symbolhaft eine Steuerung C dargestellt, die ansteuernd mit dem ersten Schalter S1 und mit dem zweiten Schalter S2 verbunden ist. Ferner ist die Steuerung C ansteuernd mit dem ersten Transistor T1 und dem zweiten Transistor T2 verbunden, sowie mit einer Entladeschaltung EL des Ladegeräts.
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Bis auf den zweiten Transistor T2 und dessen Merkmale ist die Schaltung der 2 identisch mit der Schaltung der 1. Im Gegensatz zur 1 wird der erste Schalter S1 in der 2 überbrückt von einer Reihenschaltung, die den ersten Transistor T1 und eine Diode D umfasst. Der erste Transistor T1 und die Diode D sind in Reihe miteinander verbunden, wobei diese Reihenschaltung parallel zu dem ersten Schalter S1 angeschlossen ist. Wie der erste und der zweite Transistor der 1 ist der erste Transistor T1 und die Diode D der 2 zueinander antiseriell geschaltet. Das heißt, dass die Inversdiode TD1 des ersten Transistors T1 der 2 in entgegengesetzte Richtung wie die Diode D weist. Wie auch die Sperrrichtungen der Inversdioden TD1, TD2 der 1 zueinander entgegengesetzt sind, ist die Sperrrichtung der Diode D entgegengesetzt zur Sperrrichtung der Inversdiode TD1 des ersten Transistors T1 der 2. Dies gilt auch für die Durchlassrichtungen der Dioden bzw. Inversdioden.
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Tritt ein Fehlerfall auf, so öffnet die Steuerung C zuerst den Schalter S1, woraufhin der verbleibende Strom von dem ersten und zweiten Transistor T1, T2 (vgl. 1) oder von dem Transistor T1 und der Diode D (vgl. 2) getragen wird. Bei Ausführungsformen, bei denen zum ersten Transistor in Serie eine Diode angeschlossen ist, wird der erste Schalter nur dann gehöffnet, wenn ein Strom (durch das Verbindungselement VE) fließt, dessen Richtung der Durchflussrichtung der Diode D entspricht. Die Steuerung ist eingerichtet, die Polarität der Halbwelle am Verbindungselement VE bzw. an den jeweiligen Phasen (jeweils) zu erfassen, um so den Öffnungsvorgang S1 durchzuführen. Ist die Polarität in der entsprechenden Phase bzw. am entsprechenden Verbindungselement VE derart, dass die Diode D, vgl. 2, sperrt, dann unterdrückt die Steuerung ein Öffnen des Schalters S1. Die Steuerung C ist hierzu eingerichtet und öffnet den Schalter S1 nicht, wenn dies aufgrund der Diode D in Sperrrichtung dazu führen würde, dass der volle Abschaltstrom vom ersten Schalter zu tragen wäre.
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Im Falle der 1 ist die Steuerung C eingerichtet, den ersten Transistor T1 und den zweiten Transistor T2 gleichzeitig anzusteuern. Die ansteuernde Verbindung ist mit gestrichelten Pfeilen dargestellt. Dies gilt für die 1 und für die 2.
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Die Steuerung C ist in beiden Fällen (das heißt in der Schaltung der 1 und auch in der Schaltung der 2) dazu eingerichtet, zuerst den Schalter S1 zu öffnen, und dann erst den Schalter S2 zu öffnen. Dadurch wird das Ladegerät LG von dem Energiespeicher ES abgetrennt. Ist das Ladegerät LG somit nicht mehr mit dem Energiespeicher ES verbunden, kann die Steuerung C die Entladeschaltung EL des Ladegeräts LG aktivieren. Eine entsprechende ansteuernde Verbindung ist ebenso mit gestricheltem Pfeil dargestellt.
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Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, dass bei einer dreiphasigen Ausführung für jede Phase ein Verbindungselement (etwa in Form eines Kontakts) und ein erster Schalter sowie erster und zweite Transistoren bzw. ein erster Transistor und eine Diode vorgesehen sind.
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Die Steuerung C kann in einer nicht-dargestellten Ausführungsform einen Eingang aufweisen, um ein Potential, eine Spannung oder ein Belegzustand am Verbindungselement bzw. des Verbindungselements selbst zu erfassen. Die Steuerung C kann hierbei eine logische Verknüpfung vorsehen, die den Belegzustand und das Kriterium, ob ein Potential an dem Verbindungselement bzw. an der Phase über einer vorgegebenen Spannung liegt, logisch verknüpft. Ist beides der Fall, so führt die logische Verknüpfung dazu, dass die Steuerung C eine Öffnung der Schalter S1 und S2 und somit auch des mindestens einen Transistors einleitet.
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Wie erwähnt kann in einer Schaltung nach 1 zu jeder Zeit, das heißt bei jeder Halbwelle die Ausschaltsequenz durchgeführt werden, wobei die Ausschaltsequenz vorsieht, dass zunächst der erste und der zweite Transistor T1, T2 und dann der Schalter S1 geöffnet werden. In einer Ausführungsform nach 2 wird das Öffnen des ersten Schalters nur dann durchgeführt, wenn die Polarität an dem betreffenden Verbindungselement bzw. in der betreffenden Phase derart ist, dass die Diode leitet. Die Steuerung C kann somit eingerichtet sein, das Öffnen des ersten Schalters zu unterdrücken, wenn die Diode D sperrt. Dieses Unterdrücken kann fortgeführt werden bis das Sperren der Diode D beendet ist und somit die Diode D in der Lage ist einen Schaltstrom zu tragen, während der Schalter S1 geöffnet wird. Wenn der Schalter S1 geöffnet wird, ist der erste Transistor geschlossen. In der 1 ist dies ebenso der Fall, hierbei wird der Schalter S1 geöffnet, während der erste und der zweite Transistor T1, T2 in geschlossenem Zustand angesteuert werden.
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Die Steuerung C kann selbst eingerichtet sein, einen Fehlerzustand zu erfassen. Alternativ kann die Steuerung C einen Fehlereingang aufweisen, an dem ein Fehlersignal eingegeben werden kann, welches die vorangehend genannte Schaltsequenz auslöst.
