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Zahlreiche Komponenten innerhalb eines Fahrzeugs erfordern eine elektrische Spannungsversorgung. Dies betrifft Komfortkomponenten wie Infotainmentsysteme gleichermaßen wie sicherheitsrelevante Systeme wie Beleuchtung und Fahrerassistenzsysteme. Insbesondere bei fortschreitender Automatisierung des Fahrzeugs bestehen Komponenten, die zum autonomen oder teilautonomen Betrieb des Fahrzeugs erforderlich sind, beispielsweise elektrische Lenksysteme. Weiterhin sind durch die fortschreitende Elektrifizierung des Fahrzeugs zunehmend Komponenten an Bord, die bislang mechanisch betriebene Komponenten ersetzen oder redundant zu diesen vorgesehen werden müssen. Ein Beispiel hierfür sei der elektrische Bremskraftverstärker genannt, der in Hybridfahrzeugen und in Elektrofahrzeugen vorgesehen sind, da bei Elektrofahrzeugen und bei Hybridfahrzeugen im elektrischen Fahrmodus kein Unterdruck von einem aktiven Verbrennungsmotor zu Verfügung gestellt werden kann.
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Die fortschreitende Elektrifizierung wirft daher zusätzliche Sicherheitserfordernisse auf, die sich in der Spannungsversorgung wiederspiegeln müssen. Bei redundant vorzusehenden Komponenten erfordert dies auch eine redundante Stromversorgung, um bei Ausfall einer Stromversorgungskomponente zumindest einen Hilfsbetrieb zu ermöglichen.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 222 544 A1 betrifft ein Bordnetz mit zwei zueinander redundanten Verbrauchern, die über zwei verschiedene Kanäle über ein Teilbordnetz verbunden sind.
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In der Druckschrift
DE 10 2014 203 752 A1 ein Verfahren zur Regelung der Querdynamik eines Fahrzeugs beschrieben, wobei eine elektrische Lenkung gemäß einer Solltrajektorie angesteuert wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 031 270 A1 zeigt ein Steuergerät zur Absicherung des Ausfalls einer Schaltvorrichtung, wobei ein Schaltelement einer Eingangsspannung direkt auf einer Ausgangsspannung durchschaltet, wenn kein Signal empfangen wird.
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Ferner werden in Bordnetzen Komponenten eingesetzt, die mit einer Betriebsspannung von 12 V arbeiten, wobei ferner in jüngerer Zeit auch Komponenten eingesetzt werden, die eine höhere Betriebsspannung von 48 V verwenden. Es besteht eine Aufgabe darin, sowohl 12 V Komponenten als auch 48 V Komponenten (allgemein Komponenten unterschiedlicher Betriebsspannung bzw. Komponenten in unterschiedlichen Bordnetzzweigen) möglichst sicher zu versorgen, wobei diese Aufgabe vor dem Hintergrund der Wirtschaftlichkeit steht und somit möglichst kostengünstig gelöst werden sollte.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1. Weiter Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der 1.
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Es wird ein Fahrzeugbordnetz vorgeschlagen, das einen ersten Bordnetzzweig und einen zweiten Bordnetzzweig aufweist. Zwischen diesen Bordnetzzweigen ist ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der die Bordnetzzweige verbindet. Der DC/DC-Wandler (der auch als Gleichspannungswandler bezeichnet wird) verbindet die beiden Bordnetzzweige spannungswandelnd. Der DC/DC-Wandler ist mit einer ersten und mit einer zweiten Seite vorgesehen, wobei die erste Seite mit dem ersten Bordnetzzweig und die zweite Seite mit dem zweiten Bordnetzzweig verbunden sind. Die erste Seite dient somit zur Versorgung des ersten Bordnetzzweiges und die zweite Seite dient zur Versorgung des zweiten Bordnetzzweigs, wobei der DC/DC-Wandler eine Energieübertragung zwischen den Bordnetzzweigen ermöglicht.
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In dem ersten Bordnetzzweig, in dem zweiten Bordnetzzweig oder in beiden Bordnetzzweigen ist (jeweils) eine elektrisch betriebene Komponente vorgesehen. Diese weist einen ersten Aktuator und einen zweiten, hierzu redundanten Aktuator auf. Beide Aktuatoren wirken auf dasselbe Element. Beispielsweise können beide Aktuatoren mechanisch gekoppelt sein, etwa indem diese auf die gleiche Welle oder die gleiche Stange oder auf das gleiche Getriebe wirken. Beispiele hierfür sind zwei Aktuatoren, die beide auf die gleiche Lenkerwelle oder lenkbare Radaufhängung wirken. Fällt ein Aktuator aus, so kann der andere Aktuator (wenn auch mit reduzierter Leistung) die Funktion der betreffenden Komponente aufrechterhalten. Ein weiteres Beispiel ist eine elektrische Bremskraftverstärkerpumpe, wobei die beiden Aktuatoren jeweils elektrische Maschinen sind bzw. Elektromotoren, die auf die gleiche Antriebswelle der Pumpe wirken. Hierbei können die Aktuatoren direkt auf der gleichen Welle sitzen oder auf der gleichen Stange, können jedoch auch durch ein Getriebe funktionell vereinigt werden, um so gemeinsam eine Welle, ein Getriebe, oder ein Gestänge anzutreiben.
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Es kann alternativ oder in Kombination hierzu eine Komponente verwendet werden, die zwei zueinander redundante Geräte aufweist, beispielsweise einen 12 V und einen 48 V Eingang oder zwei Eingänge mit der gleichen Nennspannung. Daher kann die Komponente zwei Geräte aufweisen. Die Geräte bieten zumindest eine gemeinsame Funktion, etwa die Umfelderfassung. Die Geräte können ein LIDAR oder eine elektronische Kamera sein. Die Komponente kann ein Umfelderfassungssystem oder ein Fahrerassistenzsystem sein.
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Liegt an einem Versorgungsspannungseingang eines der Geräte ein Kurzschluss vor oder keine Spannung, so ist die Komponente eingerichtet, zumindest eine Funktion mit dem Gerät durchzuführen. Da die mehreren Geräte der Komponente eine Funktion ausüben, sollen diese hierin als Aktuatoren bezeichnet werden, insbesondere da die Geräte Information wandeln, entsprechend einer Wandlung von Energie durch Aktuatoren. Wie die Aktuatoren ermöglichen die Geräte der Komponente jedoch einen redundanten Betrieb. Die Komponente kann beispielsweise ein Fahrerassistenzsystem sein, etwa ein LIDAR oder eine elektronische Kamera. Die Komponente ist eingerichtet, die Informationen der beiden Geräte zu einer gemeinsamen Information zusammenzuführen (etwa eine gemeinsame Übersicht über das Umfeld), sofern kein Fehler vorliegt. Liegt ein Fehler vor, dann wird ein Gerät der Komponente betrieben. Beide Geräte können im gleichen Bordnetzzweig vorgesehen sein, getrennt durch eine Trennschaltervorrichtung. Beide Geräte können ferner in unterschiedlichen Bordnetzzweigen angeordnet sein. Die Anordnung eines Geräts oder eines Aktuators in einem Bordnetzzweig bedeutet insbesondere, dass dieses Gerät oder dieser Aktuator von diesem Bordnetzzweig versorgt wird. Im Weiteren wird der hier erwähnte Gegenstand mithilfe von Aktuatoren beschrieben, wobei anstatt der Aktuatoren auch wie erwähnt Geräte einer Komponente verwendet werden können, deren Funktion sich zumindest teilweise überschneidet (und die hinsichtlich dieser Funktion redundant sind). Die Geräte können in gleicher Weise wie die hier erwähnten Aktuatoren angeschlossen sein.
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Der erste Aktuator ist direkt mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Insbesondere ist dieser schalterlos mit einer Seite des DC/DC-Wandlers verbunden. Der zweite Aktuator ist über eine ansteuerbare Trennschaltervorrichtung mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Die Trennschaltervorrichtung ist Teil des Fahrzeugbordnetzes. Ist daher der DC/DC-Wandler in einem Fehlerzustand und muss abgetrennt werden mittels der Trennschaltervorrichtung, so verbleibt der zweite Aktuator, da dieser von dem fehlerhaften Wandler abgetrennt ist und durch dessen Feder nicht beeinflusst ist. Dieser kann dann mit dem betreffenden Bordnetzzweig (das heißt dem verbleibenden Anteil) betrieben werden. Ist nur im ersten Bordnetzzweig eine derartige Komponente vorgesehen, so gilt dies für den ersten Aktuator, der direkt mit der ersten Seite des DC/DC-Wandlers verbunden ist und für den zweiten Aktuator, der über eine ansteuerbare Trennschaltervorrichtung des ersten Bordnetzzweigs mit dem DC/DC-Wandler (das heißt mit dessen erster Seite) verbunden ist. Umfasst der zweite Bordnetzzweig eine entsprechende Komponente, so ist dessen erster Aktuator direkt mit dem DC/DC-Wandler (mit der zweiten Seite) verbunden, während der zweite Aktuator über eine ansteuerbare Trennschaltervorrichtung des zweiten Bordnetzes mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist, insbesondere mit dessen zweiter Seite. Weisen der erste und der zweite Bordnetzzweig jeweils eine derartige Komponente auf, so ist jeweils der erste Aktuator direkt mit dem DC/DC-Wandler verbunden und der jeweils zweite Aktuator ist über eine jeweilige Trennschaltervorrichtung mit dem DC/DC-Wandler verbunden. Für die Komponente oder die Komponenten gilt, dass der erste und der zweite Aktuator über die jeweilige Trennschaltervorrichtung gekoppelt ist (wenn der Trennschalter geschlossen ist), sodass der erste Aktuator vom zweiten Aktuator hinsichtlich der Stromversorgung getrennt werden kann, indem die Trennschaltervorrichtung geöffnet wird. Die Trennschaltervorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Aktuator der Komponente im ersten Bordnetzzweig ist Teil des ersten Bordnetzzweiges. Die Trennschaltervorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Aktuator der Komponente im zweiten Bordnetzzweig ist Teil des zweiten Bordnetzzweigs. Die Trennschaltervorrichtung befindet sich insbesondere in einer Potentialschiene des Fahrzeugbordnetzes, insbesondere in einer positiven Potentialschiene.
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Es ist eine ansteuerbare Überbrückungsschaltervorrichtung vorgesehen, die den DC/DC-Wandler (d.h. dessen beide Seiten) überbrückt. Hierbei verbindet die Überbrückungsschaltervorrichtung die erste Seite des DC/DC-Wandlers mit der zweiten Seite des DC/DC-Wandlers in steuerbarer Weise. Die Überbrückungsschaltervorrichtung ist somit parallel zu den beiden Seiten des DC/DC-Wandlers angeschlossen. Dies ermöglicht etwa bei Ausfall des Wandlers, dass Energie über die Überbrückungsschaltervorrichtung übertragen werden kann zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetz. Eine im Weiteren dargestellte Ausführungsform sieht einen Generator in einer der beiden Bordnetzzweige vor, der Energie für den anderen Bordnetzzweig erzeugen kann, wobei die Überbrückungsschaltervorrichtung geschlossen ist, um diese Energie vom ersten zum zweiten Bordnetzzweig zu übertragen, da eine Übertragung über den DC/DC-Wandler (aufgrund der Fehlfunktion) nicht möglich ist.
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Zudem kann die Trennschaltervorrichtung im ersten Bordnetzzweig, im zweiten Bordnetzzweig oder in beiden Bordnetzzweigen zwei zueinander serielle Schaltelemente aufweisen. Diese sind vorzugsweise einzeln ansteuerbar. Daher sind die Schaltelemente in der Trennschaltervorrichtung redundant vorgesehen, sodass bei Ausfall eines Schaltelements (etwa bei Dauerkurzschluss) das andere Schaltelement die Trennung durchführen kann. Die Überbrückungsschaltervorrichtung weist zwei zueinander serielle Schaltelemente auf. Auch diese sind vorzugsweise einzeln ansteuerbar. Hier ist die Überbrückungsschaltervorrichtung ebenso redundant hinsichtlich der Schaltelemente ausgestaltet, sodass bei Ausfall eines Schaltelements das andere die Abtrennung durchführen kann. Die hier beschriebenen Schaltelemente sind vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren wie MOSFETs oder IGBTs. Falls der Halbleiterschalter eine Body-Diode (auch als „Inversdiode“ bezeichnet) aufweist, das heißt eine Diode, welche herstellungsbedingt vorgesehen ist und die Strompfadanschlüsse miteinander verbindet, dann sind die Halbleiterschalter einer Schaltervorrichtung antiseriell miteinander verbunden. Mit dem Begriff antiseriell wird die entgegengesetzte Durchlassrichtung dieser Body-Dioden bezeichnet.
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Die Überbrückungsschaltervorrichtung bzw. die Trennschaltervorrichtung sind ansteuerbare Vorrichtungen, das heißt können den Schaltzustand gemäß einem Steuer-Eingangssignal ändern. Dadurch gehen die Schaltervorrichtungen bzw. deren Schaltelemente über einen Sicherungsautomaten oder über eine Schmelzsicherung hinaus, da die Schaltervorrichtungen durch ein äußeres Signal steuerbar sind. Dieses Steuersignal kann auch dazu dienen, eine andere Bordnetzkonfiguration einzustellen.
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Der erste Bordnetzzweig kann einen Energiespeicher aufweisen. Dies trifft auch für den zweiten Bordnetzzweig zu, wobei insbesondere beide Bordnetzzweige einen Energiespeicher aufweisen können. Zwischen dem jeweiligen Energiespeicher und dem DC/DC-Wandler bzw. dessen betreffende Seite ist vorzugsweise die Trennschaltervorrichtung bzw. eine der Trennschaltervorrichtungen vorgesehen. Dadurch kann der betreffende Bordnetzzweig über die Trennschaltervorrichtung abgetrennt werden, um so nicht durch Fehler im DC/DC-Wandler beeinträchtigt zu werden, während ferner der Energiespeicher zumindest für einen Teil dieses Bordnetzzweigs als Stromversorgung dienen kann. Dadurch ist der Betrieb der betreffenden Komponente bzw. dessen Aktuator (insbesondere der zweite Aktuator) gewährleistet. Zwischen dem zweiten Aktuator und dem Energiespeicher besteht eine direkte Verbindung, insbesondere eine Verbindung, die keine der Trennschaltervorrichtungen umfasst.
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Vom DC/DC-Wandler aus gesehen ist der erste Aktuator bzw. sind die ersten Aktuatoren die „inneren“ Aktuatoren, währen der zweite Aktuator bzw. die zweiten Aktuatoren die „äußeren“ Aktuatoren sind. Die ersten Aktuatoren sind direkt mit dem DC/DC-Wandler verbunden, während die zweiten Aktuatoren, das heißt die vom DC/DC-Wandler aus gesehen äußeren Aktuatoren, über die betreffende Trennschaltervorrichtung mit dem DC/DC-Wandler verbunden sind.
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Die Bordnetzzweige können unterschiedliche Nennspannungen aufweisen. So kann beispielsweise der erste Bordnetzzweig eine niedrigere Nennspannung aufweisen als der zweite Bordnetzzweig. Der erste Bordnetzzweig kann beispielsweise ein Bordnetzzweig mit einer Nennspannung von 12, 13 oder 14 V sein, oder auch von 24 V. Der zweite Bordnetzzweig kann eine Nennspannung von 48 V aufweisen oder auch eine Nennspannung größer als 48 V. Die Nennspannung des ersten und/oder des zweiten Bordnetzes beträgt vorzugsweise nicht mehr als 60 V. Die Nennspannung des ersten und/oder des zweiten Bordnetzes beträgt vorzugsweise mindestens 1 V. In spezifischen Ausführungsformen ist die Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs mehr als 60V, beispielsweise mindestens 200 V, mindestens 350 V oder 400 V.
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Der zweite Bordnetzzweig kann einen Generator oder einen Startergenerator aufweisen. Dieser Generator kann beispielsweise eingerichtet sein, mit einem Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelt zu werden. Der Generator ist in der Lage, elektrische Energie zu erzeugen, wenn der Generator von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, oder wenn der Generator mit der kinetischen Energie des Fahrzeugs angetrieben wird (Rekuperation). Der Generator kann insbesondere ein Startergenerator aufweisen, der zwei Betriebsmodi aufweist, nämlich die Erzeugung von elektrischer Energie wie erwähnt und einen Motormodus, in dem der Startergenerator mit elektrischer Energie betrieben wird, etwa um den Verbrennungsmotor zu starten. Der Generator weist eine Steuerung auf, insbesondere einen Inverter. Der Inverter kann einen Eingang für eine Soll-Spannung aufweisen gemäß dem die vom Generator erzeugte Spannung eingestellt wird, insbesondere durch eine Regelung oder eine Steuerung. Der Inverter kann eingerichtet sein, eine Nennspannung zu erzeugen, die im Wesentlichen der Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs entspricht. Ferner ist der Inverter eingerichtet, in einem ersten Zustand eine Spannung zu erzeugen, die im Wesentlichen der Nennspannung im zweiten Bordnetzzweig entspricht, oder im zweiten Zustand eine Nennspannung zu erzeugen, die im Wesentlichen der Nennspannung im ersten Bordnetzzweig entspricht. Der Zustand wird von einer Steuerungsvorrichtung vorgegeben, insbesondere indem diese die Soll-Spannung an dem Eingang des Inverters vorgibt. Der Inverter hat somit eine einstellbare, wählbare oder variable Ausgangsspannung; insbesondere kann als Ausgangsspannung die Nennspannung des ersten Bordnetzes und die Ausgangsspannung die Nennspannung des zweiten Bordnetzes eingestellt werden.
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Das Fahrzeugbordnetz weist ferner eine Steuerungsvorrichtung auf, die mit den Schaltervorrichtungen verbunden ist. Diese kann einheitlich ausgeführt werden mit der Steuerung des Inverters, oder kann einer Steuerungsvorrichtung des Inverters übergeordnet sein und mit dieser ansteuernd verbunden sein. Die Steuerungsvorrichtung ist mit der Trennschaltervorrichtung insbesondere mit den Trennschaltervorrichtungen ansteuernd verbunden. Die Steuerungsvorrichtung ist eingerichtet, in einem Fehlerzustand des DC/DC-Wandlers die Trennschaltervorrichtung bzw. die Trennschaltervorrichtungen zu öffnen. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung eine Fehlererfassungseinheit umfassen, die beispielsweise einen Strom, eine Temperatur und/oder eine Spannung des DC/DC-Wandlers erfasst. Ferner kann die Steuerungsvorrichtung einen vom DC/DC-Wandler abgegebenen Fehlerzustand erfassen und dementsprechend die Trennschaltervorrichtung und Trennschaltervorrichtungen öffnen.
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Zudem ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die ansteuernd mit der Überbrückungsschaltervorrichtung verbunden ist. Diese kann gemeinsam mit der Steuerungsvorrichtung der Trennschaltervorrichtung oder Trennschaltervorrichtungen ausgebildet sein und kann ferner zudem einteilig mit der Steuerungsvorrichtung des Generators ausgebildet sein. Die Steuerungsvorrichtung der Überbrückungsschaltervorrichtung ist eingerichtet, in einem Fehlerzustand des DC/DC-Wandlers die Überberückungsschaltervorrichtung oder zumindest eine der Trennschaltervorrichtungen zu öffnen und ist hierzu auch ansteuernd mit diesem (direkt oder indirekt) verbunden. Ferner kann die Steuerungsvorrichtung der Überbrückungsschaltervorrichtung eingerichtet sein, sowohl die Überbrückungsschaltervorrichtung als auch die zumindest eine Trennschaltervorrichtung zu öffnen, wenn der Fehlerzustand vorliegt. Die Steuerungsvorrichtung ist somit ansteuernd mit der Überbrückungsschaltervorrichtung verbunden und ist zudem auch ansteuernd mit der Trennschaltervorrichtung verbunden sein. Die Steuerungsvorrichtung der Überbrückungsschaltervorrichtung ist hinsichtlich der Erfassung des Fehlerzustands des DC/DC-Wandlers ausgebildet, wie die Steuerungsvorrichtung der mindestens einen Trennschaltervorrichtung.
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Ferner besteht eine Steuerungsvorrichtung, die ansteuernd mit dem Inverter verbunden ist. Diese ist eingerichtet, den Inverter anzusteuern, eine Spannung entsprechend der Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs, des zweiten Bordnetzzweigs oder wählbar des zweiten oder des ersten Bordnetzzweigs abzugeben. Diese Steuerungsvorrichtung kann einheitlich mit den vorangehend genannten Steuerungsvorrichtungen der Schaltervorrichtungen ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Steuerungsvorrichtung ferner eingerichtet, die Trennschaltervorrichtung im zweiten Bordnetzzweig zu öffnen und die Trennschaltervorrichtung im ersten Bordnetzzweig gemäß einem geschlossenen Zustand anzusteuern. Die Steuerungsvorrichtung ist ferner eingerichtet, die Überbrückungsschaltervorrichtung gemäß einem geschlossenen Zustand anzusteuern. Die Steuerungsvorrichtung ist eingerichtet, die Schaltervorrichtung wie voran angegeben anzusteuern, wenn der DC/DC-Wandler in einem Fehlerzustand ist. Wie erwähnt kann die Steuerungsvorrichtung, die mit dem Inverter ansteuernd verbunden ist, einteilig mit den Steuerungsvorrichtungen oder der Steuerungsvorrichtung der Schaltervorrichtung ausgebildet sein.
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Alternativ kann die Steuerungsvorrichtung des Inverters mit einer übergeordneten Steuerungsvorrichtung verbunden sein, die ferner zumindest eine der Steuerungsvorrichtungen der Überbrückungsschaltervorrichtung ansteuern kann. Diese verteilte Steuerung, die hierarchisch gegliedert ist, kann von einem gemeinsamen Steuergerät realisiert sein, indem die entsprechenden Funktionen der betreffenden Steuerungsvorrichtungen abgebildet sind.
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Bei einer funktionsbezogenen Betrachtung der Erfindung ist die tatsächliche Realisierung der Steuerungsvorrichtungen zweitrangig, sofern ein einzelnes Gerät oder mehrere Steuereinheiten vorliegen, die diese Funktionen realisieren. Daher kann allgemein das Fahrzeugbordnetz auch zur Steuerung der Trennschaltervorrichtung, der Trennschaltervorrichtungen, der Überbrückungsschaltervorrichtung und des DC/DC-Wandlers eingerichtet sein, wobei in einem Fehlerfall des DC/DC-Wandlers die Trennschaltervorrichtung im zweiten Bordnetzzweig geöffnet wird und die Trennschaltervorrichtung im ersten Bordnetzzweig geschlossen wird, und die Überbrückungsschaltervorrichtung geschlossen ist. Dadurch wird ermöglicht, dass Energie vom Inverter über die Überbrückungsschaltervorrichtung vom ersten Bordnetzzweig in den zweiten Bordnetzzweig fließen kann; eine geschlossene erste Trennschaltervorrichtung ist hierbei nur optional, wobei diese im Fehlerfall auch geöffnet sein kann. Bei einer derartigen Versorgung des ersten Bordnetzzweigs durch den Startergenerator im zweiten Bordnetzzweig ist vorgesehen, dass der Inverter des Generators bzw. Startergenerators des zweiten Bordnetzzweigs an die Nennspannung im ersten Bordnetzzweig angepasst ist. Daher hat der Generator bzw. dessen Inverter die Eigenschaft, unterschiedliche Spannungen abzugeben. Im Normalfall (das heißt wenn der Fehlerfall nicht vorliegt) gibt der Generator die Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs aus, um den zweiten Bordnetzzweig zu versorgen. Im Fehlerfall ist der Generator bzw. dessen Inverter eingerichtet, die Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs abzugeben, um so vom zweiten Bordnetzzweig aus den ersten Bordnetzzweig zu versorgen. Hierbei ist der Startergenerator bzw. dessen Inverter über mindestens einen Schalter mit dem restlichen zweiten Bordnetzzweig verbunden, sodass dieser Schalter geöffnet werden kann, wenn der Fehlerzustand vorliegt. Dadurch wird eine Verbindung von Verbrauchern des zweiten Bordnetzzweigs (mit einer Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs) vom Startergenerator bzw. vom Generator abgetrennt, sodass dieser die Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs abgeben kann. Alternativ besteht kein Schalter zwischen Startergenerator bzw. Generator und einem der Aktuatoren (insbesondere dem ersten Aktuator) des zweiten Bordnetzzweigs. Dieser wird im Fehlerfall des DC/DC-Wandlers mit der (geringeren) Spannung des ersten Bordnetzzweigs versorgt, sodass dieser zwar nicht die volle Leistung erbringen kann, jedoch eine Leistung gemäß der Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs (mechanisch) abgeben kann. Ferner ist es möglich, dass die Komponente im Fehlerfall ausgeschaltet wird.
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Wie erwähnt ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, um die Schaltervorrichtungen anzusteuern (wobei als alternative Definition dieses Umstands auch vorgesehen sein kann, dass das Fahrzeugbordnetz zur Ansteuerung dieser Schaltervorrichtungen eingerichtet ist). Diese Steuerungsvorrichtung ist ansteuernd mit dem Inverter verbunden und ist eingerichtet, den Inverter anzusteuern, eine Spannung entsprechend der Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs abzugeben. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Fehlerzustand (des DC/DC-Wandlers) nicht vorliegt. Die Steuerungsvorrichtung ist ferner eingerichtet, die Trennschaltervorrichtung im zweiten Bordnetzzweig gemäß einem geschlossenen Zustand anzusteuern. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung in diesem Zustand eingerichtet, die Überbrückungsschaltervorrichtung gemäß einem offenen Zustand anzusteuern. In diesem Fall wird der DC/DC-Wandler nicht überbrückt und der Startergenerator ist mit den Komponenten des Bordnetzzweigs (insbesondere allen) verbunden.
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Wie vorangehend bemerkt, kann die Steuerungsvorrichtung den ersten Trennschalter und insbesondere den ersten und den zweiten Trennschalter geschlossen vorsehen, während die Überbrückungsschaltervorrichtung geöffnet ist, wenn kein Fehlerzustand vorliegt. In einem Fehlerzustand öffnet die Steuerungsvorrichtung jedoch zumindest den Trennschalter in dem zweiten Bordnetzzweig, und schließt die Überbrückungsschaltervorrichtung, sodass am DC/DC-Wandler vorbei Energie vom Startergenerator in den ersten Bordnetzzweig fließen kann. In diesem Fehlerfall gibt der Generator bzw. Startergenerator die Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs ab; falls der Fehlerfall nicht vorliegt, gibt der Generator bzw. der Startergenerator die Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs ab, um diesen zu versorgen, sodass Energie vom Startergenerator bzw. Generator nur in den ersten Bordnetzzweig fließt und ggf. zum DC/DC-Wandler, jedoch nicht direkt in den ersten Bordnetzzweig. Aufgrund der unterschiedlichen Schaltzustände bzw. Ansteuerungszustände des Inverters abhängig davon, ob der Fehlerzustand vorliegt oder nicht, ist daher die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, abwechselnd oder zumindest auswählbar die Schaltervorrichtung bzw. den Inverter wie oben bemerkt unterschiedlich anzusteuern.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass auch im Fehlerfall die Überbrückungsschaltervorrichtung geöffnet ist, während die zweite Trennschaltervorrichtung geschlossen ist, sodass der Generator oder Startergenerator Energie in den zweiten Bordnetzzweig liefert. Innerhalb des Fehlerzustands kann jedoch dies geändert werden, indem die zweite Trennschaltervorrichtung geöffnet wird und die Überbrückungsschaltervorrichtung geschlossen wird, um so auf Energie vom Generator oder Startergenerator in den ersten Bordnetzzweig zu liefern. Im Fehlerfall kann zwischen diesen beiden Zuständen abwechselnd hin- und hergeschaltet werden, um so insbesondere die Akkumulatoren in beiden Bordnetzzweigen abwechselnd mit Energie zu versorgen und diese aufzuladen.
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Die Steuerungsvorrichtung kann (im Fehlerfall des DC/DC-Wandlers) abwechselnd entweder: (a) den Inverter ansteuern, die Spannung gemäß Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs abzugeben, die Trennschaltervorrichtung im zweiten Bordnetzzweig zu öffnen und die Trennschaltervorrichtung im ersten Bordnetzzweig zu schließen, während die Überbrückungsschaltervorrichtung in einem geschlossenen Zustand vorgesehen wird, oder, ebenso im Fehlerzustand, (b) den Inverter ansteuern, die Spannung gemäß der Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs abzugeben, die Trennschaltervorrichtung im zweiten Bordnetzzweig gemäß einem geschlossenen Zustand anzusteuern und die Überbrückungsschaltervorrichtung gemäß einem offenen Zustand anzusteuern. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten kann die Steuerungsvorrichtung insbesondere im Fehlerfall des DC/DC-Wandlers hin- und herschalten, sodass der Inverter abwechselnd beide Bordnetzzweige mit Energie versorgen kann.
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Die Komponente im ersten und/oder zweiten Bordnetzzweig kann eine elektrische Bremse oder eine elektrische Lenkung sein. Diese Komponenten können auch in beiden Bordnetzzweigen vorgesehen sein, sodass die eine Komponente (im ersten oder im zweiten Bordnetzzweig) eine elektrische Bremse ist, und die andere Komponente (im anderen Bordnetzzweig, das heißt im zweiten oder ersten Bordnetzzweig) eine elektrische Lenkung ist.
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Es ist möglich, dass der erste Aktuator und der zweite Aktuator der Komponente in demselben Bordnetzzweig vorgesehen sind. Es ist ferner möglich, dass der erste Aktuator und der zweite Aktuator der Komponente in verschiedenen Bordnetzzweigen vorgesehen sind. Hierbei kann der erste Aktuator einer Komponente in dem ersten Bordnetzzweig vorgesehen sein und der zweite Aktuator derselben Komponente ist in dem zweiten Bordnetzzweig vorgesehen. Alternativ kann der erste Aktuator einer Komponente in dem zweiten Bordnetzzweig vorgesehen sein und der zweite Aktuator derselben Komponente ist in dem ersten Bordnetzzweig vorgesehen. In Vorgriff auf 1 können daher die Aktuatoren SR1 und SR2 der gleichen Komponente angehören. Ferner können die Aktuatoren SR3 und SR4 der gleichen Komponente angehören. Zudem können, die Aktuatoren SR1 und SR3 der gleichen Komponente angehören. Es können die Aktuatoren SR2 und SR4 der gleichen Komponente angehören.
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Die 1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz mit einem ersten Bordnetzzweig BZ1 und einem zweiten Bordnetzzweig BZ2, die über einen DC/DC-Wandler DC verbunden sind. Parallel zu den beiden Seiten des DC/DC-Wandlers DC ist eine Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 vorgesehen, die im Fehlerfall des DC/DC-Wandlers DC geschlossen werden kann, um Energie zwischen den Bordnetzzweigen zu übertragen, insbesondere vom zweiten Bordnetzzweig BZ2 zum ersten Bordnetzzweig BZ1.
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Jeder Bordnetzzweig BZ1, BZ2 weist (mindestens) eine elektrisch betriebene Komponente auf, die jeweils einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator aufweist. Die Komponente im ersten Bordnetzzweig BZ1 weist daher den ersten Aktuator SR1 und den zweiten Aktuator SR2 auf. Die Komponente im zweiten Bordnetzzweig BZ2 weist einen ersten Aktuator SR3 und einen zweiten Aktuator SR4 auf. Der erste und der zweite Aktuator jeder Komponente wirken auf dasselbe mechanische Teil der Komponente, sodass bei Ausfall eines Aktuators der andere Aktuator entsprechende Kraft und ein entsprechendes Drehmoment erzeugen kann. Zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator jeder Komponente ist eine Trennschaltervorrichtung DS1, DS2 vorgesehen. Im ersten Bordnetzzweig BZ1 ist zwischen dem ersten Aktuator SR1 und dem zweiten Aktuator SR2 die Trennschaltervorrichtung DS1 geschaltet, welche sich in der Versorgungsschiene befindet, die in der 1 als positive Versorgungsschiene dargestellt ist.
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In gleicher Weise ist zwischen dem ersten Aktuator SR3 und dem zweiten Aktuator SR4 der Komponente im zweiten Bordnetzzweig BZ2 eine Trennschaltervorrichtung DS2 vorgesehen. Die Aktuatoren SR2 und SR3 sind somit direkt mit dem DC/DC-Wandler verbunden, auch bei geöffneter Trennschaltervorrichtung DS1, DS2.
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Die Aktuatoren SR1 und SR4 sind über die Trennschaltervorrichtung DS1 bzw. DS2 mit dem DC/DC-Wandler DC verbunden, sind jedoch direkt mit den Akkumulatoren B1, B2 der jeweiligen Bordnetzzweige BZ1 und BZ2 verbunden.
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Der erste Bordnetzzweig BZ1 umfasst ferner eine Komfortkomponente CE, die ebenso über den Trennschalter DS1 mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist, die jedoch direkt mit dem Akkumulator B1 des ersten Bordnetzzweigs verbunden ist.
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Eine Steuerungsvorrichtung C ist ansteuernd mit der Trennschaltervorrichtung BS1, mit der Trennschaltervorrichtung BS2 (des zweiten Bordnetzes), mit der Überbrückungsschaltervorrichtung BS3 sowie mit einem Inverter I eines Startergenerators SD des zweiten Bordnetzzweigs verbunden.
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Die Steuerungsvorrichtung C ist eingerichtet, einen Fehlerzustand des DC/DC-Wandlers DC zu erkennen, entweder durch Spannungs- oder Strommessung in dem ersten und/oder dem zweiten Bordnetzzweig, oder indem die Steuerungsvorrichtung C eingerichtet ist, ein Fehlerzustandssignal von dem DC/DC-Wandler DC zu erhalten. Falls der DC/DC-Wandler DC ein Fehlerzustand aufweist, bei dem dieser keine Energie mehr zwischen den Bordnetzzweigen BZ1, BZ2 übertragen kann, dann kann die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 (von der Steuerungsvorrichtung C) geschlossen werden, sodass Energie vom Startergenerator SG (bzw. allgemein im Generator) vom zweiten Bordnetzzweig BZ2 in den ersten Bordnetzzweig BZ1 fließen kann, insbesondere zum Aktuator SR2.
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Im Fehlerfall kann ferner vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung C die Trennschaltervorrichtung DS2 des zweiten Bordnetzzweigs (hier: die zweite Trennschaltervorrichtung) öffnet, um so zu vermeiden, dass die in diesem Fall vom Startergenerator erzeugte Spannung gemäß der Nennspannung des ersten Bordnetzzweigs BZ1 an den Akkumulator BZ2 gelangt, der eine andere (höhere) Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 aufweist. Wenn die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 geschlossen ist, dann ist die Trennschaltervorrichtung DS2 im zweiten Bordnetzzweig BZ2 geöffnet. Ferner kann im Fehlerfall des DC/DC-Wandlers auch die Trennschaltervorrichtung DS1 des ersten Bordnetzzweigs (auch als erste Trennschaltervorrichtung bezeichnet) geöffnet sein, sodass Energie vom Startergenerator an den zweiten Aktuator SR2 des ersten Bordnetzzweigs BZ1 fließen kann.
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Die Steuerungsvorrichtung C ist eingerichtet, einen Verbrennungsmotor zu starten, der den Startergenerator SG (allgemein: der Generator) antreibt, wenn der Fehlerzustand des DC/DC-Wandlers DC vorliegt. Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung C mit der Starteinrichtung eines Verbrennungsmotors verbunden sein. Falls im zweiten Bordnetzzweig der Startergenerator als solcher vorliegt (und nicht als ein Startergenerator, etwa als Lichtmaschine), so kann die Steuerungsvorrichtung eingerichtet sein, mittels der bereits vorhanden ansteuernden Verbindung den Startergenerator und insbesondere dessen Inverter I anzusteuern, einen Start des Verbrennungsmotors durchzuführen.
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Falls eine Kupplung vorliegt, die zwischen Abtrieb des Fahrzeugs, in dem das Fahrzeugbordnetz BN vorliegt, und dem Verbrennungsmotor angeordnet ist, dann ist die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise eingerichtet, auch diese Kupplung zu öffnen, um einen Start des Verbrennungsmotors zu erlauben.
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Im Falle eines Ausfalls des DC/DC-Wandlers DC wird somit die Trennschaltervorrichtung des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 geöffnet. In diesem Fall versorgt der Akkumulator B2 des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 insbesondre den zweiten Aktuator SR4 und/oder weitere Komponenten des zweiten Bordnetzzweigs (hier nicht dargestellt), etwa einen elektrischen Heizer eines elektrisch heizbaren Katalysators, einen elektrischen Heizer einer Klimaanlage oder Ähnliches. Die erste Trennschaltervorrichtung DS1 ist in diesem Fall geöffnet, sodass (zusammen mit der Trennschaltervorrichtung DS2) der DC/DC-Wandler DC von den restlichen Bordnetzzweigen abgetrennt ist. Im Fehlerfall wird der Verbrennungsmotor gestartet, sodass der Generator SG angetrieben wird und elektrische Energie erzeugen kann. Vorzugsweise ist der Generator SG direkt mit dem ersten Bordnetzzweig BZ1 bzw. einem Teil davon verbunden, in dem die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 geschlossen ist. Ferner wird der Generator SG derart umkonfiguriert bzw. angesteuert, dass dieser eine Ausgangsspannung erzeugt, die im Wesentlichen der Nennspannung im ersten Bordnetzzweig BZ1 entspricht.
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Dadurch kann der erste Bordnetzzweig BZ1 weiterhin mit Energie versorgt werden, auch wenn der DC/DC-Wandler DC einen Fehlerzustand aufweist. Wie erwähnt kann hierbei die erste Trennschaltervorrichtung DS1 geöffnet sein, sodass nur der Aktuator SR2 mit Energie versorgt wird oder die erste Trennschaltervorrichtung DS1 ist geschlossen, sodass auch der Aktuator SR1, weitere Verbraucher CE und/oder die Batterie B1 mit Energie versorgt werden kann, insbesondere um die letztere zu laden.
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Im Fehlerfall kann ferner der Generator SG den ersten Bordnetzzweig und den zweiten Bordnetzzweig abwechselnd versorgen. Hierbei ist die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 geschlossen und der Generator erzeugt eine Spannung gemäß dem ersten Bordnetzzweig BZ1, oder diese ist geöffnet und der Generator erzeugt eine Spannung gemäß dem zweiten Bordnetzzweig BZ2. Ist die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 geöffnet, kann die Trennschaltervorrichtung DS2 des zweiten Bordnetzzweigs geöffnet sein (um SR3 zu versorgen), kann jedoch auch geschlossen sein (um zudem SR4 und B2 zu versorgen). Ist die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 geschlossen, so ist die Trennschaltervorrichtung DS2 des zweiten Bordnetzzweigs BZ2 geöffnet. Hierbei kann die Trennschaltervorrichtung DS2 des ersten Bordnetzzweigs BZ1 geöffnet sein, sodass der Generator SG den Aktuator SR2 mit Energie versorgt (über DS2) oder die Trennschaltervorrichtung DS1 ist geschlossen, sodass der Generator SG zudem auch den ersten Aktuator SR1, die Batterie B1 und ggf. weitere Verbraucher CE des ersten Bordnetzzweigs BZ1 mit Energie versorgen kann.
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Die Steuerungsvorrichtung kann eingerichtet sein, wiederholt (ggf. periodisch) die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 zu öffnen und zu schließen und entsprechend die Ausgangsspannung des Generators G (durch Ansteuerung des Inverters I) umzustellen (zwischen der Nennspannung des Bordnetzzweigs BZ1 und der Nennspannung des Bordnetzzweigs BZ2).
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Die Akkumulatoren B1 bzw. B2 können abhängig vom Ladezustand geladen werden. Liegt der Ladezustand des Akkumulators B2 unter einer vorgegebenen Schwelle, wird DS2 geschlossen (und DS3 geöffnet) . Liegt der Ladezustand des Akkumulators B1 unter einer vorgegebenen Schwelle, wird DS2 geöffnet, DS3 geschlossen und DS1 geschlossen. Im letztgenannten Fall ist der Generator eingestellt, eine Spannung gemäß der Nennspannung im ersten Bordnetzzweig BZ1 zu erzeugen (und im erstgenannten Fall, eine Spannung entsprechend der Nennspannung im zweiten Bordnetzzweig zu erzeugen). Ist DS3 geöffnet, erzeugt der Generator eine Ausgangsspannung gemäß der Nennspannung des zweiten Bordnetzzweigs BZ2.
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In einem beispielhaften Fall ist der Bordnetzzweig BZ1 ein 12 V Bordnetz und der zweite Bordnetzzweig BZ2 ein 48 V Bordnetz. Der DC/DC-Wandler ist somit ein Wandler zwischen den Spannungen 12 und 48 V.
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Die Trennschaltervorrichtungen DS1 und DS2 umfassen jeweils zwei serielle Schalter, insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildet, beispielsweise als MOSFET oder als IGBT. Diese können einzeln angesteuert werden. Bei Ausfall eines der Schalter, etwa wenn dieser kurzschließt, dient das andere Schaltelement zur Öffnung der betreffenden Schaltervorrichtung. Zudem sind die Aktuatoren schaltbar vorgesehen, indem diese jeweils ein Schaltelement in Reihe aufweisen. Diese Schaltelemente S1 bis S4 sind insbesondere als steuerbare Schaltelemente ausgebildet, beispielsweise als Halbleiterschalter wie MOSFETs oder IGBTs. Die Steuerungsvorrichtung C ist insbesondere ansteuernd mit den Schaltelementen S1 bis S4 verbunden, etwa um im Fehlerfall einen Aktuator SR1 - SR4 gezielt deaktivieren zu können. Etwa wenn ein Aktuator einen Kurzschluss aufweist, kann dies ebenso durchgeführt werden.
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Falls ein Überstrom oder eine Überlastung (im Aktuator) auftritt, so kann ein betreffender Aktuator (von der Steuerungsvorrichtung C) abgeschaltet werden, um eine Fehlerfortpflanzung zu vermeiden. Die Aktuatoren einer Komponente weisen jeweils ein Schaltelement S1 - S4 auf, um so individuell abgeschaltet werden zu können. Die Steuerungsvorrichtung C ist ansteuernd mit diesen Schaltelementen S1 - S4 verbunden und ist eingerichtet, diese wie erwähnt zu schalten. Die Überbrückungsschaltervorrichtung DS3 ist vorzugsweise wie die Trennschaltervorrichtung DS1 bzw. DS2 ausgestaltet, indem diese zwei serielle Schaltelemente aufweist, die angesteuert werden können. Indem die Schaltvorrichtungen zwei serielle Schaltelemente aufweisen, die jeweils einen Steuereingang haben, kann eine Fehlerfortpflanzung vom DC/DC-Wandler DC ausgehend oder von einem Bordnetzzweig BZ1, BZ2 ausgehend vermieden werden.
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Die Bezugszeichen SR1, SR2 oder die Bezugszeichen SR1, SR4 oder die Bezugszeichen SR3, SR4 können auch für Geräte derselben Komponente stehen, die redundant ausgestaltet ist, etwa ein Kamera- und eine LIDAR-Gerät eines Fahrerassistenzsystems.
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Bezugszeichenliste
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- B1, B2
- Akkumulator des ersten Bordnetzzweigs BZ1, BZ2
- BZ1
- erster Bordnetzzweig
- BZ2
- zweiter Bordnetzzweig
- C
- Steuerungsvorrichtung
- CE
- weitere Verbraucher (im ersten Bordnetzzweig BZ1)
- DS1, DS2
- Trennschaltervorrichtung des ersten bzw. zweiten Bordnetzzweigs
- DS3
- Brückenschaltervorrichtung
- DC
- DC/DC-Wandler
- S1 - S4
- Schaltelemente der einzelnen Aktuatoren SR1 - SR4
- SR1, SR2
- Aktuatoren/Geräte, insbesondere einer ersten Komponente (in ersten Bordnetzzweig)
- SR3, SR4
- Aktuatoren/Geräte, insbesondere einer zweiten Komponente (im zweiten Bordnetzzweig)
- SG
- Startergenerator
- I
- Inverter des Startergenerators
- BN
- Bordnetz
