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Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Ladevorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, und insbesondere auf ein Mittel und ein Verfahren zum Aufladen einer Hochspannungsbatterie unter Verwendung einer Niederspannungsbatterie.
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Elektrisch betriebene Fahrzeuge reduzieren sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch Abgasemissionen, indem sie elektrische Antriebssysteme einsetzen, die von einer Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung (HV-ESD, high voltage energy storage device) bestromt werden, wie zum Beispiel einer HV-Batterie (high voltage battery). Batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs, battery electric vehicles) und Plug-in-Elektrofahrzeuge (PEVs, plug-in electric vehicles) können so entworfen sein, dass sie völlig auf elektrische Motorleistung angewiesen sind, während Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs, hybrid electric vehicles) und Plug-in-HEVs (PHEVs) möglicherweise ein Elektroantriebssystem in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor verwenden. Anders als herkömmliche Fahrzeuge, bei denen eine Niederspannungsbatterie die zum Starten eines Verbrennungsmotors erforderliche Energie bereitstellt, ist ein HEV auf eine HV-Batterie oder eine andere Art von HV-ESD zum Starten eines Fahrzeugs angewiesen, anstelle eines herkömmlichen Anlassers zum Anwerfen des Verbrennungsmotors. Während Plug-in-Fahrzeuge für den Anschluss an eine Wandsteckdose oder ein Stromnetz ausgelegt sind, um ein HV-Batteriepaket unter Verwendung von Wechselspannung wiederaufzuladen, sind Standard-HEVs im Allgemeinen nicht mit dieser Fähigkeit entworfen worden. Stattdessen wird eine HEV-Batterie typischerweise durch den Fahrzeug-Verbrennungsmotor und Bremsenergierückgewinnung aufgeladen, während das Fahrzeug betrieben wird. Wenn ein HEV nicht gestartet werden kann, kann deswegen das Aufladen seiner entleerten Batterie eine Herausforderung darstellen.
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Zusätzlich zu seinen umweltfreundlichen Merkmalen kann ein HEV auch einige verbraucherfreundliche Merkmale aufweisen. Zum Beispiel kann ein HEV ein Merkmal zum Starten ohne Schlüssel aufweisen, bei dem ein Nutzer das Fahrzeug starten kann, indem er entweder eine Starttaste am Armaturenbrett betätigt oder indem er einen Schlüsselanhänger in die Nähe eines Detektors bringt, der das Fahrzeug als Reaktion auf die Schlüsselanhänger-Detektion starten kann. Obwohl diese Merkmale angenehm sein können, können sie unglücklicherweise auch Nachlässigkeiten des Nutzers fördern. Zum Beispiel können es solche Merkmale einem Fahrer leicht machen, aus Versehen aus einem Elektrofahrzeug auszusteigen und wegzugehen, während es noch läuft. Bei einem herkömmlichen Auto, sogar bei denen, die relativ leise sind, kann im Allgemeinen der Verbrennungsmotor innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs gehört werden, wenn er läuft. Infolgedessen ist die Wahrscheinlichkeit relativ gering, dass ein Fahrer ein Fahrzeug unabsichtlich verlässt, wenn der Verbrennungsmotor noch in Betrieb ist. Weiterhin ist es im Allgemeinen erforderlich, vor dem Abziehen eines Zündschlüssels den Verbrennungsmotor abzuschalten. Allerdings ist bei einem HEV, dessen Elektroantriebssystem noch läuft, der Verbrennungsmotor jedoch nicht, kein Geräusch vorhanden, um den Nutzer eines geparkten Fahrzeugs daran zu erinnern, dass das Fahrzeugantriebssystem noch eingeschaltet ist und Leistung aufnimmt. Bei einem Fahrzeug, bei dem es keinen nach dem Parken abzuziehenden Schlüssel gibt, kann es für einen Fahrer sogar noch leichter sein, das Abschalten des Fahrzeugs zu vergessen. Das Verlassen eines eingeschalteten Fahrzeugs für relativ kurze Dauer, zum Beispiel zum Lebensmitteleinkauf oder während eines Einkaufsbummels im Einkaufszentrum, stellt möglicherweise kein ernsthaftes Problem dar, es sei denn, der Ladezustand der Batterie ist bereits niedrig. Allerdings kann das Verlassen des geparkten und eingeschalteten Fahrzeugs für eine längere Dauer die Hochspannungsbatterie bis zu einem Punkt entladen, an dem sie das Fahrzeug nicht mehr starten kann. Zum Beispiel parkt möglicherweise ein Fahrer in seiner Eile, am Flughafen einen Flug zu erreichen, sein Fahrzeug, lädt schnell sein Gepäck aus und rennt hektisch zum Terminal. In seiner Hast könnte er vollständig vergessen, sein HEV abzuschalten. Bei seiner Rückkehr nach 4–5 Tagen ist er möglicherweise nicht in der Lage, den Verbrennungsmotor anzuwerfen, weil die Spannung der HV-Batterie unter einem Minimum liegt, das zum Starten des Fahrzeugs erforderlich ist. Anders als der Besitzer eines BEV oder PHEV, der sein Fahrzeug an einem öffentlichen Ladestromnetz am Flughafen anschließen kann, um eine Batterie wiederaufzuladen, wird ein HEV-Besitzer sich Hilfe von außen holen müssen. Sehr zu seinem Leidwesen und besonders, wenn es spät in der Nacht ist, wird er Kontakt zu einem Pannendienst aufnehmen müssen, der ein Service-Fahrzeug schicken kann, das zum Aufladen der entleerten Batterie oder zum Abschleppen zu einem Autohaus ausgerüstet ist. Zu einer ähnlichen Situation kann es unter anderen Umständen kommen, wie zum Beispiel, wenn das Fahrzeug zu Hause unabsichtlich eingeschaltet gelassen wird, wenn ein Batteriefunktionsfehler auftritt oder während das Fahrzeug in einer Kundendienstwerkstatt repariert wird. Die Batterieladeausrüstung kann häufig einen Spannungswandler enthalten, der zum Aufladen einer Batterie angepasst ist. Es wird möglicherweise eine mechanische Verriegelung verwendet, um die Ausrüstung mit der entleerten HV-Batterie zu verbinden. Einer der Hauptnachteile derzeitiger Wiederauflademethoden ist, dass die HV-Batterie aufgeladen wird, während sie mit einer oder mehreren Fahrzeugkomponenten oder -systemen verbunden ist, d. h. die HV-Batterie ist „online“, um die notwendigen Steuernachrichten zu empfangen, die erforderlich sind, um das Batterieaufladen zu gestatten und zu ermöglichen.
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Ein Beispielsystem kann eine Hochspannungs-Aufladevorrichtung (HVCA, high voltage charging apparatus), eine Niederspannungs-ESD (LV-ESD, low voltage ESD), die zum Bereitstellen von Energie für die HVCA ausgelegt ist, und eine Hochspannungs-ESD (HV-ESD, high voltage ESD) enthalten, die einen Spannungspegel aufweist, der angehoben werden soll. Die HVCA kann dazu ausgelegt sein, Strom von der LV-ESD zu empfangen und Strom für die HV-ESD bereitzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine HV-ESD als ein HV-Lithium-Ionen-HEV-Batteriepaket ausgeführt sein, und eine LV-ESD kann als eine Niederspannungsbatterie ausgeführt sein, wie zum Beispiel eine 12-V-Blei-Säure-Fahrzeugbatterie. Ein Beispielsystem kann weiterhin ein Zusatzaufladegerät enthalten, das dazu ausgelegt ist, die Spannung der LV-ESD anzuheben. In einem Beispielsystem kann eine HVCA dazu ausgelegt sein, mit einem Steuerungsmodul für eine HV-ESD zu kommunizieren, so dass die HV-ESD aufgeladen werden kann, während sie offline ist, abgekoppelt von jeder Fahrzeugverbrauchsstelle.
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In einem Ausführungsbeispiel kann eine HVCA ein Booster-Paket, Mittel zur elektrischen Verbindung des Booster-Pakets mit einer HV-ESD und Mittel zur elektrischen Verbindung des Booster-Pakets mit einer LV-ESD enthalten. Ein beispielhaftes Booster-Paket kann einen Gleichspannungswandler enthalten, der dazu ausgelegt ist, eine niedrigere Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung zu wandeln, sowie ein Kommunikationsmodul, das dazu ausgelegt ist, mit einem Steuerungsmodul für die HV-ESD zu kommunizieren. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Kommunikationsmodul einen CAN-Controller-Transmitter (CAN, Controller Area Network) umfassen, der dazu ausgelegt ist, mit einem CAN-Controller in einem HV-ESD-Steuerungsmodul über einen CAN-Bus zusammenzuarbeiten und zu kommunizieren.
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Ein Booster-Paket kann weiterhin ein Steuerungsmodul enthalten, das dazu ausgelegt ist, den Betrieb der HVCA zu koordinieren und zu steuern. Zum Beispiel kann ein Steuerungsmodul einen Mikroprozessor umfassen, der elektrisch mit verschiedenen Komponenten des Booster-Pakets verschaltet ist. Zusätzlich kann ein HVCA-Booster-Paket ein Nutzerschnittstellenmodul umfassen, das dazu ausgelegt ist, Eingaben eines Nutzers zu empfangen. Das Nutzerschnittstellenmodul kann weiterhin einen Anzeiger enthalten, der dazu ausgelegt ist, einem Nutzer einen oder mehrere betriebliche Aspekte der HVCA oder anderer Systemkomponenten anzuzeigen. In einem Ausführungsbeispiel kann ein Anzeiger eine Leuchte umfassen, die eingeschaltet ist, wenn die HVCA mit Leistung versorgt wird. Als weiteres Beispiel kann ein Anzeiger ein Display umfassen, wie zum Beispiel ein LED-Display, das einen oder mehrere HV-ESD-Parameter übermitteln kann, wie zum Beispiel die Spannung und/oder den Ladezustand (SOC, state of charge) in Echtzeit.
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Ein Beispielverfahren zum Aufladen einer HV-ESD kann das Verschalten einer HVCA mit einem Steuerungsmodul für eine HV-ESD, das Verschalten einer HVCA mit einer LV-ESD und das Verschalten einer HVCA mit einer HV-ESD enthalten. Ein Verfahren kann damit fortgesetzt werden, dass Nutzereingaben empfangen werden. Zum Beispiel kann ein Nutzer eine HVCA einschalten. Ein Beispielverfahren kann auch enthalten, dass die HVCA mit dem HV-ESD-Steuerungsmodul kommuniziert, als nicht einschränkendes Beispiel über einen CAN-Bus. Ein Verfahren kann mit der Übertragung von Energie an die HV-ESD fortgesetzt werden. Ein Beispielverfahren kann enthalten, die Energieübertragung nach einem vorbestimmten Zeitraum oder nach der Übertragung einer vorbestimmten Energiemenge zu beenden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt ein Beispielsystem zum Aufladen einer HV-ESD.
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2 zeigt ein Beispielsystem zum Aufladen einer HV-ESD.
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3 stellt bildlich ein beispielhaftes HV-Aufladegerätepaket (HVCA) zum Aufladen einer HV-ESD dar.
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4 zeigt ein Beispielverfahren zum Aufladen einer HV-ESD.
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Wie erforderlich werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart. Die verschiedenen Ausführungsformen sind als nicht einschränkende Beispiele für verschiedene Arten zum Umsetzen der Erfindung gedacht, und es versteht sich, dass die Erfindung möglicherweise in alternativen Formen ausgeführt wird. Die vorliegende Erfindung wird hierin nachstehend ausführlicher mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Nummern durchweg in den verschiedenen Figuren dieselben Elemente bezeichnen, und in denen Ausführungsbeispiele gezeigt werden. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details besonderer Elemente zu zeigen, während verwandte Elemente möglicherweise ausgeschlossen wurden, um zu verhindern, dass neuartige Aspekte unklar werden. Hierin offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details sollen nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine Grundlage der Ansprüche und als eine repräsentative Grundlage, um einen Fachmann darüber zu unterrichten, die vorliegende Erfindung verschiedenartig anzuwenden. Während zum Beispiel die Ausführungsbeispiele im Kontext eines Fahrzeugs erörtert werden, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese besondere Anordnung eingeschränkt ist. Zusätzlich werden möglicherweise Aktionen, die als Teil eines Verfahrens oder Prozesses beschrieben werden, aus Gründen der Unterrichtung über die Anwendung der Erfindung in einer besonderen Reihenfolge beschrieben. Allerdings sollte solch eine Beschreibung nicht so verstanden werden, dass sie die Erfindung auf eine besondere beispielhafte Reihenfolge einschränkt, da die Aktionen möglicherweise gleichzeitig oder in alternativer Reihenfolge ausgeführt werden.
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Es wird jetzt Bezug auf die verschiedenen Zeichnungen genommen, in denen gleiche Referenznummern durchweg gleiche Elemente bezeichnen: 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Beispielsystems 2, in dem eine Hochspannungs-Aufladevorrichtung 4 (HVCA) dazu ausgelegt sein kann, eine Hochspannungs-Energiespeichereinrichtung 14 (HV-ESD) unter Verwendung einer Niederspannungs-ESD 18 (LV-ESD) aufzuladen. In einem Beispielsystem kann die HV-ESD 14 Teil eines Elektroantriebssystems (EDS, electric drive system) in einem ersten Fahrzeug 15 sein. Zum Beispiel kann das erste Fahrzeug 15 die Form eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) haben, das eine HV-ESD aufweist, die als eine HV-Traktionsbatterie ausgeführt und dazu ausgelegt ist, Energie für ein HEV-Elektroantriebssystem bereitzustellen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine HV-Traktionsbatterie dazu ausgelegt sein, eine Spannung von etwa 300 Volt über ihren Anschlusspunkten aufzuweisen, wenn sie voll aufgeladen und betriebsbereit ist.
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In einem Beispielsystem kann die LV-ESD 18 als eine herkömmliche Niederspannungs-Blei-Säure-Batterie ausgeführt sein, die eine Nennspannung von ungefähr 12–15 V aufweist und in einem Fahrzeug 19 angeordnet ist. Das Fahrzeug 19 kann ein herkömmliches Fahrzeug sein, das einen Verbrennungsmotor (ICE, internal combustion engine) aufweist, oder ein Elektrofahrzeug, wie zum Beispiel ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV), ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder ein Plug-in-HEV (PHEV). In einem Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug 19 ein Service-Fahrzeug, das mit einer 15-V-Blei-Säure-Batterie ausgestattet ist.
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Unter verschiedenen Umständen kann die HV-ESD 14 bis zu dem Punkt entleert werden, an dem sie nicht mehr in der Lage ist, die zum Starten des Verbrennungsmotors notwendige Energie bereitzustellen. Zum Beispiel kann ein Fahrer das eingeschaltete Fahrzeug 15 für eine längere Dauer unbeaufsichtigt zurücklassen, wie zum Beispiel bei mehrtägigem Abstellen auf einem Flughafenparkplatz. Alternativ kann eine HV-ESD entleert werden, während ein Fahrzeug gewartet wird oder als Ergebnis einer Fehlfunktion der Batterie. Wenn die HV-ESD 14 dazu ausgelegt ist, die oben beschriebene Nennspannung bereitzustellen, jedoch bis zu dem Punkt entleert ist, an dem ihre Spannung unter ungefähr 220 V fällt, ist sie möglicherweise nicht mehr in der Lage, das Fahrzeug 15 zu starten. Das gleiche Problem kann auftreten, wenn der Ladezustand (SOC) der HV-ESD 14, der über 35% liegen sollte, auf 0% fällt.
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Unter Umständen, bei denen die HV-ESD 14 bis zu dem Punkt entleert ist, an dem sie das Fahrzeug 15 nicht mehr starten kann, kann die HVCA 4 dazu verwendet werden, die Spannung der HV-ESD 14 und/oder den SOC auf einen höheren Pegel anzuheben. In einem Ausführungsbeispiel kann die HVCA 4 dazu ausgelegt sein, die HV-ESD 14 offline aufzuladen, wodurch sie ermöglicht, dass die HV-ESD 14 während des Wiederaufladeprozesses von anderen Fahrzeugsystemen und -verbrauchsstellen abgekoppelt ist. Somit kann ein erfindungsgemäßes System ausgelegt werden, um eine sichere, wirkungsvolle und relativ schnelle Alternative zu den derzeit in der Technik eingesetzten Aufladesystemen und -protokollen bereitzustellen, die eine HV-ESD aufladen, während sie online ist. In einem Ausführungsbeispiel kann die HVCA 4 Folgendes aufweisen: ein tragbares Booster-Paket 6, ein Mittel 8 zum elektrischen Verschalten des Booster-Pakets 6 (BP) mit der HV-ESD 14, ein Mittel 10 zum elektrischen Verschalten des Booster-Pakets 6 mit einem ESD-Steuerungsmodul 16 (ECM, electronic control module), das mit der HV-ESD 14 verknüpft ist, und ein Mittel 12 zum elektrischen Verschalten des Booster-Pakets 6 mit der LV-ESD 18. Die HVCA 4 kann dazu ausgelegt sein, Energie von der LV-ESD 18 zu empfangen und Energie für die HV-ESD 14 bereitzustellen, um deren Spannung auf einen Pegel anzuheben, an dem sie das Fahrzeug 15 starten kann. Vorteilhafterweise kann die HVCA 4 dazu ausgelegt sein, eine Fahrzeugverriegelungseinrichtung zu überbrücken. In Systemen nach dem Stand der Technik veranlasste das Drehen des Zündschlüssels in einem entladenen Fahrzeug die Übertragung einer vom Fahrzeug generierten CAN-Nachricht an ein ECM zum Aufladen einer HV-ESD. Wie unten beschrieben werden wird, kann die HVCA 4 dazu ausgelegt sein, die erforderlichen Steuernachrichten für das ECM 16 zu übertragen.
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2 zeigt ein Beispielsystem 20, das eine beispielhafte HVCA 40 umfasst. In diesem Beispiel ist eine LV-ESD als eine LV-Batterie 22 ausgeführt, die einen Plus-Anschlusspunkt 23 und einen Minus-(oder Masse-)Anschlusspunkt 24 aufweist.
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Analog ist eine HV-ESD als eine HV-Batterie 26 ausgeführt, die einen Plus-Anschlusspunkt 25 und einen Minus- oder Masse-Anschlusspunkt 26 aufweist. Das ECM 16 kann als ein Batterieenergie-Steuerungsmodul 28 (BECM, battery energy control module) ausgeführt sein, das dazu ausgelegt ist, einen oder mehrere Aspekte des Betriebs der HV-Batterie 26 zu steuern. In einem Ausführungsbeispiel kann das BECM 28 dazu ausgelegt sein, mit anderen Modulen oder Systemen im Fahrzeug 15 zusammenzuarbeiten. Zum Beispiel kann das BECM 28 dazu ausgelegt sein, Kommunikations- und Steuersignale über einen Controller-Area-Network-Bus (CAN-Bus) (nicht dargestellt) im Fahrzeug 15 zu übertragen und zu empfangen.
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Wie aus der Technik bekannt ist, ist ein CAN-Bus ein serielles Bussystem, das zur Vernetzung intelligenter Einrichtungen entworfen ist. Er wird häufig in Automobilsystemen verwendet, um elektronische Einrichtungen kommunizierend miteinander zu verbinden und gleichzeitig die Komplexität und die Kosten von Punkt-zu-Punkt Leitungssystemen zu vermeiden. Da es robust und zuverlässig ist, ermöglicht es ein CAN-Netzwerk Einrichtungen, über eine einzelne elektronische Steuereinheiten-Schnittstelle (ECU, electronic control unit) zu kommunizieren, die Analogeingänge an jeder einzelnen Einrichtung überflüssig macht. Jede mit einem CAN-Netzwerk verschaltete Einrichtung kann einen CAN-Controller-Chip umfassen und alle über einen CAN-Bus übertragenen Nachrichten empfangen. Der CAN-Controller-Chip kann bestimmen, ob eine CAN-Nachricht relevant für die Einrichtung ist, mit der er verknüpft ist. Sowohl High-Speed- als auch Low-Speed-CAN-Standards sind etabliert. Für zusätzliche Informationen über CAN-Netzwerkumsetzungen und -protokolle siehe „Introduction to the Controller Area Network (CAN)", Application Report SLOA 101 von Steve Corrigan, August 2002, Herausgeber Texas Instruments, welcher hierin in seiner Gesamtheit durch Verweis einbezogen ist. In einem Ausführungsbeispiel kann das BECM 28 dazu ausgelegt sein, als Reaktion auf den Empfang einer oder mehrerer besonderer CAN-Nachrichten die Schließung eines oder mehrerer Relais zu steuern, die es der HV-Batterie 26 ermöglichen, Ladung aus einer Aufladevorrichtung zu empfangen. Zum Beispiel können die Relais 30 und 34 geschlossen werden, um die Zellen der HV-Batterie 26 mit einer Aufladeeinrichtung für die HV-Batterie 26 zu verschalten.
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Die beispielhafte HVCA 40 kann ein Booster-Paket 70 umfassen, das Kabel und Verbinder aufweist, die dazu ausgelegt sind, eine Niederspannungs-ESD und eine Hochspannungs-ESD zu verbinden. Zum Beispiel kann die HVCA 40 Folgendes umfassen: ein Kabel 42, das einen Verbinder 44 aufweist, der zum Verschalten mit dem Plus-Anschlusspunkt 25 der LV-Batterie 26 ausgelegt ist, ein Kabel 46, das einen Verbinder 48 aufweist, der zum Verschalten mit dem Minus-Anschlusspunkt 27 der LV-Batterie 26 ausgelegt ist, ein Kabel 52, das einen Verbinder 54 aufweist, der zum Verschalten mit dem Plus-Anschlusspunkt 21 der HV-Batterie 24 ausgelegt ist, und ein Kabel 56, das einen Verbinder 58 aufweist, der zum Verschalten mit dem Minus-Anschlusspunkt 23 der HV-Batterie 24 ausgelegt ist. Die beispielhafte HVCA kann ebenfalls eine oder mehrere Leitungen oder Kabel 60 umfassen, die zum Verschalten mit einem BECM 28 ausgelegt sind. Es versteht sich, dass sich die Original-ECM-Ausrüstung möglicherweise bei besonderen Fahrzeugversionen und -modellen unterscheidet. Im Ergebnis unterscheiden sich möglicherweise die Schnittstellen, Kabel und Verbinder, die zum Verbinden einer HVCA mit einem ECM, einer HV-ESD und einer LV-ESD ausgelegt sind, weil die HVCAs für besondere Originalausrüstungen angepasst sein können.
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In einem Ausführungsbeispiel kann das Booster-Paket 70 ein Gleichspannungswandlermodul 72 (DCDC), ein Steuerungsmodul 74 (CTRL), ein Kommunikationsmodul 76 (COMM) und ein Nutzerschnittstellenmodul 78 umfassen. Das Gleichspannungswandlermodul 72 kann einen Gleichspannungswandler umfassen, der dazu ausgelegt ist, eine Eingangsspannung in eine höhere Ausgangsspannung zu wandeln. Das Steuerungsmodul 74 kann Hardware, Software, Firmware oder irgendeine Kombinationen daraus umfassen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerungsmodul 74 einen programmierbaren Microcontroller oder Microsequencer umfassen, der zum Steuern und/oder zum Koordinieren verschiedener Operationen der HVCA 40 ausgelegt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann das Kommunikationsmodul 76 dazu ausgelegt sein, mit dem BECM 28 im Fahrzeug 15 zu kommunizieren. Beispielhaft kann das Kommunikationsmodul 76 einen CAN-Controller-Transmitter 77 umfassen, der zum Übertragen einer oder mehrerer CAN-Steuernachrichten an einen CAN-Controller im BECM 28 ausgelegt ist. Zum Beispiel kann das Kommunikationsmodul 76 dazu ausgelegt sein, an das BECM 28 eine CAN-Nachricht zu senden, um die Schütze 30 und 34 zu schließen, so dass Strom von der HVCA 40 fließen kann, um die HV-Batterie 14 aufzuladen. Das Nutzermodul 78 kann ein Mittel für Nutzereingaben umfassen, wie zum Beispiel einen An-/Aus-Schalter, um die HVCA 40 an- und auszuschalten, und es umfasst möglicherweise weiterhin einen Anzeiger, wie zum Beispiel eine Leuchte, LED oder eine andere Einrichtung, um anzuzeigen, dass die HVCA mit Leistung versorgt wird und/oder in Betrieb ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Nutzermodul 78 Mittel zur Anzeige einer Kennlinie der HV-Batterie 14 umfassen, wie zum Beispiel ihre derzeitige Spannung oder den SOC.
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3 zeigt ein Beispielsystem 80 zum Aufladen einer HV-ESD. In diesem Beispiel ist eine HVCA 40 dazu angeordnet, eine HV-Batterie 82 unter Verwendung von Energie aus einer LV-Batterie 84 aufzuladen. Die LV-Batterie 84 kann als eine Blei-Säure-Batterie ausgeführt sein, die dazu ausgelegt ist, eine Spannung von ungefähr 12 V bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel können sich die LV-Batterie 84 und die HV-Batterie 82 im gleichen Fahrzeug befinden. Während zum Beispiel die HV-Batterie 82 bis zu dem Punkt entleert sein kann, dass sie einen Verbrennungsmotor nicht mehr starten kann, ist es möglich, dass die LV-Batterie 84 noch ausreichend funktionsfähig bleibt, um Energie für einen Aufladeprozess bereitzustellen. Alternativ befindet sich, wie oben erörtert, die LV-Batterie 84 möglicherweise in einem anderen Fahrzeug. Ein Zusatzaufladegerät 86 kann mit der LV-Batterie 84 verschaltet werden, um die Spannung der LV-Batterie 84 anzuheben. In einem Ausführungsbeispiel kann das Zusatzaufladegerät als ein Niederspannungsaufladegerät ausgeführt sein, wie zum Beispiel das Midtronics® GR1 Test- und Ladegerät, und dazu ausgelegt sein, die Spannung der LV-Batterie 84 von 12 auf 15 V zu erhöhen. Das Zusatzaufladegerät 86 kann von besonderem Vorteil sein, wenn die LV-Batterie 84 und die HV-Batterie 82 sich im gleichen Fahrzeug befinden, weil die LV-Batterien in einem HEV typischerweise nur verwendet werden, um Leistung für verschiedene elektronische Module zu liefern, und relativ schwach sein können. Allerdings wird in Betracht gezogen, dass ein Zusatzaufladegerät mit einer LV-Batterie eines anderen Fahrzeugs verwendet werden kann, oder, wie in den vorherigen Figuren gezeigt wurde, überhaupt nicht verwendet werden kann.
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Die HVCA 40 kann mehrere Leitungen, Kabel, Verbinder und ähnliches zum Verbinden mit den HV- und LV-Komponenten des Systems 80 enthalten. Die Kabel 52 und 56, die die Verbinder 54 bzw. 58 aufweisen, können dazu ausgelegt sein, das Booster-Paket 70 und insbesondere das Gleichspannungswandlermodul 72 mit externen Plus- und Minus-Anschlusspunkten (nicht dargestellt) der Batterie 82 zu verbinden. Die Kabel 42 und 46 können dazu ausgelegt sein, das Booster-Paket 70, zum Beispiel das Gleichspannungswandlermodul 72, mit der LV-Batterie 84 zu verschalten. Die Verbinder 44, 48, 54, 58 können in irgendeiner Form an die HV- und die LV-Batterie 82, 84 anschließbar und dazu ausgelegt sein, ausreichende elektrische Verbindung bereitzustellen. Wie hierin oben erörtert wurde, können HVCAs für verschiedene Originalausrüstungen angepasst sein. In einem Ausführungsbeispiel können eines oder mehrere Kabel, Drähte oder Leitungen, in Summe mit der Referenznummer 60 bezeichnet, das Booster-Paket 70 mit dem BECM 28 über einen BECM-Schnittstellenverbinder 62 verschalten. Beispielhaft können CAN-High- und -Low-Signale zwischen dem Booster-Paket 70 und dem BECM-Verbinder 62 verlaufen, um die Übertragung von CAN-Signalen zwischen dem CAN-Controller 77 und dem BECM 28 zu ermöglichen, wie aus der Technik bekannt ist. Zusätzlich können Masse-Relais- und Leistungs-Relais-Leitungen (PSR, power supply relay) das Booster-Paket 70 und das BECM 28 verschalten, um Leistungsübertragung und Signalrückmeldung bereitzustellen.
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Ein Nutzerschnittstellenmodul in einem HVCA kann sowohl dazu ausgelegt sein, Nutzereingaben zu empfangen, als auch Ausgaben für den Nutzer bereitzustellen. Wie in 3 gezeigt wird, kann das beispielhafte Nutzerschnittstellenmodul 78 eine Starttaste 90 und eine Stopptaste 92 umfassen, die dazu ausgelegt sind, dem Nutzer das Starten und Stoppen des Betriebs der HVCA 12 zu ermöglichen. Eine Leuchte 94 kann enthalten sein, um den Betriebszustand der HVCA 12 anzuzeigen. Wie hierin vorher erwähnt wurde, können zusätzliche Nutzerschnittstellenmerkmale bereitgestellt werden. Allerdings ist es vorzuziehen, die Leistungsaufnahme der HVCA 12 einzuschränken und stattdessen Energie in den Aufladeprozess zu leiten, um die Aufladezeit der HV-Batterie zu reduzieren.
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Innerhalb des Booster-Pakets 70 kann das Steuerungsmodul 74 dazu ausgelegt sein, verschiedene Aspekte des Aufladeprozesses zu steuern und zu koordinieren, wie zum Beispiel, aber nicht darauf eingeschränkt, die Kommunikation zwischen dem Booster-Paket 70 und dem BECM 28 und den Stromfluss zwischen dem Gleichspannungswandler 72 und der HV-Batterie 82. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerungsmodul 74 einen programmierbaren Microcontroller oder Microsequencer umfassen, und es kann von der LV-Batterie 84 mit Leistung versorgt werden. Das Steuerungsmodul 74 kann dazu ausgelegt sein, den CAN-Controller 77 zu veranlassen, die Kommunikation mit dem BECM 28 zu initialisieren. Zusätzlich kann das Steuerungsmodul 74 dazu ausgelegt sein, das Schließen eines Relais zu steuern, das zum Verschalten des Gleichspannungswandlerausgangs mit einem oder mehreren HVCA-Ausgangskabeln ausgelegt ist. Zum Beispiel kann ein Relais 90 am Ausgang des Gleichspannungswandlers 72 angeordnet sein. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerungsmodul 74 dazu ausgelegt sein, das Relais 90 für eine vorbestimmte Zeitdauer zu schließen, und dann dem Relais das Wiederöffnen zu gestatten, um das Aufladen der HV-Batterie 82 zu verhindern. Das Einschränken des Aufladeprozesses auf ein vorbestimmtes Intervall kann es ermöglichen, dass der Gleichspannungswandler 72 Energie für die HV-Batterie 82 bereitstellt, und gleichzeitig Schutz gegen unbeabsichtigtes Überladen bieten. Wenn die HV-Batterie 82 nach Beendigung des Zeitraums nicht ausreichend aufgeladen ist, kann ein Nutzer eine nachfolgende Aufladedauer initialisieren. Weiterhin wird in Betracht gezogen, dass ein anderes vorbestimmtes Maß als die Zeit verwendet werden kann. Zum Beispiel kann ein Aufladeintervall durch die Übertragung einer vorbestimmten Energiemenge definiert sein.
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4 stellt bildlich ein Flussdiagramm für ein Beispielverfahren 110 zum Aufladen einer HV-ESD mit einer HVCA dar. Im Block 112 kann eine HVCA mit einem mit einer HV-ESD verknüpften Steuerungsmodul verschaltet werden. Zum Beispiel können die Leitungen 60 vom Booster-Paket 70 in den Verbinder bzw. die Schnittstelle 62 für das BECM 28 gesteckt werden. Das kommunizierende Verschalten mit einem BECM 28 ermöglicht es, dass die HV-Batterie 82 offline gewartet werden kann, ein eindeutiger Vorteil der Erfindung gegenüber Systemen nach dem Stand der Technik. Im Block 114 kann eine HVCA mit einer HV-ESD verschaltet werden. Beispielhaft kann die HV-Batterie 82 von ihren Fahrzeugverbrauchsstellen abgekoppelt werden. Die Kabel 52 und 56 mit den Steckern 54 bzw. 58 können mit externen Plus- und Minus-Anschlusspunkten (nicht dargestellt) der HV-Batterie 82 verbunden werden.
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Im Block 116 kann eine HVCA mit einer LV-ESD verschaltet werden, die möglicherweise mit einem Zusatzaufladegerät verbunden ist. Ob ein Zusatzaufladegerät enthalten ist, kann vom Zustand und den Kennlinien einer LV-ESD abhängig sein. Beispielhaft können die Kabel 42 und 46 mit den Plus- bzw. den Minus-Anschlusspunkten der LV-Batterie 84 verbunden sein. Das Verschalten mit der LV-ESD kann Leistung für ein Booster-Paket einer HVCA bereitstellen. Ein Anzeiger kann einem Nutzer mitteilen, dass ein Booster-Paket mit Leistung versorgt wird; zum Beispiel wird möglicherweise die Leuchte 94 eingeschaltet. Das Versorgen eines Booster-Pakets mit Leistung kann auch ein ESD-Steuerungsmodul mit Energie versorgen, zum Beispiel das BECM 28, mit dem es verschaltet ist. Das Bereitstellen von Leistung für ein ESD-Steuerungsmodul kann es bestromen oder „aufwecken“, was es ihm ermöglicht, sowohl mit einem Booster-Paket zu kommunizieren als auch verschiedene Batteriesteueroperationen auszuführen.
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In Block 118 kann eine HVCA Nutzereingaben empfangen. Zum Beispiel kann ein Nutzer die Starttaste 90 drücken. Dass eine Nutzereingabe erforderlich ist, anstatt einen automatischen Aufladeprozess bereitzustellen, der beginnt, sobald Leistung von einer LV-ESD empfangen wird, ist ein zusätzliches Merkmal, das in der Umsetzung der Erfindung enthalten sein kann. Im Block 120 kann die Kommunikation mit einer ESD-Steuerung beginnen. Zum Beispiel kann ein Mikroprozessor im Steuerungsmodul 74 den CAN-Controller 77 veranlassen, CAN-Nachrichten an einen CAN-Controller (nicht dargestellt) im BECM 28 zu übertragen. In einem Ausführungsbeispiel kann der CAN-Controller 77 einen Handshake-Prozess initialisieren, um sicherzustellen, dass das BECM 28 bestromt wird und dass es reaktionsfähig ist. Zum Beispiel kann das BECM 28 auf die Initialisierungssignale vom CAN-Controller 77 mit einem Quittungs- oder Bestätigungssignal ansprechen. In einem Beispielverfahren kann die Beendigung des Handshake-Prozesses dazu führen, dass ein HVCA-Steuerungsmodul Nachrichten an eine ESD-Steuerung überträgt, eines oder mehrere Hilfsschütze zu schließen, die die Energieübertragung zu oder von einer ESD steuern können. Beispielhaft können in einigen Batteriekonfigurationen interne Relais die Energieübertragung von externen Anschlusspunkten zu Batteriezellen steuern. Ein Batteriesteuerungsmodul kann dazu ausgelegt sein, das Öffnen und Schließen der Relais zu steuern, um die Energieübertragung zu/von den Zellen zu steuern. Dementsprechend kann in einem Beispielverfahren der CAN-Controller 77 eine oder mehrere CAN-Nachrichten, wie durch das CAN-Protokoll bestimmt wird, an das BECM 28 senden, um die Hilfsschütze 98 und 100 zu schließen. Die Relais-Schließung kann es dem für die externen Anschlusspunkte der Batterie 82 bereitgestellten Strom ermöglichen, die Batteriezellen 102 aufzuladen. In einem Ausführungsbeispiel kann der CAN-Controller 77 dazu ausgelegt sein, Relais-Steuernachrichten zum Schließen der Schütze mit einer vorbestimmten Rate für ein vorbestimmtes Intervall zu übertragen. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Rate oder Frequenz höher als die, die laut CAN-Spezifikationen erforderlich ist. Wenn es zum Beispiel ein Fahrzeug-Steuernetzwerk, wie zum Beispiel ein CAN-System, erforderlich macht, dass eine Relais-Steuernachricht alle 100 ms übertragen wird, dann kann ein erfindungsgemäßes Steuerungsmodul dazu ausgelegt sein, alle 10 ms eine Relais-Steuernachricht zu übertragen. Das Erhöhen der Übertragungsrate kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass eine ESD-Steuerung die erforderliche Anzahl von Steuernachrichten in der erforderlichen Rate empfangen wird, um ein vorzeitiges Öffnen von Primär-ESD-Relais zu vermeiden, das als Reaktion auf ein Fehlschlagen des Empfangs einer erwarteten Steuernachricht auftreten kann. In einem Ausführungsbeispiel können am Ende des vorbestimmten Zeitintervalls Relais-Steuernachrichten an eine HV-ESD ausbleiben. Wenn eine ESD-Steuerung keine Nachrichten mehr empfängt, ein Primär-Relais zu schließen, kann sie darauf ansprechen, indem sie dem Relais das Öffnen erlaubt, womit zusätzliches Aufladen der HV-ESD verhindert wird.
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Im Block 122 kann Energie für eine HV-ESD bereitgestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann eine HVCA Energie für eine HV-ESD über ein Hilfsschütz steuerbar bereitstellen. Zum Beispiel kann das Steuerungsmodul 74 dazu ausgelegt sein, das Relais 96 zu schließen, um zu ermöglichen, dass Strom durch das Kabel 56 zur HV-Batterie 82 fließt. Beispielhaft kann die Ausgangsspannung an den Anschlusspunkten des Gleichspannungswandlers 72 etwa 300 V betragen, und die HVCA kann dazu ausgelegt sein, einen Strom von etwa 2 A für die HV-Batterie 82 bereitzustellen. Vorzugsweise ist das Hilfsschütz 96 für eine vorbestimmte Zeitdauer geschlossen und wird dann wieder geöffnet, wenn der Zeitraum abgelaufen ist. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerungsmodul 74 dazu ausgelegt sein, das Schütz 96 für einen vorbestimmten Zeitraum zu schließen, in dem der CAN-Controller 77 „Schütz schließen“-Steuernachrichten an das BECM 28 überträgt. Dementsprechend kann die Schließung des Schützes 96 im Booster-Paket 70 und der Schütze 98, 100 in der HV-Batterie 82 zeitlich überlappen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Schütz 96 zuerst geschlossen werden, was es einer Spannung am Ausgang des Booster-Pakets 70 erlaubt, sich vor dem Schließen der HV-Batterie-Relais 98, 100 aufzubauen. Dieser Aspekt ist besonders vorteilhaft für solche HEV-Systeme, bei denen das Vorhandensein einer Mindestspannung an den Aufladeanschlusspunkten erforderlich ist, damit die HV-ESD-Schütze korrekt schließen und geschlossen bleiben.
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In Block 124 kann die Energieübertragung zu einer HV-ESD aufhören. Nach Beendigung eines vorbestimmten Zeitraums kann das Steuerungsmodul 74 zum Beispiel das Relais 96 öffnen, um zu verhindern, dass der Ausgang des Gleichspannungswandlers an die HV-Batterie 82 übertragen wird. Ein Beispielzeitraum kann im Bereich von 10–15 Minuten liegen. Zusätzlich kann der CAN-Controller 77 aufhören, Steuernachrichten an das BECM 28 zum Schließen von Schützen zu übertragen. In einigen Fahrzeugen kann das Fehlschlagen des Empfangs einer CAN-Nachricht "Schütz schließen" innerhalb von 100–200 ms zum Öffnen von Primärschützen führen. Als Reaktion auf das Ausbleiben solcher Nachrichten kann das BECM 28 aufhören, die mit den Relais 98, 100 verknüpften Schützspulen (nicht dargestellt) mit Leistung zu versorgen, was den Relais das Öffnen ermöglicht und dadurch verhindert, dass Energie an die HV-Batteriezellen 102 geliefert wird. Auch wird angegeben, dass in einem Beispielverfahren ein Nutzer die Energieübertragung zu jeder Zeit während einer Aufladedauer stoppen kann, indem er Nutzereingaben bereitstellt. Zum Beispiel kann ein Nutzer die Stopptaste 92 drücken, was das Steuerungsmodul 74 zum Öffnen des Relais 96 veranlassen sowie die Beendigung von CAN-Nachrichten, die die Relais 98, 100 schließen, an das BECM 28 veranlassen kann.
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Sollte eine HV-ESD zusätzliches Aufladen erfordern, kann ein Nutzer erneut die Starttaste drücken, damit ein neues Aufladeintervall beginnt. Ein Nutzer wählt möglicherweise aus, eine HV-ESD in mehr als einem Intervall aufzuladen, bevor er versucht, das Fahrzeug zu starten. In Block 124 kann eine Bestimmung erfolgen, ob zusätzliche Nutzereingaben empfangen werden. In einem Ausführungsbeispiel kann das Drücken einer Starttaste innerhalb einer vorbestimmten Dauer nach der Beendigung eines Aufladeintervalls ein nachfolgendes Aufladeintervall initialisieren, während eine Kommunikationsverbindung zwischen einer HVCA und einem ESD-Steuerungsmodul in Kraft bleibt, wodurch das Wiederholen eines Handshake-Prozesses überflüssig wird. In diesem Szenario kann das Aufladen in Block 120 mit der Übertragung von Steuernachrichten an eine ESD-Steuerung fortgesetzt werden. Sonst kann das Verfahren in Block 128 enden. Es wird auch in Betracht gezogen, dass ein Nutzer möglicherweise nach einem einzigen Aufladeintervall eine HVCA von einer HV-ESD abkoppelt, die HV-ESD wieder mit dem Fahrzeugantriebssystem verbindet und versucht, das Fahrzeug zu starten. Wenn das Starten fehlschlägt, kann ein Nutzer anschließend einen neuen Ladevorgang bei Block 112 des Verfahrens 110 einleiten.
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Es wird in Betracht gezogen, dass eine beispielhafte HVCA auch zusätzliche Merkmale enthalten kann, wie zum Beispiel, aber nicht darauf eingeschränkt, einen Temperatursensor, ein Kühlgebläse, ein Nutzer-Display, um HV-Batterie-Kennlinien mitzuteilen, usw. Ein Temperatursensor kann es einem Nutzer ermöglichen, die Temperatur am Booster-Paket 70 zu überwachen und Vorkehrungen zu treffen, um dessen Überhitzung zu vermeiden. Die Verwendung eines Gebläses zum Ableiten der vom Gleichspannungswandler 72 erzeugten Hitze kann vor Überhitzung schützen und die Nutzbarkeit der HVCA 40 verlängern. Sie kann auch die Anzahl aufeinanderfolgender Aufladeintervalle erhöhen, die ausgeführt werden können, während eine Temperatur des Booster-Pakets 70 in einem Sollbereich gehalten wird. In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung 74 ein Gebläse einschalten, wenn eine Temperatur einen oberen Schwellenwert überschreitet, und es nachfolgend ausschalten, wenn eine Temperatur auf einen akzeptablen Pegel fällt.
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Ein beispielhaftes HVCA-Nutzerschnittstellenmodul kann ein Display enthalten, wie zum Beispiel, aber nicht darauf eingeschränkt, ein LED-Display mit geringer Leistungsaufnahme, das zum Anzeigen von ESD-Kennlinien ausgelegt ist. Beispielhaft kann das BECM 28 dem Booster-Paket 70 Kennlinien der Batterie 82 bereitstellen, die auf einem Display gezeigt werden können. Somit ist ein Nutzer möglicherweise in der Lage, zu bewerten, ob ein zusätzliches Aufladeintervall gefordert ist. Ein weiterer Vorteil dieses Merkmals ist, dass ein Nutzer möglicherweise in der Lage ist, einen Aufladeprozess anzuhalten, wenn eine Sollspannung oder Soll-SOC erreicht ist, ohne auf das Ende eines vorbestimmten Aufladeintervalls warten zu müssen. Das Einschließen zusätzlicher Merkmale kann ebenfalls bedacht werden. Obwohl zusätzliche Merkmale allerdings hilfreich sein mögen, sollte die erwartete Leistungsaufnahme jedes in Betracht gezogenen Merkmals sorgfältig bedacht werden. Belastung einer LV-ESD des Systems durch zu viele Verbrauchsstellen behindert und verlangsamt möglicherweise einen Aufladeprozess.
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Somit stellt die Erfindung eine Vorrichtung, Systeme und Verfahren bereit, um eine HV-ESD unter Verwendung von durch eine LV-ESD bereitgestellter Energie aufzuladen. Eine HVCA kann dazu ausgelegt sein, Energie von einer LV-ESD zu empfangen und Energie für eine offline HV-ESD auf eine gesteuerte Art und Weise bereitzustellen, die den SOC der entleerten HV-ESD in einer relativ kurzen Zeit sicher auf einen Sollstand bringen kann. Wie gefordert, sind hierin Ausführungsbeispiele beschrieben worden, um die Erfindung und ihre Anwendung vollständig zu offenbaren. Allerdings versteht es sich, dass diese für Veranschaulichungszwecke vorgestellt worden sind und als solche nicht als einschränkend zu betrachten sind, da Fachleuten wahrscheinlich alternative Ausführungsformen einfallen werden. Stattdessen ist der Schutzbereich der Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Introduction to the Controller Area Network (CAN)“, Application Report SLOA 101 von Steve Corrigan, August 2002, Herausgeber Texas Instruments [0019]
