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Es ist bekannt, dass elektrische Fahrzeuge oder sog. Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge mittels Wechselstrom oder Gleichstrom geladen werden können. Zum Schnellladen wird insbesondere Gleichstrom verwendet. Hierbei befindet sich in der Ladestation ein Wandler, der den Wechselstrom eines stationären Wechselstromnetzes in Gleichstrom umwandelt, sowie ein Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC, power factor compensation), der zwischen dem stationären Wechselstromnetz und dem Wandler zwischengeschaltet ist, um Blindleistungen zu vermindern.
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Gerade für hohe Leistungen sind somit hohe Kosten für Ladestationen verbunden, insbesondere wenn diese für mehrere Ladeplätze auszulegen sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich der Aufwand für Leistungshalbleiter, die zum Laden von elektrisch betriebenen Fahrzeugen erforderlich sind, verringert werden kann.
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Darstellung von Ausführungsformen
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Ausführungsformen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen sowie mit der folgenden Beschreibung.
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Es wird ein elektrisches Fahrzeug-Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher und einem DC/DC-Wandler beschrieben. Der Energiespeicher und der DC/DC-Wandler sind somit mobil bzw. in einem Fahrzeug angeordnet. Ferner umfasst das Fahrzeug-Bordnetz einen Gleichstromladeanschluss. Der Energiespeicher, der DC/DC-Wandler und der Gleichstromladeanschluss sind Hochvoltkomponenten und insbesondere für Spannungen über 60 V, 100 Volt oder 300 bzw. 350 Volt ausgelegt, beispielsweise für eine Betriebsspannung von 360–400 Volt.
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Der Gleichstromladeanschluss ist über den DC/DC-Wandler mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Der DC/DC-Wandler verbindet insbesondere den Gleichstromladeanschluss mit dem Energiespeicher. Der Gleichstromladeanschluss kann allgemein als (mobiler) Gleichstromanschluss bezeichnet werden, da er nicht (nur) für die Funktion des Aufladens verwendet wird, sondern gegebenenfalls auch zum Rückspeisen von Energie aus dem Fahrzeug-Bordnetz.
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Das Fahrzeug-Bordnetz weist einen Regler auf, der ansteuernd mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Der Regler ist eingerichtet, eine Ausgangsspannung an einem ersten Anschluss des DC/DC-Wandler gemäß einem Spannungssollwert einzustellen. Der Regler kann auch als Spannungsregler betrachtet werden, da er (zusammen mit dem von diesem angesteuerten DC/DC-Wandler) eine Spannungswandlung gemäß einem (vorgegebenen) Spannungssollwert realisiert. Der Regler kann einen Spannungssollwert-Eingang aufweisen, an dem der Spannungssollwert eingegeben bzw. eingestellt werden kann. Die Ausgangsspannung ist insbesondere stabilisiert, etwa durch den Regler.
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Die Verbindung zwischen Gleichstromladeanschluss und DC/DC-Wandler wird als Zwischenkreis bezeichnet, an den gegebenenfalls weitere Komponenten angeschlossen sein können.
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Der Gleichstromladeanschluss ist über den DC/DC-Wandler mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Dem Zwischenkreis, d. h. der Seite des DC/DC-Wandlers, die dem elektrischen Energiespeicher abgewandt ist, wird beim Laden elektrische Energie zugeführt, die von dem DC/DC-Wandler gewandelt wird, insbesondere spannungsgewandelt. Dadurch kann der Energiespeicher geladen werden. Das Fahrzeug-Bordnetz umfasst auch den Gleichstromladeanschluss, der mit dem Zwischenkreis und somit mit derjenigen Seite des DC/DC-Wandlers verbunden ist, die dem elektrischen Energiespeicher abgewandt ist. An den Zwischenkreis, d. h. an dem DC/DC-Wandler kann auch ein Inverter angeschlossen sein, so dass der DC/DC-Wandler die weitere Aufgabe übernimmt, beim elektrischen oder elektrisch unterstützten Fahren elektrische Leistung dem Energiespeicher zu entnehmen, zu wandeln und dem Inverter zuzuführen.
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Da der DC/DC-Wandler eingerichtet ist, die Spannungshöhe an seinem Ausgang zu ändern bzw. einzustellen oder zu regeln, ist es möglich, dass die Spannung des Energiespeichers gegenüber der Spannung am Gleichstromladeanschluss beispielsweise erhöht oder verringert wird und die so angepasste Spannung dem Energiespeicher zugeführt wird. Dadurch kann der elektrische Energiespeicher mit hoher Leistung betrieben werden. Ferner kann beim Rückspeisen, d.h. falls der DC/DC-Wandler bidirektional ausgestaltet ist, die Spannung am Gleichstromanschluss des Fahrzeug-Bordnetzes gegenüber der Spannung des Energiespeichers verändert bzw. angepasst werden, und kann insbesondere geändert bzw. eingestellt oder geregelt werden, um die Spannung am Gleichstromladeanschluss gegenüber der Spannung des Energiespeichers beispielsweise zu erhöhen oder zu verringern. Beim Laden ist die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers die Spannung am Gleichstromladeanschluss und die Ausgangsspannung ist die Spannung am Energiespeicher. Beim Rückspeisen ist die Eingangsspannung des DC/DC-Wandlers die Spannung am Energiespeicher und die Ausgangsspannung ist die Spannung am Gleichstromladeanschluss.
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Insbesondere kann an einem gegebenenfalls vorhandenen Inverter eine höhere Spannung als die Spannung des Energiespeichers zur Verfügung stehen, wenn der DC/DC-Wandler ein Aufwärtswandler ist bzw. die Batteriespannung erhöht und die so erhöhte Spannung an den Inverter abgibt.
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Wie erwähnt, verbindet der DC/DC-Wandler den Zwischenkreis mit dem elektrischen Energiespeicher. Mit anderen Worten verbindet der DC/DC-Wandler den Gleichstromanschluss mit dem elektrischen Energiespeicher. Falls ein Inverter vorhanden ist, verbindet der DC/DC-Wandler den Inverter bzw. dessen Gleichstromseite mit dem elektrischen Energiespeicher.
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Der DC/DC-Wandler bzw. dessen dem Energiespeicher angewandte Seite ist direkt mit dem Gleichstromladeanschluss verbunden. Der DC/DC-Wandler bzw. dessen dem Gleichstromladeanschluss angewandte Seite ist direkt mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Zudem ist der Zwischenkreis direkt mit dem Gleichstromladeanschluss verbunden.
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Als direkte Verbindung wird insbesondere eine Verbindung bezeichnet, die keine Spannungs- oder Stromwandlung oder Leistungssteuerung beinhaltet. Als direkte Verbindung wird insbesondere auch eine Verbindung bezeichnet, die Sicherheitsmechanismen wie Schütze, Sicherungen oder ähnliches umfassen, oder auch andere Schalter, welche jedoch vorzugsweise nicht mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden und somit die übertragene Leistung einstellen können. Ein vollständiges Trennen oder ein vollständiges Verbinden (entsprechend einem Tastverhältnis von 0% oder 100%) wird hierbei nicht als direkte Verbindung betrachtet. Dazwischenliegende Tastverhältnisse sind geeignet, die Effektivleistung einzustellen, und werden vorzugsweise nicht als direkte Verbindung betrachtet. Auch eine Verbindung über einen Filter (zwischen DC/DC-Wandler bzw. Inverter einerseits und Gleichstromladeanschluss andererseits) werden ebenso als direkte Verbindung betrachtet, insbesondere wenn deren Dämpfungsfaktor bei einer Frequenz von 0 Hertz ungefähr 1 beträgt.
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Der DC/DC-Wandler ist eingerichtet, Leistung von den Gleichstromladeanschluss an die Batterie zu übertragen, wobei er ebenso eingerichtet ist, die Ausgangsspannung einzustellen, zu steuern oder zu regeln. Die Ausgangsspannung DC/DC-Wandler ist diejenige Spannung, welche an dem Anschluss des DC/DC-Wandler herrscht, an dem (gegebenenfalls abhängig von Betriebsmodus) die elektrische Leistung abgegeben wird, welche von dem DC/DC-Wandler gewandelt wird.
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Der DC/DC-Wandler weist eine Ladefunktion auf. Darüber hinaus ist der DC/DC-Wandler vorzugsweise eingerichtet, Energie, die von dem elektrischen Energiespeicher abgegeben wird, zu wandeln. Dies wird als Rückspeisung bezeichnet. Die Leistungswandlung des DC/DC-Wandlers wird beinhaltet keine Wandlung der Stromart. Dadurch kann die Ausgangsspannung eingestellt, gesteuert oder geregelt werden.
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Der DC/DC-Wandler kann ferner die Funktion der Leistungsaufbereitung für den Traktionsbetrieb des Inverters haben, falls das Fahrzeug-Bordnetz einen Inverter aufweist. Es ist ersichtlich, dass der DC/DC-Wandler vorzugsweise bidektional aufgebaut ist, so dass Leistung insbesondere in der Ladefunktion Leistung zum Energiespeicher hin übertragen werden kann, und zur Rückspeisung Leistung vom Energiespeicher an den Gleichstromanschluss abgegeben werden kann. In der (optionalen) Aufbereitungsfunktion für den Traktionsantrieb kann dem Energiespeicher Leistung entnommen werden kann, um diese dem Inverter (aufbereitet) zuzuführen. Hierdurch kann der DC/DC-Wandler sowohl im Fahrbetrieb, im Rekuperationsbetrieb, im Ladebetrieb und auch im Rückspeisungsbetrieb verwendet werden. Es werden für diese Betriebsweisen die gleichen Leistungshalbleiter verwendet, so dass die Gesamtkosten, insbesondere auf der stationären Seite, verringert sind.
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Es ist ein Regler vorgesehen, der ansteuernd mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist. Der Regler ist Teil des Bordnetzes (nicht notwendigerweise eines Hochvoltabschnitt des Bordnetzes), kann aber aufgrund der Funktion auch als Teil des DC/DC-Wandlers betrachtet werden. Der Regler ist eingerichtet, eine Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers zu steuern. Diese Ausgangsspannung wird über den DC/DC-Wandler an den elektrischen Energiespeicher abgegeben. Mit anderen Worten kann die Ausgangsspannung diejenige sein, welche von dem Gleichstromladenanschluss (etwa von dem Zwischenkreis) über den DC/DC-Wandler an den Energiespeicher abgegeben wird. Dies ist im Ladebetrieb der Fall. Im Rückspeisebetrieb die Ausgangsspannung diejenige, welche von dem Energiespeicher über den DC/DC-Wandler an den Gleichstromladenanschluss (etwa an den Zwischenkreis) abgegeben wird.
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Der Regler kann Teil einer Steuerung des DC/DC-Wandlers des Antriebsstrangs sein. Die Funktion des Reglers kann zumindest teilweise als Programmcode realisiert sein, so dass insbesondere der Regler dessen Funktion als Programmcode realisiert sein kann, die zum Ablauf auf einem Prozessor vorgesehen sind. Als elektrischer Energiespeicher kommen insbesondere Sekundärzellen bzw. Serienschaltungen von Sekundärzellen in Frage, beispielsweise Lithiumakkumulatoren. Der elektrische Energiespeicher kann eine Nennspannung von mehr als 40 Volt haben, vorzugsweise eine Nennspannung von mehr als 100 Volt, beispielsweise eine Nennspannung von ca. 300, 350, 400, 600 oder 800 Volt oder auch mehr. Da zwischen dem Zwischenkreis (d. h. zwischen dem Gleichstromladeanschluss) und dem Energiespeicher der DC/DC-Wandler zwischengeschaltet ist, kann die Nennspannung des Energiespeichers von der Spannung am Zwischenkreis bzw. am Gleichstromladeanschluss abweichen. Insbesondere kann die Nennspannung des Energiespeichers über der Spannung des Gleichstromladeanschlusses liegen. Falls beispielsweise der Gleichstromanschluss für 400 Volt ausgelegt ist, so kann die Batteriespannung dennoch 600 oder 800 Volt betragen. Der höheren Spannung des Energiespeichers lassen sich höhere abzurufende Leistungen realisieren.
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Der DC/DC-Wandler ist vorzugsweise bidirektional ausgestaltet, um wie erwähnt Energie zum und vom Energiespeicher gewandelt übertragen zu können. Der DC/DC-Wandler ist in der Übertragungsrichtung zum Energiespeicher hin gemäß einer Nennleistung ausgelegt, die beispielsweise dem Maximalladestrom des Energiespeichers entspricht. In der Wandlungsrichtung vom Energiespeicher zum Gleichstromanschluss hin kann der DC/DC-Wandler für eine vorgegebene Nennleistung ausgelegt sein. Ferner kann, falls ein Inverter vorgesehen ist, in der Wandlungsrichtung vom Energiespeicher zum Inverter hin, der DC/DC-Wandler für eine vorgegebene Nennleistung ausgelegt sein die etwa der Maximalleistung des Inverters bzw. der daran angeschlossenen elektrischen Maschine entspricht. Die genannten Werte können sich unterscheiden. Hierbei kann der DC/DC-Wandler beispielsweise in einer Wandlungsrichtung, die zum Energiespeicher hin gerichtet ist, für eine höhere Leistung ausgelegt sein, als in umgekehrter Richtung. Zum Energiespeicher hin kann der DC/DC-Wandler mit einer Nennleistung, mit einem Nennstrom oder auch mit einer Maximalleistung oder einem Maximalstrom ausgelegt sein, der bzw. die 20, 50, 100 oder 200% über der entsprechenden Größe in entgegengesetzter Wandlungsrichtung liegt.
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Insbesondere die Aufbereitungsfunktion kann für den sogenannten Boost-Betrieb verwendet werden, indem dem optionalen Inverter mehr Leistung zugeführt werden kann, als in einem Betrieb, in welchem der Inverter direkt mit dem Energiespeicher (ohne über den DC/DC-Wandler) verbunden ist. Die Leistungsaufbereitungsfunktion kann insbesondere von einer Strom- oder Spannungsanpassung oder -steuerung oder -regelung zur Verfügung gestellt werden, die beispielsweise von einer Aufbereitungssteuerung oder auch in anderen Funktionen (etwa in der Rückspeisefunktion und/oder in der Ladefunktion) realisiert wird.
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Der optionale Inverter weist eine Gleichstromseite auf, die mit dem Zwischenkreis bzw. mit dem DC/DC-Wandler bzw. mit dem Gleichstromladeanschluss verbunden ist. Da der Gleichstromanschluss, die Gleichstromseite des Inverters und auch die dem Energiespeicher abgewandte Seite des DC/DC-Wandlers miteinander verbunden sind in Form des Zwischenkreises, können die betreffenden Verbindungspunkte (d.h. der Anschluss bzw. die Seiten) gegeneinander ausgetauscht werden.
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Der optionale Inverter ist insbesondere für eine Drehstrommaschine ausgelegt und weist vorzugsweise eine Wechselstromseite auf, die drei- oder mehrphasig ist, beispielsweise sechsphasig. Die Gleichstromseite des Inverters und auch die zwei Gleichstromseiten des DC/DC-Wandlers weisen vorzugsweise einen positiven und einen negativen Anschluss auf, insbesondere einen positiven Anschluss und einen Masseanschluss.
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Die Leistungshalbleiter des DC/DC-Wandlers können somit je nach Funktion doppelt verwendet werden, so dass für die Realisierung von den genannten zwei Funktionen (Ladefunktion einerseits und Rückspeisung oder gegebenenfalls Leistungsaufbereitung für den Traktionsbetrieb) die gleichen Halbleiter verwendet werden können. Darüber hinaus ist es möglich, den Gleichstromladeanschluss mit einer Spannung zu betreiben, die sich deutlich von der Spannung des Energiespeichers unterscheidet, da der DC/DC-Wandler nicht zur Steuerung des Ladeprozesses verwendet werden kann, sondern auch zur Anpassung unterschiedlicher Spannungspegel.
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Das Fahrzeug-Bordnetz weist somit einen elektrischen Energiespeicher, einen Gleichstromladeanschluss (auch als Gleichstromanschluss bezeichnet) und einen DC/DC-Wandler auf. Der Gleichstromanschluss ist über den DC/DC-Wandler mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden. Das Fahrzeug-Bordnetz weist einen Regler auf. Dieser ist ansteuernd mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Der Regler ist eingerichtet, eine Ausgangsspannung an einem ersten Anschluss des DC/DC-Wandler gemäß einem Spannungssollwert einzustellen. Der Spannungssollwert kann von einer übergeordneten Steuerungsvorrichtung vorgegeben werden, die Teil des Fahrzeug-Bordnetzes ist, innerhalb des Fahrzeugs vorliegt (und nicht notwendigerweise Teil des Fahrzeug-Bordnetzes ist) oder die stationär ist und über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem Regler ansteuernd verbunden ist. Alternativ kann eine externe, übergeordnete Steuerungsvorrichtung über Kommunikationsschnittstelle die eine dem Regler übergeordnete Steuerungsvorrichtung ansteuern, welche innerhalb des Fahrzeugs vorliegt oder Teil des Fahrzeug-Bordnetzes ist. Die letztgenannte Steuerungsvorrichtung steuert den Regler mit einem Spannungssollwert an. Mit anderen Worten kann die Entität, welche den Regler ansteuert, selbst zweistufig sein und zwei kaskadierte Steuerungsvorrichtungen (eine stationär bzw. Teil der Anschlussvorrichtung, eine fahrzeugintern) aufweisen, welche derart kaskadiert den Regler ansteuern. Die dem Regler direkt übergeordnete Steuerungsvorrichtung kann ebenso mittels eines Spannungssollwert angesteuert werden, der gegebenenfalls von der Steuerungsvorrichtung, die dem Regler direkt übergeordnet ist, an den Regler unverändert weitergeleitet wird, oder die gegebenenfalls gemäß einer Eingabe dieser Steuerungsvorrichtung modifiziert weitergeleitet wird. Die Steuerungsvorrichtung, die dem Regler direkt übergeordnet ist, kann so Vorgaben einer externen Steuerungsvorrichtung modifizieren oder korrigieren, etwa gemäß eines Energiespeicher- oder Wandler-Betriebszustands, der von dem Energiespeicher, dem DC/DC-Wandler des Bordnetzes oder der Batteriemanagementvorrichtung stammt. In der 1 entspricht dies dem Steuerungskaskade mit den Komponenten 34'' --> 36 --> 34 --> 32 --> 30, wobei Komponente 22 zumindest einen Betriebsparameter für Komponente 34 liefern kann, oder alternativ der Steuerungskaskade mit den Komponenten 34'' --> 36 --> 32, d.h. einer Ansteuerung ausgehend von Komponenten 34'', die direkt auf Komponente 32 wirkt, welche auf direkt auf Komponente 32 wirkt, wobei Komponente 22 zumindest einen Betriebsparameter für Komponente 34 liefern kann. Der Pfeil "-->" soll hierbei eine ansteuernde Verbindung darstellen gemäß der Pfeilrichtung.
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Der DC/DC-Wandler kann bidirektional ausgebildet sein. Der DC/DC-Wandler und/oder der Regler können eingerichtet sein, in einem Ladezustand (bzw. in einem Ladebetrieb) die Ausgangsspannung, welche an einem ersten Anschluss des DC/DC-Wandler herrscht gemäß dem Spannungssollwert zu regeln. Der erste Anschluss ist mit dem Gleichstromanschluss verbunden, und ist vorzugsweise direkt mit diesem verbunden. Der DC/DC-Wandler und/oder der Regler können ferner eingerichtet sein, in einem Rückspeisezustand eine Ausgangsspannung an einem zweiten Anschluss des DC/DC-Wandlers zu regeln. Der erste und der zweite Anschluss des DC/DC-Wandlers sind – bezogen auf den DC/DC-Wandler – entgegengesetzt. Der DC/DC-Wandler ist eingerichtet, Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss zu wandeln bzw. zu übertragen.
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Der Regler kann einen Spannungssollwert-Eingang aufweisen. Dieser kann mit einer übergeordneten Steuerungsvorrichtung des Fahrzeug-Bordnetzes verbunden sein oder kann mit einer externen, übergeordneten Steuerungsvorrichtung ansteuernd verbunden sein. Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung kann innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen sein, in dem sich auch das Bordnetz befindet, oder kann außerhalb des Fahrzeugs (stationär) vorgesehen sein.
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Der Regler, welcher vorzugsweise als Steuerung oder Teil der Steuerung des DC/DC-Wandlers angesehen werden kann, weist einen Eingang auf, um einen Ist-parameter wie Leistung, Strom und Spannung im Zwischenkreis bzw. am Gleichstromanschluss und/oder Leistung, Spannung und/oder Strom an dem Energiespeicher bzw. zwischen Energiespeicher und DC/DC-Wandler zu erfassen. Wird der DC/DC-Wandler in Ladefunktion betrieben, dann erfasst der Regler, welcher den DC/DC-Wandler ansteuert, vorzugsweise die Spannung des Zwischenkreises und die Spannung der Batterie. Ferner können auch Betriebsparameter wie Temperatur oder Alterungszustand der Batterie von der Batterie an den Regler oder vorzugsweise an eine übergeordnete Steuerungsvorrichtung (insbesondere über eine Batteriemanagementvorrichtung) übertragen werden.
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Der Regler und insbesondere die übergeordnete Steuerungsvorrichtung kann ausgestaltet sein, den Energiespeicher gemäß einer Vorgabe wie:
- (1) minimale Ladezeit,
- (2) möglichst geringe Alterung
- (3) möglichst geringe Kosten bei verschiedenen Stromtarifen
oder ähnlichem zu laden oder zu entladen.
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Gleichzeitig kann der Regler bzw. die Steuerung des DC/DC-Wandlers bzw. die übergeordnete Steuerungsvorrichtung mit einem Sicherheitsmechanismus ausgestattet sein, beispielsweise mit einer Überstrom- oder Übertemperaturerfassung, die eingerichtet ist, einen Fehler bzw. eine Überlast zu erkennen und dementsprechend den Ladevorgang zu unterbrechen oder die Ladeleistung signifikant zu reduzieren. Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung und/oder der Regler kann mit einer Batteriemanagementvorrichtung verbunden sein, die Betriebsparameter des Energiespeichers abgibt.
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Der Regler kann wie erwähnt einen ersten Betriebsmodus (Lademodus) aufweisen, in dem dieser als Laderegler arbeitet, und einen zweiten Betriebsmodus (Rückspeisemodus) aufweisen, in dem dieser zur Leistungsaufbereitung, Leistungsanpassung bzw. Strom- oder zur Spannungsaufbereitung oder -anpassung zwischen Energiespeicher und Gleichstromanschluss dient. Hierbei kann der DC/DC-Wandler bei unterschiedlichen Modi in entgegengesetzte Wandlerrichtungen versetzt werden. Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung ist mit dem DC/DC-Wandler ansteuernd verbunden, um den Betriebsmodus vorzugeben und den Regler und somit den Wandler entsprechend anzusteuern.
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Der Regler bzw. die übergeordnete Steuerungsvorrichtung kann im Rückspeisemodus eingerichtet sein, die Spannung am Gleichstromanschluss mittels des DC/DC-Wandlers gegenüber der Spannung am Energiespeicher zu erhöhen oder zu verringern. Der Regler bzw. die übergeordnete Steuerungsvorrichtung kann daher die Spannungsdifferenz zwischen Energiespeicher und Gleichstromanschluss gemäß einem Sollleistungssignal oder einem Sollstromsignal, etwa der übergeordneten Steuerungsvorrichtung, einstellen.
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Der Regler steuert den DC/DC-Wandler derart an, dass die entsprechenden Vorgaben (insbesondere bezüglich der Sollspannung) mit möglichst geringem Fehler eingehalten werden.
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Der Regler weist wie erwähnt vorzugsweise einen Spannungssollwert-Eingang aufweist, der mit einer übergeordneten Steuerungsvorrichtung des Fahrzeug-Bordnetzes verbunden ist oder mit einer externen, übergeordneten Steuerungsvorrichtung ansteuernd verbunden ist.
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In einer Ausführungsform, in der Regler den Spannungssollwert-Eingang aufweist, ist dieser mit der übergeordneten Steuerungsvorrichtung des Fahrzeug-Bordnetzes verbunden. Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, durch Ansteuerung des DC/DC-Wandlers (30) über den Regler die Leistung und/oder den abgegebenen Strom des DC/DC-Wandlers (30) zu steuern oder zu regeln. Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung ist eingerichtet, eine Soll-Leistung oder eine Soll-Strom zu ermitteln (etwa anhand einer Vorgabe eines Energiemanagementsystems oder anhand von Nutzereingaben, oder Eingaben durch ein stationäres Ladesystem) und gemäß dieser eine Sollspannung zu ermitteln, die dem Regler als Sollgröße zugeführt wird. Es kann eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen sein, über die die übergeordnete Steuerungsvorrichtung Eingaben, etwa von einer stationären Vorrichtung, erhält.
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Das Fahrzeug-Bordnetz kann eine mit dem elektrischen Energiespeicher verbundene Batteriemanagementvorrichtung aufweisen. Diese ist vorzugsweise eingerichtet, zumindest einen Betriebsparameter des elektrischen Energiespeichers zu ermitteln. Dieser Betriebsparameter kann die Leerlaufspannung, die aktuelle Klemmenspannung, der aktuelle Strom, die aktuelle Temperatur, der Ladezustand oder der Alterungszustand sein. Dieser mindestens eine Betriebsparameter kann direkt dem Regler zugeführt werden. Ferner kann der mindestens eine Betriebsparameter dem Regler indirekt zugeführt werden, etwa über die übergeordnete Steuerungsvorrichtung. In diesem Fall kann der Betriebsparameter selbst oder eine daraus abgeleitete Größe (etwa die sich dadurch ergebende Sollspannung) dem Regler zugeführt werden. Der mindestens eine Betriebsparameter kann daher direkt oder indirekt dem Regler als eine Größe innerhalb der Regelung zugeführt werden. Alternativ kann der mindestens eine Betriebsparameter als eine daraus abgeleitete Größe innerhalb der Regelung zugeführt werden. Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, Betriebsgrößen wie einen Ist-Strom, eine Ist-Spannung oder eine Ist-Leistung zu erfassen, die an dem DC/DC-Wandler anliegt bzw. von diesem übertragen wird. Ferner kann die übergeordnete Steuerungsvorrichtung eingerichtet sein, einen Fehlerzustand oder eine Betriebstemperatur des DC/DC-Wandlers zu erfassen. Diese Größen können direkt von dem DC/DC-Wandler erfasst werden, können von einer Messvorrichtung wie einem Sensor, insbesondere ein Stromsensor oder von einem Messwandler (A/D-Wandler) ermittelt werden, der an den DC/DC-Wandler angeschlossen ist, oder können von dem Regler (etwa als eine Größe, die innerhalb der Regelung verwendet wird) abgegeben werden. Die Betriebsgrößen können an einem Anschluss des DC/DC-Wandlers ermittelt werden, insbesondere an demjenigen Anschluss, der mit dem elektrischen Energiespeicher verbunden ist, und/oder an demjenigen Anschluss, der mit dem Gleichstromladeanschluss verbunden ist. An dem Gleichstromladeanschluss kann ein Stromsensor und/oder ein Spannungssensor vorgesehen sein, der eingerichtet ist, erfasste Strom- oder Spannungswerte an die übergeordnete Steuerungsvorrichtung zu übertragen. Dies kann alternativ oder in Kombination hiermit auch für den Regler gelten, der in diesem Fall wie die Steuerungsvorrichtung zur Erfassung ausgestaltet ist oder mit einem betreffenden Sensor oder einer Messvorrichtung verbunden ist.
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Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung kann eine (vorzugsweise drahtlose) Kommunikationsschnittstelle aufweisen, über die eine stationäre Vorrichtung (etwa eine Ladestation oder ein stationärer Anschluss) ansteuernd angeschlossen ist. Ferner kann der Regler eine (vorzugsweise drahtlose) Kommunikationsschnittstelle aufweisen, über die die übergeordnete Steuerungsvorrichtung (gegebenenfalls stationär) dem Regler Ansteuersignale übermittelt.
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Das Fahrzeug-Bordnetz kann wie erwähnt eine mit dem elektrischen Energiespeicher verbundene Batteriemanagementvorrichtung aufweisen. Diese ist eingerichtet, zumindest einen Betriebsparameter des elektrischen Energiespeichers zu überwachen oder zu erfassen. Ferner ist die Batteriemanagementvorrichtung eingerichtet, direkt (durch Ansteuern des Reglers) oder indirekt (über die übergeordnete Steuerungsvorrichtung) in die Regelung des Reglers einzugreifen, insbesondere falls sich der Betriebsparameter außerhalb eines vorgegebenen Intervalls befindet. Das Intervall ist beidseitig oder einseitig beschränkt.
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Wie erwähnt kann der elektrische Energiespeicher mit einer Batteriemanagementvorrichtung ausgestattet sein. Die Batteriemanagementvorrichtung kann auch allgemein als Teil des Bordnetzes angesehen werden und ist nicht notwendigerweise Teil des Energiespeichers. Die Batteriemanagementvorrichtung ist mit dem Regler zur Übermittlung mindestens eines Betriebsparameters des Energiespeichers verbunden. In Kombination oder alternativ hierzu ist die Batteriemanagementvorrichtung mit dem Regler zur Übermittlung mindestens eines Betriebsparameters eines Soll-Ladeleistungssignals, welches für den Laderegler bestimmt ist, verbunden. Die Betriebsparameter des Energiespeichers können dessen Klemmen- oder Leerlaufspannung, dessen Kurzschlussstrom, dessen Temperatur, dessen Leistung, dessen Betriebsdauer, dessen Ladezustands oder dessen Alterungszustands sein.
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Das Fahrzeug-Bordnetz kann einen Inverter mit einer Gleichstromseite aufweisen, die direkt mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist, insbesondere mit dem zweiten Anschluss des DC/DC-Wandlers. Eine Wechselstromseite des Inverters kann direkt mit einer elektrischen Maschine verbunden sein. Der Inverter und die Maschine sind insbesondere Hochvoltkomponenten.
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Das Fahrzeug-Bordnetz kann ferner einen AC/DC-Ladewandler aufweisen. Dieser hat eine Gleichstromseite, die mit dem Zwischenkreis bzw. mit dem DC/DC-Wandler und insbesondere mit dessen zweiten Anschluss verbunden ist. Der AC/DC-Ladewandler ist insbesondere ein Gleichrichter, der es erlaubt, Energie in das Bordnetz über einen Wechselstromanschluss, der mit dem AC/DC-Ladewandler verbunden ist, in den Zwischenkreis und somit über den DC/DC-Wandler in den Energiespeicher einzuspeisen. Die Gleichstromseite des AC/DC-Ladewandlers ist insbesondere mit dem DC/DC-Wandler (d.h. dessen dem Energiespeicher abgewandte Seite) verbunden, vorzugsweise mit dem zweiten Anschluss.
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Der AC/DC-Ladewandler kann ferner eine Wechselstromseite aufweisen. Diese ist direkt mit einem Wechselstromanschluss verbunden. Der Wechselstromladeanschluss bzw. die Wechselstromseite des Ladewandlers können mehrphasig ausgestaltet sein, insbesondere dreiphasig oder mehrphasig mit einer Phasenzahl von mehr als drei. Der Wechselstromladeanschluss kann insbesondere ein Drehstrom-Ladeanschluss sein. Als direkte Verbindung werden wie oben erwähnt alle direkten Verbindungen betrachtet, die keine Leistungssteuerung beinhalten. Beispielsweise kann eine direkte Verbindung ein Filter, ein Schalter oder auch eine Sicherung umfassen, sofern der Schalter nicht mit einem Tastverhältnis größer als 0% und kleiner als 100% angesteuert wird. Derartige Schalter können beispielsweise Umschalter sein, die bei Funktions- oder Modusänderungen umgestellt werden. Derartige Schalter bilden keine Leistungssteuerung, so dass eine Verbindung über einen derartigen Schalter als direkte Verbindung betrachtet wird.
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Der AC/DC-Ladewandler kann insbesondere bidirektional ausgebildet sein. Dadurch kann über den DC/DC-Wandler dem Energiespeicher Energie entnommen werden und über den Zwischenkreis und dem AC/DC-Ladewandler am Wechselstromladeanschluss abgegeben werden, insbesondere an stationäre Wechselstromnetze.
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Das Bordnetz kann ferner eine elektrische Maschine aufweisen. Dies ist insbesondere zur Traktion eines Fahrzeugs ausgestaltet, in dem sich der Antriebsstrang befindet. Die elektrische Maschine kann jedoch auch andere Komponenten des Fahrzeugs antreiben. Beispielsweise kann die elektrische Maschine eine elektrische Maschine eines elektrischen Klimakompressors sein oder einer Bremsdruckunterstützungspumpe. Die elektrische Maschine ist über den Inverter mit dem Zwischenkreis verbunden. Der Inverter hat wie erwähnt die Funktion, aus der Gleichspannung des Zwischenkreises Ströme zu erzeugen, die in der elektrischen Maschine zu einem rotierenden Magnetfeld führen. Als weitere Funktion des AC/DC-Ladewandlers kann die Rekuperation genannt werden, wobei in diesem Fall die elektrische Maschine als Generator arbeitet, kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umwandelt, diese an den Inverter weitergeht, welcher wiederum aufgrund der bidirektionalen Ausgestaltung die betreffende elektrische Leistung an den Zwischenkreis abgeben kann. Diese Leistung kann dann ferner über den DC/DC-Wandler in den elektrischen Energiespeicher eingespeist werden, so dass beim Bremsvorgang kinetischer Energie zurückgewonnen werden kann und später aus dem Energiespeicher abgerufen werden kann. Der Inverter ist insbesondere als B6C-Brücke ausgestaltet, d. h. als Vollwellenbrücke, die dreiphasig ausgebildet ist, wobei die Hälfte oder alle Schalter der Brücke steuerbar sind. Wie auch der Inverter kann auch der DC/DC-Wandler mit Leistungsschaltern auf Halbleiterbasis ausgestaltet sein, insbesondere in Form von Transistoren vorzugsweise MOSFETs oder IGBTs.
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Es wird ferner eine stationäre Anschlussvorrichtung beschrieben. Diese weist einen AC/DC-Wandler auf, der über eine Wechselstromseite verfügt. Diese Wechselstromseite ist zum Anschluss an ein stationäres Wechselstromnetzes ausgestattet. Der AC/DC-Wandler weist ferner eine Gleichstromseite auf. An die Gleichstromseite ist ein stationärer Stromanschluss (d.h. Gleichstromanschluss) oder eine Gleichstromsammelschiene mit mehreren stationären Stromanschlüssen angeschlossen. Der AC/DC-Wandler kann ungesteuert oder gesteuert sein. Der Begriff "ungesteuert" bedeutet in diesem Fall, dass Parameter des Wandlerbetriebs nur durch den Wandler selbst, durch die Eingangsspannung und den Ausgangsstrom definiert sind und keine Änderung der Wandlerleistung durch ein Ansteuersignal möglich ist. Der AC/DC-Wandler kann etwa den im Weiteren beschriebenen Transformator umfassen. Da dessen Wicklungen direkt mit dem stationären Wechselstromnetz bzw. mit den stationären Stromanschlüssen verbunden ist, ist ein derartiger AC/DC-Wandler ungesteuert. Der AC/DC-Wandler kann insbesondere einen gleichrichtenden Leistungskorrekturfilter aufweisen. Dieser umfasst eine Vollwellen-Gleichrichterbrücke, die inbesondere gesteuert ist. Die Vollwellen-Gleichrichterbrücke kann als B6C-Brücke ausgestaltet sein. In jedem Arm der Gleichrichter-Brücke weist neben einem Schaltelement eine Diode auf, die in Reihe zu dem Schaltelement angeschlossen ist. In diesem Fall ist der AC/DC-Wandler nicht rückspeisefähig, d.h. ein unidirektionaler Wandler. Der AC/DC-Wandler kann insbesondere ein Gleichrichter sein, der direkt an den stationären Stromanschluss angeschlossen ist, und der direkt an das stationäres Wechselstromnetzes angeschlossen ist.
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Der AC/DC-Wandler kann ein bidirektionaler Wandler sein oder kann ein unidirektionaler Wandler sein, der eingerichtet zur Leistungsabgabe an den stationären Stromanschluss oder an die Gleichstromsammelschiene.
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Der AC/DC-Wandler kann als B6C-Brücke mit fest eingestelltem Schaltschema (d.h. mit festem Tastverhältnis bzw. fester Frequenz) ausgebildet sein. Der AC/DC-Wandler der stationären Anschlussvorrichtung ist insbesondere rückspeisefähig. Der AC/DC-Wandler kann ferner einen Transformator umfassen, der eine Gruppe von Wicklungen in Dreieckschaltung und eine Gruppe von Wicklungen in Sternschaltung aufweist. Die Gruppen sind mit dem stationären Stromanschluss (d.h. mit Ladestromanschlüssen) verbunden, vorzugsweise in direkter Weise. Der Transformator weist ferner eine weitere Wicklung auf, die mit einem Gleichrichter verbunden ist, über den der Transformator mit dem stationären Wechselstromnetz verbunden werden kann, vorzugsweise in direkter Weise. Der Begriff "Ladestromanschlüsse" soll die Funktion der betreffenden Komponenten nicht auf das Laden beschränken. Falls der AC/DC-Wandler der stationären Anschlussvorrichtung bidirektional ausgestaltet ist, kann über die Ladestromanschlüsse auf Energie zu dem stationären Wechselstromnetz übertragen werden. Aus diesem Grund sind die "Ladestromanschlüsse" allgemein als Stromanschlüsse zu verstehen, an die ein Fahrzeug-Bordnetz angekoppelt werden kann.
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Die stationäre Anschlussvorrichtung kann einen Schütz aufweisen, der zwischen dem AC/DC-Wandler der stationäre Anschlussvorrichtung und der Gleichstromsammelschiene angeschlossen ist. Dadurch muss nicht jeder der stationären Stromanschlüsse, die an die Gleichstromsammelschiene angeschlossen sind, mit einem eigenen Schütz gesichert sein.
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Die stationäre Anschlussvorrichtung kann insbesondere eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen. Diese kann mit dem AC/DC-Wandler der stationären Anschlussvorrichtung verbunden sein oder ein Teil dieses AC/DC-Wandlers sein. Die Kommunikationsschnittstelle ist vorzugsweise eingerichtet, zumindest einen aktuellen Betriebsparameter wie Auslastung, eine von dem AC/DC-Wandler übertragene Leistung, eine aktuelle Spannung an den Stromanschlüssen, einen aktuellen Fehlerzustand der stationären Anschlussvorrichtung oder des angeschlossenen stationären Wechselstromnetzes, eine Nutzerverifikationsanfrage, einen Soll-Leistungswert, einen Soll-Spannungswert oder einen Soll-Stromwert abzugeben. Ferner kann die Kommunikationsschnittstelle eingerichtet sein, zumindest eine statische Eigenschaft der stationären Anschlussvorrichtung abzugeben, etwa einen Maximal- oder Nennstrom, eine Maximal- oder Nennspannung, oder eine Maximal- oder Nennleistung, oder auch ein Anzahl von gleichzeitig anschließbaren Fahrzeugen. Der zumindest eine aktuelle Betriebsparameter und/oder die zumindest eine statische Eigenschaft kann insbesondere an ein Fahrzeug-Bordnetz bzw. an eine Kommunikationsschnittstelle des Fahrzeug-Bordnetzes oder eines Fahrzeugs abgegeben werden. Die Kommunikationsschnittstelle ist ferner vorzugsweise eingerichtet, Signale zu empfangen, die einen Fehlerstatus eines Bordnetzes eines angeschlossenen Fahrzeugs oder einen Betriebszustand einer Komponente des Bordnetzes wiedergeben. Als Betriebszustand einer Komponente kommt insbesondere eine Temperatur, ein Ladezustand, ein Alterungszustand oder ein Auslastungsgrad eines Energiespeichers und/oder eines Wandlers des Fahrzeug-Bordnetzes in Betracht.
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Es wird somit eine (stationäre) Anschlussvorrichtung beschrieben, die auch als rückspeisefähige oder nicht-rückspeisefähige Ladestation betrachtet werden kann. Der AC/DC-Wandler ist stationär. Die Wechselstromseite des Wandlers ist zum Anschluss an ein stationäres Wechselstromnetz ausgestaltet, indem entsprechende Anschlussklemmen oder -stecker vorgesehen sind. Der AC/DC-Wandler der stationären Anschlussvorrichtung ist eingerichtet, Leistung von der Wechselstromseite in die Gleichstromseite hinein zu wandeln und kann gegebenenfalls rückspeisefähig ausgestaltet sein, d.h. kann zudem eingerichtet sein, Leistung in die entgegengesetzte Richtung zu wandeln. Die Gleichstromsammelschiene erlaubt, mehrere Ladeplätze mittels ein und demselben AC/DC-Ladewandler an der Ladestation zu betreiben. So kann beispielsweise der AC/DC-Ladewandler für ein Fahrzeug, das kein erfindungsgemäßes Fahrzeug-Bordnetz aufweist, eine bestimmte Gleichspannung an der Gleichstromsammelschiene einstellen, die zum Laden dieses Fahrzeug geeignet ist. Ist ferner an diese Gleichstromsammelschiene ein weiteres Fahrzeug angeschlossen, das ein erfindungsgemäßes Fahrzeug-Bordnetz aufweist, so kann der dort vorgesehene DC/DC-Wandler innerhalb des Bordnetzes die Spannungsanpassung (welche das erstgenannte Fahrzeug nicht durchführen kann) vornehmen und die Spannung gemäß den Anforderungen des Energiespeichers anpassen bzw. den Ladevorgang auch ohne vorgegebene Soll-Eingangsspannung am Gleichstromladeanschluss durchführen. Sind mehrere Fahrzeug-Bordnetze an die Gleichstromsammelschiene angeschlossen, so kann jeder DC/DC-Wandler der mehreren Fahrzeug-Bordnetze jeweils passend zum Batteriezustand und dem gewünschten Betriebsmodus individuell betrieben werden. Insbesondere können die jeweiligen Regler die DC/DC-Wandler der jeweiligen Fahrzeug-Bordnetze individuell betreiben, ohne dass die stationäre Anschlussvorrichtung Anpassungen vornehmen muss. Dadurch kann die stationäre Anschlussvorrichtung besonders günstig ausgestaltet werden. Der Regler der stationären Anschlussvorrichtung regelt die Ausgangsspannung des stationären AC/DC-Wandlers, insbesondere gemäß einer vorgegebenen Sollspannung. Diese kann beispielsweise von der Kommunikationsschnittstelle der stationären Anschlussvorrichtung dem Regler vorgegeben werden. Die der Kommunikationsschnittstelle der stationären Anschlussvorrichtung kann eine Vorgabe, die diese Sollspannung wiedergibt, von der Kommunikationsschnittstelle des Fahrzeug-Bordnetzes empfangen bzw. von einer übergeordneten Steuervorrichtung des Fahrzeug-Bordnetzes (vorzugsweise über die Kommunikationsschnittstelle des Fahrzeug-Bordnetzes). Das stationäre Wechselstromnetzes kann ein öffentliches Wechselstrom-Versorgungsnetz oder ein Inselnetz sein, beispielsweise ein Inselnetz mit zumindest einem Kraftwerk, welches regenerative Energien nutzt.
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Vorzugsweise weist die stationäre Anschlussvorrichtung eine oder mehrere Verbindungen oder auch die bereits erwähnten Anschlussklemmen oder -stecker auf, die geeignet sind, die Anschlussvorrichtung an ein oder mehrere (staitonäre) Wechselstromnetze und/oder (stationäre) Gleichstromnetze anzuschließen. Derartige Verbindungen können Anschlüsse etwa in Form von Steck- oder Schraubverbindungen sein, die zur Verbindung von zwei stationären Komponenten geeignet sind. Die Gleichstrom- bzw. Wechselstromnetze können Netzen einzelner Kraftwerke oder Energiespeicher entsprechen, beispielsweise lokale Wasserkraft oder Windkraftwerke. Im Falle von Photovoltaikanlagen oder stationären Akkumulatoranlagen ist vorzugsweise ein DC/AC-Wandler vorgesehen, über den die betreffenden Gleichspannungsebenen an die Ladestation angeschlossen werden.
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Insbesondere kann die stationäre Anschlussvorrichtung eingerichtet sein, an ein oder mehrere Gleichstromkraftwerke oder -Speicher angeschlossen zu werden, insbesondere an ein beispielsweise lokales Gleichstromnetz. Hierbei sind Anschlüsse, über die die ein oder mehreren Gleichstromkraftwerke, -Speicher oder das lokale Gleichstromnetz an die Anschlussvorrichtung angeschlossen werden, über eine direkte Verbindung (gegebenenfalls ferner über einen DC/DC-Wandler zur Spannungsanpassung) mit dem stationären Stromanschluss verbunden, der zum Anschluss an ein Fahrzeug-Bordnetz ausgestaltet ist.
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Das Gleichstromnetz, an die die stationäre Anschlussvorrichtung anschließbar ist, kann ein oder mehrere stationäre Speicher, ein oder mehrere Elektrolyseure, oder ein oder mehrere Generatoren eines Wind- oder Heizkraftwerks, die zur Abgabe von Gleichstrom ausgestaltet sind, umfassen.
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Falls stationäre Gleichstromspeicher oder stationäre Gleichstromkraftwerke vorliegen wie Photovoltaikanlagen, stationäre Akkumulatoren oder Wind- oder Wasserkraftwerke mit nachgeschalteten Gleichrichter, dann können ein oder mehrere derartige Inselkraftwerke oder Inselspeicher über die Gleichstromsammelschiene miteinander verbunden werden. Im Falle eines stationären Akkumulators oder eines stationären Akkumulatornetzes wäre auch eine Energieübertragung über die Gleichstromsammelschiene zu dem Akkumulator bzw. dem Akkumulatornetz hin denkbar, wobei der DC/DC-Wandler des Fahrzeug-Bordnetzes oder auch der AC/DC-Ladewandler der Anschlussvorrichtung eingerichtet sind, in einem entsprechenden Rückspeisemodus Energie in einen stationären Akkumulator oder ein stationäres Akkumulatornetz (bzw. Gleichstromnetz) einzuspeisen.
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Es kann eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage, eine Biogas-Anlage, oder auch (anstatt oder neben einem Kraftwerk) ein stationärer Speicher wie eine stationäre Akkumulatoreinrichtung verwendet werden. Die Gleichstromsammelschiene oder zumindest die Gleichstromseite des AC/DC-Ladewandlers der Ladestation kann verwendet werden, um ein Fahrzeug-Bordnetz oder mehrere Fahrzeug-Bordnetz mit Gleichspannung aufzuladen oder zur Rückspeisung an das stationäre Wechselstrom- oder Gleichstromnetz anzukoppeln.
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Gemäß einem Aspekt kann die stationäre Anschlussvorrichtung auch einen Spannungsregler aufweisen. Dieser Spannungsregler ist ansteuernd mit dem stationären AC/DC-Wandler verbunden. Der stationäre AC/DC-Wandler weist einen Eingang auf, der mit zumindest einem der stationären Stromanschlüsse verbunden ist. Insbesondere ist der Eingang des stationären AC/DC-Wandlers mit der Gleichstromsammelschiene verbunden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann der stationäre AC/DC-Ladewandler mit dem stationären Wechselstromnetz verbunden sein, etwa um dessen Spannung, Frequenz und/oder Phase zu erfassen. Der Spannungsregler ist vorzugsweise eingerichtet, eine am Eingang erfasste Spannung als Regelungs-Führungsgröße zu verwenden. Dadurch kann der stationäre AC/DC-Wandler insbesondere als Spannungsregler arbeiten, um an den stationären Stromanschlüssen (Gleichstrom) eine Sollspannung darzustellen.
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Der stationäre AC/DC-Wandler kann eingerichtet sein, die Funktion einer Phasenkorrektur (d. h. einer Blindleistungsreduktion) auszuführen.
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Kurzbeschreibung der Fig. 1
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes Fahrzeug-Bordnetz sowie eine Infrastruktur mit einer beispielhaften stationären Anschlussvorrichtung zur beispielhaften Erläuterung des hier Beschriebenen.
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Die 1 zeigt ein erstes elektrisches Fahrzeug-Bordnetz 10, ein zweites elektrisches Fahrzeug-Bordnetz 10‘ sowie eine stationäre Anschlussvorrichtung 100, an der die Antriebsstränge insbesondere zum Laden und gegebenenfalls zum Rückspeisen elektrisch angeschlossen sind. Der Antriebsstrang 10‘ ist nur schematisch dargestellt und kann wie der Antriebsstrang 10 aufgebaut sein, oder hiervon abweichen, sofern dieser einen Gleichstromladeanschluss aufweist, mit dem sich eine Verbindung zur stationären Anschlussvorrichtung 100 herstellen lässt.
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Das Fahrzeug-Bordnetz 10 weist einen elektrischen Energiespeicher 20 in Form eines Akkumulators auf, der über eine Batteriemanagementvorrichtung 22 verfügt. Der elektrische Energiespeicher 20 ist über eine Gleichspannungsleitung mit einer ersten Wandlerseite bzw. mit einem ersten Anschluss 31a eines DC/DC-Wandlers 30 des Fahrzeug-Bordnetzes 10 verbunden. Die zweite Wandlerseite bzw. der zweite Anschluss 31b des DC/DC-Wandlers 30 ist mit Gleichstromladeanschlüssen 12 des Fahrzeug-Bordnetzes 10 verbunden. Die Gleichstromladeanschlüsse 12 können auch allgemein als Gleichstromanschlüsse des Fahrzeug-Bordnetzes 10 bezeichnet werden, insbesondere wenn diese nicht nur zur Einspeisung von Energie in das Fahrzeug-Bordnetzes 10 dienen (etwa im Rahmen eines Ladevorgangs), sondern auch zur Rückspeisung von Energie ausgehend von dem Fahrzeug-Bordnetz 10. Die zweite Wandlerseite bzw. der zweite Anschluss 31b des DC/DC-Wandlers 30 ist mit einem Zwischenkreis 70 verbunden. Der Zwischenkreis 70 ist insbesondere mit den Gleichstromladeanschlüssen verbunden.
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Insbesondere ist die zweite Seite (entsprechend dem zweiten Anschluss 31b) des DC/DC-Wandlers 30 (über den Zwischenkreis 70) mit einer Gleichstromseite eines Inverters 40 verbunden. Der Inverter 40 weist eine zugehörige Wechselstromseite auf, die an einer elektrischen Maschine 50 angeschlossen ist. Die Wechselstromseite des Inverters 40 ist wie auch die elektrische Maschine 50 dreiphasig, so dass die Verbindung zwischen elektrischer Maschine 50 und Inverter 40 dreiphasig ausgestaltet ist.
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An die Gleichstromseite des Inverters 40 ist neben dem Zwischenkreis 70 bzw. dem DC/DC-Wandler bzw. dessen zweiter Anschluss 31b ein optionaler AC/DC-Wandler 60 angeschlossen. Dessen Wechselstromseite ist mit einem optionalen Wechselstromladeanschluss 14 verbunden. Die Wechselstromseite des optionalen AC/DC-Ladewandlers 60 sowie auch der Wechselstromladeanschluss 14 sind dreiphasig ausgebildet. Der optionale AC/DC-Ladewandler 60 des Fahrzeug-Bordnetzes 10 ist ferner mit einer AC/DC-Steuerung 62 verbunden, die den AC/DC-Wandler 60 ansteuert. Die AC/DC-Steuerung 62 umfasst ferner Eingänge, die Spannungs-, Strom- und/oder Leistungssignale des Zwischenkreises 70 oder des Wechselstromladeanschlusses 14 erfassen. Dies ist durch die betreffenden gestrichelt dargestellten Pfeile wiedergegeben.
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Der DC/DC-Wandler 30 wird von einem Regler 32 angesteuert. An den Regler 32 ist eine übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34 angeschlossen. Die Steuerungsvorrichtung 34 ist hinsichtlich der Ansteuerungshierarchie dem Regler 32 übergeordnet.
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Die mit durchgehenden Linien dargestellte übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34 ist Teil des Fahrzeug-Bordnetzes 10.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34' außerhalb des Fahrzeug-Bordnetzes 10 vorzusehen, jedoch innerhalb des Fahrzeuges. Die mit gestrichelten Linien dargestellte übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34' kann insbesondere einer (zentralen) Energiemanagement-Einheit oder einer Antriebsteuereinheit des Fahrzeugs nachgeschaltet sein oder ein Teil dieser sein.
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Ferner besteht die Möglichkeit, die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34'' außerhalb des Fahrzeug-Bordnetzes 10 vorzusehen und außerhalb des Fahrzeuges vorzusehen. Hierbei ist die Steuerungsvorrichtung 34'' stationär und insbesondere Teil einer Ladestation oder der hierin erwähnten stationären Anschlussvorrichtung, siehe beispielsweise Bezugszeichen 100. Das Fahrzeug-Bordnetz 10 weist (insbesondere in diesem Fall) eine Kommunikationsschnittstelle 36 auf. Diese ist eingerichtet, mit der übergeordneten Steuerungsvorrichtung 34'' zu kommunizieren. Dadurch kann die übergeordneten Steuerungsvorrichtung 34'' über die Kommunikationsschnittstelle 36 mit dem Regler 32 und mit der Batteriemanagementvorrichtung 22 verbunden werden. Auch diese Möglichkeit ist mit Strichlinien dargestellt.
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Die Steuerungsvorrichtung 34, 34' und 34'' erhält Energiespeicher-Betriebsparameter von der Batteriemanagementvorrichtung 22. Bei der Steuerungsvorrichtung 34'' werden diese über die Kommunikationsschnittstelle 36 übermittelt (der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt). Die Steuerungsvorrichtung 34, 34' und 34'' gibt Steuersignale an den Regler 32 ab. Ist eine interne Steuerungsvorrichtung 34 und eine externe Steuerungsvorrichtung 34'' vorgesehen, so kann die externe Steuerungsvorrichtung 34'' der internen Steuerungsvorrichtung 34 übergeordnet sein, welche wiederum dem Regler 32 übergeordnet ist. Dieser Steuerungspfad ist ebenso in der Figur mit gestrichelten Linien dargestellt.
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Der Regler 32 ist eingerichtet, die Spannung an demjenigen Anschluss 31a, b des DC/DC-Wandlers 30 gemäß einer Sollspannung einzustellen, an der Energie von dem DC/DC-Wandlers 30 abgegeben wird, d.h. an dem (aktuellen) Ausgang des DC/DC-Wandlers 30. Der Wandler 30 ist vorzugsweise zur bidirektionalen Spannungswandlung ausgestaltet. Die Sollspannung wird von der übergeordneten Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' vorgegeben. Der Regler 34 erfasst entweder direkt vom betreffenden Ausgang oder über die Batteriemanagementvorrichtung 22 eine Ist-Spannung. Anhand des Vergleichs der Ist-Spannung mit der Soll-Spannung wird ein Fehler errechnet, den der Regler 32 durch Ansteuern des DC/DC-Wandlers 30 so weit wie möglich (hinsichtlich des Betrags) verringert. Hierzu greift der Regler 32 ansteuernd in zumindest einen Betriebsparameter des DC/DC-Wandlers 30 ein. Insbesondere steuert der Regler 32 das Tastverhältnis oder Schaltpunkte des DC/DC-Wandlers 30. Es ergibt sich eine Spannungsregelung zur stabilen Einstellung einer Spannung durch den DC/DC-Wandlers 30 an demjenigen Anschluss 31a, b des DC/DC-Wandlers 30, welcher Energie abgibt (d.h. am Ausgang). Die Soll-Spannung wird als Spannungssollwert abgegeben, etwa in Form eines Signals, dessen Amplitude, Tastverhältnis oder Frequenz den Spannungssollwert wiedergibt, oder das Information durch Kodierung trägt, welches den Spannungssollwert wiedergibt.
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Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' ist zur Ausführung eines Lademodus eingerichtet. Hierbei wird Leistung mittels des DC/DC-Wandlers 30 vom Gleichstromanschluss 12 zum Energiespeicher 20 übertragen. Ferner kann die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' ist zur Ausführung eines Rückspeisemodus eingerichtet sein. In dem Rückspeisemodus wird Leistung mittels des DC/DC-Wandlers 30 vom Energiespeicher 20 an den Gleichstromanschluss 12 übertragen.
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Die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' erfasst Betriebsparameter von der Batteriemanagementvorrichtung 22, insbesondere eine Soll-Ladespannung und/oder einen Soll-Ladestrom oder eine Soll-Ladeleistung. Ferner können Parameter wie Temperatur, Alterungszustand oder Ladezustand als Signal an die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' übertragen werden. Zudem kann die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' etwa die Spannung im Zwischenkreis 70 bzw. an dem Gleichstromanschluss 12 erfassen oder auch einen Strom oder eine Leistung, die von dem Gleichstromanschluss 12 dem DC/DC-Wandler 30 zugeführt wird in umgekehrter Richtung von diesem abgeht. Diese erfassenden bzw. ansteuernden Verbindungen sind in 1 mit Pfeilen dargestellt, die als Strichlinie dargestellt sind. Dies betrifft die Ladefunktion bzw. den Lademodus sowie auch den Rückspeisemodus bzw. die Rückspeisefunktion. Betreffend den Rückspeisemodus kann die übergeordnete Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' mit einer weiteren, übergeordneten Steuereinheit (nicht dargestellt) verbunden sein und eingerichtet sein, Parameter wie eine Soll-Leistung, eine Soll-Spannung oder einen Soll-Strom von der übergeordneten Steuereinheit zu empfangen. Vorzugsweise ist die übergeordneten Steuereinheit, etwa eine Energiemanagement-Einheit ansteuernd mit dem DC/DC-Wandler 30 und ggf. mit dem Inverter 40 verbunden. Im Rückspeisemodus der übergeordneten Steuerungsvorrichtung 34, 34', 34'' kann so die übergeordnete Steuereinheit zumindest Parameter vorgeben, gemäß dem der DC/DC-Wandler 30 im Rückspeisemodus zu betreiben ist.
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Die dem Energiespeicher 20 abgewandte Seite des DC/DC-Wandlers 30 (d. h. die zweite Wandlerseite bzw. der zweite Anschluss 31b) ist mit dem Zwischenkreis 70 und auch mit einem Gleichstromladeanschluss 12 verbunden. Der Gleichstromladeanschluss 12 (der auch allgemeiner als Gleichstromanschluss 12 bezeichnet werden kann) umfasst zwei Kontakte (einen positiven oder negativen bzw. einen positiven und einen Massekontakt).
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In dem Gleichstromladeanschluss 12 des elektrischen Antriebs 10 können Ladestromanschlüsse 13 bzw. deren Kontakte der Ladestation 100 eingreifen. Die Ladestation 100 umfasst neben dem Ladestromanschluss 13 und dem optionalen weiteren Ladeanschluss 13‘ (oder weiteren Ladestromanschlüsse), die für Gleichstrom ausgelegt sind, einen optionalen Wechselstromanschluss 14 (in 1 dreiphasig dargestellt).
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Die stationäre Anschlussvorrichtung 100 weist einen AC/DC-Wandler 82 auf, insbesondere einen Gleichrichter, der die stationären Gleichstromladeanschlüsse 13, 13‘ bzw. eine daran angeschlossene Gleichstromsammelschiene 90 leistungsübertragend mit einem stationären Wechselstromnetz 80 verbindet. Das stationäre Wechselstromnetz 80 kann eine Wechselstrom-Inselnetz sein ("Micro-Grid") oder kann ein öffentliches Wechselstrom-Versorgungsnetz sein. Der AC/DC-Wandler 82 kann bidirektional ausgebildet sein, um eine Ladefunktion als auch eine Rückspeisefunktion zu realisieren. Der AC/DC-Wandler 82 kann jedoch auch unidirektional sein und nur zur Übertragung zur Gleichstromseite hin ausgebildet sein. Eine Ausführungsform sieht vor, dass der AC/DC-Wandler 82 bzw. die Anschlussvorrichtung 100 ungeregelt bzw. ungesteuert ist und insbesondere Betriebsparameter wie Tastverhältnis (falls zutreffend) oder ähnliches unveränderlich vorgegeben sind.
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Ferner kann der 1 eine andere Ausführungsform entnommen werden, bei der die stationäre Anschlussvorrichtung 100 einen Spannungsregler 84 umfasst. Dieser erfasst insbesondere die Spannung an der Gleichspannungsseite des AC/DC-Wandlers 82 und verwendet diese Spannung beispielsweise als Regelungs-Führungsgröße, um den AC/DC-Wandlers 82 so anzusteuern, dass an dessen Gleichspannungsseite möglichst eine (vorgegebene) Soll-Spannung auftritt. Darüber hinaus kann der Spannungsregler 84 von dem stationären Wechselstromnetz 80 Betriebsparameter erhalten, beispielsweise eine Spannung, eine Phase oder eine Frequenz. Die Verbindung zwischen stationären Wechselstromnetz 80 und dem Ladewandler 82 ist eine Wechselstromverbindung, die wie dargestellt dreiphasig ist. Somit ist auch die Wechselstromseite des AC/DC-Wandlers 82 dreiphasig ausgebildet. Eine Kommunikationsschnittstelle 86 der stationären Anschlussvorrichtung 100 ist mit dem AC/DC-Wandler 82 verbunden. Über diese Kommunikationsschnittstelle 86 kann eine Kommunikation mit einer Kommunikationsschnittstelle 36 des Fahrzeug-Bordnetzes 10 aufgebaut werden. Die Kommunikationsschnittstellen 36 und 86 können Daten betreffend Fehlerzustände oder Betriebsparameter des Reglers 32, der übergeordneten Steuerung 34, 34', der Batteriemanagementvorrichtung 22 oder des Energiespeichers 20 austauschen. Insbesondere kann über diese Kommunikationsschnittstellen 36 und 86 das anzuschließende Fahrzeugbordnetz 10, 10' autorisiert werden, bevor Energie übertragen wird.
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Die stationäre Anschlussvorrichtung 100 umfasst nicht das stationäre Wechselstromnetz 80 und auch nicht ein weiteres Versorgungs-Wechselstromnetz 80‘ oder betreffende Kraftwerke, sondern umfasst insbesondere den AC/DC-Wandler 82, dessen (optionaler) Spannungsregler 84, die Gleichstromsammelschiene 90 sowie die Ladestromanschlüsse 13, 13‘ und 14.
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Die stationäre Anschlussvorrichtung 100 umfasst zudem insbesondere Verbindungen 81, etwa in Form von Anschlüssen, die ein Anschluss an ein weiteres Versorgungs-Wechselstromnetz 18‘ erlauben.
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Auch die Gleichstromsammelschiene 90 weist eine derartige Verbindung 81' (bzw. entsprechende Netzanschlüsse) auf, die jedoch zum Anschluss an zumindest ein Gleichstromnetz 80''(etwa ein Inselnetz beispielsweise mit einer Photovoltaikanlage oder einem anderen gleichstromerzeugenden Kraftwerk) geeignet ist.
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Die Gleichstromsammelschiene 90 versorgt nicht nur den Ladestromanschluss 13, sondern auch einen Stromanschluss 13‘, mit dem sich das weitere elektrische Fahrzeug-Bordnetz 10‘ (etwa eines weiteren Fahrzeugs) aufladen lässt. Über die gleiche Verbindung kann auch ausgehend von dem Bordnetz 10' Energie rückgespeist werden. Es ist dargestellt, dass noch weitere Gleichstromladeanschlüsse (neben den Anschlüssen 13 und 13‘) vorgesehen sein können.
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Die Gleichstromsammelschiene 90 ist mit Punktlinien dargestellt und ist nicht mit den Verbindungen 81 verbunden. Die Ladestromanschlüsse 13‘ sind als Kontakte dargestellt, wobei symbolhaft mittels eines Pfeils, der auf das Bordnetz 10' gerichtet ist, eine der möglichen Anbindungsrichtung bzw. ein möglicher Ladeleistungsfluss an ein weiteres Bordnetz 10‘ dargestellt ist.
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Die Anschlüsse des Fahrzeug-Bordnetzes können als Buchsen ausgeführt sein, die sich von außen zugreifbar in der Außenhaut eines Fahrzeugs befinden. Alternativ kann eine drahtlose Wechselstromübertragung vorgesehen sein, insbesondere eine induktive Übertragung zum AC/DC-Ladewandlers 60 des Antriebsstrangs hin. Die dargestellten Kontakte des Gleichstromanschlusses 12 (oder auch die Kontakte des Wechselstromanschlusses des Antriebsstrangs 10) können als Einbaustecker zusammengefasst sein, wobei auch die dazu komplementären Kontakte als Stecker zusammengefasst sein können.
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Die 1 stellt dar, dass eine gleichzeitige Wechselstrom- und Gleichstromladung über die Anschlüsse 12, 13 und 14 möglich ist. Ferner können mehrere Elektrofahrzeuge gleichzeitig geladen werden. Die Gleichstromsammelschiene 90 verteilt hierbei die Leistung an mehrere Fahrzeuge ausgehend von nur einem stationären Wandler 82 oder ausgehend von nur einem Gleichspannungsnetz 80''. Wenn die mehreren Fahrzeuge mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeug-Bordnetz ausgestaltet sind, so übernimmt das Fahrzeug-Bordnetz in jedem einzelnen Fahrzeug die Anpassung der Spannung bzw. der Leistung an die Erfordernisse des jeweiligen Energiespeichers, so dass eine stationäre individuelle Gleichspannungsregelung bzw. Ladesteuerung entfallen kann.
