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Die Erfindung betrifft ein redundantes Energieversorgungssystem für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einer ersten Energieversorgung und einer zweiten Energieversorgung, wobei die Energieversorgungen dazu eingerichtet sind zwei gleiche Ausgangsspannungen bereitzustellen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Anzahl sicherheitsrelevanter Komponenten im Kraftfahrzeug hat sich seit der Einführung des ABS ständig vergrößert. Hinzugekommen sind z. B. Wankstabilisierungssysteme im Fahrwerk oder elektrische Steuerungs- und Bremssysteme. Diese benötigen häufig eine höhere Spannung, um betrieben werden zu können und können meistens nicht direkt aus einem 12 V-Niederspannungsbordnetz versorgt werden. Gleichzeitig sind Energiespeicher mit einer entsprechend hohen Spannung nicht nur platz- und kostenintensiv, sondern sie können auch eine größere Gefahrenquelle darstellen als Energiespeicher mit einer niedrigeren Versorgungsspannung. Dementsprechend müssen Hochspannungsenergiespeicher in Gefahrensituationen teilweise sogar vom Bordnetz getrennt werden, so dass sie für eine redundante Energieversorgung nur bedingt infrage kommen.
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Das elektrische Bordnetz eines Kraftfahrzeugs muss jedoch so konzipiert sein, dass das Energieversorgungssystem sicherheitsrelevante Niederspannungsverbraucher als auch sicherheitsrelevante Hochspannungsverbraucher sowohl im normalen Betrieb als auch in Gefahrensituationen zuverlässig versorgen kann.
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Im Stand der Technik werden dazu vorwiegend Niederspannungsenergiequellen eingesetzt, welche durch eine Reihenschaltung eine entsprechend höhere Ausgangsspannung bereitstellen können. Weiterhin werden nach betriebsinterner Praxis der Anmelderin wenigstens zwei Niederspannungsenergiequellen über einen Spannungswandler parallel an einen Ausgang gekoppelt. Durch diese redundante Architektur mit Spannungstransformator, wie sie auch in 1 illustriert ist, können sicherheitsrelevante Verbraucher auch in Gefahrensituationen betrieben werden. Nachteilig ist dabei, dass ein entsprechend großer Spannungswandler oder zusätzliche kleinere Spannungswandler verwendet werden müssen, um die über zu transformierende Spannung mit entsprechender Leistung bereitstellen zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs für sicherheitskritische Verbraucher zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung besteht in einem redundanten Energieversorgungssystem für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Das redundante Energieversorgungssystem weist eine erste Energieversorgung und eine zweite Energieversorgung auf. Die Energieversorgungen sind dazu eingerichtet zwei gleiche Ausgangsspannungen bereitzustellen. Die zweite Energieversorgung umfasst wenigstens eine, insbesondere drei, sechs oder zwölf, Wicklungen einer Drehfeldmaschine und deren Wechselrichter. Die Energieversorgungen sind elektrische Energieversorgungen. Insbesondere kann die erste Energieversorgung eine Standardenergieversorgung umfassen, insbesondere sein. Insbesondere kann die zweite Energieversorgung eine Notfallenergieversorgung umfassen, insbesondere sein. Die zweite Energieversorgung kann, insbesondere als Notfallenergieversorgung, permanent am Ausgang des redundanten Energieversorgungssystems angeschlossen sein. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Energieversorgung nur bei Bedarf, insbesondere in einer Fehler- oder einer Gefahrensituation, am Ausgang des redundanten Energieversorgungssystems angeschlossen sein. Ein Ziel soll dabei insbesondere sein, einen sicherheitskritischen Verbraucher zuverlässig mit Energie versorgen zu können. Vorteilhaft kann durch eine solche redundante Energieversorgung eine Verschaltung aus Wicklungen einer Drehfeldmaschine und den mit der Wicklung oder den Wicklungen verschalteten Wechselrichtern) als Hoch- oder Tiefsetzsteller verwendet werden, um damit kosteneffizient eine der Energieversorgungen zu realisieren, ohne für die Spannungsumwandlung zusätzliche Bauteile vorsehen zu müssen.
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Eine Wicklung einer Drehfeldmaschine im Sinne der Erfindung kann eine Spule sein. Ein Wechselrichter im Sinne der Erfindung kann insbesondere eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiterschaltern, insbesondere aus zwei Transistoren, sein.
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Nach einer ersten Weiterbildung umfasst die zweite Energieversorgung des redundanten Energieversorgungssystems eine oder mehrere Energiequellen. Des Weiteren sind die Wicklungen zu den Wechselrichtern relativ zu einer oder zu mehreren Energiequellen so angeordnet, dass diese einen oder mehrere Hochsetzsteller bilden. Insbesondere bildet dabei der Ausgang eines oder mehrerer Hochsetzsteller den Ausgang des redundanten Energieversorgungssystems. Der oder die Hochsetzsteller sind dazu eingerichtet, sicherheitskritische Verbraucher zu versorgen. Vorteilhaft kann für ein redundantes Energieversorgungssystem, welches einen oder mehrere Hochsetzsteller aufweist, eine oder mehrere Energiequellen mit niedriger Spannung, insbesondere 12 V, verwendet werden, um ein Hochspannungsbordnetz zu betreiben. Da von Energiequellen mit niedrigeren Spannungen grundsätzlich weniger Gefahr ausgeht als von Energiequellen mit höheren Spannungen, kann dadurch eine Sicherheit und eine Verfügbarkeit eines Hochspannungsbordnetzes verbessert werden.
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Zur weiteren Klarstellung wird definiert, dass eine Energiequelle im Sinne der Erfindung insbesondere Batterien, Akkumulatoren, Drehstrommaschinen und/oder Kondensatoren umfassen kann.
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Nach einer zweiten Weiterbildung umfasst die zweite Energieversorgung des redundanten Energieversorgungssystems einen Sternpunkt, in dem die Wicklungen der Drehfeldmaschine miteinander verbunden sind. Zusätzlich ist der Sternpunkt mit einer einzigen Energiequelle der zweiten Energieversorgung verbunden. Insbesondere weist die zweite Energieversorgung nur diese einzige Energiequelle auf. Vorteilhaft kann somit eine Spannungsquelle der zweiten Energieversorgung an den Sternpunkt angekoppelt werden und diese kann alle Hochsetzsteller der zweiten Energieversorgung gemeinsam versorgen.
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Nach einer dritten Weiterbildung des redundanten Energieversorgungssystems sind die Wechselrichter dazu eingerichtet von einer weiteren elektrischen Energiequelle versorgt zu werden. Insbesondere ist diese weitere Energiequelle nicht Teil des redundanten Energieversorgungssystems. Vorteilhaft kann dadurch die Drehfeldmaschine, deren Wicklungen und Wechselrichter von dem redundanten Energieversorgungssystem umfasst sind, unabhängig von diesem betrieben werden. Dabei kann ein Betrieb des redundanten Energieversorgungssystems insbesondere abwechselnd oder gleichzeitig zum Betrieb der Drehfeldmaschine erfolgen. Dadurch dient die Drehfeldmaschine nicht nur als Teilelieferant für das Energieversorgungssystem, sondern kann für ihre eigentliche Funktion verwendet werden.
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Nach einer vierten Weiterbildung des redundanten Energieversorgungssystems ist die weitere Energiequelle, welche die Wechselrichter der Drehstrommaschine versorgt, durch die erste Energieversorgung umfasst. Die Drehstrommaschine wird dann insbesondere im Normalbetrieb von der ersten Energieversorgung versorgt und vorzugsweise in einem Fehlerbetrieb von der zweiten Energieversorgung versorgt. Nähere Beschreibungen von Normal- und Fehlerbetrieb sind in der Erklärung des zweiten Aspekts der Erfindung angegeben. Während einer Versorgung aus der zweiten Energieversorgung, erzeugt die Drehstrommaschine sich durch den Hochsetzsteller, welcher durch einen oder mehrerer ihrer Wicklungen und Wechselrichter wirkt, ihre Betriebsspannung selber. Ein Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass die Drehstrommaschine selbst als sicherheitskritischer Verbraucher durch das redundante Energieversorgungssystem betrieben werden kann.
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Nach einer fünften Weiterbildung umfasst die zweite Energieversorgung des redundanten Energieversorgungssystems einen Schalter, durch welchen die Energiequelle der zweiten Energieversorgung mit dem Sternpunkt entweder verbunden oder getrennt ist. Ein Schalter kann insbesondere einen mechanischen Schalter, einen elektrischen Schalter und/oder einen elektronischen Schalter umfassen. Wenn die Energiequelle vom Sternpunkt getrennt ist, kann sie nicht durch den Hochsetzsteller eine entsprechende Versorgungsspannung für sicherheitskritische Verbraucher bereitstellen. Allerdings ist dann eine über die Wechselrichter der Drehstrommaschine wirkende weitere Energiequelle nicht über den Hochsetzsteller mit der abgekoppelten Energiequelle der zweiten Energieversorgung verbunden. Dadurch kann insbesondere die Drehstrommaschine vorteilhaft mit einer größeren Spannung durch die weitere Energiequelle betrieben werden und somit vorzugsweise auch mit einem höheren Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil kann bei einem Generatorbetrieb der Drehstrommaschine entstehen. In diesem Fall kann die Drehstrommaschine mit einer höheren Spannung Energie in die weitere Energiequelle rückspeisen. Insbesondere in einem Fehlerbetrieb wird die zweite Energiequelle durch Schließen des Schalters mit dem Hochsetzsteller verbunden und ein oder mehrere sicherheitskritische Verbraucher am Ausgang des Hochsetzstellers können weiter mit Energie versorgt werden. Eine Verbindung der Energiequelle der zweiten Energieversorgung kann entweder durch einen geschlossenen Schalter oder durch einen geöffneten Schalter erfolgen.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Betreiben eines redundanten Energieversorgungssystems. Dabei umfasst das redundante Energieversorgungssystem eine erste Energieversorgung und eine zweite Energieversorgung, wobei die Energieversorgungen dazu eingerichtet sind zwei gleiche Ausgangsspannungen bereitzustellen. Die zweite Energieversorgung umfasst wenigstens eine, insbesondere drei, sechs oder zwölf, Wicklungen einer Drehfeldmaschine und deren Wechselrichter. Das Verfahren umfasst einen Normalbetrieb. Während des Normalbetriebs stellt die erste Energieversorgung Energie an einen sicherheitskritischen Verbraucher bereit. Während eines Fehlerbetriebs stellt die zweite Energieversorgung, insbesondere alleine, Energie an den sicherheitskritischen Verbraucher bereit.
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Ein Normalbetrieb im Sinne der Erfindung ist insbesondere ein Betrieb sicherheitskritischer Verbraucher, des redundanten Energieversorgungssystems und/oder des Bordnetzes, in dem sich nicht wenigstens eine oder nicht mehrere, insbesondere keine, dieser Komponenten in einem Fehlerzustand befindet. Zusätzlich oder alternativ kann ein Normalbetrieb auch dadurch definiert sein, dass sich keine andere, insbesondere mit den vorher genannten Komponenten zusammenwirkende, Komponente in einem Fehlerzustand befindet. Ein Fehlerbetrieb im Sinne der Erfindung ist dementsprechend insbesondere ein Betrieb, in dem sich eine oder mehrerer Komponenten in einem Fehlerzustand befinden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Fehlerbetrieb ein Betrieb sein, der nach einer Erfassung eines Fehlers ausgelöst wurde.
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Nach einer ersten Weiterbildung ist das Verfahren zum Betreiben eines redundanten Energieversorgungssystems eingerichtet, wobei die zweite Energieversorgung eine Energiequelle, einen Schalter und einen Sternpunkt, an dem die Wicklungen der Drehfeldmaschine miteinander verbunden sind, umfasst. Im Normalbetrieb ist der Schalter geöffnet und dadurch die Verbindung zwischen der Energiequelle und dem Sternpunkt unterbrochen. Im Fehlerbetrieb ist der Schalter geschlossen und dadurch die Verbindung zwischen der Energiequelle und dem Sternpunkt geschlossen. Alternativ kann das redundante Energieversorgungssystem so ausgebildet sein, dass im Normalbetrieb durch einen geschlossenen Schalter die Verbindung zwischen der Energiequelle der zweiten Energieversorgung und dem Sternpunkt geöffnet ist; und entsprechend im Fehlerbetrieb ein geöffneter Schalter für eine Verbindung zwischen der Energiequelle der zweiten Energieversorgung und dem Sternpunkt sorgt. Im Allgemeinen ist das Verfahren in dieser Weiterbildung so ausgebildet, dass im Normalbetrieb die Energiequelle der zweiten Energieversorgung von der Drehfeldmaschine, also von den Wicklungen und von den Wechselrichtern, elektrisch abgekoppelt ist. Andererseits besteht im Fehlerbetrieb eine elektrische Verkopplung zwischen der Energiequelle der zweite Energieversorgung und der Drehfeldmaschine. Vorteilhaft kann dadurch im Normalbetrieb die Drehfeldmaschine unabhängig von der Energiequelle der zweiten Energieversorgung betrieben werden. Dadurch sind insbesondere andere Spannungen erreichbar, durch welche die Drehfeldmaschine versorgt wird und/oder welche von der Drehfeldmaschine in einen Energiespeicher eingespeist werden können.
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Nach einer zweiten Weiterbildung ist das Verfahren zum Betreiben eines redundanten Energieversorgungssystems eingerichtet, wobei die Drehfeldmaschine, mit zwei, insbesondere drei, sechs oder zwölf, Wechselrichtern betrieben wird. Bei einem Ausfall wenigstens einer Wicklung und/oder eines Wechselrichters der Drehfeldmaschine wird in den Fehlerbetrieb umgeschaltet. Dann werden die Wechselrichter der funktionsfähigen Phase, insbesondere der funktionsfähigen Phasen, so angesteuert werden, dass die Drehfeldmaschine durch diese Wechselrichter betrieben wird. Eine Phase im Sinne der Erfindung ist dabei insbesondere durch einen eigenen Stromkreis definiert. Eine Drehfeldmaschine mit drei Wicklungen besitzt insbesondere drei Phasen. Diese werden insbesondere von drei Wechselrichtern mit jeweils einem Strom versorgt. Vorteilhaft kann die Drehfeldmaschine somit auch bei einem Ausfall einer Phase weiter betrieben werden. In diesem Fall kann insbesondere der ausgefallene Strom durch die zweite Energieversorgung erzeugt werden. Durch diese verfahrensgemäße Erweiterung des Fehlerbetriebs auf Fehlerzustände der Drehfeldmaschine ist das redundante Energieversorgungssystem nicht nur bezüglich seiner Energiequellen redundant, sondern auch bezüglich der entsprechenden Antriebskomponenten der Drehfeldmaschine.
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Die einzelnen Weiterbildungen und nachfolgenden Ausführungsformen können vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt teilweise schematisiert:
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1 eine redundante Energieversorgung nach betriebsinterner Praxis;
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2: ein redundantes Energieversorgungssystem nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 ein redundantes Energieversorgungssystem nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 ein Verfahren zum Betreiben eines redundanten Energieversorgungssystems nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 illustriert eine redundante Energieversorgung 1 für sicherheitskritische Verbraucher V eines Kraftfahrzeugs nach betriebsinterner Praxis der Anmelderin. Die redundante Energieversorgung besteht aus einer ersten Energieversorgung E1, welche eine 12 V-Niederspannungsquelle aufweist. Darüber hinaus besteht die redundante Energieversorgung aus einer zweiten Energieversorgung E2, die parallel zur ersten Energieversorgung E1 verschaltet ist und ebenfalls eine 12 V-Spannung bereitstellt. Beide Energieversorgungen sind jeweils an einen Spannungswandler 12 V–48 V angeschlossen, welche die 12 V-Ausgangsspannung der Energiequellen jeweils auf 48 V-Ausgangsspannung transformieren und an einem 48 V-Bordnetz Uout bereitstellen. Dadurch können sicherheitskritische Verbraucher V betrieben werden, welche eine 48 V-Versorgungsspannung benötigen. Nachteilig an dieser Struktur ist, dass für die zweite Energieversorgung, welche nur in Fehlersituationen benötigt wird, ein kompletter Spannungswandler vorgehalten werden muss. Dies begründet Bauteilkosten. Außerdem muss entsprechend mehr Raum im Inneren des Fahrzeugs vorgesehen werden.
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2 illustriert ein redundantes Energieversorgungssystem 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Wie bei der redundanten Energieversorgung 1 umfasst das redundante Energieversorgungssystem 10 zwei parallel geschaltete Energieversorgungen, die Energie für sicherheitskritische Verbraucher V eines Kraftfahrzeugs bereitstellen. Eine erste Energieversorgung E1 wird aus einer 12 V-Energiequelle gespeist. Dies kann insbesondere ein 12 V-Klauenpolgenerator sein. Diese Energieversorgung stellt eine Standardenergieversorgung aus einem 12 V-Bordnetz dar. Sie umfasst einen Spannungswandler 12 V–48 V, welcher die Spannung auf 48 V transformiert. Dadurch kann durch eine relativ gefahrlose Niederspannungsenergiequelle ein 48 V-Bordnetz Uout betrieben werden. Die erste Energieversorgung E1 kann insbesondere dazu dienen ein 48 V-Bordnetz in einem Normalbetrieb zu betreiben. Des Weiteren umfasst das redundante Energieversorgungssystem eine zweite Energieversorgung E2, welche ebenfalls von einer 12 V-Energiequelle UinF gespeist wird. Diese kann insbesondere eine Batterie umfassen. Um die Spannung auf 48 V zu transformieren nutzt die zweite Energieversorgung E2 allerdings keinen weiteren, zusätzlichen Spannungswandler. Vielmehr umfasst die Energieversorgung eine der Phasen einer Drehfeldmaschine M. Jede Phase der Drehfeldmaschine M umfasst eine Wicklung W1 zur Generierung des Magnetfelds und einen Umrichter WR1, welcher aus zwei MOSFETs besteht. Die Drehfeldmaschine M wird aus einer weiteren Energiequelle UinN gespeist, denn sie ist kein sicherheitskritischer Verbraucher. Die Phase ist relativ zur Energiequelle der zweiten Energieversorgung E2 so angeordnet, dass sie einen Hochsetzsteller für die aus dieser Energiequelle bereitgestellte Spannung wirkt. Am Ausgang Uout des Hochsetzstellers dann liegen 48 V an. Dieser Ausgang stellt auch gleichzeitig den Ausgang Uout der zweiten Energieversorgung E2 dar. Der Ausgang ist parallel zum 48 V-Ausgang der ersten Energieversorgung E1 geschaltet, wodurch sicherheitskritische 48 V-Verbraucher V betrieben werden können.
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3 illustriert ein redundantes Energieversorgungssystem 100 nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Im Vergleich zu dem redundanten Energieversorgungssystem 10 wird die Drehfeldmaschine M standardmäßig von der ersten Energieversorgung E1 betrieben, welche an den Strompfad der Umrichter angeschlossen ist. Die Energiequelle der zweiten Energieversorgung E2 ist darüber hinaus über einen Schalter S, in diesem Fall einem MOSFETS, mit einem Sternpunkt SP verbunden. An dem Sternpunkt SP sind alle drei Wicklungen W1, W2, W3 der drei Phasen der Drehfeldmaschine M miteinander verbunden. Alternativ kann die Drehfeldmaschine auch mehr als drei, insbesondere sechs oder zwölf, Phasen aufweisen, so dass sie sechs bzw. zwölf Wicklungen W1, W2, W3, ..., Wn und sechs bzw. zwölf Wechselrichter WR1, WR2, WR3, ..., WRn umfasst. Durch den Sternpunkt SP kann über den Steuereingang des MOSFETS eine Verbindung zwischen der Energiequelle der zweiten Energieversorgung E2 und den Phasen der Drehfeldmaschine M sowie dem Ausgang Uout der zweiten Energieversorgung E2 erfolgen. Das redundante Energieversorgungsystem 100 umfasst eine Steuerung Ctrl, welche einen Ausfall der ersten Energieversorgung E1 erfassen kann und daraufhin den Schalter S so ansteuern kann, dass auf die zweite Energieversorgung E2 umgeschaltet wird, indem diese mit dem Sternpunkt SP elektrisch verbunden wird. Im Fehlerfall, also bei Ausfall der ersten Energieversorgung E1, kann über den Schalter S die zweite Energieversorgung E2 auch zum Betreiben der Drehfeldmaschine M verwendet werden. Denn die Drehfeldmaschine M dient einem servounterstützten Lenksystem und kann wegen der hohen Spitzenlast, welche ein solches Lenksystem erfordert, nicht direkt aus dem 12 V-Bordnetz betrieben werden. Die Drehfeldmaschine M generiert sich somit ihre 48 V-Versorgungsspannung selber. Durch diese Ausführungsform kann die Drehfeldmaschine M, welche die Bauteile für das redundante Energieversorgungssystem liefert, selbst als sicherheitskritischer Verbraucher V durch das redundante Energieversorgungssystem betrieben werden.
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4 illustriert ein Verfahren zum Betreiben des redundanten Energieversorgungssystems 100 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Im Normalbetrieb N wird durch die erste Energieversorgung E1 ein Betrieb eines oder mehrere sicherheitskritischer 48 V-Verbraucher ermöglicht. Die zweite Energieversorgung E2 ist nicht mit dem 48 V-Bordnetz verbunden, da der Schalter S eine Verbindung zwischen der Energiequelle UinF der zweiten Energieversorgung E2 und dem Sternpunkt SP unterbricht. Bei Erfassen eines Fehlers in der erste Energieversorgung E1 wird der Schalter S betätigt, so dass das 48 V-Bordnetz durch die zweite Energieversorgung E2 betrieben werden kann. Das redundante Energieversorgungssystem 100 wird dann in einem Fehlerbetrieb F betrieben. Zusätzlich kann die erste Energieversorgung E1 vom 48 V-Bordnetz getrennt werden, so dass sich insbesondere dadurch keine negativen Rückkopplungen ergeben.
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Nach einer nicht dargestellten Weiterbildung kann die zweite Energieversorgung E2 auch bei einem Ausfall einer Phase der Drehfeldmaschine M mit dem 48 V-Bordnetz verbunden werden, so dass die Drehfeldmaschine in diesem weiteren Fehlerbetrieb durch die erste Energieversorgung E1 und die zweite Energieversorgung E2 betrieben wird.
