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Die Erfindung betrifft ein Energiebordnetz
zur Versorgung eines Hochleistungsverbrauchers mit erhöhten Anforderungen
an die Verfügbarkeit.
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Es sind bereits Kraftfahrzeuge bekannt,
die mit einer elektrohydraulischen Bremse ausgestattet sind. Eine
derartige elektrohydraulische Bremse ist ein Hochleistungsverbraucher
mit erhöhten
Anforderungen an die Verfügbarkeit.
Das Energiebordnetz derartiger Kraftfahrzeuge muss folglich diesen
erhöhten
Anforderungen gerecht werden.
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Weiterhin sind bereits Kraftfahrzeuge
bekannt, die mit einer elektromechanischen Parkbremse ausgestattet
sind. Auch bei einer elektromechanischen Parkbremse handelt es sich
um einen Hochleistungsverbraucher mit erhöhten Anforderungen an die Verfügbarkeit.
Folglich muss auch das Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs, welches
eine elektromechanische Parkbremse aufweist, erhöhten Anforderungen gerecht
werden.
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In der
DE 102 28 350.8 wird ein Energiebordnetz
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen beschrieben.
Der dort angegebene Hochleistungsverbraucher ist ein elektrischer
Zusatzverdichter. Bei einem elektrischen Zusatzverdichter handelt
es sich um einen Hochleistungsverbraucher, dessen Funktionen nur
sehr begrenzt sicherheitsrelevant sind. Untersuchungen haben gezeigt,
dass ein elektrischer Zusatzverdichter in typischen Fahr zyklen nur
in ca. 5% der Gesamtdauer elektrische Energie aufnimmt. Die vom
elektrischen Zusatzverdichter aufgenommene Durchschnittsleistung
ist mit 25 W gering. Dies erlaubt es, eine dem elektrischen Zusatzverdichter
zugeordnete zweite Batterie, deren Hauptaufgabe die Versorgung des elektrischen
Zusatzverdichters ist, in den verbleibenden 95% der Gesamtdauer
des Fahrzyklus aus dem Bordnetz nachzuladen. Die zweite Batterie
und der elektrische Zusatzverdichter sind Bestandteile eines Inselnetzes,
welches über
ein steuerbares Lade- und Trennmodul an das übrige Bordnetz anschaltbar
und von diesem trennbar ist. Die zugehörige Ansteuerung des Lade-
und Trennmoduls erfolgt durch ein elektrisches Energiemanagement.
Ein Anschalten der zweiten Batterie an das Bordnetz erfolgt zum
Nachladen der zweiten Batterie aus dem Bordnetz und auch bei einem
Starten des Verbrennungsmotors, um Spannungseinbrüche auf
dem Bordnetz zu vermeiden bzw. zu begrenzen. Ein Abtrennen der zweiten Batterie
vom Bordnetz erfolgt stets bei einer Aktivierung des elektrischen
Zusatzverdichters, um Rückwirkungen
auf das übrige
Bordnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher zu vermeiden.
Ein Abtrennen der zweiten Batterie vom Bordnetz erfolgt auch dann,
wenn im Bordnetz Fehler erkannt werden, und in Ruhephasen.
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In der
DE 101 50 379.2 ist eine redundante Energieversorgung
für sicherheitsrelevante
Verbraucher in einem Bordnetz beschrieben. In diesem bekannten Bordnetz
werden die sicherheitsrelevanten Verbraucher jeweils über zwei
separate Versorgungsleitungen mit elektrischer Energie versorgt.
Dabei ist jeder der Verbraucher über
eine erste Versorgungsleitung an eine erste Energiequelle und über eine
zweite Versorgungsleitung an eine zweite Energiequelle angeschlossen.
Bei einem Ausfall einer der Energiequellen oder einem Fehler in
einer der Versorgungsleitungen übernimmt
jeweils die andere, redundante Versorgungsleitung die Versorgung
des Verbrauchers.
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Ein Energiebordnetz mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 weist demgegenüber
mehrere Vorteile auf. Es erlaubt ein separates Anlegen jeder der
beiden Energiequellen an den Hochleistungsverbraucher mit erhöhten Anforderungen
an die Verfügbarkeit.
Es erlaubt weiterhin ein gleichzeitiges Anlegen beider Energiequellen
an den Hochleistungsverbraucher mit erhöhten Anforderungen an die Verfügbarkeit.
Ferner erlaubt es ein von der Stellung der ersten und zweiten Schalteinheit
unabhängiges
Nachladen des zweiten Energiespeichers.
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In vorteilhafter Weise werden in
einer Motorstartbetriebsart Hochleistungsverbraucher mit erhöhten Anforderungen
an die Verfügbarkeit
ausschließlich
aus dem zweiten Energiespeicher versorgt, so dass Spannungseinbrüche im übrigen Bordnetz
keinen Einfluss auf diese Hochleistungsverbraucher haben.
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Weiterhin wird in vorteilhafter Weise
dann, wenn bei geringer Leistungsfähigkeit des ersten Energiespeichers
die Leistungsfähigkeit
des zugeschalteten zweiten Energiespeichers nicht für die Stabilisierung
des gesamten Bordnetzes ausreicht, die Verbindung zwischen dem ersten
Energiespeicher und dem Hochleistungsverbraucher mit erhöhten Anforderungen
an die Verfügbarkeit
geöffnet.
Folglich wird in diesem Fall der zweite Energiespeicher ausschließlich zur
Versorgung des Hochleistungsverbrauchers verwendet, so dass dessen
weitere Funktionsweise sichergestellt ist. Insbesondere kann auf diese
Weise ein Abbremsen mittels einer elektrohydraulischen Bremse und
ein nachfolgendes Betätigen einer
elektromechanischen Parkbremse gewährleistet werden. Dies ist
insbesondere bei Fahrzeugen mit Schaltgetriebe von Bedeutung, da
diese Fahrzeuge im Unterschied zu Fahrzeugen mit Schaltautomatik nicht
mittels einer Getriebesperre arretiert werden können.
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Vorzugsweise ist das Energiebordnetz
gemäß der Erfindung
weiterhin mit Mitteln zur schnellen Erkennung des Vorliegens einer
Unterspannung versehen. Diese Mittel können in Form eines analogen Komparators
realisiert sein. Dessen Ausgangssignale werden dazu verwendet, die
im Signalweg zwischen dem zweiten Energiespeicher und dem Hochleistungsverbraucher
mit erhöhten
Anforderungen an die Verfügbarkeit
angeordnete Schalteinheit durchlässig
zu schalten, so dass auch bei einem plötzlichen Auftreten einer Unterspannung
die Weiterversorgung des Hochleistungsverbrauchers sichergestellt
ist. Um schnell auf das Vorliegen einer plötzlich auftretenden Unterspannung
reagieren zu können, ist
die zweite Schalteinheit vorzugsweise als MOSFET realisiert.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften
der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung
anhand der Zeichnung.
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Zeichnung
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Die Figur zeigt ein Blockschaltbild
eines Energiebordnetzes zur Versorgung eines Hochleistungsverbrauchers
mit erhöhten
Anforderungen an die Verfügbarkeit.
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Beschreibung
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Das in der Figur dargestellte Energiebordnetz
enthält
als ersten Energiespeicher 1 die Hauptbatterie eines Kraftfahrzeugs
und als zweiten Energiespeicher 2 eine Stützbatterie.
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Die Hauptbatterie 1 steht über einen
Batterietrennschalter 13 mit einem Bordnetzgenerator 5 in Verbindung.
Dieser Bordnetzgenerator ist ein riemenbetriebener Generator mit
Regler 6. Weiterhin ist der Starter 7 dargestellt,
der über
das Starter-Relais 8 mit dem Bordnetz 3 verbun den
ist. Alternativ zu den Bauteilen 5–8 kann auch ein auf
der Kurbelwelle des Kraftfahrzeugs angeordneter integrierter Startergenerator
vorgesehen sein.
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Weiterhin steht die Hauptbatterie 1 über den Batterietrennschalter 13 und
die Sicherungen 19 mit einem ersten Signal- und Leistungsverteiler 4 und
einem zweiten Signal- und Leistungsverteiler 21 in Verbindung.
An die Ausgänge
des Signal- und Leistungsverteilers 4 sind Verbraucher
V1 angeschlossen. Die Ausgänge
des Signal- und Leistungsverteilers 21 sind mit Verbrauchern
V2 verbunden. Die den Verbrauchern V1 und V2 vorgeschalteten Signal- und Leistungsverteiler 4 und 21 enthalten
unter anderem Feinsicherungen, Relais und/oder Schalter für eine Zu- und Abschaltung
der genannten Verbraucher im Sinne eines Verbrauchermanagements.
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Die Stützbatterie 2 ist über eine
Lade- und Trenneinheit 16 mit der Hauptbatterie 1 verbunden und
steht weiterhin über
die Lade- und Trenneinheit 16 und den Batterietrennschalter 13 mit
dem Bordnetz 3 in Verbindung. Weiterhin ist die Stützbatterie 2 über die
Lade- und Trenneinheit 16 und eine Sicherung 14 auch
an zwei parallel zueinander angeordnete Hochleistungsverbraucher 15a, 15b mit
erhöhten Anforderungen
an die Verfügbarkeit
angeschlossen. Beim Hochleistungsverbraucher 15a handelt
es sich um die Ventile, das Steuergerät und den Pumpenmotor einer
elektrohydraulischen Bremse. Der Hochleistungsverbraucher 15b ist
eine elektromechanische Parkbremse.
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Die Lade- und Trenneinheit 16 weist
eine erste Schalteinheit S1, eine zweite Schalteinheit S2 und eine
dritte Schalteinheit S3 auf. Die erste Schalteinheit S1 ist im Pfad
zwischen der Hauptbatterie 1 und den Hochleistungsverbrauchern 15a und 15b angeordnet.
Die zweite Schalteinheit S2, bei der es sich vorzugsweise um einen
als MOSFET realisierten Schalter handelt, befindet sich im Pfad
zwischen der Stützbatterie 2 und
den Hochleistungs verbrauchern 15a und 15b. Die
dritte Schalteinheit S3, vorzugsweise ein Relais, ist zwischen der
Hauptbatterie 1 und der Stützbatterie 2 und – bei geschlossenem
Batterietrennschalter 13 – auch zwischen der Stützbatterie 2 und
dem Bordnetz 3 angeordnet.
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Der Generator 5 wird im
Betrieb des Kraftfahrzeugs von einem Verbrennungsmotor 9 angetrieben,
dessen Betrieb von einem Motormanagement 10 gesteuert wird.
Das Motormanagement 10 steht über den CAN-Bus 11 mit
einem elektrischen Energiemanagement 12 in Verbindung.
Dieses elektrische Energiemanagement 12 ist für eine intelligente Koordination
des Bordnetz-Energieflusses, eine optimierte Nachladung der an das
Bordnetz 3 angeschlossenen Batterien 1 und 2,
die Steuerung der Lade- und Trenneinheit 16, eine Beeinflussung
der Generatorreglung, beispielsweise unter Verwendung einer bitsynchronen
Schnittstelle 17, das Verbrauchermanagement und eine Beeinflussung
des Motormanagements 10 über den CAN-Bus 11 vorgesehen.
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Das elektrische Energiemanagement 12 bezieht
Eingangssignale von einer Batteriezustandserkennung 18,
die an die erste Batterie 1 angeschlossen ist, um deren
Zustand zu ermitteln. Zu diesem Zweck wertet die Batteriezustandserkennung 18 die Batteriespannung
u(t), den Batteriestrom i(t) und die Batterietemperatur δ(t) der Hauptbatterie 1 sowie
die Batteriespannung u(t) der Stützbatterie 2 aus.
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Zur Steuerung der Lade- und Trenneinheit 16 stellt
das Energiemanagement 12 Steuersignale s1 für die erste
Schalteinheit S1, Steuersignale s2 für die zweite Schalteinheit
S2 und Steuersignale s3 für die
dritte Schalteinheit S3 zur Verfügung.
Weiterhin generiert das Energiemanagement 12 auch Schaltsignale
zur Zu- und Abschaltung der Verbraucher V1 und V2.
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Das in der 1 dargestellte Energiebordnetz ist in
verschiedenen Betriebsarten betreibbar.
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Eine dieser Betriebsarten ist der
Ruhezustand. In diesem Ruhezustand ist die erste Schalteinheit S1
durchlässig
gestaltet, d. h. geschlossen, die zweite Schalteinheit S2 ist geöffnet und
die dritte Schalteinheit S3 ist ebenfalls geöffnet. Folglich sind im Ruhezustand
das Bordnetz 3 und auch die Hochleistungsverbraucher 15a und 15b mit
der Hauptbatterie 1 verbunden. Es tritt lediglich ein Ruhestromverbrauch
auf.
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Eine weitere Betriebsart ist der
Motorstart. In dieser Motorstartbetriebsart ist die erste Schalteinheit
S1 geöffnet,
die zweite Schalteinheit S2 geschlossen und die dritte Schalteinheit
S3 geöffnet. Demzufolge
sind die Hochleistungsverbraucher 15a und 15b in
der Startbetriebsart von Hauptbatterie 1 getrennt und werden
ausschließlich
aus der Stützbatterie
versorgt. Folglich hat ein in der Startphase auftretender Spannungseinbruch
im Bordnetz 3 keinen Einfluss auf die Hochleistungsverbraucher 15a und 15b.
Das elektrische Energiemanagement 12 erzeugt die notwendigen
Steuersignale für
die Schalteinheiten S1, S2 und S3 entweder nach einem Aufwecken
des Steuergerätes
der elektrohydraulischen Bremse oder – bei Vorliegen eines elektrischen
Zündschlosses – durch
Auswertung des Klemme 50-Signals, wobei dem elektrischen Energiemanagement 12 die
genannten Informationen über
den CAN-Bus 11 zugeleitet werden. Sobald der Generator 5 Energie
in das Bordnetz 3 einspeist, was durch Auswertung des an
Klemme 61 verfügbaren
Signals erkannt wird, oder nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls
wird die Schalteinheit S1 geschlossen und anschließend die
Schalteinheit S2 geöffnet,
um den Normalbetrieb herbeizuführen.
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In dieser Normalbetriebsart ist die
erste Schalteinheit S1 geschlossen, die zweite Schalteinheit S2
geöffnet
und die dritte Schalteinheit S3 ebenfalls geöffnet. In dieser Betriebsart
erfolgt ein Nachladen der Hauptbatterie 1.
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Die Hauptbatterie puffert in dieser
Betriebsart Leistungsspitzen für
das gesamte Bordnetz.
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Eine weitere Betriebsart ist das
Laden der Stützbatterie 2.
In dieser Betriebsart ist die erste Schalteinheit S1 geschlossen,
die zweite Schalteinheit S2 geöffnet
und die dritte Schalteinheit S3 geschlossen. Die Ladephase der Stützbatterie
wird eingeleitet, wenn die Ruhespannung der Stützbatterie 2 einen
vorgegebenen, applikationsabhängigen Schwellenwert
unterschreitet. Die zwischen der Stützbatterie 2 und der
zweiten Schalteinheit S2 vorgesehene Diode 20 verhindert,
dass die Stützbatterie 2 kontinuierlich über die
parasitäre
Diode des die zweite Schalteinheit 2 realisierenden MOSFETs
geladen wird. Dadurch wird auch die Genauigkeit der Ruhespannungsmessung
gesteigert. Der Schwellenwert für
das Nachladen ist so festzusetzen, dass der Ladezustand der Stützbatterie 2 stets
einen zur Versorgung der Verbraucher 15a und 15b ausreichenden
Wert aufweist.
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Eine weitere Betriebsart ist der
Pufferbetrieb. In dieser Pufferbetriebsart ist die erste Schalteinheit S1
geschlossen, die zweite Schalteinheit S2 geschlossen und die dritte
Schalteinheit S3 geöffnet. Die
Pufferbetriebsart wird dann eingeleitet, wenn die Batteriezustandserkennung 18 das
Vorliegen einer zu geringen Leistungsfähigkeit der Hauptbatterie 1 erkennt.
Ist dies der Fall, dann wird die zweite Schalteinheit S2 leitend
geschaltet, so dass die Pufferwirkung des gesamten Bordnetzes um
die Leistungsfähigkeit
der Stützbatterie 2 erweitert
wird.
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Tritt hingegen ein plötzlicher
Verlust der Leistungsfähigkeit
der Hauptbatterie 1 auf, der durch die Batteriezustandserkennung 18 nicht
prognostiziert werden kann und sich auch nicht in einem ansteigenden
Innenwiderstand der Hauptbatterie 1 widerspiegelt, dann
wird die als MOSFET realisierte zweite Schalteinheit S2 von einer
schnellen Unterspannungserkennung in den leitenden Zustand ge bracht. Diese
schnelle Unterspannungserkennung ist vorzugsweise in Form eines
analogen Komparators realisiert, in welchem die gemessene Spannung
mit einem vorgegebenen Spannungsschwellenwert verglichen wird. Unterschreitet
die gemessene Spannung den vorgegebenen Spannungsschwellenwert,
dann liegt eine Unterspannung vor und es wird die zweite Schalteinheit
S2 durchlässig
geschaltet, um einen temporären
Pufferbetrieb einzuleiten. Der genannte analoge Komparator ist Bestandteil
des elektrischen Energiemanagements.
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Besteht die Notwendigkeit, diese
Pufferbetriebsart über
einen längeren
Zeitraum aufrechtzuerhalten, dann wird die dritte Schalteinheit
S3 geschlossen und die zweite Schalteinheit S2 geöffnet. Diese
Notwendigkeit besteht beispielsweise dann, wenn die Unterspannungserkennung
mehrmals nacheinander ein Unterschreiten des vorgegebenen Spannungschwellenwertes
erkennt.
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Eine weitere Betriebsart ist ein
Notbetrieb. In dieser Notbetriebsart ist die erste Schalteinheit
S1 geöffnet,
die zweite Schalteinheit S2 geschlossen und die dritte Schalteinheit
S3 geöffnet.
Diese Betriebsart wird dann eingeleitet, wenn im Pufferbetrieb die
Leistungsfähigkeit
der Stützbatterie 2 nicht
mehr für
eine Stabilisierung des gesamten Bordnetzes ausreicht. Wird dies
erkannt, dann wird die zweite Schalteinheit S2 geöffnet. Nach
diesem Öffnen
von S2 erfolgt die Versorgung der Hochleistungsverbraucher 15a und 15b ausschließlich aus
der Stützbatterie 2 um
sicherzustellen, dass diese Hochleistungsverbraucher, bei denen
es sich vorzugsweise um eine elektrohydraulische Bremse und eine
elektromechanische Parkbremse handelt, funktionsfähig bleiben.
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Wäre
diese Versorgung der elektrohydraulischen Bremse und der elektromechanischen
Parkbremse nicht sichergestellt, dann wären Fahrzeuge nach dem Abstellen
des Verbrennungs motors spannungslos und könnten nicht mehr festgebremst
werden.
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Nach alledem ist ein Energiebordnetz
gemäß der Erfindung
insbesondere dazu in der Lage, die im Zusammenhang mit einer elektrohydraulischen
Bremse vorliegenden gesteigerten Anforderungen an die elektrische
Energieversorgung in Kraftfahrzeugen zu erfüllen. Neben einer größeren Leistung
mit einer maximalen Stromamplitude von 120 A zählt zu diesen Anforderungen
auch eine gesteigerte Spannungsstabilität, die auch in der Startphase
des Motors gegeben ist.
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Eine elektromechanische Parkbremse
bietet als Komfortfunktion Vorteile gegenüber einer herkömmlichen
Feststellbremse oder Handbremse. In einem Energiebordnetz gemäß der Erfindung
ist sichergestellt, dass die Funktion einer elektromechanischen
Parkbremse auch dann gegeben ist, wenn das Fahrzeug abgestellt ist,
d. h. der Motor abgeschaltet ist, oder dann, wenn die Hauptbatterie
ausgefallen ist.
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Die Erfindung ist auch im Zusammenhang mit
anderen oder zusätzlichen
Hochleistungsverbrauchern mit erhöhten Anforderungen an die Verfügbarkeit
einsetzbar, beispielsweise einem automatischen „Hillholder", der das Fahrzeug
bei einem Anhalten am Berg abbremst, oder bei einer Anfahrunterstützung, die
das Fahrzeug bei einem Anfahren am Berg gegen ein Rückwärtsrollen
absichert.
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Unabhängig davon bietet ein Energiebordnetz
gemäß der Erfindung
auch erweiterte Diagnosefunktionen.
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Der in der 1 dargestellte Batterietrennschalter 13 ist
bei allen vorstehend beschriebenen Betriebsarten in geschlossenem
Zustand. Er ist lediglich dazu vorgesehen, nach einem erkannten Fahrzeug-Crash
die lange Starterleitung beim Vorliegen einer Batterie im Kofferraum
des Fahrzeugs von der Batterie zu trennen, um die Kurzschluss- und Brandgefahr
zu reduzieren.
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- 1
- Erster
Energiespeicher (Hauptbatterie)
- 2
- Zweiter
Energiespeicher (Stützbatterie)
- 3
- Bordnetz
- 4
- Signal-
und Leistungsverteiler
- 5
- Bordnetzgenerator
- 6
- Generatorregler
- 7
- Starter
- 8
- Starter-Relais
- 9
- Verbrennungsmotor
- 10
- Motormanagement
- 11
- CAN-Bus
- 12
- Elektrisches
Energiemanagement
- 13
- Batterietrennschalter
- 14
- Sicherung
- 15a
- Hochleistungsverbraucher
(elektrohydraulische
-
- Bremse)
- 15b
- Hochleistungsverbraucher
(elektromechanische
-
- Parkbremse)
- 16
- Lade-
und Trenneinheit
- 17
- Bitsynchrone
Schnittstelle
- 18
- Batteriezustandserkennung
- 19
- Sicherungen
- 20
- Diode
- 21
- Signal-
und Leistungsverteiler
- V1
- Verbraucher
- V2
- Verbraucher
- S1,
S2, S3
- Schalteinheiten
- s1,
s2, s3
- Steuersignale