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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein isolierendes Zweiwegekonstantstromwartungssystem auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung, das dem Gebiet der Batteriewartungsverwaltung angehört.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Derzeit benötigen Energiesparstationen, Elektrofahrzeuge usw. Batteriepackungen, die durch Schalten von Batteriezellen in Reihe gebildet sind. Batteriezellen variieren aufgrund von Herstellungsprozessen usw. hinsichtlich Batteriekapazität und Leistung. Beim Aufladen und Entladen der Batteriepackungen verstärken sich diese Variationen zwangsläufig und erhöhen dadurch das Risiko, die Batterien zu stark aufzuladen oder zu entladen, und reduzieren zugleich die Ausnutzung der Batteriepackungskapazität. Hält diese Situation an, so führt dies zu einem Teufelskreis, der die Beschädigung der Batterien beschleunigt. Um die Einheitlichkeit von Batteriepackungen weiter zu verbessern, die Ausnutzung der Batteriepackungskapazität zu steigern und die Lebensdauer von Batteriepackungen zu erhöhen, müssen Batteriepackungen gewartet werden. Batterien in einer Batteriepackung mit niedriger Restkapazität werden aufgeladen, und während diejenigen Batterien in einer Batteriepackung mit hoher Restkapazität entladen werden.
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Derzeitige Wartungsverfahren sind in Verfahren mit Energieverbrauch und Verfahren ohne Energieverbrauch unterteilt. Das Verfahren mit Energieverbrauch bezieht sich auf das Entladen von Batteriezellen mit hoher Restkapazität mittels Widerständen, um überschüssige Kapazität zu verbrauchen, damit die Kapazität der Batteriezellen in einer Batteriepackung einheitlich ist. Ein solches Verfahren ist einfach und kostengünstig, doch beruht es darauf, dass alle Batteriezellen mittels Widerständen entladen werden, um eine Übereinstimmung mit der Batteriezelle mit der geringsten Leistung zu erzielen, weshalb die Arbeitseffizienz äußerst gering ist und viel Elektrizität verschwendet wird. Verschiedene Verfahren ohne Energieverbrauch sind verfügbar, und zwar hauptsächlich drei Arten. Die erste Art bezieht sich auf die graduelle Energieübertragung in Batteriezellen, wobei die Energie in Batteriezellen hoher Kapazität an solche mit niedriger Kapazität übertragen wird. Wenn jedoch zwischen zwei Batteriezellen, zwischen denen Kapazität übertragen wird, eine relativ hohe Anzahl an Batteriezellen vorliegt, wird die Wartungseffizienz stark beeinträchtigt. Die zweite Art bezieht sich auf das Aufladen oder Entladen von Batteriezellen mithilfe einer isolierenden Einwegewartungsstromversorgung. Bei diesem Verfahren müssen alle Batteriezellen aufgeladen oder entladen werden, um die gleiche Kapazität zu erreichen, weshalb die Ausgleichseffizienz mittelmäßig ist; auch ist keine gleichzeitige Auf- und Entladung möglich. Die dritte Art bezieht sich auf die Wartung einer Batteriepackung mithilfe einer Zweiwegewartungsstromversorgung. Gemäß einem solchen Verfahren werden Batteriezellen mit niedriger Kapazität aufgeladen, während Batteriezellen mit hoher Kapazität are entladen werden, was dem Übertragen der Leistung von Batteriezellen mit hoher Kapazität an Batteriezellen mit niedriger Kapazität mittels zwei Umwandlungen entspricht, weshalb die Effizienz hoch ist und die Wartung schnell ist. Allerdings ist ein solches Verfahren schwer umzusetzen und kostspielig, und zudem wird normalerweise zusätzlich eine Übertraungstromversorgung zum Erreichen des Energieausgleichs benötigt.
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Um die technischen Nachteile der dritten Art des Wartungsverfahrens ohne Energieverbrauch zu beheben, stellt die vorliegende Erfindung ein isolierendes Zweiwegekonstantstromwartungssystem auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung bereit.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein isolierendes Zweiwegekonstantstromwartungssystem auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung bereitzustellen. Das System kann Batteriezellen, die aufgeladen werden müssen, und Batteriezellen, die entladen werden müssen, unter Auswahl aus der Batteriepackung während des Betriebs der Batteriepackung warten und die Aufladewartung und Entladewartung gleichzeitig ausführen, wodurch die Einheitlichkeit der Batteriepackung wirksam sichergestellt, die Energieausnutzung der Batteriepackung erhöht und die Lebenserwartung der Batteriepackung verlängert wird. Im Vergleich zum Stand der Technik reduziert die Systemlösung der vorliegenden Erfindung wirksam Kosten und überwindet den Nachteil einer allgemeinen Lösung, die eine unabhängige Gerätestromversorgung und eine ausgeglichene Stromversorgung benötigt; auch benötigt das System die Gerätestromversorgung nicht über längere Zeit hinweg, und nach der formellen Inbetriebnahme des Geräts kann das System unabhängig arbeiten und benötigt keine Stromversorgung.
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Um die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung ein isolierendes Zweiwegekonstantstromwartungssystem auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung bereit, das zum Warten von Batteriepackungen dient, die aus Batteriezellen bestehen. Das System beinhaltet eine Stromversorgung, einen elektronischen Schalter K1, einen Stromsensor, ein Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung und eine Vielzahl von Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen; wobei die Stromversorgung mit dem Stromsensor verbunden ist; der Stromsensor jeweils mit dem elektronischen Schalter K1 und der Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung verbunden ist; der elektronischen Schalter jeweils mit der Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung und den Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen verbunden ist; die Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung jeweils in Kommunikationsverbindung mit der Vielzahl von Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen steht; und die einzelnen Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen mit einer Batteriepackung verbunden sind.
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Die einzelnen Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen bestehen aus einer Wartungsschaltung, einer Batteriezellenerfassungsschaltung und einer Sekundär-MCU (mikroprogrammierten Steuereinheit); wobei die Sekundär-MCU jeweils mit der Wartungsschaltung und der Batteriezellenerfassungsschaltung verbunden ist.
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Die Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung besteht aus einer Batteriepackungserfassungsschaltung und einer Haupt-MCU; wobei die Haupt-MCU mit der Batteriepackungserfassungsschaltung verbunden ist; und die Batteriepackungserfassungsschaltung mit zwei Enden der Batteriepackung verbunden ist.
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Die Wartungsschaltung besteht aus einer PWM(Pulsweitenmodulations)-Steuerung, einem Filterkondensator LL1, einer Feldeffektröhre Q1, einem Transformator T, einer Feldeffektröhre Q2, einem Filterkondensator LL2, einem Taktungsschalter K, einem Signalschaltkreis, einem Steuerkreis und einem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis; wobei zwei Anschlusskontakte, a, b, einer Hauptspule des Transformators T jeweils mit einem Ende des Filterkondensators LL1 und einer Drain-Elektrode der Feldeffektröhre Q1 verbunden sind; eine Source-Elektrode der Feldeffektröhre Q1 mit dem anderen Ende des Filterkondensators LL1 verbunden ist und geerdet ist; zwei Anschlusskontakte, c, d, einer Sekundärspule des Transformators T jeweils mit einem Ende des Filterkondensators LL2 und einer Drain-Elektrode der Feldeffektröhre Q2 verbunden sind; eine Source-Elektrode der Feldeffektröhre Q2 mit dem anderen Ende des Filterkondensators LL2 und dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis verbunden ist; Gitterelektroden der Feldeffektröhre Q1 und der Feldeffektröhre Q2 jeweils mit dem Steuerkreis verbunden sind; der Anschlusskontakt a der Hauptspule und der Anschlusskontakt c der Sekundärspule des Transformators T jeweils mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis verbunden sind; die zwei Enden des Filterkondensators LL1 jeweils mit einer Anode und einer Kathode der Stromversorgung verbunden sind; die PWM-Steuerung jeweils mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis, dem Signalschaltkreis und der Stromversorgung verbunden ist; der Signalschaltkreis mit dem Steuerkreis verbunden ist; der Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis mit dem Taktungsschalter verbunden ist; und der Taktungsschalter mit einer überprüften Batteriepackung verbunden ist.
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Der Taktungsschalter besteht aus einer Vielzahl von Anodenschaltern K4 und Kathodenschaltern K5, die eins zu eins den Batteriezellen entsprechen; wobei ein Ende jedes Anodenschalters K4 mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis verbunden ist und das andere Ende mit der Anode der entsprechenden Batteriezelle verbunden ist; und ein Ende jedes Kathodenschalters K5 mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis verbunden ist und das andere Ende mit der Kathode der entsprechenden Batteriezelle verbunden ist.
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Vorzugsweise steht die PWM-Steuerung jeder Wartungsschaltung jeweils in Kommunikationsverbindung mit der Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung.
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Der Kommunikationsmode der vorliegenden Erfindung kann CAN-Kommunikation, RS485-Kommunikation, GPRS, WLAN, 2,4 G, Bluetooth usw. sein.
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Vorzugsweise ist die Stromversorgung ein Schaltnetzteil oder eine Akkumulatorenergiesparvorrichtung.
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Vorzugsweise besteht der Signalschaltkreis aus zwei einpoligen Zweiwegeumschaltern K2, K3; wobei ein Ende jedes einpoligen Zweiwegeumschalters K2, K3 jeweils mit einem PWMA-Anschluss und einem PWMB-Anschluss der PWM-Steuerung verbunden ist und das andere Ende mit dem Steuerkreis verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung weist folgende Vorteile auf. Das System insgesamt benötigt keine dauerhafte oder langfristige Stromversorgung; sobald das System normal arbeitet, kann die Stromversorgung ausschaltend gesteuert werden; dabei erreicht die Steuerung eines Wartungskanals Busstromversorgungsausgleich mittels Aufladungs- und Entladewartung, die mithilfe des Stromsensors und der Wartungsschaltung ausgeführt wird, wodurch der Nachteil anderer Systemlösungen vermieden wird, die eine unabhängige und stabile langfristige Stromversorgung und eine unabhängige ausgeglichene Stromversorgung benötigen. Das gesamte Systemkann Aufladewartung und Entladewartung an mehreren wartungsbedürftigen Batterien zugleich ausführen. Die von der PWM-Steuerung erzeugten PWM-Signale werden durch den Signalschaltkreis an den Steuerkreis der Feldeffektröhren gesendet; der the Steuerkreis der Feldeffektröhren steuert die Feldeffektröhren an; der Taktungsschalter taktet eine der Batteriezellen in einem Batteriemodul und bewirkt eine Aufladung oder Entladung der Batteriezelle. Die PWM-Steuerung erzeugt zwei PWM-Signale, PWMA und PWMB, wobei PWMA ein Hauptanregungssignal ist und PWMB ein synchrones Gleichrichtungssignal ist. Während der Aufladung steuert das PWMA-Signal die Feldeffektröhre Q1 und das PWMB-Signal steuert die Feldeffektröhre Q2. Während der Entladung steuert das PWMA-Signal die Feldeffektröhre Q2 und das PWMB-Signal steuert die Feldeffektröhre Q1. Der Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis ermöglicht eine Konstantstromaufladung oder -entladung und koppelt zugleich Spannung zurück, um einen Überspannungsschutz zu erzielen. Das isolierende Zweiwegekonstantstromwartungssystem auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung weist die Vorteile einer geringen Größe, niedriger Kosten, hoher Leistungswandlungseffizienz, Zweiwege- und konstanter Wartung und geringer Beanspruchung der Stromversorgung auf. Das System kann die Ausnutzung der Batterie rasch erhöhen und die Lebensdauer der Batteriepackung wirksam verlängern.
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KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Strukturansicht eines isolierenden Zweiwegekonstantstromwartungssystems auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung der vorliegenden Erfindung;
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2 ist ein Schaltbild einer Wartungsschaltung der vorliegenden Erfindung;
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3 ist ein Schaltbild der Verbindung mehrerer Wartungsschaltungen der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung wird in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den Ausführungsformen weiter beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, dient ein isolierendes Zweiwegekonstantstromwartungssystem auf Grundlage einer Stromversorgung gemeinsam genutzter Ausrüstung, das zum Warten von Batteriepackungen, die aus Batteriezellen bestehen, und beinhaltet eine Stromversorgung, einen elektronischen Schalter K1, einen Stromsensor, eine Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung und eine Vielzahl von Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen, wobei die Stromversorgung mit dem Stromsensor verbunden ist; der Stromsensor jeweils mit dem elektronischen Schalter K1 und der Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung verbunden ist; der elektronischen Schalter jeweils mit der Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung und den Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen verbunden ist; die Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung jeweils in Kommunikationsverbindung mit der Vielzahl von Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen steht; und die einzelnen Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen mit einer Batteriepackung verbunden sind;
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Die einzelnen Sekundärbatterieverwaltungssystemsteuerungen bestehen aus einer Wartungsschaltung, einer Batteriezellenerfassungsschaltung und einer Sekundär-MCU (mikroprogrammierten Steuereinheit); und die Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung besteht aus einer Batteriepackungserfassungsschaltung und einer Haupt-MCU. Die einzelnen Sekundär-MCUs sind jeweils mit der Wartungsschaltung und der Batteriezellenerfassungsschaltung verbunden; die Batteriezellenerfassungsschaltung ist mit zwei Enden einer Batteriezelle verbunden, um Daten wie etwa Spannung, Strom und Temperatur der Batteriezelle zu erfassen. Die Haupt-MCU ist mit der Batteriepackungserfassungsschaltung verbunden und die Batteriepackungserfassungsschaltung ist mit den zwei Enden einer Batteriepackung verbunden, um Daten wie etwa Spannung, Strom und Temperatur der Batteriepackung insgesamt zu erfassen.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, beinhaltet die Wartungsschaltung eine PWM(Pulsweitenmodulations)-Steuerung, einen Filterkondensator LL1, eine Feldeffektröhre Q1, einen Transformator T, eine Feldeffektröhre Q2, einen Filterkondensator LL2, einen Taktungsschalter K, einen Signalschaltkreis 1, einen Steuerkreis 2 und einen Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis 3; wobei zwei Anschlusskontakte, a, b, einer Hauptspule des Transformators T jeweils mit einem Ende des Filterkondensators LL1 und einer Drain-Elektrode der Feldeffektröhre Q1 verbunden sind; eine Source-Elektrode der Feldeffektröhre Q1 mit dem anderen Ende des Filterkondensators LL1 verbunden ist und geerdet ist; zwei Anschlusskontakte, c, d, einer Sekundärspule des Transformators T jeweils mit einem Ende des Filterkondensators LL2 und einer Drain-Elektrode der Feldeffektröhre Q2 verbunden sind; eine Source-Elektrode der Feldeffektröhre Q2 mit dem anderen Ende des Filterkondensators LL2 und dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis 3 verbunden ist; Gitterelektroden der Feldeffektröhre Q1 und der Feldeffektröhre Q2 jeweils mit dem Steuerkreis 2 verbunden sind; der Anschlusskontakt a der Hauptspule und der Anschlusskontakt c der Sekundärspule des Transformators T jeweils mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis 3 verbunden sind; die zwei Enden des Filterkondensators LL1 jeweils mit einer Anode und einer Kathode der Stromversorgung verbunden sind; die PWM-Steuerung jeweils mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis 3, dem Signalschaltkreis 1 und der Stromversorgung verbunden ist; der Signalschaltkreis 1 mit dem Steuerkreis 2 verbunden ist; der Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis 3 mit dem Taktungsschalter verbunden ist; und der Taktungsschalter mit einer überprüften Batteriepackung verbunden ist.
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Der Taktungsschalter beinhaltet eine Vielzahl von Anodenschaltern K4 und Kathodenschaltern K5, die eins zu eins den Batteriezellen entsprechen; wobei ein Ende jedes Anodenschalters K4 mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis verbunden ist und das andere Ende mit der Anode der entsprechenden Batteriezelle verbunden ist; und ein Ende jedes Kathodenschalters K5 mit dem Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis verbunden ist und das andere Ende mit der Kathode der entsprechenden Batteriezelle verbunden ist.
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Die PWM-Steuerung jeder Wartungsschaltung steht jeweils in Kommunikationsverbindung mit der Hauptbatterieverwaltungssystemsteuerung. Die Stromversorgung ist ein Schaltnetzteil oder eine Akkumulatorenergiesparvorrichtung.
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Der Signalschaltkreis besteht aus zwei einpoligen Zweiwegeumschaltern K2, K3; wobei ein Ende jedes einpoligen Zweiwegeumschalters K2, K3 jeweils mit einem PWMA-Anschluss und einem PWMB-Anschluss der PWM-Steuerung verbunden ist und das andere Ende mit dem Steuerkreis verbunden ist. Der Steuerkreis steuert das Aktivieren der Feldeffektröhren Q1, Q2. Der Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis wird unter Verwendung bestehender, ausgereifter Techniken implementiert.
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Die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung ist wie folgt. Die PWM-Steuerung erzeugt zwei PWM-Signale, PWMA und PWMB, wobei PWMA ein Hauptanregungssignal ist und PWMB ein synchrones Gleichrichtungssignal ist. PWMA und PWMB werden durch den Signalschaltkreis 1 an die Feldeffektröhre Q1 und die Feldeffektröhre Q2 geleitet. Während der Aufladung steuert das PWMA-Signal die Feldeffektröhre Q1 und das PWMB-Signal steuert die Feldeffektröhre Q2. Während der Entladung steuert das PWMA-Signal die Feldeffektröhre Q2 und das PWMB-Signal steuert die Feldeffektröhre Q1. Der Taktungsschalter K steuert eine der Batteriezellen in der überprüften Batteriepackung zur Auswahl und kann die ausgewählte Batteriezelle aufladen oder entladen. Der Spannung-Strom-Erfassungs- und -rückkopplungskreis 3 erfasst die Stärke des Auflade- oder Entladestroms und speist die erfassten Daten in die PWM-Steuerung ein, um eine Konstantstromauf- oder -entladung zu erzielen, und erfasst Spannungen auf beiden Seiten zugleich, um einen Überspannungsschutz zu erzielen. Die Ein-Aus-Sequenz der Feldeffektröhre Q1 und the Feldeffektröhre Q2 während des Aufladens ist wie folgt. I. Die Feldeffektröhre Q1 wird eingeschaltet; die Feldeffektröhre Q2 wird ausgeschaltet; und die Energie in der Stromversorgung wird über die Feldeffektröhre Q1 an den Transformator T übertragen; II. Die Feldeffektröhre Q1 wird ausgeschaltet; die Feldeffektröhre Q2 wird ausgeschaltet; die Energie im Transformator T wird über eine Body-Diode der Feldeffektröhre Q2 an den Filterkondensator LL2 und die Batteriezelle übertragen; dieser Vorgang ist kurz und Totzonenzeit; III. Die Feldeffektröhre Q1 wird ausgeschaltet; die Feldeffektröhre Q2 wird eingeschaltet; die Energie im Transformator T wird über die Feldeffektröhre Q2 an den Filterkondensator LL2 und die Batteriezelle übertragen; der Einschaltspannungsabfall der Feldeffektröhre Q2 ist wesentlich geringer als der Einschaltspannungsabfall ihrer Body-Diode, weshalb die Effizienz des Stromversorgungsausgleich vermittels des Einschaltens der Feldeffektröhre Q2 für synchrone Gleichrichtung stark erhöht wird; IV. Die Feldeffektröhre Q1 wird ausgeschaltet; die Feldeffektröhre Q2 wird ausgeschaltet; dieser Vorgang ist kurz und Totzonenzeit. Hiermit endet ein Zyklus. Der Aufladevorgang ist der kontinuierliche Kreislauf dieser vier Prozesse. Während der Entladung ist die Zeitsequenz der Feldeffektröhre Q1 und der Feldeffektröhre Q2 umgekehrt zum Aufladevorgang.
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Die hier beschriebene spezifische Ausführungsform dient lediglich zur Veranschaulichung des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung. Fachleute können anhand der beschriebenen spezifischen Ausführungsformen verschiedene Änderungen oder Ergänzungen oder Ersetzungen vornehmen. Die Änderungen, Ergänzungen und Ersetzungen fallen in den Schutzumfang, den die Ansprüche der vorliegenden Erfindung geltend machen.
