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Die Erfindung betrifft eine stationäre Induktionsladeeinrichtung für ein Fahrzeugladesystem sowie ein Fahrzeugladesystem mit einer solchen stationären Induktionsladeeinrichtung.
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Herkömmliche Fahrzeugladesysteme zum elektrischen Aufladen einer Batterie eines Kraftfahrzeugs umfassen typischerweise eine stationäre Induktionsladeeinrichtung, die auch als Bodenbaugruppe oder Ground Assembly bezeichnet werden kann und die in der Regel ortsfest, beispielsweise an einem Fahrzeugstellplatz, angeordnet und an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen ist, und eine mobile Induktionsladeeinrichtung, die auch als Fahrzeugbaugruppe oder Vehicle Assembly bezeichnet werden kann und die am jeweiligen Fahrzeug angeordnet ist, insbesondere am Fahrzeugboden. Die mobile Induktionsladeeinrichtung ist dabei mit der Batterie des Fahrzeugs auf geeignete Weise gekoppelt, z.B. über ein entsprechendes fahrzeugseitiges Ladegerät. Zum Aufladen der Batterie wird das Fahrzeug mit seiner mobilen Induktionsladeeinrichtung bezüglich der stationären Induktionsladeeinrichtung so positioniert, dass mittels Induktion, also über ein elektromagnetisches Wechselfeld, elektrische Energie von einem Resonator der stationären Induktionsladeeinrichtung bzw. von einer Induktionsspule dieses Resonators auf die mobile Induktionsladeeinrichtung übertragen werden kann. Beim induktiven Fahrzeugladesystem kann also auf drahtgebundene elektrische Verbindungen und, damit einhergehend, auf elektrische Stecker verzichtet werden, die mit fahrzeugseitigen Ladebuchsen gesteckt werden müssen.
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Herkömmliche stationäre Induktionsladeeinrichtungen müssen, sobald die von ihnen verarbeitete elektrischen Leistung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, aufgrund gesetzlicher Vorgaben von einer 3-phasigen elektrischen Wechselspannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Ebenso verlangen gesetzliche Anforderungen oftmals, dass der eigentlichen Induktionsladeeinrichtung eine sogenannte aktive Leistungsfaktor-Korrektur - im Folgenden auch als „Leistungsanpassungseinheit“ bezeichnet - elektrisch vorgeschaltet wird, um unerwünschte bzw. unerlaubte Rückkopplungen in die elektrische Wechselspannungsquelle - in der Praxis typischerweise ein öffentliches elektrisches Stromnetz - zu reduzieren.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von stationären Induktionsladeeinrichtung neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform einer solchen stationären Induktionsladeeinrichtung geschaffen werden, in welcher vorangehend genannte Problematik adressiert ist.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, in einer stationären Induktionsladeeinrichtung als zentrale Bestandteile eine 3-phasigen Leistungsanpassungseinheit mit einem elektrischen Halbbrückeninverter zu kombinieren. Die 3-phasigen Leistungsanpassungseinheit dient dazu, die drei Phasen der externen bereitgestellten Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Hierzu kann die Leistungsanpassungseinheit mit einem Pulsgleichrichter ausgestattet sein, der eine Hochsetzsteller-Charakteristik aufweist. Dies bedeutet, dass die vom Pulsgleichrichter erzeugte, gleichgerichtete Ausgangsspannung so groß ist, dass die elektrische Übertragung dieser Ausgangsspannung zum Resonator der Induktionsladeeinrichtung bzw. zur Induktionsspule des Resonators mithilfe eines Halbbrückeninverter erfolgen kann, der technisch wesentlich einfacher aufgebaut ist als ein aus herkömmlichen Induktionsladeeinrichtungen bekannter Vollbrückeninverter. Dadurch wird eine sehr kostengünstig herstellbare, gleichwohl leistungsfähige und - aufgrund ihres einfachen technischen Aufbaus - relativ auch wenig Bauraum benötigende Induktionsladeeinrichtung zum Verarbeiten einer dreiphasigen Wechselspannung geschaffen.
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Die hier vorgeschlagene, erfindungsgemäße stationäre Induktionsladeeinrichtung umfasst im Einzelnen eine aktive elektrische Leistungsanpassungseinheit zum Gleichrichten der von einer Spannungsquelle bereitgestellten drei Phasen in eine gleichgerichtete, einstellbare elektrische Spannung, vorzugsweise unter Reduzierung von Rückwirkungen auf die externe Spannungsquelle. Ferner umfasst die Induktionsladeeinrichtung einen elektrisch mit der elektrischen Leistungsanpassungseinheit verbundenen Halbbrückeninverter zum Umwandeln der von der elektrischen Leistungsanpassungseinheit erzeugten gleichgerichteten elektrischen Spannung in eine elektrische Ausgangs-Rechteckspannung. Außerdem umfasst die Induktionsladeeinrichtung einen elektrisch mit dem Halbbrückeninverter verbundenen und wenigstens eine Induktionsspule aufweisenden elektrischen Resonator. Der Resonator ist zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes mittels der vom Halbbrückeninverter erzeugten elektrischen Ausgangs-Rechteckspannung ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektrische Leistungsanpassungseinheit einen Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichter - im Folgenden auch vereinfacht als „Pulsgleichrichter“ bezeichnet - zum Gleichrichten der von der 3-phasigen elektrischen Wechselspannungsquelle bereitgestellt drei Phasen in die gleichgerichtete elektrische Spannung. Der Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichter besitzt auf seiner Wechselspannungsseite einen relativ geringen Oberschwingungsanteil. Außerdem kann er im Vergleich zu anderen Gleichrichtertypen besonders hohe elektrische Gleichspannungen erzeugen, so dass er in Verbindung mit einem im Vergleich technisch einfach aufgebauten Halbbrückeninverter betrieben werden kann, welcher die vom Pulsgleichrichter gleichgerichtete Spannung erneut in eine elektrische Wechselspannung - dann in eine Rechteckspannung - umwandelt. Außerdem kann mittels des Pulsrichters die von der Leistungsanpassungseinheit an den Halbbrückeninverter weitergegebene elektrische Leistung bzw. Spannung mithilfe von Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt werden. Besonders bevorzugt ist die elektrische Leistungsanpassungseinheit mit dem Pulsgleichrichter als Hochsetzsteller ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichter einen ersten, zweiten und dritten AC-Phasenanschluss zum Anschließen jeweils einer der drei Phasen auf. Die drei Phaseneingänge sind elektrisch mittels einer elektrischen Gleichrichterschaltung mit zwei elektrischen Gleichrichter-Ausgängen zum Bereitstellen einer mittels der Gleichrichterschaltung gleichgerichteten elektrischen Spannung verbunden.
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Bevorzugt weist elektrische Gleichrichterschaltung dabei einen ersten, zweiten und dritten elektrischen Gleichrichter-Leitungspfad auf. Die drei Gleichrichter-Leitungspfade erstrecken sich jeweils von einem der drei elektrischen AC-Phaseneingänge zu einem gemeinsamen elektrischen Gleichrichter-Knotenpunkt. In diesem Gleichrichter-Knotenpunkt sind die drei Gleichrichter-Leitungspfade elektrisch miteinander verbunden. Bei dieser Weiterbildung sind in jedem der drei Leitungspfade jeweils eine Induktivität und ein steuerbarer Gleichrichter-Halbleiterschalter angeordnet.
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Unter „Gleichrichter“-Halbleiterschalter ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterschalter zu verstehen, der einen Teil der voranstehend erläuterten Gleichrichterschaltung und somit des vorangehend ebenfalls erläuterten Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichter bildet. Ein solcher Halbleiterschalter kann ein geeigneter Leistungstransistor sein, der insbesondere zwischen einem Sperrzustand und einem Leitungszustand umschaltbar ist, wobei der Sperrzustand einem offenen Schalter und der Leitungszustand einem geschlossenen Schalter entspricht. Besonders eignet sich als Halbleiterschalter ein MOSFET, welcher sich durch eine hohe Arbeitsfrequenz bei fast leistungsloser Ansteuerung auszeichnet.
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Bevorzugt sind die Induktivität und der Gleichrichter-Halbleiterschalter jeweils elektrisch in Reihe zueinander angeordnet. Jeder der drei Gleichrichter-Leitungspfade ist bei dieser Weiterbildung jeweils mittels einer ersten Halbleiterdiode mit einem Ersten der beiden elektrischen Gleichrichter-Ausgänge verbunden. Außerdem ist jeder der drei Gleichrichter-Leitungspfade jeweils mittels einer zweiten Halbleiterdiode mit einem Zweiten der beiden elektrischen Gleichrichter-Ausgänge verbunden. Weiterhin ist der Gleichrichter-Knotenpunkt über eine erste Gleichrichter-Kapazität kapazitiv mit dem ersten Gleichrichter-Ausgang gekoppelt. Ebenso ist der Gleichrichter-Knotenpunkt über eine zweite Gleichrichter-Kapazität mit dem zweiten Gleichrichter-Ausgang gekoppelt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Gleichrichter-Kapazität mittels einer elektrischen Gleichrichter-Verbindungsleitung elektrisch miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist der elektrische Knotenpunkt, vorzugsweise niederohmig, mit der elektrischen Gleichrichter-Verbindungsleitung verbunden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die drei ersten Halbleiterdioden jeweils in Durchlassrichtung zwischen dem jeweiligen elektrischen Gleichrichter-Leitungspfad und dem ersten Gleichrichter-Ausgang angeordnet. Außerdem sind bei dieser Ausführungsform die drei zweiten Halbleiterdioden jeweils in Sperrrichtung zwischen dem jeweiligen elektrischen Gleichrichter-Leitungspfad und dem zweiten Gleichrichter-Ausgang angeordnet.
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Besonders zweckmäßig umfasst der Halbbrückeninverter eine elektrische Halbbrückenschaltung mit zwei steuerbaren Halbleiterschaltern zum Erzeugen der elektrischen Ausgangs-Rechteckspannung.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist der Halbbrückeninverter einen ersten und zweiten Inverter-Eingang sowie einen ersten und zweiten Inverter-Ausgang auf. Bei dieser Ausführungsform ist der erste Inverter-Eingang mittels eines ersten Inverter-Halbleiterschalters und der zweite Inverter-Eingang mittels eines zweiten Inverter-Halbleiterschalters elektrisch mit einem gemeinsamen Inverter-Knotenpunkt verbunden. Unter „Inverter“-Halbleiterschalter ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Halbleiterschalter zu verstehen, der einen Teil der voranstehend erläuterten Halbbrückeninverters bildet. Ein solcher Halbleiterschalter kann ein geeigneter Leistungstransistor sein, der insbesondere zwischen einem Sperrzustand und einem Leitungszustand umschaltbar ist, wobei der Sperrzustand einem offenen Schalter und der Leitungszustand einem geschlossenen Schalter entspricht. Besonders eignet sich als Halbleiterschalter ein MOSFET, welcher sich durch eine hohe Arbeitsfrequenz bei fast leistungsloser Ansteuerung auszeichnet.
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Besagter Inverter-Knotenpunkt ist, vorzugsweise niederohmig, elektrisch mit dem ersten Inverter-Ausgang verbunden. Besonders bevorzugt ist bei dieser Ausführungsform der zweite Eingang zusätzlich, vorzugsweise niederohmig, elektrisch mit dem zweiten Inverter-Ausgang verbunden ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Resonator einen ersten und zweiten Resonator-Eingang auf, die mittels einem elektrischen Resonator-Leitungspfad miteinander verbunden sind. In diesem Resonator-Leitungspfad ist die wenigstens eine Induktionsspule angeordnet. Der erste Resonator-Eingang ist bei dieser Weiterbildung elektrisch mit dem ersten Inverter-Ausgang verbunden. Entsprechend ist der zweite Resonator-Eingang elektrisch mit dem zweiten Inverter-Ausgang verbunden. Ferner sind im Resonator-Leitungspfad zur Ausbildung eines passiven Impedanzanpassungsnetzwerks wenigstens eine Resonator-Kapazität und wenigstens eine Resonator-Induktivität angeordnet. Die wenigstens eine Resonator-Kapazität und die wenigstens eine Resonator-Induktivität bilden zusammen mit der wenigstens einen Induktionsspule einen elektrischen Schwingkreis aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann im Resonator-Leitungspfad zur aktiven Impedanzanpassung eine variable Kapazität angeordnet sein, die dann ebenfalls Teil besagten Schwingkreises sein kann.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Fahrzeugladesystem mit einer voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen stationären Induktionsladeeinrichtung, so dass sich die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen stationären Induktionsladeeinrichtung auf das erfindungsgemäße Fahrzeugladesystem übertragen. Das erfindungsgemäße Fahrzeugladesystem umfasst außerdem eine induktiv mit der stationären Induktionsladeeinrichtung induktiv koppelbare oder gekoppelte mobile Induktionsladeeinrichtung, die zum Einbau in ein Fahrzeug ausgebildet ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die einzige 1 zeigt in schaltplanartiger Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen stationären Induktionsladeeinrichtung 1. Die stationäre Induktionsladeeinrichtung 1 umfasst eine aktive elektrische Leistungsanpassungseinheit 2 zum Gleichrichten der von einer externen Spannungsquelle 50 bereitgestellten drei Phasen U, V, W in eine gleichgerichtete, einstellbare elektrische Spannung VGR, unter Reduzierung von Rückwirkungen auf die externe Spannungsquelle 50. Die elektrische Leistungsanpassungseinheit 2 umfasst hierzu einen Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichter 3. Die elektrische Leistungsanpassungseinheit 2 mit dem Pulsgleichrichter 3 ist als Hochsetzsteller ausgebildet.
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Der Pulsgleichrichter 3 umfasst einen ersten, zweiten und dritten AC-Phaseneingang 4a, 4b, 4c zum Anschließen jeweils einer der drei Phasen U, V, W auf. Die drei Phaseneingänge 4a, 4b, 4c sind elektrisch mittels einer elektrischen Gleichrichterschaltung 5 mit zwei elektrischen Gleichrichter-Ausgängen 6a, 6b verbunden. Die Gleichrichterschaltung 5 dient zum Bereitstellen einer mittels der Gleichrichterschaltung 5 gleichgerichteten elektrischen Spannung VGR.
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Gemäß 1 umfasst die Gleichrichterschaltung 5 des Pulsgleichrichters 3 einen ersten, zweiten und dritten elektrischen Gleichrichter-Leitungspfad 7a, 7b, 7c auf. Die drei Gleichrichter-Leitungspfade 7a, 7b, 7c erstrecken sich jeweils von einem der drei elektrischen AC-Phaseneingänge 4a, 4b, 4c zu einem gemeinsamen elektrischen Gleichrichter-Knotenpunkt 8, dem sogenannten „Dreipunkt“. In diesem Gleichrichter-Knotenpunkt 8 sind die drei Gleichrichter-Leitungspfade 7a, 7b, 7c elektrisch miteinander verbunden. In jedem der drei Leitungspfade 7a, 7b, 7c sind eine Induktivität 9a, 9b, 9c und ein steuerbarer Gleichrichter-Halbleiterschalter 10a, 10b 10c jeweils elektrisch in Reihe zueinander angeordnet. Jeder der drei Gleichrichter-Leitungspfade 7a, 7b, 7c ist jeweils mittels einer ersten Halbleiterdiode 11a.1, 11b.1, 11c.1 mit einem Ersten der beiden elektrischen Gleichrichter-Ausgänge 6a verbunden. Hierzu kann sich ein elektrischer Leitungspfad 14a vom ersten Gleichrichter-Ausgang 6a zu den drei ersten Halbleiterdioden 11a.1, 11b.1, 11c.1 erstrecken. Ferner ist jeder der drei Gleichrichter-Leitungspfade 7a, 7b, 7c jeweils mittels einer zweiten Halbleiterdiode 11a.2, 11b.2, 11c.2 mit einem Zweiten der beiden elektrischen Gleichrichter-Ausgänge 6b verbunden. Hierzu kann sich ein elektrischer Leitungspfad 14b vom zweiten Gleichrichter-Ausgang 6b zu den drei zweiten Halbleiterdioden 11a.2, 11b.2, 11c.2 erstrecken Der Gleichrichter-Knotenpunkt 8 ist über eine erste Gleichrichter-Kapazität 12a kapazitiv mit dem ersten Gleichrichter-Ausgang 6a gekoppelt. Der Gleichrichter-Knotenpunkt 8 ist außerdem über eine zweite Gleichrichter-Kapazität 12b mit dem zweiten Gleichrichter-Ausgang 6b gekoppelt. Die erste Gleichrichter-Kapazität 12a ist mittels einer ersten elektrischen Gleichrichter-Verbindungsleitung 13 elektrisch mit der zweiten Gleichrichter-Kapazität 12b verbunden.
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Wie 1 außerdem veranschaulicht, ist der elektrische Knotenpunkt 8 niederohmig elektrisch leitend mit der elektrischen Gleichrichter-Verbindungsleitung 13 verbunden. Die drei ersten Halbleiterdioden 11a.1, 11b.1, 11c.1 sind jeweils in Durchlassrichtung zwischen dem jeweiligen elektrischen Gleichrichter-Leitungspfad 7a, 7b, 7c und dem ersten Gleichrichter-Ausgang 6a im Leitungspfad 14a angeordnet. Außerdem sind die drei zweiten Halbleiterdioden 11a.2, 11b.2, 11c.2 jeweils in Sperrrichtung zwischen dem jeweiligen elektrischen Gleichrichter-Leitungspfad 7a, 7b, 7c und dem zweiten Gleichrichter-Ausgang 6b im elektrischen Leitungspfad 14b angeordnet.
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Gemäß 1 umfasst die Induktionsladeeinrichtung 1 ferner einen elektrisch mit der elektrischen Leistungsanpassungseinheit 2 verbundenen Halbbrückeninverter 20. Der Halbbrückeninverter 20 dient zum Umwandeln der von der elektrischen Leistungsanpassungseinheit 2 gleichgerichteten elektrischen Spannung VGR in eine elektrische Ausgangs-Rechteckspannung VA. Der Halbbrückeninverter 20 umfasst hierzu eine elektrische Halbbrückenschaltung 21 mit zwei steuerbaren Halbleiterschaltern 22a, 22b zum Erzeugen der elektrischen Ausgangs- Rechteckspannung VA.
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Der Halbbrückeninverter 20 bzw. die Halbbrückenschaltung 21 weist einen ersten und zweiten Inverter-Eingang 23a, 23b sowie einen ersten und zweiten Inverter-Ausgang 24a, 24b auf. Der erste Inverter-Eingang 23a ist mittels eines ersten Inverter-Halbleiterschalters 22a und der zweite Inverter-Eingang 23b mittels eines zweiten Inverter-Halbleiterschalters 22b elektrisch mit einem gemeinsamen Inverter-Knotenpunkt 26 elektrisch verbunden. Der Inverter-Knotenpunkt 26 ist niederohmig, also direkt mit dem ersten Inverter-Ausgang 24a verbunden. Zusätzlich ist der zweite Eingang 23b, auch niederohmig, über einen elektrischen Leitungspfad 15 elektrisch mit dem zweiten Inverter-Ausgang 24b verbunden. Die Halbbrückenschaltung 21 kann zwischen dem zweiten Inverter-Eingang 23b und dem zweiten Inverter-Ausgang 24b elektrisch geerdet und hierzu mit elektrisch niederohmig mit einem elektrischen Massepotential 38 verbunden sein.
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Gemäß 1 umfasst die Induktionsladeeinrichtung 1 schließlich einen elektrisch mit dem Halbbrückeninverter 20 elektrisch verbundenen und wenigstens eine Induktionsspule 31 aufweisenden elektrischen Resonator 30. Der Resonator 30 ist zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes mittels der vom Halbbrückeninverter 20 erzeugten elektrischen Ausgangs-Rechteckspannung VA ausgebildet.
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Der Resonator 30 besitzt einen ersten und zweiten Resonator-Eingang 32a, 32b, die mittels einem elektrischen Resonator-Leitungspfad 33 elektrisch miteinander verbunden sind. Außerdem ist der erste Resonator-Eingang 32a niederohmig elektrisch mit dem ersten Inverter-Ausgang 24a verbunden. Entsprechend ist der zweite Resonator-Eingang 32b niederohmig elektrisch mit dem zweiten Inverter-Ausgang 24b verbunden.
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Im Resonator-Leitungspfad 33 ist eine Induktionsspule 31 zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes angeordnet. Mittels des magnetischen Wechselfeldes kann Energie drahtlos an die in 1 nicht gezeigte mobile Induktionsladeeinrichtung übertragen werden. Der erste Resonator-Eingang 32a ist elektrisch mit dem ersten Inverter-Ausgang 24a verbunden. Der zweite Resonator-Eingang 32b ist elektrisch mit dem zweiten Inverter-Ausgang 24b verbunden. Ferner sind im Resonator-Leitungspfad 33 zur Ausbildung eines passiven Impedanzanpassungsnetzwerks zwei Resonator-Kapazitäten 34a, 34b und eine Resonator-Induktivität 35 angeordnet. Eine der beiden Resonator-Kapazitäten ist elektrisch parallel zur Induktionsspule 31 im Resonator-Leitungspfad 33 angeordnet, die andere Resonator-Kapazität 34b ist ebenso wie die Resonator-Induktivität 35 elektrisch in Reihe zur Induktionsspule 31 im Resonator-Leitungspfad 34 angeordnet. Die drei Resonator-Kapazitäten 34a, 34b, 37 und die Resonator-Induktivität 35 bilden zusammen mit der wenigstens einen Induktionsspule 31 einen elektrischen Schwingkreis aus.
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Im Beispielszenario der 1 ist im Resonator-Leitungspfad 33 elektrisch in Reife zur Induktionsspule zur aktiven Impedanzanpassung außerdem eine variable Kapazität 37 angeordnet, die ebenfalls Teil des Schwingkreises ist.
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Die voranstehend beispielhaft erläuterte stationäre Induktionsladeeinrichtung 1 kann Teil eines erfindungsgemäßen Fahrzeugladesystems (nicht gezeigt) sein. Dieses Fahrzeugladesystem umfasst außerdem eine induktiv mit der stationären Induktionsladeeinrichtung 1 induktiv koppelbare oder gekoppelte mobile Induktionsladeeinrichtung, die zum Einbau in ein Fahrzeug ausgebildet ist oder in einem solchen Fahrzeug eingebaut ist.