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RÜCKVERWEISUNGEN AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht den Vorteil der Priorität gegenüber der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-067007 , angemeldet am 30. März 2017, deren gesamte Inhalte durch Verweise hierin enthalten sind.
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TECHNISCHES GEBIET
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Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Gleichspannungswandler, der eine bidirektionale Stromumwandlung zwischen zwei Gleichstromversorgungen durchführt, insbesondere auf einen bidirektionalen Gleichspannungswandler eines nicht isolierenden Typs.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Hochspannungsbatterie, die ein Fahrantriebssystem mit elektrischem Strom versorgt, das einen Motor und eine Niederspannungsbatterie beinhaltet, die Vorrichtungen im Fahrzeug, wie z. B. eine Klimaanlage und ein Audiogerät, mit elektrischem Strom versorgt, sind in einem elektrischen Fahrzeug und einem Hybrid-Fahrzeug, wie sie in jüngster Zeit beliebt sind, eingebaut. Jede Batterie ist mit einer zweiten Batterie, die geladen und entladen werden kann, konfiguriert. Zum Beispiel wird eine Lithium-Ionen-Batterie als die Hochspannungsbatterie verwendet und eine Blei-Batterie wird als die Niederspannungsbatterie verwendet. Ein bidirektionaler Gleichspannungswandler wird zwischen der Hochspannungsbatterie und der Niederspannungsbatterie bereitgestellt.
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Der bidirektionale Gleichspannungswandler verfügt über eine Spannungserhöhungsfunktion und eine Spannungsabsenkungsfunktion. Zum Beispiel wird in einem Fall, in dem die verbleibende Menge der Niederspannungsbatterie nicht ausreicht, durch den bidirektionalen Gleichspannungswandler eine Spannung der Hochspannungsbatterie abgesenkt und der Niederspannungsbatterie zugeführt, um die Niederspannungsbatterie zu laden. Darüber hinaus wird in einem Fall, in dem die verbleibende Menge der Hochspannungsbatterie nicht ausreicht, durch den bidirektionalen Gleichspannungswandler eine Spannung der Niederspannungsbatterie erhöht und der Hochspannungsbatterie zugeführt, um die Hochspannungsbatterie zu laden. Somit können durch die Verwendung des bidirektionalen Gleichspannungswandlers elektrische Leistungen der zwei unterschiedlichen Gleichspannungsversorgungen wechselseitig ergänzt werden.
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Es gibt zwei Typen von bidirektionalen Gleichspannungswandlern: einen isolierenden und einen nicht isolierenden Typ. Beim bidirektionalen Gleichspannungswandler des isolierenden Typs, zum Beispiel wie in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-228788 beschrieben, sind die Niederspannungsbatterieseite und die Hochspannungsbatterieseite durch einen Transformator isoliert, und Schaltelemente sind jeweils auf einer Primärseite und einer Sekundärseite des Transformators bereitgestellt. Beim bidirektionalen Gleichspannungswandler des nicht isolierenden Typs, zum Beispiel wie in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003-304644 beschrieben, sind die Niederspannungsbatterieseite und die Hochspannungsbatterieseite nicht voneinander isoliert, und ein spannungssenkendes Schaltelement und ein spannungserhöhendes Schaltelement sind in einem Strompfad, der die entsprechenden Batterien verbindet, bereitgestellt.
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10 veranschaulicht ein Beispiel eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers eines nicht isolierenden Typs nach dem Stand der Technik. Ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 51 ist zwischen einer Hochspannungsbatterie E1 und einer Niederspannungsbatterie E2 bereitgestellt, und beinhaltet ein spannungssenkendes Schaltelement Q11, ein spannungserhöhendes Schaltelement Q12, einen Glättungskondensator C, einen Induktor L und einen Schalter SW. D11 und D12 sind parasitäre Dioden der Schaltelemente Q11 beziehungsweise Q12.
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In einem Fall, in dem das Laden von der Hochspannungsbatterie E1 zur Niederspannungsbatterie E2 durchgeführt wird, wird in einem Zustand, in dem der Schalter SW eingeschaltet ist, ein spannungserhöhendes Schaltelement Q12 ausgeschaltet und ein spannungssenkendes Schaltelement Q11 wird durch ein PWM-Signal in einem vorgegebenen Takt ein- und ausgeschaltet. Dadurch wird eine Spannung der Hochspannungsbatterie E1 in Übereinstimmung mit dem Takt des PWM-Signals gesenkt und einer Niederspannungsseite zugeführt, um die Niederspannungsbatterie E2 zu laden. Darüber hinaus wird in einem Fall, in dem das Laden von der Niederspannungsbatterie E2 zur Hochspannungsbatterie E1 erfolgt, in einem Zustand, in dem der Schalter SW eingeschaltet ist, ein Schaltelement Q11 ausgeschaltet und das Schaltelement Q12 wird durch das PWM-Signal ein- und ausgeschaltet. Während einer Zeitspanne, in der das Schaltelement Q12 eingeschaltet ist, wird elektrische Energie in dem Induktor L gespeichert. Während einer Zeitspanne, in der das Schaltelement Q12 ausgeschaltet ist, wird die elektrische Energie des Induktors L über die Diode D11 entladen, und die Hochspannungsbatterie E1 wird durch die erhöhte Spannung geladen.
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In dem in 10 dargestellten Gleichspannungswandler 51 fließt, falls der Schalter SW zum Zeitpunkt des Anlassens eingeschaltet wird, über den Schalter SW ein übermäßiger Einschaltstromstoß von der Hochspannungsbatterie E1 zum Glättungskondensator C, und dadurch kann der Glättungskondensator C zerstört werden. Daher wird nach dem Stand der Technik zum Unterdrücken des Einschaltstromstoßes eine vorläufige Ladung des Glättungskondensators C durchgeführt, bevor der Schalter SW eingeschaltet wird (japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-228788, japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007-295699, japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2007-318849 und japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2009-232502).
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Bei dem in 10 dargestellten bidirektionalen Gleichspannungswandler 51 des nicht isolierten Typs sind jedoch eine Niederspannungsseite und eine Hochspannungsseite nicht isoliert, im Gegensatz zum bidirektionalen Gleichspannungswandler des isolierten Typs, und dadurch ist die Niederspannungsbatterie E2 über die parasitäre Diode D11 des Schaltelements Q11 ständig mit der Hochspannungsseite verbunden. Dementsprechend fließt, selbst wenn der Schalter SW und die Schaltelemente Q11 und Q12 alle ausgeschaltet sind, über die parasitäre Diode D11 des Schaltelements Q11 ein Strom von der Niederspannungsbatterie E2 zu einem Verbraucher (nicht dargestellt) auf der Hochspannungsseite, und dadurch funktioniert der Verbraucher anormal oder die Niederspannungsbatterie E2 wird verbraucht.
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Als Gegenmaßnahme beinhaltet ein in 11 dargestellter Gleichspannungswandler 52 zum Verhindern, dass ein Rückstrom von einer Niederspannungsseite zu einer Hochspannungsseite fließt, ein Schaltelement Q13, das zwischen der Niederspannungsbatterie E2 und dem Induktor L bereitgestellt ist. D13 ist eine parasitäre Diode des Schaltelements Q13. Da eine Richtung der parasitären Diode D13 einer Richtung der Niederspannungsbatterie E2 entgegengesetzt ist, fließt in einem Zustand, in dem das Schaltelement Q13 ausgeschaltet ist, kein Strom von der Niederspannungsbatterie E2 zur Hochspannungsseite.
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Selbst wenn das Schaltelement Q13 eingeschaltet wird, bevor der Schalter SW eingeschaltet wird, um den Glättungskondensator C von der Niederspannungsbatterie E2 vorläufig zu laden, wenn der Gleichspannungswandler 52 anläuft, fließt jedoch über die parasitäre Diode D11 ein Einschaltstromstoß von der Niederspannungsbatterie E2 zum Glättungskondensator C durch das Einschalten des Schaltelements Q13, und dadurch bestehen Bedenken, dass der Glättungskondensator C zerstört wird. Dementsprechend ist es erforderlich, eine Schaltung zum vorläufigen Laden des Glättungskondensators C separat bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine oder mehrere der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verhindern ohne Bereitstellen einer besonderen Schaltung für eine vorläufige Ladung in einem bidirektionalen Gleichspannungswandler eines nicht isolierten Typs, dass ein Glättungskondensator durch einen Einschaltstromstoß zerstört wird.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein bidirektionaler Gleichspannungswandler eines nicht isolierten Typs, der zwischen einer Hochspannungs-Gleichstromversorgung und einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung bereitgestellt ist, Folgendes: eine Spannungswandlerschaltung, die ein spannungssenkendes Schaltelement, das eine Spannung der Hochspannungs-Gleichstromversorgung absenkt, und ein spannungserhöhendes Schaltelement beinhaltet, das eine Spannung der Niederspannungs-Gleichstromversorgung erhöht; eine erste Schalt-Schaltung, die zwischen der Spannungswandlerschaltung und der Hochspannungs-Gleichstromversorgung geschaltet ist; eine zweite Schalt-Schaltung, die zwischen der Spannungswandlerschaltung und der Niederspannungs-Gleichstromversorgung geschaltet ist; einen Glättungskondensator, der zwischen der ersten Schalt-Schaltung und der Spannungswandlerschaltung bereitgestellt ist und mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode der Hochspannungs-Gleichstromversorgung durch die erste Schalt-Schaltung verbunden ist; und eine Steuereinheit, die Betrieb der Spannungswandlerschaltung, der ersten Schalt-Schaltung und der zweiten Schalt-Schaltung steuert. Die Steuereinheit steuert die zweite Schalt-Schaltung derart, dass die Einschaltzeit der zweiten Schalt-Schaltung allmählich zunimmt von einem Zustand, in dem die erste Schalt-Schaltung und die zweite Schalt-Schaltung ausgeschaltet sind, und danach die Steuereinheit die Spannungswandlerschaltung derart steuert, dass das spannungserhöhende Schaltelement der Spannungswandlerschaltung ein- und ausgeschaltet wird. Nachdem eine vorgegebene Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das spannungserhöhende Schaltelement beginnt, ein- und ausgeschaltet zu werden, verstrichen ist, schaltet die Steuereinheit das spannungserhöhende Schaltelement aus und schaltet die erste Schalt-Schaltung ein.
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Bei der vorstehenden Konfiguration wird, wenn ein Betrieb eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers einsetzt, eine zweite Schalt-Schaltung nicht plötzlich eingeschaltet und sie wird derart gesteuert, dass die Einschaltzeit allmählich zunimmt, und dadurch wird allmählich eine vorläufige Ladung von einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung zu einem Glättungskondensator durch die zweite Schalt-Schaltung vorgenommen. Somit fließt kein Einschaltstromstoß von der Niederspannungs-Gleichstromversorgung zum Glättungskondensator, und es kann verhindert werden, dass der Glättungskondensator durch einen übermäßigen Einschaltstromstoß zerstört wird. Darüber hinaus kann mit der Steuerschaltung die Steuerung der zweiten Schalt-Schaltung durchgeführt werden, ohne dass es nötig ist, eine besondere Schaltung für die vorläufige Ladung des Glättungskondensators hinzuzufügen, und somit kann verhindert werden, dass die Anzahl der Bauteile zunimmt.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit die Einschaltzeit der zweiten Schalt-Schaltung allmählich erhöhen und dann die zweite Schalt-Schaltung konstant einschalten, und danach kann sie das spannungserhöhende Schaltelement ein- und ausschalten.
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Ferner kann die zweite Schalt-Schaltung in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein erstes Schaltelement zur Verhinderung eines Rückstroms beinhalten, wobei das erste Schaltelement parallel mit einer ersten Diode geschaltet ist, die in einer Umkehrrichtung in Bezug auf die Niederspannungs-Gleichstromversorgung bereitgestellt ist.
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Ferner kann die zweite Schalt-Schaltung in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weiterhin ein zweites Schaltelement zum Schutz einer Verpolung beinhalten, wobei das zweite Schaltelement in Reihe mit dem ersten Schaltelement und parallel mit einer zweiten Diode geschaltet ist, die in einer Vorwärtsrichtung in Bezug auf die Niederspannungs-Gleichstromversorgung bereitgestellt ist.
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Ferner kann die Steuereinheit in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement synchron zueinander ein- und ausschalten.
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Ferner kann die Steuereinheit in einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur das erste Schaltelement ein- und ausschalten und kann das zweite Schaltelement konstant ein- oder konstant ausschalten.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine erste Schalt-Schaltung und ein Glättungskondensator außerhalb eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers bereitgestellt werden. In diesem Fall wird der bidirektionale Gleichspannungswandler zwischen dem Glättungskondensator und einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung bereitgestellt und beinhaltet eine Spannungswandlerschaltung, eine zweite Schalt-Schaltung und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit steuert die zweite Schalt-Schaltung derart, dass die Einschaltzeit der zweiten Schalt-Schaltung allmählich zunimmt von einem Zustand, in dem die erste Schalt-Schaltung und die zweite Schalt-Schaltung ausgeschaltet sind, und danach die Steuereinheit die Spannungswandlerschaltung derart steuert, dass das spannungserhöhende Schaltelement der Spannungswandlerschaltung ein- und ausgeschaltet wird. Nachdem eine vorgegebene Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das spannungserhöhende Schaltelement beginnt, ein- und ausgeschaltet zu werden, verstrichen ist, gibt die Steuereinheit ein Steuersignal zum Ausschalten des spannungserhöhenden Schaltelements und zum Einschalten der ersten Schalt-Schaltung aus.
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Nach einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ohne Bereitstellen einer besonderen Schaltung für eine vorläufige Ladung in einem bidirektionalen Gleichspannungswandler eines nicht isolierten Typs verhindert werden, dass ein Glättungskondensator durch einen Einschaltstromstoß zerstört wird.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2A und 2B sind Diagramme, die einen Betrieb des bidirektionalen Gleichspannungswandlers darstellen;
- 3A und 3B sind Diagramme, die den Betrieb eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers darstellen;
- 4A und 4B sind Diagramme, die den Betrieb eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers darstellen;
- 5A und 5B sind Diagramme, die den Betrieb eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers darstellen;
- 6A und 6B sind Diagramme, die den Betrieb eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers darstellen;
- Fig. 7A bis 7D sind Zeitdiagramme, die Betrieb jeder Einheit darstellen;
- 8A und 8B sind Schaltpläne, die andere Beispiele einer Spannungswandlerschaltung darstellen;
- 9 ist ein Schaltplan, der eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 10 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel nach dem Stand der Technik darstellt; und
- 11 ist ein Schaltplan, der ein anderes Beispiel nach dem Stand der Technik darstellt.
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DETAILBESCHREIBUNG
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In Ausführungsformen der Erfindung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass die Erfindung ohne diese konkreten Einzelheiten umgesetzt werden kann. In anderen Fällen wurden gut bekannte Merkmale nicht detailliert beschrieben, um zu vermeiden, dass die Erfindung unklar wird.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder Figur sind dieselben Bezugsziffern oder Symbole denselben Einheiten oder den entsprechenden Einheiten zugewiesen.
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Zunächst wird eine Konfiguration eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. In 1 wird der bidirektionale Gleichspannungswandler 100 eines nicht isolierenden Typs (nachstehend einfach als „Gleichspannungswandler“ bezeichnet) zwischen einer Hochspannungsbatterie E1 und einer Niederspannungsbatterie E2 bereitgestellt, und ist in einem Fahrzeug, wie z. B. einem Elektrofahrzeug oder einem Hybrid-Fahrzeug, zusammen mit den Batterien eingebaut.
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Die Hochspannungsbatterie E1 ist eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung, die ein Fahrantriebssystem mit einem nicht dargestellten Motor mit Strom versorgt, und ist zum Beispiel durch eine Lithium-Ionen-Batterie konfiguriert. Die Niederspannungsbatterie E2 ist eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung, die ein Gerät im Fahrzeug, wie z. B. eine Klimaanlage oder ein nicht dargestelltes Audiogerät, mit Strom versorgt, und ist zum Beispiel durch eine Blei-Batterie konfiguriert. Nachstehend wird der Einfachheit halber eine Spannung der Hochspannungsbatterie E1 als „E1“ bezeichnet und eine Spannung der Niederspannungsbatterie E2 wird als „E2“ bezeichnet. Beispielsweise ist E1 48 Volt Gleichspannung und E2 ist 12 Volt Gleichspannung.
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Der Gleichspannungswandler 100 beinhaltet eine Schalt-Schaltung 1, eine Spannungswandlerschaltung 2, eine Schalt-Schaltung 3, eine Steuereinheit 4, einen Gate-Treiber 5, einen Glättungskondensator C und einen Spannungsdetektor Vc.
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Die Schalt-Schaltung 1 ist zwischen der Spannungswandlerschaltung 2 und der Hochspannungsbatterie E1 geschaltet. Konkret ist die Schalt-Schaltung 1 zum Beispiel mit einem Relais RY konfiguriert, und ein Kontaktpaar des Relais RY ist jeweils in einem Strompfad a bereitgestellt, der eine positive Elektrode der Hochspannungsbatterie E1 mit einer positiven Elektrode der Niederspannungsbatterie E2 verbindet, und in einem Strompfad b, der eine negative Elektrode der Hochspannungsbatterie E1 mit einer negativen Elektrode der Niederspannungsbatterie E2 verbindet. Die Schalt-Schaltung 1 entspricht der „ersten Schalt-Schaltung“ nach einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung.
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Die Spannungswandlerschaltung 2 ist mit einer bekannten Schaltung konfiguriert, die ein Schaltelement Q1, ein Schaltelement Q2 und einen Induktor L beinhaltet. Das Schaltelement Q1 senkt eine Spannung der Hochspannungsbatterie E1, und das Schaltelement Q2 erhöht eine Spannung der Niederspannungsbatterie E2. Die Schaltelemente Q1 und Q2 sind mit Feld-Effekt-Transistoren (FETs) konfiguriert. D1 und D2 sind parasitäre Dioden der Schaltelemente Q1 beziehungsweise Q2. Der Induktor L ist mit einer Wicklung konfiguriert, die elektrische Energie während einer Zeitspanne speichert, in der das Schaltelement Q2 eingeschaltet ist, und elektrische Energie während eines Zeitraums entlädt, in dem das Schaltelement Q2 ausgeschaltet ist.
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Die Schalt-Schaltung 3 ist zwischen der Spannungswandlerschaltung 2 und der Niederspannungsbatterie E2 geschaltet und beinhaltet zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente Q3 und Q4. Die Schaltelemente Q3 und Q4 sind ebenfalls mit FETs konfiguriert. D3 und D4 sind parasitäre Dioden der Schaltelemente Q3 beziehungsweise Q4. Die parasitäre Diode D3 ist parallel mit dem Schaltelement Q3 geschaltet, um in Bezug auf die Niederspannungsbatterie E2 in einer Umkehrrichtung zu sein. Die parasitäre Diode D4 ist parallel mit dem Schaltelement Q4 geschaltet, um in Bezug auf die Niederspannungsbatterie E2 in einer Vorwärtsrichtung zu sein.
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Das Schaltelement Q3 wird dazu verwendet, das Fließen eines Rückstroms zu verhindern, und hat dieselbe Funktion wie das in 11 dargestellte Schaltelement Q13. Das Schaltelement Q4 wird zum Schutz vor einer Verpolung verwendet, und in einem Fall, in dem die Niederspannungsbatterie E2 angeschlossen ist, um eine umgekehrte Polarität aufzuweisen, wird durch die parasitäre Diode D4, die in Bezug auf die Batterie in einer Umkehrrichtung ist, verhindert, dass ein Überstrom fließt.
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Die Schalt-Schaltung 3 entspricht einer „zweiten Schalt-Schaltung“ nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das Schaltelement Q3 zum Verhindern des Fließens eines Rückstroms ist ein Beispiel eines „ersten Schaltelements“ nach der Ausführungsform der Erfindung, und das Schaltelement Q4 zum Verhindern einer Verpolung ist ein Beispiel für das „zweite Schaltelement“ nach der Ausführungsform der Erfindung. Die parasitäre Diode D3 ist ein Beispiel einer „ersten Diode“ nach einer Ausführungsform der Erfindung, und die parasitäre Diode D4 ist ein Beispiel einer „zweiten Diode“ nach der Ausführungsform der Erfindung.
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Die Steuereinheit 4 ist mit einem Mikrocomputer konfiguriert und steuert jeden Betrieb der Schalt-Schaltung 1, der Spannungswandlerschaltung 2 und der Schalt-Schaltung 3. Konkret gibt die Steuereinheit 4 an die Schalt-Schaltung 1 ein Steuersignal zum Ein- und Ausschalten der Schalt-Schaltung 1 aus. Darüber hinaus gibt die Steuereinheit 4 an den Gate-Treiber 5 ein Steuersignal zum Ein- und Ausschalten der Schaltelemente Q1 und Q2 der Spannungswandlerschaltung 2 und der Schaltelemente Q3 und Q4 der Schalt-Schaltung 3 aus. Die Steuereinheit 4 empfängt eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 100, die von einem (nicht dargestellten) Spannungsdetektor erfasst wird, und ein externes Signal von einer elektronischen Steuereinheit (ECU), die in einem Fahrzeug eingebaut ist, zusätzlich zu einer Spannung von beiden Klemmen des Glättungskondensators C, die vom Spannungsdetektor Vc erfasst wird.
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Der Gate-Treiber 5 generiert Gate-Signale Sg1 bis Sg4 zum Antreiben der Schaltelemente Q1 bis Q4, basierend auf einem Steuersignal von der Steuereinheit 4, und gibt die Gate-Signale Sg1 bis Sg4 an jedes Gate der Schaltelemente Q1 bis Q4 aus. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Gate-Signale Sg1 bis Sg4 Pulsweitenmodulations(PWM)-Signale mit einem vorgegebenen Takt. Die Schaltelemente Q1 bis Q4 werden von den PWM-Signalen ein- und ausgeschaltet.
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Der Glättungskondensator C wird zwischen der Schalt-Schaltung 1 und der Spannungswandlerschaltung 2 bereitgestellt, wird zwischen den Strompfaden a und b bereitgestellt und ist mit einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode der Hochspannungsbatterie E1 über die Schalt-Schaltung 1 verbunden.
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Der Spannungsdetektor Vc ist mit beiden Klemmen des Glättungskondensators C verbunden und erfasst eine Spannung des Glättungskondensators C. Nachstehend wird ein vom Spannungsdetektor Vc erfasster Spannungswert der Einfachheit halber als „Kondensatorspannung Vc“ bezeichnet. Die erfasste Kondensatorspannung Vc wird in die Steuereinheit 4 eingegeben.
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Als Nächstes wird ein Betrieb des Gleichspannungswandlers 100, der die vorstehend beschriebene Konfiguration aufweist, unter Bezugnahme auf ein Schaltungszustandsübergangsdiagramme der Fig. 2A bis 6B und Zeitdiagramme der Fig. 7A bis 7D beschrieben. In 2A bis 6B sind die Steuereinheit 4 und der Gate-Treiber 5 in 1 nicht dargestellt.
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2A und 2B stellen einen Zustand dar, bevor der Gleichspannungswandler 100 in Betrieb geht. In diesem Zustand sind das Relais RY der Schalt-Schaltung 1, die Schaltelemente Q1 und Q2 der Spannungswandlerschaltung 2 und die Schaltelemente Q3 und Q4 der Schalt-Schaltung 3 alle ausgeschaltet, wie in 2A dargestellt. Somit wird kein elektrischer Strom zwischen der Hochspannungsbatterie E1 und der Niederspannungsbatterie E2 ausgetauscht. Da der Glättungskondensator nicht geladen ist, liegt die Kondensatorspannung Vc bei ungefähr Null Volt (Vc ≈ 0), wie in 2B dargestellt. Ein Zustand der 2A entspricht einem Zeitraum T1 der 7D.
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3A und 3B stellen einen Zustand zum Zeitpunkt eines Betriebsbeginns des Gleichspannungswandlers 100 dar. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Steuereinheit 4 an den Gate-Treiber 5 ein Steuersignal zum Antreiben der Schalt-Schaltung 3 aus. Der Gate-Treiber 5 erzeugt ein PWM-Signal (Gate-Signale Sg3 und Sg4 in 1), basierend auf dem Steuersignal, und gibt das Signal an die entsprechenden Gates der Schaltelemente Q3 und Q4 aus. Wie in 7A dargestellt, weist das PWM-Signal einen Takt auf, in dem Einschaltzeiten der Schaltelemente Q3 und Q3 allmählich zunehmen. Das Gate-Signal Sg3 des Schaltelements Q3 und das Gate-Signal Sg4 des Schaltelements Q4 sind dasselbe PWM-Signal, und somit werden die Schaltelemente Q3 und Q4 synchron zueinander ein- und ausgeschaltet. Währenddessen werden das Relais RY der Schalt-Schaltung 1 und die Schaltelemente Q1 und Q2 der Spannungswandlerschaltung 2 alle in einem AUS-Zustand gehalten.
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Während eines Zeitraums, in dem die Schaltelemente Q3 und Q4 eingeschaltet sind, fließt ein Strom durch einen Pfad der Niederspannungsbatterie E2 → das Schaltelement Q4 → das Schaltelement Q3 → den Induktor L → die parasitäre Diode D1 → den Glättungskondensator C, wie in 3A durch einen Pfeil angezeigt, und der Glättungskondensator C wird durch die Niederspannungsbatterie E2 geladen. Diese Ladung wird nachstehend als „erste vorläufige Ladung“ bezeichnet. Da sich die Schaltelemente Q3 und Q4 wiederholt ein- und ausschalten, steigt die Kondensatorspannung Vc in der ersten vorläufigen Ladung allmählich an (0 < Vc < E2), wie in 3B dargestellt. Ein Zustand der 3A entspricht einem Zeitraum T2 der 7D.
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4A und 4B stellen einen Zustand dar, in dem die erste vorläufige Ladung des Glättungskondensators C abgeschlossen ist. Nachdem die Ladung abgeschlossen ist, erreicht ein Takt des PWM-Signals, der den Schaltelementen Q3 und Q4 vom Gate-Treiber 5 zugeführt wird, 100%, und wie in 4A dargestellt, sind die Schaltelemente Q3 und Q4 ständig eingeschaltet (siehe auch 7A). Währenddessen werden das Relais RY der Schalt-Schaltung 1 und die Schaltelemente Q1 und Q2 der Spannungswandlerschaltung 2 alle in einem AUS-Zustand gehalten.
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Wenn die erste vorläufige Ladung des Glättungskondensators C abgeschlossen ist, ist die Kondensatorspannung Vc ungefähr gleich der Spannung E2 der Niederspannungsbatterie E2 (Vc ≈ E2), wie in 4B dargestellt. Ein Zustand der 4A entspricht dem Zeitraum T2 der 7D.
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5A und 5B stellen einen Zustand dar, in dem die Spannungswandlerschaltung 2 nach dem dauerhaften Einschalten der Schaltelemente Q3 und Q4 eine Spannung der Niederspannungsbatterie E2 erhöht, um den Glättungskondensator C wieder zu laden. Diese Ladung wird nachstehend als „zweite vorläufige Ladung“ bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Steuereinheit 4 an den Gate-Treiber 5 ein Steuersignal zum Erhöhen der Spannung der Spannungswandlerschaltung 2 aus. Der Gate-Treiber 5 erzeugt ein PWM-Signal (Gate-Signal Sg2 der 1), basierend auf dem Steuersignal, und gibt das Signal an ein Gate des spannungserhöhenden Schaltelements Q2 aus. Dadurch wird das Schaltelement Q2 ein- und ausgeschaltet, wie in 5A dargestellt. Das PWM-Signal hat einen Takt, in dem die Einschaltzeit des Schaltelements Q2 allmählich zunimmt, zum Beispiel wie in 7B dargestellt. Der Takt erreicht jedoch nicht 100%.
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Da das PWM-Signal (das Gate-Signal Sg1 der 1) vom Gate-Treiber 5 dem spannungssenkenden Schaltelement Q1 nicht zugeführt wird, wird das Schaltelement Q1 im AUS-Zustand gehalten, wie in 5A dargestellt. Darüber hinaus bleibt das Relais RY der Schalt-Schaltung 1 im AUS-Zustand und die Schaltelemente Q3 und Q4 der Schalt-Schaltung 3 bleiben im EIN-Zustand.
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Die Kondensatorspannung Vc wird von E2 durch die zweite vorläufige Ladung des Glättungskondensators C weiter erhöht, wie in 5B dargestellt, und nähert sich E1 (E2 < Vc < E1). Ein Zustand der 5A entspricht einem Zeitraum T3 der 7D. Falls eine vorgegebene Zeit (T3) verstreicht, nachdem das Schaltelement Q2 beginnt, ein- und ausgeschaltet zu werden, wird der Zustand ein Zustand der Fig. 6A, der unten beschrieben wird. Die vorgegebene Zeit ist zum Beispiel die Zeit, bis die Kondensatorspannung Vc ungefähr gleich der Spannung E1 der Hochspannungsbatterie wird. Alternativ kann die vorgegebene Zeit eine von einem Timer gemessene vorgegebene Zeit sein.
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6A und 6B stellen einen Zustand dar, in dem die zweite vorläufige Ladung des Glättungskondensators C abgeschlossen ist. Nachdem die Ladung abgeschlossen ist, wird das PWM-Signal vom Gate-Treiber 5 nicht dem Schaltelement Q2 zugeführt, und wie in 6A dargestellt, wird das Schaltelement Q2 ausgeschaltet (siehe auch 7B). Dementsprechend hält die Spannungswandlerschaltung 2 den Spannungserhöhungsvorgang an. Währenddessen werden die Schaltelemente Q3 und Q4 der Schalt-Schaltung 3 im EIN-Zustand gehalten. Darüber hinaus wird, wie in 7C dargestellt, das Relais RY der Schalt-Schaltung 1 basierend auf dem Steuersignal von der Steuereinheit 4 eingeschaltet.
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Wenn die zweite vorläufige Ladung des Glättungskondensators C abgeschlossen ist, ist die Kondensatorspannung Vc ungefähr bis zur Spannung E1 der Hochspannungsbatterie E1 (Vc ≈ E1) geladen, wie in 6B dargestellt. Somit fließt, selbst wenn das Relais RY eingeschaltet ist, kein Einschaltstromstoß von der Hochspannungsbatterie E1 zum Glättungskondensator C. Ein Zustand der 6A entspricht einem Zeitraum T4 der 7D.
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Wenn das Relais RY der Schalt-Schaltung 1 eingeschaltet wird, wird ein Stromversorgungspfad von der Hochspannungsbatterie E1-Seite zur Niederspannungsbatterie E2-Seite gebildet und es wird ein Stromversorgungspfad von der Niederspannungsbatterie E2-Seite zur Hochspannungsbatterie E1-Seite gebildet. Danach führt der Gleichspannungswandler 100 unter der Steuerung der Steuereinheit 4 einen normalen Betrieb aus und eine bidirektionale Stromumwandlung wird zwischen der Hochspannungsbatterie E1 und der Niederspannungsbatterie E2 ausgeführt.
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Nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steuert die Steuereinheit 4 die Schalt-Schaltung 3 durch den Gate-Treiber 5 derart, dass die Einschaltzeit der Schalt-Schaltung 3 (Schaltelemente Q3 und Q4) allmählich zunimmt von einem Zustand, in dem beide Schalt-Schaltungen 1 und 3 ausgeschaltet sind, und dadurch wird der Glättungskondensator C allmählich geladen (erste vorläufige Ladung). Danach steuert die Steuereinheit 4 die Spannungswandlerschaltung 2 durch den Gate-Treiber 5 derart, dass das spannungserhöhende Schaltelement Q2 der Spannungswandlerschaltung ein- und ausgeschaltet wird, und dadurch der Glättungskondensator C weiter geladen wird (zweite vorläufige Ladung). Nachdem eine vorgegebene Zeit von dem Zeitpunkt, zu dem das Schaltelement Q2 beginnt, ein- und ausgeschaltet zu werden, verstrichen ist, wird das Schaltelement Q2 ausgeschaltet und das Relais RY der Schalt-Schaltung 1 wird eingeschaltet.
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Somit wird, wenn ein Betrieb des Gleichspannungswandlers 100 einsetzt, die Schalt-Schaltung 3 nicht plötzlich eingeschaltet und die Schaltelemente Q3 und Q4 werden durch die PWM-Steuerung ein- und ausgeschaltet, und dadurch wird die erste vorläufige Ladung von der Niederspannungsbatterie E2 zum Glättungskondensator C allmählich ausgeführt. Dementsprechend fließt kein Einschaltstromstoß von der Niederspannungsbatterie E2 zum Glättungskondensator C, und es kann verhindert werden, dass der Glättungskondensator C durch einen übermäßigen Einschaltstromstoß zerstört wird.
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Darüber hinaus wird, falls die erste vorläufige Ladung abgeschlossen ist, das Schaltelement Q2 der Spannungswandlerschaltung 2 ein- und ausgeschaltet, um die Spannung der Niederspannungsbatterie E2 zu erhöhen, und die zweite vorläufige Ladung zum Glättungskondensator C wird durch die erhöhte Spannung ausgeführt. Dementsprechend ist es möglich, den Glättungskondensator C ungefähr bis zur Spannung E1 der Hochspannungsbatterie E1 zu laden. Weiterhin wird, falls die zweite vorläufige Ladung abgeschlossen ist, das Relais RY eingeschaltet, und somit kann eine bidirektionale Stromumwandlung zwischen der Hochspannungsbatterie E1 und der Niederspannungsbatterie E2 ausgeführt werden.
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Darüber hinaus kann nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Steuereinheit 4 eine PWM-Steuerung der Schalt-Schaltung 3 (Schaltelemente Q3 und Q4) ausführen, ohne dass es nötig ist, eine besondere Schaltung für die erste vorläufige Ladung und die zweite vorläufige Ladung hinzuzufügen, und somit kann verhindert werden, dass die Anzahl der Bauteile zunimmt.
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In 1 in einem Fall, in dem ein anderer in Reihe mit der Niederspannungsbatterie E2 bereitgestellter Kondensator im Strompfad a von der positiven Elektrode der Niederspannungsbatterie E2 zum Glättungskondensator C vorhanden ist, wird ein Einschaltstromstoß von der Niederspannungsbatterie E2 vom Kondensator unterdrückt, und somit besteht keine Notwendigkeit, eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung anzunehmen. Somit ist die Ausführungsform von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung ausgeschlossen. Mit anderen Worten zielen eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung auf einen Gleichspannungswandler ab, in dem kein anderer Kondensator als der Glättungskondensator im Strompfad von der Niederspannungsbatterie zum Glättungskondensator vorhanden ist.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene Ausführungsformen, die unten beschrieben werden, zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen angenommen werden.
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Eine in einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung verwendete Spannungswandlerschaltung ist nicht auf die in 1 dargestellte Spannungswandlerschaltung 2 begrenzt. Zum Beispiel kann, wie in 8A dargestellt, auch eine Spannungswandlerschaltung 21, die vier Schaltelemente Q5 bis Q8 und einen Induktor L enthält, verwendet werden. D5 bis D8 sind jeweils parasitäre Dioden der Schaltelemente (FETs) Q5 bis Q8. Darüber hinaus gibt es, wie in 8B dargestellt, zwei Schaltelemente Q9 und Q10 und einen Induktor L in derselben Weise wie in 1, aber es kann ebenfalls eine Spannungswandlerschaltung 22, bei der sich die Anschlussformen jeder Einheit von den Anschlussformen von 1 unterscheiden, verwendet werden. D9 und D10 sind parasitäre Dioden der Schaltelemente (FETs) Q9beziehungsweise Q10.
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In der vorstehenden Ausführungsform wird ein Beispiel verwendet, bei dem der Gleichspannungswandler 100 die Schalt-Schaltung 1 und den Glättungskondensator C enthält, aber, wie in einer anderen Ausführungsform von 9 dargestellt, können die Schalt-Schaltung 1 und der Glättungskondensator C außerhalb eines Gleichspannungswandlers 200 bereitgestellt sein. In diesem Fall ist der Gleichspannungswandler 200 mit der Spannungswandlerschaltung 2, der Schalt-Schaltung 3, der Steuereinheit 4 und dem Gate-Treiber 5 konfiguriert, und ist zwischen dem Glättungskondensator C und der Niederspannungs-Gleichstromversorgung E2 bereitgestellt. Die Steuereinheit 4 gibt an den außerhalb gelegenen Gleichspannungswandler 200 ein Steuersignal zum Ein- und Ausschalten der Schalt-Schaltung 1 aus. Das Steuersignal kann der Schalt-Schaltung 1 direkt zugeführt werden, oder kann einer anderen Steuereinheit zugeführt werden, die die Schalt-Schaltung 1 steuert.
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In der vorstehenden Ausführungsform wird ein Beispiel verwendet, in dem dasselbe PWM-Signal an die Schaltelemente Q3 und Q4 der Schalt-Schaltung 3 angelegt wird und die Schaltelemente Q3 und Q4 synchron zueinander ein- und ausgeschaltet werden (3). Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch nicht darauf begrenzt. Zum Beispiel kann nur das Schaltelement Q3 ein- und ausgeschaltet werden, und das Schaltelement Q4 kann ständig eingeschaltet sein. Alternativ kann nur das Schaltelement Q3 ein- und ausgeschaltet werden, und das Schaltelement Q4 kann ständig ausgeschaltet sein. Selbst wenn das Schaltelement Q4 ständig ausgeschaltet ist, wird die parasitäre Diode D4 zum Pfad für die vorläufige Ladung der 3, und somit besteht kein Problem.
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In der vorstehenden Ausführungsform wird ein Beispiel verwendet, in dem die Schalt-Schaltung 3 das Schaltelement Q3 zum Verhindern des Fließens eines Rückstroms und das Schaltelement Q4 zum Schutz vor einer Verpolung enthält, aber da das Schaltelement Q4 nicht wesentlich für eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung ist, kann das Schaltelement Q4 weggelassen werden.
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In der vorstehenden Ausführungsform werden die Batterien E1 und E2 als Beispiele für die Hochspannungs-Gleichstromversorgung und die Niederspannungs-Gleichstromversorgung verwendet, aber die Gleichstromversorgungen sind nicht auf die Batterien begrenzt, und können elektrische Speicherelemente, wie z. B. ein Kondensator, sein.
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In der vorstehenden Ausführungsform wird das Relais RY als Schalt-Schaltung 1 verwendet, aber ein Schaltelement wie z. B. ein FET kann statt des Relais RY verwendet werden. Darüber hinaus werden in der vorstehenden Ausführungsform FETs als die Schaltelemente Q1 bis Q10 verwendet, aber statt der FETs können Schaltelemente wie z. B. bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (insulated gate bipolar transistors - IGBTs) verwendet werden.
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In der vorstehenden Ausführungsform wird ein in einem Fahrzeug eingebauter bidirektionaler Gleichspannungswandler eines nicht isolierten Typs als ein Beispiel verwendet, aber eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung können auch auf einen bidirektionalen Gleichspannungswandler eines nicht isolierten Typs angewandt werden, der für eine andere Anwendung als das Fahrzeug verwendet wird.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden die Fachleute, die den Vorteil dieser Offenbarung haben, erkennen, dass andere Ausführungsformen entworfen werden können, die nicht vom Umfang der hierin offenbarten Erfindung abweichen. Dementsprechend sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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