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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen
der Ausgangsspannung eines ein Bordnetz versorgenden Generators.
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Aus
der
DE 100 17 693
A1 , von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen
wird, ist eine Vorrichtung zur Einstellung der Bordnetz- bzw. Ausgangsspannung
bekannt, die enthält
einen Generator mit einer steuerbaren Ausgangsspannung, eine Generatorsteuereinrichtung,
mit der die Ausgangsspannung berechenbar ist und die ein entsprechendes
Steuersignal an den Generator abgibt, und zumindest ein vom Generator
mit Strom versorgtes Steuergerät,
das eine Spannungsermittlungseinrichtung enthält. Zwischen dem Steuergerät und der
Generatorsteuereinrichtung ist eine Datenverbindung vorgesehen,
mittels der die von der Spannungsermittlungseinrichtung des Steuergerätes ermittelte,
an dem Steuergerät
liegende Versorgungsspannung an die Generatorsteuereinrichtung übertragbar
ist. Weiter ist die Generatorsteuereinrichtung derart ausgebildet,
dass sie die Ausgangsspannung des Generators unter Berücksichtigung
der an sie übertragenen, an
dem Steuergerät
liegenden Spannung bestimmt. Mit dieser Vorrichtung wird erreicht,
dass die Ausgangsspannung jeweils so hoch eingestellt werden kann,
dass die am Steuergerät
liegende Spannung der maximal zulässigen Versorgungsspannung
des Steuergerätes
entspricht. Auf diese Weise kann ein im Bordnetz erhaltener Akkumulator
jeweils mit der maximal möglichen
Spannung nachgeladen wird, bei der die Steuergeräte nicht beschädigt werden.
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Aus
der
EP 0 749 192 B1 ist
eine Steuerschaltung zum Steuern der Ausgangsspannung eines Generators
bekannt, mit der einerseits eine Batterie möglichst wirksam geladen werden
soll und andererseits vermieden werden soll, dass Lampen durch eine
zu hohe Spannung geschädigt
werden. Bei dieser Steuerschaltung wird die Ausgangsspannung des
Generators durch das Lastverhältnis
des durch seine Feldspule fließenden
Stroms bestimmt. Wenn eine Lampe angeschaltet wird, wird die Ausgangsspannung
auf einen vorbestimmten niedrigen Wert abgesenkt, wenn mit einem
Lastverhältnis
unter einem vorbestimmten Schwellwert gefahren wird, d.h. die Batterie
nicht sehr weit entladen ist. Wenn beim Einschalten einer Lampe
dagegen mit einem über
dem vorbestimmten Schwellwert liegenden Lastverhältnis gefahren wird, d.h. die
Batterie sehr stark entladen ist, wird die Ausgangsspannung nicht abgesenkt.
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Aus
der
DE 100 21 291
A1 ist eine Lichtquellen-Treibereinrichtung bekannt, mit
der eine Glühbirne
eines Fahrzeuges mit hoher Leuchtkraft betrieben werden kann. Dazu
weist die Treibeinrichtung einen Wechselrichter zum Umwandeln eines
Gleichstroms von einer im Fahrzeug eingebauten Batterie in einen Wechselstrom
und eine Stromaddierschaltung zum Addieren des Gleichstromes von
der im Fahrzeug eingebauten Batterie und des zum Wechselrichter
erzeugten Wechselstroms auf, um eine Glühbirne, die beispielsweise
in einem Scheinwerfer angeordnet ist, mit dem addierten elektrischen
Strom zu versorgen. Die Glühbirne
wird mit dem elektrischen Strom, der den von Wechselstrom überlagerten
Gleichstrom enthält,
betrieben, so dass sich ihre Leuchtkraft mit der Periode des Wechselstroms ändert. Die Änderungsfrequenz
ist so hoch, dass sie vom Auge nicht erfasst wird.
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Aus
der
DE 100 42 903
A1 ist eine Steuerungsvorrichtung für eine Fahrzeuglampe bekannt, die
eine Lampenansteuerungseinrichtung zum Anstellen der Lampe aufweist,
einen Steuerungssignal-Generator zum Erzeugen eines gepultsten Steuerungssignals,
wobei die Pulse ein derartiges Tastverhältnis aufweisen, dass der Leistungsverbrauch der
Lampe mit dem Sollwert der Lampe übereinstimmt. Weiter ist eine
Ansteuerungssteuereinrichtung vorhanden, um die Lampenansteuerungseinrichtung
entsprechend dem gepultsten Steuerungssignal ein-/auszuschalten,
wobei der Steuerungssignal-Generator ein zusätzliches Steuerungssignal erzeugt,
das bewirkt, dass die Ansteuerungseinrichtung die Lampensteuerungseinrichtung
derart steuert, dass ein zu der Lampe fließender Strom durch die Lampenansteuerungseinrichtung
für eine
bestimmte Zeitdauer begrenzt wird, bis ein Spitzenstrom zu einem
Zeitpunkt des Anschaltens der Lampenansteuerungseinrichtung gleich
oder kleiner wird als ein erlaubter Wert vor dem gepultsten Steuerungssignal
bei Beginn des Einschaltens der Lampe.
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Es
gibt zahlreiche Verbraucher, die kurzzeitig durchaus mit höheren Versorgungsspannungen
betrieben werden können,
als ihrer Nennspannung entspricht. Wenn solche Verbraucher nur selten
oder über
kurze Zeitdauern eingeschaltet sind (beispielsweise bestimmte Lampen),
stehen sie einer Anhebung der Ausgangsspannung des Generators, um beispielsweise
eine Batterie beziehungsweise einen Akkumulator möglichst
rasch nachzuladen oder andere Verbraucher, für die eine höhere Versorgungsspannung
vorteilhaft ist, nicht entgegen.
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Eine
weitere, bekannte Vorrichtung zum Einstellen der Ausgangsspannung
eines ein Bordnetz versorgenden Generators weist eine Steuereinheit auf,
die sowohl mit dem Generator als auch einem Verbraucher verbunden
ist. Der Steuereinheit wird eingangsseitig ein Schaltsignal zum
Ein-/Ausschalten des Verbrauchers zugeführt. Beim Ausschalten des Verbrauchers
wird die Erregung des Generators bis zum Beginn des Schaltvorgangs
soweit nach unten geregelt, dass infolge des Ausschaltens keine Überspannung
im Bordnetz entsteht. Ein mögliche Unterspannung
durch Untererregung des Generators wird von der Kraftfahrzeug-Batterie
gepuffert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Einstellen der Ausgangsspannung eines ein Bordnetz versorgenden
Generators zu schaffen, mit dem bzw. der die Ausgangsspannung möglichst
hoch sein kann, ohne dass die Gefahr einer unzulässigen Schädigung einzelner Verbraucher
besteht.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die kumulative individuelle Schädigung berücksichtigt, die der Verbraucher
durch seinen Betrieb mit Überspannung
erfahren hat, und bei der Steuerung der Ausgangsspannung des Generators
derart berücksichtigt,
dass diese kumulative Schädigung
bzw. der augenblickliche Ist-Schädigungswert
ein vorbestimmtes Maß bzw.
einen vorher festgelegten, zulässigen
Verlauf nicht übersteigt.
Die Gesetzmäßigkeiten,
nach denen die Ausgangsspannung erforderlichenfalls abgesenkt wird,
können
unterschiedlichster Art sein.
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Die
Unteransprüche
2 bis 6 sind auf vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
gerichtet.
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Mit
den Merkmalen des Anspruchs 7 wird die Lebensdauer einer Lampe verlängert.
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Der
Anspruch 8 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung
zur Lösung
des diesbezüglichen
Teils der Erfindungsaufgabe.
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Die
Unteransprüche
9 bis 11 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gerichtet.
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Die
Erfindung kann für
alle Arten von einem Generator mit einstellbarer Ausgangsspannung
versorgten Netzen verwendet werden, in denen Verbraucher enthalten
sind, deren Funktionstüchtigkeit beziehungsweise
Lebensdauer von derer Versorgungsspannung abhängt. Solche Generatoren können durch
jedwelche Spannungsquelle mit einstellbarer Ausgangsspannung gebildet
sein, beispielsweise von einem Motor angetriebene drehbare Generatoren,
Spannungsgeneratoren in Form von Brennstoffzellen usw. Besonders
vorteilhaft eignet sich die Erfindung zur Anwendung in Fahrzeugbordnetzen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise
und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es
stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild mit Komponenten eines Bordnetzes eines Fahrzeugs,
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2 bis 4 Zeitverläufe von
Schädigungswerten
zur Erläuterung
der Erfindung.
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Gemäß 1 weist
ein Fahrzeug einen von einem nicht dargestellten Antriebsmotor angetriebenen
Generator 10 auf, der über
eine Leitung 12 mit einem Akkumulator beziehungsweise einer
aufladbaren Batterie 14 oder einem sonstigen Speicher für elektrische
Energie, z. B. einen Kondensator, verbunden ist. In 1 sind
Leitungen, die der Stromversorgung dienen, durchgehend gezeichnet.
Von dem Generator 10 beziehungsweise der Batterie 14 werden Lampen 16,
beispielsweise im vorderen Bereich des Fahrzeugs, und Lampen 18,
beispielsweise im hinteren Bereich des Fahrzeugs, mit Strom versorgt,
wenn zugehörige
Schalter 20 bzw. 22 geschlossen sind.
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Weiter
werden von dem Generator 10 bzw. der Batterie 14 ein
den vorderen Lampen 16 zugeordnetes Steuergerät, ein den
hinteren Lampen 18 zugeordnetes Steuergerät 26,
ein Motorsteuergerät 30,
ein Ausgangsspannungssteuergerät 32 und
eine Bedieneinheit 36 mit Strom versorgt. Das Ausgangsspannungssteuergerät 32 dient
zum Steuern der Ausgangsspannung des Generators 10 mittels
eines Steuersignals, das über
eine Leitung 34 einem entsprechenden Eingang des Generators
zugeführt wird.
Mittels der Bedieneinheit 36 werden die Lampen eingeschaltet
sowie ggf. weitere Funktionen ausgelöst.
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Die
Steuergeräte
und die Bedieneinheit enthalten Mikroprozessoren und eine BUS-Schnittstelle (soweit
eingetragen mit B bezeichnet), die mit einem BUS 38 verbunden
sind, über
den in an sich bekannter Weise Signalinformation läuft.
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Beim
Einschalten der entsprechenden Lampen, beispielsweise Standlicht
oder Fernlicht, Nebellicht, Rücklicht
usw. über
die Bedieneinheit 36 wird über den BUS 38 an
die Steuergeräte 24, 26 entsprechende
Information gesendet, so dass die Steuergeräte die Schalter 20 beziehungsweise 22 schließen und
die Lampen mit Strom versorgt werden. Es versteht sich, dass nicht
zwingend alle Lampen über
die Bedieneinheit 36 geschaltet werden müssen, sondern
auch unmittelbar, beispielsweise über einen Bremslichtschalter
geschaltet werden können.
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Die
Versorgungsspannung, die an den Lampen tatsächlich liegt und die von der
Ausgangs- bzw. Ladespannung des Generators beziehungsweise der Batteriespannung
in Folge beispielsweise ohmscher Verluste weiter abweichen kann,
wird von den Steuergeräten 24 und 26 erfasst,
beispielsweise über
eine Analog/Digitalschnittstelle digitalisiert, vom Mikroprozessor
ausgewertet und an das Steuergerät 32 übertragen.
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Die
Versorgungsspannung, die am Motorsteuergerät 30 liegt, wird ebenfalls über einen
Analog/Digitalwandler dieses Steuergerätes digitalisiert, vom Mikroprozessor
ausgewertet und über
die BUS-Schnittstelle an das Steuergerät 32 übertragen.
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In
einem mit dem Mikroprozessor des Steuergerätes 32 verbundenen
Speicher 40 sind die Soll-Versorgungsspannungen der einzelnen
Verbraucher, das heißt
der Lampen 16, 18 und des Steuergerätes 30 abgelegt.
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Während des
Betriebs des Bordnetzes wird für
jeden Verbraucher i in dem Steuergerät 32 der Wert Wi ermittelt, um den die von den Steuergeräten 24, 26 und 30 ermittelten
Ist-Versorgungsspannungen
der jeweiligen Verbraucher über
den diesen zugeordneten Soll-Versorgungsspannungen liegen und die
Zeitdauern erfasst, während
der Wert Wi positiv ist. Ein kumulativer
Ist-Schädigungswert
des jeweiligen Verbrauchers wird im Steuergerät 32 errechnet, indem
beispielsweise während
der gesamten Betriebsdauer das Zeitintegral der jeweiligen Werte
von Wi errechnet wird.
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Die
Ausgangsspannung des Generators 10 wird von dem Steuergerät 32 nach
vorbestimmten Algorithmen abhängig
vom augenblicklichen Soll-Schädigungswert
derart gesteuert, dass ein vorbestimmter Schädigungsverlauf, auch im Vergleich mit
der Schädigung
anderer Verbraucher, vor Ablauf einer bestimmten Zeitdauer oder
Fahrtstrecke, beispielsweise einem Wartungsintervall, nicht überschritten
wird. Bei einer Wartung kann der jeweilige Verbraucher ausgetauscht
werden und wird sein Ist-Schädigungswert
auf Null zurückgesetzt.
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Die
Steuergeräte 24 und 26 bilden
somit Erfassungseinrichtungen, die die Ist-Versorgungsspannung der
jeweiligen Verbraucher erfassen. In das Motorsteuergerät 30 ist
eine solche Spannungserfassungseinrichtung integriert. Es versteht
sich, dass die Steuergeräte 24, 26 möglichst
nahe an den jeweiligen Verbrauchergruppen beziehungsweise Lampengruppen
angeordnet sind. Das Steuergerät 32 bildet eine
Verbraucherüberwachungseinrichtung,
die die Schädigung
jedes Verbrauchers, beispielsweise das Zeitintegral von Wi, überwacht,
und bildet weiter eine Ausgangsspannungssteuereinrichtung, die die
Ausgangsspannung des Generators abhängig von der Schädigung nach
vorbestimmten Algorithmen steuert.
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Insgesamt
lässt sich
auf diese Weise die Ausgangs- bzw. Ladespannung des Generators auf einem
möglichst
hohen Wert halten, damit die Batterie 14 jeweils rasch
nachgeladen wird, ohne dass ein Verbraucher unzulässig geschädigt wird.
Es versteht sich, dass das beschriebene System dahingehend ergänzt werden
kann, dass die Ausgangsspannung des Generators 10 nur dann
auf einen möglichst
hohen Wert, bei dem beispielsweise die jeweiligen Schädigungswerte
der Verbraucher zunehmen, erhöht
wird, wenn die Batterie 14 tatsächlich nachgeladen wird oder
einen vorbestimmten Ladezustand noch nicht erreicht hat.
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Die
Lampen in einem Kfz. Werden über
dessen Betriebsdauer sehr unterschiedlich beansprucht. Einzelne
Lampen werden beispielsweise bei laufendem Generator nur selten
benötigt,
wie die Innenraumbeleuchtung. Entsprechend gering ist die Schädigung einer
solchen Lampe während
einer erhöhten Ausgangsspannung.
In dem Speicher 40 des Steuergerätes 32 können Algorithmen
abgelegt sein, die den erwarteten zeitlichen Verlauf einer Ist-Schädigung berücksichtigen.
So kann beispielsweise bei laufendem Generator eine Innenraumleuchte
durch Überspan nung
stärker
geschädigt
werden als beispielsweise eine Fernlichtlampe, da die Innenraumlampe
bei laufendem Generator, und nur dann erfolgt ihre Schädigung,
wesentlich kürzer
in Betrieb ist als die Fernlichtlampe. Übersteigt der für eine Lampe noch
vorhandene Rest-Schädigungswert
den prognostizierten Rest-Schädigungswert,
so muss die Ausgangsspannung des Generators entsprechend abgesenkt
werden, wenn diese Lampe in Betrieb ist.
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Die
zulässigen
Rest-Schädigungswerte
können
bei einem Werkstattaufenthalt ausgelesen werden; gefährdete Lampen
können
ausgetauscht werden, wobei der jeweilige Rest-Schädigungswert
entsprechend rückgesetzt
wird.
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In 2 ist
auf der Waagerechten die Zeit und auf der Senkrechten die Ist-Schädigung S,
d.h. die kumulierte Schädigung,
z. B. das Zeitintegral vom W angegeben. Die Kurve A bezeichnet die
Ist-Schädigung
des Abblendlichts, die Kurve B die Ist-Schädigung des Bremslichtes und
die Kurve F die Ist-Schädigung des
Fernlichtes.
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Der
steilere Schädigungsverlauf
des Abblendlichtes im mittleren Teil der Figur ist auf die starke
Nutzung des Abblendlichtes während
einer Wintersaison zurückzuführen, vor
der und nach der das Abblendlicht weniger häufig genutzt wird. Das Fahrprofil
des Fahrzeugs ist derart, dass während
der ersten Hälfte
des Winters sehr viel mit Fernlicht gefahren wurde, so dass das
Fernlicht außerhalb
des Zeitraums nur sehr wenig geschädigt wird und innerhalb dieses
Zeitraums seine Schädigung
stark zunimmt. Die Schädigung
des Bremslichts ist vom saisonalen Verlauf weitgehend unabhängig linear
mit der Zeit. Zulässige
maximale Schädigungswerte
liegen oberhalb des in 2 dargestellten Schädigungsbereichs.
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Die
Kurven der 3 ergeben sich aus den kumulierten
Lampenschädigungskurven
(Ist-Schädigungswert)
der 2 dadurch, dass zu jedem Zeitpunkt der kumulierte
Wert der 2 durch den kumulierten Gesamtwert,
d.h. die Summe der jeweiligen Werte der Kurven A', B' geteilt
wird. Es ergeben sich die Kurven A', B' und
F'. Die Kurve B' beispielsweise verläuft zunächst konstant,
um dann abzufallen, wenn die Schädigung
des Abblendlichtes einsetzt.
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In
dem Steuergerät 32 können die
Kurven A', B' und F' für jede der
Lampen online zu den jeweiligen Zeiten berechnet werden. Es ist
zweckmäßig, die Ausgangsspannung
des Generators jeweils derart abzusenken, dass der durch die Gerade
G definierte Grenzwert nicht überschritten
wird. Damit kann sichergestellt werden, dass bis zu einem Wartungsdienst,
bezogen auf die jeweilige Gesamtschädigung aller Lampen, keine
einzelne Lampe unzulässig
stark geschädigt
wird, so dass die Funktionstüchtigkeit
der Lampen bis zu dem Wartungsdienst gewährleistet ist.
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4 gibt
eine weitere Möglichkeit
an, wie die Generatorspannung zweckmäßigerweise gesteuert wird,
damit keine der Lampen im Zeitverlauf zu stark geschädigt wird
und vorzeitig ausfällt.
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Die
Kurven A'', B'' und F'' der 4 ergeben sich
aus denen der 2 dadurch, dass der jeweilige kumulierte
Schädigungswert
S durch die kumulierte Laufzeit T geteilt wird, während der
der Generator bis zum jeweiligen Zeitpunkt t in Betrieb war.
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Die
Gerade H gibt einen Grenzwert an, der von keiner der Kurven A'', B'' und F'' überschritten werden
sollte. Im dargestellten Beispiel ist es deshalb beispielsweise
erforderlich, die Ausgangsspannung zum Zeitpunkt t1 erstmals
abzusenken, zu dem die Kurve A'' den Grenzwert H übersteigt.
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Es
versteht sich, dass die beschriebenen Algorithmen zur Absenkung
der Ausgangsspannung nur beispielhaft sind und durch andere Algorithmen ersetzt
werden können,
mit denen sichergestellt wird, dass keine der Lampen vorzeitig ausfällt.
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Die
beschriebenen Verfahren können
in vielfältiger
Weise abgeändert
und/oder ergänzt
werden. Beispielsweise kann eine Lampeneinschalterkennungseinrichtung
vorgesehen sein, die das Einschalten einer Lampe erkennt und die
an der Lampe wirksame Ausgangsspannung dann zur Vermeidung eines
hohen Einschaltstroms kurzzeitig absenkt. Dies ist beispielsweise
durch Absenken der Ausgangsspannung des Generators oder durch Zuschalten
eines Vorwiderstandes möglich.
Dies ist in der Praxis für
die Bremslichter nur begrenzt möglich,
die möglichst
rasch aufleuchten sollen.
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Für das Merkmal,
den durch eine Lampe fließenden
Einschaltstrom insbesondere durch kurzzeitige Absenkung der Ausgangsspannung
des Generators zu vermindern, wird auch unabhängig von der geschilderten
Erfassung der Schädigung
einer Lampe Schutz beansprucht. Die Dauer dieser Absenkung kann
beispielsweise der Zeitdauer entsprechen, bis zu der die Lampe ihre
Betriebstemperatur erreicht hat. Die Lampeneinschalterkennungseinrichtung kann
unterschiedlichen Aufbau aufweisen; beispielsweise kann die Stellung
eines jeweiligen Lampenschalters unmittelbar erfasst werden oder
es kann der Strom in einer Versorgungsleitung der Lampe erfasst
werden. Die Lampeneinschalterkennungseinrichtung ist mit der Ausgangsspannungssteuereinrichtung
des Generators verbunden, die auf ein Einschaltsignal der Lampeneinschalterkennungseinrichtung
die Ausgangsspannung des Generators kurzzeitig absenkt. Die Zeitdauer
und der Verlauf der Absenkung können
lampenspezifisch gesteuert oder geregelt erfolgen.
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Weiter
kann in dem Steuergerät 32 jedem Verbraucher
ein vorbestimmter Maximal-Schädigungswert
zugeordnet sein, der während
des Betriebes ständig
mit dem Ist-Schädigungswert
verglichen wird. Die Ausgangsspannung wird abhängig von der bis zum Erreichen
des Maximal-Schädigungswertes noch
zulässigen
Restschädigung
gesteuert, wobei der zeitliche Verlauf berücksichtigt und extrapoliert wird.
Auf diese Weise kann beispielsweise errechnet werden, dass vorbestimmte
Maximal-Schädigungen unterschiedlicher
Verbraucher, beispielsweise Schädigungen,
bei denen noch eine einwandfreie Funktionstüchtigkeit der Verbraucher gewährleistet
ist, zu vorbestimmten Zeitpunkten, beispielsweise Wartungszeitpunkten,
erreicht werden, zu denen die Verbraucher ausgetauscht werden. Auf
diese Weise ist einerseits eine maximale Betriebszuverlässigkeit
der Verbraucher gewährleistet
und ist andererseits gewährleistet,
dass eine im Bordnetz enthaltene Batterie beziehungsweise ein Akkumulator
mit maximaler Spannung jeweils nachgeladen werden kann.
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Es
versteht sich, dass die Berechnung der jeweiligen Rest-Schädigungswerte
auch in den Steuergeräten 24, 26 erfolgen
kann. Die jeweiligen zulässigen
Rest-Schädigungswerte
werden dann von den Steuergeräten 24, 26 an
das Steuergerät 32 übertragen.