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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Niedervoltsystems eines Fahrzeugs sowie ein Niedervoltsystem.
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Das Niedervoltsystem hat im Fahrzeug die Aufgabe, Fahrzeugkomponenten, hier auch Verbraucherkomponenten genannt, aus einem Niedervolt-Energiespeicher mit Strom zu versorgen. Die Versorgungsspannung, die vom Niedervolt-Energiespeicher geliefert wird, liegt beispielsweise bei etwa 12 bis 60 V. Bei einem Fahrzeug mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor ist dieser Energiespeicher die bekannte Hauptbatterie des Fahrzeugs. Bei einem Elektrofahrzeug ist der Energiespeicher ein vom Hochvoltsystem, das die Antriebsenergie für das Fahrzeug liefert, getrennter Energiespeicher mit deutlich geringerer Spannung.
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Die an den Niedervolt-Energiespeicher angeschlossenen Verbraucherkomponenten beziehen zwar individuell jeweils nur eine relativ geringe Leistung, dennoch können vereinzelt und kurzzeitig sehr hohe Gesamtleistungen von beispielsweise etwa 4 kW oder auch Stromstärken von bis zu etwa 285 A auftreten. Der Niedervolt-Energiespeicher bzw. der damit verbundene Gleichspannungswandler ist normalerweise so dimensioniert, dass er derartige Spitzenanforderungen erfüllen kann.
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Die einzelnen Verbraucherkomponenten, von denen es in modernen Fahrzeugen eine große Anzahl gibt, sind an mehrere Stromverteiler angeschlossen, die wiederum jeweils über einen oder mehrere Versorgungsstränge mit dem Niedervolt-Energiespeicher verbunden sind. Im Stromverteiler erfolgt die Aufteilung auf elektrische Leitungen zu den einzelnen Verbraucherkomponenten.
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In äußerst seltenen Fällen kann eine asymmetrische Belastung auftreten, in der sämtliche an einen Stromverteiler angeschlossenen Verbraucherkomponenten gleichzeitig mit ihrer maximalen Leistung betrieben werden sollen und der Niedervolt-Energiespeicher aufgrund einer geringen Auslastung der anderen Stromverteiler sowie eines hohen Ladezustands in der Lage ist, diese angeforderte Leistung über einen längeren Zeitraum zu liefern. Dementsprechend sind herkömmlich die Versorgungsleitungen und auch die Stromverteiler auf eine derartige Maximallast ausgelegt. Allerdings tritt ein derartiger Fall nur mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit ein. Für den überwiegenden Teil des Fahrzeugbetriebs sind daher die Versorgungsstränge und die Stromverteiler überdimensioniert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, zu ermöglichen, den Kostenaufwand für ein Niedervoltsystems zu verringern und die Sicherheit zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines Niedervoltsystems eines Fahrzeugs gelöst, wobei das Niedervoltsystem mehrere Stromverteiler aufweist, an die jeweils mehrere Verbraucherkomponenten angeschlossen sind. Jeder der Stromverteiler ist über wenigstens einen Versorgungsstrang mit einem Niedervolt-Energiespeicher verbunden. Jeder der Stromverteiler weist wenigstens eine elektronische Sicherung auf, die eine aktuelle Stromstärke im Stromverteiler erfasst. Jeder der Stromverteiler ist so ausgelegt, dass er eine Stromzufuhr zu zumindest einigen der angeschlossenen Verbraucherkomponenten reduzieren oder abschalten kann. In jedem der Stromverteiler wird die Stromstärke im Versorgungsstrang mittels der elektronischen Sicherung erfasst, und in Abhängigkeit der erfassten Stromstärke wird nach einem vorgegebenen Schema eine Stromzufuhr zu einer oder mehreren der angeschlossenen Verbraucherkomponenten reduziert oder abgeschaltet, wenn die Stromstärke im Versorgungsstrang einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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Auf diese Weise wird einer lokalen Überlastung bei einer asymmetrischen Belastung beispielsweise eines einzigen Stromverteilers entgegengewirkt, indem ab einer vorgegebenen maximalen Stromstärke die aktuelle Leistung einzelner Verbraucherkomponenten reduziert und somit die über den jeweiligen Versorgungsstrang zum Stromverteiler fließende Gesamtstromstärke reduziert wird.
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Dies erlaubt es, die Versorgungsstränge und die Stromverteiler insgesamt kleiner zu dimensionieren und für eine geringere maximale Last auszulegen als die Summe der Maximalleistungen sämtlicher angeschlossenen Verbraucherkomponenten. Die Maximalleistung, für die der jeweilige Versorgungsstrang und der jeweilige Stromverteiler auszulegen sind, lässt sich festlegen, indem der durch das Abschalten bzw. Herunterregeln einzelner Verbraucherkomponenten reduzierte Leistungsbedarf berücksichtigt wird. Auf diese Weise können Versorgungsstränge und Stromverteiler auf realistische Stromstärken ausgelegt werden, die nicht nur in äußerst selten auftretenden Szenarien erreicht werden, was Kosten und Gewicht reduziert.
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Beispielsweise kann der Versorgungsstrang und der Stromverteiler für eine maximale Last von etwa 95 % der maximalen Gesamtleistung aller angeschlossenen Verbraucherkomponenten ausgelegt werden.
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Um eine thermische Überlastung sicher zu verhindern und die durch den Stromfluss erzeugte Wärme abführen zu können, sollte diese Maßnahme für eine Dauer von bis zu einigen Minuten durchgeführt werden, in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsbedingungen auch beliebig lange.
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Die abzuschaltenden oder in ihrer Leistung zu reduzierenden Verbraucherkomponenten sind im Vorfeld im vorgegebenen Schema festgelegt, wobei vorzugsweise Verbraucherkomponenten mit einem hohen Strombedarf gewählt sind, deren Abschalten die Fahrzeuginsassen für einige Minuten vorteilhaft nicht bemerken. Hierunter fallen beispielsweise sämtliche Heizsysteme im Fahrzeuginnenraum, insbesondere etwa Sitz- oder Lenkradheizung, oder auch die Kühlfunktion oder das Gebläse einer Klimaanlage. Generell werden Komfortfunktionen abgeschaltet, während selbstverständlich sicherheitsrelevante Verbraucherkomponenten weiterhin auch mit einer angeforderten maximalen Stromstärke versorgt werden.
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Es ist möglich, die Erfassung der Stromstärke kontinuierlich oder quasikontinuierlich durchzuführen.
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In einer Variante wird die gesamte Stromstärke im Versorgungsstrang erfasst, die die Summe der zu den einzelnen Verbraucherkomponenten geleiteten Stromstärken darstellt. In einer anderen Variante, die alternativ oder zusätzlich durchgeführt werden kann, werden die Stromstärken zu allen angeschlossenen Verbraucherkomponenten einzeln erfasst.
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Die Abschaltung oder die Reduktion der Stromversorgung der Verbraucherkomponenten kann in Abhängigkeit von mehreren unterschiedlichen Stromschwellenwerten erfolgen. Auf diese Weise lassen sich zusätzliche Parameter, beispielsweise Umgebungseinflüsse, insbesondere Temperaturwerte, berücksichtigen.
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Kurzfristig können z.B. auch höhere Stromstärken zugelassen werden, die einen der Stromschwellenwerte überschreiten, wenn eine prognostizierte Temperaturentwicklung unterhalb eines im Schema festgelegten Schwellwerts bleibt.
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Es ist auch möglich, mehrere Stromschwellenwerte und auch einen Zeitbereich mit zu berücksichtigen, um beispielsweise einer beschleunigten Alterung der Komponenten entgegenzuwirken.
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Es ist möglich, die abzuschaltenden Verbraucherkomponenten über elektronische Sicherungen im jeweiligen Stromverteiler anzusteuern.
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Vorzugsweise wird jedoch ein separates Signal an die abzuschaltenden oder in ihrer Leistungsaufnahme zu reduzierenden Verbraucherkomponenten übersandt, sodass die Reduktion der Leistungsaufnahme bis hin zum Abschalten durch die Verbraucherkomponente selbst erfolgt.
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Das oben beschriebene Verfahren kann mit einem Niedervoltsystem eines Fahrzeugs durchgeführt werden, das mehrere Stromverteiler umfasst, an die jeweils mehrere Verbraucherkomponenten angeschlossen sind, und die jeweils über wenigstens einen Versorgungsstrang mit einem Niedervolt-Energiespeicher verbunden sind, wobei jeder der Stromverteiler wenigstens eine elektronische Sicherung aufweist, die einen aktuellen Strom durch den Stromverteiler erfasst, und wobei jeder der Stromverteiler so ausgelegt ist, dass er eine Stromzufuhr zu zumindest einigen der angeschlossenen Verbraucherkomponenten reduzieren oder abschalten kann, wenn die Stromstärke durch den Versorgungsstrang einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
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In einer möglichen Variante ist für einige oder alle angeschlossenen Verbraucherkomponenten eines Stromverteilers eine eigene elektronische Sicherung vorhanden, die die aktuelle Stromstärke in einer Leitung zur jeweiligen Verbraucherkomponente misst.
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Alternativ oder zusätzlich kann für jeden Versorgungsstrang eine eigene elektronische Sicherung vorhanden sein, die aktuelle Stromstärke im Versorgungsstrang misst.
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Die elektronische Sicherung, die z.B. auch als e-Fuse bekannt ist, kann normalerweise die aktuelle Stromstärke messen, um bei Überschreiten eines voreingestellten Schwellenwertes die Stromstärke zu begrenzen oder den Stromfluss durch die Leitung zu unterbrechen. Diese Messfunktion lässt sich zur Messung der Stromstärke im Stromverteiler, hier im Versorgungsstrang und/oder in den einzelnen Leitungen zu den Verbraucherkomponenten, nutzen. Auf zusätzliche, separate Messgeräte kann daher verzichtet werden.
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Gegebenenfalls werden die elektronischen Sicherungen nur als Strommessgerät eingesetzt, während das Abschalten oder die Reduktion der Leistungsaufnahme der einzelnen Verbraucherkomponenten durch eine direkte Ansteuerung der jeweiligen Verbraucherkomponente geschieht. Es ist aber natürlich auch möglich, hierzu die Funktion der elektronischen Sicherung zu nutzen.
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Es können alle oder nur eine Untergruppe der Stromverteiler des Fahrzeugs auf diese Weise ausgerüstet sein.
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Vorzugsweise ist eine Steuereinheit vorhanden, die die Abschaltung oder Reduktion der Stromzufuhr der Verbraucherkomponenten nach einem in der Steuereinheit abgespeicherten Schema veranlasst.
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Das Schema umfasst beispielsweise diejenigen Verbraucherkomponenten, die komplett abgeschaltet werden können, sowie Verbraucherkomponenten, deren Leistungsaufnahme reduzierbar ist, und Stromschwellenwerte, die vorgeben, ob eine Verbraucherkomponenten komplett abgeschaltet oder in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden soll. Außerdem kann das Schema weitere Parameter, beispielsweise eine Umgebungstemperatur oder eine Temperatur innerhalb des Stromverteilers oder am Versorgungsstrang, berücksichtigen.
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Jeder Stromverteiler kann eine eigene Steuereinheit aufweisen, die eine separate Elektronikeinheit ist oder in eine allgemeine Steuerung des Stromverteilers integriert ist. Alternativ kann auch eine gemeinsame, übergeordnete Steuereinheit für sämtliche derart ausgerüstete Stromverteiler vorhanden sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Figur näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Niedervoltsystems eines Fahrzeugs zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Figur ist ein Niedervoltsystem 10 eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs skizziert.
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Ein Niedervolt-Energiespeicher 12 liefert eine Versorgungsspannung von etwa 12 V bis 60 V an eine Vielzahl von Verbraucherkomponenten 14 im Fahrzeug. Die Verbraucherkomponenten 14 bezeichnen z.B. sämtliche elektrischen Verbraucher im Fahrzeug, die nicht von einem gegebenenfalls vorgesehenen Hochvolt-Energiespeicher eines Antriebssystems versorgt werden. Hierzu zählen Komfortkomponenten wie beispielsweise Sitz- oder Lenkradheizung, Klimaanlage und Multimediasysteme, jedoch auch sicherheitsrelevante Komponenten wie beispielsweise eine Airbagsteuerung oder elektrisch betriebene Niedervolt-Komponenten in den Lenk-, Brems- und Kühlsystemen des Fahrzeugs.
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Jede der Verbraucherkomponenten 14 ist mit einem von mehreren Stromverteilern 16 elektrisch über eine Leitung 18 verbunden. Beispielsweise sind etwa vier Stromverteiler 16 im Fahrzeug vorgesehen, auf die die Verbraucherkomponenten 14 verteilt sind.
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Jede der Stromverteiler 16 ist über wenigstens einen eigenen Versorgungsstrang 20 mit einem Vorstromverteiler 22 verbunden, in den elektrischer Strom aus dem Niedervolt-Energiespeicher 12 eingespeist wird und der den eingespeisten elektrischen Strom auf die einzelnen Stromverteiler 16 verteilt.
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Die Stromstärke in den Versorgungssträngen 20 entspricht jeweils der Summe der Stromstärken in den Leitungen 18 zu den einzelnen Verbraucherkomponenten 14, die an den jeweiligen Stromverteiler 16 angeschlossen sind.
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In einigen oder allen der Stromverteiler 16 ist eine elektronische Sicherung 24 (auch e-Fuse genannt) angeordnet, die eine Stromstärke im jeweiligen Stromverteiler 16 misst.
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In einer Variante ist eine elektronische Sicherung 24 im Versorgungsstrang 20 angeordnet und misst somit die Gesamtstromstärke durch den jeweiligen Stromverteiler 16.
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In einer anderen Variante sind elektronische Sicherungen 24 in jeder der Leitungen 18 zu den an den jeweiligen Stromverteiler 16 angeschlossenen Verbraucherkomponenten 14 angeordnet.
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Es ist auch möglich, sowohl eine elektronische Sicherung 24 im Versorgungsstrang 20 als auch in einigen oder allen der Leitungen 18 zu platzieren.
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In diesem Beispiel sind sämtliche Stromverteiler 16 des Fahrzeugs mit elektronischen Sicherungen 24 versehen.
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Der Stromverteiler 16 umfasst außerdem eine Steuereinheit 26, die hier als Bestandteil der Stromverteiler 16 dargestellt ist und beispielsweise in eine Steuerung des Stromverteiler 16 integriert ist. Die Steuereinheit 26 könnte aber auch an anderer Stelle im Fahrzeug angeordnet sein und beispielsweise Teil einer übergeordneten Steuerung der Stromversorgung des Fahrzeugs sein.
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Die Steuereinheit 26 ist über Steuerleitungen 28 mit den abschaltbaren bzw. in der Leistungsaufnahme reduzierbaren Verbraucherkomponenten 14 verbunden. Über die Steuerleitungen 28 kann die Steuereinheit 26 ein Signal an die verbundenen Verbraucherkomponenten 14 übermitteln, das die jeweilige Verbraucherkomponenten 14 veranlasst, sich entweder ganz abschalten oder ihre Leistungsaufnahme zu drosseln.
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Alternativ wäre es auch möglich, die Steuereinheit 26 so auszulegen, dass sie ein entsprechendes Signal an die elektronischen Sicherungen 24 insbesondere in den Leitungen 18 übermittelt, um die Stromstärke in der entsprechenden Leitung 18 zu reduzieren oder auf Null zu setzen.
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In der Steuereinheit 26 ist ein Schema abgespeichert, das vorgibt, wie eine Stromzufuhr zu einer oder mehreren der an den jeweiligen Stromverteiler 16 angeschlossenen Verbraucherkomponenten 14 abgeschaltet oder reduziert werden soll. Dies geschieht stets, wenn die Stromstärke im Versorgungsstrang 20 einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Die Stromstärke im Versorgungsstrang 20 kann dabei entweder durch eine elektrische Sicherung 24 direkt gemessen oder aus der Summe der von den elektrischen Sicherungen 24 in den Leitungen 18 gemessenen Stromstärke von der Steuereinheit 26 ermittelt werden.
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Der Schwellenwert für die Stromstärke ist dabei so gewählt, dass die Stromstärke im Versorgungsstrang 20 niemals einen Maximalwert erreicht, der sich aus der Summe der maximalen Stromstärken in den Leitungen 18 ergibt, wenn sämtliche angeschlossenen Verbraucherkomponenten 14 mit ihrer jeweiligen Maximalleistung betrieben würden.
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Beispielsweise ist das Niedervoltsystem 10 so ausgelegt und der Schwellenwert entsprechend so gewählt, dass die Stromstärke durch den Versorgungsstrang 20 und den Stromverteiler 16 auf etwa 95 % der Stromstärke begrenzt wird, die sich durch eine gleichzeitige maximale Leistung aller angeschlossenen Verbraucherkomponenten 14 ergeben würde.
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Sollte eine höhere Leistungsanforderung auftreten, so werden nach dem abgespeicherten Schema einige der angeschlossenen Verbraucherkomponenten 14 abgeschaltet oder in ihrer Leistungsaufnahme reduziert, sodass die maximale Stromstärke im Versorgungsstrang 20 stets auf einem verträglichen Niveau bleibt, bei dem eine thermische Überlastung sicher verhindert wird.
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Die Abschaltung oder Leistungsreduktion der Verbraucherkomponenten 14 wird solange aufrechterhalten, bis beispielsweise die thermische Belastung des Versorgungsstrangs 20 und/oder des jeweiligen Stromverteilers 16 auf einen unkritischen Wert zurückgegangen ist. Wenn die Stromstärke auf den Leitungen 18 zu anderen angeschlossenen Verbraucherkomponenten 14 durch Anforderungen der Fahrzeuginsassen oder des Fahrzeugs selbst zurückgegangen ist, sodass die Gesamtstromstärke durch den jeweiligen Versorgungsstrangs 20 wieder unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, können abhängig von der aktuellen thermischen Belastung die gemäß dem Schema abgeschalteten oder leistungsreduzierten Verbraucherkomponenten 14 wieder zugeschaltet werden.
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Die Reduktion wird beispielsweise für einige Minuten beibehalten, um die thermische Belastung ausreichend abzubauen.
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Das Schema kann eine Reihenfolge der Abschaltung von Verbraucherkomponenten 14 umfassen, wobei zunächst Komfortkomponenten, deren Abschaltung nicht sofort bemerkt wird, abgeschaltet werden, beispielsweise eine Sitz- oder Lenkradheizung, und gegebenenfalls in einer weiteren Stufe Komfortfunktionen, deren Abschalten sich nicht unmittelbar negativ auf die Fahrzeuginsassen auswirkt. Beispielsweise könnte eine Temperaturvorgabe einer Klimaanlage verändert werden, um einen geringeren Stromverbrauch zu erreichen. Sicherheitsrelevante Verbraucherkomponenten 14, die an die jeweiligen Stromverteiler 16 angeschlossen sind, werden hingegen niemals abgeschaltet.
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Das Schema kann unterschiedliche Schwellenwerte für die Stromstärke im Versorgungsstrang 20 enthalten, die von weiteren Parametern, insbesondere einer Umgebungstemperatur oder einer Temperatur im Stromverteiler 16, beispielsweise ermittelt durch einen Temperatursensor 30, abhängen.
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Die einzelnen Schemata und Schwellenwerte sind für das jeweilige Fahrzeug nach Belieben vorgebbar und können gegebenenfalls auch z.B. bei Austausch von Verbraucherkomponenten 14 im Fahrzeug durch eine entsprechende Programmierung der Steuereinheit 26 geändert und angepasst werden.
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In der Verteilung der Verbraucherkomponenten 14 auf die einzelnen Stromverteiler 16 ist dabei berücksichtigt, dass an jeden Stromverteiler 16 eine ausreichende Anzahl an Verbraucherkomponenten 14 angeschlossen ist, die sich problemlos abschalten oder in ihrer Leistungsaufnahme reduzieren lassen.
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Da die Lastverteilung durch den Betrieb der einzelnen Verbraucherkomponenten 14 vorgegeben und somit an den einzelnen Stromverteilern 16 deutlich unterschiedlich sein kann, wird dieses Verfahren für jeden der Stromverteiler 16 separat und unabhängig von den anderen Stromverteilern 16 durchgeführt.
