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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung der Stellung eines Relais zur Überbrückung von Bordnetzen in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug.
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Hybridfahrzeuge umfassen einen Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine. Die Elektromaschine kann sowohl für den Antrieb des Fahrzeugs (als Motor) als auch für die Erzeugung von elektrischer Energie (als Generator) betrieben werden. Die elektrische Energie für die Elektromaschine wird typischerweise in einer Hochvolt-Batterie gespeichert. Elektromaschine und Hochvolt-Batterie können über ein Hochvolt-Bordnetz des Fahrzeugs miteinander verbunden sein.
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Desweiteren umfassen Hybridfahrzeuge typischerweise ein oder mehrere Niedervolt-Bordnetze mit entsprechenden ein oder mehreren Niedervolt-Batterien zur Versorgung unterschiedlicher elektrischer Verbraucher in den Fahrzeugen. Somit umfassen Hybridfahrzeuge typischerweise eine Vielzahl von Bordnetzen. Diese Bordnetze können über DC-zu-DC (Direct Current) Wandler miteinander verbunden sein, um einen Austausch von elektrischer Energie zu ermöglichen. Desweiteren können ein oder mehrere der Bordnetze über einen Schalter (z. B. über ein Relais) miteinander verbunden sein.
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DE 10 2005 004 330 A1 beschreibt ein Bordnetz für sicherheitsrelevante Verbraucher.
DE 10 2010 026 772 A1 beschreibt eine Notfallenergieversorgung für ein Fahrzeug. US2006/ 0 167 568 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines bidirektionalen Schaltelements.
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Das vorliegende Dokument beschreibt ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung, die es ermöglichen, in zuverlässiger und kosteneffizienter Weise die Stellung des Schalters (d. h. offen bzw. geschlossen) zwischen zwei Bordnetzen eines Fahrzeugs zu ermitteln.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit für ein Fahrzeug beschrieben. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein einspuriges Fahrzeug (z. B. ein Motorrad) oder um ein zweispuriges Fahrzeug (z. B. einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen) handeln. Das Fahrzeug kann einen Verbrennungsmotor umfassen, der durch einen Starter des Fahrzeugs gestartet werden kann. Desweiteren kann das Fahrzeug eine Elektromaschine umfassen, die eingerichtet ist, das Fahrzeug anzutreiben (im Motorbetrieb) oder das Fahrzeug zu verzögern (im Generatorbetrieb). Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybridfahrzeug handeln.
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Das Fahrzeug kann ein erstes Bordnetz und ein zweites Bordnetz umfassen. Das erste Bordnetz kann eine erste Batterie und ein oder mehrere erste Verbraucher umfassen. Das erste Bordnetz kann auch als Basisbordnetz bezeichnet werden. Das erste Bordnetz kann dazu verwendet werden, einen Großteil der elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Das zweite Bordnetz kann eine zweite Batterie und einen Starter für einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs umfassen. Das zweite Bordnetz kann auch als Zustartbordnetz bezeichnet werden. Das zweite Bordnetz kann ein oder mehrere Verbraucher (wie u.a. den Starter) umfassen, die über einen kurzen Zeitraum hohe Leistungen benötigen (z. B. zum Starten des Verbrennungsmotors). Die Aufnahme von einer hohen Leistung in kurzer Zeit führt typischerweise zu einem Spannungsabfall in dem zweiten Bordnetz. Eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetz kann sinnvoll sein, um die ein oder mehreren Verbraucher des ersten Bordnetzes von einem, durch die ein oder mehreren Verbraucher des zweiten Bordnetzes verursachten, Spannungsabfall zu entkoppeln.
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Das erste und zweite Bordnetz können über einen Schalter miteinander galvanisch gekoppelt werden. Der Schalter umfasst beispielsweise ein Relais. Der Schalter kann in die geschlossene Stellung gebracht werden, um das erste und zweite Bordnetz miteinander zu koppeln. Dies kann sinnvoll sein, wenn z. B. das zweite Bordnetz nicht über ausreichend elektrische Energie verfügt, um den Starter des zweiten Bordnetzes zu betreiben, und dadurch den Verbrennungsmotor zu starten. Durch Kopplung des ersten und zweiten Bordnetzes kann die elektrische Energie in kurzer Zeit direkt von dem ersten Bordnetz bereitgestellt werden. Andererseits kann der Schalter im offenen Zustand dafür sorgen, dass Spannungseinbrüche in dem zweiten Bordnetz keine Auswirkungen auf das erste Bordnetz haben.
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Das Fahrzeug kann einen DC-zu-DC Wandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetz zu übertragen. Der DC-zu-DC Wandler kann parallel zu dem Schalter angeordnet sein. Der DC-zu-DC Wandler kann insbesondere eingerichtet sein, elektrische Energie mit der gleichen Spannung aus dem ersten in das zweite Bordnetz zu übertragen. Typischerweise sind die erste Bordnetzspannung in dem ersten Bordnetz und die zweite Bordnetzspannung in dem zweiten Bordnetz gleich (z. B. bei 12 V). Abweichungen zwischen der ersten und der zweiten Bordnetzspannung können durch einen Spannungseinbruch im zweiten Bordnetz (z. B. aufgrund von einer Aktivierung des Starters) verursacht werden. Alternativ oder ergänzend können Abweichungen zwischen der ersten und der zweiten Bordnetzspannung durch eine Deaktivierung des DC-zu-DC Wandlers hervorgerufen werden (was typischerweise dazu führt, dass das zweite Bordnetz nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt wird, und dadurch die zweite Bordnetzspannung mit der Zeit absinkt).
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Die Steuereinheit ist eingerichtet, auf Basis von Strommesswerten im zweiten Bordnetz einen Differenzstrom über den Schalter zu ermitteln. Zur Ermittlung des Differenzstroms können ggf. ausschließlich Ströme im zweiten Bordnetz herangezogen werden. Die Strommesswerte können beispielsweise von den ein oder mehreren Verbrauchern, von einem Sensor an der zweiten Batterie und/oder von dem DC-zu-DC Wandler bereitgestellt werden.
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Die Steuereinheit ist weiter eingerichtet, auf Basis von Spannungsmesswerten in dem ersten und dem zweiten Bordnetz eine Differenzspannung zwischen der ersten Bordnetzspannung im ersten Bordnetz und der zweiten Bordnetzspannung im zweiten Bordnetz zu ermitteln. Die Differenzspannung und/oder der Differenzstrom können über einen vordefinierten Zeitraum ermittelt werden. Beispielsweise können Mittelwerte über den vordefinierten Zeitraum als Differenzspannung und/oder als Differenzstrom ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann z.B. ein PT1-Glied dazu verwendet werden, über den vordefinierten Zeitraum eine Differenzspannung und/oder einen Differenzstrom zu ermitteln.
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Desweiteren ist die Steuereinheit eingerichtet, auf Basis des Differenzstroms und auf Basis der Differenzspannung, ein oder mehrere Indizien bzgl. einer Stellung des Schalters zu bestimmen. Insbesondere kann ein Indiz für eine geschlossene Stellung des Schalters vorliegen, wenn ermittelt wird, dass der Differenzstrom (z. B. der Betrag des Differenzstroms) größer als oder gleich wie ein vordefinierter Differenzstrom-Schwellwert ist (ggf. über einen vordefinierten Zeitraum). Alternativ oder ergänzend kann ein Indiz für eine geöffnete Stellung des Schalters vorliegen, wenn ermittelt wird, dass die Differenzspannung (z. B. der Betrag der Differenzspannung) größer als oder gleich wie ein vordefinierter Differenzspannungs-Schwellwert ist (ggf. über einen vordefinierten Zeitraum).
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Die Steuereinheit kann somit in zuverlässiger und kosteneffizienter Weise, die Stellung des Schalters ermitteln. Insbesondere kann anhand der ein oder mehreren Indizien ermittelt werden, ob der Schalter eingeklemmt ist. Es können dann ggf. Maßnahmen ergriffen werden, um den eingeklemmten Zustand des Schalters zu beseitigen und/oder um die Konsequenzen aus dem eingeklemmten Zustand des Schalters zu reduzieren oder zu beseitigen.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die erste Bordnetzspannung relativ zu einer normalen Bordnetzspannung (z. B. 12 V) zu erhöhen (z. B. auf 14 V). Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zeitgleich den DC-zu-DC Wandler zwischen dem ersten und zweiten Bordnetz derart zu steuern, dass die erhöhte erste Bordnetzspannung nicht auf das zweite Bordnetz übertragen wird. Dazu kann ggf. der DC-zu-DC Wandler abgeschaltet werden. Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, den Differenzstrom und die Differenzspannung bei erhöhter erster Bordnetzspannung zu ermitteln. Die Ermittlung von Indizien für die Schalterstellung bei erhöhter Bordnetzspannung wird in diesem Dokument als intrusive Diagnose bezeichnet. Die Durchführung der intrusiven Diagnose erlaubt eine zuverlässige und kosteneffiziente Ermittlung der Schalterstellung in allen Situationen der Bordnetze des Fahrzeugs (zu denen auch das erste und das zweite Bordnetz gehören).
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Wie oben beschrieben, können auch bei erhöhter erster Bordnetzspannung Indizien für die Schalterstellung bestimmt werden. Insbesondere kann ein Indiz für eine geschlossene Stellung des Schalters vorliegen, wenn (bei erhöhter erster Bordnetzspannung) ermittelt wird, dass der Differenzstrom (z. B. der Betrag des Differenzstroms) größer als oder gleich wie ein vordefinierter Differenzstrom-Schwellwert ist (ggf. über einen vordefinierten Zeitraum). Alternativ oder ergänzend kann ein Indiz für eine geöffnete Stellung des Schalters vorliegen, wenn (bei erhöhter erster Bordnetzspannung) ermittelt wird, dass die Differenzspannung (z. B. der Betrag der Differenzspannung) größer als oder gleich wie ein vordefinierter Differenzspannungs-Schwellwert ist (ggf. über einen vordefinierten Zeitraum). Alternativ oder ergänzend kann ein Indiz für eine geöffnete Stellung des Schalters vorliegen, wenn (bei erhöhter erster Bordnetzspannung) ermittelt wird, dass nach Erhöhung der ersten Bordnetzspannung (und ggf. bei Abschaltung des DC-zu-DC Wandlers, d.h. bei Unterbinden der Weitergabe der erhöhten ersten Bordnetzspannung durch den DC-zu-DC Wandler in das zweite Bordnetz), die zweite Bordnetzspannung (z. B. der Betrag der Bordnetzspannung) gleich wie oder größer als ein vordefinierter Bordnetzspannungs-Schwellwert ist (z. B. 13 V). Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die zweite Bordnetzspannung, z.B. aufgrund der Einstellungen des DC-zu-DC Wandlers, keinen Wert aufweisen sollte, der gleich wie oder größer als der vordefinierte Bordnetzspannungs-Schwellwert ist (sondern einen Wert aufweisen sollte, der kleiner als der vordefinierte Bordnetzspannungs-Schwellwert ist).
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Wie bereits oben dargelegt, kann das Fahrzeug eine Elektromaschine umfassen. Desweiteren kann das Fahrzeug ein weiteres Bordnetz für den Betrieb der Elektromaschine des Fahrzeugs umfassen. Bei dem weiteren Bordnetz kann es sich um ein Hochvolt-Bordnetz (z. B. bei einer Bordnetzspannung von ca. 350 V) handeln. Das Fahrzeug kann einen weiteren DC-zu-DC Wandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie zwischen dem weiteren Bordnetz und dem ersten Bordnetz zu übertragen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den weiteren DC-zu-DC Wandler anzuweisen, dem ersten Bordnetz elektrische Energie mit der erhöhten ersten Bordnetzspannung bereitzustellen, und so die erste Bordnetzspannung (zur Durchführung der intrusiven Diagnose) zu erhöhen. Somit ermöglicht der weitere DC-zu-DC Wandler die Erhöhung der ersten Bordnetzspannung in effizienter Weise.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, eine Sollstellung des Schalters zu ermitteln. Beispielsweise kann ermittelt werden, dass der Schalter im geöffneten Zustand sein sollte. Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, auf Basis der bestimmten ein oder mehreren Indizien bzgl. der Stellung des Schalters zu ermitteln, ob der Schalter in einer Stellung, die von der Sollstellung abweicht, eingeklemmt ist. Insbesondere kann ermittelt werden, dass der Schalter in der geschlossenen Stellung eingeklemmt ist. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, ein oder mehrere der folgenden Maßnahmen einzuleiten: eine optische und/oder akustische Ausgabe bzgl. eines Fehlerzustands des Schalters und/oder ein rein elektrisches Abfahren des Fahrzeugs zu verhindern indem beim Herstellen der Fahrbereitschaft ein Start des Verbrennungsmotors veranlasst wird und/oder ein Abschalten des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs während der Fahrt zu unterbinden (und dadurch die Aktivierung des Starters bei einem fahrenden Fahrzeug zu vermeiden). Außerdem kann als Maßnahme das Anlegen eines Fehlerspeichereintrags erfolgen. Bspw. kann es ggf. bei einem offen klemmenden Relais nicht notwendig sein, eine Kundenanzeige auszulösen und einen Abschalt-/ bzw. Einschaltverhinderer für den Verbrennungsmotor zu setzen. Andererseits kann durch einen Eintrag in einen Fehlerspeicher (auch bei einem offen klemmenden Relais) erreicht werden, dass bei einer Inspektion in der Werkstatt das defekte Relais erkannt und ausgetauscht werden kann.
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Darüber hinaus kann bei Vorliegen eines (offen oder geschlossen) klemmenden Relais versucht werden über mehrere Schaltzyklen, also mehrfach wechselnde Ansteuerung des Relais, mit geeigneter Schaltfrequenz die Ursache für das Klemmen (z. B. eine mechanische Blockierung oder eine Verschweißung der Kontakte) zu beseitigen. Derartige Maßnahmen und/oder Prozeduren zum Entklemmen des Relais können insbesondere durchgeführt werden, wenn das Fahrzeug steht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt, wird ein Verfahren zur Ermittlung der Stellung eines Schalters zwischen einem ersten Bordnetz und einem zweiten Bordnetz eines Fahrzeugs beschrieben. Der Schalter ist eingerichtet, in einer geschlossenen Stellung das erste und zweite Bordnetz miteinander galvanisch zu koppeln. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Differenzstroms über den Schalter, auf Basis von Strommesswerten im zweiten Bordnetz. Das Verfahren umfasst weiter, das Ermitteln einer Differenzspannung zwischen einer ersten Bordnetzspannung im ersten Bordnetz und einer zweiten Bordnetzspannung im zweiten Bordnetz, auf Basis von Spannungsmesswerten in dem ersten und dem zweiten Bordnetz. Desweiteren umfasst das Verfahren das Bestimmen von ein oder mehreren Indizien bzgl. einer Stellung des Schalters, auf Basis des Differenzstroms und auf Basis der Differenzspannung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug beschrieben, dass die in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit umfasst.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
- 1 ein Blockdiagram eines beispielhaften Bordnetzes eines Fahrzeugs;
- 2a ein beispielhaftes Entscheidungsdiagram zur Ermittlung der Stellung eines Schalters zwischen zwei Bordnetzen;
- 2b ein Flussdiagram eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung der Stellung eines Schalters zwischen zwei Bordnetzen; und
- 3 ein Blockdiagram einer beispielhaften Steuereinheit zur Ermittlung der Stellung eines Schalters zwischen zwei Bordnetzen.
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Wie eingangs dargelegt kommen in Fahrzeugen, insbesondere in Hybridfahrzeugen, teilweise mehrere Bordnetze zum Einsatz. Die Bordnetze können unterschiedliche oder gleiche Spannungslagen haben (z. B. 12 V, 48 V, oder Hochvolt). Der Transfer von Energie zwischen Bordnetzen erfolgt typischerweise über DC-zu-DC-Wandler. Dadurch kann die übertragene Leistung gesteuert werden. Außerdem werden durch die Wandler die einzelnen Bordnetze galvanisch voneinander getrennt. Bordnetze mit gleichen Spanungslagen können alternativ oder ergänzend über einen Schalter miteinander kurzgeschlossen werden. Solche Schalter können beispielsweise eingesetzt werden, um in Ausnahmesituation (z. B. bei Vorliegen eines Fehlers wie bei Vorliegen eines defekten Wandlers und/oder bei Vorliegen einer eingeschränkten Leistungsfähigkeit der Zustartbatterie und/oder bei Durchführung eines sogenannten Fremdstarts (bei dem eine Fahrzeug-externe Energiequelle zur Versorgung des Starters verwendet wird) und/oder bei Durchführung eines sogenannten Notstarts, bei dem auf eine Energiequelle in einem anderen Netz des Fahrzeugs zurückgegriffen wird, insbesondere durch Schließen eines Schalters zwischen zwei Bordnetzen), ggf. kurzfristig, elektrische Energie aus einem anderen Bordnetz bereitzustellen.
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1. zeigt eine Beispielarchitektur des Bordnetzes 100 eines Hybridfahrzeuges. Das gesamte Bordnetz 100 umfasst drei Teilnetze 105, 110, 115. Die Elektromaschine 101, die sowohl das Fahrzeug antreiben, als auch in Schubphasen Strom erzeugen kann (Rekuperation), befindet sich im Hochvolt (HV)-Bordnetz 105. Das Hochvolt-Netz 105 umfasst eine Hochvolt-Batterie 102, die eingerichtet ist, elektrische Energie für den Antrieb der Elektromaschine 101 bereitzustellen und/oder, von der Elektromaschine 101 generierte, elektrische Energie zu speichern.
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Über einen HV-DC-zu-DC Wandler 106 kann elektrische Energie in das Teilnetz 110 (z. B. in ein Basisbordnetz bei 12 V) übertragen werden. In dem Teilnetz 110 befinden sich typischerweise die meisten elektrischen Verbraucher 108 (z. B. Steuergeräte, Beleuchtungen, ...). Das Teilnetz 110 kann eine Niedervolt-Batterie 107 (z. B. eine 12 V Batterie) umfassen. Das Teilnetz 110 ist über einen DC-zu-DC Wandler 109 mit dem Teilnetz 115 (z. B. einem Zustartnetz, welches sich ebenfalls bei 12 V befindet) verbunden. Im Teilnetz 115 befindet sich neben der Zustartbatterie 111 auch der Starter 112, der einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs starten kann. Außerdem kann das Teilnetz 115 ggf. noch weitere elektrische Verbraucher 113 umfassen.
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Durch die Aufteilung des Gesamt-Bordnetzes 100, und insbesondere durch die Aufteilung der Niedervolt-Teilnetze 110, 115 in zwei galvanisch voneinander getrennte Bordnetze 110, 115, können im Zustartnetz 115 Verbraucher 112, 113 mit hohen, transienten Strömen, wie z. B. ein Motorstarter 112 oder eine Wankstabilisierung, aktiv sein, ohne dass die im Betrieb auftretenden Spannungseinbrüche in das Basisbordnetz 110 übertragen werden.
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Es kann jedoch Fälle geben, in denen die Bordnetze 110 und 115 direkt, d. h. konduktiv oder leitend, miteinander verbunden werden sollen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Zustartbatterie 111 entladen oder defekt ist und somit nicht ausreichend elektrische Energie bzw. Leistung für einen Motorstart bereitstellen kann. Durch Kurzschließen der beiden Bordnetze 110, 115 über einen Schalter 121 kann, bspw. für einen Startvorgang, auch direkt elektrische Energie aus dem HV-DC-zu-DC Wandler 106 und/oder aus der Basisbatterie 107 entnommen werden. Dies ist vorteilhaft, da der DC-zu-DC Wandler 109 typischerweise eine begrenzte Übertragungsleistung aufweist, die nicht ausreicht, um die vom Starter 112 kurzfristig benötigte elektrische Energie bereitzustellen. Die erforderliche elektrische Energie kann somit bei geschlossenem Schalter 121 direkt aus dem benachbarten Bordnetz 110 entnommen werden.
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Es sollte jedoch sichergestellt werden, dass die o. g. Bereitstellung von elektrischer Energie (z. B. zur Durchführung eines Notstarts) nur im Stand des Fahrzeugs oder bei geringen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs erfolgt, da bei einem geschlossen Schalter 121, der die Teilnetze 110 und 115 miteinander verbindet, im Basisbordnetz 110 ein Startspannungseinbruch auftreten kann, der negative Auswirkungen auf ein oder mehrere elektrische Verbraucher 108 im Basisbordnetz 110 haben kann. Beispielsweise, wenn während des (rein elektrischen) Fahrens des Fahrzeugs der Verbrennungsmotor über die Zustartbatterie 111 gestartet werden soll, sollte der Schalter 121 offen sein, um einen Spannungseinbruch im Basisbordnetz 110 aufgrund der erforderlichen Starterleistung zu verhindern.
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Als Schalter 121 kann ein, ggf. monostabiles, Relais verwendet werden, welches z. B. eine stabile geöffnete Stellung aufweist und welches durch Anlegen einer (elektrischen) Spannung geschlossen werden kann. Bei einem Relais handelt sich um ein elektromechanisches Bauteil, welches defekt sein kann. Mögliche Defekte sind ein „Klemmen“ des Relais in den Stellungen offen oder geschlossen (welche als sog. Relaiskleber bezeichnet werden können). Fehlerursachen können zu hohe Schaltströme, Produktionsmängel oder Verschleiß (z. B. in Folge von einer hohen Anzahl von Schaltzyklen und/oder Alterung) sein.
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Wird das Relais 121 angesteuert (d. h. „kommandiert“) um in der Stellung offen zu sein, das Relais 121 jedoch tatsächlich in der Stellung geschlossen klemmt, kann dies während des Fahrens zu ungewünschten Spannungseinbrüchen in dem Basisbordnetz 110 führen, wenn z. B. während der Fahrt der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zugestartet wird. In diesem Dokument werden ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung beschrieben, durch die die Stellung des Schalters 121 zuverlässig und kosteneffizient ermittelt werden kann. Insbesondere ermöglichen es das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung in jeder Situation die Schalterstellung valide zu ermitteln. Dies ermöglicht die Einleitung von geeigneten Maßnahmen, wenn erkannt wird, dass der Schalter 121 in einer ungewünschten Stellung klemmt.
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Zur Detektion der tatsächlichen Schalterstellung können Strom- und Spannungsmessungen herangezogen werden, die typischerweise bereits im Bordnetz 100 durchgeführt werden. Mit anderen Worten, das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung können auf bereits gemessene Strom- und/oder Spannungsdaten zugreifen.
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Das beschriebene Verfahren kann eine Basisdiagnose umfassen, die auf Basis aktueller Strom- und/oder Spannungsmessungen basiert. Die Basisdiagnose kann kontinuierlich oder periodisch durchgeführt werden. Im Rahmen der Basisdiagnose kann die Höhe eines Differenzstroms 145 I_diff ermittelt werden. Wie in 1 gezeigt, ergibt sich der Differenzstrom 145, d. h. der Strom durch den Schalter 121, als I_diff= I_2 + I_S + I_V2 - I_D, wobei I_2 der Batteriestrom 142 in die Batterie 111 ist, wobei I_S der Starterstrom 143 in den Starter 112 ist, wobei I_V2 der Verbraucherstrom 144 in mögliche weitere Verbraucher 113 des Teilnetzes 115 ist und wobei I_D der Wandlerstrom 141 vom Wandler 109 ist. Diese Ströme können von den einzelnen Komponenten des Teilnetzes 115, d. h. von dem Wandler 109, von der Batterie 111, von dem Starter 112 und/oder von den weiteren Verbrauchern 113 bereitgestellt werden. Insbesondere können diese Ströme 141, 142, 143, 144 als Messwerte 122 einer Steuereinheit 120 bereitgestellt werden. Die Steuereinheit 120 kann eingerichtet sein, anhand der Messwerte 122 den Differenzstrom I_diff 145 zu ermitteln.
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Ist der Betrag des Differenzstroms I_diff 145 größer als 0, so kann daraus geschlossen werden, dass der Schalter 121 geschlossen ist. Dieser Zustand kann als „I_diff_erkannt“ bezeichnet werden. Mit anderen Worten, ein Differenzstrom I_diff 145, dessen Absolutwert (oder Betrag) von 0 abweicht, oder dessen Absolutwert einen vordefinierten Differenzstrom-Schwellwert überschreitet, ist ein Indiz dafür, dass der Schalter 121 geschlossen ist.
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Während des Starts des Verbrennungsmotors anhand des Starters 112 können sehr hohe Ströme in dem Teilnetz 115 auftreten. Die Ermittlung des Differenzstroms I_diff 145 kann deshalb während des Startvorgangs mit relativ großen Fehlern behaftet sein, so dass kein verlässlicher Wert für den Differenzstrom 145 ermittelt werden kann. Da der Motorstart typischerweise nur relativ kurze Zeit andauert, kann die Ermittlung der Schalterstellung anhand des Differenzstroms 145 während des Motorstarts ausgesetzt werden.
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Zur Vereinfachung der Ermittlung des Differenzstroms 145 kann angenommen werden, dass der Starterstrom I_S 143 Null ist, wenn kein Motorstart erfolgt. Desweiteren, wenn sich neben dem Starter 112 keine weiteren Verbraucher 113 im Zustartbordnetz 115 befinden, kann der Verbraucherstrom I_V2 144 aus der o. g. Gleichung entfallen.
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Die Steuereinheit 120 kann weiter eingerichtet sein, den Betrag einer Spannungsdifferenz U_diff zwischen den beiden Teilnetzen 110 und 115 zu ermitteln. Dazu kann die Spannung U_1 131 im ersten Teilnetz 110 (auch als erste Bordnetzspannung 131 bezeichnet) und die Spannung U_2 132 im zweiten Teilnetz 115 (auch als zweite Bordnetzspannung 132 bezeichnet) ermittelt werden. Insbesondere können die Spannungen an den Batterien 107, 111 ermittelt werden, und als Messwerte 122 an die Steuereinheit 120 geleitet werden. Anhand der Messwerte 122 kann die Spannungsdifferenz U_diff= U_2 - U_1 ermittelt werden. Ist der Betrag der Spannungsdifferenz größer als 0 (oder überschreitet der Betrag der Spannungsdifferenz einen vordefinierten Differenzspannungs-Schwellwert), so kann daraus geschlossen werden, dass der Schalter 121 offen ist. Der so ermittelte Zustand kann als „U_ diff_erkannt“ bezeichnet werden.
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Die gemessenen Ströme 141, 142, 143, 144 und/oder Spannungen 131, 132 können Messfehlern und Schwankungen unterliegen oder ggf. nicht zeitsynchron ausgewertet werden. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die ermittelten Spannungs- und/oder Stromdifferenzen mit Schwellwerten zu vergleichen, die größer als Null sind. Außerdem können Verzögerungen (sogenannte „turn-ondelays“) bei dem Vergleich der Spannungs- und/oder Stromdifferenzen gegen die entsprechenden Schwellwerte berücksichtigt werden. Bei stark schwankenden Messwerten 122 kann es darüber hinaus sinnvoll sein, die gemessenen Signale zu glätten (bspw. anhand eines PTI-Gliedes). Beispielsweise kann der Zustand „I_diff_erkannt“ gesetzt werden, wenn der Betrag von I_diff für einen Zeitraum von mindestens t_I größer oder gleich einem Differenzstrom-Schwellwert I_Schw ist. In analoger Weise kann der Zustand „U_diff_erkannt“ gesetzt werden, wenn der Betrag von U_diff für einen Zeitraum von mindestens t_U größer order gleich einem Differenzspannungs-Schwellwert U_Schw ist.
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Falls weder der Zustand „I_diff erkannt“ noch der Zustand „U_diff erkannt“ ermittelt wurde, so kann die Stellung des Schalters 121 anhand der bisher ermittelten Informationen nicht mit absoluter Sicherheit festgestellt werden. Insbesondere kann es bei Vorliegen von ähnlichen Spannungen im ersten Bordnetz 110 und im zweiten Bordnetz 115 (z. B. 13 V) vorkommen, dass der Zustand „U_diff erkannt“ nicht ermittelt werden kann, auch wenn der Schalter 121 geöffnet ist. Außerdem kann es bei Vorliegen von ähnlichen Spannungen im ersten Bordnetz 110 und im zweiten Bordnetz 115 sowie beim Vorliegen einer Zustartbatterie mit hohem Ladezustand („vollgeladen“) vorkommen, dass der Zustand „I_diff_erkannt“ nicht ermittelt werden kann, auch wenn der Schalter 121 geschlossen ist (in diesem Fall sind die Ströme I_2, I_S, I_V2 und I_D sehr gering oder 0, weshalb auch der Differenzstrom I_diff sehr gering oder 0 ist).
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Zur Erkennung der Schalterstellung kann dann eine intrusive Diagnose durchgeführt werden. Die intrusive Diagnose kann beispielsweise durchgeführt werden, wenn eine sichere Erkennung der Schalterstellung notwendig ist und/oder wenn die o. g. Basisdiagnose zu keinem eindeutigen Ergebnis kommt. Bspw. kann nach jeder wechselnden Kommandierung des Schalters 121 von geschlossen auf offen (oder umgekehrt) eine eindeutige Erkennung der Schalterstellung durchgeführt werden. Insbesondere kann nach einer Ansteuerung des Schalters 121 überprüft werden, ob das Relais 121 auch tatsächlich offen ist, wenn angefordert wurde, dass sich das Relais 121 öffnet (typischerweise ist ein geschlossen klemmendes Relais aufgrund des Risikos eines Spannungsabfalls im benachbarten Teilnetz 110 ein kritischerer Fall, als ein offen klemmendes Relais). Bei geschlossen kommandiertem Relais 121 oder wenn die Schalterstellung offen einmalig sicher erkannt wurde und seitdem keine abweichende Kommandierung (als geschlossen) erfolgt ist, kann ggf. auf eine Auslösung der intrusiven Diagnose verzichtet werden. Dadurch können die Eingriffe in das Bordnetz 100 reduziert werden.
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Es kann sinnvoll sein, die intrusive Diagnose verzögert zu starten, und nicht sofort, da die Basisdiagnose eine gewisse Zeit benötigt, um die Schalterstellung zu erkennen. Insbesondere kann die intrusive Diagnose erst freigegeben werden, wenn erkannt wurde, dass die Basisdiagnose für eine gewisse Zeit kein eindeutiges Ergebnis geliefert hat. Da die intrusive Diagnose einen Eingriff in die Betriebsstrategie des Bordnetzes 100 darstellt, kann durch eine selektive Anwendung der intrusiven Diagnose die Anzahl der Eingriffe in das Bordnetz reduziert werden. Beispielweise kann eine unbeabsichtigte Ladung der ersten Batterie 107 (durch Erhöhung der ersten Bordnetzspannung 131) vermieden werden und/oder es kann eine verzögerte Ladung der zweiten Batterie 111, die durch die intrusive Diagnose (bei der der Wandler 109 abgeschaltet wird) erfolgen kann, vermieden werden.
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Bei der intrusiven Diagnose wird versucht, über einen und/oder mehrere Wandler 106, 109 eine Spannungsdifferenz U_diff zwischen den Spannungen 131 bzw. 132 in den Teilnetzen 110 und 115 zu erzeugen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass über den HV-DC-zu-DC Wandler 106 im ersten Teilnetz 110 eine erhöhte Spannung 131 eingestellt wird (z. B. 14,8 V statt 12 V). Gleichzeitig wird der DC-zu-DC Wandler 109 ausgeschaltet, so dass die erhöhte Spannung 131 nicht über den DC-zu-DC Wandler 109 an das zweite Teilnetz 115 weitergegeben wird. Somit fällt die Spannung 132 im zweiten Teilnetz 115 auf die Batteriespannung (typischerweise 12 - 12,8 V) der Batterie 111 falls der Schalter 121 offen ist. Andererseits bleibt die Spannung 132 bei der erhöhten Spannung oder steigt auf die erhöhte Spannung (z. B. 14,8 V) falls der Schalter 121 geschlossen ist.
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Diese intrusive Diagnose erlaubt es, in jeder Situation des Bordnetzes 100 die tatsächliche Schalterstellung zu ermitteln. Dies ist aus dem Zustandsdiagram 200 in 2a ersichtlich. In Schritt 201 wird die Basisdiagnose gestartet. Dies führt dazu, dass die Spannungsdifferenz U_diff und/oder die Stromdifferenz I_diff anhand der Messdaten 122 ermittelt werden. Anhand der Stromdifferenz I_diff 145 kann bestimmt werden, ob der Zustand „I_diff erkannt“ vorliegt. Wenn dies der Fall ist (Schritt 203), so ist dies ein Indiz für die Tatsache, dass der Schalter 121 geschlossen ist (Schritt 206). Liegt der Zustand „I_diff erkannt“ nicht vor (Schritt 202), so kann ermittelt werden, ob der Zustand „U_diff erkannt“ vorliegt. Ist dies der Fall (Schritt 205), so ist dies ein Indiz dafür, dass der Schalter 121 offen ist (Schritt 207).
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Liegt der Zustand „U_diff erkannt“ nicht vor und liegt auch nicht der Zustand „I_diff_erkannt“ vor (Schritt 204), so kann die oben beschriebene intrusive Diagnose 210 durchgeführt werden. In Schritt 211 wird die intrusive Diagnose (z. B. durch die Steuereinheit 120 anhand von einem Steuersignal 123) ausgelöst. Dazu kann eine Spannungsdifferenz U_diff zwischen dem ersten und dem zweiten Teilnetz 110, 115 provoziert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch den DC-zu-DC Wandler 106 im ersten Teilnetz 110 eine erhöhte Teilnetzspannung 131 bewirkt wird, die nicht durch den DC-zu-DC Wandler 109 an das zweite Teilnetz 110 weitergegeben wird. Letzteres kann durch Abschaltung des DC-zu-DC Wandlers 109 erreicht werden.
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In analoger Weise zu der Basisdiagnose, kann nun ermittelt werden, ob der Zustand „I_diff erkannt“ vorliegt. Wenn der Zustand „I_diff erkannt“ vorliegt (Schritt 213), so ist dies ein Indiz dafür, dass der Schalter 121 geschlossen ist (Schritt 216). Liegt der Zustand „I_diff erkannt“ nicht vor (Schritt 212), so kann ermittelt werden, ob der Zustand „U_diff erkannt“ vorliegt. Ist dies der Fall (Schritt 215), so ist dies ein Indiz dafür, dass der Schalter 121 offen ist (Schritt 217).
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Liegt der Zustand „U_diff erkannt“ nicht vor und liegt auch nicht der Zustand „I_diff_erkannt“ vor (Schritt 214), so kann anhand einer Betrachtung des Absolutwerts der Spannung 132 im zweiten Teilnetz 115 ermittelt werden, ob der Schalter 121 geschlossen oder geöffnet ist. Es ist bekannt, dass der Betrag der Spannungsdifferenz U_diff zwischen U_1 131 und U_2 132 unterhalb von einem Schwellwert U_Schw liegt. Folglich ist bekannt, dass die Spannungen 131 und 132 nahezu gleich sind. Desweiteren ist bekannt, dass die Spannung U_1 131 im ersten Teilnetz 110 erhöht wurde (z. B. von 12 V auf 14,8 V). Somit sollte auch die Spannung 132 im zweiten Teilnetz 115 erhöht sein, wenn der Schalter 121 geschlossen ist. Ergibt sich somit, dass die Spannung 132 im zweiten Teilnetz 115 größer als oder gleich wie ein vordefinierter Bordnetzspannungs-Schwellwert (z. B. 13,2 V) ist (Schritt 218), so ist dies in Indiz dafür, dass der Schalter 121 geschlossen ist (Schritt 219).
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Somit kann anhand der Basisdiagnose und/oder ggf. anhand der intrusiven Diagnose zuverlässig und kosteneffizient ermittelt werden, ob der Schalter 121 geschlossen oder geöffnet ist. Sollte die detektierte Schalterstellung nicht der kommandierten Schalterstellung entsprechen, können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann bei geschlossen klemmendem Relais 121 das Eintragen von Fehlerspeichern, das Setzen eines „Einschaltaufforderers“ des Verbrennungsmotors vor/bei dem Herstellen der Fahrbereitschaft (zum Vermeiden eines rein elektrischen Anfahrens) und/oder eines „Abschaltverhinderers“ des Verbrennungsmotors während der Fahrt, damit der Verbrennungsmotor während der Fahrt dauerhaft läuft (da er nicht zugestartet werden sollte), und/oder das Anzeigen eines Hinweises für den Fahrer (damit er in die Werkstatt fahren und den Fehler beheben lassen kann) erfolgen.
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2b zeigt ein Flussdiagram eines beispielhaften Verfahrens 220 zur Ermittlung des Schließzustands eines Schalters 121 zwischen einem ersten Teilnetz 110 und einem zweiten Teilnetz 115. In Schritt 221 wird die Basisdiagose gestartet, und dabei die Spannungsdifferenz U_diff und die Stromdifferenz I_diff ermittelt. In Schritt 222 wird ermittelt, ob der Zustand „I_diff vorhanden“ vorliegt. Ist dies der Fall, so ist der Schalter 121 geschlossen (Schritt 229). Ist dies nicht der Fall, so kann ermittelt werden, ob der Zustand „U_diff vorhanden“ vorliegt (Schritt 223). Ist dies der Fall, so ist der Schalter 121 geöffnet (Schritt 228). Es sei darauf hingewiesen, dass die Schritte 222 und 223 auch in einer anderen Reihenfolge und/oder parallel erfolgen können. Liegen weder der Zustand „I_diff vorhanden“ noch der Zustand „U_diff vorhanden“ vor, so kann in Schritt 224 die intrusive Diagnose angestoßen werden. Es folgt die Überprüfung, ob der Zustand „I_diff_ermittelt“ vorliegt (Schritt 225) und/oder ob der Zustand „U_diff ermittelt“ vorliegt (Schritt 226). Liegt der Zustand „I_diff_ ermittelt“ vor, so ist der Schalter 121 geschlossen (Schritt 229), liegt der Zustand U_diff ermittelt" vor, so ist der Schalter 121 offen (Schritt 228). In Schritt 227 erfolgt der Vergleich zwischen der Spannung 132 im zweiten Teilnetz und einem Bordnetzspannungs-Schwellwert. Wird der Bordnetzspannungs-Schwellwert während der intrusiven Diagnose (Wandler 109 ist dabei abgeschaltet) überschritten, so ist dies ein Indiz dafür, dass der Schalter 121 geschlossen ist (Schritt 229). Andererseits ist dies ein Indiz dafür, dass der Schalter 121 offen ist (Schritt 228).
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3. zeigt eine beispielhafte Funktionsimplementierung des oben beschriebenen Testverfahrens 220. Das Testverfahren 220 kann beispielsweise auf der Steuereinheit 120 implementiert werden. Die Funktionsimplementierung umfasst ein Modul 300 zur Überwachung der Schalterstellung. Dieses Modul 300 umfasst ein Diagnosemodul 301 zur Ermittlung, ob der Schalter 121 eingeklemmt ist. Desweiteren umfasst das Modul 300 ein Fehlerreaktionsmodul 302, zur Einleitung von Maßnahmen zur Behebung des eingeklemmten Zustands des Schalters 121. Das Diagnosemodul 301 umfasst ein Modul 310 zur Erkennung der Schalterstellung, ein Modul 330 zur Auslösung der intrusiven Diagnose und ein Modul 320 zur Erkennung der Tatsache, dass der Schalter 121 eingeklemmt ist.
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Das Modul 310 empfängt die Messwerte 341, 342 (d. h. die Messwerte 122) und ermittelt daraus die Spannungsdifferenz U_diff und die Stromdifferenz I_diff. In den Modulen 311, 312 werden die Bedingungen für das Vorliegen eines geschlossenen Schalters (Zustand 316) überprüft. In den Modulen 313, 314 werden die Bedingungen für das Vorliegen eines offenen Schalters (Zustand 317) überprüft. Wenn der Schalterzustand nicht eindeutig erkannt werden kann (Module 315, 318), wird die intrusive Diagnose angestoßen (Modul 330). Dabei kann zunächst überprüft werden, ob überhaupt eine zuverlässige Erkennung der Schalterstellung erforderlich ist (Module 331). Beispielsweise kann eine zuverlässige Erkennung der Schalterstellung nur dann erforderlich sein, wenn eine Kommandierung des Schalters 121 in den Zustand offen erfolgt ist. In anderen Fällen kann eine zuverlässige Erkennung der Schalterstellung ggf. nicht erforderlich sein. Desweiteren kann eine Verzögerung um ein vordefiniertes Zeitintervall vor Anstoßen der intrusiven Diagnose abgewartet werden (Modul 332), um der Basisdiagnose doch noch die Gelegenheit zu geben, einen eindeutigen Schalterzustand 316 oder 317 zu ermitteln. Durch das Modul 333 kann dann die intrusive Diagnose angestoßen werden. Die Bedingungen für das Vorliegen eines geschlossen oder geöffneten Schalters 121 können dann in dem Modulen 311, 312, 313, 314 überprüft werden.
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Das Modul 320 kann ermitteln, ob eine Klemmsituation vorliegt. Dazu empfängt das Modul 320 Informationen 343 bzgl. des Sollzustands des Schalters 121 (z. B. anhand der erfolgten Kommandierung). Ist ermittelt worden, dass der Schalter 121 geschlossen ist, aber der Schalter 121 offen sein sollte (Modul 321) so wird der Zustand erkannt, dass der Schalter 121 geschlossen klemmt (Zustand 323). Dies kann zu Maßnahmen in Modul 303 führen (wie in diesem Dokument dargelegt). Ist andererseits ermittelt worden, dass der Schalter 121 offen ist, aber der Schalter 121 geschlossen sein sollte (Zustand 322) so wird der Zustand erkannt, dass der Schalter 121 offen klemmt (Modul 324). Dies kann zu Maßnahmen in Modul 304 führen (wie in diesem Dokument dargelegt).
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In dem vorliegenden Dokument wurden ein Verfahren und eine Steuereinheit beschrieben, die es ermöglichen, die Schalterstellung eines Relais zum Verbinden zweier Bordnetze in einem Kraftfahrzeug sicher und kosteneffizient festzustellen.
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Somit können „Relaiskleber“ erkannt werden und geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Dadurch können Spannungsabfälle und ggf. Funktionsausfälle im Fahrzeug vermieden werden.
