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Die Erfindung betrifft eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren eines Gleichstrom-Bordnetzes eines Fahrzeugs.
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Insbesondere bei Geräten und Komponenten in einem Hochvolt-Bordnetz müssen diese Geräte Tests hinsichtlich ihrer Störanfälligkeit und Störausstrahlung bestehen. Sehr realitätsnahe Ergebnisse liefern Messungen im Fahrzeug. Praktischer für derartige Messungen ist jedoch eine Simulation des Bordnetzes durch eine Schaltung, da eine solche Schaltung einfach in ein Labor mit Messgeräten transportierbar ist.
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Die
US 2011 / 0 087 477 A1 zeigt ein Gerät zum Testen eines elektrischen Bauteils, welches Gerät ein Simulationsgerät zur Erzeugung eines Simulationssignals, ein Testgerät zum Anschließen des elektrischen Bauteils, mindestens zwei Verbindungsgeräte und ein Auswahlgerät aufweist. Das Simulationsgerät und das Testgerät können mit Hilfe des Auswahlgeräts mit mindestens einem der Verbindungsgeräte verbunden werden. Das Auswahlgerät kann einen Thyristorschalter aufweisen.
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Die
JP S62- 151 737 A zeigt ein Simulationsgerät zur Korrektur eines Ausgangssignals eines Beschleunigungsdetektors, welches einen Thyristor-Wandler aufweist.
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Die
US 2014 / 0 005 881 A zeigt ein Diagnosesystem für ein Fahrzeug. Ein möglicherweise defekter Sensor wird durch einen Sensorsimulator ersetzt, und der Sensorsimulator generiert typische Signale für den betroffenen Sensortyp, und es findet eine Diagnose statt.
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Die
US 2002 / 0 029 136 A1 zeigt eine Testvorrichtung für einen hydraulischen Kreislauf eines Automatikgetriebes eines Fahrzeugs mit anschließender Auswertung.
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Die
US 5 214 582 A zeigt ein interaktives Diagnosesystem für ein Fahrzeug mit einer Mehrzahl an Sensoren und Aktoren. Ein externer Computer ermöglicht eine Simulation durch Einspeisung von Sensordaten an einen Bordcomputer, und die Daten des Bordcomputers können aufgezeichnet und analysiert werden.
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Die
DE 10 2010 045 983 A1 zeigt ein Prüfverfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Koppeldämpfung von elektrischen Komponenten. Eine Komponente weist eine erste und mindestens eine zweite Spannungsebene auf, und es wird ein vorgegebenes Signal in die erste Spannungsebene der Komponente eingespeist. In der zweiten Spannungsebene wird eine Signalantwort gemessen, und aus der Signalantwort und dem vorgegebenen Signal lässt sich die Koppeldämpfung ermitteln.
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Die
DE 103 33 001 A1 zeigt eine Energieversorgungseinrichtung für ein in einem Kraftfahrzeug betriebenes elektrisches Gerät, welches über ein Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird und einen Pufferenergiespeicher aufweist, wobei bei einem Abfall der Bordnetzspannung vom Bordnetz auf den Pufferenergiespeicher umgeschaltet wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Simulationsvorrichtung bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren eines Gleichstrom-Bordnetzes hat einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig, welcher erste Zweig und welcher zweite Zweig jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei mindestens einer der Zweige zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine erste Schaltung aufweist, welche erste Schaltung als variabler Blindwiderstand ausgebildet und durch ein Steuersignal ansteuerbar ist, welcher Simulationsvorrichtung eine Steuervorrichtung zugeordnet ist, welche Steuervorrichtung eine Steuersignalerzeugungsvorrichtung aufweist, welche Steuersignalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, das Steuersignal in Abhängigkeit von einem Vorgabewert zu erzeugen. Durch die Möglichkeit der Ansteuerung des variablen Blindwiderstands durch das Steuersignal kann der Blindwiderstand auf die gewünschte Größe eingestellt werden, und die Simulationsvorrichtung kann für unterschiedliche Frequenzen und zur Simulierung unterschiedlicher Bordnetze verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Zweig und der zweite Zweig jeweils die erste Schaltung auf. Hierdurch kann der Blindwiderstand in beiden Zweigen eingestellt werden, und es ist eine genaue Nachbildung der elektrischen Eigenschaften des Bordnetzes möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Zweig und der zweite Zweig über einen Kondensator miteinander verbunden. Dies ermöglicht eine kapazitive Kopplung , der beiden Zweige.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Schaltung einen ersten Schaltungszweig und einen zweiten Schaltungszweig auf, welche miteinander parallel geschaltet sind, wobei der erste Schaltungszweig eine Induktivität aufweist, welche in Reihe geschaltet ist mit zwei antiparallel geschalteten Thyristoren, und wobei der zweite Schaltungszweig einen Kondensator aufweist. Diese Art der ersten Schaltung ermöglicht eine variable Einstellung des Blindwiderstands, und sie ermöglicht auch vergleichsweise hohe Spannungen.
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Die Steuervorrichtung weist einen ersten Signaleingang auf, welcher erste Signaleingang zur Zuführung eines Frequenzsignals ausgebildet ist, welches eine Frequenz charakterisiert, und die Steuersignalerzeugungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit vom Frequenzsignal den Vorgabewert für das Steuersignal zu erzeugen. Da der Blindwiderstand von Bordnetzen abhängig ist von der übertragenen Frequenz, ermöglicht eine Erzeugung des Vorgabewerts in Abhängigkeit von dem Frequenzsignal eine einfache Einstellung der Simulationsvorrichtung auf den gewünschten Blindwiderstand.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Simulationsvorrichtung für eine maximale Gleichspannung von mindestens 60 V ausgelegt, bevorzugt für eine maximale Gleichspannung von mindestens 400 V. Die Simulationsvorrichtung ist also auch für höhere Spannungen geeignet, beispielsweise bis zu 70 V, bis zu 250 V oder bis zu 420 V. Dies ermöglicht neben Messungen bei kleineren Spannungen auch Messungen von entsprechend hohen Spannungen und daher auch die Simulation eines Hochvolt-Bordnetzes.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Schaltung als variabler kapazitiver Blindwiderstand ausgebildet. Der Blindwiderstand vieler Bordnetze ist kapazitiv, und daher kann mit einer entsprechenden Simulationsvorrichtung gut eine Simulation erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat eine Prüfanordnung eine Simulationsvorrichtung und eine der Simulationsvorrichtung zugeordnete Steuervorrichtung, und die Prüfanordnung weist einen Signalgenerator zur Erzeugung einer Spannung auf. Eine solche Prüfanordnung kann unabhängig von einer Ladestation für Tests an Geräten verwendet werden, beispielsweise in einem Labor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Signalgenerator und die Steuervorrichtung über eine Datenleitung miteinander verbunden und dazu ausgebildet, eine Übertragung eines Frequenzsignals zu ermöglichen, welches eine Frequenz charakterisiert. Der Signalgenerator und die Steuervorrichtung stehen also bezüglich des Frequenzsignals im Austausch, und die Frequenz des Signalgenerators sowie der Blindwiderstand der Simulationsvorrichtung können aufeinander abgestimmt werden.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
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Ein Verfahren zum Testen eines Geräts, mit einem Signalgenerator, einer Simulationsvorrichtung und einem Frequenzgeber, welcher Frequenzgeber dazu ausgebildet ist, ein Frequenzsignal auszugeben, welches eine Frequenz charakterisiert, welcher Signalgenerator dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit vom Frequenzsignal eine Signalgenerator-Ausgangsspannung zu erzeugen, welche eine dem Frequenzsignal zugeordnete Frequenz aufweist, welche Simulationsvorrichtung einen ersten Zweig und einen zweiten Zweig aufweist, welcher erste Zweig und welcher zweite Zweig jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, wobei mindestens einer der Zweige zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine erste Schaltung aufweist, welche erste Schaltung als variabler Blindwiderstand ausgebildet und durch ein Steuersignal ansteuerbar ist, welcher Simulationsvorrichtung eine Steuervorrichtung zugeordnet ist, welche Steuervorrichtung eine Zuordnungsvorrichtung und eine Steuersignalerzeugungsvorrichtung aufweist, welche Zuordnungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit vom Frequenzsignal einen Vorgabewert zu erzeugen, welcher Vorgabewert der Steuersignalerzeugungsvorrichtung zugeführt wird, und welche Steuersignalerzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal in Abhängigkeit vom Vorgabewert zu erzeugen, welches Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- A) Durch den Frequenzgeber wird ein Frequenzsignal erzeugt;
- B) durch den Signalgenerator wird in Abhängigkeit vom Frequenzsignal eine Signalgenerator-Ausgangsspannung erzeugt, welche eine dem Frequenzsignal zugeordnete Frequenz aufweist;
- C) durch die Zuordnungsvorrichtung wird in Abhängigkeit vom Frequenzsignal ein dem Frequenzsignal zugeordneter Vorgabewert erzeugt;
- D) durch die Steuersignalerzeugungsvorrichtung wird das erste Steuersignal in Abhängigkeit vom Vorgabewert erzeugt und an die erste Schaltung ausgegeben.
Mit diesem Verfahren kann eine Frequenz zum Testen vorgegeben werden, und die Impedanz kann an die aktuelle Frequenz angepasst werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird durch den Frequenzgeber ein sich änderndes Frequenzsignal in einem vorgegebenen Frequenzbereich erzeugt, um unterschiedliche Frequenzen in dem vorgegebenen Frequenzbereich zu testen. Es können hierdurch unterschiedliche Frequenzen automatisch für die Tests verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Impedanz eines Bordnetzes in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen, und entsprechende Messwerte werden gespeichert, und die Zuordnungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, den Vorgabewert in Abhängigkeit von den gespeicherten Messwerten zu ermitteln. Die Verwendung von tatsächlichen Messwerten ermöglicht eine sehr genaue Simulation des Bordnetzes.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Impedanz eines Bordnetzes in Abhängigkeit von der Frequenz berechnet, und entsprechende Berechnungswerte werden gespeichert, und die Zuordnungsvorrichtung ist dazu ausgebildet, den Vorgabewert in Abhängigkeit von den gespeicherten Berechnungswerten zu ermitteln. Die Berechnung der Impedanz ist bei vielen Bordnetzen möglich, und hierdurch wird Zeit für tatsächliche Messungen gespart.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
- 1 den Grundaufbau einer Prüfanordnung,
- 2 einen Verlauf einer erzeugten Wechselspannung,
- 3 einen weiteren Verlauf einer erzeugten Wechselspannung,
- 4 einen Verlauf der Impedanz eines Bordnetzes mit sich änderndem Blindwiderstand,
- 5 eine Schaltung zur Simulierung des Blindwiderstands eines Bordnetzes, und
- 6 eine weitere Schaltung zur Simulierung des Blindwiderstands eines Bordnetzes.
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1 zeigt den Grundaufbau einer Prüfanordnung 10 zum Testen eines Geräts 18.
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Bei der Fahrzeugentwicklung müssen insbesondere im Hochvoltbereich die einzelnen Geräte 18 strenge Tests hinsichtlich der Störanfälligkeit gegenüber hochfrequenten Störungen bestehen. Derartige hochfrequente Störungen werden auch als Rippel bezeichnet, und Sie liegen insbesondere im Bereich 20 Hz bis 150 kHz. Eine weitere Testbedingung betrifft die maximale Emission der vom Gerät 18 ausgesandten Störungen als Antwort des Geräts 18 auf eine Störung im Bordnetz.
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Die Prüfanordnung 10 umfasst einen Signalgenerator 11 und eine Simulationsvorrichtung 30.
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Die Simulationsvorrichtung 30 hat einen ersten Eingang 31, einen zweiten Eingang 32, einen ersten Ausgang 41 und einen zweiten Ausgang 42. Der Signalgenerator 11 hat eine Gleichstromquelle 12, die auch als Gleichspannungsquelle ausgebildet sein kann, und eine mit der Gleichstromquelle 12 in Serien geschaltete Wechselstromquelle 14, die auch als Wechselspannungsquelle ausgebildet sein kann. Die Ausgänge des Signalgenerators 11 sind mit dem ersten Eingang 31 und dem zweiten Eingang 32 der Simulationsvorrichtung 30 verbunden. Der erste Ausgang 41 und der zweiten Ausgang 42 der Simulationsvorrichtung 30 sind mit dem Gerät 18 verbunden, welches vom Fachmann auch als DUT (englisch: Device Under Test) bezeichnet wird.
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Der erste Eingang 31, der zweite Eingang 32, der erste Ausgang 41 und der zweiten Ausgang 42 sind beispielhaft mit einer Auswertevorrichtung 20 verbunden, wobei der Abgriff für die Auswertevorrichtung 20 an unterschiedlichen Stellen erfolgen kann.
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Für die Durchführung der Messungen wird über die Gleichstromquelle 12 eine Gleichspannung U1 zwischen dem ersten Eingang 31 und dem zweiten Eingang 32 generiert. Über die Wechselstromquelle 14 kann dem Gleichspannungssignal U1 eine simulierte Störung überlagert werden.
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Die Simulationsanordnung 30 simuliert das elektrische Verhalten des Bordnetzes des hinsichtlich des Geräts 18 bestimmungsgemäßen Fahrzeugs, und am ersten Ausgang 41 und am zweiten Ausgang 42 liegt eine Ausgangsspannung U2 vor, welche dem Gerät 18 zugeführt wird. Das Gerät 18 reagiert entsprechend auf die Spannung U2, und hierdurch kann die Störanfälligkeit und die Emission des Geräts 18 detektiert werden. Die Detektion erfolgt über die Auswertevorrichtung 20 entweder am ersten Eingang 31 und zweiten Eingang 32 oder am ersten Ausgang 41 und zweiten Ausgang 42 oder an beiden Positionen.
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Die Simulationsanordnung 30 ist bevorzugt dazu ausgebildet, Tests im Hochspannungsbereich durchzuführen, wie er im Bordnetz bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen vorkommt. Vom Hochspannungsbereich bzw. Hochvoltbereich spricht der Fachmann beim Fahrzeugbereich bei einer Gleichspannung im Bereich von 60 V bis 1.500 V, wobei das obere Ende vermutlich in der Zukunft weiter ansteigen wird.
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2 zeigt beispielhaft einen Verlauf der durch die Wechselstromquelle 14 von 1 erzeugten Wechselspannung U_14. Es wird ein sinusförmiges Signal 91 mit einer vorgegebenen Frequenz ausgegeben, und hierdurch wird ein Rippel auf dem durch die Gleichstromquelle 12 erzeugten Gleichspannungssignal simuliert. Die hierdurch erzeugte Gesamtspannung U1 (vgl. 1) wird über die Simulationsvorrichtung 30 dem Gerät 18 zugeführt.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die durch die Wechselstromquelle 14 erzeugte Spannung U_14. In diesem Ausführungsbeispiel nimmt die Frequenz des Signals 92 über die Zeit zu, und hierdurch kann schnell getestet werden, wie das Gerät 18 in einem vorgegebenen Frequenzbereich auf Störungen reagiert. Ein entsprechendes Signal mit zunehmender (oder abnehmender) Frequenz wird auch als Chirp bezeichnet. Die Zunahme oder Abnahme der Frequenz kann kontinuierlich oder in diskreten Schritten oder Stufen erfolgen.
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4 zeigt ein Diagramm, bei dem die Impedanz Z eines tatsächlichen Bordnetzes als Kurve 93 aufgetragen ist über einen logarithmisch aufgetragenen Frequenzbereich. Es ist zu sehen, dass die Impedanz des Bordnetzes abhängig ist von der übertragenen Frequenz f. Die Impedanz des Bordnetzes kann gemessen werden, oder sie kann auch berechnet werden. In bestimmten Frequenzbereichen treten besonders häufig Fehler bzw. Störungen auf, und insbesondere die Frequenzbereiche der Schaltfrequenzen von Halbleitern sind kritisch und müssen daher genau untersucht werden. In Abhängigkeit von der Impedanz kann es zudem zu Resonanzen und Antiresonanzen kommen.
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Um die Eigenschaften des beschriebenen realen Bordnetzes möglichst gut durch die Simulationsvorrichtung 30 nachbilden zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Impedanz der Simulationsvorrichtung 30 in Abhängigkeit von der zu untersuchenden Frequenz eingestellt werden kann, so dass die Simulationsvorrichtung 30 sich möglichst weitgehend wie das reale Bordnetz für die entsprechende Frequenz verhält.
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Der Wirkwiderstandanteil der Impedanz ist üblicherweise weitgehend konstant über die Frequenz und muss nicht zwingend eingestellt werden. Dagegen ist der Blindwiderstandanteil der Impedanz üblicherweise stark frequenzabhängig, und eine Anpassung der Simulationsvorrichtung 30 an den tatsächlichen Blindwiderstand ist vorteilhaft.
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5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Simulationsvorrichtung 30 zur Simulierung des Bordnetzes. Der Signalgenerator 11 ist über ein Kabel 15 mit der Simulationsvorrichtung 30 verbunden, und die Simulationsvorrichtung 30 ist über ein Kabel 16 mit dem zu untersuchenden Gerät 18 verbunden. Der erste Eingang 31 ist über einen ersten Zweig 51 mit dem ersten Ausgang 41 verbunden. Der erste Zweig 51 weist zwischen dem ersten Eingang 31 und dem ersten Ausgang 41 eine erste Schaltung 54 auf, welche erste Schaltung 54 als variabler Blindwiderstand ausgebildet ist, im Ausführungsbeispiel als variable kapazitiver Blindwiderstand. Die erste Schaltung 54 hat einen ersten Schaltungszweig 61 und einen zweiten Schaltungszweig 62, welche miteinander parallel geschaltet sind. Der erste Schaltungszweig 61 hat eine Induktivität 64, welche in Reihe geschaltet ist mit zwei zueinander antiparallel geschalteten Thyristoren 65, 66. Der zweite Schaltungszweig 62 weist einen Kondensator 67 auf, welcher im zweiten Schaltungszweig 62 geschaltet ist. Eine solche Schaltung wird als TCSC (englisch: Thyristor Controlled Series Capacitor) bezeichnet, und Tests haben ergeben, dass sie sich gut zur Simulation eines Bordnetzes eignet.
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Bevorzugt sind eine Induktivität 68 und ein Widerstand 69 in Reihe geschaltet mit der ersten Schaltung 54.
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Alternativ sind andere variable Blindwiderstände wie beispielsweise TCSR (englisch: Thyristor Controlled Series Reactor) möglich, bei denen im zweiten Schaltungszweig 62 anstelle des Kondensators 67 eine weitere Induktivität vorgesehen ist.
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Der zweite Zweig 52 ist bevorzugt in gleicher Weise ausgebildet wie der erste Zweig 51, und er weist bevorzugt ebenfalls eine erste Schaltung 54 auf. Bevorzugt sind der erste Zweig 51 und der zweite Zweig 52 über einen Kondensator 58 miteinander verbunden.
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Der Simulationsvorrichtung 30 ist eine Steuervorrichtung 34 zugeordnet, welche Steuervorrichtung 34 eine Steuersignalerzeugungsvorrichtung 36 aufweist. Die Steuersignalerzeugungsvorrichtung 36 ist dazu ausgebildet, ein Steuersignal 56 zu erzeugen und an die erste Schaltung 54 auszugeben, um den Blindwiderstand der ersten Schaltung 54 in Abhängigkeit vom Steuersignal 56 zu beeinflussen. Hierzu ist die Steuersignalerzeugungsvorrichtung 36 über zwei Leitungen 71, 72 mit der ersten Schaltung 54 des ersten Zweigs 51 und über zwei Leitungen 73, 74 mit der ersten Schaltung 54 des zweiten Zweigs 52 verbunden.
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Beim Test des Geräts 18 kann der Blindwiderstand der Simulationsvorrichtung 30 über die Steuervorrichtung 34 für die jeweilige Messung angepasst werden, und hierdurch können realitätsnahe Untersuchungen des Geräts 18 durchgeführt werden.
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Bei einer Messung kann bspw. ein bestimmter Frequenzbereich für die Störungen vorgegeben werden, und der Signalgenerator 11 kann ein entsprechendes Signal U1 erzeugen. Dabei kann der Frequenzbereich kontinuierlich durchfahren werden, indem die Frequenz beim unteren Grenzwert des vorgegebenen Frequenzbereichs startet und bis zum oberen Grenzwert ansteigt, oder umgekehrt. Es können auch diskrete Frequenzen mit Abstand voneinander getestet werden. Über die Steuervorrichtung 34 kann die Simulationsvorrichtung 30 derart eingestellt werden, dass die elektrischen Eigenschaften der Simulationsvorrichtung 30 den tatsächlichen elektrischen Eigenschaften des Bordnetzes eines Fahrzeugs, in dem das Gerät 18 eingesetzt werden soll, möglichst genau entspricht. Hierdurch können insbesondere auch Effekte gemessen werden, die aufgrund von Resonanzen und Antiresonanzen des Gesamtsystems auftreten.
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6 zeigt einen Aufbau entsprechend 5, wobei zusätzlich eine Datenverbindung 80 zwischen dem Signalgenerator 11 und der Steuervorrichtung 34 vorgesehen ist. Über die Datenleitung 80 kann eine Frequenzinformation übertragen werden, insbesondere ein Frequenzsignal 81. Hierdurch kann eine automatische Einstellung des Blindwiderstands der ersten Schaltung 54 in Abhängigkeit von der Frequenz durchgeführt werden, welche Frequenz auch vom Signalgenerator 11 erzeugt wird. Bevorzugt hat die Steuervorrichtung 34 einen Signaleingang 35 zum Empfangen des Frequenzsignals 81. Bevorzugt hat die Steuervorrichtung 34 eine Ermittlungsvorrichtung 37, in welcher ausgehend von dem Frequenzsignal 81 ein zugeordneter Blindwiderstand ermittelt wird, um die Simulationsvorrichtung 30 entsprechend einzustellen. Dies ermöglicht ein automatisches Durchlaufen vorgegebener Frequenzbereiche bei gleichzeitiger Anpassung des Blindwiderstands an die aktuelle Frequenz.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
