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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem
in einem Fahrzeug, z. B. ein Bremssystem.
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Bei
derartigen Steuersystemen, die in der Regel nicht mit einem mechanischen,
hydraulischen oder pneumatischen Back-up-System ausgestattet sind, welches
im Fehlerfall die Funktion des Steuersystems sicherstellt, ist besonderes
Augenmerk auf die Verfügbarkeit
auch im Fehlerfall zu legen. Ein Beispiel für ein elektrisch gesteuertes,
dezentrales Bremssystem, welches die gestellten Forderungen zufriedenstellend
erfüllt,
ist aus der
DE 196
34 567 A1 (
GB
2 316 726 B ) bekannt. Dieses bekannte Bremssystem für ein Kraftfahrzeug
(brake-by-wire) ist dezentral aufgebaut und besteht aus verschiedenen
Steuermodulen, wenigstens einem Steuermodul zur Ermittlung des Fahrerbremswunsches
und einzelnen Fahrzeugrädern
zugeordneten Steuermodulen zur Bremskrafteinstellung. Ferner sind
zur Sicherstellung der Energieversorgung zwei voneinander unabhängige Energiequellen
bzw. Bordnetze vorgesehen. Um auch bei Ausfall eines dieser Energiequellen
bzw. Bordnetzen die zumindest teilweise Funktionsfähigkeit
des Steuersystems gewährleisten,
ist vorgesehen, das zentrale Steuermodul zur Ermittlung des Fahrerwunsches
aus beiden Energiequellen zu versorgen, die Steuermodule zur Bremskrafteinstellung
entweder der einen oder anderen Energiequelle zuzuordnen, wobei
diese Zuordnung derart erfolgt, daß bei Ausfall der einen Energiequelle zumindest
ein Teil der Radbremsen betätigbar
bleibt. Die Zuordnung der Energiequellen zu den einzelnen Elementen
ist dabei fest, wobei die Zuordnung der Hochstromverbraucher (z.
B. Aktuatoren der Radbremsen) zu den Energiequellen nicht angesprochen ist.
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Eine
Lösung
für die
zuletzt genannte Problemstellung ist der
DE 195 37 464 A1 zu entnehmen.
Auch dort wird ein dezentrales Bremssystem vorgeschlagen, bei welchem
wenigstens zwei voneinander unabhängige Energiequellen vorgesehen sind.
Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Bremssystems bei
Ausfall einer dieser Energiequellen ist vorgesehen, eine erste Gruppe
von Radbremsaktuatoren der ersten Energiequelle und eine zweite
Gruppe von Radbremsaktuatoren der zweiten Energiequelle zuzuordnen.
Auch hier wird eine feste Verdrahtung der Energiequellen zu den
zu versorgenden Elementen vorgenommen.
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Aus
der Schrift
DE 196
45 944 A1 ist ein Steuergerät für ein Bordnetz mit einer Bordnetzbatterie
und einer Starterbatterie bekannt. In Abhängigkeit von vorgebbaren Daten öffnet oder
schließt
das Bordnetzsteuergerät
die Verbindung zwischen den beiden Batterien. Wird beispielsweise
eine ausreichende Spannungslage bei der Bordnetzbatterie erkannt,
bleiben die beiden Batteriekreise getrennt, wohingegen bei einer
Unterschreitung eines minimalen Spannungsniveaus beide Batterien
parallelgeschaltet werden und somit das Bordnetz aus der Starterbatterie
mitversorgt wird. Somit wird eine Versorgung des gesamten Bordnetzes
beschrieben, welches wahlweise durch hinzuschalten der Starterbatterie unterstützt wird.
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Aus
der Schrift
DE 35 02
100 A1 ist eine Druckmittelbremsanlage mit elektrisch steuerbaren Bremsgeräten bekannt,
welche mit einem ersten Energiespeicher und/oder mit einem zweiten
Energiespeicher elektrisch versorgt werden können. Eine Umschaltung der
Versorgung von auf einen auf den anderen Energiespeicher erfolgt
mittels einer geeigneten Spannungsüberwachungs- und Umschalteinrichtung.
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Aus
der Schrift
DE 40 22
671 A1 ist ein elektronisches Bremssystem mit einem dezentralen
Zentralmodul bekannt, bei dem mit Mikroprozessoren ausgestattete
Radmodule dem wenigstens einen Zentralmodul hierarchisch unterstellt
sind. Die Radmodule sind dabei für
die Versorgung des jeweiligen zugehörigen Rades zuständig, wobei
die Radmodule zugehörige
Leistungsendstufen enthalten, mit dessen Hilfe das Modulationsventil
des zugehörigen Bremszylinders
angesteuert werden kann.
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Aus
der Schrift
DE 197
43 305 A1 ist eine elektronische Bremse eines Fahrzeugs
bekannt, bei dem durch eine geeignete Anordnung ein ungewollt andauerndes
Blockieren des Rades durch einen Aktor bei Ausfall der Stromversorgung
des Aktors verhindert wird. Die Anordnung besteht dabei aus einem Energiespeicher,
direkt am Aktor, der anhand eines geeigneten Kontrollmechanismus
bei Ausfall der Stromversorgung das Lösen des Aktors für das jeweilige
Rad sicherstellt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Bremsfunktion eines Bremsaktuators
in einem elektrisch gesteuerten, dezentralen Steuersystem in einem
Fahrzeug auch bei Ausfall einer Energiequelle sicherzustellen.
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Dies
wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Vorteile der Erfindung
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Es
wird eine Trennung zwischen der Energieversorgung der Hochstromverbraucher
(Aktuatoren und Leistungsendstufen) und den Steuereinheiten vorgenommen,
wobei in vorteilhafter Weise eine Entkopplung der Steuereinheiten
von leitungsgebundenen Störungen
und Spannungsabfällen
auf der Energieleitung, die durch die Leistungselektronik der Hochstromverbraucher
verursacht werden, stattfindet.
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In
vorteilhafter Weise ist eine feste Verdrahtung der Hochstromverbraucher
vorgesehen, während
die Steuereinheiten und Niedrigstromverbraucher (z. B. Haltebremse) über ein
zentrales Schaltelement geschaltet werden. Dieses zentrale Schaltelement
ist mit beiden Energiequellen verbunden, so daß in vorteilhafter Weise bei
Ausfall einer der Energiequellen eine Umschaltung der Energieversorgung der
Steuereinheiten auf einen anderen Energiekreis ermöglicht ist.
Dadurch wird eine Energieredundanz bereitgestellt, die Verfügbarkeit
erhöht
und die Flexibilität
erweitert.
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In
vorteilhafter Weise bleibt durch die Trennung der Energieversorgung
der Hochstromverbraucher und der Steuereinheiten bzw. der Niedrigstromverbraucher
bei Ausfall der Leistungseinheit oder eines angeschlossenen Energiepfades
die Steuereinheit voll funktionsfähig. Sie kann daher zur weiteren Auswertung
von Sensorsignalen benutzt werden, für die Überwachung des Gesamtsystems
und/oder für die
Ansteuerung oder Energieversorgung von Niedrigstromverbrauchern,
beispielsweise einer Haltebremse.
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In
vorteilhafter Weise wird durch die nachfolgend beschriebene Energieverteilung
eine Trennung jedes einzelnen Ele ments von der Energieversorgung
erlaubt, wenn dieses Element fehlerhafte Zustände aufweist bzw. verursacht.
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Bei
einem Bremssystem muß eine
Haltebremse bei Ausfall einer der Energiekreise weiterhin betätigt werden
können.
Dies ist bei einem Bremssystem notwendig, um einen zugespannten
Aktuator zu lösen.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß eine
rechnergesteuerte Ein- und/oder
Ausschaltstrategie des Gesamtsystems vorgesehen werden kann, die
einfach zu implementieren ist. Dabei wird z. B. ein Nachlauf eingerichtet,
um die Durchführung
von Funktionen wie Lüftspieleinstellung,
Datensicherung, etc. bis zum endgültigen Ausschalten zu erlauben.
Beim Einschalten erlaubt ein, die Energieversorgung zuschaltendes
zentrales Schaltelement, ein zeitsynchrones, kontrolliertes Einschalten
der Steuereinheiten.
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In
vorteilhafter Weise wird diese Energieverteilung nicht nur bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
eines dezentralen Bremssystems, sondern auch bei anderen dezentralen
Steuersystemen im Bereich der Fahrzeugtechnik, wie Lenksysteme und Antriebssysteme,
beispielsweise mit mehreren Elektromotoren oder bei Brennkraftmaschinen
mit wenigstens zwei unabhängigen
Zylinderbänken,
etc. eingesetzt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert. 1 und 2 zeigen
Ausführungsbeispiele
eines elektrisch gesteuerten dezentralen Bremssystems, an welchen
die erfindungsgemäße Energieverteilung
in zwei Ausführungsformen dargestellt
ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die
erfindungsgemäße Energieverteilung
eines dezentralen Steuersystems ist nachfolgend anhand eines elektrisch
gesteuerten, dezentralen Bremssystems dargestellt, insbesondere
bei einem Bremssystem mit elektromotorischer Zuspannung der Radbremsen,
bei welchen als Bremsaktuatoren Elektromotoren eingesetzt werden.
In entsprechender Weise ist, wobei die dargestellten Vorteile erreicht
werden, die erfindungsgemäße Energieverteilung
auch bei anderen dezentralen Steuersystemen, beispielsweise bei
Lenksystemen oder Antriebssystemen, bei welchem Hochstromverbraucher
als Stellelemente eingesetzt werden (Elektromotoren an mehreren
Fahrzeugrädern
als Antriebsaggregate, Stellmotoren bei einer Brennkraftmaschine
mit wenigstens zwei unabhängigen
Zylinderbänken).
Die dargestellte Energieverteilung wird auch bei dezentralen Bremssystemen
eingesetzt, bei welchem hydraulische oder pneumatische Aktuatoren
eingesetzt werden, die über
Ventile betätigt
werden, wobei pneumatische oder hydraulische Back-up-Systeme vorgesehen
sein können.
Auch bei dezentralen Hybridsystemen, bei denen beispielsweise an
einer ersten Achse Aktuatoren mit elektromotorischer Zuspannung
an einer anderen Achse elektrohydraulische Aktuatoren mit oder ohne
hydraulischen back-up-Kreis eingesetzt werden, ist die dargestellte Energieverteilung
anzuwenden.
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Das
Steuersystem, für
welches nachfolgend die Energieversorgung beschrieben wird, besteht aus
mehreren Steuereinheiten mit den dazugehörigen Leistungsendstufen, an
denen Hochstromverbraucher angeschlossen sind. Die Steuereinheiten brauchen
im allgemeinen kleine Ströme
bis zu einigen Ampere, während
die an die Leistungsendstufen angeschlossenen Hoch stromverbraucher
unter Umständen über 100
Ampere Strom benötigen
können. Da
die Leistungsendstufen und die Steuereinheiten nicht in einem Gehäuse untergebracht
sein müssen, sondern
getrennt werden können,
ist Basis der Energieversorgung eine Trennung der Energieversorgung für die Hochstromverbraucher
und für
die Steuereinheiten.
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Das
in 1 dargestellte elektromechanische Bremssystem
eines Kraftfahrzeugs ist ein typisches Beispiel für ein dezentrales
Steuersystem. Im dargestellten Beispiel besteht dieses Steuersystem aus
vier Steuereinheiten (Radmodule RM1 bis RM4) und diesen zugeordneten
vier Leistungsendstufen (LE1 bis LE4), mit denen vier elektrische
Aktuatoren zum Zu- und
Aufspannen der zugeordneten Radbremse betrieben werden. Jedes Paar
aus Radmodul und Leistungsendstufe betätigt dabei eine Radbremse.
Die Radmodule und die Leistungsendstufe sind über elektrische Steuer- und
Datenleitungen 10 bis 16 miteinander verbunden,
wobei auch Rückmeldungen
aus den Leistungsendstufen zu den Radmodulen über diese Leitungsverbindung übertragen werden.
Die elektrischen Aktuatoren, die in 1 nicht
dargestellt sind, sind Hochstromverbraucher und werden über Leistungsschalter
(z. B. Vollbrückenendstufen)
angesteuert. Um die Aktuatoren bei statischen Bremskräften thermisch
und das Bordnetz energetisch zu entlasten, sind in jeder Radbremse Haltebremsen
(HB1 bis HB4) eingebaut. Die vom Aktuator ausgeübte Bremskraft wird dann von
der Haltebremse aufrechterhalten, ohne daß eine ständige Ansteuerung des Aktuators
notwendig ist. Diese Haltebremsen sind so dimensioniert, daß sie nicht
zu den Hochstromverbrauchern zählen,
d. h. das sie bereits mit geringeren Strömen geschlossen bzw. geöffnet werden.
Eine derartige Haltebremse ist für
jeden Bremsaktuator vorgesehen. Dabei wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Haltebremse eines Aktuators aus der den Aktuator steuernden
Steuereinheit sowie einer weiteren Steuereinheit mit Energie versorgt.
So führen in 1 Energieleitungen 18 und 20 von
den Radmodulen RM1 und RM2 zur Haltebremse HB1 des ersten Bremsaktuators,
Leitungen 22 und 24 von den Radmodulen RM2 und
RM3 zur Haltebremse HB2, Leitungen 26 und 28 von
den Radmodulen RM3 und RM4 zur Haltebremse HB3 und Leitungen 30 und 32 von
den Radmodulen RM4 und RM1 zur Haltebremse HB4. Betätigt werden
die Haltebremsen vom jeweils dem Aktuator zugeordneten Radmodul.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, daß die
Haltebremse bei Bestromen geschlossen oder geöffnet wird, bei Nichtbestromen
in dem letzten Zustand verharrt. Es ist sichergestellt, daß auch bei
Ausfall eines Energiekreis durch die nachfolgend beschriebene Umschaltung
ein Lösen der
Bremsen ermöglicht
wird.
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Bei
dem gezeigten Steuersystem handelt es sich um eine Fremdkraftbremse,
so daß die
vom Gesetzgeber geforderten zwei unabhängigen Energiequellen vorhanden
sein müssen,
damit bei Ausfall eines Energiekreises kein Totalausfall der Radbremse nachfolgt.
Eine diese Norm erfüllende
Energieverteilung bei einem derartigen System wird nachfolgend dargestellt.
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Die
Steuereinheiten RM1 bis RM4 sind über ein Kommunikationssystem
K1 miteinander zum Datenaustausch verbunden. Ferner führt das
Kommunikationssystem zu einem Zentralmodul Z, und zu einer Schnittstelle
S, welche die Kommunikation mit anderen Steuersystemen aufrechterhält. Über diese Schnittstelle
empfangen die Elemente des Bremssystems Daten von anderen Steuersystemen,
beispielsweise der Antriebseinheit, etc. bzw. geben Daten an diese
anderen Steuersysteme ab. Über
diese Schnittstelle oder vom Zentralmodul Z oder von den Radmodulen
selbst wird wenigstens ein Bremspedalbetätigungssignal eingelesen, aus
welchem ein Fahrerbremswunsch abgeleitet wird. Dieser wird ggf. achsindividuell
und/oder radindividuell korrigiert und als Sollwert zur Einstellung der
Bremskraft an den einzelnen Radbremsen im Rahmen von Regelkreisen
herangezogen. Diese werden durch die Steuereinheiten RM1 bis RM4
realisiert, die entsprechende Ansteuersignale für die Leistungselektroniken
LE1 bis LE4 zur Betätigung
der Aktuatoren ausgeben. Dabei kann es sich um Bremskraft- oder
Bremsmomentenregelkreise handeln.
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Die
aus Leistungseinheit (LE1 bis LE4) für den Aktuator, aus einer Haltebremse
(HB1 bis HB4) und aus einer Steuereinheit (RM1 bis RM4) zur Signalverarbeitung
und Regelung gebildeten Radeinheiten werden aus mindestens zwei
Energiequellen (E1 und E2) gespeist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Hochstromverbraucher
für eine
Achse des Fahrzeugs oder für
die Diagonale eine feste Verbindung aufweisen. So sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels
die Leistungseinheiten LE1 und LE2 mit der Energiequelle E1 fest
verbunden, während
die Leistungseinheiten LE3 und LE4 aus der Energiequelle E2 versorgt
werden. Diese feste Verbindung mit den Energiequellen wird bei den
Steuereinheiten nicht vorgenommen. Dort wird die Energie über das
Zentralmodul Z geschaltet. Dieses enthält für jedes mit Energie zu versorgende
Element ein Schaltelement und ist selbst mit beiden Energiequellen
E1 und E2 verbunden. Das Zentralmodul schaltet die Energie für jede Steuereinheit
individuell ein und aus und/oder weist die Möglichkeit auf, die Energiequelle
für jede
Steuereinheit von der einen Energiequelle zur anderen umzuschalten.
Dies wird in einem in dem Zentralmodul Z enthaltenen Rechnereinheit koordiniert.
Durch die Umschaltmöglichkeit
ist die Energieversorgung der Steuereinheiten redundant ausgelegt.
Wird erkannt, daß beispielsweise
die Energiequelle E1 ausgefallen ist, so führt das Rechnerelement im Zentralmodul
Z Umschaltvorgänge
durch, welche die bisher aus der Energiequelle E1 versorgten Steuerelemente
zur Energiequelle E2 schalten.
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Die
Energieversorgung der Steuereinheiten erfolgt dabei über Energieleitungen 34 bis 40,
die vom Zentralmodul Z zu der jeweiligen Steuereinheit RM1 bis RM4
führen.
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Die
Haltebremsen HB1 bis HB4 werden über die
Energieleitungen 18 bis 32 redundant mit Energie aus
den Steuereinheiten versorgt, da sie einen geringeren Strom benötigen.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die
Rechnereinheit des Zentralmoduls Z nicht nur im Fehlerfall Energiequellen
umschaltet, sondern die Energieversorgung für jede Steuereinheit individuell
ein- und ausschaltet. Dadurch ist es ermöglicht, spezielle Ein- und/oder
Ausschaltstrategien der einzelnen Steuereinheiten bzw. des Gesamtsystems
zu realisieren. So wird in einem Ausführungsbeispiel beispielsweise eine
zeitsynchrone, kontrollierte Zuschaltung der Steuereinheiten bei
Einschalten des Gesamtsystems durch die zentrale Einheit Z realisiert,
in dem beispielsweise alle Steuereinheiten gleichzeitig mit dem vorgesehenen
Bordnetz zugeschaltet werden. Entsprechendes gilt beim Ausschalten.
Hier wird vorzugsweise die Abschaltung der Energie für die Steuereinheiten
verzögert,
bis diese wesentliche Arbeitsschritte beendet und/oder wesentliche
Daten gesichert haben (Nachlauf). Ein Abschalten einzelnen Steuereinheit
im Fehlerfall wird ebenfalls von dem Zentralmodul Z vorgenommen.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
ist in 2 dargestellt. Dabei werden die bereits in 1 beschriebenen
Elemente und Leitungen mit den gleichen Bezeichnungen dargestellt.
Sie erfüllen
auch die dort dargestellte Funktion. Die Leistungseinheiten LE1
bis LE4 und die Haltebremsen HB1 bis HB4 sind entsprechend der Ausführung von 1 mit
Energie versorgt. Wesentlicher Unterschied zum Ausführungsbeispiel
der 1 ist, daß mindestens
zwei Energiequellen E1 und E2 direkt mit jeder Steuereinheit RM1
bis RM4 verbunden sind. In jeder Steuereinheit sind Schaltelemente
vorgesehen, die zur Energieversorgung die im Normalfall vorgesehene
Energiequelle einschalten bzw. im Fehler auf eine andere Energiequelle
umschalten. Die Funktionsweise dieser Schaltelemente entspricht
für jede
Steuereinheit der in 1 im zentralen Modul Z implementierten
Mittel. Um die Steuereinheiten RM1 bis RM4 aus dem stromlosen Zustand
einzuschalten, ist eine Information notwendig, welche den Einschaltvorgang
in jeder Steuereinheit auslöst.
Dieses Signal (Wecksignal) wird über
die Leitungen 34 bis 40 von dem Zentralmodul bei
Einschalten des Systems bereitgestellt. Über diese Leitungen wird in
einem Ausführungsbeispiel die
Energieversorgung der Steuereinheiten RM1 bis RM4 solange sichergestellt,
bis die fest verbundenen Energiequellen die Energieversorgung der
Steuereinheiten übernehmen.
Bei Einschalten des Gesamtsystems schaltet somit das Zentralmodul
Z nach einer entsprechenden Einschaltstrategie über die Leitungen 34 bis 40 die
Steuereinheiten RM1 bis RM4 zu. Diese werden durch die Zuschaltung über die
beabsichtigte Inbetriebnahme des Gesamtsystems informiert und wählen dann
nach der in ihnen implementierten Strategie eine der Energiequellen
E1 oder E2 aus. Durch entsprechende Schaltung wird dann die Energieversorgung
der Steuereinheiten durch die ausgewählte Energiequelle vorgenommen,
während die über die
Leitungen 34 bis 40 zugeführte Energie vorzugsweise durch
das Zentralmodul Z abgeschaltet wird. Im Fehlerfall der eine Steuereinheit
versorgenden Energiequelle erfolgt bei Erkennen der Fehlfunktion
ein Umschalten von dieser Energiequelle auf die andere. Dabei arbeitet
jede Steuereinheit individuell für
sich ohne Berücksichtigung
der Vorgänge
in anderen Steuereinheiten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, daß,
wenn eine Steuereinheit eine Fehlfunktion einer Energiequelle erkennt,
diese Information über
das Kommunikationssystem K1 den anderen Steuereinheiten zur Verfügung gestellt
wird, die dann Maßnahmen
zur Überprüfung einleiten
und/oder eine Umschaltung vornehmen.