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Die Erfindung betrifft ein Ladegerät nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, ein Ladekabel nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art, ein Ladesystem mit einem solchen Ladegerät und einem solchen Ladekabel sowie ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators mit einem solchen Ladesystem.
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Im Zuge der Elektromobilität werden zunehmend auch Kleinstfahrzeuge wie Fahrräder, Tretroller, Longboards und dergleichen elektrifiziert. Als Energiespeicher verwenden solche Kleinstfahrzeuge typischerweise Sekundärbatterien, also Akkumulatoren. Je nach Hersteller und Modell unterscheiden sich diese Akkumulatoren in ihren geometrischen Abmaßen, Kapazität sowie den elektrischen Eigenschaften, also einer vom Akkumulator beim Entladen bereitstellbaren, beziehungsweise zum Laden erforderlichen Stromstärke, Spannung und elektrischen Leistung.
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Die zum Laden von E-Bike- beziehungsweise Pedelec-Akkumulatoren verwendeten Ladegeräte sind typischerweise zur Verwendung mit dem stationären Stromnetz, also beispielsweise einem 230 Volt oder 110 Volt Netz ausgelegt. Um die Akkumulatoren auch mit dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs laden zu können, wurden Spannungswandler vorgeschlagen, welche zwischen das Bordnetz eines Fahrzeugs und das entsprechende Ladegerät geschaltet werden, um beispielsweise eine Spannung von 12 Volt auf 230 Volt zu wandeln und somit den Akkumulator des E-Bikes zu laden. Diese Lösung ist jedoch ineffektiv, da sich die Verluste des Spannungswandlers und des Ladegeräts addieren.
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Ferner besteht der Bedarf nach einem möglichst flexiblen Ladegerät, mit dessen Hilfe die Akkumulatoren verschiedenster E-Bike Hersteller geladen werden können, um das Vorhalten verschiedener Ladegeräte zu vermeiden.
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Aus
DE 20 2012 006 053 U1 ist ein universelles mobiles Ladegerät für Lithium-Ionen-Akkus von 12 bis 42 Volt bekannt, welches über ein Fahrzeugbordnetz mit Energie versorgt wird. Das Ladegerät ermöglicht das mobile Laden von E-Bike-Akkumulatoren, auch unterschiedlicher E-Bike-Hersteller. Das Ladegerät kann im Fahrzeug, beispielsweise einem Wohnmobil, mitgeführt werden und über einen beliebigen Stromanschluss des Fahrzeugs, beispielsweise einen Zigarettenanzünder, die Steckdose einer Anhängerkupplung oder dergleichen, an das Fahrzeugbordnetz angeschlossen werden. Aus den mit dem Fahrzeug mittransportierten E-Bikes können dann die Akkumulatoren entnommen werden und an das Ladegerät zum Laden angeschlossen werden. Das Ladegerät überwacht dabei zum einen den am Stromeingang vorliegenden Strom sowie den am Stromausgang an den Akkumulator durchgespeisten Strom. So passt das Ladegerät den am Ausgang bereitgestellten Strom auf den an das Ladegerät angeschlossenen Akkumulatortyp an, sodass das Laden von Akkumulatoren verschiedener Hersteller möglich ist. Durch die Überwachung des am Stromeingang anliegenden Stroms wird eine Schonung der Fahrzeugbatterie ermöglicht. So wird die Spannung des Fahrzeugbornetzes überwacht, wobei das Ladegerät automatisch abschaltet, wenn ein kritischer Spannungswert unterschritten wird. Hierdurch kann eine Tiefenentladung der Fahrzeugbatterie verhindert werden. Wird der Motor des Fahrzeugs gestartet, so kann das Ladegerät dies erkennen und sich wieder einschalten. Dies ermöglicht das Laden des Akkumulators während der Fahrt, wobei elektrischer Strom nicht nur aus der Fahrzeugbatterie, sondern auch über einen Generator beziehungsweise die Lichtmaschine des Fahrzeugs für das Ladegerät bereitgestellt wird. Mit Hilfe des in der Druckschrift offenbarten Ladegeräts können zudem zwei Akkumulatoren gleichzeitig geladen werden.
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Aus
DE 10 2010 042 018 A1 ist ein Fahrradträger für ein Kraftfahrzeug bekannt. Der Fahrradträger weist ein integriertes Ladegerät für E-Bike-Akkus auf, mit dem auch gleichzeitig mehrere E-Bikes geladen werden können. Das Ladegerät wird über die Steckdose der Anhängerkupplung des Fahrzeugs an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen. Die E-Bikes werden auf dem Fahrradträger platziert und das Ladegerät an eine Ladeschnittstelle der E-Bikes angeschlossen. Die Akkumulatoren sind dabei von den E-Bikes aufgenommen.
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Aus
DE 20 2012 103 996 U1 ist ein Ladekabel sowie ein Ladesystem für Elektrofahrzeuge bekannt. Das Ladekabel umfasst eine integrierte Kodierung, beispielsweise ein RFID-Chip oder einen Barcode, der von einer stationären Ladestation ausgelesen wird. Hierdurch erhält die Ladestation eine Information, welcher Akkutyp an die Ladestation angeschlossen wird und kann hieraus ableiten, welche Ladespannung und/oder welchen Ladestrom die Ladestation zum Laden des Akkumulators verwenden soll. Ebenfalls kann die Kodierung eine den erforderlichen Ladezyklus des Akkumulators beschreibende Information umfassen. Die Kodierung ist dabei in einen Steckverbinder des Ladekabels integriert.
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DE 10 2015 014 173 A1 offenbart einen Zwischenstecker für die elektrische Steckdose an einer Anhängerkupplung eines Kraftfahrzeugs, um gleichzeitig einen Fahrradträger und darauf montierte E-Bikes mit Strom versorgen zu können. Zur Energieversorgung der E-Bikes sind dabei jedoch herstellerspezifische Ladekabel zu verwenden.
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Ferner ist aus
EP 3 552 294 B1 ein Verfahren zum Laden einer Batterie aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei die Batterie nicht Teil des Kraftfahrzeugbordnetzes ist. Die Druckschrift beschreibt ein Fahrzeug mit einer bidirektionalen Ladeschnittstelle für Kleinstfahrzeugakkumulatoren. Mit Hilfe der bidirektionalen Ladeschnittstelle können zum einen die Akkumulatoren der Kleinstfahrzeuge geladen werden, oder auch elektrische Energie aus diesen Akkumulatoren bezogen werden, um das Fahrzeugbordnetz beim Auftreten von Spannungsspitzen zu stützen. Die bidirektionale Ladeschnittstelle wird durch ein Steuergerät gesteuert, um mittels eines Gleichspannungswandlers beliebige Akkumulatortypen mit entsprechend beliebigen Spannungsdifferenzen laden zu können. Das Steuergerät ist dabei in das Fahrzeug integriert. Es können auch mehrere Akkumulatoren gleichzeitig ge- beziehungsweise entladen werden. Nachteilig ist dabei jedoch, dass die bidirektionale Ladeschnittstelle fest in das Fahrzeug integriert ist. Das Nachrüsten von Fahrzeugen ist somit nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ladesystem mit einem Ladegerät und einem Ladekabel sowie ein verbessertes Verfahren zum Laden eines Akkumulators anzugeben, mit deren Hilfe der Komfort für einen Nutzer des Ladesystems gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen noch weiter gesteigert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Ladegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Ladekabel mit den Merkmalen des Anspruchs 7, ein Ladesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Ladegerät umfasst einen Energieeingang zur Energieversorgung und wenigstens einen Energieausgang zum Anschließen eines zu ladenden Akkumulators sowie eine Leistungselektronik zur Wandlung eines vom Energieeingang an den Energieausgang durchgespeisten elektrischen Stroms und eine elektronische Steuerung zur Steuerung oder Regelung der Leistungselektronik. Die elektronische Steuerung ist dazu eingerichtet, die Leistungselektronik so anzusteuern, dass in Abhängigkeit des an den Energieausgang angeschlossenen Akkumulators, eine für den jeweiligen Akkumulator vorgegebene elektrische Stromstärke und Spannung am Energieausgang bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß umfasst der wenigstens eine Energieausgang eine Kommunikationsschaltung, welche eine Kommunikationsschnittstelle, zumindest zwei auf unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen basierende Kommunikationspfade und wenigstens einen Sensor zum Lesen einer Kodierung umfasst, wobei die elektronische Steuerung dazu eingerichtet ist, einen der Kommunikationspfade in Abhängigkeit einer ausgelesenen Kodierung auf die Kommunikationsschnittstelle aufzuschalten.
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Das erfindungsgemäße Ladegerät ermöglicht das Laden eines einzelnen Akkumulators oder auch das gleichzeitige Laden zumindest zweier an das Ladegerät angeschlossenen Akkumulatoren. Dabei können auch Akkumulatoren unterschiedlicher Hersteller geladen werden. Das Ladegerät wählt dabei selbstständig die für den jeweiligen Akkumulator geeignete Stromstärke und Spannung. Einige Akkumulatoren, wie beispielsweise die Akkumulatoren der meisten E-Bikes beziehungsweise Pedelecs, verfügen über elektronische Komponenten, die eine Überwachung des jeweiligen Akkumulators beim Laden und/oder das Auslesen von Informationen ermöglichen. Zur Kommunikation mit dem Akkumulator, beispielsweise mittelbar über ein Batterie-Management-System des jeweiligen Akkumulators, werden jedoch je nach Hersteller unterschiedlichste Kommunikationsprotokolle verwendet. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ladegeräts lässt sich der Komfort für einen Nutzer des Ladegeräts derart steigern, dass das Ladegerät automatisch einen Typ des an das Ladegerät angeschlossenen Akkumulators erkennt und automatisch eine Kommunikation mit dem jeweiligen Akkumulator aufbaut. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige und sichere Überwachung des Ladevorgangs des jeweiligen Akkumulators.
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Der Aufbau der Kommunikationsschaltung ist dabei besonders einfach gehalten, wodurch sich Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Ladegeräts senken lassen. So ist für jede Kommunikationsschaltung lediglich eine einzige Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, auf die von der elektronischen Steuerung automatisch der jeweilige zum entsprechenden Akkumulator passende Kommunikationspfad aufgeschaltet wird. Das Vorsehen einer einzigen Kommunikationsschnittstelle erhöht den Komfort für den Nutzer des Ladegeräts zudem noch weiter, da auch bei unterschiedlichen Akkumulatortypen das Anschließen eines Ladekabels an das Ladegerät immer an der gleichen Schnittstelle erfolgt und keine weiteren sonstigen Adapter verwendet werden müssen. Der Nutzer muss auch nicht manuell dem Ladegerät mitteilen, welches Kommunikationsprotokoll zur Kommunikation mit dem Akkumulator verwendet werden muss.
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Über den Energieeingang ist das Ladegerät an verschiedene Spannungsquellen anschließbar, wie beispielsweise ein Fahrzeugbordnetz. Es kann sich dabei um ein Niedervoltbordnetz handeln, also beispielsweise um ein Bordnetz mit einer Spannung im Bereich zwischen 6 bis 59 Volt, beispielsweise 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt. Es kann sich jedoch auch um ein Hochspannungsbordnetz handeln, wie es insbesondere elektrifizierte Fahrzeuge, also Fahrzeuge mit Elektromotor als Antrieb, aufweisen. Die Spannung des Hochvoltbordnetzes liegt dabei typischerweise über 60 Volt, beispielsweise im Bereich um 400 Volt oder 800 Volt.
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Um gleichzeitig mehrere Akkumulatoren zu laden, kann das Ladegerät bevorzugt zwei oder mehr Energieausgänge aufweisen. Die elektronische Steuerung wählt dabei jeweils eine zum Akkumulatortyp passende Ladespannung, Ladestromstärke, Ladeleistung, Ladekurve und dergleichen, passt also das Ladeverhalten an den jeweiligen Akkumulator an.
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Eine Identifizierung von Akkumulatoren ist über den Sensor beziehungsweise die Kommunikationsschnittstelle möglich. So liest der Sensor eine in ein Ladekabel integrierte Kodierung aus, welche dem Ladegerät mitteilt, welcher Akkumulatortyp mit dem Ladekabel an das Ladegerät angeschlossen wird. Bei dieser Kodierung kann es sich um jegliche bewährte Kodierung handeln wie beispielsweise einen NFC-Chip, ein RFID Tag, einen optoelektronischen Code, eine magnetische Kodierung oder dergleichen.
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Die Kommunikationsschnittstelle am Ladegerät kann als Stecker oder Buchse ausgeführt sein. Zur Übertragung von Informationen und elektrischer Energie, kann die Kommunikationsschnittstelle beliebig viele und beliebig ausgestaltete Kontakte beziehungsweise Pins aufweisen. Die Kommunikationspfade können beliebig viele Stränge aufweisen, beispielsweise kann es sich um zweiadrige Kommunikationspfade handeln. Weist das Ladegerät mehrere Energieausgänge auf, so sind entsprechend auch mehrere Kommunikationsschaltungen vorgesehen, da jeder Energieausgang über eine solche Kommunikationsschaltung verfügt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Ladegeräts sieht vor, dass ein erster Kommunikationspfad von einem CAN-Bus ausgebildet ist und zweiter Kommunikationspfad von einer UART-Datenleitung ausgebildet ist. Bei CAN und UART handelt es sich um besonders häufig von den Herstellern von E-Bikes eingesetzte Kommunikationsprotokolle beziehungsweise Kommunikationspfade, sodass eine Kommunikation zwischen Ladegerät und Akkumulator bei den meisten Akkumulatoren sichergestellt ist. Generell ist es natürlich möglich, dass die Kommunikationsschaltung auch mehr als zwei, also beispielsweise drei, vier, fünf oder auch zehn Kommunikationspfade aufweist, wobei die elektronische Steuerung beim Anschließen eines Akkumulators den Kommunikationspfad mit dem vom jeweiligen Akkumulator erforderlichen Kommunikationsprotokoll auf die Kommunikationsschnittstelle aufschaltet.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ladegeräts ist die elektronische Steuerung dazu eingerichtet, über den wenigstens einen Sensor ein Identifikationsmerkmal eines anzuschließenden Kabels auszulesen und nur dann elektrischen Strom an den Energieausgang durchzuspeisen, wenn die elektronische Steuerung ein ihr bekanntes Identifikationsmerkmal ausliest. Hierdurch wird die Sicherheit in der Anwendung des erfindungsgemäßen Ladegeräts verbessert. So ermöglichen lediglich die Kabel eine Verbindung zwischen Akkumulator und Ladegerät, die das Identifikationsmerkmal aufweisen.
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Solche Kabel werden von autorisierten Herstellern hergestellt, wodurch sichergestellt werden kann, dass bestimmte Qualitätsanforderungen erfüllt werden. Nicht autorisierte Kabel können nicht verwendet werden, welche unter Umständen aufgrund einer minderwertigen Ausführung beispielsweise zu einer Brandgefahr beitragen.
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Zum Auslesen beziehungsweise Erkennen des Identifikationsmerkmals kann derselbe Sensor verwendet werden, wie der Sensor zum Auslesen der Kodierung. Es kann jedoch auch ein separater Sensor vorgesehen werden. Analog basiert das Auslesen des Identifikationsmerkmals auf einer RFID-Technik, NFC, dem Erkennen einer Änderung eines elektrischen oder magnetischen Felds, dem Auslesen eines optoelektronischen Codes oder dergleichen. Auch ist es denkbar, dass die Kommunikationsschnittstelle separate Kontakte aufweist, welche bei einem an das Ladegerät angeschlossenen Kabel das Auslesen des Identifikationsmerkmals erlauben. Bekannte Identifikationsmerkmale werden in einem physischen Speichermedium in der elektronischen Steuerung oder in einem von der elektronischen Steuerung auslesbaren physischen Speichermedium gespeichert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegeräts umfasst dieses eine Leistungsplatine, welche die Leistungselektronik umfasst, und ein Prozessor-Modul, welches die elektronische Steuerung umfasst, wobei das Prozessor-Modul austauschbar auf der Leistungsplatine angeordnet ist. Hierdurch weist das Ladegerät einen modularen Aufbau auf. Dies ermöglicht eine besonders flexible und kostengünstige Herstellung unterschiedlicher Versionen des Ladegeräts. So können verschiedene Leistungsplatinen entwickelt werden, die sich beispielsweise in der Anzahl der Energieausgänge und/oder der Art der Leistungselektronik unterscheiden. So ist bei einem ersten Ladegerät beispielsweise die Leistungselektronik alleinig für das Laden von E-Bike-Akkumulatoren vorgesehen und bei einem zweiten Ladegerät auch ein Energieausgang mit einer Ausgangsspannung von 5 Volt und einem USB-Typ-C-Anschluss oder einem Lightning-Anschluss bereitgestellt, sodass zusätzlich zu E-Bike-Akkumulatoren auch mobile Endgeräte wie Smartphones oder Tablets geladen werden können.
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Analog lassen sich unterschiedliche elektronische Steuerungen auf dem Prozessor-Modul integrieren. So können sich die verschiedenen elektronischen Steuerungen in ihrem Funktionsumfang unterscheiden, worauf im Folgenden noch näher eingegangen wird. So können verschiedene Leistungsplatinen mit verschiedenen Prozessor-Modulen kombiniert werden, um die unterschiedlichen Ausführungen der Ladegeräte zu ermöglichen. Kommt es zu einem Defekt, können zudem kaputte Bauteile besonders einfach ausgetauscht werden. Fällt beispielsweise eine elektronische Komponente des Prozessor-Moduls aus, so kann das Prozessor-Modul ausgetauscht werden und die Leistungsplatine weiterverwendet werden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ladegeräts weist dieses zumindest eine Daten-Schnittstelle in Form eines Displayanschlusses, eines Anschlusses für ein tragbares Speichermedium, eines Bluetooth-Moduls, eines WLAN-Moduls, eines NFC-Moduls, und/oder eines Netzwerkanschlusses, insbesondere eines Ethernet-Anschlusses, auf. Mit Hilfe der aufgezählten Daten-Schnittstellen lässt sich der Komfort für den Nutzer des Ladegeräts noch weiter verbessern. An den Displayanschluss lässt sich eine Anzeige anschließen, um dem Nutzer Informationen anzuzeigen. So kann der Nutzer beispielsweise über einen Fortschritt eines Ladevorgangs informiert werden und/oder akkumulatorbezogene Informationen erhalten, beispielsweise die Informationen, die der Akkumulator mit dem Ladegerät über die Kommunikationsschnittstelle austauscht. So kann sich der Nutzer beispielsweise auch über die eingesetzte Ladekurve und/oder einen Alterungsfortschritt des Akkumulators informieren. Daten lassen sich auch über ein tragbares Speichermedium auslesen beziehungsweise an das Ladegerät übertragen. Bei dem tragbaren Speichermedium kann es sich beispielsweise um einen Flashspeicher wie eine SD-Karte, Compact-Flashkarte, Memory-Stick oder dergleichen oder auch um einen USB-Stick handeln. Mit Hilfe von Bluetooth, WLAN, insbesondere unter Verwendung des Wi-Fi-Standards, NFC oder dergleichen lassen sich besonders komfortabel mobile Endgeräte wie Tabletcomputer oder Smartphones mit dem Ladegerät koppeln. Auf einem entsprechenden mobilen Endgerät kann beispielsweise eine Applikation ausgeführt werden, um vom Ladegerät empfangene Informationen besonders komfortabel und leicht verständlich auf dem entsprechenden mobilen Endgerät anzuzeigen und/oder das Ladegerät zu bedienen. Hierüber kann der Nutzer des Ladegeräts auch über einen möglichen Defekt oder Fehler hingewiesen werden. So kann der Nutzer informiert werden, wenn beispielsweise einzelne Zellen des Akkumulators einen Schaden aufweisen oder wenn das Ladegerät selbst beschädigt wurde. Auch lassen sich über entsprechende Daten-Schnittstellen Firmwareupdates auf das Ladegerät übertragen. Hierdurch lassen sich Sicherheitsupdates einspielen und/oder ein Funktionalitätsumfang erweitern, sodass das Ladegerät beispielsweise andere Kabel erkennen kann und/oder bisher unbekannte Akkumulatortypen identifizieren kann. Analog lassen sich Daten über einen Netzwerkanschluss auslesen beziehungsweise an das Ladegerät übertragen. Über die Nutzung seines mobilen Endgeräts kann der Nutzer des Ladegeräts zudem über den Ladestand eines zu ladenden Akkumulators informiert werden, auch wenn sich der Nutzer gerade nicht in der Nähe des Ladegeräts aufhält. Ist der Nutzer beispielsweise mit einer anderen Tätigkeit beschäftigt, so kann er beispielsweise eine Push-Nachricht auf sein Smartphone empfangen, dass ein erster zu ladender Akkumulator einen bestimmten Ladestand erreicht hat, woraufhin der Nutzer den ersten Akkumulator durch einen zweiten Akkumulator austauscht, der ebenfalls geladen werden soll.
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Bevorzugt ist die Daten-Schnittstelle oder zumindest eine der Daten-Schnittstellen in das Prozessor-Modul integriert. So können verschiedene Prozessor-Module hergestellt werden, die unterschiedliche Daten-Schnittstellen aufweisen. Höherpreisige Ladegeräte verfügen dann beispielsweise über eine größere Auswahl an Daten-Schnittstellen. Einzelne Daten-Schnittstellen können jedoch auch auf der Leistungsplatine integriert werden.
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Ein Ladekabel mit einem ersten Anschluss zum Anschließen an einen Energieausgang des Ladegeräts, einen zweiten Anschluss zum Anschließen eines Akkumulators und einer elektrischen Leitung, welche den ersten und zweiten Anschluss verbindet, umfasst erfindungsgemäß eine in den ersten Anschluss integrierte erste Kodierung. Mit Hilfe des Ladekabels lässt sich ein zu ladender Akkumulator an das Ladegerät anschließen. Die erste Kodierung ist dabei in den ersten Anschluss, mit dem das Ladekabel am Ladegerät angeschlossen wird, integriert. Wie bereits erwähnt kann es sich bei der ersten Kodierung beispielsweise um einen RFID-Tag, einen optoelektronischen Code, einen NFC-Chip, einen Magneten oder dergleichen handeln. Es kann sich bei der ersten Kodierung auch um einen Chip handeln, welcher vom Ladegerät über Kontakte und einer entsprechenden Datenleitung ausgelesen werden kann. Die elektrische Leitung kann eine beliebige, an einen jeweiligen Akkumulatortyp angepasste Anzahl an Adern oder Strängen aufweisen.
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Bevorzugt umfasst das Ladekabel eine in den ersten Anschluss integrierte zweite Kodierung. Die zweite Kodierung kann analog zur ersten Kodierung ausgeführt sein oder es kann auch eine hierzu abweichende Technik eingesetzt werden. Beispielsweise kann die erste Kodierung von einem RFID-Tag und die zweite Kodierung von einem NFC-Chip ausgebildet sein. Hierdurch wird besonders effektiv eine gegenseitige Beeinflussung der Kodierungen vermieden. Die erste und zweite Kodierung können jedoch auch mit einem ausreichenden Abstand zueinander in den ersten Anschluss integriert sein und/oder gegeneinander abgeschirmt sein, sodass beispielsweise ein störungsfreies Auslesen zweier NFC-Chips möglich ist.
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Bei einem Ladesystem mit einem im vorigen beschriebenen Ladegerät und einem im vorigen beschriebenen Ladekabel, ist erfindungsgemäß die elektronische Steuerung dazu eingerichtet, einen der Kommunikationspfade in Abhängigkeit der ersten Kodierung auf die Kommunikationsschnittstelle aufzuschalten. Mit anderen Worten signalisiert das Ladekabel dem Ladegerät, welchen Kommunikationspfad und damit welches Kommunikationsprotokoll es zur Kommunikation mit einem Akkumulator verwenden soll. Eine entsprechende Information ist durch die erste Kodierung angegeben.
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Die erste Kodierung kann auch weitere Informationen umfassen, wie für die Durchführung des Ladevorgangs relevante Informationen. Hierzu zählen beispielsweise eine vom Ladegerät für einen Ladevorgang zu verwendende Ladespannung, Ladestrom, Ladekurve oder dergleichen. Generell ist es jedoch auch denkbar, dass die entsprechenden Informationen in der elektronischen Steuerung selbst oder einem von der elektronischen Steuerung auslesbaren physischen Speichermedium gespeichert werden, und die elektronische Steuerung durch Auslesen der ersten Kodierung lediglich darüber informiert wird, welche Ladeinformationen sie aus ihrem Speicher auslesen soll. Umfasst die Kodierung lediglich die Information, welches Kommunikationsprotokoll und entsprechend welcher Kommunikationspfad zur Kommunikation mit dem Akkumulator verwendet werden soll, ist es auch denkbar, dass die elektronische Steuerung die für den Ladevorgang relevanten Informationen aus dem Akkumulator direkt ausliest, beispielsweise durch Kommunikation mit dem Batterie-Management-System des Akkumulators.
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Werden neue Akkumulatortypen auf den Markt gebracht, so können für den entsprechenden neuen Akkumulatortyp erforderliche Ladekurven und dergleichen in die erste Kodierung eines ebenfalls neu auf den Markt gebrachten Ladekabels integriert werden. Neue Ladeinformationen können hingegen auch, wie bereits erwähnt, mittels Update in die elektronische Steuerung eingespielt werden.
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Bevorzugt umfasst die zweite Kodierung das Identifikationsmerkmal. Generell ist es möglich, dass das Identifikationsmerkmal auch in die erste Kodierung integriert ist. Umfasst jedoch die zweite Kodierung das Identifikationsmerkmal, so lässt sich die erste Kodierung einfacher und mit einem geringeren Aufwand herstellen. Es ist dann jedoch eine zweite Kodierung in den ersten Anschluss des Ladekabels zu integrieren, damit das Ladegerät auch den Ladevorgang zum Laden des Akkumulators startet.
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Ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators mit einem im vorigen beschriebenen Ladesystem umfasst erfindungsgemäß die folgenden Verfahrensschritte:
- - Anschließen des Energieeingangs des Ladegeräts an ein Fahrzeugbordnetz;
- - Anschließen des ersten Anschlusses des Ladekabels an einen Energieausgang des Ladegeräts;
- - Anschließen des zweiten Anschlusses des Ladekabels an einen zu ladenden Akkumulator;
- - Auslesen der ersten Kodierung durch die elektronische Steuerung über den Sensor;
- - Aufbau einer Kommunikationsverbindung zwischen der elektronischen Steuerung und dem Akkumulator unter Anwendung eines vom Akkumulator erforderlichen Kommunikationsprotokolls;
- - Beziehen von Steuerungsbefehlen durch die elektronische Steuerung, wobei die elektronische Steuerung die Steuerungsbefehle in Abhängigkeit einer durch Interpretation der ersten Kodierung bereitgestellten Anweisung aus der ersten Kodierung, einem physischen Speichermedium des Ladegeräts oder einem physischen Speichermedium des Akkumulators erhält;
- - Ansteuern der Leistungselektronik durch die elektronische Steuerung gemäß der Steuerungsbefehle zum Laden des Akkumulators; und
- - Austauschen von Informationen zwischen der elektronischen Steuerung und dem Akkumulator über die Kommunikationsschnittstelle zur Überwachung des Ladevorgangs.
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Wie bereits erwähnt kann die elektronische Steuerung die Steuerungsbefehle direkt aus dem Ladekabel auslesen, beispielsweise durch eine in das Ladekabel integrierten EEPRom-Speicher. Das Ladekabel kann jedoch auch lediglich eine Typenbezeichnung des Akkumulators umfassen, woraufhin die elektronische Steuerung die Steuerungsbefehle aus einem in das Ladegerät integrierten Speicher oder dem Akkumulator selbst ausliest. Eine Kommunikation zwischen Akkumulator und Ladegerät ist über die Kommunikationsschaltung möglich. So schaltet die elektronische Steuerung den Kommunikationspfad auf die Kommunikationsschnittstelle der Kommunikationsschaltung auf, mit der eine auf dem vom Akkumulator erforderten Kommunikationsprotokoll basierende Kommunikation möglich ist. Bevorzugt handelt es sich dabei um einen CAN-Bus oder eine UART-Datenleitung. Vom Akkumulator können somit Diagnosedaten oder sonstige Akkumulatorinformationen erhalten werden. Die Identifikation des Akkumulators und damit die Wahl des korrekten Kommunikationsprotokolls sowie das Einstellen beziehungsweise wählen korrekter Ladeparameter erfolgt automatisch. Ein Nutzer des Ladegeräts beziehungsweise Ladesystems muss somit keine manuellen Bedieneingriffe vornehmen. Hierdurch wird ein besonders komfortables Ladeerlebnis bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Ladesystems sichergestellt.
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Bevorzugt überprüft vor dem Ansteuern der Leistungselektronik zum Laden des Akkumulators durch die elektronische Steuerung, diese die zweite Kodierung des Ladekabels und bewirkt das Laden des Akkumulators nur dann, wenn die zweite Kodierung ein der elektronischen Steuerung bekanntes Identifikationsmerkmal umfasst. Hierdurch lässt sich die Sicherheit in der Verwendung des erfindungsgemäßen Ladesystems verbessern. Wie bereits erwähnt ist somit lediglich die Nutzung autorisierter Ladekabel möglich. Die Identifikation autorisierter Ladekabel erfolgt dann über besagtes Identifikationsmerkmal. Das Durchführen von Ladevorgängen mit von Drittparteien hergestellten Ladekabeln ist nicht möglich, wodurch das Risiko des Auftretens von Schäden und/oder Bränden reduziert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ladegeräts, des Ladekabels und damit des Ladesystems sowie das erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden eines Akkumulators ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladesystems;
- 2 eine schematische Detaildarstellung eines mittels eines Ladekabels über eine Kommunikationsschaltung an ein erfindungsgemäßes Ladegerät angeschlossenen Akkumulators;
- 3 eine schematische Detaildarstellung eines an eine Kommunikationsschnittstelle angeschlossenen Ladekabels.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ladesystem mit einem erfindungsgemäßen Ladegerät 1 und einem Ladekabel 15 zum Anschließen eines Akkumulators 4 an das Ladegerät 1. In dem Beispiel in 1 sind zwei Akkumulatoren 4 mit jeweils einem Ladekabel 15 an das Ladegerät 1 angeschlossen.
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Das Ladegerät 1 umfasst ein nicht näher dargestelltes Gehäuse, in welchem eine Leistungsplatine 12 angeordnet ist. Auf der Leistungsplatine 12 ist eine Leistungselektronik 5 angeordnet. Die Leistungselektronik 5 umfasst Elektronikkomponenten zur Manipulation beziehungsweise Wandlung von Strom, wie beispielsweise Transformatoren, Spulen, Leitungen, Widerstände, Kondensatoren und dergleichen. Die Leistungsplatine 12 weist zudem einen Energieeingang 2 auf, über den das Ladegerät 1 an eine Energieversorgung angeschlossen werden kann. Als Energieversorgung dient insbesondere ein Gleichspannungsfahrzeugbordnetz. Beispielsweise wird eine Spannung von 12 oder 24 Volt am Energieeingang 2 angelegt.
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Zum Anschließen der Ladekabel 15 an das Ladegerät 1 weist die Leistungsplatine 12 für jeden Akkumulator 4 einen Energieausgang 3 auf. Jeder Energieausgang 3 umfasst eine Kommunikationsschaltung 7. Die Kommunikationsschaltung 7 wiederum umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 8, an die ein erster Anschluss 15.1 des Ladekabels 15 angeschlossen wird. Die Kommunikationsschnittstelle 8 kann als Stecker oder Buchse ausgeführt sein. Seitlich neben einer jeweiligen Kommunikationsschaltung 7 auf der Leistungsplatine 12 angeordnet befindet sich jeweils eine LED 16. Die LED 16 kann als Status-LED verwendet werden und durch verschiedene Blinkmodi und/oder das Verändern einer Leuchtfarbe einen Status eines Ladevorgangs anzeigen. Beispielsweise kann die LED 16 rot leuchten, wenn ein Akkumulator 4 gerade geladen wird, und grün leuchten, wenn der Akkumulator 4 vollgeladen ist. Im Falle einer Störung kann die LED 16 beispielsweise blinken.
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Das erfindungsgemäße Ladegerät 1 ermöglicht es, Akkumulatoren 4 unterschiedlicher Bauweise beziehungsweise unterschiedlichen Typs zu laden. Dabei ist auch das gleichzeitige Laden von mehreren Akkumulatoren 4 möglich. Verschiedene Akkumulatoren 4 stellen an das Ladegerät 1 jeweils die Anforderung, den am Energieausgang 3 bereitgestellten Strom an vom Akkumulator 4 erforderte Ladeparameter anzupassen. Dies bedeutet, dass das Ladegerät 1 eine bestimmte Ladespannung und/oder Ladestromstärke am Energieausgang 3 bereitstellen muss. So erfordert beispielsweise ein erster Akkumulator 4 ein Laden mit 5 Volt und zweiter Akkumulator 4 ein Laden mit 12 Volt. Entsprechend dem Produkt aus Ladespannung und Ladestromstärke kann dabei auch die Ladeleistung variieren.
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Das Wandeln von Strom ist mit der Leistungselektronik 5 möglich. Diese wird durch eine elektronische Steuerung 6 angesteuert beziehungsweise geregelt. Die elektronische Steuerung 6 umfasst verschiedene Elektronikkomponenten wie beispielsweise einen Mikrocontroller 17. Gemäß einer Ausführungsvariante ist die elektronische Steuerung 6 auf einem Prozessor-Modul 13 angeordnet. Das Ladegerät 1 ist somit modular aufgebaut, sodass zur Herstellung verschiedener Ausführungsvarianten unterschiedliche Leistungsplatinen 12 mit unterschiedlichen Prozessor-Modulen 13 kombiniert werden können. So können auch Ladegeräte 1 besonders schnell und einfach repariert werden, wenn eines der Module einen Defekt aufweist.
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Eine Verbindung des Prozessor-Moduls 13 und der Leistungsplatine 12 kann auf beliebige Art und Weise geschehen, beispielsweise kann das Prozessor-Modul 13 als Steckkarte ausgeführt sein und in eine passende Aufnahme der Leistungsplatine 12 eingesteckt werden, ähnlich der Installation von RAM, PCI-e Karten oder M.2 SSDs auf einem Mainboard. Dies ist besonders einfach und komfortabel.
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Das erfindungsgemäße Ladegerät 1 ist dazu in der Lage, einen über das Ladekabel 15 an das Ladegerät 1 angeschlossenen Akkumulator 4 zu identifizieren und eine für den Akkumulator 4 geeignete Ladekurve aus einem Speicher auszulesen. Dieser Speicher kann als physisches Speichermedium in beziehungsweise auf dem Prozessor-Modul 13, der Leistungsplatine 12 und/oder in den ersten Anschluss 15.1 des Ladekabels 15 integriert sein. Auch können Informationen aus einem Akkumulator 4 ausgelesen werden, beispielsweise durch Kommunikation der elektronischen Steuerung 6 mit einem Batterie-Management-Systems eines jeweiligen Akkumulators 4.
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Zum Laden unterschiedlicher Akkumulatoren 4 wird von einem Nutzer ein jeweiliges zu dem Akkumulatortypen passendes Ladekabel 15 verwendet. So ist ein zweiter Anschluss 15.2 des Ladekabels 15, der über eine elektrische Leitung 15.3 mit dem ersten Anschluss 15.1 verbunden ist, dazu ausgelegt, mit dem Akkumulator 4 verbunden zu werden. Akkumulatoren 4 unterschiedlicher Hersteller weisen jeweils unterschiedliche Anschlüsse auf, sodass für einen jeweiligen Akkumulatortyp jeweils ein passender zweiter Anschluss 15.2 vorgesehen ist.
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Eine Identifikation des Akkumulatortyps erfolgt somit über das Ladekabel 15. Dieses umfasst, wie in 3 noch gezeigt wird, zumindest eine erste Kodierung 11.1 und bevorzugt auch eine zweite Kodierung 11.2. Die jeweiligen Kodierungen 11.1 und 11.2 können von einem oder mehreren Sensoren 10 ausgelesen werden. Der oder die Sensoren 10 sind dabei Teil der Kommunikationsschaltung 7. Bei einer Kodierung 11.1, 11.2 kann es sich beispielsweise um einen RFID-Tag, einen optoelektronischen Code, einen NFC-Chip, einen Magneten oder dergleichen handeln.
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Die elektronische Steuerung 6 liest die erste Kodierung 11.1 aus und erlangt darüber eine Information, welcher Akkumulatortyp an das Ladegerät 1 angeschlossen wurde. Daraufhin liest die elektronische Steuerung 6 eine passende Ladekurve beziehungsweise ein passendes Ladeprogramm aus einem physischen Speichermedium aus. Das physische Speichermedium kann, beispielsweise in Form eines EEPRom-Speichers, auch in das Ladekabel 15 integriert sein. Ein solcher EEPRom-Speicher kann beispielsweise in den ersten Anschluss 15.1 des Ladekabels 15 integriert sein und auch die erste Kodierung 11.1 ausbilden oder über diese ausgelesen werden.
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In den ersten Anschluss 15.1 des Ladekabels 15 kann auch eine zweite Kodierung 11.2 integriert sein, welches ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal ausbildet. So wird ein Ladevorgang vom Ladegerät 1 nur dann gestartet, wenn aus der zweiten Kodierung 11.2 von der elektronischen Steuerung 6 ein ihr bekanntes Identifikationsmerkmal ausgelesen werden kann. Hierdurch lässt sich die Verwendung von Drittanbietern hergestellter Ladekabel 15 vermeiden. Solche Drittanbieterkabel können von minderer Qualität sein, was zu Beschädigungen oder Bränden führen kann.
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Ferner sind Akkumulatoren 4, insbesondere wie sie bei E-Bikes und Pedelecs zur Anwendung kommen, typischerweise kommunikationsfähig. Dies bedeutet, dass Informationen des Akkumulators 4 und/oder Diagnosedaten aus dem Akkumulator 4 ausgelesen werden können. Dies ermöglicht die Überwachung des Akkumulators 4 während eines Ladevorgangs. Hierzu werden typischerweise CAN beziehungsweise UART als Kommunikationsprotokoll verwendet. Zur Kommunikation mit einem jeweiligen Akkumulator 4 weist die Kommunikationsschaltung 7 somit einen ersten Kommunikationspfad 9.1 und einen zweiten Kommunikationspfad 9.2 sowie gegebenenfalls weitere nicht dargestellte Kommunikationspfade auf (siehe 2). Mit einem durch die elektronische Steuerung 6 betätigbaren Schalter 18 lassen sich dann eine der jeweiligen Kommunikationspfade 9.1, 9.2 auf die Kommunikationsschnittstelle 8 aufschalten. Im Falle eines CAN-Bus sowie einer UART-Datenleitung weisen jeweils die Kommunikationspfade 9.1 und 9.2 zwei Adern auf.
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So zeigt 2 eine Detailansicht einzelner Komponenten der Kommunikationsschaltung 7. Zu sehen sind jeweils die beiden Adern des ersten Kommunikationspfads 9.1 und des zweiten Kommunikationspfads 9.2. So schaltet in Abhängigkeit des erkannten Akkumulatortyps die elektronische Steuerung 6 den oder die Schalter 18, sodass ein jeweils für den an das Ladegerät 1 angeschlossenen Akkumulatortyp geeigneter Kommunikationspfad ausgewählt wird. In 2 sind der erste und zweite Kommunikationspfad 9.1 und 9.2 jeweils nach Adern aufgeteilt dargestellt. So sind in 2 auf der linken Seite der Kommunikationsschaltung 7 die ersten Adern CAN-L und UART-RX des CAN-Busses und der UART-Datenleitung dargestellt und auf der rechten Seite die jeweils zweiten Adern CAN-H und UART-TX.
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3 zeigt noch einmal eine detaillierte Darstellung des ersten Anschlusses 15.1 des Ladekabels 15. Wie bereits erwähnt kann die elektronische Steuerung 6 mittels der Sensoren 10 die erste und zweite Kodierung 11.1 und 11.2 auslesen.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ladegeräts 1 lässt sich der Nutzerkomfort in ganz besonderer Art und Weise steigern, was noch einmal anhand von 1 erläutert werden soll. So umfasst das Ladegerät 1 wenigstens eine Daten-Schnittstelle 14, über die Informationen an den Nutzer des Ladegeräts 1 ausgegeben werden können und/oder Daten an das Ladegerät 1 übertragen werden können, beispielsweise um eine Firmware zu aktualisieren oder die Kompatibilität für neue Akkumulatortypen zu erweitern.
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Als Daten-Schnittstelle 14 kann das Ladegerät 1 beispielsweise einen Displayanschluss 14.1, einen Anschluss für ein tragbares Speichermedium 14.2, ein Bluetooth-Modul 14.3, ein WLAN-Modul 14.4, ein NFC-Modul 14.5 und/oder einen Netzwerkanschluss, insbesondere einen Ethernet-Anschluss 14.6, aufweisen. In dem Beispiel in 1 sind die entsprechenden Daten-Schnittstellen 14 auf dem Prozessor-Modul 13 angeordnet. Das Prozessor-Modul 13 kann auch weitere Komponenten aufweisen wie einen Eingangsfilter 19, einen DC/DC-Wandler 20, einen FRAM 21, und ein Modul 22 zur Interpretation beziehungsweise Bereitstellung verschiedener Kommunikationsprotokolle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ladegerät
- 2
- Energieeingang
- 3
- Energieausgang
- 4
- Akkumulator
- 5
- Leistungselektronik
- 6
- elektronische Steuerung
- 7
- Kommunikationsschaltung
- 8
- Kommunikationsschnittstelle
- 9.1
- erster Kommunikationspfad
- 9.2
- zweiter Kommunikationspfad
- 10
- Sensor
- 11.1
- erste Kodierung
- 11.2
- zweite Kodierung
- 12
- Leistungsplatine
- 13
- Prozessor-Modul
- 14
- Daten-Schnittstelle
- 14.1
- Displayanschluss
- 14.2
- Anschluss für ein tragbares Speichermedium
- 14.3
- Bluetooth-Modul
- 14.4
- WLAN-Modul
- 14.5
- NFC-Modul
- 14.6
- Ethernet-Anschluss
- 15
- Ladekabel
- 15.1
- erster Anschluss
- 15.2
- zweiter Anschluss
- 15.3
- elektrische Leitung
- 16
- LED
- 17
- Mikrocontroller
- 18
- Schalter
- 19
- Eingangsfilter
- 20
- DC/DC-Wandler
- 21
- FRAM
- 22
- Modul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012006053 U1 [0005]
- DE 102010042018 A1 [0006]
- DE 202012103996 U1 [0007]
- DE 102015014173 A1 [0008]
- EP 3552294 B1 [0009]
