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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes und ein solches Bordnetz.
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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, z. B. 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 sichergestellt 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 bzw. vollautomatisierten oder autonomen 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. Energieversorgung und Verbraucher können grundsätzlich redundant ausgeführt werden. Allerdings ist es nicht immer möglich, alle Verbraucher doppelt anzulegen. So können bspw. Sensoren, die für die Bereitstellung der Automatisierungsfunktion in beiden Kanälen vorhanden sein müssen, durch die Versorgung aus beiden Energiequellen nur einfach ausgeführt werden.
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Die Energieversorgung, die Bremsfunktion und die Lenkfunktion sollten jedoch redundant ausgeführt werden. Es gibt jedoch auch Verbraucher, bei denen eine redundante Ausführung, bspw. wegen des höheren Energiebedarfs und der damit verschlechterten CO2-Bilanz nicht zweckmäßig ist.
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Im Rahmen des automatisierten Fahrens müssen gewisse Funktionen, bspw. Lenkung, Bremse, in ASIL-D Qualität verfügbar sein und durch das Bordnetz versorgt werden.
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ASIL (Automotive Safety Integrity Level) ist eine Schlüsselkomponente der ISO 26262. Der ASIL-Level wird jeweils zu Beginn eines Entwicklungsprozesses bestimmt. Hierzu werden die Systemfunktionen analysiert und in Bezug zu möglichen Risiken gestellt. ASIL-A hat die geringste Risikostufe, ASIL-D die höchste Risikostufe.
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Da der Fahrer zur Aktivierung einer mechanischen Lösung als Rückfalllösung bei einem höheren Level der Automatisierung nicht mehr zur Verfügung steht, werden Redundanzen in das System eingebaut. Diese werden durch separate Bordnetzkanäle versorgt. Jeder dieser Kanäle muss Unterspannungen und Überspannungen mit ASIL-B(D) vermeiden. Außerdem müssen im Fehlerfall eines Kanals Koppelelemente zwischen den beiden Kanälen die Kopplung der Kanäle mit ASIL-D verhindern, um auf Fahrzeuglevel bspw. die Durchführung einer Bremsung mit ASIL-D zu erfüllen.
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Zu beachten ist, dass derzeit einige Komponenten im Bordnetz vorhanden sind, die im Falle eines Kurzschlusses nicht sicher, d. h. mit ASIL-B(D), getrennt werden können. Diese müssen also entweder neu entwickelt werden oder es muss eine zusätzliche Komponente entwickelt werden, die diese Trennung übernimmt.
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Es gibt weiterhin den Ansatz, ein tertiäres Bordnetz einzusetzen, wobei dieses sich entweder aus dem ersten Kanal, auch als Kanal 1 bezeichnet, oder dem zweiten Kanal, auch als Kanal 2 bezeichnet, versorgt. Die Auswahl der Versorgung erfolgt dabei über einen Schalter. So kann eine Komponente, die ansonsten doppelt vorhanden sein müsste, als einfache Komponente realisiert werden. So kann bspw. eine Aufteilung Radar über Kanal 1, Lidar (light detection and ranging) über Kanal 2 und Kamera über tertiäres Bordnetz vorgesehen sein. Der Schalter für das tertiäre Bordnetz ist eine zusätzliche Komponente.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 043 402 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schutz von an ein Bordnetz angeschlossenen Einrichtungen vor einer Überspannung, bei dem vorgesehen ist, die Überspannung einer energievernichtenden Last zuzuführen, die die Überspannung abbaut. Die energievernichtende Last kann bspw. als Starter ausgebildet sein.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2014 201 581 A1 ist ein Verfahren zum Trennen eines Bordnetzes von einem Gleichspannungswandler bekannt. Bei dem Verfahren ist vorgesehen, eine Versorgungsspannung mit einem Gleichspannungswandler in eine Bordnetzspannung umzurichten, eine Sperrspannung an zumindest einem der Halbleitergleichrichterelemente zu ermitteln und einen Trennschalter zum Abkoppeln des Bordnetzes vom Gleichspannungswandler in Abhängigkeit von dem Wert der ermittelten Sperrspannung anzusteuern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgestellt. Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben eines Bordnetzes, insbesondere eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug. Dieses Bordnetz weist einen ersten Bordnetzkanal und einen zweiten Bordnetzkanal auf, die über ein Koppelelement miteinander verbunden sind. Zusätzlich zu dem ersten und zweiten Bordnetzkanal können noch weitere Bordnetzkanäle vorgesehen sein. Diese können wiederum über Koppelelemente miteinander und/oder dem ersten und zweiten Bordnetzkanal verbunden sein. Als Koppelelement kommt bspw. ein Gleichspannungswandler in Betracht.
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Das Verfahren sieht vor, dass ein Bordnetz, das einen ersten Bordnetzkanal und einen zweiten Bordnetzkanal aufweist, betrieben wird, wobei die beiden Bordnetzkanäle über ein Koppelelement miteinander verbunden sind, wobei das Koppelelement einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist, und wobei ein Mittelabgriff an dem Koppelelement vorgenommen wird, indem eine elektrische Größe zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter des Koppelelements gemessen wird, um eine Überwachung des Bordnetzes durchzuführen.
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Das beschriebene Bordnetz, das einen ersten Bordnetzkanal und einen zweiten Bordnetzkanal aufweist, ist derart ausgestaltet, dass die beiden Bordnetzkanäle über ein Koppelelement miteinander verbunden sind, das einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweist. Das Koppelelement ist derart eingerichtet, dass ein Mittelabgriff vorzunehmen ist, indem eine elektrische Größe zwischen dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter des Koppelelements zu messen ist.
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Der vorstehend erläuterte zusätzliche Entwicklungsaufwand kann vermieden werden, indem in Ausgestaltung das Koppelelement zwischen dem ersten Bordnetzkanal und dem zweiten Bordnetzkanal einen Mittelabgriff erhält, über den Komponenten versorgt werden können. Hierbei kann man entweder Komponenten, die bei einem Kurzschluss nicht sicher getrennt werden können, oder Komponenten, die an ein tertiäres Bordnetz angeschlossen sind, versorgt werden. Eine zusätzliche Komponente, nämlich ein Schalter, für das tertiäre Bordnetz entfällt.
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Bislang werden diese Komponenten über Sicherungen im Fehlerfall getrennt. Dies ist bei autonomen Fahrzeugen, bei denen ein Eingriff durch den Fahrer nicht mehr möglich ist, nicht ausreichend, da die Auslösezeiten nicht ausreichend genau zu bestimmen sind. Somit könnten bereits beide Kanäle ausgefallen sein, bevor die Trennung der Komponente erfolgt. Zu beachten ist, dass die Komponenten in diesem Fall nur an einem Kanal hängen und diesen runterziehen würden. Der zweite Kanal kann über ein Trennelement, z. B. einen Schalter, im Fehlerfall getrennt werden. Die Ausfallwahrscheinlichkeit der Komponenten, die über eine Sicherung abgesichert sind, kann jedoch so hoch sein, da sie keine ASIL-Qualifizierung haben, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit einer Unterspannung in diesem Bordnetz so hoch ist, dass eine ASIL-B(D)-Qualifizierung nicht möglich ist.
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Da Sicherungen im Falle eines Kurzschlusses nicht sicher innerhalb eines definierten Zeitraums trennen, müssen die Komponenten bei einem komponenteninternen Kurzschluss ihren Leistungspfad eigenständig trennen oder neu entwickelt werden, so dass sie die Vorgaben bzgl. Ausfallwahrscheinlichkeit erreichen. Bisher ist dies in den Komponenten nicht vorgesehen. Alternativ kann auch vor jeder Komponente, die im Fehlerfall abschalten muss, ein eigener Trennschalter eingefügt werden. Beide Maßnahmen erfordern jedoch einen hohen Entwicklungsaufwand.
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Es ist nunmehr vorgesehen, dass ein Mittelabgriff im Koppelelement eingeführt wird, der die zusätzliche Anforderung an die Komponenten, im Kurzschlussfall zu trennen, in dem Trennelement zwischen den beiden AD-Kanälen (AD: Automated Driving) umsetzt.
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Weiterhin zeigt sich, dass Komponenten, die ansonsten doppelt vorhanden sein müssten, oder durch eine zusätzliche Komponente, den Umschalter für das tertiäre Bordnetz, versorgt werden, über das im Bordnetz bereits vorhandene Koppelelement versorgt werden können.
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Das vorgestellte Verfahren und die beschriebene Anordnung haben, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. Diese sind:
- 1. geringer Entwicklungsaufwand,
- 2. geringe Zusatzkosten,
- 3. geringer Platzbedarf.
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Zu beachten ist außerdem, dass die beiden Bordnetzkanäle auf dem gleichen Spannungsniveau liegen können oder unterschiedliche Spannungsniveaus haben.
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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
- 1 zeigt eine Ausführungsform eines Bordnetzes.
- 2 zeigt Ausführungen eines Koppelelements zur Verdeutlichung unterschiedlicher Anwendungen des beschriebenen Verfahrens.
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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 ein Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieses Bordnetz 10 umfasst einen ersten Bordnetzkanal 12 und einen zweiten Bordnetzkanal 14. Eine schematisch dargestellte Energieerzeugung 16 versorgt beide Bordnetzkanäle 12, 14 mit 12 V. Weiterhin ist zwischen dem ersten Bordnetzkanal 12 und dem zweiten Bordnetzkanal ein Koppelelement 18 vorgesehen, das die beiden Bordnetzkanäle 12, 14 miteinander verbindet. Dieses Koppelelement 18 ist hier vereinfacht als Schalter bzw. Trennelement dargestellt und kann die Verbindung zwischen den beiden Bordnetzkanälen 12, 14 trennen.
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In dem ersten Bordnetzkanal 12 sind ein erster sicherheitsrelevanter Verbraucher 20 und eine erste Batterie 22 vorgesehen. In dem zweiten Bordnetzkanal 14 sind ein Standardverbraucher 30, ein zweiter sicherheitsrelevanter Verbraucher 32 und eine zweite Batterie 34 vorgesehen. Die beiden sicherheitsrelevanten Verbraucher 20, 32 können redundant zueinander sein.
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Die Anforderungen hier sind:
- - in den beiden Bordnetzkanälen 12, 14 eine Überspannung und Unterspannung mit ASIL-B(D) vermeiden,
- - mit ASIL-B(D) ausreichend Energie für ein vorher definiertes Safe-Stop-Szenario sicherstellen,
- - eine Kanaltrennung über das Koppelelement mit ASIL-D sicherstellen.
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2 zeigt in detaillierter Darstellung eine Ausführung des in 1 gezeigten Koppelelements anhand zweier Anwendungsfälle.
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Auf der linken Seite ist das Koppelelement 18 dargestellt mit einem ersten Schalter 50 und einem zweiten Schalter 52. Der erste Schalter 50 umfasst einen ersten Transistor 60 und einen zweiten Transistor 62. Dies sind in diesem Fall zwei MOSFETs, die in Reihe back-to-back, d. h. gegenläufig, angeordnet sind. Der zweite Schalter 52 umfasst ebenfalls einen ersten Transistor 70 und einen zweiten Transistor 72. Dies sind ebenfalls hier zwei MOSFETs, die in Reihe back-to-back, d. h. gegenläufig, angeordnet sind. An den ersten Schalter 50 ist der erste Bordnetzkanal 12 und an den zweiten Schalter 52 der zweite Bordnetzkanal 14 angeschlossen. Weiterhin zeigt die Darstellung einen Standardverbraucher 74, der über einen Mittelabgriff 76 zwischen den beiden Schalter 50 und 52 angeschlossen ist.
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Anforderungen hier sind, die beiden Bordnetzkanäle 12, 14 mit ASIL-D zu trennen (Doppelpfeil 80), eine erste Unterspannung mit ASIL-B(D) zu vermeiden (Pfeil 82) und eine zweite Unterspannung mit ASIL-B(D) zu vermeiden (Pfeil 84). Hierzu wird eine Überwachung des Bordnetzes und insbesondere des Koppelelements 18 durchgeführt, die auch als Diagnose bezeichnet werden kann. Hierzu dient der Mittelabgriff 76, an dem eine Messung vorgenommen werden kann. Weiterhin kann eine Spannungsmessung über beiden Schalter 50, 52 erfolgen (Pfeil 90).
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Nachfolgend sind Beispiele für Messungen in einem Bordnetz mit einem ersten Kanal und einem zweiten Kanal, in denen jeweils ein Schalter vorgesehen ist und zwischen denen ein tertiäres Bordnetz angeschlossen ist, aufgeführt, wobei jeweils der Zweck der betreffenden Messung angegeben ist. Die Diagnosen können analog genauso für den zweiten Kanal durchgeführt werden.
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Leitungsbruch:
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Falls längere Zeit kein Strom in dem ersten Kanal fließt, erfolgt eine Fehlermeldung an eine übergeordnete Diagnoseeinheit, diese gibt bei Bedarf das Signal, einen ersten Schalter in dem ersten Kanal zu öffnen.
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Überspannung:
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Die Quelle der Überspannung wird über die Stromrichtung ermittelt. Falls in dem zweiten Kanal nach Abschaltung immer noch eine Überspannung erkannt wird, schaltet ein zweiter Schalter in diesem zweiten Kanal ebenfalls ab.
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Kurzschluss mit Unterspannung im ersten Kanal:
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Die Quelle der Unterspannung wird über die Stromrichtung ermittelt. Falls in dem zweiten Kanal nach Abschaltung immer noch eine Unterspannung erkannt wird, schaltet der zweite Schalter ebenfalls ab.
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Kurzschluss mit Überstrom im ersten Schalter:
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Bei Überstrom wird über die Stromrichtung ermittelt, in welchem Kanal der Fehler vorliegt. Der entsprechende Schalter wird geöffnet.
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Übertemperatur:
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Bei Übertemperatur wird der betroffene Schalter geöffnet.
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2 zeigt weiterhin auf der rechten Seite das Koppelelement 18 mit einem ersten Schalter 150 und einem zweiten Schalter 152. Der erste Schalter 150 umfasst einen ersten Transistor 160 und einen zweiten Transistor 162. Dies sind in diesem Fall zwei MOSFETs, die in Reihe back-to-back, d. h. gegenläufig, angeordnet sind. Der zweite Schalter 152 umfasst ebenfalls einen ersten Transistor 170 und einen zweiten Transistor 172. Dies sind ebenfalls hier zwei MOSFETs, die in Reihe back-to-back, d. h. gegenläufig, angeordnet sind. An den ersten Schalter 150 ist der erste Bordnetzkanal 12 und an den zweiten Schalter 152 der zweite Bordnetzkanal 14 angeschlossen. Weiterhin zeigt die Darstellung einen sicherheitsrelevanten Verbraucher 174, der über einen Mittelabgriff 176 zwischen den beiden Schalter 150 und 152 angeschlossen ist.
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Anforderungen hier sind, die beiden Bordnetzkanäle 12, 14 mit ASIL-D zu trennen (Doppelfeil 180), den ersten Kanal 12 bei Unterspannung und Überspannung im ersten Kanal 12 mit ASIL-B(D) zu trennen (Pfeil 182) und den zweiten Kanal 14 bei Unterspannung und Überspannung im zweiten Kanal 14 mit ASIL-B(D) zu trennen (Pfeil 184). Hierzu wird eine Überwachung des Bordnetzes und insbesondere des Koppelelements 18 durchgeführt, die auch als Diagnose bezeichnet werden kann. Hierzu dient der Mittelabgriff 176, an dem eine Messung vorgenommen werden kann. Weiterhin kann eine Spannungsmessung über die beiden Schalter 150, 152 erfolgen (Pfeil 190).
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Die Funktion, die beiden Bordnetzkanäle 50, 52 bzw. 150, 152 mit ASIL-D zu trennen, wird durch das Koppelelement 18 bereitgestellt. Von Bedeutung ist der Mittelabgriff 76 bzw. 176 zur Versorgung des Standardverbrauchers 74 bzw. des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 174 des ansonsten vorhandenen tertiären Bordnetzes.
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Die Versorgung der beiden Bordnetzkanäle 12, 14 kann im Fehlerfall, bspw. bei Kurzschluss einer dieser Komponenten, durch bereits vorhandene Leistungsschalter in ausreichendem Maße erfolgen. Bei Problemen in dem Bordnetz können die durch das Koppelelement 18 bzw. den Trennschalter versorgten Komponenten weiterhin betrieben werden und es wird nur die Verbindung zum problembehafteten System unterbrochen.
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In der Darstellung ist die Umsetzung für einen Trennschalter als Koppelelement 18 dargestellt. Bei Einführen eines Abgriffs zur Versorgung von Standardverbrauchern bzw. Komponenten des tertiären Bordnetzes sind auch Varianten denkbar, bei denen das Koppelelement als Wandler, typischerweise als Gleichspannungswandler, ausgebildet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043402 A1 [0011]
- DE 102014201581 A1 [0012]
