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Die Erfindung betrifft einen Stromverteiler für Kraftfahrzeug-Bordnetze nach Anspruch 1.
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In Kraftfahrzeugen müssen eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern mit elektrischer Energie versorgt werden. Ausgehend von Batterie und/oder Generator erfolgt diese Energieversorgung über einen oder mehrere Stromverteiler. 4 zeigt einen herkömmlichen Stromverteiler und dessen Einbindung in das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Eine Batterie 2 weist einen Pluspol 4 und einen Minuspol 6 auf. Der Minuspol 6 ist über einen Batteriesensor 7 mit Masse verbunden. Der Batteriesensor 7 arbeitet mit einem Mess-Shunt und muss Ströme im Bereich zwischen 10 mA und 1000 A erfassen bzw. messen. Folglich muss der Batteriesensor 7 teilweise sehr kleine Spannungsabfälle verarbeiten. Um diese kleinen Spannungen überhaupt verarbeiten zu können, wird der Spannungsabfall gegen Masse gemessen und mit einem Operationsverstärker verstärkt. Dies lässt sich in der Masseleitung bzw. am Minuspol 6 leichter realisieren als in der Plus-Leitung bzw. am Pluspol 4. Von dem Pluspol 4 zweigt eine erste und eine zweite Teilstromleitung 8 und 10 ab. Die erste Teilstromleitung 8 verbindet die Batterie 2 mit Starter und Generator 12 des Kraftfahrzeugs. Mittels eines in der ersten Teilstromleitung 8 angeordneten Trennschalters 14 lässt sich im Notfall der Starter/Generator 12 von der Batterie 2 abtrennen. Die zweite Teilstromleitung 10 ist mit einem im Bereich der Batterie 2 angeordneten Sicherungskasten 16 verbunden. In dem Sicherungskasten 16 sind drei Schmelzsicherungen 18 angeordnet, die eine dritte, eine vierte und eine fünfte Teilstromleitung 20, 22, 24 absichern, die an Abzweigungspunkten 26 von der zweiten Teilstromleitung 10 abzweigen. Die dritte Teilstromleitung 20 führt zu einem nicht näher bezeichneten Verbraucher. Die vierte Teilstromleitung 22 führt zu einem ersten Sicherungs/Relais-Kasten 28, der entfernt von der Batterie 2 angeordnet ist. Die fünfte Teilstromleitung 24 führt zu einem zweiten Sicherungs/Relais-Kasten 30, der im Bereich der Batterie 2 angeordnet ist. In dem ersten Sicherungs/Relais-Kasten 28 sind vier Schmelzsicherungen 18 angeordnet, die eine sechste, eine siebte und eine achte Teilstromleitung 32, 34, 36, 38 absichern, die an Abzweigungspunkten 26 von der vierten Teilstromleitung 22 abzweigen. In dem zweiten Sicherungs/Relais-Kasten 30 sind ebenfalls vier Schmelzsicherungen 18 angeordnet, die eine zehnte, eine elfte, eine zwölfte und eine dreizehnte Teilstromleitung 40, 42, 44, 46 absichern, die an Abzweigungspunkten 26 von der fünften Teilstromleitung 24 abzweigen. Die sechste, siebte und elfte Teilstromleitung 32, 34, 42 führt zu nicht näher bezeichneten Verbrauchern. Die zehnte Teilstromleitung 40 führt zu einem DC/DC-Wandler 48, um eine stabilisierte Gleichspannung bereit zu stellen. Die achte und zwölfte Teilstromleitung 36, 44 weisen ein mechanisches Relais 50 mit einem Ausgangsanschluss und die neunte und dreizehnte Teilstromleitung 38, 46 weisen ein mechanisches Relais 52 mit jeweils zwei Ausgangsanschlüssen auf. Die Anzahl der Schmelzsicherungen 18 ist beispielhaft.
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Die Zahl der elektrischen Verbraucher und damit der Teilstromleitungen steigt in Kfz-Bordnetzen immer mehr. Elektrische Leitungen in Kfz bestehen meist aus Kupfer, so dass mehr elektrische Leitungen zu einer nicht vernachlässigbaren Gewichtszunahme führen. Höheres Gewicht führt zu höherem Kraftstoffverbrauch was dem Ziel den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zuwider läuft.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Gewicht von Kabelbäumen in Kraftfahrzeugen trotz steigender Anzahl von Verbrauchern zu senken ohne gleichzeitig die Kosten für die Kabelbäume zu erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1.
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Üblicherweise werden in Kraftfahrzeugen die elektrischen Leitungen zu den einzelnen Verbrauchern durch mechanische Schmelzsicherungen abgesichert. Diese Schmelzsicherungen sind auf eine bestimmte Auslösestromstärke ausgelegt, die vergleichsweise hoch ist, damit nicht bei kurzzeitigen Stromspitzen bereits ein ungewolltes Schmelzen der Sicherung erfolgt. Der Leitungsquerschnitt der mit einer solchen Schmelzsicherung abgesicherten Leitung muss folglich aus Sicherheitsgründen auf noch höhere Stromstärken ausgelegt werden, den es soll ja die Sicherung schmelzen und nicht der damit abgesicherte elektrische Leiter.
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Durch die Verwendung von elektronischen Lastschaltkreisen anstelle von herkömmlichen Schmelzsicherungen ist es möglich, ohne Beeinträchtigung der Sicherheit die Leitungsquerschnitte zu verringern und folglich auch das Gewicht der Kabelbäume. Mit den elektronischen Lastschaltkreisen in Verbindung mit der Steuer- und Regeleinrichtung kann die Stromstärke fortlaufend gemessen und überwacht werden. Durch Überwachung der Stromstärke können kurzzeitige Stromspitzen als ungefährlich erkannt werden und ein Abschalten des Lastschaltkreises erfolgt nicht, obwohl die Auslösestärke überschritten wird. Durch diese Überwachungsmöglichkeit kann der Leitungsquerschnitt genauer, d. h. mit geringerer Sicherheitsmarge nach oben, auf den jeweiligen Verbraucher dimensioniert werden. Folglich sind kleinere Leitungsquerschnitte möglich, die zu einer Gewichtsreduktion führen. Die kleineren Leitungsquerschnitte führen auch zu geringeren Materialkosten. Zwar sind elektronische Lastschaltkreise mit der notwendigen Zuverlässigkeit teuerer als mechanische Schmelzsicherungen, diese höheren Kosten werden aber durch die niedrigeren Leitungskosten kompensiert.
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Auf diese Weise kann sozusagen eine „intelligente Sicherung” realisiert werden. Auch ist es damit möglich, die nominale Auslösestromstärke in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen zu ändern. So kann zum Beispiel beim Starten eines Kfz oder beim Aktivieren eines Verbrauchers mit höheren Auslösestromstärken gearbeitet werden, als anschließend im laufenden Betrieb.
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Durch die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung ist auch eine Fehlerdiagnose möglich. Es können Stromstärken in unterschiedlichen Teilstromleitungen miteinander verglichen werden. Auf diese Weise kann erkannt werden, dass es eine Fehlfunktion in einem bestimmten Bereich des Kfz gibt, wenn Verbraucher aus diesem Bereich erhöhte Stromaufnahmen zeigen.
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Die elektronischen Laststeuerschaltkreise werden auch anstelle von mechanischen Relais eingesetzt. Gegenüber mechanischen Relais ergibt sich der Vorteil das beim Ein- und Ausschalten der Last keine steilen Schaltflanken und kein Kontaktprellen auftritt. Hierdurch hervorgerufene elektromagnetische Störungen werden damit verhindert.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Stromverteiler mit als intelligente Sicherung ausgestalteten Lastschaltkreisen im Gegensatz zu mechanischen Sicherungen an unzugänglichen Stellen im Fahrzeug angeordnet werden kann. Ein Austausch von Schmelzsicherungen ist nicht notwendig, vielmehr kann das Rücksetzen der intelligenten Sicherung elektronisch durch die Steuer- und Regeleinrichtung erfolgen.
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Bei einem abgestellten Fahrzeug dürfen im Normalzustand bestimmte Verbraucher keinen Strom ziehen. Erfasst die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung für solche Verbrauch dennoch einen Stromfluss kann dieser offensichtlich defekte Verbraucher durch Öffnen des Laststeuerschaltkreises durch die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung vom Bordnetz abgetrennt werden, so dass kein weiterer Schaden entstehen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Batteriesensor vorgesehen, der nicht mit einem Mess-Shunt, sondern mit einem Magnetfeldsensor arbeitet. Daher kann der Batteriesensor an beliebiger Stelle und folglich auch am Pluspol der stromversorgenden Batterie in einen Stromleiter eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist einer der Lastschaltkreise als Trennschalter in der Teilstromleitung, die die Stromquelle mit Starter und Generator eines Kfz verbindet, ausgelegt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform zweigen aus der Teilstromleitung zum Starter/Generator zwischen Starter/Generator und Trennschalter weitere Teilstromleitungen mit Laststeuerschaltkreisen ab. Damit werden die an diesen Teilstromleitungen angeschlossenen Lasten und Verbraucher während des Betriebs des Generators direkt aus dem Generator mit Strom versorgt und durch den Trennschalter fließt nur der Ladestrom für die Batterie und der Strom für Verbraucher, die nicht über den Trennschalter mit der Batterie verbunden sind. Damit ist der Trennschalter weniger belastet, was die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit erhöht.
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Durch die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung können in vorteilhafter Weise während des Starts nicht unbedingt notwendige Lasten und Verbraucher zeitweise durch Öffnen der zugehörigen Laststeuerschaltkreise vom Bordnetz abgetrennt werden, so dass die volle Batterieleistung für den Startvorgang zur Verfügung steht. Bei abgestelltem Fahrzeug können diese Lasten und Verbraucher durch Öffnen des Trennschalters vollständig abgetrennt werden.
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Durch eine Schnittstelle der Steuer- und Regeleinrichtung zu im Fahrzeug ohnehin vorhandenen Bussystemen (z. B. CAN- oder LIN-Bus) können Fehler- und Diagnosemeldungen an Anzeigeeinrichtungen im Fahrzeug-Cockpit übermittelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Batteriesensor über eine Steuerleitung direkt mit dem Trennschalter verbunden. Auf diese Weise kann im Notfall die Öffnung des Trennschalters schneller erfolgen, da nicht keine Kommunikation über die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung notwendig ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Stromverteilerbauteil direkt auf die Batterie aufgesetzt. Hierdurch werden lange Hochstromleitungen vermieden; die einzelnen Teilstromleitungen zweigen quasi unmittelbar von der Batterie ab.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die eine Kombination der ersten und zweiten Ausführungsform ist, und
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4 eine schematische Darstellung eines bekannten Stromverteilers.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform in Form eines batterienahen Stromverteilerbauteils 100. Das Stromverteilerbauteil 100 ist über einen Stromversorgungsanschluss 102 mit dem Pluspol 104 einer Batterie 106 verbunden. Der Minuspol 108 der Batterie 106 liegt auf Masse. In den Stromversorgungsanschluss 102 ist ein Batteriesensor 110 integriert, der das Vorhandensein und die Funktion der Batterie 106 überwacht. Der Batteriesensor 110 ist mit einer Steuereinrichtung 112 in Form eines Mikrocontrollers ausgestattet. Insbesondere werden als Batteriesensor 110 Bauteile der Fa. Seuffer verwendet. Der Batteriesensor 110 arbeitet nicht mit einem Mess-Shunt, sondern mit einem Magnetfeldsensor und kann daher an beliebiger Stelle und folglich auch am Pluspol 104 der Batterie 106 in einen Stromleiter eingesetzt werden.
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Über den Batteriesensor 110 ist der Pluspol 104 der Batterie 106 mit einer Stromleiteranordnung 113 verbunden. Die Stromleiteranordnung 113 weist eine erste Teilstromleitung 114 auf, die zu einem Laststeuerschaltkreis mit elektronischem Relais 124 führt. An einem Abzweigungspunkt 116 zweigt eine zweite und dritte Teilstromleitung 118, 122 ab, die jeweils ebenfalls zu einem Laststeuerschaltkreis mit elektronischem Relais 124 führen. Die Ausgänge der drei elektronischen Relais 124 bilden Laststromausgänge 126, die zu nicht näher bezeichneten elektrischen Verbrauchern führen. An einem zweiten und einem dritten Abzweigungspunkt 128, 130 auf der ersten Teilstromleitung 114 zweigen eine vierte und eine fünfte Teilstromleitung 132, 134 ab, die ebenfalls in Laststromausgängen 126 enden, an die nicht näher bezeichnete elektrische Verbraucher angeschlossen werden. Die vierte und fünfte Teilstromleitung 132, 134 sind jeweils durch elektronische Laststeuerschaltkreise, die als elektronische Sicherung 136 ausgebildet sind, abgesichert. An einem vierten Abzweigpunkt 138 auf der ersten Teilstromleitung 114 zweigt eine sechste Teilstromleitung 140 ab, die zu einem Ausgang 126 führt, an dem Starter und Generator eines Kraftfahrzeugs angeschlossen werden. An einem fünften Abzweigpunkt 142 auf der sechsten Teilstromleitung 140 zweigt eine siebte Teilstromleitung 144 ab, die ebenfalls in einem Laststromausgang 126 endet. An einem sechsten Abzweigpunkt 146 auf der siebten Teilstromleitung 144 zweigt eine achte Teilstromleitung 148 ab, die ebenfalls in einem Laststromausgang 126 endet. Die siebte und die achte Teilstromleitung 144, 148 sind durch elektronische Sicherungen 136 abgesichert. Zwischen dem vierten und fünften Abzweigungspunkt 138, 142 in der sechsten Teilstromleitung 140 ist ein als Trennschalter 150 ausgebildeter elektronischer Laststeuerschaltkreis angeordnet.
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Der batterienahe Stromverteiler 100 umfasst weiter eine Steuer- und Regeleinrichtung 152 in Form eines Mikrocontrollers, der zur Überwachung und Ansteuerung aller elektronischen Laststeuerschaltkreise dient und mit diesen über nicht dargestellte Steuerleitungen verbunden ist. Der Mikrocontroller 152 ist über eine Steuerleitung 154 mit der Steuereinrichtung 112 des Batteriesensors 110 verbunden. Der Mikrocontroller 152 verfügt auch über eine Schnittstelle 156 zum Anschluss an externe Bauteile über bekannte Fahrzeugbussysteme. Über eine Steuerleitung 158 ist der Batteriesensor 110 mit dem elektronischen Trennschalter 150 verbunden. Auf diese Weise kann bei Problemen mit der Batterie 106 der Trennschalter 150 ohne Umweg über die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung 152 geöffnet werden.
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Die elektronischen Laststeuerschaltkreisen 124 sind für kleinere Stromstärken bis ca. 50 A ausgelegt. Hierfür eignen sich bekannte MOSFET-Bauteile, die auch als IPS (Intelligent Power Switch) bezeichnet werden. In den Laststeuerschaltkreisen 124 sind alle Ansteuer- und Schutzfunktionen inklusive der Ladungspumpe für die Gate-Ansteuerung des MOSFETs als Stromschalter und die Strommessung integriert. Die elektronischen Laststeuerschaltkreise 136, 150 sind für höhere Ströme im Bereich > 50 A bis zu 1000 A (kurzzeitig) ausgelegt. Diese Laststeuerschaltkreise 136, 150 werden diskret, d. h. aus einer Parallelschaltung mehrerer MOSFETs, einer Ladungspumpe usw. realisiert.
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Die in den Laststeuerschaltkreisen 124, 136, 150 fließenden Stromstärken und anliegenden Spannungen können fortlaufend durch die zentrale Steuer- und Regeleinrichtung überwacht werden. Durch das Zusammenwirken von Steuer- und Regeleinrichtung 152 mit den einzelnen Laststeuerschaltkreisen 124, 136, 150 lassen sich mit sehr ähnlich aufgebauten MOSFET-Bauteilen rücksetzbare, intelligente elektronische Sicherungen 136, elektronische Trennschalter 150 oder elektronische Relais 124 realisieren. Unterschiede im Aufbau sind insbesondere durch die Stärke der zu schaltenden Ströme bedingt.
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Die siebte Teilstromleitung 144 zweigt von dem fünften Abzweigpunkt 142 ab und die achte Teilstromleitung 148 zweigt von dem sechsten Abzweigpunkt 146 auf der siebten Teilstromleitung 144 ab. Durch diese Anordnung werden die siebte und achte Teilstromleitung während des Betriebs eines Kraftfahrzeuges direkt durch den Generator des Kfz über den Ausgangsanschluss 126 der sechsten Teilstromleitung 140 mit Strom versorgt. Damit wird die Belastung des Trennschalters 150 gesenkt, was sowohl die Lebensdauer als auch die Zuverlässigkeit erhöht.
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Der Stromverteiler 100 ist so ausgestaltet, dass er unmittelbar auf die Batterie 106 aufgesetzt werden kann. Damit führen von der Batterie 106 im Vergleich zu dem Stand der Technik nach 4 nur Stromleitungen mit reduziertem Querschnitt weg. Die Leitungsmaterialeinsparung wird dadurch maximal.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Form eines Stromverteilers 200, der entfernt von der Batterie angeordnet werden kann. Über einen Stromversorgungsanschluss 202 führt eine erste Teilstromleitung 204 zu einem Laststromausgang 206. Von Abzweigungspunkten 208 zweigen eine zweite, eine dritte, eine vierte und eine fünfte Teilstromleitung 210, 212, 214, 216 ab und führen zu zugeordneten Laststromausgängen 206. Alle fünf Teilstromleitungen 204, 210, 212, 214, 216 bilden eine Stromleiteranordnung 217. Alle fünf Teilstromleitungen 204, 210, 212, 214, 216 sind durch als elektronische Sicherung 218 ausgebildete Laststeuerschaltkreise unmittelbar von dem jeweiligen Laststromausgang 206 abgesichert. Die Ansteuerung und Überwachung der elektronischen Sicherungen 218 erfolgt durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 220, die über nicht dargestellte Steuerleitungen mit den elektronischen Sicherungen 218 verbunden ist. Über eine Schnittstelle 222 ist die Steuer- und Regeleinrichtung 220 mit ohnehin vorhandenen Fahrzeugbussystemen verbunden.
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Der Stromverteiler 200 kann an unzugänglichen Stellen im Kfz untergebracht sein, da die darin enthaltenen Sicherungen elektronisch rücksetzbar sind. Der Stromverteiler 200 kann im Gegensatz zu herkömmlichen Stromverteilern mit mechanischen Sicherungen – siehe 4 – auch an vibrierenden Stellen im Fahrzeug angeordnet werden. Der vollständig gekapselte Stromverteiler 200 ist gegenüber Vibrationen unempfindlich.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Stromverteilers 300, der im Wesentlichen eine Kombination eines Hauptstromverteilers 302 gemäß 1 und eines Unterstromverteilers 304 gemäß 2 darstellt. Der Hauptstromverteiler 302 ist direkt auf die Batterie 106 aufgesetzt. Analog zu der Anordnung des erste Sicherungs/Relaiskastens 28 in 4 im Frontbereich eines Kfz kann der Unterstromverteiler 304 entfernt von der Batterie 106 und dem Hauptstromverteiler 302 angeordnet werden. Eine elektrische Verbindungsleitung 306 verbindet einen der Laststromausgänge 126 des Hauptstromverteilers 302 mit dem Stromversorgungsanschluss 202 des Unterstromverteilers 304. Dieser Laststromausgang 126 ist durch eine nicht dargestellte elektronische Sicherung (Bezugszeichen 136 in 1) abgesichert. Es können auch mehrere Unterstromverteiler 304 vorgesehen werden, die mit dem Hauptstromverteiler 302 verbunden sind. Die Steuer- und Regeleinrichtungen 220 der Unterstromverteiler 304 kommunizieren über ohnehin in dem Fahrzeug vorhanden Busse mit der Steuer- und Regeleinrichtung 152 des Hauptstromverteilers 302.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Batterie
- 4
- Pluspol
- 6
- Minuspol
- 7
- Batteriesensor
- 8
- erste Teilstromleitung
- 10
- zweite Teilstromleitung
- 12
- Starter/Generator
- 14
- Trennschalter
- 16
- Sicherungskasten
- 18
- Schmelzsicherung
- 20
- dritte Teilstromleitung
- 22
- vierte Teilstromleitung
- 24
- fünfte Teilstromleitung
- 26
- Abzweigungspunkt
- 28
- erster Sicherungs/Relais-Kasten
- 30
- zweiter Sicherungs/Relais-Kasten
- 32
- sechste Teilstromleitung
- 34
- siebte Teilstromleitung
- 36
- achte Teilstromleitung
- 38
- neunte Teilstromleitung
- 40
- zehnte Teilstromleitung
- 42
- elfte Teilstromleitung
- 44
- zwölfte Teilstromleitung
- 46
- dreizehnte Teilstromleitung
- 48
- DC/DC-Wandler
- 50
- Relais mit einem Ausgangsanschluss
- 52
- Relais mit zwei Ausgangsanschlüssen
- 100
- batterienaher Stromverteiler
- 102
- Stromversorgungsanschluss
- 104
- Pluspol der Batterie 106
- 106
- Batterie
- 108
- Minuspol der Batterie 106
- 110
- Batteriesensor
- 112
- Steuereinrichtung von 110
- 113
- Stromleiteranordnung
- 114
- erste Teilstromleitung
- 116
- erster Abzweigungspunkt
- 118
- zweite Teilstromleitung
- 122
- dritte Teilstromleitung
- 124
- Lassteuerschaltkreis mit elektronischem Relais
- 126
- Laststromausgänge
- 128
- zweiter Abzweigungspunkt
- 130
- dritter Abzweigungspunkt
- 132
- vierte Teilstromleitung
- 134
- fünfte Teilstromleitung
- 136
- elektronische Sicherung
- 138
- vierter Abzweigpunkt
- 140
- sechste Teilstromleitung
- 142
- fünfter Abzweigungspunkt
- 144
- siebte Teilstromleitung
- 146
- sechster Abzweigpunkt
- 148
- achte Teilstromleitung
- 150
- Trennschalter
- 152
- Steuer- und Regeleinrichtung
- 154
- Steuerleitung
- 156
- Schnittstelle von 152
- 158
- Steuerleitung
- 200
- Stromverteiler
- 202
- Stromversorgungsanschluss
- 204
- erste Teilstromleitung
- 206
- Laststromausgänge
- 208
- Abzweigungspunkte
- 210
- zweite Teilstromleitung
- 212
- dritte Teilstromleitung
- 214
- vierte Teilstromleitung
- 216
- fünfte Teilstromleitung
- 217
- Stromleiteranordnung
- 218
- elektronische Sicherung
- 220
- Steuer- und Regeleinrichtung
- 222
- Schnittstelle von 220
- 300
- Stromverteiler
- 302
- Hauptstromverteiler
- 304
- Unterstromverteiler
- 306
- elektrische Verbindungsleitung
