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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs, bei dem eine Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs mittels einer elektrischen Energie einer relativ zu dem Elektrofahrzeug externen elektrischen Energiequelle geladen wird oder bei dem eine Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs eine elektrische Energie für einen relativ zu dem Elektrofahrzeug externen Verbraucher bereitstellt. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochvoltbatterieeinheit und ein Elektrofahrzeug.
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Elektrofahrzeuge, d. h. Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicle, HEV), Plugin-Hybridfahrzeuge (Plugin Hybrid Electric Vehicle, PHEV) und reine Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle, EV), umfassen ein Hochvoltbordnetz, welches eine Hochvoltbatterie, einen an die Hochvoltbatterie angeschlossenen Frequenzumrichter und einen an den Frequenzumrichter angeschlossenen elektrischen Antriebsmotor, im Folgenden kurz als Elektromotor bezeichnet, sowie weitere auch von der Gattung des Elektrofahrzeugs abhängige Hochvoltkomponenten aufweist. Der auch als Leistungselektronik (LE) bezeichnete Frequenzumrichter ist konfiguriert, einen von der Hochvoltbatterie bereitgestellten elektrischen Gleichstrom in zumeist drei Wechselstromphasen zu wandeln, welche den Elektromotor antreiben.
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Ferner umfassen Elektrofahrzeuge ein Niedervoltbordnetz, welches eine Niedervoltbatterie und eine Mehrzahl von an die Niedervoltbatterie angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, beispielsweise eine Klimaanlage, ein Infotainmentsystem oder eine Beleuchtungsanlage des Elektrofahrzeugs, umfasst. Das Niedervoltbordnetz ist über einen DC/DC-Wandler an das Hochvoltbordnetz angeschlossen, welcher ein Übertragen einer elektrischen Energie aus dem Hochvoltbordnetz in das Niedervoltbordnetz erlaubt, um die Niedervoltbatterie zu laden oder zu entlasten.
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Ein solcher DC/DC-Wandler muss für eine relativ hohe elektrische Leistung ausgelegt sein und benötigt daher einen entsprechenden Bauraum. Allerdings ist in dem Elektrofahrzeug ein ausreichend großer zusammenhängender Bauraum infolge der hohen strukturellen Komplexität und Kompaktheit des Elektrofahrzeugs schwierig bereitzustellen.
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Zur Umgehung dieses Problems offenbart die
DE 10 2013 210 293 A1 ein System mit einem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs, welches zumindest zwei DC/DC-Wandler umfasst, welche das Hochvoltbordnetz und das Niedervoltbordnetz verbinden. Aufgrund der dadurch möglichen Lastverteilung zwischen den mehreren DC/DC-Wandlern können diese jeweils leistungsschwächer ausgelegt und kleiner ausgebildet sein, so dass sie in mehreren kleineren Bauräumen angeordnet sein können.
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Abgesehen von der vorstehend beschriebenen Verwendung werden DC/DC-Wandler in mittels einer externen elektrischen Energie aufladbaren Elektrofahrzeugen (PHEV und EV) verwendet. Ein extern aufladbares Elektrofahrzeug umfasst zwar üblicherweise ein spezielles Ladegerät (On Board Charger, OBC), welches ein Laden der Hochvoltbatterie mit einem von einer externen elektrischen Energiequelle, wie einer an ein externes Wechselstromnetz angeschlossenen stationären Ladestation (Mode 3 - „stationär“, IEC 61851-1) oder auch einer mobilen Ladestation (Mode 2 - „mobil“, IEC 61851-1), bereitgestellten Wechselstrom ermöglicht.
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Zusätzlich oder auch alternativ kann es aber wünschenswert sein, die Hochvoltbatterie mittels eines beispielsweise von einer Solaranlage bei einer niedrigen elektrischen Spannung (12 V) extern bereitgestellten Gleichstroms mit einer niedrigen Ladeleistung (< 11 kW) zu laden.
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Zu diesem Zweck offenbart die
DE 10 2011 008 199 A1 eine integrierte Umrichtersystemsteuerung für ein Elektrofahrzeug mit einem Frequenzumrichter, in welche ein variabler DC/DC-Wandler integriert ist. Der variable DC/DC-Wandler ist ausgelegt, eine niedrige externe elektrische Gleichspannung in eine für die Hochvoltbatterie ausreichend hohe Ladespannung zu wandeln und umfasst ein Batterieladegerät und ein Spannungssteuermittel. Die Umrichtersystemsteuerung ist an eine Hochvoltbatterie und einen elektrischen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs anschließbar.
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Die
DE 10 2015 000 593 A1 offenbart dagegen eine integrierte Hochvoltbatterieeinheit für ein Elektrofahrzeug. Die Hochvoltbatterieeinheit umfasst eine Mehrzahl von Batteriebänken, einen bidirektionalen DC/DC-Wandler für ein Laden der Batteriebänke aus einer eine niedrige elektrische Gleichspannung bereitstellenden externen Energiequelle sowie ein Bereitstellen einer elektrischen Energie der Batteriebänke für einen externen elektrischen Verbraucher (sog. bidirektionales Laden), eine Mehrzahl von Sicherheitsschützen und ein Steuergerät, welches konfiguriert ist, die mehreren Schütze steuern. Ferner umfasst die Hochvoltbatterieeinheit eine Kommunikationsschnittstelle, über welche das Steuergerät mit weiteren Steuergeräten des Elektrofahrzeugs kommunizieren kann.
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Bei den beschriebenen Lösungen werden während des Ladens der Hochvoltbatterie bzw. der Batteriebänke der Hochvoltbatterieeinheit weitere aktive elektrische Komponenten des Elektrofahrzeugs betrieben, beispielsweise Steuergeräte, ein Ladegerät für die Hochvoltbatterie oder ein Kühlsystem für die Hochvoltbatterieeinheit. Dies geht einerseits mit einer entsprechenden Verlustleistung einher und stellt andererseits hohe Anforderungen an eine Lebensdauer der weiteren aktiven elektrischen Komponenten. Letzteres macht die weiteren aktiven elektrischen Komponenten teuer.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich einer Ladeeffizienz und Komponentenkosten verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs vorzuschlagen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Hochvoltbatterieeinheit und ein Elektrofahrzeug zur Verfügung zu stellen.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs, bei dem eine Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs mittels einer elektrischen Energie einer relativ zu dem Elektrofahrzeug externen elektrischen Energiequelle geladen wird oder bei dem eine Hochvoltbatterieeinheit eines Elektrofahrzeugs eine elektrische Energie für einen relativ zu dem Elektrofahrzeug externen Verbraucher bereitstellt. Unter dem Bereitstellen wird ein Versorgen des externen Verbrauchers (Vehicle2Device) mit einer elektrischen Spannung und einem elektrischen Strom verstanden. Mit anderen Worten unterstützt die Hochvoltbatterieeinheit demnach ein bidirektionales Laden, d. h. die Hochvoltbatterieeinheit kann die gespeicherte elektrische Energie wahlweise extern bereitstellen, beispielsweise auch in ein Haus (Vehicle2Home) oder ein stationäres Stromnetz (Vehicle2Grid) einspeisen. Auf diese Weise kann dem Elektrofahrzeug somit elektrische Energie entnommen werden, was einem externen Entladen der Hochvoltbatterieeinheit entspricht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Hochvoltbatterieeinheit des Elektrofahrzeugs während des Ladens und während des Bereitstellens unter den aktiven elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs jeweils als einzige betrieben. Dies bedeutet, dass die Hochvoltbatterieeinheit in einer sogenannten Inselbetriebsart betrieben wird, in der weitere elektrisch aktive Komponenten des Elektrofahrzeugs, insbesondere das Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs, außer Betrieb sind. Infolgedessen verursachen die weiteren elektrisch aktiven Komponenten keine Verlustleistung und können für geringere Lebensdauern ausgelegt sein. Ersteres führt zu einem hohen Ladewirkungsgrad (Ladeeffizienz), während letzteres mit einer Kostenersparnis für die weiteren elektrisch aktiven Komponenten einhergeht. Insbesondere müssen keine teuren IPxxB-Schutzstecker und -kabel (Fingerschutz) verbaut werden.
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In einer Ausführungsform wandelt ein in die Hochvoltbatterieeinheit integrierter erster DC/DC-Wandler eine Spannung einer externen elektrischen Energiequelle in eine Ladespannung für eine Batteriebank der Hochvoltbatterieeinheit. Der erste DC/DC-Wandler wandelt eine niedrige externe elektrische Gleichspannung in eine für die Batteriebank ausreichend hohe Ladespannung.
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In einer anderen Ausführungsform wandelt ein in die Hochvoltbatterieeinheit integrierter zweiter DC/DC-Wandler eine Spannung einer Batteriebank der Hochvoltbatterieeinheit in eine Versorgungsspannung für einen externen elektrischen Verbraucher. Der zweite DC/DC-Wandler wandelt eine hohe Gleichspannung der Batteriebank in eine von dem externen elektrischen Verbraucher benötigte niedrige elektrische Gleichspannung.
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Dank dem ersten DC/DC-Wandler und/oder dem zweiten DC/DC-Wandler kann die Hochvoltbatterieeinheit beim Laden und/oder beim Bereitstellen jeweils mit einer niedrigen Leistung (< 11 kW) betrieben werden. In diesem Fall ist es von besonderem Vorteil, dass keine weiteren aktiven elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs betrieben werden, da andernfalls deren Verlustleistung die bereits niedrige Ladeleistung der Hochvoltbatterieeinheit relativ stärker verringern würde. Insbesondere kann in diesem Fall ein Kühlen der Hochvoltbatterieeinheit unterbleiben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wandelt ein in die Hochvoltbatterieeinheit integrierter bidirektionaler DC/DC-Wandler eine Spannung einer externen elektrischen Energiequelle in eine Ladespannung für eine Batteriebank der Hochvoltbatterieeinheit oder eine Spannung einer Batteriebank der Hochvoltbatterieeinheit in eine Versorgungsspannung für einen externen elektrischen Verbraucher. Der bidirektionale DC/DC-Wandler kann Spannungen in beiden Richtungen wandeln und benötigt weniger Bauraum als zwei unidirektionale DC/DC-Wandler.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform steuert ein in die Hochvoltbatterieeinheit integriertes Steuergerät das Laden und das Bereitstellen. Auf diese Weise wird ein Betreiben einer aktiven elektrischen Komponente außerhalb der Hochvoltbatterieeinheit vermieden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Steuergerät während des Bereitstellens mit einer elektrischen Energie einer Batteriebank der Hochvoltbatterieeinheit oder während des Ladens mit einer elektrischen Energie einer relativ zu dem Elektrofahrzeug externen elektrischen Energiequelle betrieben. Das Steuergerät kann beispielsweise mit einer externen niedrigen elektrischen Gleichspannung (12 V) oder mit einer von dem zweiten DC/DC-Wandler bzw. dem bidirektionalen DC/DC-Wandler aus der von der Batteriebank bereitgestellten hohen Gleichspannung gewandelten niedrigen Gleichspannung (12 V) betrieben werden.
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In anderen Ausführungsformen ordnet ein in die Hochvoltbatterieeinheit integrierter Schaltkreis zwei Batteriebänke der Hochvoltbatterieeinheit wahlweise in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung an und steuert das Steuergerät den Schaltkreis. Der Schaltkreis erlaubt es mithin, die Batteriebänke mit einer bestimmten Ladespannung gleichzeitig zu laden, was mit einer geringeren Ladezeit einhergeht. Ebenso gestattet es der Schaltkreis, den Elektromotor mit der doppelten Ladespannung zu betreiben, was zu einer höheren Leistung des Elektromotors führt.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Hochvoltbatterieeinheit für ein Elektrofahrzeug, welche eine Batteriebank umfasst. Eine derartige Hochvoltbatterieeinheit ist in praktisch jedem Elektrofahrzeug verbaut, wodurch sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für die vorliegende Erfindung ergibt.
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Erfindungsgemäß umfasst die Hochvoltbatterieeinheit einen an die Batteriebank angeschlossenen DC/DC-Wandler und/oder ein Steuergerät zum Steuern eines Ladens der Batteriebank und eines Bereitstellens einer elektrischen Energie der Batteriebank. Die Hochvoltbatterieeinheit ist also modular aufgebaut und für eine Inselbetriebsart konfiguriert, bei dem keine weiteren aktiven elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs in Betrieb sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Hochvoltbatterieeinheit zwei Batteriebänke und einen Schaltkreis zum wahlweisen Anordnen der beiden Batteriebänke in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung, welcher eine Mehrzahl von Schützen umfasst, welche operativ mit dem Steuergerät verbunden sind. Entsprechend kann eine von dem Elektromotor benötigte Betriebsspannung doppelt so hoch sein, wie eine Ladespannung der Batteriebänke.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Elektrofahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterieeinheit. Das Elektrofahrzeug kann in einer Inselbetriebsart der Hochvoltbatterieeinheit geladen werden und eine elektrische Energie extern bereitstellen, beispielsweise zum Einspeisen in ein Haus.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Verlustleistung während des Ladens der Hochvoltbatterieeinheit deutlich verringert wird, was mit einer entsprechenden Erhöhung der Ladeeffizienz einhergeht. Diese wiederum entspricht einer Verringerung eines rechnerischen CO2-Verbrauchs („Upstream Emissions“), welcher nach aktuellen Entwicklungen in der Gesetzgebung (vor allem in den USA) bei der Ermittlung der Energiebilanz des Elektrofahrzeugs zu berücksichtigen sein wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht in geringeren Anforderungen an die Lebensdauern der weiteren aktiven elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs, wodurch deren Kosten und zugunsten eines Käufers ein Gesamtpreis des Elektrofahrzeugs niedriger sind.
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Nicht zuletzt kann auch ein Überwachen der weiteren aktiven elektrischen Komponenten während eines Ladens der Hochvoltbatterieeinheit unterbleiben, da diese außer Betrieb sind.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs nach dem Stand der Technik;
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild einer Hochvoltbatterieeinheit des in 2 gezeigten Elektrofahrzeugs.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs 1 nach dem Stand der Technik. Das Elektrofahrzeug 1 umfasst ein Hochvoltbordnetz mit einer Hochvoltbatterie 2 (400 V, 800V Gleichspannung), einem an die Hochvoltbatterie 2 angeschlossenen Frequenzumrichter 30 und einen an den Frequenzumrichter 30 angeschlossenen Elektromotor 40.
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Ferner umfasst das Elektrofahrzeug 1 ein mit der Hochvoltbatterie 2 verbundenes Ladegerät 50 sowie einen mit der Hochvoltbatterie 2 und dem Ladegerät (OBC) 50 verbundenen externen Anschluss 60.
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Das Elektrofahrzeug 1 umfasst weiterhin ein Niedervoltbordnetz 80 (12 V) mit nicht im Detail gezeigten fahrzeuginternen elektrischen Verbrauchern und ein Gateway (GW) 70, welches die fahrzeuginternen elektrischen Verbraucher mit dem Hochvoltbordnetz verbindet.
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Während des Ladens der Hochvoltbatterie 2 sind weitere aktive elektrische Komponenten des Elektrofahrzeugs 1 aktiv.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs 10 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das Elektrofahrzeug 10 weist denselben Aufbau wie das in 1 gezeigte Elektrofahrzeug 1 auf und unterscheidet sich von diesem dadurch, dass die Hochvoltbatterie 2 durch eine integrierte Hochvoltbatterieeinheit 20 ersetzt ist, deren modularer Aufbau in 3 detailliert gezeigt ist.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Blockschaltbild der Hochvoltbatterieeinheit 20 des in 2 gezeigten Elektrofahrzeugs 10. Die Hochvoltbatterieeinheit 20 weist einen modularen Aufbau auf und umfasst zwei Batteriebänke 21, einen an die Batteriebänke 21 angeschlossenen DC/DC-Wandler 22 und ein Steuergerät 23 zum Steuern eines Ladens der Batteriebänke 21 und eines Bereitstellens einer elektrischen Energie der Batteriebänke 21.
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Ferner umfasst die Hochvoltbatterieeinheit 20 einen Schaltkreis 24 zum wahlweisen Anordnen der beiden Batteriebänke 21 in einer Reihenschaltung zum Betreiben des Elektromotors 40 oder in einer Parallelschaltung zum Laden der Batteriebänke 21. Der Schaltkreis 24 umfasst zum Verschalten der Batteriebänke 21 eine Mehrzahl von Schützen 25, welche operativ mit dem Steuergerät 23 verbunden sind, sowie eine Mehrzahl von Schmelzsicherungen 26 und ein Trennelement 27.
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Während des Betriebs der Hochvoltbatterieeinheit 20 des Elektrofahrzeugs 10 wird die Hochvoltbatterieeinheit 20 mittels einer elektrischen Energie einer nicht dargestellten relativ zu dem Elektrofahrzeug 10 externen elektrischen Energiequelle geladen oder stellt die Hochvoltbatterieeinheit 20 eine elektrische Energie für einen nicht dargestellten relativ zu dem Elektrofahrzeug 20 externen Verbraucher bereit, welche jeweils an den externen Anschluss 60 angeschlossen sind. Die Hochvoltbatterieeinheit 20 des Elektrofahrzeugs 10 wird während des Ladens und während des Bereitstellens unter den aktiven elektrischen Komponenten des Elektrofahrzeugs 10 jeweils als einzige betrieben (Inselbetriebsart).
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Der in die Hochvoltbatterieeinheit 20 integrierte bidirektionale DC/DC-Wandler 22 wandelt eine Spannung der externen elektrischen Energiequelle in eine Ladespannung für die Batteriebänke 21 der Hochvoltbatterieeinheit 20 oder eine Spannung der Batteriebänke 21 der Hochvoltbatterieeinheit 20 in eine Versorgungsspannung für den externen elektrischen Verbraucher.
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Alternativ kann ein in die Hochvoltbatterieeinheit 20 integrierter erster DC/DC-Wandler eine Spannung der externen elektrischen Energiequelle in eine Ladespannung für die Batteriebänke 21 der Hochvoltbatterieeinheit 20 und ein in die Hochvoltbatterieeinheit 20 integrierter zweiter DC/DC-Wandler eine Spannung der Batteriebänke 21 der Hochvoltbatterieeinheit 20 in eine Versorgungsspannung für den externen elektrischen Verbraucher wandeln.
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Das in die Hochvoltbatterieeinheit 20 integrierte Steuergerät 23 wird während des Ladens mit einer elektrischen Energie der relativ zu dem Elektrofahrzeug 10 externen elektrischen Energiequelle oder während des Bereitstellens mit einer elektrischen Energie der Batteriebänke 21 der Hochvoltbatterieeinheit 20 betrieben und steuert das Laden und das Bereitstellen.
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Dazu steuert das Steuergerät 23 den in die Hochvoltbatterieeinheit 20 integrierten Schaltkreis 24, insbesondere die Schütze 25, welcher die Batteriebänke 21 der Hochvoltbatterieeinheit 20 wahlweise in einer Reihenschaltung oder in einer Parallelschaltung anordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrofahrzeug
- 2
- Hochvoltbatterie
- 10
- Elektrofahrzeug
- 20
- Hochvoltbatterieeinheit
- 21
- Batteriebank
- 22
- DC/DC-Wandler
- 23
- Steuergerät
- 24
- Schaltkreis
- 25
- Schütz
- 26
- Sicherung
- 27
- Trennelement
- 30
- Frequenzumrichter
- 40
- elektrischer Antriebsmotor
- 50
- Ladegerät
- 60
- externer Anschluss
- 70
- Gateway
- 80
- Niedervoltbordnetz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013210293 A1 [0005]
- DE 102011008199 A1 [0008]
- DE 102015000593 A1 [0009]
