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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anschlussvorrichtung für eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers sowie ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge beziehen ihre Antriebsenergie von einem elektrischen Energiespeicher, wie zum Beispiel einer Traktionsbatterie. Diese Traktionsbatterie kann mittels elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz aufgeladen werden und stellt dann elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs bereit. Insbesondere bei längeren Standzeiten des Fahrzeugs kann die Traktionsbatterie beispielsweise mittels der elektrischen Energie eines ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsanschlusses aufgeladen werden, wie er in der Regel bei nahezu jeder Hausinstallation zur Verfügung steht.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 010 722 A1 offenbart beispielsweise ein Ladegerät für ein Elektrofahrzeug. Diese Druckschrift beschreibt eine Schaltung zur Verbindung einer Ladeeinheit für einen Akkumulator mit einem Versorgungsnetz, wobei das Versorgungsnetz mehrere Anschlüsse aufweist. Die Ladeeinheit weist dabei mindestens zwei Stufen auf, wobei jede Stufe mit allen Anschlüssen des Versorgungsnetzes verbunden werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Anschlussvorrichtung für eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, eine Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers sowie ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Anschlussvorrichtung für eine Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mit einem Eingangsanschluss, einem Ausgangsanschluss, einer Schalteinrichtung und einer Filtereinrichtung. Der Eingangsanschluss umfasst mehrere Phasenanschlüsse. Der Eingangsanschluss ist dazu ausgelegt, wahlweise entweder mit einer einphasigen oder einer mehrphasigen elektrischen Energiequelle verbunden zu werden. Der Ausgangsanschluss umfasst mehrere Phasenanschlüsse. Dabei ist der Ausgangsanschluss dazu ausgelegt, mit einer Vorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers verbunden zu werden. Die Schalteinrichtung ist dazu ausgelegt, wahlweise entweder eine oder mehrere elektrische Phasen des Eingangsanschlusses mit korrespondierenden Phasenanschlüssen des Ausgangsanschlusses elektrisch zu verbinden. Die Filtereinrichtung ist dazu ausgelegt, elektrische Störsignale auf den elektrischen Verbindungen zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss herauszufiltern. Die Filtereinrichtung ist dabei elektrisch zwischen dem Eingangsanschluss und der Schalteinrichtung angeordnet. Insbesondere ist die Schalteinrichtung zwischen der Filtereinrichtung und dem Ausgangsanschluss angeordnet.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Eine Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mit einer erfindungsgemäßen Anschlussvorrichtung und einer Vorrichtung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers. Die Vorrichtung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers ist hierbei dazu ausgelegt, den elektrischen Energiespeicher unter Verwendung einer am Eingangsanschluss der Anschlussvorrichtung bereitgestellten einphasigen oder mehrphasigen elektrischen Wechselspannung aufzuladen.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Elektrofahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem, einem elektrischen Energiespeicher und einer erfindungsgemäßen Ladevorrichtung zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere zum Aufladen einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, elektrische Energie aus einem ein- oder mehrphasigen Energieversorgungsnetz genutzt werden kann. Die Ladevorrichtung ist hierzu in der Regel auf die maximal nutzbare Anzahl von elektrischen Phasen des Wechselspannungsnetzes ausgelegt. In der Regel ist die Ladevorrichtung daher für einen dreiphasigen Betrieb ausgelegt. Stehen zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers jedoch weniger Phasen, beispielsweise nur eine elektrische Phase, zur Verfügung, so muss in der Ladevorrichtung eine entsprechende Umschaltung erfolgen.
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Darüber hinaus müssen in einer Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mittels elektrischer Energie von einem Energieversorgungsnetz auch Vorkehrungen getroffen werden, um ein Einspeisen von Störungen, insbesondere von hochfrequenten Störsignalen, in das Energieversorgungsnetz zu unterbinden oder zumindest auf ein zulässiges Maß zu minimieren. Hierzu sind in der Regel Kombinationen aus kapazitiven und induktiven Bauelementen vorgesehen. Derartige Filterelemente sind in konventionellen Ladevorrichtungen in der Regel zwischen der Umschaltvorrichtung für die Auswahl der zu verwendeten elektrischen Phasen auf der einen Seite und der Ladeelektronik auf der anderen Seite angeordnet. Je nach Auswahl der für den Ladevorgang zu verwendenden elektrischen Phasen und der damit korrespondierenden Schalterstellungen ergeben sich somit unterschiedliche Eigenschaften in der Filtereinrichtung zur Minimierung der elektrischen Störsignale.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Anschlussvorrichtung für eine Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers vorzusehen, welche möglichst unabhängig von der Anzahl der für den Ladevorgang zu verwendenden elektrischen Phasen gleiche oder zumindest annähernd gleiche Filtereigenschaften zum Unterdrücken von Störsignalen ermöglicht.
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Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Filtereinrichtung zur Unterdrückung der elektrischen Störsignale während des Ladevorgangs in einem elektrischen Pfad zwischen einem Eingangsanschluss und der Schalteinrichtung für die Auswahl der zu verwendenden elektrischen Phasen anzuordnen. Mit anderen Worten, die Filtereinrichtung ist direkt am Eingangsanschluss der Ladevorrichtung vorgesehen. Hierdurch bleiben am Eingangsanschluss unabhängig von den Schalterstellungen der Schaltelemente in der Schalteinrichtung jeweils stets die gleichen elektrischen Eigenschaften der Filtereinrichtung bestehen. Auf diese Weise können die einzelnen Bauelemente der Filtereinrichtung für diese stets konstante Konfiguration hin optimiert werden. Hierdurch ergeben sich einerseits verbesserte Filtereigenschaften bezüglich der Unterdrückung von Störsignalen, und andererseits können durch diese Optimierung auch die Dimensionen der Bauelemente minimiert werden. Dies führt nicht nur zu reduzierten Kosten, sondern auch zu Einsparungen in Bezug auf Gewicht und Bauvolumen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Filtereinrichtung mindestens eine erste Y-Kondensatoranordnung. In dieser ersten Y-Kondensatoranordnung ist jeweils ein Kondensatorelement zwischen einer elektrischen Phase und einem Bezugspotential angeordnet. Darüber hinaus können auch sogenannte X-Kondensatoren vorgesehen sein, welche jeweils zwischen zwei Phasen angeordnet sind. Da die Filtereinrichtung mit den Y-Kondensatoren direkt am Eingangsanschluss angeordnet ist, bleiben die Eigenschaften dieser Kondensatoranordnung unabhängig von den Schalterstellungen der Schalter in der nachgeordneten Schalteinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Filtereinrichtung eine Serienschaltung aus einer ersten Y-Kondensatoranordnung, einem ersten induktiven Filterelement und einer zweiten Y-Kondensatoranordnung. Die zweite Y-Kondensatoranordnung kann dabei gleich oder zumindest annähernd gleich wie die erste Y-Kondensatoranordnung aufgebaut sein. Auf diese Weise ergibt sich ein symmetrischer Schaltungsaufbau. Selbstverständlich können auch neben der zweiten Y-Kondensatoranordnung auch weitere X-Kondensatoren vorgesehen sein.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Filtereinrichtung eine Serienschaltung aus einer ersten Y-Kondensatoranordnung, einem ersten induktiven Filterelement, einer zweiten Y-Kondensatoranordnung, einem zweiten induktiven Filterelement und einer dritten Y-Kondensatoranordnung. Darüber hinaus sind grundsätzlich auch Filteranordnungen mit noch mehr nacheinander geschalteten induktiven Filterelementen und Kondensatoranordnungen möglich. Durch die Verwendung mehrerer nacheinander geschalteter induktiver und kapazitiver Filterkomponenten können dabei die Filtereigenschaften weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Anschlussvorrichtung einen Spannungsdetektor. Der Spannungsdetektor kann dazu ausgelegt sein, eine elektrische Spannung an den Phasenanschlüssen des Eingangsanschlusses zu detektieren. In diesem Fall kann die Schalteinrichtung dazu ausgelegt sein, einen jeweiligen Phasenanschluss des Eingangsanschlusses mit einem korrespondierenden Phasenanschluss des Ausgangsanschlusses elektrisch zu verbinden, wenn die elektrische Spannung an dem jeweiligen Phasenanschluss des Eingangsanschlusses einen vorbestimmten Sollwert überschreitet. Auf diese Weise kann beispielsweise je nach am Eingangsanschluss zur Verfügung stehender ein- oder mehrphasiger elektrischer Spannung automatisch eine Umschaltung in der Schalteinrichtung erfolgen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms einer Ladevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2: eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms einer Ladevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 3: eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms einer Ladevorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 4: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Ladevorrichtung mit einer Anschlussvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 5: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Ladevorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds einer Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 5 gemäß einer Ausführungsform. Die Ladevorrichtung kann dabei von einer ein- oder mehrphasigen elektrischen Wechselspannungsquelle 3 gespeist werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen ein- oder mehrphasigen Anschluss an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, beispielsweise ein Niederspannungsnetz, handeln. Die ein- oder mehrphasige elektrische Energiequelle 3 ist zunächst an eine Filtereinrichtung 1 angeschlossen. Diese Filtereinrichtung 1 kann beispielsweise Störsignale, insbesondere hochfrequente Störsignale eliminieren oder zumindest auf ein vorgegebenes Maß reduzieren. Derartige Störsignale können beispielsweise von der Ladeschaltung 4 verursacht werden, welche die von der elektrischen Wechselspannungsquelle 3 bereitgestellte ein- oder mehrphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertiert, um den elektrischen Energiespeicher 5 aufzuladen.
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Die Ladevorrichtung umfasst ferner eine Schalteinrichtung 2, welche eine oder mehrere elektrische Phasen der elektrischen Wechselspannungsquelle 3 mit der Ladeschaltung 4 koppeln kann. Wird beispielsweise von der elektrischen Wechselspannungsquelle 3 nur eine einphasige Wechselspannung bereitgestellt, so kann die Schalteinrichtung 2 nur diese eine spannungsführende Phase mit der Ladeschaltung 4 koppeln. Gegebenenfalls kann eine spannungsführende Phase L1, L2 oder L3 in diesem Fall an mehreren Phasenanschlüssen einer mehrphasigen Ladeschaltung bereitgestellt werden. Umfasst die Ladeschaltung mehrere einphasige Ladeschaltungen - wie im nachfolgenden noch erläutert - so kann für den Fall einer einphasigen Spannungsversorgung die spannungsführende Phase auch an mehreren einphasigen Ladeschaltungen bereitgestellt werden.
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Werden von der elektrischen Wechselspannungsquelle 3 auf zwei oder mehr Phasen eine elektrische Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung bereitgestellt, so kann die Schalteinrichtung 2 alle spannungsführenden Phasen mit entsprechenden Anschlüssen der Ladeschaltung 4 koppeln.
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Während bei konventionellen Ladevorrichtungen in der Regel die Filtereinrichtung elektrisch zwischen der Schalteinrichtung 2 und der Ladeschaltung 4 vorgesehen ist, ist es ein besonderes Merkmal dieser Ausführungsform, dass die Filtereinrichtung 1 zwischen der elektrischen Wechselspannungsquelle 3 und der Schalteinrichtung 2 vorgesehen ist.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaubild einer Ladevorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ladevorrichtung gemäß der Ausführungsform von 2 entspricht dabei weitestgehend der zuvor beschriebenen Ausführungsform und unterscheidet sich insbesondere darin, dass für jede elektrische Phase jeweils eine separate Ladeschaltung 4-i vorgesehen ist.
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3 zeigt ein schematisches Blockschaubild einer Ladevorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Ladevorrichtung gemäß der Ausführungsform von 3 entspricht dabei weitestgehend den zuvor beschriebenen Ausführungsformen und unterscheidet sich insbesondere darin, dass für jede elektrische Phase jeweils eine separate Filtereinrichtung 2-i vorgesehen ist. In diesem Fall können in jeder der individuellen Filtereinrichtungen 2-i jeweils die Filterkomponenten für eine elektrische Phase vorgesehen sein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 5 gemäß einer Ausführungsform. Die hier dargestellte Anzahl von maximal drei elektrischen Phasen L1, L2 und L3 dient dabei lediglich dem besseren Verständnis und stellt weder hier noch in den übrigen Ausführungsbeispielen eine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. Die Ladevorrichtung kann neben den hier dargestellten Komponenten gegebenenfalls auch weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise Trennschalter oder Überstrom-/Überspannungsschutzelemente. Diese sind zum besseren Verständnis in dem hier dargestellten Prinzipschaltbild nicht dargestellt.
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Analog zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann von einer elektrischen Wechselspannungsquelle 3 eine ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung bereitgestellt werden. Diese Wechselspannung kann an einem Eingangsanschluss 11 bereitgestellt werden. Neben den spannungsführenden Phasen L1, L2 und L3 können an dem Eingangsanschluss 11 auch ein Neutralleiter N und ein Schutzleiter PE angeschlossen werden. Zwischen dem Eingangsanschluss 11 und der oben bereits beschriebenen Schalteinrichtung 2 ist eine Filtereinrichtung 1 vorgesehen. Diese Filtereinrichtung 1 kann beispielsweise Störsignale, insbesondere hochfrequente Störsignale eliminieren oder minimieren, welche zum Beispiel von der Ladeschaltung 4 verursacht werden.
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In der in 4 dargestellten Ausführungsform können mittels der Schaltelemente in der Schalteinrichtung 2 die einzelnen elektrischen Phasen L1, L2 und L3 jeweils mit korrespondierenden Anschlüssen 12 zum Anschluss der Ladeschaltung gekoppelt werden. Alternativ kann für den Fall. dass nur auf einer Phase, beispielsweise L1, eine Ladespannung bereitgestellt wird, durch entsprechende Schalterstellungen in der Schalteinrichtung 2 diese einphasige Ladespannung an allen Phasenanschlüssen der Ladeschaltung bereitgestellt werden. In der schematischen Darstellung gemäß 4 kann beispielsweise die Spannung der ersten Phase L1 auch zusätzlich an den Phasenanschlüssen für L2 und L3 an dem Ausgangsanschluss 12 bereitgestellt werden.
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Darüber hinaus kann die Schalteinrichtung 4 auch weitere Schaltelemente umfassen, um eine elektrische Eingangsspannung auf einer weiteren Phasen L2 oder L3 ebenfalls auf der Ausgangsseite an mehreren Phasenanschlüssen bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine einphasige elektrische Spannung auf der Phase L3 auch an L1 und/oder L2 bereitgestellt werden oder eine elektrische Spannung auf L2 zusätzlich auch an L1 und/oder L3,
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Die Filtereinrichtung 1 kann beispielsweise eine Serienschaltung aus einem ersten Kondensatorelement C1, einem ersten induktiven Bauelement I1 und einem zweiten Kondensatorelement C2 umfassen. Das erste und/oder zweite Kondensatorelement C1, C2 kann jeweils sogenannte Y-Kondensatoren und X-Kondensatoren umfassen. Die Y-Kondensatoren Cy sind beispielsweise jeweils zwischen einer Phase L1, L2, L3 und einem Bezugspotential PE angeordnet. Die X-Kondensatoren Cx können beispielsweise zwischen zwei elektrischen Phasen L1, L2, L3 vorgesehen sein. Das induktive Bauelement I1 kann beispielsweise in jeder Phase eine geeignete Induktivität aufweisen. Sofern in der Ladevorrichtung auch optional der Neutralleiter N mit vorgesehen ist, kann gegebenenfalls auch in diesem Neutralleiter N eine Induktivität vorgesehen sein.
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Umfasst die Filtereinrichtung 1 mehrere Kondensatorelemente C1, C2, so können alle diese Kondensatorelemente gleich oder zumindest gleichartig ausgeführt sein.
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Zwischen der Filtereinrichtung 1 und einem Ausgangsanschluss 12 ist die Schalteinrichtung 2 vorgesehen, welche die jeweils aktiven Phasen mit der Ladeschaltung 4 koppeln kann. Hierzu kann beispielsweise für jede elektrische Phase ein elektrisches oder mechanisches Schaltelement S1, S2, S3 vorgesehen sein. Alternativ ist es auch möglich, dass mindestens eine elektrische Phase L1 permanent mit dem entsprechenden Phasenanschluss des Ausgangsanschlusses 12 verbunden ist, und nur die weiteren elektrischen Phasen L2, L3 über Schaltelemente S2, S3 verfügen.
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Am Ausgangsanschluss 12 kann eine Ladeschaltung 4 vorgesehen sein, welche zum Beispiel die bereitgestellte ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertiert, die dazu geeignet ist, einen elektrischen Energiespeicher 5 aufzuladen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Ladevorrichtung zum Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die in 4 dargestellte Ausführungsform entspricht weitestgehend der zuvor beschriebenen Ausführungsform und unterscheidet sich insbesondere dadurch von der zuvor beschriebenen Ausführungsform, dass in der Filtereinrichtung 1 eine Serienschaltung aus einem ersten Kondensatorelement C1, einem ersten induktiven Filterelement I1, einem zweiten Kondensatorelement C2, einem zweiten induktiven Filterelement I2 und einem dritten Kondensatorelement C3 vorgesehen ist. Jedes der kapazitiven und induktiven Elemente C1, C2, C3 und I1, I2 kann dabei den entsprechenden oben bereits beschriebenen Elementen entsprechen. Daher wird in dieser Darstellung auf eine detaillierte Darstellung der einzelnen Kondensatoren in den Kondensatorelementen C1, C2, C3 und den induktiven Elementen I1, I2 verzichtet.
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Darüber hinaus kann beispielsweise optional auch ein Spannungsdetektor 14 vorgesehen sein. Dieser Spannungsdetektor 14 kann zum Beispiel die elektrische Spannung an den Phasenanschlüssen des Eingangsanschlusses 11 überwachen. Wird an einem der Phasenanschlüsse eine signifikante elektrische Spannung, insbesondere eine elektrische Spannung höher als ein vorgegebener Schwellwert detektiert, so kann daraufhin die Schalteinrichtung 2 das entsprechende Schaltelement S1, S2, S3 ansteuern, um die entsprechende elektrische Phase L1, L2, L3 mit dem jeweiligen Phasenanschluss des Ausgangsanschlusses 12 zu verbinden. Auf diese Weise kann die Schaltungskonfiguration automatisch gemäß den am Eingangsanschluss 11 anliegenden Spannungsverhältnissen angepasst werden.
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Die zuvor beschriebene Ladevorrichtung für das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers 5 kann insbesondere zum Aufladen einer Traktionsbatterie für ein ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug genutzt werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung den Anschluss einer Ladeschaltung für das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mittels einer ein- oder mehrphasigen elektrischen Wechselspannung. Hierzu ist es vorgesehen, eine Filtereinrichtung für die Unterdrückung von Störsignalen an einem Eingang vor einer Umschaltung zwischen einem ein- oder mehrphasigen Ladevorgang vorzusehen. Auf diese Weise werden die Eigenschaften, insbesondere die kapazitiven Eigenschaften der Filtereinrichtung nicht durch die Schaltungskonfiguration bei der Umschaltung zwischen ein- oder mehrphasigen Laden beeinflusst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010010722 A1 [0003]
