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Die Erfindung betrifft ein Spannungsversorgungssystem für ein Elektrofahrzeug, welches ein erstes Teilnetz mit einer ersten Nennspannung, ein zweites Teilnetz mit einer zweiten Nennspannung, ein drittes Teilnetz mit einer dritten Nennspannung, einen ersten Gleichspannungswandler zur Kopplung des ersten Teilnetzes mit dem zweiten Teilnetz und einen zweiten Gleichspannungswandler zur Kopplung des ersten Teilnetzes mit dem dritten Teilnetz, umfasst.
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Stand der Technik
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Ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Elektrofahrzeug, weist ein elektrisches Bordnetz auf, das von einem Batteriesystem gespeist wird. Das Bordnetz dient zur Spannungsversorgung von elektrischen Verbrauchern des Kraftfahrzeugs. Aufgrund von hohen Energieanforderungen und hohen Leistungsanforderungen der elektrischen Verbraucher und aufgrund der zunehmenden Anzahl von elektrischen Verbrauchern in Kraftfahrzeugen ist es vorteilhaft, eine Nennspannung des Bordnetzes verhältnismäßig hoch zu wählen, um Leitungsverluste zu vermindern und um die Effizienz zu steigern. Andererseits weisen Kraftfahrzeugen Verbraucher auf, die zwingend mit einer geringeren Spannung zu betreiben sind.
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Es ist daher bekannt, in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in ein Elektrofahrzeug, ein Bordnetz mit mehreren Teilnetzen zu installieren, wobei die besagten Teilnetze jeweils verschiedene Nennspannungen aufweisen können. In Elektrofahrzeugen sind zur Versorgung der elektrischen Verbraucher beispielsweise drei Teilnetze mit jeweils unterschiedlichen Nennspannungen vorgesehen.
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Ein erstes Teilnetz mit einer ersten Nennspannung von beispielsweise 600 V, die als Hochspannung bezeichnet wird, dient beispielsweise zur Versorgung der Antriebsmotoren des Elektrofahrzeugs. Ein zweites Teilnetz mit einer zweiten Nennspannung von beispielsweise 48 V dient beispielsweise zur Versorgung von weiteren Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf, insbesondere elektrische Heizungen, Klimatisierung, Wankstabilisierung. Ein drittes Teilnetz mit einer dritten Nennspannung von beispielsweise 12 V dient beispielsweise zur Versorgung der übrigen elektrischen Verbraucher, insbesondere Radio, Beleuchtung, Kontrollleuchten.
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Bekannte Architekturen für die Versorgung des zweiten Teilnetzes mit 48 V und des dritten Teilnetzes mit 12 V aus einer Hochspannungsbatterie des ersten Teilnetzes sehen entweder eine Domänen-Architektur oder eine Zonen-Architektur vor. Beiden Architekturen ist gemeinsam, dass zunächst das zweite Teilnetz mit einer 48 V - Batterie über einen Gleichspannungswandler, welcher auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, aus dem ersten Teilnetz versorgt wird. Das dritte Teilnetz wird dann über einen oder mehrere Gleichspannungswandler aus dem zweiten Teilnetz versorgt. Diese 12 V - Versorgung über Gleichspannungswandler kann für nicht sicherheitskritische Verbraucher ohne Batteriepufferung des dritten Teilnetzes erfolgen. Für sicherheitskritische 12 V - Verbraucher ist eine 12 V - Batterie in dem dritten Teilnetz erforderlich.
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Aus dem Dokument
US 2015/0183334 A1 ist ein Elektrofahrzeug bekannt, welches eine Hochspannungsbatterie und mehrere Gleichspannungswandler aufweist. Insbesondere sind ein Gleichspannungswandler zur Erzeugung einer Nennspannung von 12 V und ein weitere Gleichspannungswandler zur Erzeugung einer Nennspannung von 48 V vorgesehen.
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Aus dem Dokument
US 2016/0152147 A1 ist ein Spannungsversorgungssystem für ein Elektrofahrzeug bekannt, welches ein Hochspannungsnetz mit einer Nennspannung von 288V, ein weiteres Teilnetz mit einer Nennspannung von 48 V und ein weiteres Teilnetz mit einer Nennspannung von 12 V aufweist. Zur Kopplung des Hochspannungsnetzes mit den Teilnetzen ist jeweils ein Gleichspannungswandler vorgesehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Spannungsversorgungssystem für ein Elektrofahrzeug vorgeschlagen. Das Spannungsversorgungssystem umfasst ein erstes Teilnetz mit einer ersten Nennspannung, ein zweites Teilnetz mit einer zweiten Nennspannung und ein drittes Teilnetz mit einer dritten Nennspannung. Das Spannungsversorgungssystem umfasst ferner einen ersten Gleichspannungswandler zur Kopplung des ersten Teilnetzes mit dem zweiten Teilnetz und einen zweiten Gleichspannungswandler zur Kopplung des ersten Teilnetzes mit dem dritten Teilnetz.
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Das erste Teilnetz weist vorzugsweise eine erste Batterie zu Speicherung von elektrischer Energie bei der ersten Nennspannung auf. Ebenso weist das zweite Teilnetz vorzugsweise eine zweite Batterie zu Speicherung von elektrischer Energie bei der zweiten Nennspannung auf. Auch weist das dritte Teilnetz vorzugsweise eine dritte Batterie zu Speicherung von elektrischer Energie bei der dritten Nennspannung auf.
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Erfindungsgemäß ist in dem Spannungsversorgungssystem zusätzlich ein dritter Gleichspannungswandler zur Kopplung des zweiten Teilnetzes mit dem dritten Teilnetz vorgesehen. Dadurch ist, zusätzlich zu einem Energiefluss aus dem ersten Teilnetz über den zweiten Gleichspannungswandler in das dritte Teilnetz, auch ein Energiefluss aus dem zweiten Teilnetz über den dritten Gleichspannungswandler in das dritte Teilnetz möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Nennspannung des ersten Teilnetzes größer ist als die zweite Nennspannung des zweiten Teilnetzes. Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Nennspannung des ersten Teilnetzes auch größer als die dritte Nennspannung des dritten Teilnetzes.
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Die erste Nennspannung beträgt beispielsweise 600 V und wird auch als Hochspannung bezeichnet. Das erste Teilnetz mit der ersten Nennspannung dient beispielsweise zur Versorgung von Antriebsmotoren des Elektrofahrzeugs mittels Antriebswechselrichtern. Die zweite Nennspannung beträgt beispielsweise 48 V. Das zweite Teilnetz mit der zweiten Nennspannung dient beispielsweise zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf, insbesondere elektrische Heizungen, Klimatisierung, Wankstabilisierung. Die dritte Nennspannung beträgt beispielsweise 12 V. Das dritte Teilnetz mit der dritten Nennspannung dient beispielsweise zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern mit niedrigem Leistungsbedarf, insbesondere Radio, Beleuchtung, Kontrollleuchten. Das dritte Teilnetz dient beispielsweise auch zur Versorgung von sicherheitskritischen Verbrauchern, beispielswiese Steuergeräten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Nennspannung des zweiten Teilnetzes von beispielsweise 48 V auch größer als die dritte Nennspannung des dritten Teilnetzes von beispielsweise 12 V.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein viertes Teilnetz mit einer vierten Nennspannung vorgesehen. Ebenso ist ein vierter Gleichspannungswandler zur Kopplung des zweiten Teilnetzes mit dem vierten Teilnetz vorgesehen. Das vierte Teilnetz hat vorzugsweise eine geringe Ausdehnung, erstreckt sich also räumlich nur über einen Teil des Elektrofahrzeugs. Somit ist für das vierte Teilnetz nur eine Verkabelung von dem vierten Gleichspannungswandler zu den benachbart angeordneten Verbrauchern des vierten Teilnetzes erforderlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entspricht die vierte Nennspannung des vierten Teilnetzes der dritten Nennspannung des dritten Teilnetzes. Beispielsweise beträgt die dritte Nennspannung ebenfalls 12 V.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der dritte Gleichspannungswandler als bidirektionaler Spannungswandler ausgeführt. Der dritte Gleichspannungswandler gestattet somit einen bidirektionalen Stromfluss zwischen dem zweiten Teilnetz und dem dritten Teilnetz. Somit ist auch ein Energiefluss aus dem dritten Teilnetz über den dritten Gleichspannungswandler in das zweite Teilnetz möglich.
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Der dritte, als bidirektionaler Spannungswandler ausgeführte Gleichspannungswandler, ist beispielsweise als Synchronwandler ausgeführt. Aber auch andere Bauformen, beziehungsweise elektrische Schaltungen sind für den dritten Gleichspannungswandler denkbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der erste Gleichspannungswandler baulich in einen Antriebswechselrichter zur Versorgung eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs integriert. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auch der zweite Gleichspannungswandler baulich in einen Antriebswechselrichter zur Versorgung eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs integriert.
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Elektrofahrzeuge weisen häufig zwei angetriebene Achsen und damit auch zwei Antriebswechselrichter zur Versorgung von zwei Antriebsmotoren auf. Beispielsweise ist der erste Gleichspannungswandler baulich in den Antriebswechselrichter in der Vorderachse integriert, und der zweite Gleichspannungswandler ist baulich in den Antriebswechselrichter in der Hinterachse integriert.
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Es ist auch denkbar, dass der erste Gleichspannungswandler und der zweite Gleichspannungswandler baulich in denselben Antriebswechselrichter zur Versorgung eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs integriert sind. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Elektrofahrzeug nur eine angetriebene Achse und damit auch nur einen Antriebswechselrichter zur Versorgung des einen Antriebsmotors aufweist.
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Ein Antriebswechselrichter in einem Elektrofahrzeug weist in der Regel aufgrund der dort entstehenden Verlustleistung eine Flüssigkeitskühlung auf. Die Integration eines der Gleichspannungswandler in einen solchen Antriebswechselrichter ermöglicht somit vorteilhaft die Nutzung eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs. Eine separate Flüssigkeitskühlung der Gleichspannungswandler mit entsprechend hohem Installationsaufwand und Komplexität ist durch die Integration des Gleichspannungswandlers in den Antriebswechselrichter nicht erforderlich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auch der dritte Gleichspannungswandler baulich in einen Antriebswechselrichter zur Versorgung eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs integriert. Der dritte Gleichspannungswandler kann dabei baulich in denselben Antriebswechselrichter wie der erste Gleichspannungswandler sowie in denselben Antriebswechselrichter wie der zweite Gleichspannungswandler integriert sein.
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Vorteile der Erfindung
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Im Vergleich zu einem Spannungsversorgungssystem, in welchem eine zweistufige Gleichspannungswandlung von einer Hochspannung auf 48 V und dann von 48 V auf 12 V erfolgt, ist in dem erfindungsgemäßen Spannungsversorgungssystem die Summe der Verlustleistung der Gleichspannungswandlung durch eine einstufige Gleichspannungswandlung von Hochspannung auf 12 V vorteilhaft reduziert. Besonders vorteilhaft ist eine redundante Spannungsversorgung von sicherheitskritischen 12 V - Verbrauchern in dem dritten Teilnetz direkt aus einer 12 V-Batterie des dritten Teilnetzes, durch den ersten Gleichspannungswandler aus einer ersten Batterie des ersten Teilnetzes und durch den dritten Gleichspannungswandler aus einer 48 V - Batterie des zweiten Teilnetzes möglich. Ferner ist ein Energiemanagement zwischen einer 48 V - Batterie des zweiten Teilnetzes und einer 12 V - Batterie des dritten Teilnetzes durch einen als bidirektionalen Spannungswandler ausgeführten Gleichspannungswandler je nach Leistungsbedarf der einzelnen Teilnetze möglich. Durch einen entsprechend gesteuerten Parallelbetrieb der Gleichspannungswandler in Verbindung mit einer Batteriepufferung in dem zweiten Teilnetz und dem dritten Teilnetz kann die erforderliche Maximalleistung der einzelnen Gleichspannungswandler reduziert werden. Sollen aus Gründen reduzierter Leiterquerschnitte und damit reduziertem Gesamtgewicht weitere Verbraucher über dezentrale, insbesondere luftgekühlte Gleichspannungswandler aus dem zweiten Teilnetz mit der dritten Nennspannung versorgt werden, so bietet die vorgeschlagene Topologie mit dem vierten Teilnetz den dafür erforderlichen Freiheitsgrad. Je nach Anforderungen und Verfügbarkeit einzelner elektrischer Verbraucher ist diese Topologie flexibel skalierbar.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Spannungsversorgungssystems mit mehreren Teilnetzen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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In 1 ist ein Spannungsversorgungssystem 10 für ein Elektrofahrzeug schematisch darstellt. Das Spannungsversorgungssystem 10 umfasst ein Bordnetz mit mehreren Teilnetzen, vorliegend mit einem ersten Teilnetz T1, mit einem zweiten Teilnetz T2, mit einem dritten Teilnetz T3 und mit einem vierten Teilnetz T4.
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Das erste Teilnetz T1 weist eine erste Nennspannung von vorliegend 600 V auf, welche auch als Hochspannung bezeichnet wird. Das erste Teilnetz T1 weist eine wieder aufladbare erste Batterie 11 zur Speicherung von elektrischer Energie bei der ersten Nennspannung auf. An das erste Teilnetz T1 sind zwei Antriebswechselrichter 13 zum Ansteuern jeweils eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs angeschlossen. Das erste Teilnetz T1 dient insbesondere zur Versorgung der Antriebsmotoren des Elektrofahrzeugs mittels der besagten Antriebswechselrichter 13.
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Das Elektrofahrzeug weist vorliegend zwei angetriebene Achsen auf, nämlich eine Vorderachse und eine Hinterachse. Dabei ist der Hinterachse einer der beiden Antriebswechselrichter 13 zugeordnet, und der Vorderachse ist auch einer der beiden Antriebswechselrichter 13 zugeordnet.
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Das zweite Teilnetz T2 weist eine erste Nennspannung von vorliegend 48 V auf. Das zweite Teilnetz T2 weist eine wieder aufladbare zweite Batterie 21 zur Speicherung von elektrischer Energie bei der zweiten Nennspannung auf. An das zweite Teilnetz T2 sind mehrere elektrische Verbraucher 15 angeschlossen, welche einen verhältnismäßig hohen Leistungsbedarf haben. Zu den besagten Verbrauchern 15 gehören beispielsweise elektrische Heizungen, Klimatisierung sowie eine Wankstabilisierung.
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Das dritte Teilnetz T3 weist eine dritte Nennspannung von vorliegend 12 V auf. Das dritte Teilnetz T3 weist eine wieder aufladbare dritte Batterie 31 zur Speicherung von elektrischer Energie bei der dritten Nennspannung auf. An das dritte Teilnetz T3 sind mehrere elektrische Verbraucher 15 angeschlossen, welche einen verhältnismäßig niedrigen Leistungsbedarf haben, insbesondere Radio, Beleuchtung sowie Kontrollleuchten. Das dritte Teilnetz T3 dient auch zur Versorgung von sicherheitskritischen Verbrauchern 15, beispielswiese von entsprechenden Steuergeräten.
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Das vierte Teilnetz T4 weist eine vierte Nennspannung von vorliegend 12 V auf. Das vierte Teilnetz T4 weist keine wieder aufladbare Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie auf. Auch an das vierte Teilnetz T4 sind mehrere elektrische Verbraucher 15 angeschlossen. Das vierte Teilnetz T4 hat nur eine verhältnismäßig geringe räumliche Ausdehnung und erstreckt sich nur über einen Teil des Elektrofahrzeugs.
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Das Spannungsversorgungssystem 10 umfasst ferner einen ersten Gleichspannungswandler 51, welcher zur Kopplung des ersten Teilnetzes T1 mit dem zweiten Teilnetz T2 dient. Der erste Gleichspannungswandler 51 weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem ersten Teilnetzes T1 verbunden ist. Der erste Gleichspannungswandler 51 weist auch einen zweiten Anschluss auf, der mit dem zweiten Teilnetz T2 verbunden ist. Ferner weist der erste Gleichspannungswandler 51 einen Masseanschluss auf, der mit einer Masse des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
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Der erste Gleichspannungswandler 51 ist baulich in einen der besagten Antriebswechselrichter 13 zur Versorgung eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs integriert. Beispielsweise ist der erste Gleichspannungswandler 51 baulich in den Antriebswechselrichter 13 integriert, welcher der Vorderachse zugeordnet ist.
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Das Spannungsversorgungssystem 10 umfasst ferner einen zweiten Gleichspannungswandler 52, welcher zur Kopplung des ersten Teilnetzes T1 mit dem dritten Teilnetz T3 dient. Der zweite Gleichspannungswandler 52 weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem ersten Teilnetzes T1 verbunden ist. Der zweite Gleichspannungswandler 52 weist auch einen zweiten Anschluss auf, der mit dem dritten Teilnetz T3 verbunden ist. Ferner weist der zweite Gleichspannungswandler 52 einen Masseanschluss auf, der mit einer Masse des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
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Der zweite Gleichspannungswandler 52 ist baulich in einen der besagten Antriebswechselrichter 13 zur Versorgung eines Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs integriert. Beispielsweise ist der zweite Gleichspannungswandler 52 baulich in den Antriebswechselrichter 13 integriert, welcher der Hinterachse zugeordnet ist.
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Das Spannungsversorgungssystem 10 umfasst ferner einen dritten Gleichspannungswandler 53, welcher zur Kopplung des zweiten Teilnetzes T2 mit dem dritten Teilnetz T3 dient. Der dritte Gleichspannungswandler 53 weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem zweiten Teilnetzes T2 verbunden ist. Der dritte Gleichspannungswandler 53 weist auch einen zweiten Anschluss auf, der mit dem dritten Teilnetz T3 verbunden ist. Ferner weist der dritte Gleichspannungswandler 53 einen Masseanschluss auf, der mit einer Masse des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
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Der dritte Gleichspannungswandler 53 ist als bidirektionaler Spannungswandler ausgeführt. Der dritte Gleichspannungswandler 53 gestattet einen bidirektionalen Stromfluss zwischen seinem ersten Anschluss und seinem zweiten Anschluss und somit zwischen dem zweiten Teilnetz T2 und dem dritten Teilnetz T3. Es ist also ein Energiefluss aus dem dritten Teilnetz T3 über den dritten Gleichspannungswandler 53 in das zweite Teilnetz T2 ebenso möglich wie ein Energiefluss aus dem zweiten Teilnetz T2 über den dritten Gleichspannungswandler 53 in das dritte Teilnetz T3.
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Das Spannungsversorgungssystem 10 umfasst ferner einen vierten Gleichspannungswandler 54, welcher zur Kopplung des zweiten Teilnetzes T2 mit dem vierten Teilnetz T4 dient. Der vierte Gleichspannungswandler 54 weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem zweiten Teilnetzes T2 verbunden ist. Der vierte Gleichspannungswandler 54 weist auch einen zweiten Anschluss auf, der mit dem vierten Teilnetz T4 verbunden ist. Ferner weist der vierte Gleichspannungswandler 54 einen Masseanschluss auf, der mit einer Masse des Elektrofahrzeugs verbunden ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0183334 A1 [0006]
- US 2016/0152147 A1 [0007]
