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Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinheit
für ein
Elektrofahrzeug.
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Es ist bekannt, dass ein Elektrofahrzeug über eine
Anzahl von Betriebseinheiten verfügt, einschließlich einer
Gleichspannungsquelle (normalerweise mit einer Anzahl von Batterien)
eines Elektromotors und einer Versorgungseinheit zum Steuern der
Energiezufuhr von der Energiequelle zum Elektromotor auf Grundlage
einer Anzahl von Steuersignalen; und dass es auch verschiedene Hilfseinheiten aufweist,
z. B. zum lokalen Erzeugen von Energie, zum Wiederaufladen der Gleichspannungsquelle, zum
Versorgen elektrischer Einrichtungen am Fahrzeug, usw.
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Die verschiedenen Einheiten eines
Elektrofahrzeugs sind innerhalb von Kästen ausgebildet, die körperlich
voneinander getrennt sind und durch sich zwischen den Kästen erstreckende
Kabel für
elektrische Spannung und Signale verbunden sind.
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Ein derartiges Layout der Kästen führt zu verschiedenen
Problemen einschließlich
der Folgenden:
- – voluminös aufgrund der großen Anzahl
von Kästen
und der Verbindungsleitungen zwischen ihnen;
- – hohe
Kosten für
die Herstellung einer großen Anzahl
getrennter Einheiten und
- – elektromagnetische
Interferenz aufgrund des Vorliegens einer großen Anzahl von Elektrokabeln.
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Die Dokumente WO93/01650 und EP-116.925
beschreiben Ladevorrichtungen für
elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegeben.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
die Integration der verschiedenen Einheiten eines Elektrofahrzeugs
zu verbessern, während
gleichzeitig die Anzahl der Einheiten selbst verringert wird. Genauer gesagt,
ist es eine Aufgabe der Erfindung, für ein hohes Ausmaß von Integration
zwischen der Versorgungseinheit eines Elektrofahrzeugs und der Batterieladeeinheit
zu sorgen, um eine gemeinsam genutzte Einheit als Einzelteil auszubilden,
das abwechselnd den Elektromotor versorgt und die Batterien lädt.
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Gemäß der Erfindung ist eine Versorgungseinheit
für ein
Elektrofahrzeug geschaffen, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist.
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Nun wird eine nicht beschränkende Ausführungsform
der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
die elektrische Schaltung einer Versorgungseinheit für ein Elektrofahrzeug
gemäß den Lehren
der Erfindung;
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2 zeigt
die Schaltung der 1 in
einem ersten Betriebsmodus;
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3 zeigt
die Schaltung der 1 in
einem zweiten Betriebsmodus;
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4 zeigt
ein Betriebsblockdiagramm eines eine Einheit bildenden Teils der
Schaltung der 1.
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Die Zahl 1 in der 1 kennzeichnet eine Versorgungseinheit
für ein
Elektrofahrzeug.
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Die Einheit 1 verfügt über eine
wiederaufladbare Gleichspannungsquelle 4 (durch eine gestrichelte
Linie dargestellt) zum Versorgen – über eine umkonfigurierbare
Schaltung 6, die in einem Versorgungsmodus arbeitet – eines
Elektromotors 8 zum Antreiben eines Fahrzeugs (nicht dargestellt).
Die Einheit 1 verfügt
auch über
eine mit einer Wechselspannungsquelle (z. B. Netzspannung von 220
V, 50 Hz) verbindbare Vorrichtung 10 zum Liefern der Spannung an
die umkonfigurierbare Schaltung 6, die, wenn sie in einem
zweiten Batterielademodus arbeitet, die Netzspannung gleichrichtet,
um die Gleichspannungsquelle 4 zu laden.
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Genauer gesagt, verfügt die Spannungsquelle 4 über eine
Anzahl ladbarer Batterien 13 (beim dargestellten Beispiel
sind der Einfachheit halber nur zwei dargestellt), die in Reihe
angeordnet sind und gemeinsam zwischen dem positiven Ausgangsanschluss 15 und
dem negativen Ausgangsanschluss 16 der Spannungsquelle 4 eine
Versorgungsgleichspannung V (z. B. von 240 V) liefern. Die Gleichspannungsquelle 4 verfügt auch über mindestens
eine Sicherheits-Schmelzsicherung 13, die in Reihe mit
den Batterien 13 liegt und durchgetrennt wird, wenn die Stromversorgung
von der Gleichspannungsquelle 4 den Wert I2t
(Gesamtquadrat des Stroms) der Schmelzsicherung überschreitet.
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Die Einheit 1 verfügt auch über eine
erste Schaltbaugruppe 20, die zwischen die umkonfigurierbare
Schaltung 6 und die Ausgänge 15, 16 der Gleichspannungsquelle 4 geschaltet
ist und mit einem Paar Schalter 20a, 20b versehen
ist, die zwischen den positiven Ausgangsanschluss 15 und
eine erste Leitung 22 der Schaltung 6 bzw. zwischen
den negativen Ausgangsanschluss 16 und eine zweite Leitung 23 der
Schaltung 6 eingefügt
sind. Die Schalter 20a, 20b werden durch ein Treiberbauteil 25 synchron
betrieben, das durch eine zentrale Steuereinheit 27 gesteuert
wird, um die Schaltbaugruppe 20 so zu öffnen/zu schließen, wie
es später
beschrieben wird.
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Die Versorgungsleitungen 22, 23 enden
in einem Gleichspannungs-Schaltbauteil (Inverter) 30 mit drei
Paaren elektronischer Schalter 33, 34, 35,
die in Form einer Dreiphasenbrücke
angeordnet sind und zur Versorgung des Elektromotors 8 dienen.
Genauer gesagt, ist ein Anschluss jedes Schalters in jedem Paar 33, 34, 35 mit
einer jeweiligen Leitung 22, 23 verbunden, und
ein Anschluss ist jeweils mit einem Anschluss des anderen Schalters
verbunden. Die gemeinsamen Anschlüsse der Paare von Schaltern 33, 34, 35 bilden
so jeweilige Knoten 37, 38, 39, von denen
aus sich jeweilige Elektroleitungen 41, 42, 43 zum
Versorgen jeweiligen Phasen des Elektromotors 8 erstrecken,
der bei der dargestellten Ausführungsform
ein Dreiphasenmotor ist.
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Jedes Paar von Schaltern 33, 34, 35 verfügt über einen "oberen" Schalter (durch
den Buchstaben a gekennzeichnet) mit einem mit der ersten Elektroleitung 22 verbundenen
Anschluss sowie einen "unteren" Schalter (durch
den Buchstaben b gekennzeichnet) mit einem mit der zweiten Elektroleitung 23 verbundenen
Anschluss.
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Jeder elektronische Schalter kann über ein Halbleiterbauteil
(beim dargestellten Beispiel einen IGBT-Transistor) mit einem Steueranschluss
G verfügen,
der durch die Steuereinheit 27 zum Öffnen/Schließen des
elektronischen Schalters versorgt wird; außerdem verfügt jeder elektronische Schalter auch über eine
Rücklaufdiode 45 antiparallel
zum Halbleiterbauteil.
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Die Versorgungsleitungen 41 und 43 sind
mit jeweiligen Schaltern 48a, 48b versehen, die
Teil einer zweiten Schaltbaugruppe 48 sind und die durch
ein von der zentralen Steuereinheit 27 gesteuertes Treiberbauteil 50 synchron aktiviert
werden. Derjenige Teil der Elektroleitung 41, der sich
zwischen dem Knoten 37 und dem Schalter 48a erstreckt,
steht mit einem ersten Anschluss einer Elektroleitung 52 des Bauteils 10 in
Verbindung; derjenige Teil 43a der Elektroleitung 43,
der sich zwischen dem Schalter 48b und dem Motor 8 erstreckt,
steht mit einem ersten Anschluss einer Elektroleitung 53 des
Bauteils 10 in Verbindung; die zweiten Anschlüsse der
Elektroleitungen 52, 53 sind mit einem Ladeverbinder 55 verbunden,
um die Einheit 1 mit der Netzspannung zu verbinden; die
Leitung 52 ist auch mit einem Schalter 57 versehen;
und zwischen die Leitungen 52 und 53 ist ein Kondensator 59 eingefügt.
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Die umkonfigurierbare Schaltung 6 verfügt auch über einen
ersten Filter-Elektrolytkondensator 65 mit
einem mit der Leitung 23 verbundenen ersten Anschluss und
einem zweiten Anschluss, der mit einem Anschluss eines zweiten Filter-Elektrolytkondensators 66 verbunden
ist, wobei der andere Anschluss desselben mit der Leitung 22 verbunden
ist. Daher verfügen
die Elektrolytkondensatoren 65 und 66 über gemeinsame
Anschlüsse,
die einen Knoten 68 bilden, mit dem ein erster Anschluss 71a einer Wicklung 71 verbunden
ist, die über
einen zweiten Anschluss 71b verfügt, der unter Einfügung einer
dritten Schaltbaugruppe 73 mit einem Knoten 39 verbunden
ist. Die dritte Schaltbaugruppe 73 verfügt über einen einzelnen Schalter,
der durch ein durch die Steuereinheit 27 aktiviertes Treiberbauteil 75 aktiviert wird.
Die Wicklung 71 bildet die Primärwicklung eines Transformators 76 mit
einer Sekundärwicklung 77, deren
Ausgangsanschlüsse 77a, 77b mit
dem Eingang eines Halbwellen-Doppelgleichrichters 79 (mit einer
Brücke
mit vier Dioden) mit positiven und negativen Ausgangsanschlüssen 79a und 79b verbunden sind.
Der Anschluss 79b ist über
eine Elektroleitung 81 mit dem negativen Ausgangsanschluss 16 der Gleichspannungsquelle 4 verbunden,
und der Anschluss 79a ist über eine Elektroleitung 82,
entlang der in Reihe eine Drossel 84 und eine Schmelzsicherung 85 vorhanden
sind, mit dem positiven Ausgangsanschluss 15 der Gleichspannungsquelle 4 verbunden.
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Schließlich verfügt die umkonfigurierbare Schaltung 6 über einen
zwischen die Leitungen 22 und 23 eingefügten Kondensator 87 und
einen parallel zu diesem angeschlossenen Widerstand 39.
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Im tatsächlichen Gebrauch sorgt, wenn
die erste, zweite und dritte Schaltbaugruppe 20, 48 und 73 in
einem ersten Modus aktiviert werden, die Steuereinheit 27 für einen
ersten Betriebsmodus der Einheit 1, wodurch der Elektromotor 8 so
versorgt wird, dass er das Fahrzeug antreibt (nicht darge stellt).
Um den Elektromotor zu versorgen, führt die Einheit 27 Folgendes
aus:
- – sie
schließt
die erste Schaltbaugruppe 20 (die Schalter 20a, 20b sind
geschlossen);
- – sie
schließt
die zweite Schaltbaugruppe 48 (die Schalter 48a, 48b sind
geschlossen); und
- – sie öffnet die
dritte Schaltbaugruppe 73 (der Schalter 73 ist
geöffnet).
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Der Schalter 57 ist ebenfalls
offen, und der Verbinder 55 ist mit keinerlei Spannungsquelle
verbunden.
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Daher nimmt die Einheit 1 die
in der 2 dargestellte
Schaltungsstruktur ein, wobei, der Einfachheit halber, nur diejenigen
Schaltungskomponenten der 1 dargestellt
sind, die mit Spannung versorgt werden oder auf irgendeine Art mit
der Versorgung des Elektromotors 8 zu tun haben.
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Gemäß der 2 sind der positive und der negative
Anschluss 15, 16 der Gleichspannungsquelle 4 direkt
mit den jeweiligen Leitungen 22, 23 verbunden,
so dass die "oberen" Schalter 33a, 34a, 35a (über die
Leitung 22) mit einer positiven Spannung versorgt werden,
und die "unteren" Schalter 33b, 34b, 35b sind
(über die
Leitung 23) mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 4 verbunden.
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Die Einheit 27 schaltet
alle Schalter der Schaltung 6 auf bekannte Weise, so dass
die Elektroleitungen 41, 42, 43 drei
Wechselspannungen va, Vb, Vc liefern, die um 120° zueinander phasenverschoben
sind. Die Wechselspannungen Va, Vb, Vc können über konstante Frequenz und
einstellbare Amplitude (Pulsbreitenmodulation – PWM) verfügen, um die Drehzahl des Motors 8 zu
modifizieren. Die Amplitude der Wechselspannungen va, Vb, Vc wird
in Folge einer manuellen Einstellung der Drehzahl und der Fahrtrichtung
des Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) eingestellt. Die Kondensatoren 55, 66 sorgen
für das Aufrechterhalten
einer hochkonstanten Spannung zwischen den Leitungen 22, 23,
wobei jegliche Spannungsschwankungen aufgrund von Variationen des vom
Motor 8 gezogenen Stroms minimiert werden, wenn sich das
Fahrzeug (nicht dargestellt) bewegt.
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Wenn die Schaltbaugruppen 20, 48, 73 entsprechend
aktiviert werden, sorgt die Steuereinheit 27 auch für einen
zweiten Betriebsmodus der Einheit 1, durch den die Gleichspannungsquelle 4 geladen wird.
Um die Gleichspannungsquelle zu laden, führt die Einheit 27 Folgendes
aus:
- – sie öffnet die
erste Schaltbaugruppe 20 (die Schalter 20a, 20b sind
offen);
- – sie öffnet die
zweite Schaltbaugruppe 48 (die Schalter 48a, 48b sind
offen); und
- – sie
schließt
die dritte Schaltbaugruppe 73 (der Schalter 73 ist
geschlossen).
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Der Schalter 57 ist ebenfalls
geschlossen, und der Verbinder 55 ist mit einer Netzwechselspannungsquelle
R(w) (220 V, 50 Hz) verbunden.
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Daher nimmt die Einheit 1 die
in der 3 dargestellte
Schaltungsstruktur ein, die, der Einfachheit halber nur diejenigen
Schaltungskomponenten der 1 zeigt,
die mit Spannung versorgt werden oder die auf irgendeine Art mit
dem Laden der Batterien 13 zu tun haben.
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Die Netzspannung R(w) am Verbinder 55 wird
an die Elektroleitungen 52, 53 geliefert, die
jeweils mit der Elektroleitung 41 und demjenigen Teil 43a der
Elektroleitung 43, der sich zwischen dem Schalter 48b (offen)
und dem Elektromotor 8 erstreckt, in Verbindung stehen.
Der Teil 43a der Elektroleitung 43 steht auch über eine
interne Wicklung L (in Form einer Drossel dargestellt) des Elektromotors 8 mit
der Elektroleitung 42 in Verbindung, so dass die Netzwechselspannung
R(w) am Verbinder 55 an die Knoten 37 und 38 geliefert
wird. Genauer gesagt, wird die Netzspannung über die Drossel L an die Knoten 37, 38 der
Paare der in Reihe geschalteten Schalter 33 und 34 geliefert,
die eine aktive H-Gleichrichterbrücke (durch die gestrichelte
Linie dargestellt) bilden. Die Einheit 27 öffnet/schließt daher
die Schalter 33a, 33b sowie 34a, 34b mit
hoher Frequenz (z. B. 20 kHz), was gemäß bekannten Schalttechniken erfolgt,
so dass zwischen den Elektroleitungen 22 und 23 eine
Gleichspannung Vr vorhanden ist, die durch Gleichrichten der Netzspannung
erzeugt wurde und über
eine kleine Restwelligkeit verfügt.
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Die Netzwechselspannung R(w) wird
unter Verwendung der Schalter 33a, 33b sowie 34a, 34b gleichgerichtet,
die, im bereits beschriebenen Versorgungsmodus, auch zum Versorgen
des Elektromotors verwendet werden. Darüber hinaus ist die Wicklung
L des Elektromotors 8 zwischen den Verbinder 55 und
die aktive H-Gleichrichterbrücke
geschaltet, um die harmonischen im Strom entsprechend Bestimmungen
zur Störsignalverringerung
zu steuern.
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Die Spannung Vr zwischen den Leitungen 22, 23 wird
an die Kondensatoren 65 und 66 gelegt, die dieselbe
Kapazität
aufweisen und jeweils auf eine Span nung (Vr/2) geladen werden, die
im Wesentlichen der Hälfte
der Spannung Vr entspricht.
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Nun werden das Gitter M1 mit
dem Schalter 35a, dem Kondensator 66 und der Wicklung 71 sowie das
Gitter M2 mit dem Schalter 35b,
dem Kondensator 65 und der Wicklung 71 betrachtet.
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Wenn der Schalter 35a geschlossen
ist (der Schalter 35b ist offen), wird die Wicklung 71 mit
einer Spannung Vl entsprechend der folgenden Gleichung versorgt: Vl = Vr – Spannung
am Knoten 68 = Vr – Vr/2
= Vr/2
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Umgekehrt wird, wenn der Schalter 35b geschlossen
ist (wobei der Schalter 35a offen ist), die Wicklung 71 mit
einer Spannung Vl gemäß der folgenden
Gleichung versorgt: Vl = –Vr + Spannung am Knoten 68
= –Vr
+ Vr/2 = –Vr/2
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Demgemäß wird, wenn die Schalter 35a und 35b abwechselnd
geschlossen werden (durch die Steuereinheit 27), die Wicklung 71 mit
einer Wechselspannung Vl versorgt, die zwischen ±Vr/2 schwingt. Die an die
Primärseite
des Transformators 76 (Wicklung 71) gelieferte
Wechselspannung ±Vr/2 wird
an die Sekundärwicklung 77 übertragen,
deren Ausgangsspannung an den Eingang der Gleichrichterbrücke 79 geliefert
wird. Daher liefert die Gleichrichterbrücke 79 eine Gleichspannung
Vc, die an die Anschlüsse 15 und 16 der
Gleichspannungsquelle 4 geliefert wird, um die Batterien 13 zu
laden. Die Schalter 35a, 35b bilden daher gemeinsam
mit den Kondensatoren 65, 66, dem Transformator 76 und der
Gleichrichterbrücke 79 einen
Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler zum Wandeln der Spannung
Vr in eine Wechselspannung (Vl), die an den Transformator geliefert
wird und anschließend gleichgerichtet
wird. Dies sorgt für
statische Wandlung, bei Entkopplung von galvanischem Typ, der Gleichspannung
Vr (zwischen den Leitungen 22, 23) in eine Gleichspannung
Vc (die an die Anschlüsse 15 und 16 der
Gleichspannungsquelle 4 geliefert wird). Diese statische
Spannungswandlung wird unter Verwendung von Komponenten (Schalter 35a, 35b sowie
Kondensatoren 65, 66) erzielt, die auch zum Versorgen
des Elektromotors 8 verwendet werden. Es wird nur eine
sehr kleine Anzahl von Komponenten (Transformator 76 und
Diodenbrücke 79)
ausschließlich
zur statischen Wandlung verwendet; die Drossel 84 sorgt
auch für
eine Regulierung des Ladestroms der Batterien 13.
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Aus der vorstehenden Beschreibung
sind die Vorteile der Erfindung deutlich. Die Einheit 1 sorgt
tatsächlich
für einen
hohen Integrationsgrad der Einheiten zur Fahrzeugversorgung und
zum Laden der Batterien, was durch Ausbilden einer Einheit erfolgt,
die ein einzelnes Teil gemeinsam nutzt, um abwechselnd den Elektromotor
zu versorgen und die Batterien zu laden.
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In den beiden obigen Betriebsmodi
nutzt die Einheit 1 tatsächlich die folgenden Komponenten
gemeinsam:
- – die Halbleiterschalter (Paare
von Schaltern 33, 34, 35);
- – die
Treiberschaltungen (Steuereinheit 27);
- – die
Filterkondensatoren 65, 66 und
- – die
Wicklungen des Elektromotors 8.
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Die 4 zeigt
ein Betriebsblockdiagramm der Steuereinheit 27. Der Betrieb
beginnt mit einem Bereitschaftsblock 100, der dann erregt
wird, wenn eine vorgegebene manuelle Bedienung ausgeführt wird,
z. B. dann, wenn der Zündschlüssel (nicht
dargestellt) des Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) in eine erste
Winkelposition gestellt wird, woraufhin ein Block 110 folgt,
in dem der die Steuereinheit 27 steuernde Hauptmikroprozessor
(nicht dargestellt) rückgesetzt
wird.
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Dem Block 110 folgt ein
Block 120, der das Vorliegen einer Wechselspannung am Verbinder 55 ermittelt.
Im Fall einer negativen Antwort (keine Spannung am Verbinder 55)
wird vom Block 120 zu einem Block 130 weitergegangen.
Im umgekehrten Fall (Netzspannung am Verbinder 55) wird
vom Block 120 zu einem Block 140 weitergegangen,
in dem die Anweisungen für
die Paare von Schaltern 33, 34, 35 geladen
werden, die eine Batterieladesteuerung erlauben. Dem Block 140 folgt
ein Block 150, der für
ein öffnen
der Schalter 20a, 20b und 48a, 48b und
ein Schließen
des Schalters 73 sorgt, um die in der 3 dargestellte Schaltungsanordnung zu
bilden. Der Block 150 sorgt auch für das Schalten der Paare von
Schaltern 33, 34, 35 auf die oben beschriebene Weise
für die
Batterieladefunktion, und darauf folgt ein Block 151, in
dem die obigen Batterieladeoperationen ausgeführt werden. Dem Block 151 folgt
ein Block 152, in dem ermittelt wird, ob die Gleichspannungsquelle 4 vollständig geladen
wurde. Im Fall einer negativen Antwort wird vom Block 152 zum
Block 151 zurückgegangen.
Im umgekehrten Fall folgt ein Block 153 auf den Block 152,
in dem das Fehlen der Netzspannung am Verbinder 55 ermittelt
wird. Im Fall einer positiven Antwort (keine Netzspannung) wird vom
Block 153 zum Block 100 zurückgegangen; im umgekehrten
Fall (die Netzspannung ist noch vorhanden) wird die Spannungsquelle 4 mit
einem schwachen Strom versorgt, um die Ladung aufrechtzuerhalten.
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Der Block 130 lädt die Anweisungen
für die Paare
von Schaltern 33, 34, 35, die eine Fahrzeugantriebssteuerung
erlauben, und darauf folgt ein Block 160, der für ein Schließen der
Schalter 20a, 20b und 48a, 48b und
ein Öffnen
des Schalters 73 sorgt, um die in der 2 dargestellte Schaltungsanordnung zu
bilden. Dem Block 160 folgt ein Block 170, der dann
erregt wird, wenn eine manuelle Bedienung ausgeführt wird, z. B. dann, wenn
der Zündschlüssel (nicht
dargestellt) in eine zweite Winkelposition gestellt wird. Dem Block 170 folgt
ein Block 180, in dem die Paare von Schalter 33, 34, 35,
wie für
die Fahrzeugantriebsfunktion beschrieben, geschaltet werden, um
den Elektromotor 8 zum Antreiben des Fahrzeugs zu versorgen.
Dem Block 180 folgt ein Block 190, in dem auf
ein Motorabschaltsignal gewartet wird. Nachdem dieses Signal empfangen
wurde, wird der Motor 8 abgeschaltet und vom Block 190 wird zum
Block 100 zurückgegangen.
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Daher sorgt die Steuereinheit 27 für ein automatisches
Laden der Batterien, wenn am Verbinder 55 die Netzspannung
vorhanden ist. Darüber
hinaus wird die Versorgung des Elektromotors 8 deaktiviert, während die
Batterien geladen werden.
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Selbstverständlich können an der hier beschriebenen
und veranschaulichten Versorgungseinheit Änderungen vorgenommen werden,
ohne jedoch vom Schutzumfang der durch die beigefügten Ansprüchen definierten
Erfindung abzuweichen.