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Technisches Gebiet:
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Energiebereitstellungsvorrichtung, insb. zum Bereitstellen von Strom für eine elektrische Antriebsvorrichtung, sowie eine elektrische Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Bordnetz, insb. ein Traktionsbordnetz, eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik:
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Elektrische Energiebereitstellungsvorrichtungen, insb. Hochvoltbatterievorrichtungen, welche bspw. Teile von (Fahrzeug-)Hochvoltbordnetzen sind, weisen in der Regel eine (Lade-)Spannung von über 60 Volt, insb. 400 Volt, auf und stellen unter voller Last elektrische Leistung mit einer Stromstärke von über 100 Ampere bereit. Aufgrund der (Lade-)Spannung und der hohen elektrischen Leistung werden die Energiebereitstellungsvorrichtungen mit redundanten Sicherheitsmaßnahmen vor Defekten durch bspw. Überströme geschützt.
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Wie bei technischen Vorrichtungen üblich, besteht bei den Energiebereitstellungsvorrichtungen ebenfalls die Anforderung, diese kostengünstig und bauraumsparend herzustellen. Dies gilt analog für elektrische Antriebsvorrichtungen oder Bordnetze mit diesen Energiebereitstellungsvorrichtungen.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, die eingangs genannten Energiebereitstellungsvorrichtungen kostengünstig und bauraumsparend herzustellen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Energiebereitstellungsvorrichtung, insb. eine Hochvoltbatterievorrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine elektrische Antriebsanordnung zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, bereitgestellt.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst mindestens zwei Stromanschlüsse zur Herstellung elektrischer Verbindung von der Energiebereitstellungsvorrichtung zu externen elektrischen Komponenten. Zwischen den mindestens zwei Stromanschlüssen weist die Energiebereitstellungsvorrichtung eine Energiequelle, insb. eine Hochvoltbatterieeinheit, zum Bereitstellen elektrischer Energie (in Form von elektrischem Strom) auf.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst ferner einen Gleichspannungswandler, der zwischen den mindestens zwei Stromanschlüssen und der Energiequelle elektrisch angeschlossen ist und (mindestens) eine steuerbare Halbleiterschalteranordnung und (mindestens) eine Induktivität umfasst.
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Der Gleichspannungswandler ist primär eingerichtet, mittels der Halbleiterschalteranordnung und der Induktivität eine zwischen den mindestens zwei Stromanschlüssen anliegende Eingangsspannung in eine (Lade-)Spannung der Energiequelle und/oder umgekehrt zu wandeln. Damit ist die primäre Funktion der Halbleiterschalteranordnung und der Induktivität die uni-/bidirektionale Umwandlung zwischen zwei Gleichspannungen.
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Zusätzlich zu der oben genannten primären Funktion ist die Halbleiterschalteranordnung ferner zur Lastschalt-Funktion eingerichtet, in der die Halbleiterschalteranordnung in einem offenen Schaltzustand einen Stromfluss zwischen einem der mindestens zwei Stromanschlüsse einerseits und der Energiequelle andererseits zu unterbrechen und somit die Energiequelle von dem einen der mindestens zwei Stromanschlüsse vollständig elektrisch zu trennen.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst ferner eine Steueranordnung, welche über einen Signalausgang mit einem Steueranschluss der Halbleiterschalteranordnung elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, zur Unterbrechung des Stromflusses zwischen dem einen der mindestens zwei Stromanschlüsse einerseits und der Energiequelle andererseits die Halbleiterschalteranordnung gesteuert in den offenen Schaltzustand zu bringen.
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Zu der genannten elektrischen Energiebereitstellungsvorrichtung gehören insb. Hochvoltbatterievorrichtungen zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine elektrische Antriebsanordnung zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs. Hierbei bedeutet der Begriff „Hochvolt“ eine Spannung ab 60 Volt, insb. 400 bzw. 800 Volt.
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Zu den elektrischen Energiebereitstellungsvorrichtungen gehören ferner wiederaufladbare Batterien, insb. Traktionsbatterien, Generatoren, Solarzellen oder Brennstoffzellen mit entsprechenden Stromwandlern.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst mindestens zwei Stromanschlüsse, darunter mindestens einen positiven und mindestens einen negativen Stromanschluss zum Bereitstellen einer Spannung. Ist die Energiebereitstellungsvorrichtung bspw. an einem Mehrspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs elektrisch angeschlossen und dient zum Bereitstellen mehrerer unterschiedlicher Bordnetzspannungen, so weist die Energiebereitstellungsvorrichtung auch eine entsprechende Anzahl von positiven und negativen Stromanschlüssen zum Bereitstellen der entsprechenden Anzahl von den unterschiedlichen Bordnetzspannungen.
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Die externen elektrischen Komponenten, mit denen die Energiebereitstellungsvorrichtung über die mindestens zwei Stromanschlüsse elektrisch verbunden ist bzw. wird, sind im Falle eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bspw. verschiedene elektrische Verbraucher in diesem Bordnetz, bspw. eine elektrische Antriebsmaschine, wie auch im Fall eines Aufladens der Energiebereitstellungsvorrichtung auch eine externe elektrische Ladequelle.
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Zu der genannten Energiequelle gehören insb. Hochvoltbatterieeinheiten, Solarzellen, Brennstoffzellen oder Generatoren.
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Wie bereits erwähnt, sind der Gleichspannungswandler und somit auch die Halbleiterschalteranordnung des Gleichspannungswandlers primär zur uni- oder bidirektionalen Umwandlung zwischen zwei Gleichspannungen ausgelegt. Zur Gleichspannungsumwandlung werden der Gleichspannungswandler bzw. die Halbleiterschalteranordnung in der Regel mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert geschaltet. Hierbei weist das pulsweitenmodulierte Steuersignal einen Tastgrad auf, welcher in der Regel abhängig von dem Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers variiert.
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Mit dem Begriff „Lastschalt-Funktion“ ist eine Funktion zum Einschalten und Ausschalten von Stromkreisen der Energietechnik unter elektrischer Last gemeint. Eine Schaltungskomponente mit einer „Lastschalt-Funktion“ (also ein Lastschalter) ist in der Lage, Normal-Betriebsströme und (kleinere) Überströme ein- und auszuschalten.
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Im Stand der Technik wird eine „Lastschalt-Funktion“ von einem elektromechanischen Schalter, insb. einem (Hochvolt-)Schütz, durchgeführt.
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In der vorliegenden Anmeldung wird diese „Lastschalt-Funktion“ dagegen von der Halbleiterschalteranordnung durchgeführt. Zum Lastausschalten wird die Halbleiterschalteranordnung gesteuert in einen „dauerhaften“ offenen Schaltzustand gebracht und in diesem „dauerhaften“ Schaltzustand aufrechterhalten, bis ein neues Steuersignal zum Lasteinschalten empfangen wird.
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Wird die Halbleiterschalteranordnung zum Lastausschalten bspw. weiterhin von einem pulsweitenmodulierten Steuersignal angesteuert geöffnet, so weist das Steuersignal bspw. einen Tastgrad von 0% auf, damit eine vollständige dauerhafte Unterbrechung der elektrischen Verbindung gewährleistet ist. Die primäre Funktion der Halbleiterschalteranordnung, nämlich die Gleichspannungsumwandlung, wird dabei ausgesetzt.
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In diesem Zusammenhang bedeutet eine „vollständige dauerhafte Unterbrechung“ der elektrischen Verbindung eine ausreichend hochohmige elektrische Trennung der elektrischen Verbindung, damit insb. keine weitere elektrische Entladung und vor allem auch keine Gefährdung von Personen vorhanden sind.
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Wird die Halbleiterschalteranordnung zum Lasteinschalten von dem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert geschaltet, so weist das Signal einen Tastgrad auf, welcher der primären Funktion, nämlich der Gleichspannungsumwandlung, der Halbleiterschalteranordnung entsprechend variiert. Ein Tastgrad von 100% würde einem dauerhaft durchgeschalteten Zustand der Halbleiterschalteranordnung entsprechen.
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Die Erfindung basiert auf Erkenntnissen, dass die Energiebereitstellungsvorrichtungen zum Schutz vor Defekt durch bspw. Überströme mit redundanten Sicherheitsmaßnahmen, wie z. B. (Hochvolt-)Schützen, ausgestattet werden, welche kostenintensiv und zugleich viel Bauraum in Anspruch nehmen.
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Zur Bewahrung der weiterhin notwendigen hohen Sicherheit sollte die Redundanz der Sicherheitsmaßnahmen weiterhin aufrechterhalten werden.
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Um dennoch die Kosten und den Bauraum sparen zu können, wurde im Rahmen der Erfindung nach einer Lösung gesucht, mit der die bekannten Sicherheitsmaßnahmen durch eine, insb. im Hinblick auf Kosten und Bauraum, verbesserte Sicherheitsmaßnahme ersetzt werden können. Dabei wurde angestrebt, mit den Bauteilen, welche für andere Funktionen der Energiebereitstellungsvorrichtungen vorgesehen sind und somit ohnehin in den Energiebereitstellungsvorrichtungen vorhanden sind, die Funktionen der bekannten Sicherheitsmaßnahmen auszubilden und dadurch die bekannten Sicherheitsmaßnahmen (zumindest teilweise) zu ersetzen.
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Dabei wurde erkannt, dass Gleichspannungswandler, welche zur Spannungsumwandlung zwischen zwei Gleichspannungen (wie z. B. eine (Lade-)Spannung der Energiebereitstellungsvorrichtung und bspw. eine Betriebsspannung für eine elektrische Antriebsanordnung bzw. eine Bordnetzspannung eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs) vorgesehen sind, Schaltungskomponenten, wie z. B. Halbleiterschalter, aufweisen, welche neben deren ursprünglichen also primären Funktion, nämlich der Gleichspannungswandlung, zusätzlich für die Lastschalt-Funktion und somit zum Ein- und Ausschalten des Normal-Betriebsstroms oder zum Schutz der Energiebereitstellungsvorrichtungen vor z. B. Überströmen, Überspannungen sowie anderen kritischen Betriebszuständen verwendet werden können.
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Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde die oben beschriebene Energiebereitstellungsvorrichtung mit einem Gleichspannungswandler entworfen, der die Halbleiterschalteranordnung umfasst, welche neben der primären Funktion der Gleich Spannungsumwandlung zusätzlich als eine Sicherheitsmaßnahme zur Lastschalt-Funktion und somit zum Ein-und Ausschalten des Normal-Betriebsstroms und darüber hinaus zum Schutz der Energiequelle vor Überströmen, Überspannungen sowie weiteren kritischen Betriebszuständen dient.
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Bei einem Überstrom oder sonstigen kritischen Betriebszuständen wird der Stromfluss von bzw. zu der sensiblen, zu schützenden Energiequelle durch das Lastausschalten der Halbleiterschalteranordnung unterbrochen und somit die Energiequelle vor Defekten durch diese kritischen Betriebszustände geschützt.
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Da die Halbleiterschalteranordnung als Bestandteil des Gleichstromwandlers ohnehin bereits vorhanden ist, weist diese Lösung keine Mehrkosten für die Energiebereitstellungsvorrichtung auf und erfordert auch keinen zusätzlichen Bauraum.
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Die Steueranordnung kann ebenfalls mit einer ohnehin vorhandener Steueranordnung zum Betreiben des Gleichstromwandlers bzw. der Halbleiterschalteranordnung realisiert werden. Damit führt die Steueranordnung ebenfalls zu keinen Mehrkosten bzw. keinem zusätzlichen Bauraum.
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Durch die erfindungsgemäße Energiebereitstellungsvorrichtung können somit an Sicherheitsmaßnahmen, wie z. B. teuren (Hochvolt-)Schützen, gespart werden, welche in der Regel ausschließlich für die Sicherheit der Energiebereitstellungsvorrichtung bzw. der Energiequelle der Energiebereitstellungsvorrichtung eingesetzt werden und wegen der zu schaltenden hohen Leistungen in der Lastschalt-Funktion entsprechend groß dimensioniert werden müssen. Mit der Halbleiterschalteranordnung kann die Energiebereitstellungsvorrichtung insb. vor zu hohen Gleichströmen geschützt werden, was sonst nur mit groß dimensionierten und teuren (Hochvolt-)Schützen realisiert werden kann.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, mit der die Energiebereitstellungsvorrichtung kostengünstig und bauraumsparend hergestellt werden kann.
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Vorzugsweise ist die oben genannte Steueranordnung ferner eingerichtet, im Falle eines kritischen Betriebszustandes die Halbleiterschalteranordnung gesteuert in den offenen Schaltzustand zu bringen. Dabei umfasst der kritische Betriebszustand insb. folgende Zustände:
- – Vorliegen eines Überstromes an mindestens einem der mindestens zwei Stromanschlüsse;
- – Vorliegen einer Überspannung oder einer Unterspannung zwischen (beliebigen) zwei der mindestens zwei Stromanschlüsse;
- – Vorliegen einer Übertemperatur an der Energiebereitstellungsvorrichtung; und/oder
- – Vorliegen eines elektrischen Kurzschlusses in der Energiebereitstellungsvorrichtung;
- – Vorliegen eines Isolationsfehlers innerhalb oder außerhalb der Energiebereitstellungsvorrichtung; und/oder
- – Vorliegen eines Fehlers in Interlock-Stromreisen der Energiebereitstellungsvorrichtung (durch Ansprechen einer Interlock-Sicherheitsvorrichtung der Energiebereitstellungsvorrichtung).
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Allgemein gesagt ist ein kritischer Betriebszustand ein Zustand, welcher zur Störung oder gar zum Defekt der Energiebereitstellungsvorrichtung, insb. der Energiequelle der Energiebereitstellungsvorrichtung, oder auch eines elektrischen Netzes, insb. eines Bordnetzes, führen kann, in bzw. an dem die Energiebereitstellungsvorrichtung elektrisch angeschlossen ist. Darüber hinaus können Betriebszustände der Energiebereitstellungsvorrichtung auch zu dem kritischen Betriebszustand gehören, welche zur Gefährdung von Personen führen können.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst vorzugsweise ferner eine Messanordnung zum Ermitteln der oben genannten kritischen Betriebszustände. Die Messanordnung umfasst ihrerseits insb.:
- – eine Strommesseinheit zum Erfassen des Überstromes an dem mindestens einen der mindestens zwei Stromanschlüsse und/oder des elektrischen Kurzschlusses in der Energiebereitstellungsvorrichtung;
- – eine Spannungsmesseinheit zum Erfassen der Überspannung oder der Unterspannung zwischen den (beliebigen) zwei der mindestens zwei Stromanschlüsse; und/oder
- – eine Temperaturmesseinheit zum Erfassen der Übertemperatur an bzw. in der Energiebereitstellungsvorrichtung;
- – eine Isolationsüberprüfungseinheit zum Erfassen von Isolationsfehlern innerhalb und/oder außerhalb der Energiebereitstellungsvorrichtung; und/oder
- – eine Überwachungseinheit zum Überwachen von Fehlern in Interlock-Stromreisen der Energiebereitstellungsvorrichtung.
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Die Messanordnung ist vorzugsweise signalausgangsseitig mit einem Signaleingang der Steueranordnung elektrisch verbunden und eingerichtet, beim Ermitteln des kritischen Betriebszustandes ein Signal zu generieren und an die nachgeschaltete Steueranordnung abzugeben. Analog ist die Steueranordnung ferner eingerichtet, beim Vorliegen des Signals von der Messanordnung die Halbleiterschalteranordnung gesteuert in den offenen Schaltzustand zu bringen.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst ferner vorzugsweise eine Datenschnittstelle zum Erhalten eines Abschaltsignals zum Abschalten der Energiebereitstellungsvorrichtung. Dabei ist die Datenschnittstelle mit einem weiteren Signaleingang der Steueranordnung elektrisch verbunden und eingerichtet, das erhaltene Abschaltsignal (verarbeitet oder unverarbeitet, direkt oder indirekt) an die Steueranordnung weiterzuleiten. Analog ist die Steueranordnung ferner eingerichtet, beim Vorliegen des Abschaltsignals die Halbleiterschalteranordnung gesteuert in den offenen Schaltzustand zu bringen. Dies ermöglicht ein Abschalten der Energiebereitstellungsvorrichtung, wenn auch kein kritischer Betriebszustand vorliegt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Energiebereitstellungsvorrichtung mal gewartet werden muss oder Personen vor Stromschlag durch die Energiebereitstellungsvorrichtung geschützt werden muss, was bspw. bei einer Wartung der Energiebereitstellungsvorrichtung der Fall sein kann.
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Die Energiebereitstellungsvorrichtung umfasst vorzugsweise ferner eine erste elektrische Verbindung zwischen einem ersten der mindestens zwei Stromanschlüsse und der Energiequelle. Außerdem umfasst die Energiebereitstellungsvorrichtung vorzugsweise ein (Hochvolt-)Schütz, welches in der ersten elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Stromanschluss und der Energiequelle elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand den ersten Stromanschluss von der Energiequelle galvanisch zu trennen.
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Das (Hochvolt-)Schütz bildet eine von der Halbleiterschalteranordnung unabhängige bzw. unabhängig steuerbare redundante Sicherheitsmaßnahme. Dabei können die erste elektrische Verbindung und somit auch das Schütz auf der Positivspannungsseite (HV+) der Energiequelle platziert werden, wobei die erste elektrische Verbindung dann den positivspannungsseitigen Stromanschluss der Energiebereitstellungsvorrichtung mit dem Pluspol der Energiequelle elektrisch verbindet. Alternativ können die erste elektrische Verbindung und somit auch das Schütz auf der Negativspannungsseite (HV–) der Energiequelle platziert werden, wobei die erste elektrische Verbindung dann den negativspannungsseitigen Stromanschluss der Energiebereitstellungsvorrichtung mit dem Minuspol der Energiequelle elektrisch verbindet. Ein derart in dem Stromkreis platziertes Schütz kann einen (bspw. intern über einen Zwischenkreiskondensator der Energiebereitstellungsvorrichtung fließenden) Leckstrom abstellen.
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Die Steueranordnung der Energiebereitstellungsvorrichtung ist vorzugsweise ferner eingerichtet, zur galvanischen Trennung des ersten Stromanschlusses von der Energiequelle das Schütz gesteuert zu öffnen. Hierzu ist die Steueranordnung über einen weiteren Signalausgang mit einem Steueranschluss des Schützes elektrisch verbunden.
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Vorzugsweise umfasst die Energiebereitstellungsvorrichtung ferner eine zweite elektrische Verbindung zwischen einem zweiten der mindestens zwei Stromanschlüsse und der Energiequelle, wobei die Halbleiterschalteranordnung (zumindest teilweise) und die Induktivität in der zweiten elektrischen Verbindung elektrisch angeschlossen ist.
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Vorzugsweise umfasst die zuvor genannte Halbleiterschalteranordnung mindestens einen steuerbaren Halbleiterschalter, welcher mit der Induktivität in der zweiten elektrischen Verbindung in Reihe geschaltet ist. Hierbei ist die Steueranordnung ferner eingerichtet, bei einem kritischen Betriebszustand den mindestens einen Halbleiterschalter gesteuert zu öffnen.
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Der Gleichspannungswandler umfasst vorzugsweise ferner mindestens eine Halbbrücke, welche den mindestens einen Halbleiterschalter umfasst.
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Der Gleichspannungswandler umfasst vorzugsweise ferner mindestens eine H-Brücke, welche den mindestens einen Halbleiterschalter umfasst. Hierbei ist die mindestens eine Induktivität vorzugsweise in dem Brückenzweig der H-Brücke elektrisch angeschlossen. Dabei umfasst die mindestens eine H-Brücke vorzugsweise vier Halbleiterschalter, welche paarweise in einer von zwei Halbbrücken der H-Brücke in Reihe geschaltet sind, wobei die beiden Halbbrücken über den Brückenzweig der H-Brücke miteinander elektrisch verbunden sind.
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Mit der H-Brücke kann die zweite elektrische Verbindung in beiden Stromflussrichtungen gesperrt werden, wenn alle vier Halbleiterschalter von der Steueranordnung gesteuert geöffnet werden. Damit kann auf den zuvor genannten Schütz in der ersten elektrischen Verbindung verzichtet werden.
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Vorzugsweise umfasst die Halbleiterschalteranordnung mindestens zwei Halbleiterschalter, welche jeweils eine antiparallele Diode umfassen, wobei die Dioden der mindestens zwei Halbleiterschalter zueinander in Reihe und gegensinnig elektrisch angeschlossen sind und somit in dem offenen Schaltzustand der mindestens zwei Halbleiterschalter Stromfluss durch die Halbleiterschalteranordnung unterbinden. Durch die gegensinnige Reihenschaltung können die beiden Dioden bei geöffneten Halbleiterschaltern den Stromfluss in beiden Flussrichtungen sperren. Dadurch kann in einem kritischen Betriebszustand der Stromfluss sowohl in die als auch aus der der Energiequelle (bspw. Ladestrom auch Entladestrom) mit der Halbleiterschalteranordnung unterbrochen werden.
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Der zuvor genannte Gleichspannungswandler umfasst vorzugsweise einen Auf-/Abwärtswandler (auf Englisch „Buck-Boost Converter“).
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Antriebsanordnung zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Die Antriebsanordnung umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs sowie eine Leistungsendstufe, welche über Phasenstromleitungen mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, die elektrische Maschine zu betreiben. Die elektrische Antriebsanordnung umfasst ferner eine zuvor beschriebene Energiebereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie für die elektrische Maschine, wobei die Energiebereitstellungsvorrichtung über die mindestens zwei Stromanschlüsse mit der Leistungsendstufe elektrisch verbunden ist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bordnetz, insb. ein Traktionsbordnetz, für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Bordnetz umfasst einen Wechselrichter, insb. einen Traktionsinverter, welcher mindestens zwei elektrische Verbindungspunkte zur Herstellung elektrischer Verbindung aufweist. Das Bordnetz umfasst ferner eine zuvor beschriebene Energiebereitstellungsvorrichtung, welche über die mindestens zwei Stromanschlüsse mit den mindestens zwei elektrischen Verbindungspunkten des Wechselrichters und somit mit dem Wechselrichter elektrisch verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Energiebereitstellungsvorrichtung sind, soweit möglich, auf die oben genannte elektrische Antriebsanordnung und/oder auf das oben genannte Bordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Antriebsanordnung bzw. des Bordnetzes anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung:
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Schaltungstopologie einer elektrischen Antriebsanordnung mit einer elektrischen Energiebereitstellungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 in einer schematischen Darstellung eine Schaltungstopologie einer weiteren elektrischen Antriebsanordnung mit einer weiteren elektrischen Energiebereitstellungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
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1 zeigt eine elektrische Antriebsanordnung EA in einer schematischen Schaltungstopologie, welche zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs dient und Teil eines Hochvoltbordnetzes des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs ausbildet.
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Die elektrische Antriebsanordnung EA umfasst eine elektrische Maschine EM, welche bspw. als eine permanent- oder fremderregte Synchronmaschine ausgebildet ist und dazu dient, das Hybridelektro-/Elektrofahrzeug anzutreiben und im Bremsvorgang des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs die kinetische Energie des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs zu rekuperieren.
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Die elektrische Antriebsanordnung EA umfasst ferner eine Leistungsendstufe LE, welche über Phasenstromleitungen PL mit Starterphasen der elektrischen Maschine EM elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, die elektrische Maschine EA mit Phasenströmen zu versorgen und somit zu betreiben.
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Die elektrische Antriebsanordnung EA umfasst ferner eine elektrische Energiebereitstellungsvorrichtung, welche in dieser Ausführungsform als eine Hochvoltbatterievorrichtung BV ausgebildet ist und der elektrischen Maschine EM zu deren Betrieb elektrischen Energie in Form von elektrischem Strom bereitstellt.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst einen ersten, positivspannungsseitigen Stromanschluss PA und einen zweiten, negativspannungsseitigen Stromanschluss NA, über die die Hochvoltbatterievorrichtung BV mit der Leistungsendstufe LE elektrisch verbunden ist.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst ferner als elektrische Energiequelle eine Hochvoltbatterieeinheit BE, welche zwischen den zwei Stromanschlüssen PA, NA über weitere (nachfolgend zu beschreibende) Schaltungskomponenten elektrisch angeschlossen ist. Die Hochvoltbatterieeinheit BE umfasst einen Pluspol PP und einen Minuspol MP und eine Anzahl von Batteriezellen, welche zwischen dem Plus- und dem Minuspol PP, MP zueinander in Reihe bzw. in einer kombinierten Reihen-/Parallelschaltung elektrisch angeschlossen sind.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst ferner einen Gleichspannungswandler GW, welcher zwischen den zwei Stromanschlüssen PA, NA und der Hochvoltbatterieeinheit BE elektrisch angeschlossen ist.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst einen ersten Strompfad SP1 (eine erste elektrische Verbindung), welcher den zweiten, negativen Stromanschluss NA mit dem Minuspol MP der Hochvoltbatterieeinheit BE elektrisch verbindet. In dem ersten Strompfad SP1 weist die Hochvoltbatterievorrichtung BV ein (Hochvolt-)Schütz SZ auf, das gesteuert zwischen einem offenen und einem geschlossenen Schaltzustand schaltbar ausgeführt ist und eingerichtet ist, in dem offenen Schaltzustand den ersten Strompfad SP1 galvanisch zu trennen und somit den Stromfluss zwischen dem negativen Stromanschluss NA und dem Minuspol MP der Hochvoltbatterieeinheit BE zu unterbrechen.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst einen zweiten Strompfad SP2 (eine zweite elektrische Verbindung), welcher den ersten, positiven Stromanschluss PA über weitere (noch zu beschreibende) Schaltungskomponenten mit dem Pluspol PP der Hochvoltbatterieeinheit BE elektrisch verbindet.
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Der Gleichspannungswandler GW umfasst eine Halbbrücke HB1, welche zwischen den beiden Stromanschlüssen PA, NA elektrisch angeschlossen ist und zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter HS1, HS2 umfasst. Dabei sind die Halbleiterschalter HS1, HS2 als Leistungs-MOSFETs (Metall Oxid Halbleiter Feldeffekttransistor) mit jeweils einer antiparallelen Freilaufdiode D1 bzw. D2 ausgebildet.
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Zwischen den beiden Halbleiterschaltern HS1, HS2 weist die Halbbrücke HB einen elektrischen Mittelanschlusspunkt MA auf, über den die zwei Halbleiterschalter HS1, HS2 miteinander elektrisch verbunden sind. Hierbei befinden die Laststromstrecke (Drain-Source-Strecke) eines ersten der beiden Halbleiterschalter HS1 (der positivspannungsseitige Halbleiterschalter) und der Mittelanschlusspunkt MA sich in dem zuvor genannten zweiten Strompfad SP2.
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Der Gleichspannungswandler GW umfasst ferner eine Induktivität L, welche in dem zweiten Strompfad SP2 zwischen dem Mittelanschlusspunkt MA und dem Pluspol PP der Hochvoltbatterieeinheit BE geschaltet ist.
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Anstelle des einen ersten Halbleiterschalters HS1 können zwei Halbleiterschalter mit antiparalleler Freilaufdiode vorgesehen werden, welche in dem zweiten Strompfad SP2 zwischen dem ersten Stromanschluss PA und dem Mittelanschlusspunkt MA in Reihe derart geschaltet sind, dass Freilaufdioden der beiden Halbleiterschalter zueinander in Reihe und gegensinnig geschaltet sind und somit bei den beiden geöffneten Halbleiterschaltern Stromfluss durch den zweiten Strompfad SP2 in beiden Flussrichtungen unterbrechen können.
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Optional umfasst die Hochvoltbatterievorrichtung BV einen Zwischenkreiskondensator ZK, welcher zwischen dem negativen Stromanschluss NA und dem Pluspol PP der der Hochvoltbatterieeinheit BE elektrisch angeschlossen ist.
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Der Gleichspannungswandler GW umfasst ferner einen Gatetreiber GT zum Betreiben der beiden Halbleiterschalter HS1, HS2.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst ferner eine Steueranordnung ST, welche über einen Signalausgang mit einem Signaleingang des Gatetreibers GT elektrisch verbunden ist. Über einen weiteren Signalausgang ist die Steueranordnung ST mit einem Steueranschluss des Schützes SZ elektrisch verbunden.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst ferner eine Messanordnung MS, welche ihrerseits folgende Messeinheiten zum Erfassen diverser kritischen Betriebszustände umfasst (in der Figur sind diese nicht dargestellt):
- – eine erste Strommesseinheit zum Erfassen eines Überstromes an den beiden Stromanschlüssen PA, NA;
- – eine zweite Strommesseinheit zum Erfassen eines elektrischen Kurzschlusses in der Hochvoltbatterievorrichtung BV;
- – eine Spannungsmesseinheit zum Erfassen einer Überspannung oder einer Unterspannung zwischen den beiden Stromanschlüssen PA, NA;
- – eine Temperaturmesseinheit zum Erfassen einer Übertemperatur in der Hochvoltbatterievorrichtung BV;
- – eine Isolationsüberprüfungseinheit zum Erfassen von Isolationsfehlern innerhalb und/oder außerhalb von Energiebereitstellungsvorrichtung BV; und/oder
- – eine Überwachungseinheit zum Überwachen von Fehlern in Interlock-Stromreisen.
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Hierbei sind die Isolationsüberprüfungseinheit und die Überwachungseinheit wie die beiden Strommesseinheiten, die Spannungsmesseinheit, sowie die Temperaturmesseinheit allgemein bekannte elektrische Schaltungen mit entsprechenden Funktionen, welche bspw. in einer Batteriemanagementanordnung der Energiebereitstellungsvorrichtung BV integriert sind.
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Die oben ausführten Einheiten sind in einer dem Fachmann bekannten Weise mit entsprechenden Schaltungskomponenten innerhalb und/oder außerhalb der Energiebereitstellungsvorrichtung BV, wie z. B. mit Interlock-Stromreisen der Energiebereitstellungsvorrichtung BV, elektrisch verbunden und eingerichtet, in einer dem Fachmann bekannten Weise die jeweiligen zugeordneten Funktionen durchzuführen.
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Die Messanordnung MS ist signalausgangsseitig mit einem Signaleingang der Steueranordnung ST elektrisch verbunden ist und eingerichtet, beim Ermitteln eines der oben aufgelisteten kritischen Betriebszustände ein Signal zu generieren und an die nachgeschaltete Steueranordnung ST abzugeben.
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Die Hochvoltbatterievorrichtung BV umfasst ferner eine Datenkommunikationsschnittstelle DS, über welche die Hochvoltbatterievorrichtung BV von externen Steuervorrichtungen Steuerbefehle erhält, welche ein Abschalten der Hochvoltbatterievorrichtung BV initiieren (bspw. im Falle eines Aufprallunfalls des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs oder bei einer geplanten Wartung der elektrischen Antriebsanordnung EA). Die Datenkommunikationsschnittstelle DS ist mit der Steueranordnung ST elektrisch verbunden und leitet die empfangenen Steuerbefehle unmittelbar an die Steueranordnung ST weiter.
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Nachdem die Schaltungstopologie der elektrischen Antriebsanordnung EA bzw. der Hochvoltbatterievorrichtung BV anhand 1 detailliert beschrieben wurde, wird nachfolgend deren Funktionsweise näher beschrieben:
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Zum Antreiben des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs arbeitet die elektrische Maschine EM als ein Elektromotor. Zum Betreiben der elektrischen Maschine EM stellt die Hochvoltbatterieeinheit BE der Hochvoltbatterievorrichtung BV einen Gleichstrom mit einer (Lade-)Spannung von bspw. 400 Volt bereit. Der Gleichspannungswandler GW wandelt den Gleichstrom in einen der elektrischen Maschine EM angepassten Betriebsstrom mit einer Betriebsspannung von bspw. 800 Volt um und leitet den Betriebsstrom an die Leistungsendstufe LE weiter. Die Leistungsendstufe LE wandelt den Betriebsstrom in Phasenströmen um und speist die elektrische Maschine EM mit diesen Phasenströmen und betreibt somit die elektrische Maschine EM.
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Beim Bremsvorgang des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs arbeitet die elektrische Maschine EM als ein Generator und wandelt die beim Bremsen freigesetzte kinetische Energie des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs in elektrische Energie um und stellt diese in Form von Phasenströmen der Leistungsendstufe LE bereit. Die Leistungsendstufe LE wandelt die Phasenströme in einen Rekuperationsstrom mit einer bestimmten Gleichspannung um und leitet diesen an die Hochvoltbatterievorrichtung BV weiter. Der Gleichspannungswandler GW wandelt den Rekuperationsstrom in einen Ladestrom mit einer vorbestimmten Ladespannung um und lädt die Hochvoltbatterieeinheit BE mit diesem Ladestrom auf.
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Beim Betrieb der Antriebsanordnung EA überwacht die Messanordnung MS die Hochvoltbatterievorrichtung BV, indem diese in vorgegebenen Zeitabständen von einigen Millisekunden den Betriebsstrom bzw. die Betriebsspannung an bzw. zwischen den zwei Stromanschlüssen PA, NA misst. Aus den Messwerten bzw. aus der Veränderung der Messwerte ermittelt die Messanordnung MS, ob ein Überstrom bzw. eine Überspannung bevorsteht bzw. vorliegt. Wird ein Überstrom oder eine Überspannung ermittelt, so gibt die Messanordnung MS ein entsprechendes Signal an die nachgeschaltete Steueranordnung ST ab. Die Steueranordnung ST generiert daraufhin zwei Steuersignale und steuert mit diesen Steuersignalen jeweils den Gatetreiber GT und das (Hochvolt-)Schütz SZ.
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Mit einem Steuersignal steuert die Steueranordnung ST den Gatetreiber GT derart, dass dieser den (positivspannungsseitigen) Halbleiterschalter HS1 öffnet, dessen Laststromstrecke der Strompfad SP2 durchläuft. Durch Öffnen des Halbleiterschalters HS1 wird der Stromfluss durch den zweiten Strompfad SP2 unterbrochen und die Hochvoltbatterieeinheit BE wird vor dem Überstrom bzw. der Überspannung geschützt.
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Mit dem anderen Steuersignal öffnet die Steueranordnung ST das (Hochvolt-)Schütz SZ, so dass die elektrische Verbindung über den ersten Strompfad SP1 galvanisch getrennt wird. Dadurch wird ein redundanter Schutz für die Hochvoltbatterieeinheit BE erzielt.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die oben beschriebene Hochvoltbatterievorrichtung BV auch zusätzlich mit zwei elektromechanischen Schützen ohne Lastschalt-Funktion im Zusammenhang mit einem bidirektional sperrendem Gleichspannungswandler GW ausgeführt sein. Derartige Ausführung der Hochvoltbatterievorrichtung BV ist insb. vorteilhaft in Fällen, wo zwingend eine allpolige galvanische Trennung der Hochvoltbatterieeinheit BE von den beiden Stromanschlüssen PA, NA verlangt wird. Die beiden Schütze sind jeweils an dem Pluspol PP bzw. dem Minuspol MP der Hochvoltbatterieeinheit BE elektrisch angeschlossen. Dank der Lastschalt-Funktion der Halbbrücke HB1 brauchen die beiden Schütze keine Lastschalt-Funktion durchzuführen bzw. keinen Betriebsstrom der Hochvoltbatterievorrichtung BV insb. keinen Überstrom in der Hochvoltbatterievorrichtung BV zu unterbinden. Entsprechend können die beiden Schütze klein und somit auch preiswert ausgeführt werden. Das betriebsmäßige Ein- und Ausschalten der Hochvoltbatterieeinheit BE und insbesondere das Abschalten höherer Ströme übernimmt in beiden Stromrichtungen die Halbbrücke HB1 bzw. der positivspannungsseitige Halbleiterschalter HS1 in der Halbbrücke HB1. Beim Einschalten der Hochvoltbatterieeinheit BE werden (gegebenenfalls nach Vorladung des Zwischenkreiskondensators ZK) zuerst die Schütze nahezu stromlos geschlossen. Die Vorladung des Zwischenkreiskondensators ZK wird im Vorfeld in einer dem Fachmann bekannten Weise durchgeführt. Anschließend geht der Gleichspannungswandler GW in Betrieb. Beim Abschalten trennt zuerst der Gleichspannungswandler GW bzw. der positivspannungsseitige Halbleiterschalter HS1 den Stromfluss I, anschließend öffnen auch die Schütze (laststromlos) und stellen die allpolige galvanische Trennung der Hochvoltbatterieeinheit BE sicher.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die oben beschriebene Hochvoltbatterievorrichtung BV auch mit zwei elektromechanischen Schützen im Zusammenhang mit einem unidirektional sperrenden Gleichspannungswandler GW ausgeführt sein. Dabei muss eins der beiden Schütze mit der Lastschalt-Funktion und ein weiteres der beiden Schütze kann ohne die Lastschalt-Funktion ausgeführt sein. Die beiden Schütze ermöglichen weiterhin die zuvor genannte allpolige galvanische Trennung. Das eine Schütz ohne die Lastschalt-Funktion kann klein und somit auch preiswert ausgeführt werden.
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Das betriebsmäßige Ein- und Ausschalten der Hochvoltbatterieeinheit BE in einer Stromflussrichtung, in der die Hochvoltbatterievorrichtung BV die Hochvoltbatterieeinheit BE von dem Rest der Hochvoltbatterievorrichtung BV elektrisch trennen kann, übernimmt das Schütz mit der Lastschalt-Funktion in dieser Stromflussrichtung. Hierzu muss das Schütz mit der Lastschalt-Funktion auch entsprechend elektrisch angeschlossen sein, dass dieses (insb. im Falle eines Hochvoltgleichspannungsschützes) nur in einer Stromflussrichtung eine ausreichend hohe Abschaltfähigkeit aufweist. In der anderen Stromrichtung, in der die Hochvoltbatterievorrichtung BV die Hochvoltbatterieeinheit BE von dem Rest der Hochvoltbatterievorrichtung BV elektrisch trennen kann, wird das Abschalten der Hochvoltbatterieeinheit BE unter Last auch von der Halbbrücke HB1 bzw. von dem positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 der Halbbrücke HB1 übernommen. Das Schütz ohne die Lastschalt-Funktion öffnet anschließend laststromlos und stellt zusammen mit dem dann ebenfalls öffnenden Schütz mit der Lastschalt-Funktion die allpolige galvanische Trennung her.
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2 zeigt eine weitere elektrische Antriebsanordnung EA in einer schematischen Schaltungstopologie, welche ebenfalls zum Antrieb eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs dient und Teil eines Hochvoltbordnetzes des Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs ausbildet.
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Die in 2 dargestellte Antriebsanordnung EA unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Antriebsanordnung EA dadurch, dass die Hochvoltbatterievorrichtung BV dieser Antriebsanordnung EA einen Gleichstromwandler GW umfasst, welcher als Auf-/Abwärtswandler ausgebildet ist und anstelle einer Halbbrücke HB1 eine H-Brücke HB2 (Vollbrücke) mit vier Halbleiterschaltern HS1, HS2, HS3, HS4 umfasst. Dabei sind die vier Halbleiterschalter HS1, HS2, HS3, HS4 paarweise verteilt jeweils in einer von zwei Halbbrücken der H-Brücke HB2 zueinander in Reihe geschaltet. In dem Brückenzweig BZ der H-Brücke HB2 ist die Induktivität L elektrisch angeschlossen.