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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Bordnetzes und ein solches Bordnetz. Das Bordnetz ist dafür eingerichtet, in einem Kraftfahrzeug eingesetzt zu werden.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz ist insbesondere im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, wie bspw. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Zu beachten ist, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug stetig steigt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zukünftig bei einem hochautomatischen Fahren fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig sein sollen. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden. Daher besitzt bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher in Kraftfahrzeugen nicht gekannte Sicherheitsrelevanz. Fehler im elektrischen Bordnetz müssen daher zuverlässig und möglichst vollständig erkannt werden.
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Unter einem hochautomatischen Fahren, das auch als hochautomatisiertes Fahren bezeichnet wird, ist ein Zwischenschritt zwischen einem assistierten Fahren, bei dem der Fahrer durch Assistenzsysteme unterstützt wird, und einem autonomen Fahren, bei dem das Fahrzeug selbsttätig und ohne Einwirkung des Fahrers fährt, zu verstehen. Beim hochautomatischen Fahren verfügt das Fahrzeug über eine eigene Intelligenz, die vorausplant und die Fahraufgabe zumindest in den meisten Fahrsituationen übernehmen könnte. Daher hat bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine hohe Sicherheitsrelevanz.
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Bei Bordnetz-Fehlern in Quellen, Speichern und Verbrauchern spielt auch der Kabelbaum eine Rolle. Im Kabelbaum und Steckern können einerseits Fehler wie Unterbrechungen und Kurzschlüsse auftreten, andererseits können auch Übergangswiderstände erhöht sein. Hierfür gibt es in heutigen Fahrzeugen keine Diagnosen. Hingegen ist es bereits bekannt, die Bordnetzspannung innerhalb von Komponenten zu messen. Sowohl die elektrische Lenkung, das ESP, als auch andere Steuergeräte messen dabei die Klemmenspannung. Darauf wird das Betriebsverhalten der Komponenten angepasst. Dies erfolgt bspw. durch Abschaltung oder Degradierung der Funktion bei Unterspannung, z. B. weniger als 9 V, oder bei Überspannung, bspw. mehr als 16 V.
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Weiterhin ist bekannt, dass ein Batteriesensor EBS die Klemmenspannung und den Batteriestrom der elektrischen Bleibatterie misst, um bspw. über die Ruhespannung auf den Ladezustand der Batterie zu schließen.
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In der Druckschrift
WO 2010/121075 A2 ist ein Verfahren zum Erfassen von Fehlern in einer Schaltungsanordnung beschrieben. Bei diesem werden die Zellspannungen einer Hochvolt-Batterie dazu genutzt, um aus dem Vergleich mit einer zweiten Spannung an einem Punkt in dem Kabelbaum während eines definierten Laststroms auf Übergangswiderstände im Hochvolt-Bordnetz und in den Zellverbindungen zu schließen. Sind die Übergangswiderstände zu hoch, sollen Lade- bzw. Entladeströme begrenzt werden, um thermische Überhitzung zu vermeiden.
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In der Druckschrift ist nicht beschrieben, die Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher im Niedervoltbordnetz sicherzustellen. Weiterhin wird bei dieser die zweite Spannung an einem Punkt in dem Kabelbaum gemessen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Bordnetz gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Es wird somit ein Verfahren zum Überwachen eines Bordnetzes beschrieben, bei dem Informationen zu Klemmenspannung in Vergleich zu Versorgungsspannung einer Energieversorgung, typischerweise einer Batterie, mit Informationen zu einem Stromfluss zusammengeführt und ausgewertet werden, um auf diese Weise einen Übergangswiderstand bzw. einen Leitungswiderstand zu berechnen. Auf diese Weise können erhöhte Übergangswiderstände, die zu Problemen führen können, rechtzeitig erkannt werden und ggf. das Bordnetz auf einen anderen Kanal umgeschaltet werden.
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Bei dem Verfahren wird ein Strom berücksichtigt, der in die Komponente fließt. Dieser kann in der Komponente, in einem Sensor der Energieversorgung, wie bspw. einem Batteriesensor, oder in einer anderen zwischengeschalteten Komponente, wie bspw. einer Sicherung oder einem Stromverteiler, gemessen werden.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, die Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher im Niedervoltbordnetz sicherzustellen. Insbesondere unterscheidet sich das Verfahren von dem in der genannten Druckschrift beschriebenen Verfahren dahingehend, dass die zweite Spannung nicht an einem Punkt in dem Kabelbaum gemessen wird.
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Ist eine sicherheitsrelevante Komponenten wie das ESP in Ruhe, so liegt an der Klemme des ESP weiterhin die nominale Bordnetzspannung an. Wird der sicherheitsrelevante Verbraucher dagegen eingeschaltet und benötigt einen insbesondere hohen Strom, wie bspw. bei einem Pumpenanlauf, stellt sich durch hohe Übergangswiderstände im Stecker, im Kabel oder bei der Masseanbindung ein unzulässiger Spannungsabfall ein, nämlich ΔU = R·I. (1)
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Dieser kann dazu führen, das Spannungsschaltschwellen einer Komponente unterschritten werden und sich eine Komponente somit aufgrund einer Unterspannung in dem Moment abschaltet, in dem diese benötigt wird.
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Diese Übergangswiderstände müssen daher vorbeugend erkannt werden, um ggf. automatische Fahrfunktionen zu sperren, wenn sicherheitsrelevante Verbraucher wegen Defekten in Kabelbaum nicht zuverlässig funktionieren.
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Die vorgeschlagene Anordnung ist dazu eingerichtet, ein Verfahren der beschriebenen Art durchzuführen. Die Anordnung kann in einem Steuergerät integriert bzw. als Softwarelösung in diesem implementiert sein. Die Anordnung kann auch als Steuergerät ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Bordnetz.
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2 zeigt das Bordnetz aus 1 mit Fehlermöglichkeiten.
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3 zeigt eine weitere Ausführung eines Bordnetzes.
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4 zeigt eine Ausführung eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers in
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5 zeigt eine Ausführung eines Bordnetzes.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt schematisch und stark vereinfacht ein Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt einen Starter 12, einen ersten Leitungswiderstand 14, einen zweiten Leitungswiderstand 16, einen dritten Leitungswiderstand 18, einen vierten Leitungswiderstand 20, eine Bleibatterie 22, einen fünften Leitungswiderstand 24, einen Batteriesensor 26, einen sechsten Leitungswiderstand 28, einen Sicherungskasten 30 mit einer ersten Sicherung 32, einer zweiten Sicherung 34, einer dritten Sicherung 36 und einer vierten Sicherung 38, einen siebten Leitungswiderstand 40, eine Grundlast 42, einen achten Leitungswiderstand 44, einen neunten Leitungswiderstand 46, ein ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) 48, einen zehnten Leitungswiderstand 50, einen elften Leitungswiderstand 52, eine EPS (Elektronische Lenkunterstützung bzw. Power Steering) 54, einen zwölften Leitungswiderstand 56, einen dreizehnten Leitungswiderstand 58, einen Generator 60 und einen vierzehnter Leitungswiderstand 62. Leitungswiderstände sind somit sowohl in Versorgungsleitungen als auch in Masseleitungen eingezeichnet.
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2 zeigt das Bordnetz aus 1, wobei zusätzlich beispielhaft eine Auswahl von Fehlermöglichkeiten hinsichtlich Übergangswiderständen verdeutlicht sind. Die eingetragenen Blitze und die umkreisten Nummern 1 bis 7 bezeichnen Stellen, an denen bspw. erhöhte Leitungswiderstände auftreten können:
- 1. An der Leitung von der Bleibatterie 22 zum Sternpunkt.
- 2. An der Leitung zum Sicherungskasten 30, der auch als Stromverteiler dient. Dabei ist zu beachten, dass im Fahrzeug üblicherweise mehrere Stromverteiler und Unterverteiler verbaut sind.
- 3. Im Sicherungskasten 30, einschließlich interner Leitungen, Sicherungshaltern, Schmelzsicherungen usw.
- 4. In Kabeln zu den einzelnen Komponenten
- 5. In Steckern zu den einzelnen Komponenten. Erhöhte Übergangswiderstände können sowohl am Versorgungspin (+12V) als auch am Massepin bzw. Massekontakt auftreten.
- 6. In den Masseleitungen von der jeweiligen Komponente zum Massebolzen an der Karosserie bzw. zum Massepunkt, insbesondere bei Zweileiterbordnetzen.
- 7. Im Masseband der Bleibatterie 22 vom Minuspol der Bleibatterie 22 bzw. dem Batteriesensor 26 zum Massebolzen an der Karosserie bzw. zum Massepunkt, insbesondere bei Zweileiterbordnetzen.
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Zu beachten ist, dass in heutigen Bordnetzen keine Diagnosen zum systematischen Erkennen dieser Übergangswiderstände vorgenommen werden. Hier setzt die Erfindung an.
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Das vorgestellte Verfahren ermittelt die Leitungswiderstände über den Vergleich der Batteriespannung, die bspw. im Batteriesensor gemessen wird, und der Klemmenspannung an einem Aktor. Hierbei wird in zwei Zustände unterschieden, z. B.:
- 1) in Ruhe, bei Stromaufnahme nahe Null,
- 2) bei Belastung mit einem definiertem Strom.
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Nach dem ohmschen Gesetz wird sich bei einem erhöhten Übergangswiderstand ein Spannungsabfall, wenn der Strom einen definierten Wert erreicht, einstellen: U = R·I (2)
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Über den Vergleich der bei verschiedenen Zuständen gemessenen Spannungsabfälle kann somit der Leitungs- bzw. Übergangswiderstand gemessen werden, wenn der Strom bekannt ist. Der Strom kann bspw. vom Batteriesensor 26 gemessen werden.
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Das Messen bei zwei Zuständen bedeutet, dass bei einer ersten Stromaufnahme und bei einer zweiten Stromaufnahme gemessen wird. Die beiden Werte sollten signifikant voneinander abweichen.
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Ohne zusätzliche Bauelemente können damit gemäß vorstehend genannter Fehlerbilder und unter Berücksichtigung der 2
- – erhöhte Übergangswiderstände im Kabel, bspw. bedingt durch Korrosion,
- – erhöhte Übergangswiderstände in Steckern, Kontakten bzw. Trennstellen und
- – erhöhte Übergangswiderstände der Massekontaktierung, bspw. bedingt durch Korrosion des Masseband bzw. der Massepunkte an der Karosserie, erkannt werden.
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3 zeigt ein schematisch dargestelltes Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist, zur Verdeutlichung des beschriebenen Verfahrens. Auf der linken Seite ist eine Bleibatterie 102 mit einem Batteriesensor 104 abgebildet. Der Batteriesensor 104 umfasst einen Messwiderstand 106 sowie einen ASIC 108 und misst unter anderem den Batteriestrom I_EBS 110 und die Batteriespannung U_EBS 112. Zusätzlich kann dieser die Batterietemperatur messen und daraus u. a. den Ladungszustand der Bleibatterie 102 berechnen.
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Auf der rechten Seite ist ebenfalls sehr stark vereinfacht eine Bordnetzkomponente 120 dargestellt, die u. a. einen Motor 122, eine Ansteuerlogik 124, einen Schalter 126 und Sensorik 128 umfasst. Diese Bordnetzkomponente 120 kann beispielsweise das EPS, der iBooster, die elektrische Lenkung oder eine andere Komponente sein. Relevant ist eine schaltbare Last, die einen Stromfluss erzeugt, der sich zwischen passivem und aktivem Betrieb signifikant unterscheidet, wie bspw. bei mehr als 10 A.
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Auch innerhalb dieser Bordnetzkomponente 120 gibt es eine Messung der Versorgungsspannung gegen Masse. Weiterhin wird der Komponentenstrom I_ESP 130 gemessen. Auch dies ist bei einigen Komponenten bereits heute der Fall. In einer Ausführung des beschriebenen Verfahrens kann auf die Messung des Komponentenstroms I_ESP 130 verzichtet werden.
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Das Verfahren sieht unter Nutzung der bereits heute vorhandenen, vorstehend genannten Komponenten folgendes vor:
Wenn die Bordnetzomponente 120, z. B. das ESP, sich im Standby-Modus befindet, d. h. der Mikrocontroller aktiv ist, ohne dass der Motor 122 bestromt wird, werden vom Batteriesensor 104 die Batteriespannung U_BES 112 und der Batteriestrom I_BES 110 sowie die Klemmenspannung und ggf. der Komponentenstrom in der Bordnetzkomponente 120 gemessen. Der anschließende Vergleich findet bei einer Ausführung in der Bordnetzkomponente 120 statt, indem die Messwerte vom Batteriesensor 104 zur Bordnetzkomponente 120 übertragen werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführung eines Bordnetzes, das insgesamt mit Bezugsziffer 200 bezeichnet ist und weitgehend der Ausführung aus 3 entspricht. Entsprechend sind gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugsziffer versehen. Zusätzlich ist noch ein Energiemanagementsystem 210 vorgesehen. Bei dieser alternativen Lösung ist auch ein Übertragen zu einem anderen Steuergerät oder zu einer anderen Bordnetzkomponente möglich. Die Wertepaare, nämlich jeweils die Batteriespannung U_BES 112 und der Batteriestrom I_BES 110, werden abschließend gespeichert.
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Sobald die Bordnetzkomponente 120 aktiv ist, werden die gleichen Messwerte aufgenommen. Die Bordnetzkomponente 120 kann für einen Selbsttest aktiviert werden, bei dem auch der Kabelbaum durch das dargestellte Verfahren geprüft wird. Es kann auch gewartet werden, bis die Komponente durch Benutzung aktiv ist. Dies wird als passive Diagnose bezeichnet. Von Bedeutung ist, dass ein definierter Strom über die Bordnetzkomponente 120 fließt.
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Zur Verdeutlichung des beschriebenen Verfahrens werden nachfolgend zwei Fälle näher betrachtet:
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Fall A)
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Hierfür ist es zweckmäßig, den Komponentenstrom zu messen. Aus den beiden Spannungsmesswerten und dem Komponentenstrom kann der Widerstand im Kabelbaum ermittelt werden und mit Schwellenwerten geprüft werden. Dabei ist jedoch zweckmäßig, wenn die Bordnetzkomponente nur aus der Bleibatterie versorgt wird, da dann die gesamte Kette geprüft werden kann.
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Die Trennschärfe der Diagnose sinkt, wenn die betreffende Komponente aus dem Generator (1, Bezugsziffer 60) und der Batterie (1, Bezugsziffer 22) versorgt wird.
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In einer Ausführung des Verfahrens ist ein Vergleich mit früheren Werten, die gespeichert wurden, zweckmäßig, um ggf. eine kontinuierliche Verschlechterung zu bemerken oder um mit der Referenz zum Neuzustand zu vergleichen.
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In einer weiteren Ausführung kann auf die Strommessung in der Komponente verzichtet werden, wenn dieser anhand der Änderung des Batteriestroms I_EBS ermittelt wird. Dazu muss die Komponente aus der Batterie versorgt werden und gleichzeitig mit der Aktivierung der Komponente die Änderung des Batteriestroms verfolgt werden. Aus der Änderung des Batteriestroms beim Ein- und Ausschalten der Komponente kann auf den Strom in die Komponente geschlossen werden.
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Fall B)
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Es wird hierzu auf 5 verwiesen, die ein Bordnetz zeigt, das insgesamt mit der Bezugsziffer 300 versehen ist. Auf der linken Seite ist eine Bleibatterie 302 mit einem Batteriesensor 304 abgebildet. Der Batteriesensor 304 umfasst einen Messwiderstand 306 sowie einen ASIC 308 und misst unter anderem den Batteriestrom I_EBS 310 und die Batteriespannung U_EBS 312. Auf der rechten Seite ist ebenfalls sehr stark vereinfacht eine Bordnetzkomponente 320 dargestellt, die u. a. einen Motor 322, eine Ansteuerlogik 324 und einen Schalter 326 umfasst.
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In der dargestellten Ausführungsform ist eine elektronische Sicherung 340 vorgesehen, die in einer sogenannten electronic Power Distribution Unit 342 (elektronische Energieversorgungseinheit; ePDU) in den Kabelbaum, bspw. anstelle des Sicherungskastens, eingefügt ist.
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In dieser Ausführungsform wird die ePDU 342 dazu genutzt, den Komponentenstrom über geeignete Maßnahmen zu erfassen. Weiterhin kann die ePDU 342 dazu verwendet werden, um über das vorstehend beschriebene Verfahren den Fehler näher einzugrenzen, indem die Spannung an der ePDU 342 erfasst wird und sowohl mit der Komponentenspannung U_ESP als auch mit der Batteriespannung U_EBS verglichen wird.
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Fall C)
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Insbesondere bei Heizungen ist der Widerstandswert der Komponenten genau bekannt und definiert. Dieser Widerstandswert versursacht je nach Versorgungspannung, die von der Komponente gemessen wird, einen Stromfluss. Das bedeutet, dass bei diesen Komponenten mit definiertem Lastwiderstand in einer weiteren Ausführungsform der Strom rechnerisch ermittelt wird.
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Es wird somit über die jeweiligen Spannungsabfälle während und außerhalb der Komponentenansteuerung und über den Komponentenstrom dann der Kabelbaumwiderstand im Leitungssatz zur ePDU und zur Komponente erfasst.
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Zur Steigerung der Robustheit können die genannten Messungen mehrmals durchgeführt werden und die Messwerte gespeichert werden. Überschreitet der Kabelbaumwiderstand einen Schwellenwert, kann ein Fehlerspeichereintrag erzeugt werden, eine Warnlampe eingeschaltet werden oder sicherheitsrelevante Funktionen, wie bspw. automatisches Fahren, verboten werden.
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Die beschriebenen Diagnosen können einerseits während eines Fahrzyklus durchgeführt werden, bspw. einerseits wenn die Komponenten inaktiv und andererseits wenn die Komponenten aktiv sind, was als passive Diagnose bezeichnet wird.
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Die beschriebenen Diagnosen können in einer weiteren Ausführungsform vor einem Fahrzyklus bzw. zu Beginn eines Fahrzyklus durchgeführt werden, um Systeme vor Fahrtbeginn aktiv zu prüfen. Hierzu werden Komponenten gezielt angesteuert und beispielsweise gezielt aus der Batterie versorgt.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Diagnosen in einer Werkstatt durchgeführt werden, z. B. indem in regelmäßigen Intervallen der Kabelbaum und die elektrischen Speicher erfindungsgemäß geprüft werden.
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Auf diese Weise wird erreicht, dass für sicherheitsrelevante Fahrfunktionen das elektrische System des Fahrzeugs in ordnungsgemäßem Zustand ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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