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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zum optimierten Betrieb mehrerer Ladeplätze einer Ladestation und ein Verfahren zum Betrieb der Schalteinrichtung.
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Stand der Technik
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Damit sich ein elektrisch betriebenes Fahrzeug von einem reinen Stadtfahrzeug hin zu einem Fahrzeug für alle Strecken entwickelt und damit auch von einem Zweitfahrzeug zu einem Erstfahrzeug, ist eine verlässliche und moderne Ladeinfrastruktur erforderlich. Diesbezüglich sind in den Ladesäulen heutiger DC-Ladestationen jeweils ein Gleichrichter und ein DC/DC-Wandler enthalten. Jedem Ladeplatz der DC-Ladestation ist eine Ladesäule fest zugeordnet. Besteht beispielsweise eine DC-Ladestation (Ladepark) aus 30 Ladeplätzen, so ist in allen 30 Ladesäulen der jeweiligen Ladeplätze auch jeweils ein Gleichrichter und ein DC/DC-Wandler vorgesehen. Der Aufbau dieser DC-Ladestationen ist aufgrund des hohen Hardwarebedarfs sehr kostenintensiv, sowohl in der Installation, als auch in der Wartung. Weiterhin nachteilhaft bei den derzeit installierten DC-Ladestationen ist, dass geladene Fahrzeuge nach dem Ladevorgang nicht direkt von dem Netz getrennt werden. Die geladenen Fahrzeuge verbleiben auf den Ladeplätzen und sind weiterhin mit der DC-Ladestation über die Ladesäule verbunden. Hierdurch wird in nachteilhafter Weise ein Laden weiterer elektrisch betriebener Fahrzeuge blockiert. Darüber hinaus ist es nicht möglich, mehrere elektrisch betriebene Fahrzeuge von einer Ladesäule der DC-Ladestation oder von einem DC/DC-Wandler einer Ladesäule der DC-Ladestation gleichzeitig zu laden.
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Schalteinrichtungen zum Betrieb von Ladeplätzen einer Ladestation sind beispielsweise aus der
DE 10 2015 205 015 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung wenigstens zwei mehrpoliger Wandleranschlüsse und wenigstens zwei mehrpoliger Laderanschlüsse und ein Verfahren zum Betrieb eine Schalteinrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 10. Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Ladestation für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit einer Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung wenigstens zwei mehrpoliger Wandleranschlüsse und wenigstens zwei mehrpoliger Laderanschlüsse gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Schalteinrichtung zur galvanischen Trennung oder Verbindung wenigstens zwei mehrpoliger Wandleranschlüsse und wenigstens zwei mehrpoliger Laderanschlüsse mit wenigstens einem Schaltelement. Zwischen einem jeweiligen Wandleranschlusspol des Wandleranschlusses und einem jeweiligen Laderanschlusspol des Laderanschlusses ist ein Laderschaltelement geschaltet. Das Schaltelement ist eingerichtet, einen Mittelabgriff zwischen einem ersten Wandleranschluss und einem ersten Laderanschluss auf einen Mittelabgriff zwischen einem weiteren Wandleranschluss und einem weiteren Laderanschluss zu schalten.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schalteinrichtung. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Verbindens einer anschließbaren Batterie über einen Laderanschluss mit einem anschließbaren Wandleranschluss mittels Schließen eines Laderschaltelements. Ferner umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Trennens der anschließbaren Batterie von dem anschließbaren Wandleranschluss mittels Öffnens der Laderschaltelements. Zudem umfasst das Verfahren den Schritt des Verbindens eines Mittelabgriffs zwischen dem ersten Wandleranschluss und dem ersten Laderanschluss mit einem Mittelabgriff zwischen dem weiteren Wandleranschluss und dem weiteren Laderanschluss mittels eines Schaltelements und den Schritt des Trennens des Mittelabgriffs zwischen dem ersten Wandleranschluss und dem ersten Laderanschluss von dem Mittelabgriff zwischen dem weiteren Wandleranschluss und dem weiteren Laderanschluss mittels des Schaltelements.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren nach Anspruch 9 auszuführen.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammnach gespeichert ist.
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Unter einer Schalteinrichtung ist die technische Komponente und/oder sind die technischen Komponenten zu verstehen, welche die Laderanschlüsse und Wandleranschlüsse entsprechend eines Ladevorgangs schalten. Diesbezüglich setzt die Schalteinrichtung eine Verbindung der Laderanschlüsse und Wandleranschlüsse zueinander gemäß des Ladevorgangs um.
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Die Laderanschlüsse sind die technischen Komponenten, um die Schalteinrichtung mit dem elektrisch betriebenen Fahrzeug bzw. mit dessen elektrischen Energiespeichers zu verbinden.
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Die Wandleranschlüsse sind die technischen Komponenten, um die Schalteinrichtung mit einem elektrischen Energiewandler, beispielsweise DC/DC Wandler, AC/DC Wandler, Spannungswandler und Stromwandler, zu verbinden. Der DC/DC-Wandler ist beispielsweise mit einer Gleichspannungsquelle oder mit einem Gleichspannungsnetz verbunden. Im folgenden bezieht sich ein Wandler auf die zuvor beschriebenen elektrischen Energiewandler.
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Vorteile der Erfindung
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In vorteilhafter Weise kann durch das Einbringen der Schalteinrichtung in eine Ladestation für elektrisch betriebene Fahrzeuge, die Anzahl der notwendigen Wandler in Bezug auf die an einer Ladestation zur Verfügung stehenden Ladeplätze reduziert werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht somit darin, mittels der Schalteinrichtung mehrere Wandler für die Ladesäulen der Ladeplätze bzw. für eine Ladesäule eines Ladeplatzes einer Ladestation zusammen zufassen, um in vorteilhafter Weise ein Schnellladen der Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit reduzierter Anzahl an Wandler an der Ladestation bereit zu stellen. Dies wird in vorteilhafter Weise durch ein paralleles Schalten der Wandler und somit durch ein Skalieren der Ladeleistung umgesetzt. Die zusammengefassten Wandler können somit eine erhöhte Ladeleistung bereitstellen.
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Zudem ist vorteilhaft, dass eine Ladestation mit mehreren Wandlern, aber einer geringeren Anzahl als der bereitgestellten Ladeplätze, betrieben werden kann. Bei einem Ladeleistungsbedarf insbesondere gemäß des Nennarbeitspunktes sind die Wandler parallel oder in Reihe zu einander geschaltet und weisen somit einen optimalen Wirkungsgrad auf und/oder eine entsprechend höhere Ladeleistung. Somit kann eine dynamische Zuordnung der Wandler, insbesondere in verschiedenen Ladeleistungsklassen an beliebige Ladeplätze erfolgen. Zudem ist die Anzahl der Ladesäulen von der Anzahl der Wandler entkoppelt.
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Durch die dynamische Zuordnung, kann in vorteilhafter Weise ein Schalten von Ladekapazität, z.B. bei einer fast vollständig geladenen Batterie eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs auf einen Ladeplatz mit einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit zuladender Batterie geschaltet werden. Dies kann auch durch Reduzierung der Ladeleistung an einem Ladeplatz bei gleichzeitiger Erhöhung der Ladeleistung an einem weiteren Ladeplatz erfolgen. Diesbezüglich kann mittels der Schalteinrichtung der vorliegenden Erfindung eine Leistung nach dem Leistungbedarf der mit der Ladestation verbundenen elektrisch betriebenen Fahrzeuge erfolgen.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch die Schalteinrichtung der vorliegenden Erfindung eine intelligente Verschaltung der Wandler zueinander und innerhalb der Ladestation erfolgen kann. Damit kann der Wirkungsgrad des Wandlers während eines Ladevorgangs, als auch die Belastung des Wandler, beispielsweise durch hohe Temperatur, Alterung, optimiert werden. Es kann der Wandler für einen Ladevorgang angewählt werden, der die benötigte Ladekapazität bei optimalem Wirkungsgrad zur Verfügung stellt.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass mittels der Schalteinrichtung der vorliegenden Erfindung eine dynamische Umschaltung bei sich ändernden Anforderungen bzgl. des Strombedarfs für das Laden an einem Ladeplatz oder bei geänderter Anzahl an verwendeten Ladeplätzen erfolgen kann. Beispielsweise kann die Schalteinrichtung die Ladeleistung durch das Umschalten auf einen anderen Wandler reduzieren, wenn die Batterie fast vollständig geladen ist und kein hoher Ladestrom mehr notwendig ist.
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Zudem kann die vorgehaltene Ladeleistung für die Ladestation im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Lösungen für Ladestationen, bei der jede Ladestation ihre eigenen Ressourcen (Wandler, Gleichrichter) für sich bindet, deutlich verringert werden und somit eine wesentliche Kosteneinsparung erreicht werden. Trotz geringerer Kosten ist ein gleichzeitiges Laden von mehreren Batterien elektrisch betriebener Fahrzeuge mit unterschiedlichen Ladeleistungen möglich.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement eingerichtet, den Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol des ersten Wandleranschlusses und dem Laderschaltelement auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol des weiteren Wandleranschlusses und dem Laderschaltelement zu schalten.
Das Schaltelement ist dazu ausgebildet, sowohl den Mittelabgriff der positiven Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten, als auch den Mittelabgriff der negativen Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass Wandleranschlüsse miteinander gekoppelt werden können, um für einen Ladeplatz eine erhöhte Leistung zur Verfügung zu stellen. Somit kann für einen ausgewählten Ladeplatz eine hohe Ladeleistung für Schnellladen bereitgestellt werden, ohne dass ein Wandler für die notwendige Ladeleistung aufgerüstet werden muss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement eingerichtet, den Mittelabgriff zwischen Laderanschlusspol des ersten Laderanschlusses und dem Laderschaltelement auf den Mittelabgriff zwischen dem Laderanschlusspol des Weiteren Laderanschlusses und dem Laderschaltelement zu schalten.
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Das Schaltelement ist dazu ausgebildet, sowohl den Mittelabgriff der positiven Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten, als auch den Mittelabgriff der negativen Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass ein bereits geladenes Fahrzeug angeschlossenen an einen Laderanschluss eine bestimmte Ladeleistung an ein weiteres Fahrzeug angeschlossen an einen weiteren Laderanschluss bereitstellen kann oder umgekehrt. Somit wird in vorteilhafter Weise ein Fahrzeug-zu-Fahrzeug laden ermöglicht. Weiterhin vorteilhaft ist, dass Fahrzeuge als Netzpuffer eingesetzt, mittels der Schalteinrichtung, Ladeleistung in das DC-Netz einspeisen können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schaltelement eingerichtet, den Mittelabgriff zwischen Laderanschlusspol des ersten Laderanschlusses und dem Laderschaltelement auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol des Weiteren Wandleranschlusses und dem Laderschaltelement zu schalten.
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Das Schaltelement ist dazu ausgebildet, sowohl den Mittelabgriff der positiven Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten, als auch den Mittelabgriff der negativen Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, das verschiedene Wandler mit unterschiedlichen maximalen Ladeleistungen zueinander geschaltet werden können. Dabei werden die Ladeleistungen an die Laderanschlusspole hinter die Laderschaltelemente geschaltet. In vorteilhafter Weise müssen die Laderschaltelemente nur für die Ladeleistung eines Wandler dimensioniert werden, womit die Stromtragfähigkeit geringer ausgelegt werden muss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Schaltelement und das Laderschaltelement als ein kombiniertes Umschalterelement ausgebildet. Das Umschaltelement umfasst beispielsweise ein Relais mit Wechselkontakt und/oder Öffner- und Schließerkontakte, welche wechselseitig geschaltet sind. Ferner umfasst das Umschaltelement einen Wechselschalter, zum abwechselnden Zu- und Abschalten des entsprechenden Wandleranschlusses.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass das Laderschaltelement des aktiven Wandleranschlusses und das Schaltelement zum Schalten des aktiven Wandleranschlusses auf einen weiteren Laderanschluss nicht gleichzeitig leitend geschaltet sind. Hierdurch wird die Systemsicherheit der Schalteinrichtung erhöht und vor Zerstörung durch Überlast geschützt. Zudem werden die Kosten für den Aufbau der Schalteinrichtung reduziert. Die Funktionalität des Schaltelements und dem zugehörigen Laderschaltelement wird über ein Relais bzw. Wechselschalter ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Wandleranschlusspol und dem Laderschaltelement oder zwischen dem Laderschaltelement und dem Laderanschlusspol eine Diode geschaltet. Die Diode kann beispielsweise als eine Halbleiterdiode mit pn-Übergang oder mit Metall-Halbleiter-Übergang ausgebildet sein.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass ein Rückfluss des Ladestromes bei dem Vorgang des Ladens eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs über mehrere Wandler zu einem der am Ladevorgang beteiligten Wandler unterbunden wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schalteinrichtung eingerichtet, den Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol des weiteren Wandleranschlusses und dem Laderschaltelement auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol und dem Laderschaltelement eines benachbarten Wandleranschlusses zu schalten.
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Das Schaltelement ist dazu ausgebildet, sowohl den Mittelabgriff der positiven Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten, als auch den Mittelabgriff der negativen Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass die Anzahl der Schaltelemente reduziert ist und trotzdem eine flexible Zuordnung der Ladeleistung ermöglicht wird. In vorteilhafter Weise kann die Ladeleistung durch das Zuschalten eines jeden benachbarten Wandlers zu dem Wandler, der eine Ladeplatz versorgt, erfolgen und somit eine Erhöhung der Ladeleistung erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung ein weiteres Schaltelement. Das weitere Schaltelement ist eingerichtet, einen weiteren Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol des ersten Wandleranschlusses und dem Laderschaltelement auf einen weiteren Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol des weiteren Wandleranschlusses und dem Laderschaltelement zu schalten.
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Das Schaltelement ist dazu ausgebildet, sowohl den Mittelabgriff der positiven Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten, als auch den Mittelabgriff der negativen Phase zwischen dem Wandleranschluss und dem Laderanschluss zu schalten.
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Diese Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass zwei konventionelle Wandler in Serie geschaltet werden können. Somit kann eine Batterie mit der Stromquellenserienschaltung der zwei Wandler mit einem Strom beaufschlagt werden. Beispielsweise können elektrisch betriebene Fahrzeuge mit hoher Antriebsleistung, die eine höhere Betriebsspannung (800V) benötigen, durch das entsprechende in Reihe Schalten der Wandler mittels der Schalteinrichtung der vorliegenden Erfindung auch geladen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Schaltelement und das Laderschaltelement als ein Relais oder als ein Schütz ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schalteinrichtung und die vorgesehenen Wandler zentral in einem Gehäuse installiert. Das Gehäuse kann unabhängig von dem Ort der Ladestation mit den Ladesäulen an einem Ort verschieden zu dem Ort der Ladestation installiert sein. Das Gehäuse mit Schalteinrichtung und den Wandlern wird bevorzugt über eine elektrische Leitung mit den Ladesäulen der Ladestation verbunden.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung (10) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung (10) gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung (10) gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung (10) gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung (10) gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 6 eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung (10) gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Bei den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 die Schalteinrichtung. Die Schalteinrichtung 10 umfasst eine elektronische Steuereinheit (nicht dargestellt) und eine elektrische Schalteinheit (nicht dargestellt). Die elektronische Steuereinheit zur intelligenten Verteilung einer maximal verfügbaren Ladeleistung der Ladestation kommuniziert mit den jeweiligen mit der Ladestation verbunden elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Zudem steuert die elektronische Steuereinheit die optimale bzw. gewünschte Ladeleistungsverteilung auf die verschiedenen Ladeplätze der Ladestation. Die Ladeleistungsverteilung ist optimal, wenn die nicht an einem Ladeplatz verwendete Ladeleistung an weitere Ladeplätze der Ladestation verteilt wird. Die gewünschte Ladeleistungsverteilung wird erreicht, wenn an einem Ladeplatz für einen Ladevorgang die Ladeleistung bereitgestellt wird, die für diesen Ladevorgang notwendig ist. Zudem wird durch die elektronische Steuereinheit berücksichtigt, wieviel ein entsprechender Wandler an Ladeleistung zur Verfügung stellen kann und welche Wandler so zu schalten sind, dass die benötigte Ladeleistung unter Berücksichtigung des Bedarfs der gesamten Ladestation bereitgestellt werden kann. Die elektronische Steuereinheit kann in dem Wandler integriert sein oder beispielsweise auf einem separaten Computer oder einem Mikrocontroller ausgebildet sein. Die Kommunikation zwischen der elektronischen Steuereinheit und den zu ladenden Batterien der elektrisch betriebenen Fahrzeuge kann sowohl über alle LAN-Kommunikationsarten, beispielsweise CAN, als auch über alle W-LAN-Kommunikationsarten erfolgen. Die Kommunikation zwischen der elektronischen Steuereinheit und den Wandlern kann sowohl über alle LAN-Kommunikationsarten, beispielsweise CAN, als auch über alle W-LAN-Kommunikationsarten erfolgen. Die elektrische Schalteinheit, beispielsweise eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder eine Steuerung zum Ansteuerung von Schützen und/oder Relais, führt das Verfahren der Schalteinrichtung 10 aus und schaltet die Schütze und/oder Relais ein oder aus, so dass die Ladeleistung entsprechend dem Bedarf an den entsprechenden Ladeplätzen zur Verfügung steht. Zudem wird durch die elektrische Schalteinheit gewährleistet, dass die Schalteinrichtung 10 nicht in eine für die Hardware der Ladestation ungünstige Schalterkombination schaltet.
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In einer Ausführungsform kann die Schalteinrichtung 10 als ein standalone Gerät bereitgestellt werden und eine Verbindungsleitung zu der Ladesäule der Ladestation aufweisen oder in einem der Wandler der Ladestation integriert sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Schalteinrichtung 10 stationär oder mobil ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Schalteinrichtung 10 und die Wandler zentral in einer separaten Vorrichtung integriert und über eine Verbindungsleitung mit den Ladesäulen der Ladestation verbunden.
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Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen B1, B2, Bn die Versorgungseinheiten der Ladestation. Die Versorgungseinheiten kann als jede Art von Wandler ausgeführt sein, welche Ausgangsseitig eine Gleichspannung bereitstellen. Beispielsweise können die Versorgungseinheiten als ein AC/DC-Wandler, bevorzugt DC/DC-Wandler oder als eine Kombination von mehreren Wandlern, wie z.B. ein Ladegerät ausgebildet sein. Die DC/DC-Wandler können sowohl durch eine AC/DC-Stufe als auch von natürlichen Gleichspannungsquellen, beispielsweise einer Batterie, Brennstoffzelle, Photovoltaikanlage, sowie auch von einem Gleichspannungsnetz versorgt werden. Die Wandler sind über entsprechende Wandleranschlusspole B1a, B1b, B2a, B2b, Bna, Bnb mit der Schalteinrichtung 10 verbunden.
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Weiterhin werden durch das Bezugszeichen A1, A2, A2n die Laderanschlüsse zum Verbinden der Batterie des elektrisch betriebenen Fahrzeugs bezeichnet. Die Laderanschlüsse A1, A2, An weisen Laderanschlusspole A1a, A1b, A2a, A2b, Ana, Anb auf. Über die Laderanschlüsse A1, A2, An wird eine Kommunikation zwischen der elektronischen Steuereinheit der Schalteinrichtung 10 und dem Fahrzeug aufgebaut. Der elektronischen Steuereinheit wird der Bedarf an Ladeleistung übertragen und die durch die elektronische Steuereinheit bearbeitet und resultiert in einen Sollstrom für die entsprechend dem Bedarf ausgewählten Wandler.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 bezeichnet Bezugszeichen LS1a, LS1b, LS2a, LS2b, LSna, LSnb ein Laderschaltelement zum Verbinden des Wandleranschlusses B1, B2, Bn mit dem Laderanschluss A1, A2, An. Das Laderschaltelement kann beispielsweise als Schütz oder Relais ausgeführt sein.
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Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen S3 das Schaltelement zum Schalten eines Mittelabgriffs zwischen dem ersten Wandleranschluss B1 und dem ersten Laderanschluss A1 auf einen Mittelabgriff zwischen dem weiteren Wandleranschluss B2 und dem weiteren Laderanschluss A2. Das Schaltelement S3 kann beispielsweise als Schütz oder Relais ausgeführt sein.
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Die Schalteinrichtung 10 gemäß der Ausführungsform dargestellt in der 2 ist eingerichtet, durch ein Schließen des Laderschaltelements LS1a und LS1b den Wandleranschluss B1 an den Laderanschluss A1 zu schalten. Ein Wandler an Wandleranschluss B1 stellt einen Strom zum Laden einer Batterie eines am Laderanschluss A1 angeschlossenen elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereit. Durch das Schließen des Laderschaltelements LS2a und LS2b wird der Wandleranschluss B2 an den Laderanschluss A2 geschaltet und ein Wandler an Wandleranschluss B2 stellt einen Strom zum Laden einer Batterie eines am Laderanschluss A2 angeschlossenen elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereit. Die Schalteinrichtung ist ausgelegt, beliebig viele Wandleranschlüsse B1, B2, Bn an die Laderanschlüsse A1, A2, An zu schalten. Zudem können die an den Wandleranschlüssen B2, Bn angeschlossenen Wandler genutzt werden, den am Wandleranschluss B1 angeschlossenen Wandler dabei zu unterstützen, am Laderanschluss A1 eine erhöhte Ladeleistung zur Verfügung zu stellen. Das Zuschalten der Leistung von Wandleranschluss B2, Bn auf Laderanschluss A1 erfolgt durch das Schließen des Schaltelement S3. Das Schaltelement S3 ist eingerichtet einen Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol B1a des ersten Wandleranschlusses B1 und dem Laderschaltelement LS1a auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol B2a des weiteren Wandleranschlusses B2 und dem Laderschaltelement LS2a zu schalten. Hierbei wird beispielsweise die positive Phase geschaltet. In Abhängigkeit des verwendeten Wandlers ist die Schalteinrichtung 10 ausgebildet den Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol B1b des ersten Wandleranschlusses B1 und dem Laderschaltelement LS1b auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol B2b des weiteren Wandleranschlusses B2 und dem Laderschaltelement LS2b zu schalten. Hierbei wird beispielsweise die negative Phase geschaltet.
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Ein Zuschalten eines weiteren Wandlers zu einem Wandler kann beispielsweise erfolgen, wenn an dem Wandleranschluss B2, Bn keine Ladeleistung für einen anderen Ladevorgang erforderlich ist. Beispielsweise wenn ein Ladeplatz nicht belegt ist oder ein Ladevorgang beendet ist. In vorteilhafter Weise kann für den Laderanschluss A1 eine hohe Ladeleistung für Schnellladen bereitgestellt werden, ohne dass der entsprechende Wandler an Wandleranschluss B1 aufgerüstet oder stärker dimensioniert sein muss. Ferner ist die Schalteinrichtung 10 ausgelegt, ein Schalten der Wandleranschlüsse B1, B2, Bn auch auf die Laderanschlüsse A2, An durchzuführen, um eine hohe Ladeleistung für Schnellladen bereitzustellen. Mittels der Schalteinrichtung 10 kann gemäß den Kosten-, Bedarf- und Sicherheitsanforderungen, jeder Wandleranschluss B1, B2, Bn zu jedem Laderanschluss A1, A2, An über ein Schaltelement S3 geschaltet werden. Das Schaltelement LS1a, LS1b, LS2a, LS2b, LSna, LSnb ist für die aufgeschaltete erhöhte Ladeleistung ausgelegt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der Ausführungsform gemäß der 3 ist das Schaltelement S3 eingerichtet, den Mittelabgriff zwischen Laderanschlusspol A1a des ersten Laderanschlusses A1 und dem Laderschaltelement LS1a auf den Mittelabgriff zwischen dem Laderanschlusspol A2a des weiteren Laderanschlusses A2 und dem Laderschaltelement LS2a zu schalten. Hierbei wird beispielsweise die positive Phase geschaltet. In Abhängigkeit des verwendeten Wandlers ist die Schalteinrichtung 10 ausgebildet den Mittelabgriff zwischen Laderanschlusspol A1b des ersten Laderanschlusses A1 und dem Laderschaltelement LS1b auf den Mittelabgriff zwischen dem Laderanschlusspol A2b des weiteren Laderanschlusses (A2) und dem Laderschaltelement (LS2b) zu schalten. Hierbei wird beispielsweise die negative Phase geschaltet.
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Durch das Schließen des Laderschaltelements LS1a und LS1b wird der Wandleranschluss B1 an den Laderanschluss A1 geschaltet und ein Wandler an Wandleranschluss B1 stellt einen Strom zum Laden einer Batterie eines am Laderanschluss A1 angeschlossenen elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereit.
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Durch das Schließen des Laderschaltelements LS2a und LS2b wird der Wandleranschluss B2 an den Laderanschluss A2 geschaltet und ein Wandler an Wandleranschluss B2 stellt einen Strom zum Laden einer Batterie eines am Laderanschluss A2 angeschlossenen elektrisch betriebenen Fahrzeugs bereit. Durch das Schließen des Schaltelements S3 kann ein bereits geladenes Fahrzeug, angeschlossen an einem Laderanschluss A1, A2, An, eine bestimmte Ladeleistung an einen anderen Laderanschluss bereitstellen. Beispielsweise kann ein bereits geladenes Fahrzeug an Laderanschluss A1 eine bestimmte Ladeleistung A2 bereitstellen oder umgekehrt. Das elektrisch betriebene Fahrzeug kann im späteren Verlauf des Ladevorgangs wieder durch die an den Wandleranschlüssen B1, B2 angeschlossenen Wandler geladen werden. Somit wird über das Schließen des Schaltelements S3 ein Fahrzeug-zu-Fahrzeug Laden bereitgestellt.
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Das Fahrzeug-zu-Fahrzeug Laden setzt eine Stromreglung, beispielsweise einen eingebauten Wandler in dem elektrisch betriebenen Fahrzeug voraus, dass durch ein weiteres elektrisch betriebenes Fahrzeug (Spenderfahrzeug) geladen werden soll. Beispielsweis weist ein erstes elektrisch betriebenes Fahrzeug 1 einen onboard Wandler auf und ein zweites elektrisch betriebenes Fahrzeug 2 hat keinen onboard Wandler. Die Batterien der Fahrzeuge 1 und 2 können mittels der Schalteinrichtung 10 jeweils an einem Laderanschluss A1, A2 durch einen Wandler an den Wandleranschluss B1, B2 geladen werden. Dies erfolgt durch Schließen der Laderschaltelemente LS1a, LS1b, LS2a, LS2b. Das Schaltelement S3 ist geöffnet. Die Batterie des Fahrzeugs 1 mit einem internen Wandler kann durch das Fahrzeug 2 bei geöffneten Laderschalterelementen LS1a, LS1b über das geschlossene Schaltelement S3 geladen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Fahrzeug 1 Ladeleistung in das Netz einspeisen, beispielsweise ein Fahrzeug mit hoher Akkuleistung (ADAC). Durch das Zurückspeisen kann das Fahrzeug 2 über den Wandler an Wandleranschluss B2 geladen werden. Die Ladeleistung wird von der Batterie des Fahrzeugs 1 entnommen. Das Laden der Batterie des Fahrzeugs 2 über Fahrzeug 1 erfolgt über das geschlossene Schaltelement S3.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Fahrzeug 2 gleichzeitig über den Wandler an Wandleranschluss B1 und über das Fahrzeug 1 geladen werden. Das Laden erfolgt über das geschlossene Schaltelement S3 und das geschlossene Laderschaltelement S2a, S2b. Der Wandler an Wandleranschluss B2 ist in dieser Ausführungsform parallel zum Fahrzeug 1 geschaltet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Mittels der Schalteinrichtung 10 der Ausführungsform dargestellt in 4 erfolgt das Schalten des Mittelabgriffs durch das Schaltelement S3 zwischen Laderanschlusspol A1a des ersten Laderanschlusses A1 und dem Laderschaltelement LS1a auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol B2a des weiteren Wandleranschlusses B2 und dem Laderschaltelement LS2a. Somit erfolgt das Schalten eines Wandleranschluss B1, B2, Bn mit einem angeschlossenen Wandler und nicht mehr ein direktes Schalten der Wandler untereinander. In vorteilhafter Weise kann die Stromtragfähigkeit der Laderschaltelemente LS1a, LS1b, LS2a, LS2b, LSna, LSnb geringer ausgelegt werden.
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Die Wandler an Wandleranschluss B1 bis Bn weisen vorzugsweise unterschiedliche maximale Ladeleistung auf. Die Zuordnung eines Wandleranschlusses B1, B2, Bn zu einem Laderanschluss A1, A2, An kann gemäß der Anforderung an Wirkungsgrad, Übertragungsleistung und Temperaturbelastung der Wandler über das Zu- bzw. Abschalten der Wandleranschlüsse B1, B2, Bn optimiert werden. Insbesondere kann mehr als ein Wandler gleichzeitig mit einem Laderanschluss A1, A2, An verbunden werden. Bei sich ändernden Anforderungen an die Ladeleistung während des Ladevorgangs, beispielsweise wenn sich die Ladeleistung bei zunehmenden Ladezustand einer Batterie verringert, können sukzessive einzelne Wandleranschlüsse B1, B2, Bn durch die Schalteinrichtung 10 getrennt werden und jeweils für andere Laderanschlüsse A1, A2, An zur Verfügung gestellt werden.
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Das Ladeschaltelement LS2a und das Schaltelement S3 sind aus Sicherheitsgründen zueinander durch die elektronische Steuereinheit gegen ein gleichzeitiges Schließen und Leiten verriegelt. In einer alternative Ausführungsform sind das Schaltelement S3 und das Laderschaltelement LS2a als ein kombiniertes Umschalterelement W ausgebildet. In vorteilhafter Weise werden die an die Schalteinrichtung 10 gestellten Sicherheitsanforderungen erfüllt und durch die vorteilhafte Ausgestaltung als Umschalter Kosten für Schaltelemente reduziert.
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In Abhängigkeit des verwendeten Wandlers ist die Schalteinrichtung 10 ausgebildet den Mittelabgriff zwischen Laderanschlusspol A1b des ersten Laderanschlusses A1 und dem Laderschaltelement LS1b auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol B2b des weiteren Wandleranschlusses B2 und dem Laderschaltelement LS2b zu schalten. Diesbezüglich sind das Schaltelement S3 und das Laderschaltelement LS2b als ein kombiniertes Umschaltelement W ausgeführt.
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Die in 4 dargestellte Verbindung zwischen dem Laderanschluss A1 und Wandleranschluss B2 stellt keine Beschränkung für weitere Verbindung von Laderanschlüssen zu Wandleranschlüssen bereitgestellt durch die Schalteinrichtung 10 dar. Ferner sind weitere Kombination denkbar, so dass eine Ladeleistung an Laderanschluss A1 beispielsweise über Wandleranschluss B2, Bn bereitgestellt werden kann.
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Das Bezugszeichen D bezeichnet eine Diode die einen Rückfluss eines Stroms in den Wandler bei einem Fahrzeug-zu-Fahrzeug Laden verhindert. Die Diode D kann sowohl zwischen dem Wandleranschluss B1, B2, Bn und dem Laderschalterelement LS1a, LS1b, LS2a, LS2b, LSna, LSnb oder dem Laderschalterelement LS1a, LS1b, LS2a, LS2b, LSna, LSnb und dem Laderanschluss A1, A2, An geschaltet werden. Wenn die Diode D zwischen dem Laderschalterelement LS1a, LS1b, LS2a, LS2b, LSna, LSnb und dem Laderanschluss A1, A2, An geschaltet wird, kann ein Fahrzeug von mehreren Wandlern geladen werden. In einer Ausführungsform kann die Diode D durch einen elektronischen Schalter, beispielsweise einen IGBT, MOSFET insbesondere bei Laderückspeisung von einer Batterie eines Fahrzeugs in das Netz ersetzt werden. In einer alternative Ausführungsform sind die Dioden D in dem Fahrzeug verbaut oder es können bereits in einem Fahrzeug verbaute Dioden D, beispielsweise Inverter-Dioden, für diesen Zweck verwendet werden. In vorteilhafter Weise kann somit die Schalteinrichtung 10 ohne Dioden D ausgeführt sein, was die Komplexität der Schalteinrichtung 10 und die Kosten reduziert.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In Abhängigkeit des verwendeten Wandlers ist die Schalteinrichtung 10 ausgebildet, den Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol B2a und dem Laderschaltelement LS2a auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol Bna und dem Laderschaltelement LSna eines benachbarten Wandleranschlusses Bn zu schalten oder den Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol B2b und dem Laderschaltelement LS2b auf den Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol Bnb und dem Laderschaltelement LSnb eines benachbarten Wandleranschlusses Bn zu schalten.
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Im Vergleich zu 4 werden für die Schalteinrichtung 10 gemäß der Ausführungsform dargestellt in 5 weniger Schaltelemente benötigt. Dennoch besteht eine hohe Flexibilität bei der Verteilung von Ladeleistung an die jeweils benachbarten Laderanschlüsse A1, A2, An. Durch die intelligente Anordnung von beispielsweise höheren (z.B. 50kW) und niedrigeren (z.B. 22kW) Wandlerleistungen ist das Schnellladen nicht nur auf einen Ladeplatz beschränkt, sondern kann an jedem zweiten Ladeplatz ein Schnellladen erfolgen. Jeder benachbarte Wandleranschluss B1, B2, Bn kann auf den Laderanschluss A1 bei reduzierter Anzahl an Schaltelementen S3 geschaltet werden, wodurch eine flexible Ladeleistungszuordnung zu den Laderanschlüssen möglich ist.
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6 zeigt eine schematische Darstellung der Schalteinrichtung 10 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Ausführungform der Schalteinrichtung 10 dargestellt in der 6 umfasst ein weiteres Schaltelement S4. Das Schaltelement S4 ist eingerichtet, in Abhängigkeit des verwendeten Wandlers einen weiteren Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol B1a und dem Laderschaltelement LS1a auf einen weiteren Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol B2b und dem Laderschaltelement LS2b zu schalten oder den weiteren Mittelabgriff zwischen Wandleranschlusspol B1b und dem Laderschaltelement LS1b auf den weiteren Mittelabgriff zwischen dem Wandleranschlusspol B2a und dem Laderschaltelement LS2a zu schalten (nicht dargestellt).
Elektrisch betriebene Fahrzeuge mit hoher Antriebsleistung benötigen eine deutlich höhere Batteriespannung, beispielsweise 800V. Um die Batterie dieser elektrisch betriebenen Fahrzeuge laden zu können, werden Ladestationen mit speziell für diese Fahrzeuge ausgelegte Ladesäulen benötigt. In vorteilhafter Weise werden durch die Ausführungsform der Schalteinrichtung 10 gemäß der 6 zwei Wandleranschlüsse B1, B2 in Reihe zueinander geschaltet. Dabei kann an Laderanschluss A2 weiterhin eine Batterie mit 400V Batteriespannung geladen werden. Der Ladestrom wird über den an Wandleranschluss B2 angeschlossenen Wandler gesteuert. Die Ladeleistung am Laderanschluss A1 (800V) wird vom an Wandleranschluss B1 angeschlossenen Wandler gesteuert. Der Wandler an Wandleranschluss B2 sollte dafür in geeigneter Weise für das Bereitstellen einer höheren Ausgangsleistung ausgelegt sein, beispielsweise 100kW als der Wandler an Wandleranschluss B1, beispielsweise 50kW.
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Durch das Schließen des Laderschaltelements LS1a, sowie der Schaltelemente S3, S4 wird die Ladeleistung der Wandler an den Wandleranschlüssen B1, B2 an dem Laderanschluss A1 bereitgestellt. Durch das Schließen des Laderschaltelements LS2a, sowie der der Schaltelemente S3, S4 wird die Ladeleistung der Wandler an den Wandleranschlüssen B1, B2 an dem Laderanschluss A2 bereitgestellt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann bei gleichen Ladeleistungen der angeschlossenen Wandler und bei geringerem Bedarf an Ladeleistung einer der zu ladenden Batterien der Fahrzeuge, die Ladeleistung auf das weitere zu ladende Fahrzeug verteilt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015205015 A1 [0003]
