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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegerätes für ein Fahrzeug und eine Steuereinrichtung für ein Ladegerät. Ferner betrifft die Erfindung ein Ladegerät mit einer Steuereinrichtung, einen Antriebsstrang mit einer Steuereinrichtung oder einem Ladegerät, ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein computerlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Verfahren zum Betrieb eines Ladegerätes, beispielsweise in Fahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, dienen zum Nachladen von Batterien, bevorzugt Akkumulatoren oder Traktionsbatterien, aus einer elektrischen Energiequelle, bevorzugt einer externen Wechselstromquelle oder dem öffentlichen Wechselstromnetz. Dabei wandelt das Ladegerät einen sinusförmigen Wechselstrom der externen Energiequelle in einen Gleichstrom um.
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Ladegeräte weisen bevorzugt eine zweistufige Leistungselektronik auf. Eine erste Stufe, die so genannte Power-Factor-Correction-Stufe, die PFC-Stufe, wandelt die sinusförmige Eingangsspannung aus dem Wechselspannungsnetz in eine Gleichspannung. Eine zweite Stufe besteht aus einem Gleichspannungswandler oder DC/DC Wandler, der eine galvanische Trennung über einen Transformator sicherstellt und die Spannungsebenen anpasst. Bevorzugt wird mittels einer elektrischen Schaltung und einer Regelung die Ausgangsspannung und/ oder der Ausgangsstrom zum Aufladen der Batterie eingestellt. Zwischen beiden Stufen ist ein Zwischenkondensator angeordnet, der die Leistungspulsation in der doppelten Frequenz des Wechselstroms der Energiequelle puffert. Diese Topologien ermöglichen die Aufrechterhaltung eines nahezu sinusförmigen Eingangsstroms auf der Netzseite zur Erfüllung netzseitiger Normen, eine galvanische Trennung zwischen Netz und Fahrzeug zur Erfüllung von Sicherheitsanforderungen und eine Bereitstellung eines konstanten Ausgangsgleichstroms auf der Seite der Batterie, um die Belastung der Batterie im Ladebetrieb zu minimieren.
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In einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb ist die Batterie weiter mit einem Wechselrichter verbunden zur Versorgung der elektrischen Antriebsmaschine mit Energie. Parallel zum Wechselrichter ist meist ein Gleichspannungswandler angeschlossen, zur Versorgung eines Niederspannungsnetzes, oder eines Bordnetzes, des Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte mit Energie. Nicht zuletzt zur Vermeidung elektromagnetischer Störungen umfasst ein Verbraucher in einem Hochvoltnetz, wie ein Wechselrichter, ein DC/DC Wandler oder Gleichspannungswandler, zwischen den Hochvoltanschlüssen Kondensatoren, die während des Betriebes auftretende rasche Änderungen der Hochvoltspannung filtern.
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Bei einem Unfall oder vor der Durchführung einer Reparatur an dem Fahrzeug muss die elektrische Ladung in den Kondensatoren des Hochvolt- oder Hochspannungsnetz des Fahrzeugs zuverlässig entladen werden, damit bei Berührung von oder Kontakt mit Leitungen oder Komponenten des Hochspannungsnetzes eine Personengefährdung zuverlässig ausgeschlossen ist. Wie aus der Druckschrift
EP 2 516 197 B1 bekannt, sind meist in einzelnen Komponenten des Hochvoltnetzes, bspw. in Wechselrichtern, entsprechende Entladeschaltungen dezentral vorgesehen. Die Entladeschaltungen umfassen hierzu zusätzliche Bauteile, die den benötigten Bauraum und das Gewicht nachteilig vergrößern. Daher besteht Bedarf an Verfahren, die derartige Entladeschaltungen zumindest zum Teil zentralisieren, zum Teil oder vollständig ersetzen oder die Entladung des Hochvoltnetzes beschleunigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegerätes für ein Fahrzeug. Das Ladegerät umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer ein - oder mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer gleich 1 ist, und eine daran angeschlossene Eingangsschaltung zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem mindestens zweipoligen Zwischenanschluss. Eine derartige Eingangsschaltung umfasst eine Gleichrichterschaltung zur Wandlung der eingangsseitigen Wechselspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung. Bevorzugt umfasst die Eingangsschaltung dabei auch eine PFC-Stufe. Eine bevorzugte Topologie für eine derartige Eingangsschaltung ist eine 3L TNPC, eine Vienna Rectifier oder eine (totem-Pole) PFC-Schaltung. Zwischen den positiven Zwischenanschluss und den negativen Zwischenanschluss ist mindestens ein Zwischenkondensator geschaltet. Ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ist eingangsseitig an den Zwischenanschluss angeschlossen. Der bidirektionale Gleichspannungswandler ist dazu eingerichtet, in einem Ladebetrieb die an dem Zwischenanschluss anliegende Gleichspannung in eine Ladespannung zu wandeln und an einem ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers anschließbaren Hochvoltnetz bereitzustellen, bevorzugt an einer anschließbaren Batterie bereitzustellen. Das Hochvoltnetz, oder ein mit dem Hochvoltnetz verbundener Verbraucher, umfasst mindestens einen Hochvoltkondensator, der zwischen die Potentiale des anschließbaren Hochvoltnetzes geschaltet ist. Ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers ist eine Schaltungseinrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung zur Versorgung einer Steuereinrichtung für das Ladegerät angeschlossen oder geschaltet. Bevorzugt ist die Schaltungseinrichtung dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung aus dem anschließbaren Hochvoltnetz zu versorgen. Bevorzugt ist die Schaltungseinrichtung dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung in einem Entladebetrieb aus dem anschließbaren Hochvoltnetz zu versorgen. Bevorzugt ist die interne Versorgungsspannung eine Betriebsspannung für die Steuereinrichtung. Die interne Versorgungsspannung entspricht bevorzugt einer Bordnetzspannung eines Fahrzeugs und beträgt beispielsweise 5, 12, 24 oder 48 Volt. Bevorzugt wird mittels der internen Versorgungsspannung eine Redundanz für eine externe Versorgungsspannung bereitgestellt, die zur Versorgung der Steuergeräte in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist zur Ansteuerung des bidirektionalen Gleichspannungs-wandlers eingerichtet. Bevorzugt umfasst dabei die Ansteuerung die Regelung des bidirektionalen Gleichspannungswandlers, die Ansteuerung der Leistungs-schalter des Gleichspannungswandlers und/ oder die Durchführung von Diagnosen und Diagnoseverfahren des Gleichspannungswandlers. Das Verfahren ist dazu eingerichtet, eine ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegende elektrische Ladung in einem Entladebetrieb zumindest teilweise zu reduzieren oder, bevorzugt im anschließbaren Hochvoltnetz vorhandene, Kapazitäten zu entladen. Bevorzugt ist die anliegende elektrische Ladung in mindestens einer Kapazität, in dem Hochvoltkondensator, des anschließbaren Hochvoltnetzes oder in mindestens einer Kapazität einer Komponente des anschließbaren Hochvoltnetzes gespeichert. Das Verfahren umfasst die Schritte: Empfangen eines Signals oder Fehlersignals zum Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden elektrischen Ladung. Bevorzugt wird dieses Signal innerhalb des Ladegerätes ermittelt oder von einem externen Steuergerät des Fahrzeugs ermittelt und von dem Ladegerät, bevorzugt der Steuereinrichtung, empfangen. Bevorzugt wird dieses Signal ermittelt, erzeugt und versendet in Abhängigkeit einer Fehlfunktion, eines Kurzschlusses, eines Isolationsfehlers, einer Diagnose, einer Durchführung einer Reparatur, eines Abstellens oder Parkens des Fahrzeugs oder der Detektion, dass ein Stecker, bevorzugt ein Signalstecker, nicht am Ladegerät angesteckt ist. Weitere Schritte sind: Versorgen der Steuereinrichtung über die oder mittels der Schaltungseinrichtung. Ansteuern des Gleichspannungswandlers mittels der Steuereinrichtung in dem Entladebetrieb derart, dass die ausgangsseitig anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss transportiert wird und der Zwischenkondensator aufgeladen wird. Entsprechend wird für die Entladung der Kapazitäten im Hochvoltnetz die Energie aus dem Hochvoltnetz genutzt zur Erzeugung der internen Versorgungsspannung mittels der Schaltungseinrichtung für die Steuereinrichtung.
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Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein zuverlässiges Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes ermöglicht. Hierzu wird in dem Entladebetrieb mittels Rückwärtsbetrieb des bidirektionalen Gleichspannungswandlers des Ladegerätes die ausgangsseitig anliegende Ladung auf die Eingangsseite übertragen und damit der Zwischenkondensator aufgeladen.
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Eine externe Energiequelle ist bevorzugt ein ein- oder mehrphasiges, bevorzugt dreiphasiges, Wechselspannungsnetz, bevorzugt des öffentlichen Niederspannungsnetzes, bevorzugt zur Versorgung von Haushalten, Industrie und/ oder Infrastruktur. Bevorzugt ist dies in einer nordamerikanischen Region oder japanischen Region ein einphasiges Wechselspannungsnetz mit 120 oder 240 Volt. Bevorzugt ist dies in einer chinesischen oder europäischen Region ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit ungefähr 230 Volt. Für den Ladebetrieb des Ladegerätes wird das Ladegerät bevorzugt mit einem entsprechenden Wechselspannungsnetz über die n-phasige Eingangsanschlusseinheit verbunden oder an die entsprechende Wechselspannung angeschlossen. Bevorzugt umfasst die n-phasige Eingangsanschlusseinheit einen Neutralleiteranschluss zum Anschlie-ßen eines Neutralleiters des anzuschließenden Wechselspannungsnetzes. Eine zu ladende Batterie ist bevorzugt ein Akkumulator oder eine Traktionsbatterie, mittels derer Energie ein elektrischer Antriebstrang eines Fahrzeugs betrieben wird. Eine Gleichrichtungsschaltung ist bevorzugt ein Gleichrichter zur Wandlung des Wechselstroms in einen Gleichstrom. Ein High-Side-Schalter oder ein Low-Side-Schalter einer Halbleiterbrücke ist bevorzugt ein Leistungshalbleiterschalter, welcher bevorzugt eine intrinsische oder extrinsische Diode umfasst, bevorzugt ist es ein IGBT oder MOSFET, bevorzugt basierend auf Si, SiC oder GaN-Technologie. Bevorzugt bedeutet die Formulierung, Verbinden von bspw. einem Mittenabgriff mit einer Anschlussleitung, das Anschließen, Kontaktieren oder Verbinden der Bauteile mittels einer elektrisch leitfähigen Leitung oder einer galvanischen Verbindung. Die Formulierung sperren, verhindern, entkoppeln oder einen Stromfluss unterbinden bedeutet das Auftrennen einer elektrisch leitfähigen Leitung oder Verbindung. Bevorzugt wird die Formulierung geschaltet gleichbedeutend mit elektrisch verbunden verwendet, wobei schaltbar verbunden bedeutet, dass eine elektrische Verbindung, bevorzugt mittels eines Schalters oder Schaltelementes, herstellbar oder trennbar ist. Bevorzugt wird die Formulierung angeordnet verwendet um die Position einer elektrischen Komponente, bevorzugt eines Schalters oder Schaltelementes, innerhalb der Schaltungstopologie zu definieren, wobei dies eine elektrische Verbindung mit den daneben angeordneten elektrischen Komponenten umfasst.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:
- Ermitteln eines ersten Messwertes. Ansteuern des Gleichspannungswandlers mittels der Steuereinrichtung in dem Entladebetrieb derart, dass die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss transportiert wird und der Zwischenkondensator aufgeladen wird, bis der ermittelte erste Messwert einem ersten vorgebbaren Abbruchkriterium entspricht. Bevorzugt wird das erste Abbruchkriterium so gewählt, dass ein Abbrechen erfolgt, wenn ein Ladungsübergang von der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers auf die Eingangsseite festgestellt wird. Hierzu ist es beispielsweise möglich, einen ersten Messwert zu ermitteln, der eine ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegende, bevorzugt verringerte, Spannung charakterisiert. Wenn der erste Messwert einem vorgebbaren ersten Schwellwert entspricht, der einen vorgebbaren, ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden Spannungswert charakterisiert, wird der Transport der Ladung in Richtung des Zwischenkondensators abgebrochen. Alternativ können als Abbruchkriterien ein Stromfluss oder eine übertragene Energiemenge herangezogen werden, sodass Messwerte ermittelt werden, die einen Stromfluss durch den Gleichspannungswandler oder eine Zeitdauer charakterisieren.
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In dem Entladebetrieb wird der Gleichspannungswandler mittels der Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers im Hochvoltnetz anliegende Ladung, bevorzugt aus dem Hochvoltkondensator, in Richtung des Zwischenanschluss transportiert wird und der Zwischenkondensator aufgeladen wird. Hierzu empfängt oder ermittelt die Steuereinrichtung ein Signal, bevorzugt ein Fehlersignal, worauf die Steuereinrichtung mit dem Entladebetrieb ein Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden elektrischen Ladung ausführt. Bevorzugt umfasst das Ladegerät eine erste Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Messwert zu ermitteln. Dies könnte eine Messeinrichtung zur direkten Ermittlung einer elektrischen Größe (Strom, Spannung) ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers sein. Alternativ könnte auch mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen zur Ermittlung eines oder mehrerer Parameter (Strom, Spannung, Zeitdauer) eingangs- und oder ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers und mittels einer angepassten Berechnung ein zu ermittelnder elektrischer Parameter, bevorzugt die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers anliegende Spannung oder die übertragene Energiemenge ermittelt werden oder charakterisiert werden. Ebenso kann ein entsprechender erster Messwert oder der Spannungswert von der Steuereinrichtung, bevorzugt mittels eines Bussystems seitens einer Komponente aus dem Hochvoltnetz, empfangen werden. Der Entladebetrieb wird mittels der Steuereinrichtung so lange ausgeführt, bis das erste Abbruchkriterium erfüllt ist. Das erste Abbruchkriterium wird bevorzugt so gewählt, dass bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile eine Personengefährdung ausgeschlossen ist oder dass die Ladung im Hochvoltnetz reduziert wird. Das erste Abbruchkriterium wird bevorzugt so gewählt, dass ein aus den einschlägigen internationalen Normen zur Hochvolt-Sicherheit abgeleiteter Wert bei einem Abbruch gewährleistet wird.
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Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes mit einer Messeinrichtung kombiniert, die ein zuverlässiges Entladen und ein qualitatives Erfassen des Entladens des Hochvoltnetzes ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren die weiteren Schritte:
- Ermitteln eines zweiten Messwertes. Ansteuern des Gleichspannungswandlers mittels der Steuereinrichtung derart, dass die im Zwischenkondensator vorhandene Ladung in Richtung der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers transportiert wird und der mindestens eine Hochvoltkondensator des anschließbaren Hochvoltnetzes aufgeladen wird. Dies erfolgt bis der ermittelte zweite Messwert einem zweiten Abbruchkriterium entspricht. Bevorzugt wird das zweite Abbruchkriterium so gewählt, dass ein Abbrechen erfolgt, wenn ein Ladungsübergang von dem Zwischenkondensator auf die Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers festgestellt wird. Hierzu ist es beispielsweise möglich, einen zweiten Messwert zu ermitteln, der eine eingangsseitig am Gleichspannungswandler, am Zwischenanschluss oder am Zwischenkondensator anliegende, bevorzugt verringerte, Spannung charakterisiert. Wenn der zweite Messwert einem vorgebbaren zweiten Schwellwert entspricht, der einen vorgebbaren, eingangsseitig am Gleichspannungswandler anliegenden Spannungswert charakterisiert, wird der Transport der Ladung in Richtung der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers abgebrochen. Alternativ können als Abbruchkriterien ein Stromfluss oder eine übertragene Energiemenge herangezogen werden, sodass Messwerte ermittelt werden, die einen Stromfluss durch den Gleichspannungswandler oder eine Zeitdauer charakterisieren.
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In dem Entladebetrieb wird der Gleichspannungswandler weiter mittels der Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die Ladung vom Zwischenkondensator auf die Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers transportiert wird und im angeschlossenen Hochvoltnetz vorhandene Kapazitäten, bevorzugt der Hochvoltkondensator, erneut aufgeladen wird. Der Transport der Ladung durch den Gleichspannungswandler geht mit Verlusten im Gleichspannungswandler einher, sodass die zu übertragende Ladungsmenge abnimmt. Bevorzugt umfasst das Ladegerät eine zweite Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Messwert zu ermitteln. Dies könnte eine Messeinrichtung zur direkten Ermittlung einer elektrischen Größe (Strom, Spannung) am Zwischenanschluss sein. Alternativ könnte auch mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen zur Ermittlung eines oder mehrerer Parameter (Strom, Spannung, Zeitdauer) eingangs- und oder ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers und mittels einer angepassten Berechnung ein zu ermittelnder elektrischer Parameter, bevorzugt die eingangsseitig des Gleichspannungswandlers am Zwischenanschluss anliegende Spannung oder die übertragene Energiemenge ermittelt werden oder charakterisiert werden. Ebenso kann ein entsprechender zweiter Messwert oder der Spannungswert von der Steuereinrichtung, bevorzugt mittels eines Bussystems seitens einer Komponente aus dem Hochvoltnetz, empfangen werden. Das Transportieren der Ladung und die dazugehörige Ansteuerung mittels der Steuereinrichtung wird so lange ausgeführt, bis das zweite Abbruchkriterium erfüllt ist. Das zweite Abbruchkriterium wird bevorzugt so gewählt, dass mit jeder Wiederholung des Transportierens der Ladung in Richtung der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers, die gesamte Ladung innerhalb des Fahrzeugs abnimmt.
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Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes mittels der Verluste beim Betrieb des Gleichspannungswandlers ermöglicht und verbessert.
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In einer anderen Ausgestaltung werden die oben beschriebenen Schritte des Verfahrens wiederholt nacheinander ausgeführt, bis ein ermittelter dritter Messwert einem dritten Abbruchkriterium entspricht. Bevorzugt wird das dritte Abbruchkriterium so gewählt, dass ein Abbrechen erfolgt, wenn bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile eine Personengefährdung ausgeschlossen ist. Hierzu wird ein dritter Messwert analog zu dem ersten Messwert ermittelt und in Abhängigkeit des dritten Abbruchkriteriums ausgewertet.
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Die Schritte des Entladens des Hochvoltnetzes und Zurückspeisen der Ladung in das Hochvoltnetz werden so lange wiederholt, bis aufgrund der Verluste des Gleichspannungswandlers die gesamte elektrische Ladung innerhalb des Hochvoltnetzes, bevorzugt des Fahrzeugs, soweit entladen ist, dass die Spannung an den spannungsführenden Bauteilen so gering ist, dass eine Personengefährdung ausgeschlossen ist und somit das dritte Abbruchkriterium erfüllt ist.
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Vorteilhaft wird ein Verfahren mit einem dritten Abbruchkriterium bereitgestellt, welches sicherstellt, dass das angeschlossene Hochvoltnetz entladen ist und eine Personengefährdung ausgeschlossen ist.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt:
- Entladen des Zwischenkondensators mittels einer Entladeschaltung. Bevorzugt wird mittels dem Zuschalten parasitärer Widerstände oder eines Entladewiderstands an den Zwischenkondensator dieser entladen.
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Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein zentrales Entladen der Kapazitäten oder Kondensatoren eines an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes ermöglicht. Hierzu wird zunächst die Ladung aus dem Hochvoltnetz in den Zwischenkondensator übertragen, welcher mittels einer Entladeschaltung entladen wird. Bevorzugt kann dieses Entladen des Zwischenkondensators auch parallel zu den Schritten zum Entladen des Hochvoltnetzes und/ oder dem Zurückspeisen der Ladung in das Hochvoltnetz erfolgen und das Verfahren vorteilhaft beschleunigen. Bevorzugt können die vorgestellten Entladeverfahren mit weiteren Entladeverfahren kombiniert werden, bevorzugt mit Strompulsen durch Leistungshalbleiter oder dem Verschieben von Ladung aus dem Hochvoltnetz in Speicher, die galvanisch vom Hochvoltnetz abtrennbar sind und damit eine Personengefährdung auszuschließen ist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung für ein Ladegerät, welche dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung ein Ladesteuergerät.
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Vorteilhaft wird eine Steuereinrichtung bereitgestellt, die das beschriebene Verfahren ausführt. Hierzu wird der Gleichspannungswandler derart angesteuert, dass die Kapazitäten oder Kondensatoren des an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes entladen werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Ladegerät mit einer beschriebenen Steuereinrichtung. Das Ladegerät umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit zum Anschließen einer ein - oder mehrphasigen Wechselspannung mit n-Phasen, wobei n größer gleich 1 ist, und eine daran angeschlossene Eingangsschaltung zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem mindestens zweipoligen Zwischenanschluss. Zwischen den positiven Zwischenanschluss und den negativen Zwischenanschluss ist mindestens ein Zwischenkondensator geschaltet. Ein bidirektionaler Gleichspannungswandler ist eingangsseitig an den Zwischenanschluss angeschlossen, und dazu eingerichtet, in einem Ladebetrieb die an dem Zwischenanschluss anliegende Gleichspannung in eine Ladespannung zu wandeln und an einem ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers anschließbaren Hochvoltnetz bereitzustellen, bevorzugt an einer anschließbaren Batterie bereitzustellen. Das Hochvoltnetz umfasst mindestens einen Hochvoltkondensator, der zwischen die Potentiale des anschließbaren Hochvoltnetzes geschaltet ist. Das Ladegerät umfasst eine Schaltungseinrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung zur Versorgung der Steuereinrichtung für das Ladegerät.
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Vorteilhaft wird ein Ladegerät bereitgestellt, welches mittels der Steuereinrichtung und dem bidirektionalen Gleichspannungswandler dazu eingerichtet ist, die Kapazitäten oder Kondensatoren des an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes zu entladen.
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In einer Ausgestaltung ist die Schaltungseinrichtung dazu eingerichtet, die Steuereinrichtung aus dem anschließbaren Hochvoltnetz zu versorgen. Bevorzugt ist hierzu die Schaltungseinrichtung ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers angeschlossen zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung für das Ladegerät.
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Vorteilhaft wird eine Schaltungstopologie bereitgestellt, die eine Versorgung der Steuereinrichtung aus dem zu entladenden anschließbaren Hochvoltnetz ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung ist die Schaltungseinrichtung zur Erzeugung der internen Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung für das Ladegerät ein zweiter Gleichspannungswandler, zur Wandlung der Energie aus dem Hochvoltnetz in die interne Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung.
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Vorteilhaft wird eine Möglichkeit bereitgestellt, wie eine Schaltungseinrichtung zur Versorgung der Steuereinrichtung für das Ladegerät aus dem anschließbaren Hochvoltnetz ausgebildet sein kann.
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In einer Ausgestaltung umfasst der Zwischenkondensator des Ladegerätes mindestens einen Elektrolytkondensator. Elektrolytkondensatoren sind für diese Anwendung besonders geeignet, da sie hochspannungs- und zyklenfest sind.
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Vorteilhaft wird ein für diese Anwendung besonders bevorzugter Kondensatortyp bereitgestellt.
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In einer Ausgestaltung umfasst der bidirektionale Gleichspannungswandler mindestens eine LLC, CLLC, oder Dual Active Bridge Schaltung. Ebenso kann eine Schaltungstopologie des bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit oder ohne galvanischer Trennung in Abhängigkeit der Rahmenbedingung der Anwendung verwendet werden.
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Vorteilhaft werden geeignete Schaltungstypen zur Verwendung in einem bidirektionalen Gleichspannungswandler bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einer Steuereinrichtung oder einem Ladegerät, wie oben beschrieben, wobei der Antriebstrang insbesondere eine Traktionsbatterie, einen Wechselrichter und/ oder eine elektrische Maschine umfasst.
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Vorteilhaft wird ein Antriebsstrang eines elektrischen Fahrzeugs mit einer Steuereinrichtung oder einem Ladegerät bereitgestellt, welcher dazu eingerichtet ist mittels des Ladegerätes in einem Entladebetrieb die Kapazitäten oder Kondensatoren des an das Ladegerät angeschlossenen Hochvoltnetzes zu entladen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang, wie oben beschrieben.
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Vorteilhaft wird ein Fahrzeug mit einem elektrifizierten Antriebstrang mit einem vereinfachten Entladeverfahren bereitgestellt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch die Steuereinrichtung diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch die Steuereinrichtung diese veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des Verfahrens entsprechend auf die Steuereinrichtung, das Ladegerät bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Schaltungstopologie für ein Ladegerät mit einer Steuereinrichtung.
- 2 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang mit einem Ladegerät,
- 3 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Ladegeräts
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt ein Ladegerät 500, bevorzugt für ein Fahrzeug. Das Ladegerät 500 umfasst eingangsseitig eine Eingangsanschlusseinheit 100 zum Anschließen einer beispielhaft dargestellten dreiphasigen Wechselspannung, eine Eingangsschaltung 200 zum Bereitstellen einer Gleichspannung an einem zweipoligen Zwischenanschluss 300. Zwischen den positiven Zwischenanschluss 310 und den negativen Zwischenanschluss 320 ist ein Zwischenkondensator CZ geschaltet. Weiter ist an den Zwischenanschluss 300 ein bidirektionaler Gleichspannungswandler 450 angeschlossen. Die Gleichspannung an dem Zwischenanschluss 300, die eingangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegt, wird in einem Ladebetrieb in eine Ladespannung gewandelt und ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 bereitgestellt, zum Versorgen eines ausgangsseitig an den Gleichspannungswandlers 450 anschließbaren Hochvoltnetzes 400 und/ oder zum Laden einer ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anschließbaren Batterie 470, bevorzugt einer Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie. Das Hochvoltnetz 400 umfasst mindestens einen Hochvoltkondensator CHV, eine Kapazität im Hochvoltnetz 400. Der Hochvoltkondensator CHV ist beispielhaft für mindestens eine der Kapazitäten der an dem Hochvoltnetz 400 angeschlossenen Komponenten dargestellt. Bevorzugt umfasst das Hochvoltnetz 400 mehrere Verbraucher. So ist bevorzugt parallel zu der Batterie 470 ein dritter Gleichspannungswandler 460, bevorzugt ein Tiefsetzsteller, angeschlossen, zur Wandlung der Ladespannung in eine Niedervoltspannung zum Laden einer Niedervoltbatterie 462 und zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeugs zur Versorgung der Steuergeräte eines Fahrzeugs. Die Niedervoltbatterie 462, wie bevorzugt auch weitere Niederspannungsverbraucher 480, sind an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen.
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Bei einem Unfall oder vor der Durchführung einer Reparatur an dem Fahrzeug müssen die Kondensatoren des Hochvoltnetzes 400 - oder Hochspannungsnetz - des Fahrzeugs zuverlässig entladen werden, damit bei Berührung von oder Kontakt mit Leitungen oder Komponenten des Hochspannungsnetzes eine Personengefährdung zuverlässig ausgeschlossen ist. Erfindungsgemäß wird hierzu der Gleichspannungswandler 450 mittels einer Steuereinrichtung 452 in einem Entladebetrieb derart betrieben, dass die ausgangsseitig im Hochvoltnetz 400 anliegende Ladung, bevorzugt aus dem Hochvoltkondensator CHV, in Richtung des Zwischenanschluss 300 transportiert wird und der Zwischenkondensator CZ aufgeladen wird. Hierzu empfängt oder ermittelt die Steuereinrichtung ein Signal, bevorzugt ein Fehlersignal, worauf die Steuereinrichtung 452 mit dem Entladebetrieb ein Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegenden elektrischen Ladung ausführt. Bevorzugt umfasst das Ladegerät eine erste Messeinrichtung (in der 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Messwert zu ermitteln, der die ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegende Spannung charakterisiert. Dies könnte eine erste Messeinrichtung zur direkten Ermittlung der Spannung ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers sein. Alternativ könnte auch mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen zur Ermittlung eines oder mehrerer elektrischer Parameter (Strom, Spannung) eingangs- und oder ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers und mittels einer angepassten Berechnung die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anliegende Spannung ermittelt werden oder charakterisiert werden. Ebenso kann ein entsprechender erster Messwert oder der Spannungswert zu der Steuereinrichtung 452, bevorzugt mittels eines Bussystems seitens einer Komponente aus dem Hochvoltnetz oder Bordnetz des Fahrzeugs, übertragen werden. Bevorzugt umfasst das Ladegerät eine zweite Messeinrichtung (in der 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt), die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Messwert zu ermitteln, der eine am zweipoligen Zwischenanschluss 300 anliegende Spannung charakterisiert. Dies könnte eine zweite Messeinrichtung zur direkten Ermittlung der Spannung am zweipoligen Zwischenanschluss 300 sein. Alternativ könnte auch mittels einer oder mehrerer Messeinrichtungen zur Ermittlung eines oder mehrerer elektrischer Parameter (Strom, Spannung) eingangs- und oder ausgangsseitig des Ladegerätes 500 und mittels einer angepassten Berechnung die am zweipoligen Zwischenanschluss 300 anliegende Spannung ermittelt werden oder charakterisiert werden. Ebenso kann ein entsprechender zweiter Messwert oder der Spannungswert zu der Steuereinrichtung 452, bevorzugt mittels eines Bussystems seitens einer Komponente aus dem Hochvoltnetz oder Bordnetz des Fahrzeugs, übertragen werden. Weiter umfasst das Ladegerät 500 eine Schaltungseinrichtung 402, bevorzugt einen zweiten Gleichspannungswandler, der dazu eingerichtet ist, eine Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung 452 für das Ladegerät 500 zu erzeugen. Bevorzugt ist die Schaltungseinrichtung 402 mit der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers 450 verbunden, so dass die Schaltungseinrichtung 402 Energie aus dem zu entladenden anschließbaren Hochvoltnetz 400 aufnehmen kann zur Versorgung der Steuereinrichtung 452. So ist eine zuverlässige Versorgung der Schaltungseinrichtung gewährleistet, solange ein zu entladendes Hochvoltnetz 400 an das Ladegerät angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 452 ist dazu eingerichtet, den Gleichspannungswandler 450 derart anzusteuern, dass in einem ersten Schritt zunächst die Ladung aus dem anschließbaren Hochvoltnetz 400 in den Zwischenkondensator CZ übertragen wird und in einem zweiten Schritt anschließend zurück in den Hochvoltkondensator CHV. Bei der Durchführung der beiden Schritte verringert sich die Menge der gespeicherten Ladung im Hochvoltnetz 400, da die Übertragung der Ladung durch den Gleichspannungswandler 450 ausreichend verlustbehaftet ist. Bevorzugt wird der Gleichspannungswandler 450 bei dem Durchführen mindestens eines der beiden Schritte im Entladebetrieb derart angesteuert, dass die Verluste des Gleichspannungswandlers 450 größer sind als in dem Ladebetrieb. Diese beiden Schritte werden nacheinander so oft wiederholt, bis der Hochvoltkondensator CHV so weit entladen ist, dass bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile eine Personengefährdung ausgeschlossen ist. Der erste und zweite Schritt werden jeweils abgebrochen, wenn das entsprechende vorgebbare Abbruchkriterium erfüllt ist. Das erste und zweite Abbruchkriterium wird bei jeder Wiederholung derart angepasst, dass mit Durchführung eines ersten oder zweiten Schrittes jeweils eine signifikante Entladung des Systems aus Ladegerät und Hochvoltnetz erfolgt. Das dritte Abbruchkriterium für den gesamten Entladevorgang wird derart vorgegeben, dass bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile, bevorzugt des Hochvoltnetzes, eine Personengefährdung ausgeschlossen ist.
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Eine beispielhafte Eingangsschaltung 200, eine beispielhafte PFC-Stufe , des Ladegerätes 500 umfasst eine erste 210, eine zweite 220 und eine dritte 230 Halbbrücke. Die erste, zweite und dritte Halbbrücke 210, 220, 230 umfasst jeweils eine Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter 211, 213, 215 und einem Low-Side-Schalter 212, 214, 216. Jeweils ein Mittenabgriff zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter einer Halbbrücke ist über jeweils eine erste, zweite und dritte Drossel 202, 204, 206 mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten Eingangsanschluss L1, L2, L3 der Eingangsanschlusseinheit 100 über jeweils eine erste, zweite und dritte Anschlussleitung 110, 120, 130 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der ersten Halbbrücke 210 über die erste Drossel 202 über die erste Anschlussleitung 110 mit dem ersten Eingangsanschluss L1 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der zweiten Halbbrücke 220 über die zweite Drossel 204 über die zweite Anschlussleitung 120 mit dem zweiten Eingangsanschluss L2 verbindbar. Somit ist der Mittenabgriff der dritten Halbbrücke 230 über die dritte Drossel 206 über die dritte Anschlussleitung 130 mit dem dritten Eingangsanschluss L3 verbindbar. Die Halb-brücken 210, 220, 230 sind parallel geschaltet. Deren Enden sind mit dem zweipoligen Zwischenanschluss 300 verbunden. Die High-Side-Schalter sind mit einem positiven Zwischenanschluss 310 und die Low-Side-Schalter mit einem negativen Zwischenanschluss 320 verbunden.
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Die 2 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 700 mit einem Antriebsstrang 600 mit einem Ladegerät 500. Die Eingangsanschlusseinheit 100 des Ladegerätes 500 ist bevorzugt über eine elektrische Verbindung über einen Laderanschluss 105 mit einer externen Energiequelle verbindbar. Bevorzugt wird eine externe Energiequelle über eine Wall-box mit dem Laderanschluss 105 verbunden. Diese Verbindung wird bevorzugt für den Ladebetrieb eingesetzt. Jedoch ist auch ein Rückspeisebetrieb möglich, bei dem Energie aus der Batterie 470 zurück zu der externen Energiequelle gespeist wird. Das Fahrzeug 700 ist hier nur bei-spielhaft mit vier Rädern dargestellt, wobei die Erfindung gleicherma-ßen in beliebigen Fahrzeugen mit einer beliebigen Anzahl an Rädern zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der beispielhaft dargestellte Antriebsstrang 600 umfasst mindestens ein Ladegerät 500 mit einer Steuereinrichtung 452. Bevorzugt umfasst das Ladegerät 500 eine Schaltungseinrichtung 402 (in dieser Abbildung nicht dargestellt) zur Erzeugung einer Versorgung für die Steuereinrichtung 452. Weiter umfasst der Antriebsstrang bevorzugt eine Batterie 470, einen Wechselrichter 472 und oder eine elektrische Maschine 474. Bevorzugt sind beliebige weitere Verbraucher, die bevorzugt weitere Kapazitäten zwischen den Hochvoltanschlüssen umfassen, an das Hochvoltnetz 400 des Antriebsstrangs 600 angeschlossen. Lediglich beispielhaft ist hier das Ladegerät 500 innerhalb des Fahrzeugs dargestellt. Das Ladegerät kann ebenso als eigenständiges Ladegerät 500 ausgestaltet sein, bevorzugt als Ladesäule oder Wall-box, und außerhalb eines Fahrzeugs angeordnet sein.
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3 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 800 zum Betrieb eines Ladegeräts 500. Das Verfahren 800 startet mit dem Schritt 805. In Schritt 810 wird ein Signal zum Entladen der ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegenden elektrischen Ladung empfangen. In Schritt 820 wird die Steuereinrichtung 452 über die Schaltungseinrichtung 402 mit elektrischer Energie versorgt. Hierzu wird die Schaltungseinrichtung 402 entsprechend angesteuert, bevorzugt werden entsprechende Schalteinrichtungen innerhalb der Schaltungseinrichtung 402 geschlossen und oder angesteuert. In Schritt 825 wird ein erster Messwert, der bevorzugt eine ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegende Spannung charakterisiert, ermittelt. In Schritt 830 wird der Gleichspannungswandler 450 in einem Entladebetrieb derart betrieben oder angesteuert, dass die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss 300 transportiert wird und der Zwischenkondensator CZ aufgeladen wird. Bevorzugt wird die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss 300 so lange transportiert, bis der ermittelte erste Messwert einem ersten Abbruchkriterium entspricht, bevorzugt einem ersten vorgebbaren Schwellwert entspricht, der ein Unterschreiten eines vorgebbaren ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegenden ersten Spannungswertes charakterisiert. In Schritt 840 wird bevorzugt ein zweiter Messwert ermittelt, der bevorzugt eine am zweipoligen Zwischenanschluss 300 anliegende Spannung charakterisiert. Bevorzugt wird in Schritt 850 der Gleichspannungswandler 450 mittels der Steuereinrichtung 452 derart angesteuert, dass die im Zwischenkondensator CZ vorhandene Ladung in Richtung der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers 450 transportiert wird und der mindestens eine Hochvoltkondensator CHV des anschließbaren Hochvoltnetzes 400 aufgeladen wird, bevorzugt bis der ermittelte zweite Messwert einem zweiten Abbruchkriterium entspricht, bevorzugt einem zweiten vorgebbaren Schwellwert entspricht, der ein Unterschreiten eines vorgebbaren am zweipoligen Zwischenanschluss 300 anliegenden zweiten Spannungswertes charakterisiert. Bevorzugt werden die Schritte zum Verschieben der Ladung aus dem Hochvoltnetz 400 in den Zwischenkondensator CZ, und von dem Zwischenkondensator CZ zurück in das Hochvoltnetz 400 wiederholt, bevorzugt mehrfach wiederholt, bis ein ermittelter dritter Messwert einem dritten Abbruchkriterium entspricht, bevorzugt einem dritten vorgebbaren Schwellwert entspricht, der ein Unterschreiten eines vorgebbaren ausgangsseitig am Gleichspannungswandler 450 anliegenden dritten vorgebbaren Spannungswert charakterisiert. Wobei bei den Wiederholungen als letzter Schritt bevorzugt Schritt 830 erfolgt, bei dem der Gleichspannungswandler 450 in einem Entladebetrieb derart betrieben oder angesteuert wird, dass die ausgangsseitig des Gleichspannungswandlers 450 anliegende Ladung in Richtung des Zwischenanschluss 300 transportiert wird und der Zwischenkondensator CZ aufgeladen wird Schritt. Folglich werden die Schritte nacheinander so oft wiederholt, bis das Hochvoltnetz 400 oder der Hochvoltkondensator CHV so weit entladen ist, dass bei einer Berührung der spannungsführenden Bauteile eine Personengefährdung ausgeschlossen ist. In Schritt 860 wird bevorzugt der Zwischenkondensators CZ mittels einer Entladeschaltung entladen. Dieser Schritt 860 kann auch parallel zu den anderen Schritten des Verfahrens ausgeführt werden. Mit Schritt 865 endet das Verfahren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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