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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum thermischen sicheren Betrieb eines Elektromotors. Im Weiteren
wird durch die Erfindung ein Notfallkonzept zur Erhöhung der Verfügbarkeit
und der Diagnosemöglichkeit
eines Elektromotors gewährleistet.
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Beim
Betrieb von Elektromotoren, beispielsweise von elektronisch oder
mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren, ist die Ansteuerelektronik, bestehend
aus Leistungselektronik und Endstufen, wie auch der Elektromotor,
selbst gegen thermische Überlastungen
abzusichern.
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Derartige
Verfahren sind hinlänglich
bekannt. So ist aus DE-A1-40 40 847 ein Überwachungsverfahren für einen
Elektromotor offenbart. Der Elektromotor betreibt einen Lüfter. Hierbei
wird, um zu verhindern, dass die vom Lüfter zu kühlende Einrichtung bei einer
Fehlfunktion des Lüftermotors thermisch überlastet
wird, diese mit einem geeigneten Sensor, welcher den aufgenommenen
Strom des Elektromotors auswertet oder die Drehzahl des Motors erfasst, überprüft, ob der
Elektromotor blockiert ist oder in sonstiger Weise nicht ordnungsgemäß läuft. Wird
einer der genannten Zustände
detektiert, so wird in einen Notlaufbetrieb geschaltet. Nachteilig hierbei
ist, dass anhand der verwendeten Parameter und Messungen zwar tendenziell
die thermische Überlastung
vermieden werden kann, eine derartige jedoch nicht auszuschließen ist.
So kann es beispielsweise durch eine Verschmutzung der Kühlfläche oder
bei Brüchen
im thermischen Übergangsbereich
zu einer Überhitzung
des Systems kommen, welche durch Überprüfung der oben genannten Parameter
jedoch nicht erkannt werden kann.
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Aus
DE-195 39 753-A1 ist ein weiteres Verfahren eingangs genannter Art
offenbart, wobei der dort beschriebene Elektromotor komplett ausgeschaltet
wird, wenn eine vorgegebene Temperatur überschritten wird. Hierbei
handelt es sich um einen einfachen Überhitzungsschutz.
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Auch
aus DE-10 2004 010 959-A1 ist ein weiteres derartiges Abschaltverfahren
für einen
Elektromotor bekannt.
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Nachteilig
bei all diesen Verfahren ist, dass der Elektromotor während der
Abschaltphase nicht zur Verfügung
steht und die zu kühlende
Einheit dadurch weiterhin überhitzt
werden kann. Notwendigerweise müsste
in diesen Fällen
auch die zu kühlende Einheit
abgeschaltet werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung anzugeben, welche eine thermische Überhitzung einer zu kühlenden
Einrichtung vermeidet, zugleich die Verfügbarkeit des Elektromotors
optimiert und dennoch eine einfache Erfassbarkeit des Zustands des
Elektromotors ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch Merkmale der Patentansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche, der
weiteren Beschreibung und der beigefügten Figuren.
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Zur
erfindungsgemäßen Überwachung
der Temperatur des Elektromotors wird der Temperaturwert der Motorwicklung
oder der Leistungshalbleiterschaltung, welche zur Ansteuerung des
Elektromotors dient, gemessen. Hierzu wird ein entsprechender Temperatursensor
an einem oder mehreren der eingangs genannten Einheiten angeordnet.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Integration eines Leistungsschalters
mit integrierter Sensorik zur Überwachung
der Sperrdichttemperatur, z. B. einem Temperatur-FET oder einem
NTC oder PTC zur Überwachung
der Motorwicklungstemperatur, erwiesen. Zunächst wird der Temperaturwert
gemessen, der sich an der zu überwachenden
Einrichtung, wie beispielsweise der Wicklung oder der Leistungshalbleiterschaltung
des Elektromotors, unter Normalbedingungen einstellt. Dieser Wert
wird als Betriebstemperatur definiert und in einem Speicher abgelegt.
Im Weiteren wird ein weiterer Temperaturwert, der so genannte kritische
Temperaturwert, ermittelt und festgelegt. Dieser Wert wird als derjenige
Wert definiert, der an keinem der zu überwachenden Einheiten auftreten darf.
Es handelt sich somit um den Temperaturmaximalwert, den die Einheiten
nicht überschreiten
dürfen.
Bei Überschreitung
dieser Maximaltemperatur würde
es zu einer Schädigung
zumindest einer der Einheiten kommen.
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Als
dritter Wert wird ein so genannter Temperaturschwellwert definiert,
welcher als derjenige Wert definiert ist, der im Betrieb nicht überschritten
werden soll. Dieser Temperaturschwellwert kann entweder als konstanter
Temperaturschwellwert oder aber auch als variabler Temperaturschwellwert
definiert werden. In vorteilhafter Weise hat sich ein variabler Temperaturschwellwert
ergeben, der jedoch stets um einen prozentualen Satz geringer sein
muss als der kritische Temperaturwert. Der variable Schwellwert ist
von Vorteil, wenn es beim Betrieb des Elektromotors zu einer Extremsituation
kommt und beispielsweise ein Kühlerlüfter, welcher
von dem Elektromotor angetrieben wird, trotz Überschreitung der konstanten
kritischen Temperatur weiter betrieben werden muss, damit die zu
kühlende
Einrichtung nicht geschädigt
wird. Als Ausbildung eines variablen Schwellwerts ist beispielsweise
die Abhängigkeit
von der Drehzahl des Elektromotors oder von der Umgebungstemperatur,
wie auch eine Kombination von beiden, vorsehbar.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
die Betriebstemperatur festgelegt, sowie die kritische Temperatur
und der Temperaturschwellwert, wobei der Temperaturschwellwert zwischen
der Betriebstemperatur und der kritischen Temperatur liegt. Im Weiteren
wird nunmehr an der zu überwachenden Einheit
die aktuelle Temperatur gemessen. Dieser Messwert dient als Steuerungsgröße für das Regelungsverfahren.
Dieser Temperaturwert wird im Weiteren als Ist-Wert bezeichnet.
Der Temperaturschwellwert, welcher vorab definiert ist, wird im
Weiteren als Soll-Wert bezeichnet. Es wird somit die Temperatur
des Elektromotors stetig mit dem Temperaturschwellwert verglichen.
In soweit wird eine Differenz zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert gebildet. Das
Ergebnis dieser Differenz wird einem Regler zugeführt. Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, einen P-Regler, einen
PI-Regler oder einen PID-Regler einzusetzen. Als Ausgangsgröße des Reglers
ergibt sich ein Signal, im Weiteren mit xa 1 bezeichnet, welches
den maximal zulässigen
Wert für
die Motoransteuerung, wie beispielsweise die maximal zulässige Motorspannung,
definiert. Der von dem Regler ausgegebene Wert für die Regelung der Motorspannung
bzw. für
den Kennwert der aktuell möglichen
Motorspannung ist, solange der Ist-Wert unter dem Temperaturschwellwert
(Soll-Wert) liegt, derjenige spannungsmäßige Anteil, welcher maximal für den Betrieb
des Elektromotors aktuell zulässig
ist. In soweit liefert die eingangs genannte Temperaturüberwachung
jeweils die maximal zulässige
Motorspannung oder aber in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung den aktuell zulässigen Motorstrom
des Elektromotors.
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Anschließend wird
der notwendige Motorstrom bzw. die notwendige Motorspannung des
Elektromotors erfasst. Die Motorspannung ergibt sich aus der Ansteuerung
des Elektromotors und ist variabel, gleiches gilt für den Motorstrom.
Der Ausgang des Reglers definiert somit stets die für den aktuellen
Betriebsstand maximal zulässige
Motorspannung oder den Motorstrom. Liegt die Motorspannung oder
der Motorstrom unter diesem Wert, so arbeitet der Elektromotor im
Normalbetrieb, d. h. ein Eingreifen der Steuerung ist nicht notwendig.
Erhöht
sich nunmehr jedoch die gemessene Temperatur, d. h. der Ist-Wert, auf
den Temperaturschwellwert (Soll-Wert), so wird die zulässige Motorspannung
bzw. der Motorstrom über
die eingangs genannte Verfahrensanordnung reduziert. Wird vom Elektromotor
eine höhere
Spannung als die maximal aus dem Regler abgeleitete maximale Motorspannung
benötigt,
so kann diese nicht bereitgestellt werden. Steigt der Ist-Wert weiter an,
wird automatisch die maximal zulässige
Motorspannung weiter nach unten reduziert, so dass der Elektromotor
mit einer geringeren Spannung angesteuert wird; analog wird vorgegangen,
wenn der Motorstrom des Elektromotors herangezogen wird. Dieses
Vorgehen führt
normalerweise bei normalen Umgebungstemperaturen dazu, dass sich
die Temperatur im Elektromotor reduziert.
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Auf
diese beschriebene Art und Weise ist es auf überraschend einfache Art und
Weise möglich, lediglich
anhand der Überwachung
der Temperatur des Elektromotors oder einer diesem zugehörigen Einheit
und einer daraus abgeleiteten maximalen Motorspannung oder einem
Motorstrom, welche jeweils auf die Betriebstemperatur abgestimmt
ist, eine Steuerung des Elektromotors zu erreichen, wobei der Elektromotor
stets im zulässigen
Temperaturwertebereich betrieben wird. In Notfällen kann die Schwelltemperatur,
der Soll-Wert, derart angehoben werden, dass kurzfristig eine zusätzliche
Leistung des Elektromotors, über
dem vorgenannten maximalen Temperaturarbeitspunkt ermöglicht wird.
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Im
Weiteren wird die Erfindung nunmehr an einem konkreten Ausführungsbeispiel
anhand von Figuren beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ausführung
des Regelkreises der Erfindung, sowie
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2 die
Wirkweise des Verfahrens und der Vorrichtung anhand eines Temperaturverlaufes.
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Die
Erfindung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels eines Lüfters zum
Einsatz in einem Kraftfahrzeug aufgezeigt. Die Erfindung ist aber
nicht auf dieses Ausführungsbeispiel
limitiert.
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Zur
Beschreibung und zum besseren Verständnis der Figuren werden folgende
Definitionen festgelegt:
Tmess wird
als derjenige Temperaturwert bezeichnet, der sich an der/den zu überwachenden
Einrichtungen, wie beispielsweise der Motorwicklung oder der Leistungshalbleiter
des Elektromotors, ergibt. Es handelt sich hier um den tatsächlich gemessenen Wert.
Die Messung von Tmess erfolgt über eine
geeignete Sensorik. Insbesondere hat sich zum Einsatz im Halbleiterbereich
einer Leistungsschaltung die Überwachung
der Sperrschichttemperatur selbiger in Form eines Temperatur-FETs
bzw. eines NTC oder PTC, welcher als externe Sensorik anzusehen
ist, ergeben. Es hat sich im Weiteren als vorteilhaft ergeben, eine Überwachung
der Motorwicklungstemperatur vorzunehmen.
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Tbetrieb wird als derjenige Temperaturwert
definiert, der sich an der/den zu überwachenden Einrichtungen,
z. B. der Motorwicklung oder der Leistungshalbleiter unter Normalbedingungen,
d. h. bei fehlerfreiem Betrieb, einstellt.
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Tkrit wird als der kritische Temperaturwert
definiert, der an den zu überwachenden
Einrichtungen, wie der Motorwicklung oder den Leistungshalbleitern, nicht überschritten
werden darf. Dieser Temperaturwert Tkrit entspricht
dem spezifizierten Temperaturmaximalwert der jeweiligen Einrichtung.
Bei Überschreitung
dieses Temperaturwertes ist mit einer Schädigung der Einrichtung zu rechnen.
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Als
vierter Temperaturwert wird der Schwellwert Tschwelle definiert.
Bei diesem Temperaturwert handelt es sich um diejenige Temperatur,
die an der/den zu überwachenden
Einrichtungen nicht überschritten
werden soll. Der Temperaturschwellwert kann in Form eines konstanten
Temperaturschwellwertes, welcher dann im Weiteren als konstanter Wert
verstanden wird, wie auch als variabler Temperaturschwellwert angesehen
werden.
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Bei
einem variablen Temperaturschwellwert ist insbesondere zu berücksichtigen,
dass die Temperatur des Elektromotors abhängig ist von der Drehzahl und
von der Umgebungstemperatur. Es lassen sich somit zwei unterschiedliche
Temperaturschwellwerte variabler Art definieren, wobei einer abhängig ist
von der Umgebungstemperatur und der andere von der Drehzahl des
Elektromotors.
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Als
eine Form der Ausgestaltung eines variablen Temperaturschwellwerts
kann die Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur definiert sein. Weitere Ausgestaltungsformen
können
nach den jeweiligen Applikationserfordernissen definiert werden.
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In 1 ist
nunmehr ein konkretes Ausführungsbeispiel
für die
Regelung dargestellt. 1 weist einen Regler 1,
eine Temperatursensorik 2, eine Regelung/Steuerung 3,
einen Begrenzer 4 sowie das zu überwachende Objekt 5 auf.
Bei dem zu überwachenden
Objekt 5 handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor,
bzw. um die Wicklung des Elektromotors bzw. dessen Leitungshalbleitereinheit
die zur Ansteuerung des Elektromotors dient.
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Von
der Temperatursensorik 2 wird der aktuelle Temperaturwert
des zu überwachenden
Objekts 5 gemessen. Dieser Temperaturwert, der mit x bezeichnet
ist, wird mit dem vordefinierten Schwellwert w verglichen. Dies
erfolgt in einer Differenzbildungseinheit 6. In dieser
Differenzbildungseinheit 6 wird die Differenz zwischen
w und x errechnet; explizit wird w – x ermittelt. Dieser Wert
wird dem Regler 1 zugeführt.
Bei dem Regler 1 handelt es sich in vorzugsweiser Ausführung um
einen Integrator oder vorzugsweise einen P-Regler, PI-Regler oder PID-Regler. Der
Regler 1 liefert das Signal xa 1, welches die in Abhängigkeit
der tatsächlich
vorliegenden Temperatur die maximal zulässige Motorspannung definiert. Dieser
Wert wird dem Begrenzer 4 zugeführt. Im Begrenzer 4 wird
das von einer Regelungseinheit/Steuerungseinheit 3gelieferte Spannungswertsignal
zur Ansteuerung des Elektromotors 5 ggf. begrenzt. Das begrenzte
Signal wird mit xa bezeichnet, das Spannungswertsignal mit xa2.
Das Signal xe gibt die zum Betrieb des Motors gewünschte Sollgröße wider.
Diese Sollgröße kann
etwa ein Drehzahlsollwert sein, die Regelungseinheit/Steuerungseinheit 3 kann
somit als Drehzahlregelung ausgeführt sein.
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Wird
nunmehr von der Temperatursensorik 2 ein Temperaturanstieg
in dem zu überwachenden Objekt 5 gemessen,
so wird der Temperatur-Ist-Wert x erhöht. Die Differenz zwischen
dem Soll-Wert und dem Ist-Wert wird variieren und über den
Regler 1 wird der Wert für den maximal zulässigen Motorstrom xa
1 reduziert werden, sobald die Temperatursensorik 2 einen
höheren
Wert ermittelt, als es der Soll-Wert w zulässt. Der Begrenzer 4 wird
somit die Motorspannung unter den aktuellen Bedarf xa2 reduzieren,
sobald die Temperatursensorik 2 einen Anstieg über den
Soll-Wert ermittelt hat.
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In 2 wird
der zeitliche Verlauf der Größen Temperatur
des Elektromotors und Motorspannung des Elektromotors dargestellt.
Hieraus ist die Wirkweise des Verfahrens und der Vorrichtung ersichtlich.
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Während des
Zeitbereichs A befindet sich der Elektromotor im Normalbetrieb.
Der Temperaturwert Tmess, in 2 mit
x bezeichnet, des zur überwachenden
Objektes 5, sprich des Elektromotors, liegt unterhalb der
Schwellwerttemperatur w. Die erforderliche Motorspannung zur Einstellung
des gewünschten
Arbeitspunktes des Elektromotors, mit xa2 bezeichnet, kann problemlos
dem Elektromotor zugeführt
werden. Die maximal mögliche
Motorspannung, mit xa 1 bezeichnet, welche vom Regler 1 ausgegeben
wird, ist größer als
die momentane notwendige Ansteuerungsspannung xa2; es kommt somit
zu keiner Begrenzung der Motorspannung xa.
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Im
Bereich B wirkt eine Störung
auf das System ein, z. B. eine Schwergängigkeit oder eine notwendige
höhere
Leistung des Elektromotors. Die Stromaufnahme der Anordnung steigt,
was zu einer Erhöhung
der Verlustleistung führt,
die Temperatur im zu überwachenden
Objekt 5 steigt dadurch, die Differenz zwischen dem Ist-Wert
w und dem Schwellwert x wird geringer. Im Zeitbereich C überschreitet nunmehr
der Ist-Wert x den Schwellwert w. Die Regelabweichung im Regler 1 wird
negativ und die Integration im Regler 1 führt zu einer
Reduzierung der maximal möglichen
Motorspannung xa 1. Die maximale zulässige Motorspannung xa 1, welche
dem Elektromotor zugeführt
wird, wird somit reduziert. Im Bereich D setzt die Begrenzungswirkung
des Begrenzers 1 ein und reduziert die am Motor anliegende Spannung
xa nach Vorgabe des Reglers 1 auf die vom Regler ausgeführte maximale
Motorspannung. Dies führt
zu einer Reduzierung des in der Anordnung fließenden Stroms und der dem Elektromotor zuführbaren
Spannung und somit zu einer Reduzierung der abzuführenden
Verlustleistung. Im Zeitbereich E ist die Störung ausgeregelt, die Regelabweichung
xd ist 0, der Ist-Wert x für
die Temperatur, welcher aktuell in der Anordnung gemessen wird,
entspricht wieder dem Temperaturschwellwert w. Der Elektromotor
arbeitet mit reduzierter Motorspannung, trotzdem wird der Betrieb
des Elektromotors, eben auf niedrigerem Niveau, fortgesetzt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann anstelle der Betriebsspannung
des Elektromotors der Betriebsstrom verwendet werden.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich ergeben, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
durch die direkte Messung der relevanten Temperaturen mittels der beschriebenen
Regelung/Steuerung sich bereits bei eintretender thermischer Überhöhung des
temperaturbezogenen Arbeitspunktes des Elektromotors eine Reduzierung
der Motorleistung auf ein vorgegebenes Leistungsniveau bzw. Temperaturniveau
einstellt, und sich somit für
die das zu überwachende
Objekt eine Vermeidung einer thermischen Überlastung ergibt. Der Betrieb
des Elektromotors bleibt somit, wenn auch mit eingeschränkter Leistung,
erhalten. Blockierfälle
und Schwergängigkeit
des Elektromotors können
somit einfach diagnostiziert werden, da dessen erhöhtes Moment
und somit auch Leistungsbedarf eine Temperaturerhöhung nach
sich zieht und einen Eingriff des Reglers über den Begrenzer bewirken,
welcher für
eine spätere
Diagnose ausgewertet werden kann, insbesondere z. B. bei einer Entscheidung
des Begrenzers aktiv/inaktiv. Hierzu ist ein Speicher vorhanden,
welcher kontinuierlich sämtliche
gemessenen Parameter speichert und insbesondere das Verhalten des
Reglers speichert.
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Durch
eine Bewertung transienter Temperaturverläufe, vorzugsweise bei einem
Einsatz von Temperatur-FETs, sind auch schnelle Stromanstiege in
einer Einrichtung beherrschbar. Eine weitere Sensorik, wie beispielsweise
bei einer UDS-Überwachung oder Stromsensierung,
ist nicht notwendig.
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Besonders
vorteilhaft hat sich erwiesen, dass sich durch die Ausregelung auf
die Temperatur TSchwell < Tkrit eine
Reduzierung der Bauteilbelastung ergibt, was sich in einer Erhöhung der
Lebensdauer der Bauteile niederschlägt. Im Weiteren ist eine vereinfachte
Prüfung
im EOL-Verfahren (EOL = End Of Line), der thermischen Übergangswiderstände der Baugruppe
bei Massenfertigung durch Nutzung der On-Board-Temperatursensorik
möglich.
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Außerdem ist
eine gute und einfacher Diagnosemöglichkeit und Überwachung
des Bauteils gegeben. Wenn die Steuerung/Regelung aktiviert wird, d.h.
wenn die Leistungsaufnahme reduziert wird, kann davon ausgegangen
werden, dass eine Störung
des Bauteils bzw. dessen Funktion vorliegt. Bei Kfz-orientierten
Anwendungen kann dann ein Eintrag in ein On-Board-Dignosesystem
erfolgen, wobei in vorzugsweiser Ausgestaltung der Erfindung eine Warnung
an einen Nutzer gegeben werden kann.