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Es ist bekannt, dass Elektrofahrzeuge einen Akkumulator aufweisen, der etwa über ein Ladekabel ausgehend von der Ladestation geladen werden kann. Zur Erreichung von hohen Leistungen wird der Akkumulator mit hohen Nennspannungen vorgesehen, beispielsweise mit ca. 800 V, während einige Ladestandards die Ausgangsspannung der Ladesäule definieren. Es bestehen somit zahlreiche Ladestationen, die, entsprechend einem Ladestandard, eine bestimmte Ladegleichspannung abgeben, beispielsweise in der Höhe von 400 V. Etwa die Druckschrift
DE 10 2018 006 810 A1 beschreibt ein Ladegerät mit einer AC-Ladestufe und eine DC-Ladestufe mit einem Wandler, wobei die betreffenden Eingänge und eine Batterie über allpolige Trennschalter verbunden sind.
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Die unterschiedlichen Nennspannungen zwischen Ladestation und Akkumulator erfordern somit eine Spannungswandlung. Es ist ferner allgemein bekannt, dass zu diesem Zweck Gleichspannungswandler vorgesehen werden, wobei diese fahrzeugseitig untergebracht sein können. Da diese Wandler Leistungswandler sind mit Leistungen von über 100 kW, sind deren Leistungskomponenten kostspielig. Gleichzeitig besteht das Erfordernis, dass der Ladevorgang sicher sein soll und dass insbesondere gefährliche Berührspannungen nicht auftreten sollten. Um kostengünstige Wandler vorzusehen, werden galvanisch nicht isolierende Wandler verwendet, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, diese trotz galvanischer Kopplung mit einem hohen Sicherheitsstandard in Bezug auf gefährliche Berührspannungen auszugestalten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Schutzmaßnahmen von Ladestationen zur Verhinderung von Überspannungen dazu führen können, dass ein fahrzeugseitiger Akkumulator mit höherer Nennspannung als die Ladestation zu einem unerwünschten Stromfluss führen kann, wenn ein Isolationsfehler eines fahrzeugseitigen Hochspannungspotenzials gegenüber Masse besteht. Hierbei wurde insbesondere erkannt, dass die Varistoren oder andere Spannungsbegrenzungselemente, die ladestationsseitig zwischen einem Hochvoltpotenzial und einem Erdungspotenzial nicht nur dann in einen leitenden Zustand versetzt werden können, wenn an diesem etwa aufgrund eines Blitzeinschlags eine überhöhte Spannung vorliegt, sondern auch dann in einen leitenden Zustand versetzt werden, wenn aufgrund eines Isolationsfehlers ein Potenzial einer höheren fahrzeugseitigen Spannung an Masse angelegt wird.
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Ist beispielsweise bei Gleichspannungsladestation mit einer Ausgangsspannung von 400 V - 450 V ein Varistor vorgesehen, der das negative Hochspannungspotenzial gegenüber Masse mit einer Schwellenspannung von beispielsweise 500 V oder 600 V absichert, dann wird dieser leitend, wenn dieses Hochspannungspotenzial gegenüber Masse etwa durch Blitzeinschlag oder andere Fehler diese Schwellenspannung überschreitet. Es wurde jedoch erkannt, dass der leitende Zustand auch erreicht wird, wenn an eine derartige Ladestation ein Fahrzeug mit einem Akkumulator bzw. Bordnetz mit einer Nennspannung von 800 V oder 850 V angeschlossen wird und aufgrund eines Isolationsfehlers das positive Hochspannungspotenzial des Fahrzeugbordnetzes an das Massepotenzial angelegt wird. In diesem Falle liegt nämlich an dem genannten Varistor die höhere Akkumulatorspannung von 800 V an, sodass die Schwellenspannung von 500 V überschritten ist (die eigentlich für einen Blitzeinschlag gedacht ist), wodurch ein unerwünschter Stromfluss zwischen einem der Hochvoltpotenziale und Masse verursacht wird.
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Da sich oberhalb der Schwellenspannung des Varistors dessen differenzieller Widerstand abrupt verkleinert, wird die Höhe des fehlerhaft auftretenden Stroms nur beschränkt durch den sehr geringen Innenwiderstand des 800-V-Akkumulators und dem Widerstand der Verbindung, die in fehlerhafter Weise den Isolationsfehler auslöst (das heißt, die das Hochspannungspotenzial des Akkumulators / Fahrzeugbordnetzes mit Masse verbindet). Ist die letztgenannte Verbindung ebenso niederohmig, beispielsweise wenn ein Leiter mit Hochvoltpotenzial direkt in Berührung kommt mit einem Leiter, der Massepotenzial aufweist, dann können sich Ströme in Höhe von mehreren hundert Ampere entwickeln, die eine hohe Gefährdung darstellen und insbesondere auch die Sicherheitsfunktion des Varistors nachhaltig beeinträchtigen können.
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Um einen derartigen Strom zu unterbinden, der entstehen kann, wenn die Hochvolt-Bordnetzspannung des zu ladenden Fahrzeugs über der Schwellenspannung des Varistors liegt, der eigentlich zum Schutz vor Blitzeinschlägen gedacht ist, wird ein Transistor eingesetzt, dessen Inversdiode aufgrund ihrer Durchlassrichtung den entsprechenden Strom unterbindet. Der Transistor ermöglicht eine bidirektionale Verbindung, wenn der vorangehend genannte Stromfluss nicht möglich ist (etwa, wenn der ladestationsseitige Varistor eine Schwellenspannung hat, die größer ist als die Nennspannung des Fahrzeugbordnetzes oder kein Varistor an der Ladestation vorgesehen ist) bzw. ermöglicht eine Verbindung, an der eine geringere Spannung abfällt als an der Inversdiode (in Durchlassrichtung). Der Transistor erlaubt als Sicherheitsmaßnahme, dass seine Inversdiode den genannten Stromfluss unterbindet, wenn die Schwellenspannung des ladestationsseitigen Varistors derart gering ist, dass bei einem Isolationsfehler gegen Masse die hohe Nennspannung des Fahrzeugbordnetzes bzw. des dort vorliegenden Akkumulators den Transistor in leitenden Zustand versetzt. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht insbesondere, dass möglichst wenig Spannung an einer Verbindung zwischen einer Wandlerschaltung der Ladeschaltung und dem Eingang der Ladeschaltung abfällt, wobei in dieser Verbindung etwa der Transistor oder auch noch weitere Sicherungselemente wie eine Pyrosicherung oder Schmelzsicherung zur Realisierung von Sicherungsfunktionen vorliegen können.
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Es wird somit eine DC-Fahrzeugladeschaltung mit einem Eingang, einer Wandlerschaltung und einem Ausgang beschrieben. Die Wandlerschaltung ist zwischen Eingang und Ausgang vorgesehen und als Aufwärtswandler ausgebildet. Hierbei ist die Wandlerschaltung ausgestaltet, eine Spannung am Eingang in eine höhere Spannung am Ausgang zu wandeln. Der Begriff Aufwärtswandler ist somit zu verstehen in Bezug auf eine Wandlerrichtung vom Eingang zum Ausgang hin. Eine derartige Wandlerschaltung wird dann verwendet, wenn etwa ein Akkumulator oder ein Hochvoltbordnetz an den Ausgang angeschlossen werden soll, dessen Nennspannung bzw. maximale Ladespannung größer ist als die am Eingang zu erwartende Spannung. Die am Eingang zu erwartende Spannung ergibt sich insbesondere durch Standards, die unter anderem die Spannung festlegen, die von einer Ladestation abzugeben ist. Diese beträgt beispielsweise 400 V oder 450 V, wobei die als Aufwärtswandler ausgestaltete Wandlerschaltung diese Spannung erhöht, etwa auf eine Spannung von 600 V, vorzugsweise 800 oder 850 V oder etwa 1000 V.
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Der Eingang weist ein erstes Eingangspotenzial und ein zweites Eingangspotenzial auf. Dies sind beispielsweise einzelne Kontakte oder einzelne Anschlüsse oder Stromschienen. Auch der Ausgang weist ein erstes und ein zweites Potenzial auf. Diese werden als erste und zweite Ausgangspotenziale bezeichnet. Ein erstes Eingangspotenzial des Eingangs ist über die Wandlerschaltung mit einem ersten Ausgangspotenzial des Ausgangs verbunden. Diese beiden ersten Potenziale haben die gleiche Polarität, beispielsweise eine positive Polarität. Es besteht somit keine direkte Verbindung zwischen diesen ersten Potenzialen, sondern die Wandlerschaltung verbindet die beiden Potenziale miteinander.
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Die Wandlerschaltung ist ferner mit einem zweiten Ausgangspotenzial verbunden. Diese Verbindung führt über einen Verbindungspunkt. Dieser Verbindungspunkt hat somit das Potenzial des Ausgangspotenzials. Ein zweites Eingangspotenzial des Eingangs ist mit dem Verbindungspunkt verbunden. Diese Verbindung ist jedoch nicht direkt, sondern führt über einen Transistor (und nicht über mehrere Transistoren). Somit ist das zweite Eingangspotenzial mit dem Verbindungspunkt halbleiterschalterfrei verbunden, wobei als einzige Ausnahme hiervon der Transistor vorgesehen ist. Das zweite Eingangspotenzial ist somit mit dem Verbindungspunkt abgesehen von einem Transistor halbleiterschalterfrei verbunden. Es besteht somit kein weiterer Halbleiterschalter zwischen dem zweiten Eingangspotenzial und dem Verbindungspunkt. Dieser Transistor weist eine Inversdiode auf. Die Durchlassrichtung der Inversdiode ist in Richtung zu einem Ladestrom, der bei einer Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang fließt (d.h. Durchlassrichtung und Richtung des genannten Ladestroms sind gleich). Die Durchlassrichtung der Inversdiode weist vom Ausgang zum Eingang hin, wenn der Transistor, der die Inversdiode aufweist, zwischen dem Verbindungspunkt bzw. dem zweiten Ausgangspotenzial einerseits und dem zweiten Eingangspotenzial andererseits vorgesehen ist, d.h. insbesondere wenn der Transistor, der die Inversdiode aufweist, in einer negativen Stromschiene vorgesehen ist, wobei die Stromschiene den Eingang mit dem Ausgang verbindet (d.h. die zweiten Potentiale miteinander verbindet). Die zweiten Potenziale sind hierbei die negativen Potenziale des Eingangs bzw. des Ausgangs. Da auch eine komplementäre Ausführung möglich ist, soll diese spezifische, auf negative Potenziale bezogene Definition nur ein Ausführungsbeispiel darstellen und den hier beschriebenen Gegenstand nicht auf diese Ausführungen begrenzen, die den Transistor in der negativen Potenzialschiene zwischen Eingang und Ausgang vorsieht. Der Transistor ist vorzugsweise ein MOSFET, wobei die derartigen Transistoren immer mit Inversdioden ausgebildet werden (herstellungsbedingt), wobei diese auch als Bodydioden bezeichnet werden.
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In einem Fall, bei dem die höhere Akkumulatorspannung (fahrzeugseitig) dazu führen kann, dass bei einem Isolationsfehler ein ladestationsseitiger Varistor in den leitenden Zustand übergeht, kann der Transistor geöffnet werden, wodurch dessen Inversdiode den Stromfluss unterbindet. In einem Fall, bei dem entweder kein Transistor oder ein Transistor mit einer Schwellenspannung vorgesehen wird, der von der (hohen) Akkumulatorspannung bzw. allgemein fahrzeugseitigen Spannung nicht ausgelöst werden kann, dann kann der Transistor geschlossen werden, um so zu erreichen, dass beim Laden am Transistor eine geringere Spannung abfällt als bei offenem Transistor (und einer Führung des Ladestroms über die Inversdiode wie im erstgenannten Fall). Das problematische Element, nämlich der Varistor auf der Seite der Ladestation, der bei einer Spannung in Höhe der Akkumulatorspannung leitend werden kann, ist allgemein zu verstehen als ein Element, das bei einer Spannung höher als eine Schwellenspannung zu leiten beginnt. Als Varistor sind hierbei alle Elemente zu verstehen, die nicht leiten, wenn eine Spannung unterhalb einer Schwellenspannung an diesen abfällt, und leiten, wenn die abfallende Spannung höher als die Schwellenspannung ist. Da zahlreiche Bauelemente wie Varistor-Bauelemente oder Funkenstreckungen oder Halbleiterelemente mit entsprechenden Funktionen bekannt sind, sollen alle Bauelemente oder Schaltungen, die dieses Verhalten aufweisen, hier als Varistor zusammenfassend bezeichnet werden. Mit der hier vorgesehenen Bezeichnung Varistor werden somit alle Bauelemente oder Schaltungen bezeichnet, die das Verhalten eines Varistor-Bauelements aufweisen, wie es in der Fachwelt allgemein bekannt ist. Der Varistor kann allgemein auch als Spannungsbegrenzungselement bezeichnet werden.
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Als Eingangspotenziale sind insbesondere Kontakte einer Ladesteckvorrichtung vorgesehenen, etwa einer Ladebuchse. Diese Kontakte bzw. die Eingangspotenziale sind von außerhalb des Fahrzeugs kontaktierbar mittels Einstecken, insbesondere direkt körperlich kontaktierbar. Zwischen diesen, von außen kontaktierbaren Eingangspotenzialen und dem Verbindungpunkt, an dem die Wandlerschaltung mit dem zweiten Ausgangspotenzial verbunden ist, bestehen neben dem genannten Transistor keine weiteren Halbleiterschalter oder allgemein Halbleiter, gegebenenfalls abgesehen von einen Sicherheitsschalter, der dem zweiten Eingangspotenzial direkt nachgeschaltet ist, und der als elektronischer Schalter ausgebildet sein kann.
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Ein weiterer Aspekt ist es, den Transistor in offenem Zustand anzusteuern, wenn ein Varistor (mit anderen Worten ein Spannungsbegrenzungselement) zwischen einem Massepotenzial und einem der Eingangspotenziale vorliegt, dessen Schwellenspannung unter einer Nennspannung des Ausgangs liegt. Da in diesem Fall die Nennspannung des Ausgangs, das heißt etwa die Nennspannung eines daran angeschlossenen HV-Bordnetzes oder HV-Akkumulators, über der Durchführungsspannung liegt, dann ist der Transistor in offenem Zustand anzusteuern. („HV steht hier für „Hochvolt“). Die Durchbruchspannung, das heißt die Schwellenspannung des Spannungsbegrenzungselements ist hierbei die Spannung, ab der dieses leitend wird bzw. leitet und unterhalb dessen das Spannungsbegrenzungselement nicht leitet. Das Ansteuern des Transistors in offenem Zustand entspricht insbesondere dem Halten des Transistors in offenem Zustand. Das Ansteuern bzw. Halten wird von einer Steuereinrichtung kontrolliert, die ansteuernd mit dem Transistor verbunden ist.
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Liegt die Nennspannung des Ausgangs (bzw. eine Betriebsspannung am Ausgang oder eine Nennspannung eines daran angeschlossenen Akkumulators oder Bordnetzes) über der Schwellenspannung des Spannungsbegrenzungselements, dann kann dieses bei einem Isolationsfehler leitend werden und den einst genannten gefährlichen, hohen Strom verursachen. Der Zustand, dass allen Eingangspotenzialen ein Spannungsbegrenzungselement angeschlossen ist, dessen Schwellenspannung über der Nennspannung des Ausgangs liegt (oder über einer Betriebs- oder Nennspannung eines daran angeschlossenen Akkumulators oder HV-Bordnetzes), entspricht dem Zustand, dass eine unsichere Ladestation an den Eingang angeschlossen ist. Das Spannungsbegrenzungselement ist insbesondere Teil einer Ladestation, sodass das Spannungsbegrenzungselement an dem Eingang angeschlossen ist, wenn die Ladestation an dem Eingang angeschlossen ist. Das Spannungsbegrenzungselement verbindet hierbei ein Massepotenzial (der Ladestation) mit einem Ausgangspotenzial der Ladestation, sodass bei Anbindung der Ladestation der genannte gefährliche Stromfluss entstehen kann, wenn die fahrzeugseitige Ladeschaltung an eine Einrichtung angeschlossen ist, deren Betriebs- oder Nennspannung über der Schwellenspannung des Spannungsbegrenzungselements (der Ladestation) liegt. Um den Transistor der Fahrzeugladeschaltung entsprechend zu steuern, ist eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung kann ferner eingerichtet sein, zu erfassen, ob die genannte Bedingung erfüllt ist. Ferner kann eine Ermittlungseinrichtung vorgesehen sein, die erfasst, ob die Bedingung erfüllt ist, und die ein entsprechendes Signal in diesem Fall an die Steuereinrichtung abgibt. Dieses Signal gibt wieder, ob die Bedingung erfüllt ist oder nicht. Die Bedingung kann ermittelt werden durch Messen oder, vorzugsweise, durch Auswerten einer Ifm, die den Ladestandard wiedergibt, gemäß dem die Ladestation ausgebildet ist, welche an die Ladeschaltung angeschlossen ist. Da mit dem Standard auch Spannungsbegrenzungselemente der Ladestation verknüpft sind und insbesondere deren Auslegung (deren Schwellenspannung), gibt die Information Aufschluss darüber, ob die Bedingung vorliegt, oder nicht.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung in einem Ladezustand eingerichtet, den Transistor im offenen Zustand anzusteuern (d.h. den Transistor offen zu halten), wenn ermittelt wird, dass die Bedingung erfüllt ist (d.h. wenn die Ladestation einen Varistor mit einer Schwellenspannung kleiner als die Nennspannung des Ausgangs des Wandlers.
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Ferner ist die Steuereinrichtung vorzugsweise eingerichtet, in dem Ladezustand den Transistor in geschlossenem Zustand anzusteuern (bzw. zu halten), wenn ermittelt wird, dass die Bedingung nicht erfüllt ist. Wenn im Ladezustand der Transistor auf Grund der Ansteuerung durch die Steuereinrichtung im geschlossenen Zustand ist, dann ermöglicht dies die Verringerung der Verlustleistung bzw. der Erwärmung des Transistors. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass trotz der so erhaltenen höheren Effizienz das Laden sicher ist, da die Bedingung geprüft wurde und festgestellt wurde, dass auf der Seite der Ladestation kein Varistor vorliegt, der leiten würde, wenn an diesen eine Spannung in der Höhe der Batteriespannung anliegen würde.
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Ist der Transistor geschlossen, dann überbrückt der Source-Drain-Übergang die Inversdiode, wobei dieser Übergang bei angeschaltetem Transistor den Transistor in einen niederohmigen Zustand versetzt. Dadurch fällt am Transistor eine geringere Spannung ab als in einem Zustand, bei der der Stromfluss nur über die Inversdiode (und nicht über den genannten Übergang) führt. Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die hier beschriebene Ansteuerung des Transistors in einem Ladezustand auszuführen, das heißt, wenn über den Transistor Strom zur Übertragung von Ladeleistung fließt. Etwa in einem Fahrzustand kann der Transistor immer in einem offenen Zustand angesteuert werden, um etwa Spannungen am Ladeanschluss während des Fahrens zu vermeiden, oder kann in einem geschlossenen Zustand angesteuert werden, wenn über den Transistor Traktionsleistung fließt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein Inverter eines elektrischen Antriebs Schaltelemente aufweist, die auch Schaltelemente des Aufwärtswandlers (im Ladezustand) bilden.
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Im Weiteren wird eine Ausführungsform dargestellt, bei der anhand des Standards der angeschlossenen Ladestation ermittelt wird, ob die Bedingung erfüllt ist, oder nicht. Da üblicherweise die zur Verfügung stehenden Ladestationen gemäß Standard ausgebildet sind, und dieser Standard auch definiert, ob in oder an der Ladestation ein Spannungsbegrenzungselement mit entsprechender Schwellenspannung vorzuliegen hat, kann anhand des Ladestation-Standards ermittelt werden, ob ein Spannungsbegrenzungselement vorliegt, welches zu dem oben genannten Problem führen kann, indem dessen Schwellenspannung unter der Nennspannung des Ausgangs der Fahrzeugladeschaltung liegt. Die Steuereinrichtung weist daher einen Dateneingang oder Kommunikationseingang auf, der eine Information bzw. ein Signal empfangen kann, welches den Ladestation-Standard wiedergibt. Mittels eines derartigen Daten- oder Kommunikationseingangs kann auf einfache Weise der Ladestation-Standard mitgeteilt werden, gemäß dem die an den Eingang anzuschließende oder angeschlossene Ladestation ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung kann hierbei einen Speicher aufweisen, in dem Ladestation-Kennungen gespeichert sind sowie eine damit verknüpfte Information über ein Spannungsbegrenzungselement des zugehörigen Standards. Diese Information kann wiedergeben, ob der Standard ein entsprechendes Spannungsbegrenzungselement vorsieht oder nicht. Insbesondere kann diese Information wiedergeben, welchen Wert die Schwellenspannung des Spannungsbegrenzungselements hat, oder kann wiedergeben, ob der Wert der Schwellenspannung des Spannungsbegrenzungselements über einer bestimmten Schwelle liegt, oder nicht. Diese Schwelle kann insbesondere die Nennspannung des Ausgangs sein, oder kann wiedergegeben sein durch die Nennspannung oder Maximalspannung eines Hochvolt-Bordnetztes des Fahrzeugs, in dem die Fahrzeugladeschaltung vorgesehen ist.
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Die Steuereinrichtung ist insbesondere eingerichtet, zu ermitteln, ob der Ladestation-Standard (der empfangen wurde) ein oder mehrere Spannungsbegrenzungselemente vorsieht, deren Durchbruchspannung über der Nennspannung des Ausgangs liegt, oder nicht. Liegt die Schwellenspannung nicht über dieser Nennspannung, wird von der Steuereinrichtung die Bedingung als gegeben vorgesehen. Ermittelt die Steuereinrichtung, dass der Ladestation-Standard kein Spannungsbegrenzungselement vorsieht, oder ein Spannungsbegrenzungselement, dessen Schwellenspannung über der Nennspannung des Ausgangs liegt, dann wird die Bedingung als nichtgegeben vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist hierzu ausgestaltet. Die hier erwähnten Spannungsbegrenzungselemente der Ladestation beziehen sich auf Spannungsbegrenzungselemente, die zwischen einem Masse- oder Erdungspotential der Ladestation (oder eines angeschlossenen Versorgungsnetzes) und einem Ausgangspotential (Hochvolt-Potential) der Ladestation vorgesehen sind.
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Mit der Formulierung „Schwellenspannung liegt unter einer Nennspannung des Ausgangs“ kann verstanden werden, dass die Schwellenspannung nicht mehr als 50 oder 80 % der Nennspannung beträgt, oder die nicht mehr als 100 %, 110 % oder 120 % der Nennspannung beträgt. Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Formulierung „Schwellenspannung liegt über der Nennspannung des Ausgangs“ einer Schwellenspannung entspricht, die mindestens 105 %, mindestens 110 % mindestens 125 % oder mindestens 150 % über der Nennspannung des Ausgangs liegt. Als Nennspannungsausgang wird hierbei insbesondere die Nennspannung bezeichnet, für die der Wandler bezogen auf den Ausgang ausgelegt ist, oder kann einer Spannung entsprechen, die der Nennspannung, maximalen Betriebsspannung oder Klemmenspannung (aktuelle Klemmenspannung) eines Akkumulators entspricht, der an den Ausgang der Fahrzeugladeschaltung angeschlossen ist. Insbesondere kann als Nennspannung einer Nennspannung, maximalen Betriebsspannung oder aktuellen Spannung eines Hochvolt-Bordnetzes entsprechen, das an den Ausgang angeschlossen ist.
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Die Wandlerschaltung der Fahrzeugladeschaltung ist vorzugsweise bidirektional ausgestaltet. Hierbei ist insbesondere die Steuereinrichtung ausgestattet, nicht nur (im Ladezustand) Leistung vom Eingang an den Ausgang spannungswandelnd zu übertragen, sondern ist auch in einem weiteren Modus ausgebildet, die Wandlerschaltung derart anzusteuern, dass diese Leistung vom Ausgang an den Eingang überträgt. In diesem entgegengesetzten Fall dient der Ausgang als Einspeisepunkt und der Eingang als Abgabepunkt, etwa bei der Rekuperation oder beim Rückspeisen. Die hier verwendeten Begriffe „Eingang“ und „Ausgang“ beziehen sich somit zur vereinfachten Darstellung auf den Ladezustand, sollen jedoch nicht ausschließen, dass die Wandlerschaltung auch Leistung in umgekehrter Richtung (wie erwähnt) übertragen kann. Allgemein kann der Eingang als erster Anschluss und der Ausgang als zweiter Anschluss bezeichnet werden, wobei die Wandlerschaltung ausgebildet ist, Leistung vom ersten an den zweiten Anschluss zu übertragen, und in einer besonderen Ausführungsform die Wandlerschaltung ausgebildet ist, auch Energie vom zweiten zum ersten Anschluss spannungswandelnd zu übertragen. Letzteres ist wie erwähnt insbesondere bei der Rekuperation und beim Rückspeisen der Fall.
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Wird Leistung vom Ausgang zum Eingang bzw. vom zweiten Anschluss zum ersten Anschluss übertragen, dann ist die Steuerung vorzugsweise ausgebildet, den Transistor im geschlossenen Zustand vorzusehen, insbesondere zur Verringerung der Verlustleistung an diesem Transistor. Ferner kann vorgesehen werden, dass die Steuereinrichtung nur dann eine entsprechende Energieübertragung vom Ausgang zum Eingang spannungswandelnd vorsieht, wenn diese erfolgreich überprüft hat, dass die Ladestation zur Aufnahme von Leistung ausgebildet ist, insbesondere anhand des Standards der Ladestation.
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Die Wandlerschaltung weist in spezifischen Ausführungsformen eine Reihenschaltung zweier Arbeitstransistoren auf. Diese werden von der Steuereinrichtung beim Spannungswandeln getaktet angesteuert. Der Verbindungspunkt der Reihenschaltung der Arbeitstransistoren ist über eine Arbeitsinduktivität der Wandlerschaltung mit dem ersten Eingangspotential verbunden. Diese Verbindung ist entweder direkt (ohne weitere Bauelemente, ebenfalls abgesehen von einem Filterelement), oder kann abgesichert sein. Im letzteren Fall ist der Verbindungspunkt über eine Arbeitsinduktivität sowie über eine Schmelz- oder Pyrosicherung mit dem ersten Eingangspotential verbunden. Insbesondere ist die Verbindung zwischen Verbindungspunkt und ersten Eingangspotential halbleiterfrei, insbesondere frei von Transistoren.
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Der Transistor ist vorzugsweise direkt oder über eine Schmelz- oder Pyrosicherung mit dem zweiten Eingangspotential verbunden. Diese Verbindung ist ebenso vorzugsweise halbleiterfrei, insbesondere frei von Transistoren. Sowohl zwischen dem Verbindungspunkt und dem ersten Eingangspotential als auch zwischen dem Transistor und dem zweiten Eingangspotential kann jeweils eine Sicherung vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Verbindungspunkt mit dem ersten Eingangspotential über eine Pyrosicherung verbunden sein. Ferner kann das zweite Eingangspotential mit dem Transistor über eine Schmelzsicherung verbunden sein. Diese Schmelzsicherung hat vorzugsweise ein geringes Grenzlastintegral, um so schnell auslösen zu können, beispielsweise ein Grenzlastintegral von weniger als 7000 A2s. Die Sicherung, falls vorhanden, ist vorzugsweise zwischen einer Arbeitsinduktivität der Wandlerschaltung und dem ersten Eingangspotential angeschlossen. Die Arbeitsinduktivität bildet zusammen mit den Arbeitstransistoren einen Aufwärtswandler (vom Eingang zum Ausgang hingesehen), wobei die hier erwähnten Sicherungen vorzugsweise zwischen diesem Wandler, das heißt zwischen den Arbeitstransistoren und der Arbeitsinduktivität einerseits und dem Eingang bzw. den Eingangspotentialen vorgesehen sind.
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Die Wandlerschaltung kann in einem ersten Gehäuse untergebracht sein, wobei der Transistor in einem zweiten Gehäuse bzw. in einem zweiten Modul untergebracht ist. Dieses zweite Gehäuse bzw. Modul ist zwischen dem Eingang und dem ersten Gehäuse zwischengeschaltet. Dadurch kann auf einfache Weise eine bestehende Wandlerschaltung (im ersten Gehäuse) aufgerüstet werden, indem der Transistor zwischengeschaltet wird bzw. das zweite Gehäuse bzw. Modul zwischengeschaltet wird zwischen dem ersten Gehäuse und dem Eingang. Die erwähnte Sicherung bzw. Sicherungen können, falls vorhanden, vorzugsweise ebenso in dem zweiten Gehäuse untergebracht sein.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Wandlerschaltung einen Eingangsfilter aufweist, der die Arbeitsinduktivität bildet. Dadurch kann eine Induktivität zwischen dem Eingang und den Arbeitstransistoren vorgesehen sein, die von einem Eingangsfilter gebildet wird (das heißt eine Filtereinheit, die dem Eingang nachgeschaltet ist), und die als Arbeitsinduktivität dient, wenn die Arbeitstransistoren getaktet geschaltet werden. Eine serielle Induktivität des Filters (seriell in der Verbindung zwischen Eingang und Verknüpfungspunkt vorgesehen) bildet dann die Arbeitsinduktivität.
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Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, die Arbeitstransistoren wechselweise anzuschalten bzw. auszuschalten, um so zusammen mit der Arbeitsinduktivität einen Wandler, insbesondere Aufwärtswandler, zu realisieren. Mittels des Tastverhältnisses kann das Übertragungsverhältnis zwischen Eingang und Ausgang eingestellt werden. Insbesondere ist die Steuereinrichtung ausgebildet, abhängig von der am Eingang vorgesehenen Spannung, am Ausgang eine Spannung zu erzeugen, die möglichst genau einer Sollspannung entspricht. Die Sollspannung kann insbesondere eine Soll-Ladespannung einer Batterie sein, die an den Ausgang angeschlossen ist.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgebildet, bei einem erkannten Isolationsfehler, beide Arbeitstransistoren zu sperren. Eine Einheit zur Erkennung eines Isolationsfehlers ist vorzugsweise Teil des Wandlers und kann zusammen mit der Steuereinrichtung in einer gemeinsamen Einheit integriert sein. Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet, bei einem erkannten Isolationsfehler auch den Transistor zu sperren. Als Isolationsfehler werden hierbei Zustände bezeichnet, bei denen ein Isolationswiderstand zwischen einem Potential des Eingangs oder Ausgangs gegenüber einem Massepotential unter einem Grenzwert liegt. Als Isolationsfehler kann ferner ein Zustand bezeichnet werden, bei dem sich die Beträge der Ströme, die durch die Eingangs- oder Ausgangspotentiale fließen, um mehr als ein Grenzwert unterscheiden.
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Die DC-Fahrzeugladeschaltung sowie insbesondere die Wandlerschaltung sind Hochvolt-Vorrichtungen, wobei die Vorsilbe „Hochvolt“ eine Nennspannung bzw. Betriebsspannung von mehr als 60 V, mindestens 100 V, mindestens 200 V, mindestens 400, 600, 800 oder 1000 V entspricht. Spezifische Ausführungsformen sehen vor, dass der Ausgang für eine Nennspannung bzw. Betriebsspannung von 800, 850 oder 900 V ausgelegt ist. Wird dann eine Ladestation an den Eingang angeschlossen, die eine Spannung von 400 V aufweist, und die Spannungsbegrenzungselemente aufweist, deren Schwellenspannung bei 500 V oder ähnlichen liegt, dann wird der Transistor offen angesteuert.
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Liegen derartige Spannungsbegrenzungselemente nicht vor, oder Spannungsbegrenzungselemente mit einer Schwellenspannung von beispielsweise 1000 oder besser 1200 oder 1500 V, dann kann der Transistor geschlossen angesteuert werden. Beispielsweise eine 800 V-Ladesäule würde prinzipiell immer als sicher eingestuft werden, da deren Nennspannung nicht (deutlich) unter der Nennspannung des Ausgangs der Fahrzeugladeschaltung liegt. Somit kann eine derartige Ladesäule auch kein Spannungsbegrenzungselement aufweisen, dessen Schwellenspannung unter der Nennspannung des Ausgangs der Fahrzeugladeschaltung liegt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung einen Rückspeise- oder Rekuperationsbetrieb vorsieht, wenn die Bedingung nicht gegeben ist, und dass ein Rückspeisen bzw. Rekuperieren von der Steuereinrichtung gesperrt ist, wenn die Bedingung gegeben ist. Vorzugsweise wird beim Rückspeisen bzw. Rekuperieren der Transistor geschlossen angesteuert. Eine Rekuperation bzw. Rückspeisung wird daher bei unsicheren Ladesäulen, das heißt Ladesäulen, die die Bedingung erfüllen, von der Steuereinrichtung unterbunden. Insbesondere werden dann die Arbeitstransistoren nicht derart getaktet angesteuert, dass eine Leistungsübertragung vom Ausgang zum Eingang hin (Rückspeisung) stattfinden würde.
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Schließlich wird ein Fahrzeugbordnetz beschrieben, das eine DC-Fahrzeugladeschaltung wie hierin erwähnt aufweist. Zudem umfasst das Fahrzeugbordnetz eine von außen zugreifbare Ladebuchse, die beispielsweise gemäß einem Standard zum Plug-In-Laden ausgebildet ist. Diese Ladebuchse ist an den Eingang angeschlossen. Ferner umfasst das Bordnetz einen Hochvolt-Akkumulator, der an den Ausgang angeschlossen ist. Anstatt eines Akkumulators kann allgemein ein Hochvolt-Bordnetzzweig an den Ausgang angeschlossen sein. Dieser Bordnetzzweig kann insbesondere einen Hochvolt-Akkumulator aufweisen. Der Hochvolt-Akkumulator ist insbesondere ein Traktionsakkumulator und kann als Lithium-Akkumulator ausgebildet sein.
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Schließlich kann ein Fahrzeug mit einer entsprechenden DC-Fahrzeugladeschaltung, insbesondere mit einem wie erwähnt realisierten Hochvolt-Bordnetz, ausgestattet sein. Ein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs wird von diesem Hochvolt-Bordnetz gespeist oder ist Teil des Hochvolt-Bordnetzes. Der Traktionsinverter ist über die hier beschriebene Fahrzeugladeschaltung mit einer Ladebuchse des Fahrzeugs verbunden, die an eine Ladestation angeschlossen werden kann. Der Transistor der Ladeschaltung, der somit zwischen der Ladebuchse und dem Traktionsakkumulator liegt, wird nur dann geschlossen, wenn ermittelt wurde, dass an der Ladestation kein Spannungsbegrenzungselement vorgesehen ist, das ein Hochvoltpotential der Ladestation mit einem Massepotential verbindet, und dessen Schwellenspannung unter der Nennspannung oder maximalen Betriebsspannung des Traktionsakkumulators liegt.
- Die 1 dient zur Erläuterung der hier beschriebenen Ausführungsformen.
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Die 1 zeigt eine Ladestation LS und eine daran angeschlossene DC-Fahrzeugladeschaltung LW, welche wiederum mit einem Akkumulator AK verbunden ist. Die Ladestation weist zwei Hochvoltpotentiale LS+, LS- sowie ein Massepotential auf. Jedes Hochvoltpotential LS+, LS- ist über einen eigenen Varistor V1, V2 mit dem Massepotential verbunden. Ferner bestehen die ladestationsseitigen Kapazitäten Cy1, Cy2, welche die Kapazität zwischen dem Massepotential und dem Hochvoltpotentialen LS+, LS- der Ladestation LS darstellen. Über einen Eingang E der Fahrzeugladeschaltung LW ist die Ladestation LS an die Fahrzeugladeschaltung LW angeschlossen.
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Die Fahrzeugladeschaltung LW umfasst somit diesen Eingang E, auf den optionale Sicherungen 1, 2 (= allpolige Sicherungsschaltung PF) folgen. Über diese sind die einzelnen Eingangspotentiale des Eingangs E (die den Potentialen LS+, LS- der Ladestation LS entsprechen) mit der Wandlerschaltung WS verbunden. Hierbei ist das erste Eingangspotential LS+ über eine Arbeitsinduktivität L mit Arbeitstransistoren T1, T2 der Wandlerschaltung WS verbunden. Das zweite Eingangspotential LS- ist über einen Transistor SI mit einem Verbindungspunkt VP verbunden. An diesem Verbindungspunkt VP ist die Wandlerschaltung WS mit einem Potential HV- eines Ausgangs A der Ladeschaltung LW verbunden. Der Verbindungspunkt VP ist somit über den Transistor SI mit dem Eingang E verbunden, insbesondere mit dem zweiten Eingangspotential LS-.
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Der Wandler WS sieht die beiden Arbeitstransistoren T1, T2 in Reihenschaltung vor, so dass an dem Verknüpfungspunkt VK zwischen den beiden Transistoren T1, T2 die Arbeitsinduktivität L angeschlossen ist (welche wiederum zum ersten Eingangspotential LS+ führt). Ferner ist der Wandlerschaltung WS ein Zwischenkreiskondensator Cx nachgeschaltet, der nach anderen Ausführungsformen auch der Wandlerschaltung WS zugeordnet sein kann. Es bestehen auch auf Seiten der DC-Fahrzeugladeschaltung Kapazitäten Cy3, 4, die die beiden Ausgangspotentiale HV+, HV- des Ausgangs A mit dem Massepotential M verbinden. Hierbei sei bemerkt, dass die Ladeschaltung LS nicht nur über die beiden Hochvoltpotentiale LS+, LS-, sondern auch über eine Erdungsverbindung mit der DC-Fahrzeugladeschaltung LW verbunden ist. Im dargestellten Anwendungsfall ist die Fahrzeugladeschaltung LW an einen Akkumulator AK angeschlossen, wobei dieser insbesondere über den Anschluss A und somit über die beiden Ausgangspotentiale HV+, HV- an die Ladeschaltung LW angeschlossen ist. In der 1 wird davon ausgegangen, dass der Akkumulator AK ein Hochvolt-Akkumulator mit sehr geringem Innenwiderstand ist und mit bei Kurzschluss sehr hohe Kurzschlussströme abgeben kann.
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Besteht ein Isolationsfehler RI1, der einen zu geringen Isolationswiderstand zwischen dem Ausgangspotential HV+ (erstes Ausgangspotential) und dem Massepotential M darstellt, dann wird das Hochvoltpotential HV+ des Akkumulators AK bzw. des Ausgangs A über diesen zu geringen Isolationswiderstand RI1 an Masse übertragen. Diese Übertragungsrichtung ist mit der gestrichelten Linie dargestellt, die bei HV+ beginnt, über den zu geringen Isolationswiderstand RI1 führt (ist gleich Isolationsfehler), und die zum Massepotential M insbesondere der Ladestation LS führt. Besteht dort ein Varistor oder ein anderes spannungsbegrenztes Element V2, das gemäß der Ausgangsspannung der Ladestation LS ausgelegt ist, dann beginnt diese zu leiten. Dieses Problem ergibt sich dann, wenn am Ausgang A bzw. am Akkumulator AK eine Spannung vorgesehen ist, die über der Schwellenspannung des Varistors V2 liegt, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn die Ladestation LS für eine Ausgangsspannung von 400 oder 450 V ausgelegt ist, der Varistor V2 zur Überspannungsbegrenzung eine Schwellenspannung von beispielsweise 500 V (größer als Nennspannung oder maximale Betriebsspannung der Ladestation LS) aufweist, die jedoch geringer ist, als die Spannung am Ausgang A, die bei einem 800 V-Akkumulator 800 oder 850 V betragen kann.
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In diesem Fall wird der Varistor V2 in leitenden Zustand versetzt, wobei der Strom dann über den Eingang E bzw. über das zweite Eingangspotential LS- in einen negativen Strompfad der Ladeschaltung eingespeist wird, die bis zum Akkumulator bzw. Ausgang A führt. In diesem Fall fließt der Strom dann von dem leitenden Varistor V2 weiter über den Eingang (zweites Eingangspotential LS-) sowie weiter zum Ausgang A, insbesondere zu dessen zweiten Ausgangspotential. Dies wäre der Fall, wenn der Transistor SI nicht vorhanden wäre. Es käme zu sehr hohen Strömen, und zumindest das Sicherungselement 2 würde auslösen. Darüber hinaus würde auf Grund des hohen Kurzschlussstroms des Akkumulators AK der Varistor V2 geschädigt werden, so dass die Ladestation dann nicht mehr bei zukünftigen Ladevorgängen gesichert ist. Der Strompfad, der sich durch RI1 ergibt und der durch den Varistor V2 führt, ist gestrichelt dargestellt.
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Es wird daher vorgeschlagen, einen Transistor SI wie dargestellt zwischen dem zweiten Eingangspotential LS- des Eingangs E und dem zweiten Ausgangspotential HV- (bzw. der Wandlerschaltung WS) vorzusehen. Mit anderen Worten liegt dann zwischen dem Verbindungspunkt VP (innerhalb einer negativen Stromschiene der Ladeschaltung LW) ein Transistor. Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass der Transistor SI nicht zwischen Verbindungspunkt VP bzw. dem Wandler WS und dem Eingang vorgesehen ist, sondern zwischen dem Verbindungspunkt VP und dem Ausgang A bzw. dem zweiten Ausgangspotential HV-. Es ist eine Steuereinrichtung C vorgesehen, die ansteuernd mit dem Transistor SI verbunden ist. Die Steuerung stellt fest, ob an den Eingang E ein spannungsbegrenztes Element mit einer Schwellenspannung unter der maximalen Betriebsspannung oder Nennspannung des Ausgangs bzw. des Akkumulators vorliegt, oder nicht. Ist dies der Fall, das heißt kann ein Strom fließen, wie es mit der gestrichelten Linie dargestellt ist, dann öffnet die Steuereinrichtung C den Transistor SI. In diesem Fall sperrt die Inversdiode bzw. Bodydiode BD des Transistors SI, insbesondere da die Stromrichtung entgegengesetzt wäre zu der Stromrichtung, die im Ladebetrieb auftreten würde und da die Sperrrichtung der Inversdiode entgegengesetzt ist zu der Stromrichtung, die beim Laden auftreten würde. Der Transistor SI ist vorzugsweise als MOSFET ausgeführt. Da die Stromrichtung (beim Laden) der Stromrichtung entspricht, die sich bei dem üblichen Ladebetrieb ergeben würde, ist der Ladebetrieb nicht prinzipiell von der Schaltstellung des Transistors SI abhängig (da die Inversdiode bei dieser Stromrichtung leitet). Jedoch wird der Transistor SI vorzugsweise geschlossen, wenn geladen wird und festgestellt wird, dass sich kein Spannungselement mit einer zu geringen Schwellenspannung am Eingang E befindet. Dies dient zur Verringerung der über den Transistor SI abfallenden Spannung beim Laden.
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Die Steuereinrichtung C umfasst vorzugsweise einen Kommunikationseingang KE, über den ein Signal empfangen werden kann bzw. eine Information eingespeist werden kann, die wiedergibt, ob sich am Eingang E (seitens der Ladestation) ein Spannungsbegrenzungselement mit einer Schwellenspannung unter der maximalen Spannung des Ausgangs bzw. Akkumulators AK befindet, oder ob dies nicht der Fall ist. Das Signal bzw. die Information kann direkt eine Aussage über diese Bedingung enthalten, oder kann diese Information indirekt wiedergeben.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung C ausgebildet, über den Kommunikationseingang KE eine Kennung zu empfangen, die den Standard spezifiziert, gemäß dem die angeschlossene Ladestation LS ausgebildet ist. Ausgehend von dieser Information kann die Steuereinrichtung C ausgebildet sein, zu ermitteln, ob ein Spannungsbegrenzungselement mit einer Schwellenspannung kleiner als die Nennspannung des Ausgangs A vorliegt, oder nicht. Hierbei kann die Steuereinrichtung C beispielsweise eine Lookup-Tabelle aufweisen, die verschiedenen Standards oder Kennungen, die den Standard definieren, einen Eintrag zuordnet, der die Schwellenspannung des Varistors wiedergibt, oder der wiedergibt, ob ein Varistor mit einer zugehörigen Schwellenspannung vorliegt, oder nicht. Liegt gemäß diesem Eintrag kein spannungsbegrenztes Element vor, oder ein spannungsbegrenztes Element mit einer Schwellenspannung vorgesehen, die größer ist als die Nennspannung am Ausgang A oder es Akkumulators AK (bspw. mindestens 105%, 110%, 120%, 150% oder 200% hiervon beträgt), dann kann dies als „ungefährliche“ Ladestation betrachtet werden, und die Steuereinrichtung C kann den Transistor SI schließen. Ist dem nicht so, und der Eintrag gibt wieder, dass seitens der Ladestation ein spannungsbegrenztes Element mit einer dazugehörigen Schwellenspannung vorliegt, dann ist die Steuereinrichtung C eingerichtet, den Transistor SI zu öffnen, so dass dessen Inversdiode BD sperrt, wenn ein Isolationsfehler wie der Isolationsfehler RI1 auftritt. Bevor die Steuereinrichtung C ermittelt hat, ob die Bedingung erfüllt ist oder nicht, steuert diese vorzugsweise den Transistor SI offen an.
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Die Steuereinrichtung C kann ferner ansteuernd mit den Arbeitstransistoren T1, T2 verbunden sein und diese wie erwähnt ansteuern, um so zusammen mit der Arbeitsinduktivität L einen Aufwärtswandler WS vorzusehen. Zudem kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, die Arbeitstransistoren T1, T2 derart anzusteuern, dass diese eine Spannung am Eingang E in eine Spannung am Ausgang A wandeln (Aufwärtswandlung), oder, wahlweise, eine Spannung am Ausgang A in eine Spannung am Eingang E wandeln, etwa zum Rückspeisen. Im letztgenannten Fall arbeitet der Wandler als Abwärtswandler.
