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Die Erfindung betrifft ein Energiebordnetz für ein Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Stromversorgungspfad, eine erste Spannungsmessvorrichtung an einem ersten Ende des Stromversorgungspfads, eine zweite Spannungsmessvorrichtung an einem zweiten Ende des Stromversorgungspfads und eine mit den Spannungsmessvorrichtungen kommunikativ verbundene Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen anomalen Degradationszustand des Stromversorgungspfads festzustellen. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einem solchen Energiebordnetz. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Feststellen eines Degradationszustands eines Stromversorgungspfads eines Energiebordnetzes eines Fahrzeugs. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Elektrofahrzeuge.
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Entlang eines Stromversorgungspfads eines Fahrzeugs kann durch im Fahrbetrieb vorherrschende Umwelteinflüsse und/oder bedingt durch Fehler in der Fertigung eine anomale Degradation auftreten, z.B. durch Reibungseffekte usw., welche deren elektrische Leitungsfähigkeit verschlechtern und im schlimmsten Fall zu einer Pfadunterbrechung führen kann. Um die Verfügbarkeit einer Stromversorgung insbesondere von sicherheitsrelevanten Funktionskomponenten des Fahrzeugs zu gewährleisten, erfolgt deren Stromversorgung häufig über zwei redundante Stromversorgungspfade.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine verbesserte Möglichkeit bereitzustellen, eine Versorgung von elektrisch betriebenen Funktionskomponenten eines Fahrzeugs sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Energiebordnetz für ein Fahrzeug, aufweisend einen elektrischen Stromversorgungspfad, insbesondere zwischen zwei Funktionskomponenten des Energiebordnetzes, eine erste Messvorrichtung zum Messen mindestens eines ersten elektrischen Signals an einem ersten Ende des Stromversorgungspfads, eine zweite Messvorrichtung zum Messen mindestens eines zweiten elektrischen Signals an einem zweiten Ende des Stromversorgungspfads und eine mit den Spannungsmessvorrichtungen kommunikativ verbundene Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet (z.B. programmiert) ist, mindestens ein erstes Histogramm der ersten Spannungswerte zu erstellen und darin eine Lage eines Spitzenwerts einer Spitze zu bestimmen, mindestens ein zweites Histogramm der zweiten Spannungswerte zu erstellen und darin eine Lage eines Spitzenwerts einer entsprechenden Spitze zu bestimmen, eine Differenz zwischen den beiden Lagen zu bestimmen, zu überprüfen, ob die Differenz betragsmäßig mindestens einen vorgegebenen Schwellwert erreicht oder überschreitet, und wenn dies der Fall ist, einen anomalen Degradationszustand des Stromversorgungspfads festzustellen.
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Dieses Energiebordnetz ergibt den Vorteil, dass eine prädiktive Diagnose bereitgestellt wird, den Gesundheitszustand von Stromversorgungspfaden durch Auswertung der Messungen an den Enden des Versorgungspfads zu überwachen, bevor es zu einer merklichen Verschlechterung der Funktion des Stromversorgungspfads oder sogar zu einem Ausfall kommt. Dadurch können bisherige redundante Absicherungskonzepte unterstützt oder sogar ersetzt werden. Durch die Nutzung der Histogramme kann der Gesundheitszustand des Versorgungspfads zuverlässig auch bei schwankenden, transienten Strömen in dem Stromversorgungspfad und/oder für den Fall von - beispielsweise durch Induktivitäten und Kapazitäten in dem Energiebordnetz bewirkten - Spannungseinbrüchen bei einem maximalen Strom ermittelt werden. Was unter einem „maximalen“ Strom verstanden werden kann, ist weiter unten genauer beschrieben.
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Das Fahrzeug kann ein herkömmliches Kraftfahrzeug oder ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug wie ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisch betriebenes Fahrzeug sein. Es ist eine Weiterbildung, dass das Fahrzeug ein zum autonomen Fahren eingerichtetes Fahrzeug ist.
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Die Auswerteeinrichtung kann eine eigenständige Auswerteeinheit sein oder funktional in eine bereits vorhandene Datenverarbeitungseinrichtung integriert sein, z.B. in einen Bordcomputer. Die Auswerteeinrichtung ist insbesondere in diesem Fall eine Komponente des Energiebordnetzes bzw. des das Energiebordnetz aufweisenden Fahrzeugs, z.B. der Bordcomputer. Die Auswerteeinrichtung kann aber auch außerhalb des Fahrzeugs verortet sein, und mit den Spannungsmessvorrichtungen beispielsweise über ein Netzwerk drahtlos kommunikativ gekoppelt sein. In diesem Fall kann die Auswerteeinrichtung beispielsweise ein entsprechend programmierter Netzwerk-Server oder ein Cloud-Rechner sein (sog. „Backend“). Das Energiebordnetz einschließlich der Auswerteeinrichtung kann dann auch als Energiebordnetzsystem o.ä. bezeichnet werden.
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Unter einem Histogramm eines Spannungswerts kann eine Auftragung einer Häufigkeitsverteilung von verschiedenen Spannungswerten verstanden werden, insbesondere über einen bestimmten Zeitraum. Der bestimmte Zeitraum kann z.B. durch ein Fahrszenario des Fahrzeugs variabel bestimmt sein.
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Unter einer Lage einer Spitze kann insbesondere derjenige Spannungswert verstanden werden, an dem der höchste Wert („Spitzenwert“) der Spitze auftritt. Die Spitzen können auch als „Peaks“ bezeichnet werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Differenz der Lagen ein empfindliches und zuverlässiges Maß für den Gesundheits- bzw. Degradationszustand des Stromversorgungspfads ist. Je größer der Betrag der Differenz ist, desto höher ist der ohmsche Widerstand des Stromversorgungspfads. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass eine Degradation des Stromversorgungspfads dessen ohmschen Widerstand erhöht, der durch einen Vergleich der Spannungswerte an beiden Enden messbar ist, und zwar bei der vorliegenden Erfindung auch dann, wenn der durch den Stromversorgungspfad fließende elektrische Strom abhängig von einer Betätigung eines elektrischen Verbrauchers variabel und hochgradig transient ist.
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Der Vergleich mit mindestens einem vorgegebenen Schwellwert ermöglicht eine besonders einfach umsetzbare Bestimmung des Gesundheitszustands des Stromversorgungspfad: wird der Schwellwert nicht erreicht oder überschritten, kann von einem gesunden bzw. nicht anomal degradierten Stromversorgungspfad ausgegangen werden, bei Erreichen oder Überschreiten von einem degradierten Stromversorgungspfad. Der mindestens eine Schwellwert kann z.B. experimentell oder durch Simulation(en) festgelegt worden sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Schwellwert ein an mindestens einen Umgebungsparameter und/oder ein an eine Alterung des Stromversorgungspfads variabel anpassbarer Schwellwert ist. So wird der Vorteil erreicht, dass Umgebungseffekte, welche den ohmschen Widerstand des Stromversorgungspfads beeinflussen, aber nicht auf einer anomalen Degradation beruhen, mitberücksichtigt werden, wodurch wiederum die Wahrscheinlichkeit für Fehlfeststellungen bzw. Fehlalarme deutlich verringerbar ist. Dass der Schwellwert ein variabel anpassbarer Schwellwert ist, kann auch so ausgedrückt werden, dass der Schwellwert ein von mindestens einem Umgebungsparameter abhängiger Schwellwert ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Umgebungsparameter mindestens einen Parameter aus der Gruppe
- - Temperatur des Stromversorgungspfads und/oder
- - Feuchtigkeit im Bereich des Stromversorgungspfads,
umfasst.
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Die Berücksichtigung der Temperatur des Stromversorgungspfads ist besonders vorteilhaft, weil ihr ohmscher Widerstand und damit auch die darüber abfallende Spannung merklich von der Temperatur abhängt. So wiederum wird der Vorteil erreicht, dass die Wahrscheinlichkeit einer Fehlerkennung oder einer Nichterkennung einer anomalen Degradation merklich verringert wird. Die Temperatur kann z.B. über einen Temperatursensor gemessen werden, aus einer Temperatur in dem Motorraum des Fahrzeugs und/oder aus einer Umgebungstemperatur des Fahrzeugs abgeschätzt werden.
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Es ist auch möglich, die Temperatur des Stromversorgungspfads über eine Stromstärke eines dadurch fließenden Stroms oder durch eine Betrachtung einer Stromhistorie durch den Stromversorgungspfad abzuschätzen, z.B. auf der Basis von - beispielsweise in einer Tabelle oder Kennlinie abgelegten - Erfahrungswerten oder durch modellgestützte Abschätzungen. Je höher die Stromstärke ist, desto höher ist üblicherweise auch die Temperatur des Stromversorgungspfads. Der Schwellwert kann folglich auch ein von der Stromstärke des durch den Stromversorgungspfad fließenden Stroms abhängiger Schwellwert sein.
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Die Feuchtigkeit kann durch Kriechströme ebenfalls den ohmschen Widerstand des Stromversorgungspfads beeinflussen: je höher die Feuchtigkeit ist, desto stärker sinkt typischerweise der Widerstand. Die Feuchtigkeit kann z.B. eine Luftfeuchtigkeit in der Umgebung des Fahrzeugs sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Schwellwert ein von einer (zulässigen) Alterung des Stromversorgungspfads abhängiger Schwellwert ist. So wird der Vorteil erreicht, zwischen einer zulässigen Alterung der Stromleitung und einer „anomalen“ Degradation, z.B. aufgrund von Verschleißerscheinungen, Komponenten-, Montage- und/oder Materialdefekten usw. unterschieden werden kann. Dies ist vorteilhaft, weil der Effekt einer zulässigen Alterung einem Hersteller des Fahrzeugs typischerweise bekannt ist und z.B. durch übliche Wartungen behoben werden kann und deshalb in der Regel nicht zu einem Ausfall des Stromversorgungspfads während eines Fahrbetriebs führt. Die anomale Degradation ist hingegen bei der Auslegung des Energiebordnetzes nicht vorhersagbar und deshalb besonders kritisch, da sie zu einem unvorhergesehenen Ausfall des Stromversorgungspfads führen kann. Dass der Schwellwert ein von einer zulässigen Alterung der Stromleitung abhängiger Schwellwert ist, kann beispielsweise so umgesetzt sein, dass er sich mit steigendem Alter oder Betriebsdauer des Fahrzeugs oder der Stromleitung ändert, z.B. erhöht wird.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Schwellwert ein von dem Verbrauchertyp und/oder dem aktuellen Bordnetzzustand abhängiger Schwellwert ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die variablen Schwellwerte mit ihren Einflussparametern in Tabellen oder als zwei- oder mehrdimensionale Kennlinien abgespeichert und abrufbar sind. Die können aber auch als von ihren Einflussparametern abhängigen Funktionen bereitgestellt werden.
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Die Differenz kann auch mit mehreren Schwellwerten verglichen werden, wobei typischerweise ein größerer Schwellwert auf eine stärkere Degradation hinweist als ein niedrigerer Schwellwert. Dies ergibt den Vorteil, dass abhängig von der Schwere der Degradation gestufte Aktionen auslösbar sind.
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Es ist eine Weiterbildung, dass bei Histogrammen, die mehrere ausgeprägte Spitzen aufweisen, der Vergleich anhand einer ausgewählten Spitze aus der Menge der mehreren Spitzen durchgeführt wird. Zweckmäßigerweise ist dies diejenige typische Spitze, welche besonders empfindlich auf eine Degradation des Stromversorgungspfads reagiert.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Lage der Spitzenwerte aus mindestens einer Spitze einer auf das jeweilige Histogramm angewandten Ausgleichungsrechnung (sog. „Fit“) zu bestimmen. Dies ergibt den Vorteil, dass die Lage und Höhe der Spitze(n) in den Histogrammen besonders - speziell im Vergleich zu anderen Arten von Auswertungen - genau und zuverlässig bestimmbar sowie systematisch vergleichbar ist. Wird die Lage der Spitzen durch einen Fit bestimmt, muss die Zahl der Spitzen der zugehörigen Ausgleichs- oder Fitfunktion angegeben oder eingestellt werden, die das Histogramm annähert oder anfittet.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das erste Ende des Stromversorgungspfads an einer Funktionskomponente des Energiebordnetzes in Form eines Stromverteilers liegt und das zweite Ende des Stromversorgungspfads an einer Funktionskomponenten des Energiebordnetzes in Form eines elektrischen Verbrauchers liegt. Dies ergibt den Vorteil, dass der durch den Versorgungspfad fließende Strom - unter Vorbehalt induktiver und kapazitiver Effekte der Leitung - nur von dem elektrischen Verbraucher abhängig ist.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Histogramme während eines Betriebs des elektrischen Verbrauchers unter vorgegebenen Randbedingungen des Betriebs aufzunehmen. Diese Randbedingungen entsprechen vorteilhafterweise Randbedingungen, unter denen der Verbraucher typischerweise zumindest phasenweise in einem Grenzbereich betrieben wird und einen maximalen Strom aufnimmt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Diagnose des Gesundheitszustands besonders zuverlässig durchführbar ist, wenn der elektrische Verbraucher stark in Anspruch genommen wird und viel Strom zieht, speziell zumindest phasenweise einen maximalen Strom aufnimmt. Denn dann kann es zu entsprechenden deutlichen Einbrüchen im Spannungsverlauf kommen, die sich in den Histogrammen in einer besonders deutlichen Verschiebung der Lage mindestens einer Spitze niederschlagen. Der elektrische Verbraucher ist insbesondere ein elektrischer Verbraucher, dessen Stromaufnahme im Betrieb unter den vorgegebenen Randbedingungen begrenzt ist.
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Unter einem „maximalen Strom“ wird insbesondere der unter der aktuellen Belastungssituation von dem elektrischen Verbraucher maximal nutzbare oder abrufbare Strom verstanden, welcher auch unterhalb des nominal möglichen Maximalstromverbrauchs des jeweiligen Verbrauchers liegen kann. Der (aktuell) maximale Strom kann beispielsweise von der aktuellen Bordnetzbelastung oder -situation, vom Verbraucherdesign, von Anforderungen an den elektrischen Verbraucher, von einem durch ein Energiemanagement begrenzten Wert, von der Auslegung und Dimensionierung des Stromversorgungspfads, einer maximal dem Verbraucher durch das Energiebordnetz zur Verfügung gestellten Strommenge, usw. abhängen. So mag die Situation auftreten, dass der Verbraucher zur Erfüllung einer Zielaufgabe zwar einen höheren Strom ziehen könnte, der Generator des Energiebordnetzes aber den höheren Strom nicht liefern kann, usw. Der maximale Stromverbrauch) entspricht somit einer praktischen „Deckelung“ der Stromaufnahme unter den aktuellen Betriebsbedingungen. Der maximale Strom dann in der Regel bis auf induktive und kapazitive Effekte praktisch konstant.
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Weitere Vorteile der Aufnahme der Histogramme nur unter der vorgegebenen Randbedingungen bestehen darin, dass ein Berechnungsaufwand gering gehalten wird, sowie die Möglichkeit, Degradationsvorgänge zuverlässig mit einer vergleichsweise geringen Messauflösung zu detektieren.
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Es ist eine Weiterbildung, dass eine Randbedingung lautet, dass der Wert des Stromflusses durch den Stromversorgungspfad einen bestimmten (absoluten oder relativen) Schwellwert überschreitet.
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Es ist eine Weiterbildung, dass eine Randbedingung lautet, dass ein über ein bestimmtes, insbesondere mitlaufendes, Zeitfenster ermittelter Strommittelwert durch den Stromversorgungspfad einen bestimmten (absoluten oder relativen) Schwellwert überschreitet.
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Die Randbedingungen können aber auch andere Randbedingungen umfassen, welche nicht den Stromfluss durch den Stromversorgungspfad betreffen, z.B. andere Betriebsparameter des Fahrzeugs wie dessen Fahrgeschwindigkeit, Lenkeinschlag, zeitliche Änderung des Lenkeinschlags, positive oder negative Beschleunigung, usw.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die vorgegebenen Randbedingungen Fahrsituationen abbilden, die für einen Betrieb des Verbrauchers mit hoher Stromaufnahme bzw. unter hoher Beanspruchung typisch sind. Die Diagnose bzw. Überwachung auf den Gesundheitszustand wird also vorteilhafterweise nur durchgeführt, wenn festgestellt worden ist, dass eine für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers bei hoher Stromaufnahme typische Fahrsituation bzw. Fahrszenario vorliegt. Dies ermöglicht eine besonders zielgenaue Aktivierung der Überwachung. Dazu kann insbesondere die Erfüllung mehrerer Randbedingungen in Kombination herangezogen werden.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, die Lagen der Spitzenwerte von entsprechenden Nebenspitzen und deren Differenz zu bestimmen. Dem liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass nicht die Lage der höchsten Hauptspitze, sondern die Lage einer niedrigeren, gegenüber der Hauptspitze im Histogramm versetzten Nebenspitze besonders empfindlich gegenüber einer Degradation des Stromversorgungspfads ist. Durch die Auswertung einer Nebenspitze lässt sich die Degradation folglich ganz besonders genau und zuverlässig bestimmen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die zur Auswertung herangezogene Nebenspitze die erste Nebenspitze ist, also die zweithöchste ausgeprägte Spitze bzw. der Peak im Histogramm mit dem zweithöchsten Spitzenwert. Um die erste Nebenspitze und ihre Lage zur Feststellung der Degradation präzise festzustellen, ist es vorteilhaft, die verwendeten Histogramme mit einer Fitfunktion anzunähern bzw. anzufitten, welche genau zwei Spitzen aufweisen, nämlich die Hauptspitze und die erste Nebenspitze. Die erste Nebenspitze des Fits weist einen geringeren Spitzenwert auf als die Hauptspitze. Zusätzlich oder alternativ können - unter Nutzung Fitfunktionen mit einer entsprechenden Zahl von Spitzen - weitere Nebenspitzen betrachtet werden, z.B. die zweite Nebenspitze mit dem dritthöchsten Spitzenwert usw.
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Wird die Lage der Spitzen durch einen Fit bestimmt, muss bei einer Auswertung der Nebenspitzen für die zugehörige Fitfunktion angegeben oder eingestellt werden, dass das Histogramm durch eine Fitfunktion mit einer entsprechenden Zahl von Spitzen angefittet werden soll. Wird dies nicht angegeben bzw. eingestellt, wird ein Fit erzeugt, der nur die Hauptspitze anfittet. Die im Histogramm erkennbare Nebenspitze wird in einem solchen Fit hingegen nicht ausgebildet, sondern dem Grundrauschen zugeordnet und ist dann für die Überprüfung nicht berücksichtigbar.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der elektrische Verbraucher ein Verbraucher aus der Gruppe
- - elektrisch angetriebene Lenkung (auch als „Electric Power Steering“ EPS oder „Electric Power Assisted Steering“ EPAS bekannt),
- - elektrische angetriebene Bremse,
- - elektrisch betriebener Aktuator,
- - elektrisches Heizelement,
- - elektrische Steuerungseinheit (Steuergerät),
- - elektrisches Wandlungselement (z.B. DC/DC-Wandler oder AC/DC-Wandler)
ist. Diese elektrischen Verbraucher zeichnen sich dadurch aus, dass sie unter bestimmten Randbedingungen einen maximal möglichen Strom ziehen bzw. eine begrenzte Stromaufnahme zeigen. Der elektrisch betriebener Aktuator kann z.B. ein elektrischer Stellmotor sein.
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Beispielsweise für den Fall einer elektrisch angetriebenen Lenkung kann eine Diagnose für einen die Lenkung mit elektrischer Energie versorgenden Stromversorgungspfad gestartet werden, wenn eine oder mehrere der folgenden Randbedingungen erfüllt ist oder erfüllt worden ist:
- - der Wert des Stromflusses durch den Stromversorgungspfad überschreitet einen bestimmten (absoluten oder relativen) Schwellwert;
- - ein über ein bestimmtes, insbesondere mitlaufendes, Zeitfenster ermittelter Strommittelwert durch den Stromversorgungspfad überschreitet einen bestimmten (absoluten oder relativen) Schwellwert;
- - Vorliegen von Ansteuerungssignalen an die Lenkung, welche einen hohen, insbesondere maximalen, Lenkausschlag vorgeben,
- - der Lenkwinkel und/oder die zeitliche Änderung des Lenkwinkels überschreitet einen bestimmten jeweiligen Schwellwert;
- - die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist gering (z.B. feststellbar über Radsensoren oder GPS).
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Diese Randbedingungen weisen auf typische Fahrsituationen/-szenarien der Lenkung unter hoher Stromaufnahme hin, wie sie beispielsweise bei Rangiermanövern und Einparkvorgängen auftreten.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der Stromversorgungspfad mindestens ein elektrisches Verbindungssystem umfasst. Dies ist besonders vorteilhaft für Steckverbindungen, weil speziell Steckverbindungen aufgrund der Anforderung nach einer lösbaren Verbindung besonders anfällig für anomale Degradationsphänomene wie Reibkorrosion usw. sind. Jedoch ist das Verbindungssystem nicht darauf beschränkt und kann z.B. auch eine verschraubte Verbindung sein.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das erste Ende und/oder das zweite Ende des Stromversorgungspfads eine elektronische Sicherung aufweist, in welche die jeweilige Messvorrichtung integriert ist. Dies ergibt den Vorteil, dass die Spannung an der elektronischen Sicherung (auch als „E-Fuse“ bekannt) ohne zusätzlichen Messaufwand gemessen werden kann, da eine Spannungsmessfunktion an elektronischen Sicherungen bereits bauteilbedingt vorgesehen ist.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, welches das oben beschriebene Energiebordnetz aufweist. Das Fahrzeug kann analog zu dem Energiebordnetz ausgebildet sein und weist die gleichen Vorteile auf.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das Fahrzeug dazu eingerichtet ist, dann, wenn ein anomaler Degradationszustand des Stromversorgungspfads festgestellt worden ist, mindestens eine Aktion auszulösen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Aktion mindestens eine Aktion aus der Gruppe
- - Ausgeben eines Hinweises an einen Fahrer, eine Servicestation (z.B. eine Werkstatt) und/oder einen Hersteller des Fahrzeugs
- - Im Fall einer redundanten Stromversorgung ein gezieltes Abschalten des durch Degradation betroffenen Pfads, um ein thermisches Ereignis zu unterbinden,
- - Abspeichern einer Meldung im Fehlerspeicher
umfasst. Es ist eine Weiterbildung, dass je nach Schwere der Degradation unterschiedliche Aktionen ausgelöst werden, z.B. mit Erreichen oder Überschreiten eines ersten, niedrigeren Schwellwerts die Ausgabe eines Hinweises, beim nächsten Service diesen Stromversorgungspfad zu warten, und mit Erreichen oder Überschreiten eines zweiten, höheren Schwellwerts die Ausgabe eines Hinweises, sofort eine Servicestelle aufzusuchen, usw.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Feststellen eines Degradationszustands eines Stromversorgungspfads eines Energiebordnetzes eines Fahrzeugs. Das Verfahren kann analog zu dem Energiebordnetz und/oder zu dem Fahrzeug ausgebildet werden und weist die gleichen Vorteile auf.
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Vorteilhafterweise weist das Verfahren die Schritte auf, dass
- - mindestens ein erstes Histogramm der ersten Spannungswerte erstellt wird und darin eine Lage eines Spitzenwerts einer Spitze bestimmt wird,
- - mindestens ein zweites Histogramm der zweiten Spannungswerte erstellt wird und darin eine Lage eines Spitzenwerts einer Spitze bestimmt wird,
- - eine Differenz zwischen den beiden Lagen bestimmt wird,
- - überprüft wird, ob die Differenz betragsmäßig einen vorgegeben Schwellwert erreicht oder überschritten wird, und
- - wenn dies der Fall ist, einen anomalen Degradationszustand des Stromversorgungspfads (SVP) festgestellt wird.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
- 1 zeigt eine vereinfachte Skizze eines Bordnetzes eines Fahrzeugs;
- 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Skizze aus 1;
- 3 zeigt einen möglichen Ablauf eines Verfahrens zum Feststellen eines Degradationszustands eines Stromversorgungspfads eines Energiebordnetzes des Fahrzeugs aus 1;
- 4 zeigt als Auftragung eines Stroms gegen die Zeit einen möglichen Verlauf eines durch den Stromversorgungspfad fließenden Stroms;
- 5 zeigt ein Histogramm von Spannungswerten in einem nicht degradierten Zustand des Stromversorgungspfads; und
- 6 zeigt ein Histogramm von Spannungswerten in einem degradierten Zustand des Stromversorgungspfads.
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1 zeigt eine vereinfachte Skizze eines Energiebordnetzes 1 eines Fahrzeugs C. Das Energiebordnetz 1 weist rein beispielhaft einen Generator 2 (z.B. eine Lichtmaschine) und eine Batterie 3 auf, deren Minuspole über verschraubte Stromleitungen Ls an eine als Bezugspotential dienende Karosserie 4 des Fahrzeugs C angeschlossen sind.
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Ein Pluspol der Batterie 3 ist über eine weitere verschraubte Stromleitung Ls an einen ersten Stromverteiler 5 angeschlossen, der über noch eine weitere verschraubte Stromleitung Ls an einen zweiten Stromverteiler 6 angeschlossen ist. An den ersten Stromverteiler 5 können noch weitere Komponenten des Bordnetzes 1 angeschlossen sein (o. Abb.). Der zweite Stromverteiler 6 ist außerdem über noch eine verschraubte Stromleitung Ls an einen Pluspol des Generators 2 angeschlossen und über ein Kabel 8 gesteckt an einen Verbraucher 7 angeschlossen. Der Verbraucher 7 ist über eine Stromleitung Lst an die Karosserie 4 angeschlossen. Der Verbraucher 7 kann z.B. eine elektrische angetriebene Lenkung 7a sein.
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Vorliegend existiert unter anderem ein Stromversorgungspfad SVP zwischen dem zweiten Stromverteiler 6 und dem Verbraucher 7, der das Kabel 8, eine erste elektrische Steckverbindung St1 des Kabels 8 mit dem zweiten Stromverteiler 6 und eine zweite elektrische Steckverbindung St2 des Kabels 8 mit dem zweiten Stromverteiler 6 umfasst.
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Die Absicherung des Stromversorgungspfads SVP und damit des Verbrauchers 7 erfolgt über eine in den zweiten Stromverteiler 6 integrierte elektronische Sicherung 12, mittels der die daran anliegende Spannung U(12) und/oder der durch sie und damit auch durch den Stromversorgungspfad SVP fließende Strom messbar sind. In die elektronische Sicherung 12 sind somit eine Spannungsmessvorrichtung und vorteilhafterweise auch eine Strommessvorrichtung funktional integriert.
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Am anderen Ende des Stromversorgungspfads SVP befindet sich in oder an dem Verbraucher 7 eine Spannungsmessvorrichtung 13, an der eine Spannung U(13) messbar ist und die in einer Weiterbildung ebenfalls als elektronische Sicherung ausgebildet sein kann. Die Spannungen U(12) und U(13) werden vorteilhafterweise mit einer gleichen Messrate gemessen.
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Auch andere Leitungen oder Zweige des zweiten Stromverteilers 6 können mit jeweiligen elektronischen Sicherungen abgesichert sein (o. Abb.).
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Die Spannungsmessvorrichtungen 12, 13, usw. sind mit Datenleitungen 9 verbunden, über die davon gemessene elektrische Spannungen und/oder Ströme bzw. deren Messwerte an eine Auswerteeinrichtung, hier beispielhaft in Form eines Bordcomputers 10, übertragbar sind.
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2 zeigt einen Ausschnitt aus dem zweiten Stromverteiler 6 des Bordnetzes 1. Die elektronische Sicherung 12 ist über einen Leitungspfad 14 mit einem Steckverbindungselement 15 der ersten Steckverbindung St1 und ein damit gestecktes Steckverbindungsgegenelement 16 der ersten Steckverbindung St1 mit dem Kabel 8 verbunden. Das Steckverbindungselement 15 kann z.B. in ein Gehäuse des zweiten Stromverteilers integriert sein.
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Der zweite Stromverteiler 6 weist ferner einen Ausgang zu dem ersten Stromverteiler 5 und mindestens einen weiteren Stromversorgungsausgang, wie hier zu einem Verbraucher 11 angedeutet, auf.
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Wieder zurückkehrend zu 1 können Spannungen grundsätzlich auch an beliebigen anderen Stromversorgungspfaden des Energiebordnetzes 1 gemessen werden. Beispielsweise können auch der Generator 2, die Batterie 3, der erste Stromverteiler 5 usw. mit jeweiligen Spannungsmessvorrichtungen (o. Abb.) versehen sein, die ebenfalls mit Datenleitungen 9 verbunden sind, über die an diesen Komponenten gemessene elektrische Spannungen und ggf. Ströme an den Bordcomputer 10 übertragbar sind.
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3 zeigt einen möglichen Ablauf zur Überwachung auf einen Degradationszustand eines Stromversorgungspfads anhand einer Überwachung des Stromversorgungspfads SVP, welcher einen elektrischen Verbraucher 7 in Form einer elektrisch angetriebenen Lenkung 7a mit elektrischer Energie versorgt.
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Nach Start des Fahrzeugs C in einem Schritt S0 wird in einem Schritt S1 durch den entsprechend eingerichteten, z.B. programmierten, Bordcomputer 10 überwacht, ob die Lenkung 7a in einer für sie typischen Fahrsituation wie beispielsweise einem Rangiermanöver oder einem Einparkvorgang verwendet wird. Dazu wird beispielsweise die Randbedingung überprüft, ob ein durch die Stromversorgungspfads SVP fließender elektrischer Strom einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert kann ein absoluter Schwellwert sein (z.B. „100 A“) oder ein relativer Schwellwert sein (z.B. „70 % des durch die Lenkung 7a aufnehmbaren nominalen Maximalstroms“). Der Schwellwert kann variabel sein. Der Stromwert wird mittels zumindest einer der E-Fuses 12 und 13 bestimmt. Auch kann z.B. überprüft werden, ob die Lenkung stark betätigt wird (z.B. „Lenkeinschlag von mehr als X Grad innerhalb von 2 s“) und/oder ob die Geschwindigkeit des Fahrzeugs C gering ist (z.B. 5 km/h nicht überschreitet), usw.
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Zur Überprüfung auf die Erfüllung der Randbedingung(en) kann der Bordcomputer 10 die Werte der Spannungen U(12) und U(13) für die Dauer eines mitlaufenden Zeitfensters abspeichern und auswerten. Die Dauer kann z.B. 1 s bis 10 s betragen.
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4 zeigt dazu als Auftragung des Stroms I(SVP) in A gegen die Zeit t in s einen typischen Stromverlauf während eines Rangiermanövers, bei dem ein Fahrer des Fahrzeugs C das Lenkrad mehrfach bewegt. Die Bewegung des Lenkrads bewirkt einen entsprechenden Betrieb der Lenkung 7a, welcher sich in den Stromspitzen zeigt. Die Stromspitzen weisen einen maximalen, aufgrund von kapazitiven und induktiven Effekten typischerweise leicht schwankenden Strom auf.
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Die zugehörigen Verläufe der Spannungen U(12) und U(13) an den E-Fuses 12 bzw. 13 (nicht eingezeichnet) ähneln - entsprechend einem ohmschen Verhalten - dem Stromverlauf in entlang der x-Achse gespiegelter Weise mit entsprechenden Spannungseinbrüchen. Aufgrund des Verlusts entlang des Stromversorgungspfads SVP sind die resultierenden Einbrüche der Spannung U(13) signifikanter als für die Spannung U(12).
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Wieder zurückkehrend zu 3 wird dann, wenn die Randbedingungen in Schritt S1 nicht erfüllt sind („N“), die Überwachung während des Betriebs des Fahrzeugs C weitergeführt.
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Sind die Randbedingungen in Schritt S1 jedoch erfüllt („J“), was einer Verwendung der Lenkung 7a in einer für sie typischen Fahrsituation gleichgesetzt wird, werden in einem Schritt S2 mittels der E-Fuses 12 und 13 die Spannungen U(12) und U(13) für einen gleichen Zeitraum mit einer gleichen Messrate für die Dauer der typischen Fahrsituation gemessen (wenn dies nicht bereits für andere Zwecke geschieht) und als erstes Histogramm bzw. zweites Histogramm in einem Datenspeicher des Bordcomputers 10 abgespeichert.
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Vorliegend können z.B. die entsprechenden Spannungswerte U(12) und U(13) in die Histogramme aufgenommen werden, wenn zuvor festgestellt worden ist, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs C gering ist und große Lenkausschläge auftreten und wenn ferner die Randbedingungen vorliegen , dass (a) der Stromwert über 100 A liegt und (b) ein gemittelter Stromwert dieser Werte einen gewissen Schwellwert überschreitet. Dadurch wird z.B. die zeitlich erste Stromspitze nicht berücksichtigt, da Randbedingung (b) für sie nicht erfüllt ist, und es werden die zeitlich letzten, kleinen Spitzen nicht berücksichtigt, weil für sie Randbedingung (b) nicht erfüllt ist.
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Die ersten und zweiten Histogramme können für jede der Stromspitzen entsprechenden Spannungswerte U(12) und U(13) einzeln aufgenommen werden. Alternativ können die Histogramme die allen sechs relevanten Stromspitzen entsprechenden Spannungswerte U(12) und U(13) akkumuliert umfassen, bspw. wenn für die Abspeicherung ein entsprechendes Zeitfenster vorgegeben ist und/oder wenn sich das Fahrszenario nicht geändert hat, was z.B. dadurch festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs C gering bleibt.
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5 zeigt typische übereinandergelegte Histogramme H(12) (hell eingezeichnet) und H(13) (dunkel eingezeichnet) als Auftragung der Zahl bzw. Häufigkeit N gemessener Spannungswerte U(12) bzw. U(13) gegen die gemessenen Spannungswerte U(12) bzw. U(13) in V für einen nicht degradierten bzw. gesunden Stromversorgungspfad SVP. Um eine besonders genaue Bestimmung der Lage der Spitzenwerte der Spitzen bzw. Peaks zu erhalten, werden die Histogramme H(12) und H(13) durch eine Fitfunktion mit genau zwei Spitzen angefittet, deren Kurven als F(12) (gestrichelt eingezeichnet) bzw. F(13) (durchgehend eingezeichnet) bezeichnet sind.
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Während die Hauptspitzen P0(12) und P0(13) in den Fits mit einer Lage Z0(12) und Z0(13) ihrer Spitzenwerte um ca. 12,2 V praktisch übereinanderliegen, sind die erste Nebenspitze P1 (12) in F(12) mit einer Lage Z1 (12) ihres Spitzenwerts bei ca. 11,3 V und die erste Nebenspitze P1(13) in F(13) mit einer Lage Z1(13) ihres Spitzenwerts bei ca. 11 V gut unterscheidbar. Die Spannungsdifferenz ΔU = Z1(12) - Z2(13) stellt ein Maß für den ohmschen Widerstand des Stromversorgungspfads SVP dar. Sie beträgt hier ΔU ≈ 0,2 V.
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6 zeigt eine zu 5 analoge Auftragung übereinandergelegter Histogramme H(12) und H(13) und Fits F(12) bzw. F(13) für einen degradierten bzw. ungesunden Zustand des Stromversorgungspfads SVP. Während die Hauptspitzen P0(12) und P0(13) mit ihren Lagen Z0(12) und Z0(13) um 12,2 V weiterhin praktisch übereinanderliegen, sind die ersten Nebenspitzen P1(12) bei Z1(13) ≈ 11,3 V und P1(13) bei Z1(12) ≈ 11 V weiter voneinander entfernt als im nicht degradierten Zustand, was auf einen höheren ohmschen Widerstand des Stromversorgungspfads SVP hindeutet. Die zugehörige Spannungsdifferenz ΔU beträgt hier ca. 0,3 V.
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Wieder zurückkehrend zu 3 werden in einem Schritt S3, wie in 5 und 6 gezeigt, die Histogramme H(12) und H(13) durch Fitfunktionen F(12) bzw. F(13) mit mindestens zwei Spitzen angefittet und aus den Fitfunktionen F(12), F(13) die Lagen Z1(12) und Z1(13) der Spitzenwerte der ersten Nebenspitzen P1(12) bzw. P1(13) bestimmt.
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In einem Schritt S4 wird dann die (Spannungs-) Differenz ΔU = Z1(12) - Z1(13) der Lagen Z1(12), Z1(13) der Spitzenwerte berechnet.
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In einem Schritt S5 wird dann überprüft, ob die Differenz ΔU betragsmäßig mindestens einen vorgegeben Schwellwert erreicht oder überschreitet. Der Schwellwert kann beispielsweise durch Experimente, Simulationen und/oder als Historienwert bei bekanntem nicht degradierten Zustand bestimmt werden. Er kann, wie bereits oben ausgeführt, variabel sein. Er kann hier z.B. 0,25 V betragen.
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Falls die Differenz ΔU mindestens einen vorgegeben Schwellwert betragsmäßig erreicht oder überschreitet („J“), wird in Schritt S6 ein anomaler Degradationszustand des Stromversorgungspfads SVP festgestellt, ansonsten („N“) zu Schritt S1 zurückgekehrt.
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Folgend auf Schritt S6 kann in einem Schritt S7 mindestens eine Aktion durch das Fahrzeug C ausgelöst werden. Die mindestens eine Aktion kann in einer Weiterbildung ausgelöst werden, wenn in Schritt S6 der anomale Degradationszustand auch nur einmal festgestellt worden ist. Alternativ wird die mindestens eine Aktion erst dann ausgelöst, wenn ein anomaler Degradationszustand mehrfach hintereinander festgestellt worden ist, z.B. mehrfach unmittelbar aufeinanderfolgend oder dann, wenn ein gewisser Prozentsatz der Überprüfungen in Schritt S5 ein Vorliegen eines anomalen Degradationszustands ergibt. Dazu kann ein Fehlerspeicher verwendet werden. Diese Alternative ergibt den Vorteil, dass ein Degradationszustand nicht bereits dann zu einer Aktion führt, wenn er durch eine kurzzeitige Sondersituation bedingt festgestellt worden ist. In anderen Worten ergibt die Alternative ergibt den Vorteil, dass das Auslösen der mindestens einen Aktion auf einer besonders robusten Datenlage beruht.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiebordnetz
- 2
- Generator
- 3
- Batterie
- 4
- Karosserie
- 5
- Erster Stromverteiler
- 6
- Zweiter Stromverteiler
- 7
- Elektrischer Verbraucher
- 7a
- Elektrisch angetriebene Lenkung
- 8
- Kabel
- 9
- Datenleitung
- 10
- Bordcomputer
- 11
- Elektrischer Verbraucher
- 12
- Elektronische Sicherung
- 13
- Spannungsmessvorrichtung
- 14
- Leitungspfad
- 15
- Steckverbindungselement
- 16
- Steckverbindungsgegenelement
- C
- Fahrzeug
- F(12)
- Fitfunktion
- F(13)
- Fitfunktion
- H(12)
- Histogramm
- H(13)
- Histogramm
- I(SVP)
- Strom durch den Stromversorgungspfad
- Ls
- Verschraubte Stromleitung
- Lst
- Stromleitung
- N
- Häufigkeit
- P0(12)
- Hauptspitze
- P0(13)
- Hauptspitze
- P1(12)
- Nebenspitze
- P1(13)
- Nebenspitze
- SVP
- Stromversorgungspfad
- S0-S7
- Verfahrensschritte
- St1
- Erste elektrische Steckverbindung
- St2
- Zweite elektrische Steckverbindung
- t
- Zeit
- U(12)
- Spannung
- U(13)
- Spannung
- Z0(12)
- Lage des Spitzenwerts der Hauptspitze
- Z0(13)
- Lage des Spitzenwerts der Hauptspitze
- Z1(12)
- Lage des Spitzenwerts der ersten Nebenspitze
- Z1(13)
- Lage des Spitzenwerts der ersten Nebenspitze
- ΔU
- Differenz
