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Die Erfindung betrifft einen Stromverteiler, aufweisend einen Versorgungseingang, der über jeweilige Komponenten-Stromzweige mit Komponentenausgängen elektrisch verbunden ist, wobei jeder der Komponenten-Stromzweige mindestens ein Sicherungselement aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Stromverteilungssystem mit einem solchen Stromverteiler und einer Auslöselogik. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, aufweisend mindestens ein solches Stromverteilungssystem. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Stromverteilungssystems. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf teil- oder vollautonom fahrende Fahrzeuge.
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Der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von elektrischen Verbindungen kommt insbesondere im Kontext des teil- sowie hochautonomen Fahrens eine zunehmend höhere Bedeutung zu. Diesbezüglich werden im Fahrzeug vermehrt elektronische Sicherungen (auch als „E-Fuses“ oder „Smart Fuses“ bekannt) als Absicherungselemente von Versorgungspfaden eingesetzt. Eine elektronische Sicherung weist ein oder mehrere Halbleiterbauelemente auf, die einen Trennschalter (z.B. einen Transistor, bspw. MOSFET) zum wahlweisen Sperren oder Leiten der elektronischen Sicherung umfassen. Auch kann eine elektronische Sicherung ein oder mehrere Spannungsmesseinrichtungen und/oder mindestens eine Strommesseinrichtung aufweisen. Auch die Spannungs- und/oder Strommesseinrichtungen können durch ein oder mehrere Halbleiterbauelemente ausgebildet werden.
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Die mindestens eine Spannungsmesseinrichtung kann die Spannung an dem Strompfad durch die elektronische Sicherung messen, z.B. vor und/oder nach dem elektronischen Trennschalter. Die Strommesseinrichtung misst den durch die elektronische Sicherung fließenden Strom. Die Spannungs- und/oder Strommesswerte können an Instanzen außerhalb der elektronischen Sicherung übermittelt werden, z.B. an eine Energiemanagementeinrichtung, welche diese Messwerte dann für beliebige Zwecke nutzen können. Die Spannungs- und/oder Strommesseinrichtungen können insbesondere auch dazu verwendet werden, das Spannungs- und/oder Stromverhalten an der elektronischen Sicherung zu überwachen, wobei der Trennschalter bei Erkennen eines für die abzusichernde Fahrzeugkomponente oder für andere Komponenten im System potenziell schädlichen Verhaltens so ansteuerbar ist, dass er sperrt bzw. öffnet. Durch Spannungs- und/oder Strommesseinrichtungen kann ferner eine Funktionalität des elektronischen Trennschalters überprüft werden.
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Das Überwachen und Überprüfen geschieht mittels einer als „Auslöselogik“ bezeichenbaren Datenverarbeitungseinrichtung, welche sowohl mit den Spannungs- und/oder Strommesseinrichtungen als auch mit einem Steueranschluss des elektronischen Trennschalters (z.B. einem Gate-Anschluss) signaltechnisch verbunden ist. Die Auslöselogik kann also die Messwerte überwachen und den Trennschalter geeignet ansteuern. Die Auslöselogik kann - beispielsweise mittels Hardware - in der elektronischen Sicherung integriert sein oder kann eine externe Einheit sein.
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Elektronische Sicherungen können jedoch bedingt durch degradationsinduzierte Phänomene oder Messfehler ihrer Halbleiterbauelemente fehlerhaft agieren oder sogar ausfallen. So wird mit fortschreitender Degradation in der Regel ein ansteigender ohmscher Widerstand im Strompfad der elektronischen Sicherung bewirkt, der bei Stromfluss mit einer Erhöhung der Temperatur (Verlustwärme durch Übergangswiderstand) einhergeht. Diese Temperaturerhöhung kann zu einer permanenten Unterbrechung in der elektronischen Sicherung oder sogar zu einem thermischen Ereignis führen.
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DE 10 2019 120 567 A1 offenbart ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, das einen Stromverteiler und eine Mehrzahl von ersten Leitungen umfasst, die eingerichtet sind, eine entsprechende Mehrzahl von elektrischen Komponenten mit dem Stromverteiler zu verbinden. Des Weiteren umfasst das Bordnetz eine Mehrzahl von halbleiterbasierten ersten Schaltelementen für die entsprechende Mehrzahl von ersten Leitungen, wobei ein bestimmtes erstes Schaltelement einer bestimmten ersten Leitung ausgebildet ist, die bestimmte erste Leitung zu unterbrechen. Des Weiteren umfasst das Bordnetz eine zweite Leitung, die ausgebildet ist, den Stromverteiler mit dem Bordnetz zu verbinden, und eine Begrenzungseinheit, die eingerichtet ist, einen zweiten Strom auf der zweiten Leitung zu begrenzen oder zu unterbinden. Das Bordnetz umfasst ferner eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, zu bestimmen, dass das bestimmte erste Schaltelement nicht öffnet, obwohl ein erster Strom durch das bestimmte erste Schaltelement einen ersten Strom-Schwellenwert überschreitet; und in Reaktion darauf, die Begrenzungseinheit zu veranlassen, den zweiten Strom auf der zweiten Leitung zu begrenzen oder zu unterbinden.
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DE 10 2020 106 210 A1 offenbart ein Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Energiequelle, mit einer Versorgungsschiene, in welche elektrische Energie mittels der Energiequelle einspeisbar ist, mit wenigstens zwei elektrisch mit der Versorgungsschiene verbundenen und mit Energie aus der Versorgungsschiene versorgbaren Stromverteilern, und mit einer Steuereinrichtung, mittels welcher wenigstens ein Messwert des Energieversorgungssystems empfangbar ist und mittels welcher die Stromverteiler in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Messwert steuerbar sind, wobei die Stromverteiler unmittelbar elektrisch an die Versorgungsschiene angeschlossen sind und jeweils mehrere parallel geschaltene Stromverteilungspfade mit jeweils wenigstens einem Sicherungselement umfassen, über welche wenigstens eine Kraftfahrzeugkomponente mit elektrischer Energie versorgbar ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine preiswerte Möglichkeit bereitzustellen, die Verfügbarkeit der elektrischen Energieversorgung mehrerer - insbesondere sicherheitsrelevanter bzw. hochverfügbarer Strompfade - besonders zuverlässig zu gewährleisten.
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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 einen Stromverteiler, aufweisend
- - einen ersten elektrischen Anschluss (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Versorgungseingang“ bezeichnet), der über jeweilige Stromzweige oder Strompfade (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Komponenten-Stromzweige“ bezeichnet) mit mehreren zweiten elektrischen Anschlüssen (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Komponentenausgängen“ bezeichnet) elektrisch verbunden ist, wobei jeder der Komponenten-Stromzweige mindestens ein Sicherungselement (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Komponenten-Sicherungselement“ bezeichnet) aufweist, und
- - mindestens einen Strompfad (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „Bypass-Strompfad“ bezeichnet), der von einem Versorgungseingang zu mindestens zwei der Komponentenausgänge führt und der mindestens eine elektronische Sicherung (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als „elektronische Bypass-Sicherung“ bezeichnet) aufweist.
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In diesem Stromverteiler sind also mehrere, ggf. sogar alle, alle Komponenten-Stromzweige durch einen parallel dazu verschalteten Bypass-Strompfad abgesichert. Für den Fall, dass an einem der Komponenten-Stromzweige eine Störung oder ein Fehler auftritt (z.B. eine elektronische Sicherung hochohmig ist, ungewollt ausgelöst hat, degradiert ist, usw.), kann der Bypass-Strompfad zur Versorgung der dem Komponenten-Stromzweig nachgeschalteten mindestens einen elektrischen Komponente einspringen. Da nicht jeder Komponenten-Stromzweig einen eigenen Bypass-Strompfad aufweist, sondern sich mehrere Komponenten-Stromzweige einen gemeinsamen Bypass-Strompfad teilen, können Komponenten und damit Kosten und Bauraum gespart werden.
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Unter einem Stromverteiler wird insbesondere eine Anordnung verstanden, bei dem eine - typischerweise an eine elektrische Energiequelle wie einen Spannungsgenerator, einen Gleichspannungswandler oder eine Batterie anzuschließende - elektrische Leitung an einem Versorgungseingang angeschlossen ist oder den Versorgungseingang bildet, der in mehrere Komponenten-Stromzweige oder -Strompfade verzweigt, die zu jeweiligen Komponentenausgängen führen oder in jeweiligen Komponentenausgängen enden. Die Komponenten-Stromzweige sind über ihre Komponentenausgänge insbesondere zum Anschluss jeweils mindestens einer elektrischen Komponente vorgesehen, welche von der elektrischen Energiequelle mit elektrischer Energie, insbesondere Strom, versorgt werden soll.
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Der Stromverteiler ist in einer Weiterbildung ein eigenständiges Bauteil, das beispielsweise ein eigenes Gehäuse aufweist. Der Stromverteiler entspricht in einer Weiterbildung einer wie oben beschriebenen Anordnung oder Topologie von Stromzweigen und Sicherungselementen und kann einen Teil einer übergeordneten Komponente bzw. eines übergeordneten Bauteils sein.
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Unter einem Sicherungselement wird insbesondere ein elektrisches Element verstanden, das den Komponenten-Stromzweig bzw. die nachgeschalteten elektrischen Komponenten absichert, indem es den Komponenten-Stromzweig mit Eintreten eines Sicherungsfalls (z.B. Auftreten von Überstrom, Unterspannung, usw.) sperrt. Das Sicherungselement kann beispielsweise als eine elektronische Sicherung (E-Fuse, Smart Fuse) oder als eine mechanische Sicherung wie eine Schmelzsicherung ausgebildet sein.
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In jedem Komponenten-Stromzweig ist also jeweils mindestens ein Sicherungselement vorhanden. Das mindestens eine Sicherungselement kann für mindestens zwei, insbesondere alle, Komponenten-Stromzweige gleich sein. Das mindestens eine Sicherungselement kann aber auch für mindestens zwei Komponenten-Stromzweige unterschiedlich sein, insbesondere in Bezug auf die Zahl, die Art (elektronische Sicherung, Schmelzsicherung, usw.) und/oder die Topologie (parallel, seriell, usw.).
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Die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung weist insbesondere genau eine elektronische Sicherung (E-Fuse) oder eine Topologie von mehreren miteinander verschalteten elektronischen Sicherungen auf. Insbesondere ist der Versorgungseingang des Bypass-Strompfads mit der mindestens einen elektronischen Bypass-Sicherung verbunden. Es ist eine Weiterbildung, dass sich der Bypass-Strompfad von seiner mindestens einen elektronischen Bypass-Sicherung zu den mindestens zwei Komponentenausgängen verzweigt. Dies bedeutet insbesondere, dass die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung elektrisch in Reihe mit jedem der damit elektrisch verbundenen Komponentenausgänge ist.
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Dadurch, dass der Bypass-Strompfad mindestens eine elektronische Sicherung aufweist, kann der Bypass-Strompfad für den Fall, dass die Sicherungselemente der mit ihm über die Komponentenausgänge verbundenen Komponenten-Stromzweige fehlerfrei sind, offen gehalten werden. Tritt in mindestens einem der Komponenten-Stromzweige ein Fehler oder Ausfall von Sicherungselementen auf, kann die mindestens eine elektronische Sicherung des Bypass-Strompfads gezielt so angesteuert werden, dass die diesem Komponenten-Stromzweig nachgeschalteten elektrischen Komponenten weiterhin über den Bypass mit Strom versorgt werden. Der Bypass-Strompfad „springt“ also für den fehlerbehafteten oder ausgefallenen Komponenten-Stromzweig ein. Für die anderen, fehler- bzw. ausfallfreien Komponenten-Stromzweige ergibt sich die Stromverfügbarkeit an deren Komponentenausgängen durch Überlagerung der Stromverfügbarkeiten über den jeweiligen Komponenten-Stromzweig und den Bypass-Strompfad.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung genau eine elektronische Sicherung („Bypass“-E-Fuse) ist. Dies lässt sich vorteilhafterweise besonders kompakt und preiswert umsetzen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung mindestens zwei elektronische Sicherungen aufweist. So wird der Vorteil erreicht, dass - je nach Topologie dieser elektronischen Sicherungen - ein besonders zuverlässiges Öffnen, Schließen, Offen-halten sowie Geschlossen-halten des Bypass-Strompfads erreicht wird.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung genau zwei elektronische Sicherungen aufweist. Dadurch kann ein besonders zuverlässiges Öffnen oder Schließen des Bypass-Strompfads mit einer geringen Zahl von elektronischen Sicherungen umgesetzt werden.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens zwei - insbesondere die einzigen beiden - elektronischen (Bypass-)Sicherungen elektrisch seriell in dem Bypass-Strompfad angeordnet sind („horizontale Redundanz“). Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders zuverlässiges Öffnen / Trennen des Bypass-Strompfads mit einer geringen Zahl von elektronischen Sicherungen erreicht, z.B. auch dann, wenn eine der beiden elektronischen Sicherungen fehlerhafterweise dauernd schließt bzw. leitend geschaltet ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens zwei - insbesondere die einzigen beiden - elektronischen (Bypass-)Sicherungen elektrisch parallel in dem Bypass-Strompfad angeordnet sind („vertikale Redundanz“). Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders zuverlässiges Schließen / Leiten des Bypass-Strompfads mit einer geringen Zahl von elektronischen Sicherungen erreicht, z.B. auch dann, wenn eine der beiden elektronischen Sicherungen fehlerhafterweise dauernd öffnet bzw. sperrend geschaltet ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn in den beiden elektrisch parallelen Bypass-Strompfaden Dioden vorhanden sind. Dies können eigenständige Bauteile sein, oder die Dioden können funktional in die elektronischen Sicherungen integriert sein, beispielsweise wenn diese einen MOSFET als Schalter aufweisen. Es ist eine Weiterbildung, dass die Dioden Schottky-Dioden sind.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung vier elektronische Sicherungen aufweist, die in einer elektrisch seriell-parallelen Anordnung in dem Bypass-Strompfad angeordnet, d.h., in einer Anordnung mit zwei parallelen Strompfaden, in denen jeweils zwei elektronische Sicherungen seriell angeordnet sind. Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders zuverlässiges Verbinden und Trennen des Bypass-Strompfads mit einer immer noch vergleichsweise geringen Zahl von elektronischen Sicherungen erreicht. Diese Weiterbildung ist im Vergleich zu einer entsprechenden Anordnung in jedem Komponenten-Stromzweig immer noch kompakter und preiswerter.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine Komponenten-Sicherungselement mindestens eines Komponenten-Stromzweigs, insbesondere aller Komponenten-Stromzweige, mindestens eine elektronische Sicherung aufweist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der Komponenten-Stromzweig besonders flexibel wahlweise leitend oder sperrend geschaltet werden kann.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine Komponenten-Sicherungselement mindestens eines Komponenten-Stromzweigs, insbesondere aller Komponenten-Stromzweige, mindestens eine Schmelzsicherung aufweist. So lässt sich der zugehörige Komponenten-Stromzweig bzw. die daran angeschlossenen abzusichernden elektrischen Komponenten besonders preiswert und robust gegen Überstrom absichern.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine Komponenten-Sicherungselement mindestens eines Komponenten-Stromzweigs, insbesondere aller Komponenten-Stromzweige, mehrere, insbesondere zwei, in Reihe geschaltete Komponenten-Sicherungselemente umfasst. Dies ermöglicht ein besonders zuverlässiges Sperren bzw. Trennen dieses Komponenten-Stromzweigs. Die mehreren in Reihe geschalteten Komponenten-Sicherungselemente können beispielsweise mindestens zwei elektronische Sicherungen oder mindestens eine elektronische Sicherung und eine Schmelzsicherung umfassen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Stromtragfähigkeit des Bypass-Strompfads mindestens so groß ist wie die Summe der maximalen Nennströme der an die (mit ihren Komponentenausgängen mit dem Bypass-Strompfad verbundenen) Komponenten-Stromzweige angeschlossenen sicherheitsrelevanten Verbraucher.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Stromtragfähigkeit des mindestens einen Bypass-Strompfads (bei mehreren Bypass-Strompfaden: jedes einzelnen der Bypass-Strompfade oder alternativ der Bypass-Strompfade zusammen) mindestens so groß ist wie der maximale Nennstrom, insbesondere maximale Dauernennstrom, des an die (mit ihren Komponentenausgängen mit dem Bypass-Strompfad verbundenen) Komponenten-Stromzweige angeschlossenen größten Verbrauchers, d.h., des Verbrauchers mit dem größten maximalen Nennstrom.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Stromtragfähigkeit des Bypass-Strompfads mindestens so groß ist wie die Summe der Stromtragfähigkeiten der (mit ihren Komponentenausgängen mit dem Bypass-Strompfad verbundenen) Komponenten-Stromzweige. So wird der Vorteil erreicht, dass der Bypass-Strompfad alle diese Komponenten-Stromzweige gleichzeitig sicher brücken kann.
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Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Stromtragfähigkeit des Bypass-Strompfads so groß ist wie der maximale Dauernennstrom des größten Verbrauchers, der maximale Dauernennstrom des größten Verbrauchers aller Verbraucher oder die Summe der Stromtragfähigkeiten der Komponenten-Stromzweige. Denn die Stromtragfähigkeit des Bypass-Strompfads kann grundsätzlich auch geringer ausgelegt werden, beispielsweise aufgrund des typischerweise geringen Fehlerzeitraumes. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine geringere Dimensionierung und somit Kostenvorteile für den/die elektrischen Strompfad(e) und die elektronische(n) Sicherung(en) des Bypass-Strompfads.
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Ein besonders kostengünstiger Bypass-Strompfad ist auch dadurch umsetzbar, dass im Fehlerfall, also bei Einsatz des Bypass-Strompfads, die an die Komponenten-Stromzweige angeschlossenen elektrischen Komponenten in einem noch vertretbaren Degradationszustand betrieben werden. Der Degradationszustand hat zur Folge, dass der jeweilige Komponentenstrom und damit der Summenstrom der betroffenen Komponenten-Stromzweige möglichst niedrig gehalten wird.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass genau ein Bypass-Strompfad vorhanden ist. So wird ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau ermöglicht.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Bypass-Strompfad mit allen Komponentenausgängen des Stromverteilers elektrisch verbunden ist. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der Bypass-Strompfad für alle Komponentenausgänge als Stromversorgungs-Backup verwendet werden kann. Es ist eine Weiterbildung, dass der Bypass-Strompfad mit nur einem Teil bzw. einer Teilmenge der Komponentenausgänge des Stromverteilers elektrisch verbunden ist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Nutzung eines kostengünstigen Bypass-Strompfads mit einer geringeren Stromtragfähigkeit. Diejenigen Komponenten-Stromzweige, deren Komponentenausgänge nicht mit dem Bypass-Strompfad verbunden sind, sind nicht durch den Bypass-Strompfad redundant verfügbar abgesichert.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass mehrere Bypass-Strompfade vorhanden sind. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass ein Stromverteiler mit vielen Komponenten-Stromzweigen besonders zuverlässig betreibbar ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens zwei, insbesondere alle, Bypass-Strompfade mit unterschiedlichen Komponentenausgängen verbunden sind. Dies ergibt den Vorteil, dass sich viele, insbesondere alle Komponenten-Stromzweige durch kostengünstige Bypass-Strompfade mit einer vergleichsweise geringen Stromtragfähigkeit redundant verfügbar absichern lassen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens zwei, insbesondere alle, Bypass-Strompfade mit zumindest zwei, insbesondere allen, Komponentenausgängen verbunden sind. So wird der Vorteil erreicht, dass die Bypass-Strompfade selbst wieder redundant ausgelegt sind, was eine Betriebszuverlässigkeit des Stromverteilers noch weiter erhöht.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mit den Komponenten-Stromzweigen verbundene Versorgungseingang (auch als „Komponenten-Versorgungseingang“ bezeichenbar) dem Versorgungseingang des mindestens einen Bypass-Strompfads (auch als „Bypass-Versorgungseingang“ bezeichenbar) entspricht. Der Bypass-Strompfad geht dann von dem gleichen Versorgungseingang ab, von dem auch die Komponenten-Stromzweige abgehen, und ist daher mit der gleichen elektrischen Energiequelle wie diese verbunden. Der mindestens eine Bypass-Strompfad liegt elektrisch parallel zu den Komponenten-Stromzweigen. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach umsetzbar.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der mit den Komponenten-Stromzweigen verbundene (Komponenten-)Versorgungseingang ein von dem (Bypass-)Versorgungseingang des mindestens einen Bypass-Strompfads unterschiedlicher Versorgungseingang ist. Die Stromversorgung des mindestens einen Bypass-Strompfads kann so über eine zweite, unabhängige elektrische Energiequelle erfolgen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass Störungen oder Fehlerfälle, die von dem Strompfad zu den Komponenten-Stromzweigen abhängen, mit Aktivierung des Bypasses unterbunden werden. Beispielweise kann im Fall eines Kurzschlusses oder Ausfalls der mit dem Komponenten-Versorgungseingang verbundenen elektrischen Energiequelle die Energieversorgung der abzusichernden Komponenten auf eine andere, insbesondere leistungsfähigere Energiequelle umgeschaltet werden und ein durch den Kurzschluss verursachter Spannungseinbruch dadurch in einem kontrollierten Bereich gehalten wird. Ferner können - insbesondere bei steigender Zahl sicherheitsrelevanter Verbraucher, z.B. im Rahmen eines teil- oder hochautonomen Fahrens - Kosten und Bauraum eingespart werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Stromverteilungssystem, aufweisend einen Stromverteiler nach einem der vorherigen Ansprüche, und eine Auslöselogik, welche dazu eingerichtet ist, zumindest die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung zu schalten. Das Stromverteilungssystem kann analog zu dem Stromverteiler wie oben beschrieben ausgebildet sein und weist die gleichen Vorteile auf.
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Unter einer Auslöselogik kann insbesondere eine Datenverarbeitungseinrichtung verstanden werden, welche gemessene oder abgeschätzte Werte physikalischer Größen (z.B. Spannung, Strom, Temperatur, usw.; als Einzelwerte und/oder Kurven) und/oder daraus abgeleitete Größen (z.B. Differenzen, Extremwerte, Steigungen, Integrale, usw.) auswertet und beruhend auf dem Ergebnis der Auswertung über den Schaltzustand (leitend / sperrend bzw. offen / geschlossen) des Schalters zumindest der elektronische Bypass-Sicherung entscheidet und diese(n) zur Einnahme des gewünschten Schaltzustands ansteuert.
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Die Auslöselogik kann eine Datenverarbeitungseinrichtung sein, die durch entsprechende Software zur Durchführung ihrer Funktion eingerichtet ist. Die Auslöselogik kann aber auch in Hardware bzw. als festverdrahtete Schaltung vorliegen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Auslöselogik in den Stromverteiler integriert ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Auslöselogik eine von dem Stromverteiler unterschiedliche Komponente, insbesondere Fahrzeugkomponente ist, also eine „externe“ Instanz. Diese Instanz kann eine eigenständige Komponente sein oder kann funktional in eine noch für andere Zwecke verwendete Komponente wie ein Energiemanagementsystem, einen Bordcomputer, usw. integriert sein.
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Insbesondere kann die Auslöselogik dazu eingerichtet sein, die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung auf Basis eines Gesundheitszustands mindestens eines Komponenten-Sicherungselement anzusteuern, insbesondere falls eine Störung, ein Fehler oder ein Auslösen mindestens eines Komponenten-Sicherungselements erkannt worden ist. Störungen und Fehler einer elektronischen Sicherung bzw. E-Fuse können beispielsweise deren Degradation, Hochohmigkeit in Durchlassstellung, ungewolltes Auslösen, einen Fehler in der Strom- oder Spannungsmessung, usw. umfassen. Ein Auslösen einer Schmelzsicherung kann beispielsweise das Schmelzen bzw. Durchtrennen ihres Schmelzleiters umfassen.
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Zum Feststellen des Gesundheitszustands einer elektronischen Sicherung können beispielsweise die Signale bzw. Messwerte ihrer internen Spannungsmesseinrichtung(en) und/oder ihrer internen Strommesseinrichtung verwendet werden, falls vorhanden. Insbesondere durch Korrelation von Messwerten unterschiedlicher Messeinrichtungen einer elektronischen Sicherung können vorteilhafterweise Fehler und Störungen besonders zuverlässig identifiziert werden und ggf. sogar prädiziert werden, und es kann besonders betriebssicher und intelligent auf derartige Ereignisse reagiert werden. Die Auslöselogik kann dazu mit mindestens einer dieser Messeinrichtungen signaltechnisch verbunden sein und dadurch von der mindestens einen Messeinrichtung Messwerte in analoger oder digitaler Form empfangen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Stromverteiler dazu eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur an mindestens einem seiner Strompfade (einschließlich darin ggf. vorhandener elektronischer Sicherungen) zu bestimmen. Dies ist vorteilhaft, um beispielsweise durch Fehlerstellen oder einen Betrieb im Grenzbereich erzeugte anormale Temperaturerhöhungen in einem Komponenten-Stromzweig erkennen zu können.
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Dass der Stromverteiler dazu eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur an mindestens einem seiner Strompfade (einschließlich darin ggf. vorhandener elektronischer Sicherungen) zu bestimmen, kann umfassen, dass der Stromverteiler dazu eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur zwischen dem Versorgungsanschluss und der Verzweigungen zu den Komponenten-Stromzweigen und/oder in einem, mehreren oder allen der Komponenten-Stromzweige zu bestimmen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Stromverteiler dazu eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur an seinem Strompfad zu messen. Dazu kann der Stromverteiler mit mindestens einer Temperaturmesseinrichtung ausgerüstet sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens eine Temperaturmesseinrichtung ein dedizierter Temperatursensor ist.
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Es ist eine Weiterbildung, dass mindestens eine Temperaturmesseinrichtung eine elektronische Sicherung der Komponenten-Stromzweige ist. Die elektronische Sicherung ist dann dazu eingerichtet, eine Temperatur, insbesondere Eigentemperatur, zu bestimmen, insbesondere zu messen. Dazu kann die mindestens eine elektronische Sicherung in einer Weiterbildung mit einer Temperaturmesseinrichtung, insbesondere mit einem Temperatursensor, ausgerüstet sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Fahrzeug, insbesondere der Stromverteiler, dazu eingerichtet ist, mindestens eine Temperatur an mindestens einem seiner Strompfade abzuschätzen, beispielsweise modellgestützt zu berechnen, insbesondere auf Grundlage anderer Messwerte als der Temperatur.
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Insbesondere ist die Auslöselogik dazu eingerichtet, die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung zusätzlich auf Grundlage von Temperaturwerten (empfangenen Tempertaturmesswerten, abgeschätzten Temperaturwerten usw.) anzusteuern. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der Bypass-Strompfad auch zur thermischen Entlastung der Komponenten-Stromzweige herangezogen werden kann. Wird beispielsweise an mindestens einer elektronischen Sicherungen mindestens eines Komponenten-Stromzweigs eine erhöhte Temperatur festgestellt, kann der Bypass-Strompfad leitend geschaltet werden, so dass der durch den mindestens einen Komponenten-Stromzweig fließende Strom oder zumindest ein Teil davon über den Bypass-Strompfad umgeleitet wird, was zu einer Temperaturabsenkung des mindestens einen Komponenten-Stromzweigs beiträgt bzw. dessen Überhitzung verhindert oder zumindest hinauszögert.
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Allgemein kann die mindestens eine elektronische Sicherung der Komponenten-Stromzweige dazu eingerichtet sein, eine Spannung, eine Spannungsdifferenz, einen Strom und/oder eine Temperatur, insbesondere Eigentemperatur, zu messen. Die Auslöselogik kann zum Empfang von Messwerten von der mindestens einen elektronischen Sicherung mit dieser datentechnisch verbunden sein (z.B. bei interner Anordnung mittels entsprechender interner Signalleitungen zu den entsprechenden Messpunkten, bei interner Anordnung über Signal- bzw. Datenleitungen, z.B. einen Datenbus) und dazu eingerichtet sein, von der mindestens einen elektronischen Sicherung entsprechende Messwerte zu empfangen und die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung auf Grundlage der empfangenen Messwerte und/oder daraus - auch modellbasiert - abgeleiteter Werte anzusteuern. Dies kann analog für weitere Messeinrichtungen des Stromverteilers umgesetzt sein.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend mindestens einen Stromverteiler wie oben beschrieben und/oder mindestens ein Stromverteilungssystem wie oben beschrieben. Das Fahrzeug kann analog zu dem Stromverteiler und dem Stromverteilungssystem ausgebildet sein, und umgekehrt, und ergibt die gleichen Vorteile.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Fahrzeug mehrere Stromverteiler aufweist, deren elektronische Bypass-Sicherungen von einer gemeinsamen Auslöselogik ansteuerbar sind.
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Das Fahrzeug kann ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein landgestütztes Fahrzeug (wie ein Personenwagen, Lastwagen, Motorrad, Bus, usw.), ein Wasserfahrzeug, ein Weltraumgefährt (wie ein Mars-Rover oder eine Rakete) oder ein Luftfahrzeug (wie ein Flugzeug, Helikopter, usw.) sein.
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Das Fahrzeug ist insbesondere ein teil- oder vollautonom fahrendes Fahrzeug, für welches der Stromverteiler und das Stromverteilungssystem aufgrund der erhöhten Bedeutung einer Ausfallsicherheit von elektrischen Komponenten besonders nützlich sein können.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren, insbesondere zum Betreiben eines Stromverteilungssystems wie oben beschrieben, bei dem ein Fehler, eine Störung und/oder ein Auslösen mindestens eines Komponenten-Sicherungselements erkannt wird und beruhend darauf mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung angesteuert wird. Insbesondere kann die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung so angesteuert werden, dass der Bypass-Strompfad von seinem gesperrten Zustand in seinen leitenden bzw. durchlassenden Zustand umgeschaltet wird.
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Das Verfahren kann analog zu dem Fahrzeug, dem Stromverteiler und dem Stromverteilungssystem ausgebildet sein, und umgekehrt, und ergibt die gleichen Vorteile.
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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 Skizze eines Stromverteilungssystems eines Fahrzeugs mit einem Stromverteiler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 zeigt eine Skizze einer möglichen Ausgestaltung der mindestens einen elektronischen Bypass-Sicherung des Stromverteilungssystems aus 1;
- 3 zeigt eine Skizze einer weiteren möglichen Ausgestaltung der mindestens einen elektronischen Bypass-Sicherung des Stromverteilungssystems aus 1;
- 4 zeigt eine Skizze einer möglichen Ausgestaltung des mindestens einen Sicherungselements eines Komponenten-Stromzweigs des Stromverteilungssystems aus 1;
- 5 zeigt eine Skizze einer möglichen Ausgestaltung des mindestens einen Sicherungselements eines Komponenten-Stromzweigs des Stromverteilungssystems aus 1; und
- 6 zeigt eine Skizze eines Stromverteilers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
- 7 zeigt eine Skizze eines Stromverteilers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Skizze eines Stromverteilungssystems 1, 2 eines Versorgungsbordnetzes V eines Fahrzeugs F mit einem Stromverteiler 1 und einer dazu rein beispielshaft außerhalb des Stromverteilers 1 verortet angeordneten Auslöselogik 2.
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Der Stromverteiler 1 weist einen z.B. mit einer elektrischen Energiequelle (o. Abb.) verbundenen Versorgungseingang 3 auf, der über entsprechende (hier beispielhaft vier) Komponenten-Stromzweige 4-1 bis 4-4 zu mehreren Komponentenausgängen 5-1 bis 5-4 verzweigt. An den Komponentenausgängen 5-1 bis 5-4 können jeweils ein oder mehrere Verbraucher (o. Abb.) angeschlossen sein. Jeder der Komponenten-Stromzweige 4-1 bis 4-4 weist eine Sicherungsanordnung 6-1 bis 6-4 mit jeweils mindestens einem Komponenten-Sicherungselement 7a, 7b (siehe 4 und 5) auf.
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Der Stromverteiler 1 weist ferner einen Bypass-Strompfad 8 auf, der eine Sicherungsanordnung 9 mit mindestens einer elektronischen Bypass-Sicherung bzw. E-Fuse 10a, 10b (siehe 2 und 3) aufweist. Der Bypass-Strompfad 8 führt von dem Versorgungseingang 3 zu der Sicherungsanordnung 9 und verzweigt dahinter zu jedem der Komponentenausgänge 5-1 bis 5-4. Der Bypass-Strompfad 8 liegt also elektrisch parallel zu jedem der Komponenten-Stromzweige 4-1 bis 4-4.
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Der Bypass-Strompfad 8 ist beispielhaft so ausgelegt, dass seine Stromtragfähigkeit mindestens so groß ist wie der maximale Nennstrom des an die Komponenten-Stromzweige 4-1 bis 4-4 angeschlossenen größten Verbrauchers, insbesondere mindestens so groß wie die Summe der maximalen Ströme der an die Komponenten-Stromzweige 4-1 bis 4-4 angeschlossenen Verbraucher.
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Die Auslöselogik 2 ist dazu eingerichtet, auf einen Fehler, eine Störung und/oder ein Auslösen zumindest eines der Komponenten-Sicherungselemente 7a, 7b hin die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung 10a, 10b so anzusteuern, dass sie leitend werden oder bleiben. Beispielsweise kann die mindestens eine elektronische Bypass-Sicherung 10a, 10b von normalerweise sperrend zu leitend umgeschaltet werden.
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2 zeigt eine Skizze einer möglichen Ausgestaltung der Sicherungsanordnung 9, bei der sie genau eine elektronische Sicherung 10a aufweist.
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3 zeigt eine Skizze einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Sicherungsanordnung 9 mit zwei elektrisch in Reihe verschalteten elektronischen Sicherungen 10a, 10b.
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4 zeigt eine Skizze einer möglichen Ausgestaltung der Sicherungsanordnung 6-1 des Komponenten-Stromzweigs 4-1, bei der sie genau ein Sicherungselement 7a aufweist, beispielsweise eine elektronische Sicherung (E-Fuse) oder eine Schmelzsicherung.
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5 zeigt eine Skizze einer möglichen Ausgestaltung der Sicherungsanordnung 6-1 mit zwei elektrisch in Reihe verschalteten Sicherungselementen 7a, 7b, beispielsweise zwei elektronischen Sicherungen oder eine elektronische Sicherung und eine Schmelzsicherung.
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Zumindest einige der Sicherungsanordnungen 6-2, 6-3 und 6-4 können gleich der Sicherungsanordnung 6-1 ausgebildet sein oder können unterschiedlich ausgebildet sein.
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6 zeigt eine Skizze eines Stromverteilers 11. Der Stromverteiler 11 weist einen ähnlichen Grundaufbau auf wie der Stromverteiler 1, wobei jedoch nun der mit den Komponenten-Stromzweigen 4-1 bis 4-4 verbundene Komponenten-Versorgungseingang 3 ein von dem Bypass-Versorgungseingang 12 des mindestens einen Bypass-Strompfads 8 unterschiedlicher Versorgungseingang ist.
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7 zeigt eine Skizze eines Stromverteilers 13. Der Stromverteiler 11 weist einen ähnlichen Grundaufbau auf wie der Stromverteiler 1, weist aber nun zwei Bypass-Strompfade 8-1 und 8-2 mit jeweils einer Sicherungsanordnung 9-1 bzw. 9-2 auf, die beide an den dem (Komponenten-)Versorgungseingang 3 liegen. Die Sicherungsanordnungen 9-1, 9-2 können analog zu der Sicherungsanordnung 9 ausgebildet sein und können gleich oder unterschiedlich sein. Hier sind die Sicherungsanordnungen 9-1, 9-2 mit unterschiedlichen Komponentenausgängen 5-1 bis 5-4 verbunden, nämlich beispielhaft so, dass der Bypass-Strompfad 8-1 parallel zu den Komponenten-Stromzweigen 4-1 und 4-2 liegt und der Bypass-Strompfad 8-2 parallel zu den Komponenten-Stromzweigen 4-3 und 4-4 liegt.
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Die elektronische(n) Sicherung(en) 10a, 10b des mindestens einen Bypass-Strompfad 8 oder 8-1, 8-2 des Stromverteilers 1, 11 bzw. 13 kann bzw. können durch die Auslöselogik 2 so angesteuert werden, dass dann, wenn die Komponenten-Sicherungselemente 7a, 7b ordnungsgemäß funktionieren (also z.B. keine Störung oder Fehler auftritt, eine Schmelzsicherung nicht durchgebrannt ist, usw.), die Auslöselogik 2 die elektronische(n) Sicherung(en) 10a, 10b so ansteuert, dass sie elektrisch sperren und damit der mindestens eine Bypass-Strompfad 8 oder 8-1, 8-2 keinen Strom führt bzw. nicht aktiv ist.
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Funktionieren die Komponenten-Sicherungselemente 7a, 7b jedoch nicht ordnungsgemäß kann bzw. können die elektronische(n) Sicherung(en) 10a, 10b des mindestens einen Bypass-Strompfad 8 oder 8-1, 8-2 durch die Auslöselogik 2 beispielsweise so angesteuert werden, dass sie elektrisch leiten und damit der mindestens eine Bypass-Strompfad 8 oder 8-1, 8-2 Strom führt bzw. aktiv ist.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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So können die Merkmale der gezeigten Ausführungsbeispiele grundsätzlich beliebig ersetzt und/oder kombiniert werden. Beispielsweise können ausgehend von 3 auch mehr als zwei Bypass-Strompfade vorhanden sein. Ferner können bei mehreren Bypass-Strompfaden 8-1 und 8-2 diese auch mit mindestens einem gleichen der Komponentenausgängen 5-1 bis 5-4 verbunden sein. Ferner können ausgehend von 3 die Bypass-Strompfade 8-1 und 8-2 in Analogie zu 2 an einen von dem Komponenten-Versorgungseingang 3 unterschiedlichen Bypass-Versorgungseingang 12 angeschlossen sein. Darüber hinaus können unterschiedliche Bypass-Strompfade 8-1, 8-2 auch an separate Bypass-Versorgungseingänge angeschlossen sein, oder ein Bypass-Strompfad kann an den Komponenten-Versorgungseingang 3 angeschlossen sein, während ein anderer Bypass-Strompfad an einen Bypass-Versorgungseingang angeschlossen ist, usw.
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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
- Stromverteiler
- 2
- Auslöselogik
- 3
- Versorgungseingang
- 4-1
- Komponenten-Stromzweig
- 4-2
- Komponenten-Stromzweig
- 4-3
- Komponenten-Stromzweig
- 4-4
- Komponenten-Stromzweig
- 5-1
- Komponentenausgang
- 5-2
- Komponentenausgang
- 5-3
- Komponentenausgang
- 5-4
- Komponentenausgang
- 6-1
- Sicherungsanordnung
- 6-2
- Sicherungsanordnung
- 6-3
- Sicherungsanordnung
- 6-4
- Sicherungsanordnung
- 7a
- Komponenten-Sicherungselement
- 7b
- Komponenten-Sicherungselement
- 8
- Bypass-Strompfad
- 8-1
- Bypass-Strompfad
- 8-2
- Bypass-Strompfad
- 9
- Sicherungsanordnung
- 10a
- Elektronische Bypass-Sicherung
- 10b
- Elektronische Bypass-Sicherung
- 11
- Stromverteiler
- 12
- Bypass-Versorgungseingang
- 13
- Stromverteiler
- F
- Fahrzeug
- V
- Versorgungsbordnetz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019120567 A1 [0006]
- DE 102020106210 A1 [0007]
