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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladevorrichtung zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers, vorzugsweise einer Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, wobei die Ladevorrichtung ein oder mehrere Relais im Hauptstrompfad sowie eine Prüfeinrichtung zur Überprüfung der Relais-Kontaktpositionen aufweist.
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Stand der Technik
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Batteriesysteme für Elektro- und Hybridfahrzeuge werden über externe Ladevorrichtungen, beispielsweise über eine Wallbox, geladen. Die Ladevorrichtung dient als Schnittstelle zwischen dem vorgelagerten Stromnetz und dem Fahrzeug. Zu diesem Zweck umfasst die Ladevorrichtung Relais im Hauptstrompfad, über welche die Ladeleistung zu- und abgeschaltet werden kann. Die Relais haben auch eine Sicherheitsfunktion, um eine zuverlässige Trennung des Fahrzeugs vom Stromnetz zu erreichen.
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Bei einer Fehlfunktion, wie beispielsweise einem Verschweißen oder Verkohlen von Relais-Kontaktpunkten, kann eine ordnungsgemäße Steuerung zur Stromversorgung der fahrzeugseitigen Last nicht gewährleistet werden. Die Kontaktzustände der Relais werden daher aus Sicherheitsgründen kontinuierlich überwacht, um sicherzustellen, dass die Kontakte tatsächlich offen sind, wenn sie geöffnet sein müssen, und geschlossen sind, wenn sie geschlossen sein müssen.
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Ein Lösungsansatz zur Überprüfung beziehungsweise Sicherstellung der beabsichtigten Relais-Kontaktzustände nutzt sogenannte Mirror-Kontakte, die von einem zusätzlichen Kontaktpaar im Relais gebildet werden. Dieses zusätzliche Kontaktpaar wird beim Umschalten der Hauptkontakte mitbewegt, beispielsweise über eine mechanische Verbindung. Durch Anlegen eines Testsignals, etwa auf dem GND- oder VCC-Potential, kann nun die Position des entsprechenden Kontakts erkannt werden.
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Alternative Lösungsansätze nutzen Relais mit Arbeits- und Ruhekontakten, die jeweils als NC-Kontakt („normally closed“) beziehungsweise NO-Kontakt („normally open“) ausgeführt sein können. Ein als NO realisierter Kontakt ist geöffnet, wenn das Relais nicht erregt ist. Analog ist ein als NC realisierter Kontakt geschlossen, wenn das Relais nicht erregt ist. Zur Überprüfung der Kontaktzustände kann die Netzspannung aus dem Hauptstrompfad an den Kontaktpaaren gemessen und ausgewertet werden. Alternativ kann es genügen, die Spannung nur an den NO-Kontakten zu messen. Dieses Vorgehen liefert allerdings nur in bestimmten Stromnetz-Konfigurationen ein plausibles Ergebnis, beispielsweise im sogenannten Split-Phase-Betrieb, in dem die Spannungen relativ zum Schutzleiter in Gegenphase (Phasenwinkel 180°) liegen. In anderen Konfigurationen, etwa bei einem Single-Phase-Betrieb (eine der Phasen liegt auf dem Schutzleiter-Potential), oder bei einem Zwei-Phasen-Betrieb im Drehstromnetz ist eine solche Messung nicht ohne weiteres möglich.
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Starkstrom-Relais (über 40 A Strombelastbarkeit) weisen zumeist keine Mirror- oder NC-Kontaktpaare auf, so dass diese Technologie zur Überprüfung der Relais-Kontaktzustände im Fall von Ladevorrichtungen für Traktionsbatterien im Fahrzeugbau nicht optimal ist. Es kommt hinzu, dass die Relais zumeist weitere normative Anforderungen im Hinblick auf Sicherheit und Haltbarkeit erfüllen müssen. Die wenigen verfügbaren Relais dieser Leistungsklasse erfüllen oft entweder die Anforderungen nicht, oder sie sind baulich aufwändiger und damit kostenintensiver als Standardbauteile.
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Andere bekannte Lösungen für Relais ohne Mirror- oder NC- Kontakt werten lediglich Spannungspegel an den NO-Kontakten aus und sind daher aus den oben genannten Gründen nicht geeignet, Plausibilitätschecks in anderen Netzkonfigurationen als dem Split-Phase-Betrieb durchzuführen.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Ladevorrichtung zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers, vorzugsweise einer Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch eine Ladevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Die Ladevorrichtung gemäß der Erfindung dient zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers, der vorzugsweise eine Traktionsbatterie für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ist.
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Die Ladevorrichtung weist einen Hauptstrompfad auf, der mit einem Netzanschluss und dem Energiespeicher verbindbar ist, wobei der Netzanschluss eine Wechselspannung bereitstellt. Über den Netzanschluss erfolgt die Leistungsversorgung aus einem zumeist standardisierten Netz, wie etwa dem europäischen oder amerikanischen Stromnetz vom Typ „Single-Phase-Three-Wire“ oder „Three-Phase-Four-Wire“. Die Ladevorrichtung weist zumindest ein Relais auf, das im Hauptstrompfad angeordnet ist, einen Arbeitskontakt umfasst und eingerichtet ist, um in einer offenen Kontaktposition den Hauptstrompfad zu unterbrechen und in einer geschlossenen Kontaktposition den Hauptstrompfad zu schließen. In der geschlossenen Kontaktposition findet ein Leistungsaustausch zwischen dem Netzanschluss und dem Energiespeicher statt. Das eine oder die mehreren Relais sind in üblicher Weise durch elektrischen Strom betriebene, vorzugsweise elektromagnetisch wirkende, fernbetätigbare Schalter mit den zumindest zwei genannten Schaltstellungen.
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Die Ladevorrichtung umfasst ferner eine Prüfeinrichtung, die mit dem Arbeitskontakt des zumindest einen Relais elektrisch verbunden und zur Überprüfung der Kontaktposition des Relais eingerichtet ist. Die Prüfeinrichtung weist gemäß der Erfindung eine Nulldurchgangs-Detektionsschaltung auf, die eingerichtet ist, um den Nulldurchgang einer Phase am Arbeitskontakt des betreffenden Relais zu detektieren. Daraus lässt sich allein durch Überwachung des Arbeitskontakts die Kontaktposition des Relais ableiten, beispielsweise über eine zeitliche Mittelwertbildung über eine oder mehrere Perioden.
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Die Prüfeinrichtung bietet eine ressourcenschonende und kostengünstige Möglichkeit, die Kontaktzustände eines oder mehrerer Relais im Hauptstrompfad der Ladevorrichtung zu ermitteln. Etwaige Mikrocontroller-Ressourcen werden geschont, da die Kontaktprüfung vollständig im Tasksystem durchführbar ist und somit beispielsweise kein Interrupt (Pin) erforderlich ist.
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Vorzugsweise umfassen die Prüfeinrichtung einen Mikrocontroller und die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung einen mit dem Mikrocontroller elektrisch verbundenen Komparator, wobei der Komparator eingerichtet ist, um ein Impulssignal aus der am Arbeitskontakt anliegenden Phase zu generieren und an den Mikrocontroller zu senden. Das Impulssignal ist ein digitales Signal, das sich aus „Nullen“ und „Einsen“, d.h. Impulsen auf einem HIGH-Potential und Abschnitten zwischen den Impulsen auf einem LOW-Potential zusammensetzt. Ein Impuls wird generiert, wenn die Phase am Arbeitskontakt einen Schwellwert übersteigt. Durch eine solche „Digitalisierung“ der Phase am Arbeitskontakt kann die Kontaktprüfung durch den Mikrocontroller vereinfacht werden, insbesondere kann die Weiterverarbeitung des Impulssignals und Ableitung der Relais-Kontaktzustände softwaregestützt erfolgen.
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Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung eingerichtet, um einen zeitlichen Mittelwert des Impulssignals zu berechnen. Daraus ist unmittelbar der Schaltzustand des zumindest einen Relais ableitbar, je nachdem, ob der Mittelwert im Wesentlichen Null ist oder einen positiven Betrag aufweist.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Relais als sogenannter Schließer ausgebildet, bei dem der Arbeitskontakt ein NO-Kontakt ist, der geöffnet ist, wenn das Relais nicht erregt ist, und geschlossen andernfalls. Ein Leistungsaustausch zwischen dem Netzanschluss und der Last, d.h. dem Energiespeicher, findet somit nur im erregten Zustand des Relais statt. Die oben genannten technischen Wirkungen kommen insbesondere im Fall solcher, oft für starke Ströme ausgelegte Relais zum Tragen, die zumeist keine Mirror-Kontakte und/oder keine NC-Kontakte aufweisen. Dies erleichtert die Auswahl passender Relais für die Ladevorrichtung. Eine Einschränkung auf baulich aufwändige und teure Produkte ist dank der hierin beschriebenen Prüfeinrichtung nicht nötig, wodurch die Prüfeinrichtung auch die Flexibilität der Ladevorrichtung verbessert.
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Vorzugsweise umfasst der Hauptstrompfad eine erste Leitung und eine zweite Leitung, die mit dem Netzanschluss und dem Energiespeicher verbindbar sind, wobei die Ladevorrichtung in diesem Fall ein erstes Relais, angeordnet in der ersten Leitung, sowie ein zweites Relais, angeordnet in der zweiten Leitung, umfasst. Jedes der beiden Relais weist einen Arbeitskontakt auf und ist eingerichtet, um in einer offenen Kontaktposition die entsprechende Leitung zu unterbrechen und in einer geschlossenen Kontaktposition die entsprechende Leitung zu schließen. Die hierin dargelegte Prüfeinrichtung ist besonders geeignet, um die Kontaktpositionen mehrerer Relais gemeinsam zu detektieren.
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Die Bezeichnungen „erste(r)“, „zweite(r)“ in Verbindung mit Relais, Leitungen, Mikrocontrollern, Nulldurchgangs-Detektionsschaltungen, Impulssignalen usw. dienen allein der sprachlichen Unterscheidung, sie implizieren keine Nummerierung, Reihenfolge, Priorität oder dergleichen.
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Die beiden Relais sind aus den oben genannten Gründen vorzugsweise jeweils als Schließer ausgebildet, bei dem der entsprechende Arbeitskontakt ein NO-Kontakt ist, der geöffnet ist, wenn das Relais nicht erregt ist, und geschlossen andernfalls. Ein Leistungsaustausch zwischen dem Netzanschluss und der Last, d.h. dem Energiespeicher, findet somit nur im erregten Zustand der Relais statt.
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Vorzugsweise umfasst die Prüfeinrichtung eine erste Nulldurchgangs-Detektionsschaltung und eine zweite Nulldurchgangs-Detektionsschaltung, die entsprechend dem ersten Relais und dem zweiten Relais zugeordnet sind, wobei die erste Nulldurchgangs-Detektionsschaltung eingerichtet ist, um den Nulldurchgang einer Phase am Arbeitskontakt des ersten Relais zu detektieren, und die zweite Nulldurchgangs-Detektionsschaltung eingerichtet ist, um den Nulldurchgang einer Phase am Arbeitskontakt des zweiten Relais zu detektieren. Die Prüfeinrichtung bietet so eine ressourcenschonende und kostengünstige Möglichkeit, die Kontaktzustände mehrerer Relais im Hauptstrompfad der Ladevorrichtung zu ermitteln. Etwaige Mikrocontroller-Ressourcen werden geschont, da die Kontaktprüfung vollständig im Tasksystem durchführbar ist und somit beispielsweise kein Interrupt (Pin) erforderlich ist. Ferner können die analysierten Phasen mehrerer Relais miteinander in Beziehung gesetzt werden, um weitere Informationen über deren Kontaktzustände und/oder die am Netzanschluss vorliegende Netzkonfiguration zu ermitteln.
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Vorzugsweise umfasst die erste Nulldurchgangs-Detektionsschaltung einen mit dem Mikrocontroller elektrisch verbundenen Komparator, wobei der Komparator der ersten Nulldurchgangs-Detektionsschaltung eingerichtet ist, um ein erstes Impulssignal aus der am Arbeitskontakt des ersten Relais anliegenden Phase zu generieren und an den Mikrocontroller zu senden, wobei das erste Impulssignal einen auf einem HIGH-Potential befindlichen Impuls aufweist, wenn die Phase am Arbeitskontakt des ersten Relais einen Schwellwert übersteigt, und andernfalls ein LOW-Potential annimmt. Vorzugsweise umfasst auch die zweite Nulldurchgangs-Detektionsschaltung einen mit dem Mikrocontroller elektrisch verbundenen Komparator, wobei der Komparator der zweiten Nulldurchgangs-Detektionsschaltung eingerichtet ist, um ein zweites Impulssignal aus der am Arbeitskontakt des zweiten Relais anliegenden Phase zu generieren und an den Mikrocontroller zu senden, wobei das zweite Impulssignal einen auf einem HIGH-Potential befindlichen Impuls aufweist, wenn die Phase am Arbeitskontakt des zweiten Relais einen Schwellwert übersteigt, und andernfalls ein LOW-Potential annimmt. Durch eine solche „Digitalisierung“ der Phasen an den entsprechenden Relais-Arbeitskontakten kann die Kontaktprüfung durch den Mikrocontroller vereinfacht werden, insbesondere kann die Weiterverarbeitung der Impulssignale und Ableitung der Relais-Kontaktzustände softwaregestützt erfolgen.
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Auch wenn vorstehend von einem Mikrocontroller die Rede ist, der beide Impulssignale verarbeitet, so können auch mehrere Mikrocontroller angewendet werden. Beispielsweise können zwei Mikrocontroller installiert sein, die entsprechend mit dem Komparator der ersten Nulldurchgangs-Detektionsschaltung und dem Komparator der zweiten Nulldurchgangs-Detektionsschaltung verbunden sind und zur Auswertung des ersten Impulssignals durch den einen und des zweiten Impulssignals durch den anderen Mikrocontroller eingerichtet sind. Diese beiden Mikrocontroller sind von den weiter unten beschriebenen ersten und zweiten Mikrocontrollern der Testimpuls-Detektionsschaltung zu unterscheiden.
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Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung eingerichtet, um aus einer Exklusiv-Oder-Verknüpfung des ersten Impulssignals und des zweiten Impulssignals ein XOR-Signal zu berechnen, wodurch eine Phasenbeziehung zwischen jenen den beiden Impulssignalen zugrundeliegenden Phasen an den entsprechenden Arbeitskontakten des ersten und zweiten Relais und somit ein Schaltzustand der Relais ableitbar sind. Das XOR-Signal wird vorzugsweise vom Mikrocontroller auf Basis einer Software berechnet. Allerdings kann die Berechnung auch mittels eines Exklusiv-Oder-Gatters, d.h. auf Hardwarebasis erfolgen.
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Bei gleichphasigen Impulssignalen liefert das XOR stets LOW. Bei gegenphasigen Impulssignalen liefert das XOR stets HIGH. Alle anderen Phasenlagen erzeugen einen Wechsel aus LOW und HIGH, die wie nachstehend beschrieben beispielsweise über einen zeitlichen Mittelwert ausgewertet werden können. Eine eventuelle Überlagerung der von den Komparatoren erzeugten Impulse, insbesondere in einem Drehstromnetz, spielt für die Auswertung mithilfe der XOR-Funktion somit keine Rolle.
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Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung eingerichtet, um einen zeitlichen Mittelwert des ersten Impulssignals und einen zeitlichen Mittelwert des zweiten Impulssignals zu berechnen. Daraus sind unmittelbar ein oder mehrere Schaltzustände der Relais ableitbar. Denn auch wenn die Abtastung der Signale asynchron stattfindet, d.h. nicht definierbar ist, wie sich die Potentiale LOW und HIGH genau abwechseln, so steht jedoch das Verhältnis zwischen LOW und HIGH fest. Dieses Verhältnis kann über einen Mittelwert des entsprechenden Impulssignals ermittelt werden. Ein Mittelwert von 0,5 entspricht hierbei beispielsweise einem Verhältnis von 1:1. Abhängig ist das Verhältnis nur von den Schwellwerten der impuls-generierenden Schaltung.
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Vorzugsweise umfasst die Prüfeinrichtung eine Testimpuls-Detektionsschaltung, die eingerichtet ist, um den Kontaktzustand des ersten oder zweiten Relais zu ermitteln, wenn die entsprechende erste oder zweite Leitung ein Neutralleiter ist, d.h. keine Phase sondern beispielsweise das GND-Potential trägt. Die Testimpuls-Detektionsschaltung erlaubt eine Kontaktpositionsprüfung im Ein-Phasen-Betrieb, bei dem an der ersten oder zweiten Leitung keine Phase anliegt.
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Vorzugsweise weist die Testimpuls-Detektionsschaltung auf: einen Transistor, vorzugsweise als NMOS ausgebildet; einen an den Transistor angeschlossenen Widerstand; einen ersten Mikrocontroller, der eingerichtet ist, um den Gate-Anschluss des Transistors zu steuern; und einen zweiten Mikrocontroller, der eingerichtet ist, um den Spannungsabfall am Widerstand zu detektieren. Der erste Mikrocontroller ist hierbei eingerichtet, um zu vorgegebenen Zeiten, insbesondere in regelmäßigen Zeitintervallen, einen Testimpuls zu generieren, wobei dabei der Transistor öffnet und über dem Widerstand ein Spannungsabfall entsteht, der vom zweiten Mikrocontroller zur Ermittlung des Kontaktzustands des entsprechenden Relais auswertbar ist.
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Der vom zweiten Mikrocontroller gemessene Spannungswert wird unterschiedlich ausfallen, abhängig davon, ob der Arbeitskontakt des entsprechenden Relais hochohmig ist (d.h. das Relais ist geöffnet) oder GND-Potential hat (d.h. das Relais ist geschlossen). Auf diese Weise erlaubt die Testimpuls-Detektionsschaltung auf baulich einfache und zuverlässige Weise eine Kontaktpositionsprüfung im Ein-Phasen-Betrieb. Vorzugsweise ist die Testimpuls-Detektionsschaltung an den Arbeitskontakt des zweiten Relais angebunden.
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Vorzugsweise umfasst die Prüfeinrichtung eine Phasen-Amplitude-Detektionsschaltung, die einen Mikrocontroller aufweist und eingerichtet ist, um die Phasen-Amplituden der ersten und zweiten Leitung zu detektieren und über den Mikrocontroller der Phasen-Amplitude-Detektionsschaltung auszuwerten. Hierbei ist die Phasen-Amplitude-Detektionsschaltung vorzugsweise eingerichtet, um einen Ein-Phasen-Betrieb am Netzanschluss zu erkennen, wenn nur eine Sinus-Halbwelle innerhalb einer Periode der Phase an der ersten oder zweiten Leitung ermittelt wird. Auf diese Weise kann die Prüfeinrichtung auf baulich einfache und zuverlässige Weise eine automatische Fallunterscheidung zwischen einem Ein-Phasen-Betrieb und einem Zwei-Phasen-Betrieb des Netzanschlusses vornehmen.
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Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung eingerichtet, um einen Zwei-Phasen-Betrieb und Ein-Phasen-Betrieb am Netzanschluss zu erkennen. Weiterhin kann die Prüfeinrichtung eingerichtet sein, um im Fall eines Zwei-Phasen-Betriebs zwischen einem Betrieb mit gegenläufigen Phasen und einem Betrieb mit einer Phasenverschiebung ungleich 180°, vorzugsweise 120°, zu unterscheiden. Auf diese Weise ist die Ladevorrichtung mit einer Prüfeinrichtung gemäß dem oben dargelegten Aufbau besonders flexibel in unterschiedlichen Netzkonfigurationen anwendbar.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.
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Figurenliste
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ladevorrichtung mit Relais im Hauptstrompfad und einer Prüfeinrichtung zur Überprüfung von Kontaktpositionen an den Relais;
- 2a ein Schaltbild einer Single-Phase-Three-Wire-Netzkonfiguration;
- 2b ein Schaltbild einer Three-Phase-Four-Wire-Netzkonfiguration;
- 3 ein Schaltbild für eine Nulldurchgangs-Detektionsschaltung der Prüfeinrichtung zur Überprüfung von Kontaktpositionen an den Relais;
- 4 ein Schaltbild zur Bestimmung der Netzkonfiguration über eine Messung der Phasen-Amplitude;
- 5 ein Schaltbild zur Überprüfung von Kontaktpositionen an einem Relais in einem Neutralleiter;
- 6 ein Schaltbild zur Überprüfung von Kontaktpositionen an den Relais bei einem Zwei-Phasen Betrieb;
- 7 ein Diagramm, das die Phasen und von Komparatoren generierten Impulse für verschiedene Relaiszustände in einem gegenphasigen Stromnetz zeigt; und
- 8 ein Diagramm, das die Phasen und von Komparatoren generierten Impulse für verschiedene Relaiszustände in einem Drehstromnetz zeigt.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanz zu vermeiden.
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Die 1 ist eine schematische Ansicht einer Ladevorrichtung 1 mit einem ersten Relais 20 und einem zweiten Relais 30 in einem Hauptstrompfad 10, der eine erste Leitung 11 und eine zweite Leitung 12 umfasst, und einer Prüfeinrichtung 40 zur Überprüfung von Kontaktpositionen an den Relais 20, 30.
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Die Ladevorrichtung 1 fungiert als Schnittstelle zwischen einem schematisch dargestellten und vorgelagerten Netzanschluss 2, der eine Wechselspannung bereitstellt, und einem ebenfalls schematisch dargestellten elektrischen Energiespeicher 3, der über die Ladevorrichtung 1 geladen und/oder entladen werden kann. Zu diesem Zweck wird die Ladevorrichtung 1 so an den Netzanschluss 2 angeschlossen, dass die erste und zweite Leitung 11, 12 mit je einer Phase oder die erste Leitung 11 mit einer Phase und die zweite Leitung 12 mit dem Neutralleiter, sofern vorhanden, verbunden sind. Der Energiespeicher 3 ist vorzugsweise eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
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Die Leistungsversorgung über den Netzanschluss 2 erfolgt aus einem zumeist standardisierten Netz, wie etwa dem europäischen oder amerikanischen Stromnetz, wobei die Ladevorrichtung 1 vorzugsweise eingerichtet ist, um auf flexible Weise in verschiedenen Netzkonfigurationen betrieben zu werden, insbesondere eine Überprüfung der Relais-Kontaktpositionen in verschiedenen Netz- und Anschlusskonfigurationen vornehmen zu können.
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Beispielhaft seien im Weiteren zwei im nordamerikanischen Raum übliche Netzkonfigurationen genannt, für welche die Ladevorrichtung 1 eingerichtet sein kann. Es sei darauf hingewiesen, dass diesbezüglich keine Einschränkung besteht, da die hierin beschriebenen technischen Lösungen auch für andere Netzkonfigurationen anwendbar sind, beispielsweise für das europäische Stromnetz.
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Die 2a zeigt eine Netzkonfiguration, die unter den Bezeichnungen „Single-Phase-Three-Wire“, „Edison system“, „Split-Phase“ und „center-tapped-neutral“ bekannt ist. Sie umfasst zwei Phasenleiter L1 und L2, die um 180° versetzte Phasen führen, sowie einen Neutralleiter N. Das Potential zwischen L1 und N sowie L2 und N beträgt beispielsweise 120 V.
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Die 2b zeigt eine Netzkonfiguration, die unter der Bezeichnung „Three-Phase-Four-Wire“ oder „Drehstromnetz“ bekannt ist. Sie umfasst drei Phasenleiter L1, L2 und L3, die um 120° versetzte Phasen führen, sowie einen Neutralleiter N. Die Spannungsdifferenz zwischen jedem der Phasenleiter L1, L2, L3 und dem Neutralleiter N beträgt beispielsweise 230V.
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Ist die Ladevorrichtung 1 an eine dieser beispielhaft genannten Netzkonfigurationen angeschlossen, so stehen a) entweder beide Leitungen 11, 12 mit Phasenleitern L1, L2, L3 in Kontakt, oder b) eine der beiden Leitungen 11, 12 steht mit dem Neutralleiter N in Kontakt, während die andere Leitung 11, 12 mit einem der Phasenleiter L1, L2, L3 in Kontakt steht. Der Fall a) sei im Weiteren als „Zwei-Phasen-Betrieb“ bezeichnet, und der Fall b) sei als „Ein-Phasen-Betrieb“ bezeichnet, wobei zur Vereinfachung der Beschreibung und ohne Einschränkung in der nachfolgenden Beschreibung angenommen sei, dass der Neutralleiter N an die zweite Leitung 12 angeschlossen ist. Der Fall a) wiederum umfasst die Fälle a1), die Phasen sind um 180° versetzt (vgl. Netzkonfiguration der 2a), und a2), die Phasen sind um einen von 180° abweichenden Betrag, beispielsweise um 120° (vgl. Drehstromnetz der 2b), verschoben.
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Zurückkommend auf die 1 umfassen die Relais 20, 30 jeweils einen Arbeitskontakt 21, 31, deren Spannungspegel von der Prüfeinrichtung 40 zur Überprüfung der Kontaktzustände ausgewertet werden. Die Arbeitskontakte 21, 31 sind vorzugsweise NO-Kontakte („normally open“), d.h. die Relais 20, 30 sind vorzugsweise von der Bauart eines „Schließers“, bei dem der NO-Kontakt 21, 31 geöffnet ist, wenn das Relais nicht erregt ist, somit den Hauptstrompfad 10 in der Ruhestellung unterbricht. Die Prüfeinrichtung 40 ist eingerichtet, um zumindest einen der oben genannten Fälle, vorzugsweise jedoch mehrere davon abzudecken.
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Zu diesem Zweck kann die Prüfeinrichtung 40 eine Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 41 umfassen, vgl. 3, mit deren Hilfe ein Nulldurchgang der Phase am entsprechenden Arbeitskontakt 21, 31 detektierbar ist. So kann beispielsweise der Mittelpunkt einer steigenden Flanke einer sinusförmigen Phase an der ersten Leitung 11 und gegebenenfalls der zweiten Leitung 12 („0-Crossing Point“) mittels eines Mikrocontrollers 42 detektiert werden. Die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 41 kann ferner eingerichtet sein, um die Netzfrequenz zu ermitteln. Eine solche Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 41 kommt sowohl im Ein-Phasen-Betrieb als auch im Zwei-Phasen-Betrieb zur Anwendung.
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Die 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 41 für die Prüfeinrichtung 40. Die Nulldurchgangs-Detektionsschaltung 41 greift die Phase beispielsweise am Arbeitskontakt 21 ab, die von einem Komparator 41a in einen digitalen Impuls umgewandelt wird und so vom Mikrocontroller 42 auswertbar ist. Übersteigt die Phase am Arbeitskontakt 21 des entsprechenden Relais 20 einen Schwellwert, generiert der Komparator 41a einen Impuls, so dass dem Mikrocontroller 42 vom Komparator 41a ein im Wesentlichen rechteckförmiges Impulssignal zugeführt wird, das einen aus zwei Zuständen - HIGH oder LOW - annehmen kann.
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Auf diese Weise können beispielsweise der Nullpunkt der Phase auf der Leitung 11 und die Netzfrequenz bestimmt und nach der Digitalisierung mithilfe von Software ausgewertet werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine Digitalisierung der Phase(n) nicht unbedingt erforderlich ist, da die Auswertung prinzipiell auch analog durchführbar ist.
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Nachdem der Nullpunkt der Phase auf der Leitung 11 und die Netzfrequenz bekannt sind („0-Crossing Check“), ist eine Messung der Phasen-Amplitude über die Schaltung gemäß einer Phasen-Amplitude-Detektionsschaltung 48 gemäß der 4 möglich. Die Phasen-Amplitude-Detektionsschaltung 48 empfängt die Phasen der Leitungen 11 und 12, die von einem Mikrocontroller 48a ausgewertet werden. Wird dabei nur eine Sinus-Halbwelle innerhalb der Periode ermittelt, wird die Netzkonfiguration als Ein-Phasen-Betrieb erkannt. Die Fallunterscheidung zwischen Ein-Phasen-Betrieb und Zwei-Phasen-Betrieb kann jedoch auch auf andere Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch eine manuelle Einstellung an der Ladevorrichtung 1.
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Im Ein-Phasen-Betrieb liegt an der zweiten Leitung 12 keine Phase an, vielmehr fungiert die Leitung 12 in diesem Fall als Neutralleiter. Eine Phasenmessung ist daher nicht möglich. Um die Kontaktzustände des entsprechenden Relais 30 zu ermitteln kann eine Testimpuls-Detektionsschaltung 43 gemäß der 5 angewendet werden.
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Die Testimpuls-Detektionsschaltung 43 der 5 weist einen ersten Mikrocontroller 43a auf, der den Gate-Anschluss eines Transistors 43b, der vorzugsweise ein NMOS ist, steuert. Zu vorgegebenen Zeiten generiert der Mikrocontroller 43a einen kurzen Testimpuls. Dabei wird der Transistor 43b geöffnet, und über einem Widerstand 43c entsteht ein Spannungsabfall, der von einem zweiten Mikrocontroller 43d ausgewertet werden kann.
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Der vom zweiten Mikrocontroller 43d gemessene Spannungswert wird unterschiedlich ausfallen, abhängig davon, ob der Arbeitskontakt 31 des Relais 30 hochohmig ist (d.h. das Relais 30 ist geöffnet) oder GND-Potential hat (d.h. das Relais 30 ist geschlossen).
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Die Messung der Phase auf dem Arbeitskontakt 21 des Relais 20 der ersten Leitung 11 erfolgt dagegen über einen Komparator, beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 oder wie nachstehend für den Fall des Zwei-Phasen-Betriebs beschrieben. Es wird somit ein Plausibilitätscheck durchgeführt, ob die Messung den erwarteten Relais-Zustand widerspiegelt. Im Fehlerfall kann beispielsweise eine optische Fehlermeldung ausgegeben werden, und der Ladevorgang wird gegebenenfalls unterbrochen.
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Wird ein Zwei-Phasen-Betrieb festgestellt, beispielsweise über eine Messung der Phasen-Amplitude gemäß der Schaltung der 4, so können die Arbeitskontakte 21, 31 der Relais 20, 30 über entsprechende Nulldurchgangs-Detektionsschaltungen 44, 45 mit jeweiligen Komparatoren 44a, 45a und Mikrocontrollern 46, 47 ausgewertet werden, wie in der 6 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Mikrocontroller 46, 47 und deren Funktionalität auch durch einen einzigen Mikrocontroller realisierbar sind. Analog zur Schaltung der 3 generieren die Komparatoren 44a, 45a jeweils einen Impuls auf einem Potential HIGH beim Überschreiten eines Schwellwertes der Phasen an den Arbeitskontakten 21, 31 der entsprechenden Relais 20, 30, die von den zugehörigen Mikrocontrollern 46, 47 gegebenenfalls unter Verwendung geeigneter Software ausgewertet werden können.
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Die Nulldurchgangs-Detektionsschaltungen 44, 45 gemäß der 6 eignen sich nicht für den Fall des Ein-Phasen-Betriebs, da die Phase am Arbeitskontakt 31 des zweiten Relais 30 entweder hochohmig ist oder GND Potential hat, weshalb der Komparator 45a in diesem Fall nie ausgelöst wird und sein Ausgang in allen Zuständen des Relais 30 auf dem Potential LOW bleibt.
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Für die weitere Auswertung der Kontaktzustände der Relais 20, 30 sei auf die oben genannte Fallunterscheidung a1) und a2) Bezug genommen.
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Bei einer Phasenverschiebung der Leitungen 11 und 12 um 180°, wie sie in einem üblichen Stromnetz (Split-Phase-Betrieb) auftreten, liegen die Phasen in Gegenphase. Die 7 ist ein Diagramm, das beispielhafte Phasen P21 und P31 an den Arbeitskontakten 21, 31 der entsprechenden Relais 20, 30 für verschiedene Relaiszustände in einem gegenphasigen Stromnetz als Funktion der Zeit zeigt. In Zeitintervallen Tg befinden sich gemäß diesem Beispiel beide Relais 20, 30 im erregten, geschlossenen Zustand, d.h. die Leistung wird an die Last übertragen, und in den Zeitintervallen To befinden sich die Relais 20, 30 im geöffneten Zustand, in dem die Leistungszufuhr unterbrochen ist. Ferner sind in die 7 die von den Komparatoren 44a, 45a generierten Impulssignale D1, D2 eingezeichnet.
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Aus der 7 geht hervor, dass die von den Komparatoren 44a, 45a generierten Impulssignale D1, D2 (zeitlich) voneinander getrennt sind, wodurch sie von den Mikrocontrollern 46, 47 einfach ausgewertet werden können, beispielsweise durch individuelle Mittelwertbildung.
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In einem Drehstromnetz, d.h. einem Drei-Phasen-Betrieb gemäß dem Fall a2), ist die Auswertung komplexer, da die einzelnen Phasen 120° zueinander verschoben sind und die von den Komparatoren 44a, 45 generierten Impulssignale D1, D2 sich daher überlagern können, wie es aus der 8 hervorgeht.
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Die 8, analog zur 7, ist ein Diagramm, das zwei beispielhafte Phasen P21 und P31 an den Arbeitskontakten 21, 31 der entsprechenden Relais 20, 30 für verschiedene Relaiszustände in einem Drehstromnetz als Funktion der Zeit zeigt. In Zeitintervallen Tg befinden sich gemäß diesem Beispiel beide Relais 20, 30 im erregten, geschlossenen Zustand, d.h. die Leistung wird an die Last übertragen, und in den Zeitintervallen To befinden sich die Relais 20, 30 im geöffneten Zustand, in dem die Leistungszufuhr unterbrochen ist. Ferner sind in die 8 die von den Komparatoren 44a, 45a generierten Impulssignale D1, D2 eingezeichnet.
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Aus der 8 geht hervor, dass sich die Impulssignale D1 und D2 in den Zeitintervallen Tg überlagern, wobei für die Auswertung der Phasenwinkel folgende Fälle zu unterscheiden sind: i) Beide Relais 20, 30 sind offen; ii) Beide Relais 20, 30 sind geschlossen; iii) Eines der Relais 20 oder 30 ist offen, das andere Relais 20, 30 ist geschlossen, wobei deren Ausgänge (Arbeitskontakte 21, 31) nicht verbunden sind; iv) Eines der Relais 20 oder 30 ist offen, das andere Relais 20, 30 ist geschlossen, wobei deren Ausgänge (Arbeitskontakte 21, 31) verbunden sind.
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Die Auswertung der Fälle kann von den Mikrocontrollern 46, 47 (oder einem gemeinsamen Mikrocontroller) unter Verwendung geeigneter Software durchgeführt werden.
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Im Fall i) werden von den Komparatoren 44a, 45a keine Impulssignale D1, D2 generiert, deren Ausgangspotential liegt auf LOW. Im Fall ii) werden von beiden Komparatoren 44a, 45a Impulssignale D1, D2 mit Impulsen auf HIGH-Potential generiert, entsprechend den Spannungen vor den Relais 20, 30 (insbesondere bezüglich der Phasenlage). Im Fall iii) werden vom Komparator 44a beziehungsweise 45a des offenen Relais 20 oder 30 keine Impulssignale D1, D2 erzeugt, der andere Komparator 44a beziehungsweise 45a, der dem geschlossenen Relais 20 oder 30 entspricht, erzeugt Impulssignale D1, D2 entsprechend der anliegenden Phase. Im Fall iv) liegt an beiden Relais 20, 30 die Spannung des geschlossenen Relais 20 oder 30 phasengleich an.
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Die ersten drei Fälle i), ii) und iii) sind ohne weiteres zu unterscheiden, indem die Mikrocontroller 46, 47 überprüfen, ob an beiden Relais 20, 30 Impulse gemessen werden können. Dafür werden die von den Komparatoren 44a, 45a generierten Impulssignale beider Relais 20, 30 zyklisch abgetastet, vorzugsweise mit einer Frequenz größer oder gleich dem Zweifachen der Netzfrequenz. Ist das Relais 20 offen, wird das zugehörige Impulssignal D1 immer LOW sein, anderenfalls wird es zwischen LOW und HIGH wechseln. Dies gilt gleichermaßen für das zweite Relais 30 und das zugehörige Impulssignal D2.
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Da die Abtastung im einfachsten Fall asynchron stattfindet, ist nicht definierbar, wie sich die Potentiale LOW und HIGH genau abwechseln. Fest steht jedoch das Verhältnis zwischen LOW und HIGH, d.h. zwischen den „Nullen“ und „Einsen“. Dieses Verhältnis kann über einen Mittelwert des jeweiligen Impulssignals D1, D2 ermittelt werden. Ein Mittelwert von 0,5 entspricht hierbei einem Verhältnis von 1:1. Abhängig ist das Verhältnis nur von den Schwellwerten der impuls-generierenden Schaltung. Schaltet diese stets optimal bei einem Potential LOW von 0 V, so beträgt der Mittelwert beispielsweise 0,5.
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Der vierte Fall iv) lässt sich so aber nicht unterscheiden, da für beide Relais 20, 30 Impulse generiert werden und die Impulssignale D1 und D2 demnach auf zwei geschlossene Relais 20, 30 hindeuten. Der Unterschied zum Fall i) liegt in der Phasenlage zwischen den Impulsen. Ist nur ein Relais 20 oder 30 geschlossen, so sind die Impulse gleichphasig; sind beide Relais 20, 30 geschlossen, so entspricht die Phasenlage der angebundenen Netzkonfiguration, zumeist 180° oder 120°.
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Um die Phasenlage zu erkennen, sind die Mikrocontroller 46, 47 (gegebenenfalls mit geeigneter Software) vorzugsweise eingerichtet, um ein XOR-Signal als Exklusiv-Oder (boolesche Funktion XOR) aus D1 und D2 zu berechnen. Diese Berechnung kann auch mittels eines Exklusiv-Oder-Gatters, d.h. rein auf Hardwarebasis erfolgen. Bei gleichphasigen Impulssignalen D1, D2 liefert das XOR stets LOW. Bei gegenphasigen Impulssignalen D1, D2 liefert das XOR stets HIGH. Alle anderen Phasenlagen erzeugen einen Wechsel aus LOW und HIGH, die wie oben beschrieben über den zeitlichen Mittelwert ausgewertet werden können.
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Eine eventuelle Überlagerung der von den Komparatoren 44a, 45a erzeugten Impulse spielt für die Auswertung mithilfe der XOR-Funktion somit keine Rolle mehr, und alle Kontaktzustände gemäß den Fällen i) bis iv) können sauber voneinander unterschieden werden.
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Die folgende Tabelle 1 fasst die Auswertung der von den Komparatoren 44a, 45a erzeugten Impulssignale D1, D2 für eine Netzkonfiguration mit Phasenlage 180° zusammen, wobei das HIGH-Potential mit dem Wert „1“ und das LOW-Potential mit dem Wert „0“ bezeichnet sind:
| Relais 20 | Relais 30 | Mittelwert D1 | Mittelwert D2 | Mittelwert D1 XOR D2 |
| Offen | Offen | 0 | 0 | 0 |
| Geschlossen | Geschlossen | 0,5 | 0,5 | 1 |
| Offen | Geschlossen | 0 | 0,5 | 0,5 |
| Offen (verbunden mit Relais 30) | Geschlossen | 0,5 | 0,5 | 0 |
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Die vorstehend dargelegten Ausführungsformen der Prüfeinrichtung 40 für eine Ladevorrichtung 1 bieten eine ressourcenschonende und kostengünstige Möglichkeit, die Kontaktzustände von Relais 20, 30 in einem Hauptstrompfad 10 der Ladevorrichtung 1 zu ermitteln. Dies gilt insbesondere für Starkstrom-Relais 20, 30, die oft keine Mirror-Kontakte und/oder keine NC-Kontakte aufweisen. Dies erleichtert die Auswahl passender Relais 20, 30 in der Ladevorrichtung 1. Mikrocontroller-Ressourcen werden geschont, da die Kontaktprüfung vollständig im Tasksystem durchführbar ist und somit beispielsweise kein Interrupt (Pin) erforderlich ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Schaltbildern angegebenen elektrischen Schaltzeichen und deren Bezeichnungen, Spannungen beziehungsweise Potentialdifferenzen lediglich beispielhaft sind. Eine Einschränkung darauf besteht nicht, da die vorstehend dargelegten Funktionen sowohl mit anderen Werten als auch abgewandelten Schaltungen realisierbar sind.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ladevorrichtung
- 2
- Netzanschluss
- 3
- Elektrischer Energiespeicher
- 10
- Hauptstrompfad
- 11
- Erste Leitung
- 12
- Zweite Leitung
- 20
- Erstes Relais
- 21
- Arbeitskontakt
- 30
- Zweites Relais
- 31
- Arbeitskontakt
- 40
- Prüfeinrichtung
- 41
- Nulldurchgangs-Detektionsschaltung
- 41a
- Komparator
- 42
- Mikrocontroller
- 43
- Testimpuls-Detektionsschaltung
- 43a
- Erster Mikrocontroller
- 43b
- Transistor
- 43c
- Widerstand
- 43d
- Zweiter Mikrocontroller
- 44
- Erste Nulldurchgangs-Detektionsschaltung
- 44a
- Komparator
- 45
- Zweite Nulldurchgangs-Detektionsschaltung
- 45a
- Komparator
- 46
- Mikrocontroller
- 47
- Mikrocontroller
- 48
- Phasen-Amplitude-Detektionsschaltung
- 48a
- Mikrocontroller
- L1
- Phasenleiter
- L2
- Phasenleiter
- L3
- Phasenleiter
- N
- Neutralleiter
- P21
- Phase am Arbeitskontakt 21
- P31
- Phase am Arbeitskontakt 31
- D1
- Erstes Impulssignal
- D2
- Zweites Impulssignal
- Tg
- Zeitintervall geschlossen
- To
- Zeitintervall offen
