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Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filter für elektromagnetische Interferenzen (EMI).
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Verwandter Stand der Technik
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Elektrische Systeme in Fahrzeugen und in der Industrie werden immer komplexer und umfassen immer mehr Teile, die elektromagnetische Interferenzen erzeugen oder von diesen gestört werden können. Wechselstrom- (AC-) Elektromotoren werden z.B. von elektronischen Invertern angetrieben, die die Motordrehzahl und das Drehmoment durch Erzeugen einer Wellenform mit variablen Frequenzen und Spannungen steuern. Diese Systeme bieten einen hohen Wirkungsgrad, erzeugen aber ein starkes elektromagnetisches Rauschen.
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Manchmal werden auch andere Arten von Elektromotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrom- (DC-) Motoren verwendet, und einige Motoren werden durch Erzeugen von Trapezwellen oder durch Gleichstrom- (DC/DC-) Wandler gesteuert.
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Schaltleistungswandler werden zum Antrieb von Elektromotoren in Elektrofahrzeugen und in Hybridelektrofahrzeugen sowie in unzähligen Anwendungen wie dem Antrieb von stationären Motoren, Batterieladegeräten, Photovoltaikanlagen, Beleuchtungsregelung, Hochleistungscomputern und vielen anderen Anwendungen eingesetzt. In all diesen Fällen ist der Schaltvorgang des Wandlers eine Quelle für elektromagnetisches Rauschen, das durch EMI-Filter abgeschwächt werden muss.
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US 20180269781 A1 offenbart beispielsweise ein solches Leistungsfilter, das für eine Kraftfahrzeuganwendung konzipiert ist.
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EMI-Filter, Inverter und leistungselektronische Systeme enthalten immer auch Blindelemente, die Energie beispielsweise als Restladung in Kondensatoren speichern können. Aus Sicherheitsgründen und aufgrund vieler technischer Normen muss das Filter Ableitelemente umfassen, beispielsweise Ableitwiderstände, die eine spontane Entladung der gespeicherten Energie bewirken. Um Energieverluste zu begrenzen, werden die Ohmwerte des Ableitwiderstandes jedoch so hoch wie möglich gewählt, und die Entladung erfolgt eher langsam.
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Das Fortbestehen von Restenergie in elektronischen Einrichtungen kann die Ursache für verschiedene Probleme sein. In Elektrofahrzeugen verbindet ein Hochspannungs- (HV-) DC-Bus den Akkupack mit Hochspannungskomponenten wie beispielsweise dem Motorantriebssystem. Der HVDC-Bus muss zu bestimmten Zeiten entladen werden. So muss in einigen Fahrzeugen der HVDC-Bus nach einem Key-Off-Ereignis innerhalb einer bestimmten Zeit auf ein sicheres Niveau, z.B. unter 60 V, entladen werden. Ungeachtet der Sicherheitserwägungen kann Restenergie in elektronischen Einrichtungen in vielerlei Hinsicht schädlich sein. Zum Beispiel können mehrere fortschrittliche Antriebssysteme transiente Ausfallarten aufweisen, die mit einem Mittel zum schnellen Ableiten der Restenergie besser gehandhabt werden könnten.
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US7944161 offenbart ein Antriebssystem mit einem Zwischenkreis und einem Inverter zum Antreiben eines Wechselstrommotors, wobei der Inverter so konfiguriert ist, dass er den Zwischenkreis auf Anforderung entlädt, indem er Brummströme in die Wicklungen des Motors einspeist.
US9018865 offenbart einen aktiven Entladewiderstand für ein Elektrofahrzeug.
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Einen weiteren Fall, in dem die Fähigkeit, Energie schnell abzubauen, wünschenswert sein kann, stellt die Nutzbremsung dar. Diese Methode wird sowohl in Elektrofahrzeugen als auch in stationären Anwendungen (beispielsweise in Aufzügen) eingesetzt und besteht darin, einen Wechselstrommotor als Generator zu verwenden und die von diesem erzeugte elektrische Energie in eine Speichereinrichtung zu leiten. Auf diese Weise wird ein Bremsmoment erzeugt.
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Wenn die Speichereinrichtung in einem Nutzbremssystem ihre maximale Kapazität erreicht, oder im Falle einer Störung, muss die vom Motor erzeugte Energie auf andere Weise abgeführt werden, um das Bremsmoment zu erhalten. Es ist bekannt, in diesen Fällen einen Bremswiderstand zu verwenden. Bremswiderstände sind jedoch sperrig, teuer und benötigen erhebliche Kühlung, um zu funktionieren.
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Die mit der Restenergie in elektronischen Einrichtungen verbundenen Probleme sind nicht auf Motorantriebssysteme in Fahrzeugen beschränkt, sondern treten in vielen Leistungsanwendungen auf, und die Erfindung kann auf das Laden von Batterien und verschiedene andere Gebiete angewendet werden.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung bereitzustellen, die die Mängel und Einschränkungen des Standes der Technik überwindet.
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Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch den Gegenstand der beiliegenden Ansprüche gelöst, insbesondere durch ein Filter für ein elektrisches Gleichstromnetz, umfassend positive und negative Eingangsanschlüsse sowie positive und negative Ausgangsanschlüsse zum Anschließen des Filters an eine Gleichstromleitung, eine Filterschaltung, die zum Herausfiltern einer Rauschkomponente auf der Gleichstromleitung eingerichtet ist, gekennzeichnet durch einen Leistungswiderstand in dem Filter, der wahlweise zwischen einem positiven Eingangs- oder Ausgangsanschluss und einem negativen Eingangs- oder Ausgangsanschluss anschließbar ist.
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Die Merkmale der abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte oder bevorzugte Varianten, sind jedoch nicht wesentlich. Sie umfassen einen Wärmeableiter oder eine Wärmesenke, der bzw. die in thermischem Kontakt mit dem Leistungswiderstand steht, entweder direkt oder durch ein metallisches Gehäuse des Filters oder durch eine Sammelschiene. Bevorzugt ist zwischen dem Leistungswiderstand und dem Wärmeableiter bzw. der Wärmesenke ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste platziert, um den Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen diesen zu verbessern. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da sie vorhandene Elemente nutzt, um einen hervorragenden Wärmeableitungspfad zum aktiven Entladewiderstand zu schaffen. Das erfindungsgemäße Filter kann auch einen geerdeten Schutzleiter umfassen, der elektrisch äquipotential mit dem Metallgehäuse sein kann.
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Die Erfindung umfasst auch Varianten, in denen der Leistungswiderstand mit einem gesteuerten Schalter verbunden ist, der in das Filter integriert oder eine externe Komponente sein kann. Im ersteren Fall weist das Filter einen Entladungssignalanschluss auf, der beispielsweise einen logischen Pegel von einer Steuereinheit entgegennimmt und eine Entladung des Gleichstrombusses bestimmt, an dem das Filter angeschlossen ist. Im letzteren Fall verfügt das Filter über einen hochstromfähigen Entladeanschluss zum Anschluss an einen externen Schalter.
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Ein beanspruchter Anwendungsfall ist ein solcher, bei dem das Filter an einer Motorantriebseinheit des Elektrofahrzeugs installiert ist und den Gleichstrom-Antriebsstrang am Einspeisungspunkt der Motorantriebseinheit filtert. Bei dieser Variante wird die bei einer Entladung im Widerstand entstehende Verlustleistung einfach über das Gehäuse des Filters oder über die Sammelschienen an das Kühlsystem der Antriebseinheit geleitet.
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Darüber hinaus muss der aktive Entladewiderstand zwischen den positiven und negativen Leiter des Gleichstrombusses geschaltet werden, so wie viele Komponenten des EMI-Filters - zum Beispiel die „X“-Kondensatoren - Daher kann der aktive Entladewiderstand bequem in das EMI-Filter eingebaut werden, ohne dass sich Größe oder Kosten erhöhen, während eine externe Komponente in Installationen, in denen nur wenig Platz zur Verfügung steht, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, schwierig zu platzieren sein kann.
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Der Erfinder hat erkannt, dass, obwohl die Funktionen des EMI-Filters und der Entladungseinrichtung durchaus unterschiedlich sind, ihre Anforderungen kompatibel sind, beispielsweise im Hinblick auf das Wärmemanagement. Die Integration einer aktiven Entladungseinrichtung in das EMI-Filter bietet einen synergetischen Vorteil, der zu Kosten- und Platzeinsparungen führt.
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In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet die Angabe „Hochspannung“ ein Spannungsniveau, das in der Kraftfahrzeugindustrie als hoch angesehen wird, d.h. jede Spannung, die höher ist als die Spannung der Nebenaggregate des Fahrzeugs, z.B. 12 oder 24 V. Gleichspannungen über 60 V werden in Fahrzeugen im Allgemeinen als „Hochspannung“ angesehen. Umgekehrt gelten Gleichspannungsniveaus unter 60 V als „sicher“. In vielen Fahrzeugen hat der HV-Antriebsstrang einen Nennwert zwischen 275 und 800 V, es sind aber auch höhere und niedrigere Werte bekannt.
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Die Bezeichnungen „elektrisch angeschlossen/verbunden“ und „thermisch verbunden“ umfassen in der vorliegenden Offenlegung den Fall zweier direkt verbundener Komponenten sowie Anordnungen, bei denen zwei Elemente über eine dazwischenliegende dritte Komponente elektrische oder thermische Energie austauschen.
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Figurenliste
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung offenbart und durch die Zeichnungen veranschaulicht, wobei:
- 1 schematisch in Einzelliniendarstellung den Schaltkreis eines Elektrofahrzeugs zeigt;
- 2 eine vereinfachte Darstellung eines EMI-Filters für eine Gleichstromleitung ist;
- 3 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem externen Schalter veranschaulicht; und
- 4 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem internen Schalter veranschaulicht.
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
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1 zeigt in stark vereinfachter Form die Hauptkomponenten eines Elektrofahrzeugs. Die für den Antrieb notwendige Energie wird in einem Akkupack 45 gespeichert und kann durch das Ladegerät 45 oder - im Falle eines Hybridfahrzeugs - durch einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor wieder aufgefüllt werden. Der Akkupack 25 ist mit einer Leistungsverteilungseinheit 30 verbunden, die die Leistung auf verschiedene Verbraucher verteilt, z.B. einen Gleichstromwandler 40 zum Erzeugen einer 12V-Spannung für Nebenaggregate (Unterhaltung, Beleuchtung, Bordcomputer usw.) und Wärmepumpen 20 für die Heizung/Klimaanlage. Wichtig ist, dass ein Hochspannungs-Gleichstrombus 15 die Spannung des Akkus an eine Motorantriebseinheit 60 überträgt, die einen Inverter umfasst, der mehrphasige Wechselstromwellenformen erzeugt, die für den elektrischen Fahrmotor 70 geeignet sind. Auf dem Gleichstrombus 15 ist am Versorgungspunkt der Antriebseinheit 60 ein EMI-Filter 50 eingefügt, um das vom Inverter dort erzeugte Rauschen herauszufiltern.
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Die Konfiguration aus 1 ist nur eine der verschiedenen Möglichkeiten und wird lediglich als nicht einschränkendes Beispiel für eine mögliche Verwendung der Erfindung angegeben. Die Erfindung kann in Elektrofahrzeugen verwendet werden, die verschiedene Konfigurationen aufweisen, z. B. in Serien-Hybrid-, Parallel-Hybrid-, Plug-in-Hybrid-Konfigurationen, die nicht dem Schema von 1 entsprechen. Die Erfindung ist auch nicht auf Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt.
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1 zeigt zwei EMI-Filter 50, eines zwischen dem Akku 25 und dem Ladeverbinder 49 und eines auf der Gleichstromseite des Motorantriebs 60. Das erfindungsgemäße EMI-Filter kann auch an anderen Stellen eingesetzt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Sinnvolle Stellen für EMI-Filter sind: nach dem Ladegerät 45, nach dem Akku 25, vor dem Gleichstromwandler 40. Die Ladeeinheit 45 kann ganz oder teilweise nach dem Verbinder 49 installiert werden. Alle diese Varianten sind in dem durch die beiliegenden Ansprüche definierten Umfang der Erfindung enthalten.
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2 zeigt einen möglichen Aufbau des EMI-Filters 50. Das Schaltbild ist vereinfacht, eine industrielle Realisierung eines EMI-Filters a kann deutlich anders aussehen und z.B. neben den stromkompensierten Induktivitäten weitere Induktivitäten, einen Dämpfungswiderstand in Reihe mit den Kondensatoren oder an anderen geeigneten Stellen sowie „Y“-Kondensatoren umfassen. Der vorgestellte Aufbau dient lediglich als nicht einschränkendes Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung.
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Das Filter ist über den positiven und den negativen Eingangsanschluss 91a, 91b auf der Akkuseite und den positiven und negativen Ausgangsanschluss 91b, 92b auf der Verbraucherseite an den Gleichstrombus 15 angeschlossen. Die Angaben „Eingang“ und „Ausgang“ sind rein konventionell und beziehen sich auf die herkömmliche Richtung des Energieflusses vom Akku zum Motor, die aber eigentlich nicht wichtig ist. Im vorgestellten Beispiel ist das Filternetzwerk 51 ein symmetrisches zweistufiges LC-Filter, das bei umgekehrter Funktionsweise genauso funktionieren würde, und ist zur Filterung von Rauschen von und zur Motorantriebseinheit eingerichtet. Je nach Belastbarkeit des Filters können die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse durch gedruckte Leiterbahnen, Kabel, massive leitende Sammelschienen oder andere geeignete Leiter miteinander verbunden sein.
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Das Filter umfasst zum Schutz einen Schutzleiter PE, der bevorzugt mit einem Gehäuse des Filters äquipotential ist.
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Das Filternetzwerk 51 umfasst im Allgemeinen eine Vielzahl von Induktivitäten und Kondensatoren. Im vorgestellten Beispiel sind sie durch zwei stromkompensierte Drosseln L1 und L2, durch die „X“-Kondensatoren C1-C9 dargestellt, die zusammen mit den in der Motorantriebseinheit 60 umfassten Kondensatoren zu der im Gleichstrombus 15 speicherbaren Energie beitragen.
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Das Ableitelement Rx ist im EMI-Filter umfasst, um den Gleichstrombus 15 unter allen Umständen zu entladen, die dies rechtfertigen. Das Ableitelement Rx kann ein Leistungswiderstand oder ein anderes elektrisches Bauteil sein, das in der Lage ist, Leistung abzuführen. Sein Wert wird durch die am Gleichstrombus 15 vorhandene Gesamtkapazität, die gewünschte Zeitkonstante und die Gesamtenergie bestimmt, die bei jeder Entladung abgeführt werden muss, in einer nicht einschränkenden Kraftfahrzeuganwendung kann er jedoch einen Widerstandswert zwischen 1 kΩ und 10 kΩ haben. Ein Anschluss des Widerstands Rx ist mit einem der Eingangs- oder Ausgangsanschlüsse des Gleichstrombusses verbunden, und der Widerstand steht in thermischem Kontakt mit einer Struktur 58, die in der Lage ist, die bei der Entladung erzeugte Wärme abzuleiten oder zu speichern. Je nach Dimensionierung des Schaltkreises kann der Wärmeableiter 58 ein einzelner Heizkörper oder ein metallisches Gehäuse des Filters 50 oder eine Sammelschiene sein. Es ist zu beachten, dass das Ableitelement Rx an die Eingangsseite des Filters 50 angeschlossen sein kann, anstatt wie gezeichnet an die Ausgangsseite, ohne dass sich die Funktion und Wirkung ändert.
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Der Leistungswiderstand Rx ist nicht dauerhaft und direkt mit beiden Anschlüssen über den Gleichstrombus 15 verbunden, sondern es sind Schaltmittel zwischengeschaltet, so dass der Gleichstrombus 15 auf Befehl entladen werden kann. Das Schaltmittel kann ein Transistor, z.B. ein IGBT oder ein Leistungs-MOSFET, ein gesteuerter Gleichrichter, ein elektromechanisches Relais oder ein anderer geeigneter steuerbarer Schalter sein. Die 3 und 4 zeigen zwei mögliche Varianten der Erfindung mit einem externen Schalter 71a bzw. einem internen Schalter 71b.
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In der Variante von 3 ist der Leistungswiderstand Rx mit einem Entladungsanschluss 54a des EMI-Filters 50 verbunden, der für den Entladungsstrom dimensioniert ist, während der externe Schalter 71a intern zwischen dem Entladeanschluss 54a und extern an den negativen Ausgangsanschluss 92b oder umgekehrt angeschlossen ist. Es ist zu beachten, dass der Schalter 71a in einer alternativen Umsetzung mit den Eingangsanschlüssen 92a, 92b verbunden sein könnte.
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In der Variante von 4 ist der Schalter 71b im Filter 50 umfasst, und das Filter hat einen Signalanschluss 54b, der ein Signal, z.B. einen logischen Pegel, entgegennimmt, auf das hin der Schalter 71b aktiviert und der Gleichstrombus entladen wird. In diesem Fall darf der Signalanschluss 71b keine nennenswerten Ströme führen. Das Signal 103 kann von einer ECU 100 oder von jeder geeigneten Logikschaltung erzeugt werden. Der Signalanschluss 54b kann so eingerichtet sein, dass er einen logischen Pegel, einen analogen Pegel, serielle Daten, einen digitalen Bus, einen Lichtwellenleiter oder eine andere geeignete Form der elektronischen Kommunikation akzeptiert.
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In einem besonders wichtigen Anwendungsfall ist das erfindungsgemäße Filter zwischen den Akkupack und die Motorantriebseinheit eines Elektrofahrzeugs geschaltet, wie in 1 dargestellt. Die Motorantriebseinheit 60 kann eine beträchtliche Eingangskapazität aufweisen, und das Filter 50 ist so eingerichtet und dimensioniert, dass es diese Kapazität sowie seine eigenen internen Kapazitäten C1-C9 abführen kann. Das Filter 50 kann an einem metallischen Gehäuse der Motorantriebseinheit befestigt sein, das seinerseits aktiv gekühlt wird, beispielsweise durch ein Flüssigkeitsumlaufsystem. Auf diese Weise werden die thermischen Verluste im Filter und die im Widerstand Rx abgeführte Energie beim Entladen des Gleichstrombusses 15 an die Motorantriebseinheit 60 übertragen und von dieser abgeführt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Bordanwendungen in Fahrzeugen beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle technischen Anwendungen von EMI-Filtern, die die Ableitung von Restenergie erfordern. Mit der Erfindung kann die Restenergie im Ableitelement Rx immer dann abgeführt werden, wenn eine vorbestimmte Triggerbedingung auftritt, beispielsweise wenn ein Verbinder abgezogen oder eine Sicherheitsabdeckung entfernt wird. Das Ableitelement Rx wird so dimensioniert, dass die Spannung im Gleichstromleiter in einer bestimmten Zeit (z.B. 1 s) auf einen sicheren Wert (z.B. unter 60 V) gebracht wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft die Verbesserung der Sicherheit von Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge. Wie in 1 dargestellt, kann ein Elektrofahrzeug einen Verbinder 49 zum Anschließen des Akkus 25 an ein Ladegerät 45 aufweisen, wobei ein EMI-Filter 50 und ein Ladekabel 48 zwischengeschaltet sind.
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Es ist wünschenswert und kann erforderlich sein, dass die Leiter im Kabel 48 innerhalb einer bestimmten Zeit (z.B. 1 s) nach dem Abziehen des Verbinders 49 auf ein sicheres Spannungsniveau (z.B. weniger als 60 V) gebracht werden. Zu diesem Zweck ist die Ladeeinheit mit einem erfindungsgemäßen Filter ausgestattet, entweder mit einem internen Schalter wie in 4 oder mit einem externen wie in 3. Die Ladeeinheit umfasst eine Logikschaltung 100, die so konfiguriert ist, dass sie das Abziehen des Verbinders 49 erkennt und ein Entladungssignal 103 erzeugt, wodurch der Schalter 71a bzw. 71b geschlossen wird, um die Stromleiter 91a, 91b zu entladen.
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Bezugszeichenliste
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- 12
- Zwischenkreis
- 20
- Wärmepumpe
- 25
- Akkupack
- 40
- Gleichstromwandler
- 45
- Ladegerät
- 48
- Ladekabel
- 49
- Verbinder
- 50
- EMI-Filter
- 51
- Filternetzwerk
- 54a
- Entladungsanschluss
- 54b
- Entladungssignalanschluss
- 58
- Wärmeableiter/Wärmesenke
- 60
- Motorantriebseinheit
- 70
- Wechselstrommotor
- 71a
- externer Schalter
- 71b
- interner Schalter
- 91a
- positiver Eingangsanschluss des EMI-Filters
- 91b
- positiver Ausgangsanschluss des EMI-Filters
- 92a
- negativer Eingangsanschluss des EMI-Filters
- 92b
- negativer Ausgangsanschluss des EMI-Filters
- 100
- Logikschaltung, elektronische Steuereinheit
- 103
- Entladungssignal
- C1-C8
- Kondensatoren
- L1-L2
- stromkompensierte Drosseln
- PE
- Schutzleiter
- Rx
- Ableitelement/Leistungswiderstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20180269781 A1 [0005]
- US 7944161 [0008]
- US 9018865 [0008]
