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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Starters eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, eine Überwachungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Starter mit einer solchen Überwachungsvorrichtung. Die Erfindung liegt somit insbesondere auf dem technischen Gebiet von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Nutzfahrzeugen, sowie vornehmlich auf dem Gebiet von Startern für Verbrennungsmotoren von Nutzfahrzeugen.
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Stand der Technik
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Da herkömmlicherweise ein Verbrennungsmotor nicht von selbst, d.h. ohne Unterstützung starten kann, weisen Kraftfahrzeuge einen elektrischen Starter (Anlasser) auf, welcher dazu dient, den Verbrennungsmotor in Bewegung zu versetzen, um den Verbrennungsmotor zu starten. Im Gegensatz zu vielen Personenkraftwagen weisen Nutzfahrzeuge, wie etwa Lastkraftwagen, üblicherweise keine Batterieüberwachung beispielsweise durch einen sog. Batteriesensor auf, welcher über den Zustand der Batterie in dem Nutzfahrzeug Auskunft gegeben könnte. Somit wird in Nutzfahrzeugen herkömmlicherweise keine Information über die Batteriespannung U0, den Hauptstrom Ibat, den Batterie-internen elektrischen Widerstand bzw. Innenwiderstand Rbat, den Betriebszustand (engl.: state of health, SOH) der Batterie, den Ladezustand (engl.: state of charge, SOC) der Batterie, sowie den Funktionszustand (engl.: state of function, SOF) bereitgestellt. Folglich stehen einer im Nutzfahrzeug ausgebildeten Recheneinheit (z.B. Motorsteuergerät, engl.: engine control unit, ECU) derartige Informationen nicht zur Verfügung und können dementsprechend nicht zur effizienten Steuerung des Motors bzw. des Starters und/oder zur Ausgabe etwaiger Warnhinweise an den Fahrer des Nutzfahrzeugs verwendet werden.
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Ein Starter weist einen Startermotor (Elektromotor) auf, mittels welchem ein Drehmoment auf den anzulassenden Verbrennungsmotor ausgeübt wird, um diesen zu starten. Während eines Anlassvorgangs, bei welchem der Starter einen Verbrennungsmotor startet oder zu starten versucht, sind zumeist hohe Ströme und/oder große elektrische Leistungen erforderlich, welche dem Starter zugeführt werden müssen. Dies führt oftmals zu großen Beanspruchungen eines Schaltkontakts, mittels welchem die Zufuhr des Stromflusses und/oder der elektrischen Leistung zum Starter gesteuert bzw. geschaltet wird. Insbesondere kann aufgrund der großen Ströme ein Verschleiß an dem Schaltkontakt auftreten, was die Funktion dessen beeinträchtigen oder gar unmöglich machen kann. Beispielsweise kann es zu einem Materialabtrag kommen, welcher die Standhaftigkeit des Schaltkontakts reduzieren kann.
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Zudem kann es aufgrund hoher Spannungen und hoher Stromflüsse in dem Schaltkontakt bei nicht vollständig geschlossenem Schaltkontakt, insbesondere während des Öffnens und/oder Schließens, zu einer Lichtbogenbildung kommen, bei welcher sich der Strom unter Bildung eines Plasmas einen Weg durch den Luftspalt des nicht gänzlich geschlossenen Schaltkontakts bahnt. In diesem Fall kann es aufgrund der durch die hohen Stromflüsse und/oder den Lichtbogen bedingten hohen Temperaturen in und/oder an dem Schaltkontakt zu einem Verschweißen des geschlossenen Schaltkontakts kommen, so dass der Schaltkontakt eine dauerhafte, unkontrollierte Stromzufuhr zum Startermotor ermöglicht, was meist zu Schäden im Starter führt..
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines Starters eines Verbrennungsmotors, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, eine Überwachungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Starter mit einer solchen Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Der Erfindung stellt einen Starter bereit, dessen Risiko eines überraschenden Ausfalls reduziert oder beseitigt ist. Die Erfindung bedient sich dazu des Ermitteins des Auftretens von Lichtbogenbildung im Schaltkontakt des Starters während des Aktivierens und/oder Deaktivierens des Startermotors mittels des Schaltkontakts und darauf basierend eines Restlebensdauerschätzwerts.
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Der Erfindung zugrunde liegende Starter weisen insbesondere einen Startermotor zum Antreiben des Verbrennungsmotors und einen einen elektromagnetischen Aktor (z.B. Spule mit beweglichem Anker) und einen von diesem betätigten Schaltkontakt aufweisenden Magnetschalter auf, wobei der Schaltkontakt einem Startermotor vorgeschaltet ist, um diesen mit einem Stromversorgungsanschluss (insbesondere Klemme 30) zu verbinden oder diesen von dem Stromversorgungsanschluss zu trennen. Weiterhin kann ein Steueranschluss (insbesondere Klemme 50) zum Bestromen des elektromagnetischen Aktors vorgesehen sein.
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Das Aktivieren des Startermotos bedeutet dabei insbesondere das Einschalten des Startermotors, d.h. das Beaufschlagen des Startermotors mit Strom, um den Startermotor anzutreiben. Entsprechend bedeutet das Deaktivieren des Startermotos insbesondere das Ausschalten des Startermotors, d.h. insbesondere das Trennen des Startermotors von der elektrischen Stromquelle und/oder Spannungsquelle.
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Als Lichtbogenbildung ist dabei insbesondere das Entstehen einer elektrisch leitenden Verbindung durch und/oder über den Schaltkontakt zu verstehen, obwohl der Schaltkontakt zumindest nicht gänzlich in geschlossenem Zustand ist. Der Lichtbogen bzw. die elektrisch leitende Verbindung kann dabei durch das Medium, welches den Schaltkontakt umgibt oder dieses durchdringt, entstehen, welches beispielsweise Luft sein kann. Beispielsweise kann eine Lichtbogenbildung im Rahmen eines Funkenschlags entstehen. Insbesondere kann eine Lichtbogenbildung eine Entstehung von Plasma umfassen und/oder zu sehr hohen Temperaturen führen, welche ausreichend sein können, um das Kontaktmaterial des Schaltkontakts zu schmelzen.
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Das Ermitteln des Auftretens von Lichtbogenbildung ist dabei vorzugsweise derart zu verstehen, dass Indizien ermittelt werden, welche auf das Auftreten von Lichtbogenbildung hindeuten. Insbesondere kann das Ermitteln des Auftretens von Lichtbogenbildung das Ermitteln einer Dissipation einer insbesondere hohen elektrischen Leistung und/oder Energie in dem Schaltkontakt und/oder nahe dem Schaltkontakt umfassen.
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Dass das Ermitteln des Auftretens von Lichtbogenbildung zumindest zeitweise während des Aktivierens und/oder Deaktivierens des Startermotors erfolgt, bedeutet dabei, dass das Ermitteln des Auftretens von Lichtbogenbildung nicht notwendigerweise permanent und/oder über einen gesamten Anlassvorgang erfolgt, sondern gemäß bevorzugter Ausführungsformen auch nur in einem oder mehreren Zeitabschnitten, beispielsweise zu Beginn und/oder am Ende des Anlassvorgangs, erfolgt.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das Ermitteln des Auftretens Lichtbogenbildung ein dadurch verursachter Verschleiß und/oder eine dadurch verursachte Beschädigung des Schaltkontakts und/oder des Starters ermittelt und/oder abgeschätzt werden können. Somit bietet die Erfindung den Vorteil, dass der Zustand des Schaltkontakts und/oder des Starters und/oder eine zu erwartende Lebensdauer bzw. Restlebensdauer des Schaltkontakts und/oder des Starters abgeschätzt werden können, bevor verschleißbedingt aufgrund einer oder mehrerer Lichtbogenbildungen mit einem Funktionsausfall des Schaltkontakts und/oder des Starters zu rechnen ist. Mit anderen Worten bietet die Erfindung den Vorteil, dass ein drohender Funktionsausfall des Starters und/oder des Schaltkontakts rechtzeitig erkannt bzw. vorhergesehen werden kann. Folglich ermöglicht die Erfindung, Nutzer des Fahrzeugs auf den fortgeschrittenen Verschleiß und/oder den drohenden Funktionsausfall des Starters hinzuweisen, sodass dieser gegebenenfalls Wartungsmaßnahmen einleiten kann, um einem überraschenden Ausfall des Starters vorzubeugen. Demnach bietet die Erfindung den Vorteil, dass vorzugsweise mit geringem Aufwand ein Liegenbleiben und/oder Ausfall des Fahrzeugs vermieden werden können.
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Vorzugsweise umfasst das Ermitteln der Lichtbogenbildung ein Ermitteln einer Zeitdauer der Lichtbogenbildung und/oder ein Ermitteln einer Energieumwandlung durch die Lichtbogenbildung. Dies bietet den Vorteil, dass die eine oder mehreren Lichtbogenbildungen auch quantitativ erfasst und/oder charakterisiert werden können und dementsprechend auch ein daher rührender Verschleiß des Schaltkontakts des Starters quantitativ erfasst und/oder charakterisiert werden kann. Folglich kann die verbleibende zu erwartende Funktionsdauer bzw. Lebensdauer des Starters mit großer Zuverlässigkeit und/oder Präzision bestimmt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Ermitteln der Energieumwandlung durch die Lichtbogenbildung ein Integrieren einer in dem Schaltkontakt dissipierten elektrischen Leistung über die Zeitdauer der Lichtbogenbildung. Dies bietet den Vorteil, dass der durch die Lichtbogenbildung verursachte Verschleiß besonders präzise quantifiziert werden kann und somit der Zustand bzw. die Restlebensdauer des Starters besonders zuverlässig bestimmt werden können.
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Vorzugsweise umfasst das Ermitteln der Lichtbogenbildung während des Aktivierens des Starters ein Ermitteln der Lichtbogenbildung beim Schließen des Schaltkontakts. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Ermitteln der Lichtbogenbildung während des Aktivierens des Startermotors vorzugsweise ein Ermitteln der Lichtbogenbildung bei einem Prellen des Schaltkontakts während des Schließens des Schaltkontakts. Insbesondere kann es beim Aktivieren des Startermotors und/oder beim Schließen des Schaltkontakts zu einem Zurückfedern bzw. Prellen eines Kontaktelements des Schaltkontakts kommen (engl.: contact bounce), sodass sich einmal oder mehrmals der zuvor hergestellte elektrische Kontakt des geschlossenen Schaltkontakts kurzzeitig wieder löst, um sich sodann wieder zu schließen. Während dieses Prellens kann insbesondere der räumliche Abstand von zwei Kontaktelementen des Schaltkontakts sehr gering sein, sodass während dieser Zeitabschnitte das Auftreten einer Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktelementen begünstigt werden kann. Somit kann es besonders vorteilhaft sein, das Ermitteln der Lichtbogenbildung während des Schließens des Schaltkontakts durchzuführen, da während des Schließens eine große Wahrscheinlichkeit für das Auftreten der Lichtbogenbildung besteht.
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Vorzugsweise umfasst das Ermitteln der Lichtbogenbildung während des Deaktivierens des Startermotors ein Ermitteln der Lichtbogenbildung beim Öffnen des Schaltkontakts. Da auch während des Deaktivierens des Startermotors, d.h. wenn der Schaltkontakt geöffnet wird, zumindest zeitweise ein sehr geringer Abstand zwischen den Kontaktelementen des Schaltkontakts vorliegt, kann auch während des Öffnens des Schaltkontakts das Auftreten der Lichtbogenbildung begünstigt werden. Somit kann es besonders vorteilhaft sein, alternativ oder zusätzlich zum Ermitteln der Lichtbogenbildung beim Schließen des Schaltkontakts auch das Ermitteln der Lichtbogenbildung beim Öffnen des Schaltkontakts durchzuführen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann auf ein Ermitteln der Lichtbogenbildung während eines unverändert geöffneten oder geschlossenen Schaltkontakts verzichtet werden, da gemäß bevorzugten Ausführungsformen in diesen Fällen bzw. in diesen Zeitspannen keine oder nur eine sehr geringe Gefahr des Auftretens einer Lichtbogenbildung besteht.
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Vorzugsweise erfolgt das Ermitteln der Lichtbogenbildung auf Basis eines Ermitteins einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Potenzials und/oder eines Stromflusses an einem bzw. durch einen Stromversorgungsanschluss des Starters zur Verbindung des Starters mit einem Bordspannungsnetz. Bei diesem Stromversorgungsanschluss kann es sich insbesondere um den sog. Klemme-30-Anschluss des Starters handeln. Dies ermöglicht auf besonders zuverlässige Weise das Vorliegen und/oder eine Änderung der elektrischen Spannung und/oder das Fließen und/oder eine Änderung eines Stroms festzustellen und mit dem Zustand bzw. Sollzustand abzugleichen. So kann beispielsweise das Feststellen des Vorliegens einer elektrischen Spannung und/oder des Fließens eines Stroms zu einem Zeitpunkt, zu welchem der Schaltkontakt geöffnet sein sollte oder geöffnet ist, das Vorliegen einer Lichtbogenbildung indizieren. Ferner bietet dies den Vorteil, dass das Ermitteln einer elektrischen Spannung und/oder eines Stromflusses an einer geeigneten Stelle in dem Bordspannungsnetz besonders einfach integriert werden kann und somit das Ermitteln der Lichtbogenbildung in und/oder an dem Schaltkontakt besonders kostengünstig und/oder mit besonders geringem Aufwand erfolgen kann.
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Vorzugsweise erfolgt das Ermitteln der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Potenzials und/oder des Stromflusses an einer dem Startermotor abgewandten Seite des Schaltkontakts. Alternativ oder zusätzlich kann das Ermitteln der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Potenzials und/oder des Stromflusses auch an einer dem Startermotor zugewandten Seite des Schaltkontakts erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt das Ermitteln der elektrischen Spannung und/oder des elektrischen Potenzials und/oder des Stromflusses an einer Stelle in dem Starter bzw. derart, dass anhand dessen der Stromfluss durch den Schaltkontakt zum Startermotor ermittelt werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass der Stromfluss durch den Startermotor und/oder durch den Schaltkontakt auf nahezu direkte Weise ermittelt werden kann.
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Vorzugsweise weist die Überwachungsvorrichtung zwei Anschlüsse auf, mit denen sie parallel zu dem Schaltkontakt geschaltet ist. Mit anderen Worten ist die Überwachungsvorrichtung vorzugsweise derart eingerichtet, dass eine elektrische Spannung und/oder ein Stromfluss zu beiden Seiten des Schaltkontakts ermittelt werden können. Dies bietet den Vorteil, dass eine an dem Schaltkontakt abfallende Spannung und/oder ein durch den Schaltkontakt fließender Strom und/oder eine in dem Schaltkontakt dissipierte elektrische Leistung besonders zuverlässig ermittelt werden können. Vorzugsweise ist demnach die Überwachungsvorrichtung dazu eingerichtet, zumindest zeitweise eine elektrische Spannung und/oder ein elektrisches Potenzial an einer ersten Stelle und/oder einen Stromfluss durch die erste Stelle zu ermitteln und/oder um zumindest zeitweise eine elektrische Spannung und/oder ein elektrisches Potenzial an einer zweiten Stelle und/oder einen Stromfluss durch die zweite Stelle zu ermitteln. Vorzugsweise befinden sich die erste Stelle auf der Eingangsseite des Schaltkontakts und die zweite Stelle auf der Ausgangsseite, bezogen auf die Versorgungsspannung.
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Vorzugsweise ist die Überwachungsvorrichtung in den Starter integrierbar und/oder an dem Starter anordenbar. Dabei kann die Überwachungsvorrichtung beispielsweise in einem bestehenden Starter nachgerüstet werden, sodass die erfindungsgemäßen Vorteile auch mit bereits bestehenden herkömmlichen Startern nutzbar gemacht werden können.
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Vorzugsweise weist die Überwachungsvorrichtung eine Steuerelektronik auf, wie etwa eine integrierte Schaltung und/oder einen Mikrocontroller (IC oder ASIC), und/oder ist als solches ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass die Überwachungsvorrichtung auf besonders einfache Weise in den Schaltkontakt und/oder in den Starter integriert werden kann. Vorzugsweise bietet dies ferner Vorteil, dass die Überwachungsvorrichtung auf besonders kostengünstige und/oder kompakte Weise bereitgestellt werden kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Bordspannungsnetz eines Nutzfahrzeuges gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 bis 4 zeigen Diagramme, welche ein Verfahren zum Betreiben bzw. Überwachen eines Starters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform erläutern.
- 5 erläutert ein Verfahren zum Betreiben eines Starters gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
- 6 erläutert ein Verfahren zum Betreiben eines Starters gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Bordspannungsnetz 10 eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Das Bordspannungsnetz 10 weist dabei insbesondere einen Starter 12 auf, welcher insbesondere eine eine Steuerelektronik 14 und einen Schalter 24 aufweisende Überwachungsvorrichtung, einen einen elektromagnetischen Aktor (z.B. Spule mit beweglichem Anker) 16 und einen Schaltkontakt bzw. Schalter 20 aufweisenden Magnetschalter und einen Startermotor 18 aufweist. Ein Stromversorgungsanschluss T45 (Klemme 45) des Startermotors 18 ist dabei über den Schalter 20 mit einem Stromversorgungsanschluss T30 (Klemme 30) des Starters 12 verbindbar, der wiederum mit einer Spannungsquelle 22 elektrisch verbunden ist. Der Startermotor 18 wird von der elektrischen Spannungsquelle 22 mit elektrischer Energie versorgt, wenn der Schalter 20 geschlossen ist, und ist von der Spannungsquelle 22 getrennt, wenn der Schalter 20 geöffnet ist. Die Spannungsquelle 22 umfasst vorzugsweise eine Batterie und/oder einen Generator oder ist als solche(r) ausgebildet. Der Schalter 20 ist durch den elektromagnetischen Aktor 16 steuerbar bzw. schaltbar, wobei gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der elektromagnetische Aktor 16 wiederum über den Schalter 24 der Überwachungsvorrichtung gesteuert werden kann, um bei Erkennen des Vorliegens einer Überlastung des Starters den Startermotor 18 von der Spannungsquelle 22 zu trennen und dadurch den Starter bzw. Startermotor 18 abzuschalten. Ein interner Steueranschluss des Starters für den elektromagnetischen Aktor ist mit T50i (Klemme 50i) bezeichnet, ein (externer) Steueranschluss, welcher hier mit der elektronischen Messvorrichtung 14 verbunden ist, mit T50 (Klemme 50). Der Starter 12 ist dabei dazu eingerichtet, den Verbrennungsmotor 19 des Fahrzeugs anzulassen bzw. zu starten, wenn am Steueranschluss T50 ein passendes Signal anliegt, z.B. Bordspannung.
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Der elektromagnetische Aktor 16 hat die Funktionen, bei Ansteuerung den elektrischen Kontakt zwischen der Spannungsquelle 22 und dem Startermotor mittels des Schalters 20 herzustellen und ein Ritzel des Starters mit einem Zahnkranz des anzutreibenden Verbrennungsmotors 19 zu koppeln. Sofern der Startermotor mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist und von der Spannungsquelle angetrieben wird, übt der Startermotor ein Drehmoment auf den Zahnkranz des Verbrennungsmotors 19 aus, um diesen in Bewegung zu versetzen und dadurch zu starten.
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Darüber hinaus weist das Bordspannungsnetz 10 eine Recheneinheit 26 (z.B. sog. Motorsteuergerät, ECU) auf, welche in Kommunikationsverbindung (gestrichelte Linie) mit der Überwachungsvorrichtung steht. Auch weist das Bordspannungsnetz 10 einen Sicherungskasten 28 auf, in welchem sich beispielsweise Schmelzsicherungen befinden, um im Falle eines überhöhten Stromflusses im Bordspannungsnetz 10 diesen zu unterbinden und das Bordspannungsnetz 10 und dessen elektrische Verbraucher vor Beschädigungen zu schützen. Die im Bordspannungsnetz 10 weiter befindlichen elektrischen Verbraucher sind schematisch durch das Element 30 dargestellt, zu welchen beispielsweise ein Klimakompressor, ein Navigationssystem und/oder ein Heizungssystem zählen können.
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Die elektrische Spannung, welche dem Starter 12 und im Allgemeinen dem Bordspannungsnetz 10 zur Verfügung steht, wird durch ein elektrisches Potenzial der Spannungsquelle 22 einerseits und durch Massepotenzial 32 andererseits bereitgestellt.
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In dem Starter 12 werden alle Komponenten durch die Spannungsquelle 22 mit elektrischer Spannung versorgt, d.h. dass insbesondere die Steuerelektronik 14 der Überwachungsvorrichtung und auch der elektromagnetische Aktor 16 des Magnetschalters mit elektrischer Spannung von der Spannungsquelle 22 versorgt werden können.
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Die Überwachungsvorrichtung gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist dazu eingerichtet, an den Punkten T30 und T45 eine elektrische Spannung U30 bzw. U45 und/oder einen Stromfluss 130 bzw. 145 zu ermitteln bzw. zu messen, um den Betrieb des Starters 12 auf Basis der ermittelten Spannungen und/oder Stromflüsse zu überwachen und insbesondere um eine Lichtbogenbildung im Schalter 20 zu erkennen.
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Die Überwachungsvorrichtung steht insbesondere in Kommunikation mit der Recheneinheit 26, welche optional am Erkennen einer Lichtbogenbildung mitwirken kann. Beispielsweise kann die Überwachungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Signal auf Basis der ermittelten Spannung und/oder des ermittelten Stroms an die Recheneinheit zu übermitteln. Die Recheneinheit kann dazu eingerichtet sein, auf Basis einer Auswertung und/oder eines von der Überwachungsvorrichtung bereitgestellten Signals ggf. das Vorliegen einer Lichtbogenbildung im Starter zu erkennen. Mit anderen Worten kann eine Auswertung der ermittelten elektrischen Spannungen U30 und/oder U45 bzw. der Stromflüsse I30 und/oder I45 bereits in der Überwachungsvorrichtung 14 erfolgen und/oder anhand eines von der Überwachungsvorrichtung 14 der Recheneinheit 26 bereitgestellten Signals in der Recheneinheit 26 erfolgen.
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Gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform ersetzt die Überwachungsvorrichtung ferner ein üblicherweise ausgebildetes elektromechanisches Vorrelais, welches typischerweise, d.h. bei Abwesenheit der Überwachungsvorrichtung, den Magnetschalter steuert.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf die 2 bis 4 ein Verfahren zum Betreiben bzw. Überwachen eines Starters 12 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform erläutert.
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Insbesondere ist das Verfahren gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft, da beim Öffnen des Schalters 20 ein Stromfluss auch durch den nicht vollständig geschlossenen bzw. teilweise geöffneten mechanischen Kontakt eine Lichtbogenbildung verursachen kann. Die Lichtbogenbildung kann dabei relevant für den auftretenden Verschleiß des Kontakts sein, da insbesondere über eine längere Nutzungsdauer des Fahrzeugs eine wiederholte Lichtbogenbildung über viele Anlassvorgänge hinweg zu erwarten ist. Insbesondere kann eine Umwandlung von elektrischer Leistung in Wärme bei der Lichtbogenbildung den Schalter 20, insbesondere die mechanische Kontaktstelle, derart aufheizen, dass eine Schmelztemperatur der mechanischen Kontaktstelle bzw. des Kontaktmaterials erreicht wird und somit starker Materialabtrag und/oder ein Zusammenschweißen des Schalters 20 und/oder der mechanischen Kontaktstelle erfolgt, sodass der Startermotor 18 in unkontrollierbarer Weise mit der Spannungsquelle 22 verbunden ist und erst im Falle einer Überlastung des Startermotors 18 durch das Auslösen einer Überlastungsschutzvorrichtung von Spannungsquelle 22 getrennt wird. Dies kann jedoch durch die Anwendung der im Folgenden beschriebenen Verfahren gemäß den bevorzugten Ausführungsformen verhindert werden.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird in einem ersten Schritt die Lichtbogenbildung zu Beginn des Anlassvorgangs, was als Zeitabschnitt A bezeichnet werden soll, und in einem zweiten Schritt am Ende des Anlassvorgangs beim Öffnen des Schaltkontakts bzw. Deaktivieren des Startermotors, was als Zeitabschnitt B bezeichnet werden soll, ermittelt.
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Der Zeitabschnitt A zu Beginn des Anlassvorgangs kann insbesondere mit einer Vorrotationsphase des Anlassvorgangs zeitlich überlappen, wobei die Vorrotationsphase eine Zeitspanne ist, in welcher der Startermotor 18 auf das Antreiben bzw. Anlassen des Verbrennungsmotors 19 vorbereitet wird. Beispielsweise kann die Vorrotationsphase einen Zeitraum umfassen oder sich auf einen Zeitraum beschränken, in dem der Startermotor 18 noch nicht mechanisch mit den Verbrennungsmotor 19 gekoppelt ist. Davon abweichend kann eine Antriebsphase bestehen, welche einen Zeitraum umfasst und/oder sich auf einen Zeitraum beschränkt, in welchem der Startermotor 18 mechanisch mit dem Verbrennungsmotor 19 gekoppelt ist, um den Verbrennungsmotor 19 mechanisch antreiben zu können.
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In dem Zeitabschnitt A kann es insbesondere während eines Prellens des schließenden Schaltkontakts bzw. Schalters 20 zum Auftreten eines geringen Luftspalts zwischen zwei Kontaktelementen kommen, sodass für kurze Zeitspannen der Schalter 20 nicht vollständig geschlossen ist und durch den Luftspalt des nicht vollständig geschlossenen Schalters 20 während des Prellens unter Bildung eines Lichtbogens ein Strom fließen kann. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird diese Form der Lichtbogenbildung durch ein Ermitteln der elektrischen Spannungen U30 und U45 an den Punkten T30 bzw. T45 im Bordspannungsnetz 10 ermittelt. Im Falle eines vollständig geschlossenen Kontakts bzw. Schalters 20 brechen sowohl die Spannung U30 als auch die Spannung U45 um einen im Wesentlichen gleichen Wert bzw. Betrag ein, sodass der zu erwartende Spannungseinbruch in den Punkten T30 und T45 im Wesentlichen gleich groß ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei vollständig geschlossenem Schalter 20 kein wesentlicher Potenzialunterscheid zwischen den Punkten T30 und T45 vorliegt.
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Dies liegt daran, dass ein vollständig geschlossener Schalter
20 einen sehr geringen elektrischen Widerstand R
Kontakt aufweist, welcher mit einer Spannungsdifferenz ΔU
Kontakt zwischen den Punkten
T30 und
T45 in folgender Beziehung steht, wobei I
Kontakt den durch den Schalter
20 fließenden Strom bezeichnet:
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Sofern diese Spannungsdifferenz ΔU
Kontakt einen vorbestimmten Schwellwert ΔU
Kontakt,Limit erreicht und/oder übersteigt, kann dies ein Indiz für eine Lichtbogenbildung darstellen. In einer mathematischen Formel ausgedrückt lässt sich daher gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform die Lichtbogenbildung bei Vorliegen der folgenden Beziehung annehmen bzw. feststellen:
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Der vorbestimmte Schwellwert ΔUKontakt,Limit für die Spannungsdifferenz zwischen den Punkten T30 und T45 kann beispielsweise durch entsprechende Messungen während eines Motortests des Verbrennungsmotors 19, welcher einen derartigen Starter 12 aufweist, ermittelt werden und vorzugsweise auch für andere in gleicher Serie produzierte Verbrennungsmotoren 19 herangezogen werden. Der Schwellwert ΔUKontakt,Limit kann dabei als ein konstanter, d.h. zeitlich unveränderlicher, Wert vorliegen und/oder beispielsweise über die Betriebsdauer des Starters und/oder des Verbrennungsmotors 19 angepasst werden, um eine etwaige Änderung des Kontaktwiderstands RKontakt über die Lebensdauer des Starters 12 und/oder des Verbrennungsmotors 19 zu berücksichtigen bzw. miteinzubeziehen.
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Die Dauer und/oder das Ausmaß der Lichtbogenbildung während des Zeitabschnitts A können beispielsweise durch Akkumulieren der Zeitdauern und/oder des Ausmaßes von während des ggf. mehrmaligen Zurückfederns des Kontakts auftretenden Lichtbogenbildungen während des Beginns des Anlassvorgangs erfolgen.
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2 zeigt beispielhaft in einem Diagramm 2000, bei welchem auf der horizontalen Achse 2002 die Zeit in Sekunden und auf der vertikalen Achse die elektrische Spannung in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind, den zeitlichen Verlauf der Spannung U30 (Graph 2010), der Spannung U45 (Graph 2012) und dazu im Vergleich die am Punkt T50 (siehe 1) anliegende Spannung U50 (Graph 2014). Insbesondere zu Beginn des Anlassvorgangs, d.h. in Zeitabschnitt A 2020, welcher sich in etwa vom Zeitpunkt 0,0 bis ca. 0,1 s erstreckt, können dabei das Zurückfedern des Kontakts und die dabei auftretende Lichtbogenbildungen durch die starken Ausschläge der elektrischen Spannungen beobachtet werden.
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3 zeigt in Diagramm 3000 eine vergrößerte Ansicht des Zeitabschnitts von ca. 50 ms bis ca. 70 ms aus dem Diagramm 2000 aus 2. Dabei sind das Zurückfedern des Kontakts bzw. die dabei auftretende Lichtbogenbildung 3010 klar zu erkennen, da sich dabei zu einem Zeitpunkt bei etwa 61 ms die elektrische Spannung U30 (Graph 2010) in etwa gegenläufig zur Spannung U45 (Graph 2012) entwickelt und somit eine ausgeprägte Spannungsdifferenz ΔUKontakt ausbildet. Somit kann daran auf Basis einer geeigneten Wahl des Schwellwertes ΔUKontakt,Limit, welcher beim Zurückfedern des Kontakts bzw. bei der Lichtbogenbildung von der Spannungsdifferenz ΔUKontakt überschritten wird, Lichtbogenbildung erkannt bzw. ermittelt werden.
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Am Ende des Anlassvorgangs, wenn der Schalter 20 geschlossen wird, beispielsweise durch ein Deaktivieren des elektromagnetischen Aktors 16, kann es erneut zu einer Lichtbogenbildung kommen.
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Wie in 4 zu sehen ist, fällt beim Öffnen des Schalters 20 bzw. des Kontakts zum Zeitpunkt 3020, welcher bei ungefähr 6,07 s liegt, die elektrische Spannung U50 (Graph 2014) am Punkt T50 rasch ab. Erwartungsgemäß erhöht sich nach dem Öffnen des Kontakts die Spannung U30 (Graph 2010) und die Spannung U45 (Graph 2012) fällt ab, da der Anlassvorgang beendet ist. Jedoch führt dies zunächst zu einer Lichtbogenbildung 3030, wie insbesondere an dem langsameren Abfall der Spannung U45 (Graph 2012) und einer zeitgleich auftretenden Schulter im zeitlichen Verlauf des Stroms I30 (Graph 4010) zu erkennen ist, wobei letzterer in willkürlichen Einheiten auf der Achse 2006 aufgetragen ist. Auch diese Lichtbogenbildung 3030 kann zu signifikantem Materialabtrag im Kontaktbereich im Schalter 20 aufgrund eines Schmelzens des Kontaktmaterials führen. Die bei den Lichtbogenbildungen übertragene bzw. umgewandelte elektrische Energie bzw. Leistung kann dabei herangezogen werden, um ein Maß für den Verschleiß bzw. die Degradation des Kontaktbereichs des Schalters 20 zu ermitteln, sowohl für jeden einzelnen Anlassvorgang als auch über mehrere und/oder vorzugsweise sämtliche Anlassvorgänge.
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Die Zeitdauer und/oder das Ausmaß der Lichtbogenbildung können auf Basis eines ermittelten Startzeitpunkts t
start und Endzeitpunkts t
end charakterisiert werden, wobei der Startzeitpunkt t
start und der Endzeitpunkt t
end wiederum anhand der oben erläuterten Spannungsdifferenz ΔU
Kontakt und deren Verhältnis zum Schwellwert ΔU
Kontakt,Limit ermittelt werden. So kann beispielsweise der Startzeitpunk t
start dann vorliegen, wenn die Spannungsdifferenz den Schwellwert erreicht und/oder überschreitet, und der Endzeitpunkt t
end dann erreicht sein, wenn die Spannungsdifferenz wieder unter den Schwellwert fällt. Alternativ oder zusätzlich kann die Ermittlung des Startzeitpunkts t
start auch anhand des zeitlichen Verlaufs des Stroms
130 (Graph
4010) erfolgen. Insbesondere kann auch der Endzeitpunkt t
end derart festgesetzt bzw. ermittelt werden, wenn der Stromfluss
I30 (Graph
4010) unter einen entsprechenden Schwellwert I30
Limit fällt, welcher beispielsweise als 0A oder nahezu 0A festgesetzt werden kann. Der Endzeitpunkt t
end kann somit insbesondere dann erreicht sein, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
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Wie in 4 zu erkennen ist, führt beim Öffnen des Kontakts die Lichtbogenbildung zunächst zu einer Reduktion des Stroms I30 (Graph 4010) auf etwa 20 A, bevor unter Bildung eines Lichtbogens der Strom 130 (Graph 4010) in etwa linear auf den Endwert sinkt. Die dabei am Kontakt dissipierte elektrische Leistung kann zu einer starken Erhitzung des Kontakts führen, wodurch das Kontaktmaterial schmelzen kann und zu einer Beschädigung des Kontakts führen kann.
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Anhand 5 wird ein weiteres Verfahren zum Betreiben des Starters 12 erläutert, mittels welchem eine zu erwartende Lebensdauer des Starters 12 bzw. des Schalters 20 auf Basis der bisher akkumulierten Lichtbogenbildungsdauer ermittelt werden kann.
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5 zeigt ein Diagramm 5000, bei welchem auf der horizontalen Achse 5002 die Anzahl der bereits durchgeführten Anlassvorgänge aufgetragen ist und auf der vertikalen Achse 5004 die gesamte dabei akkumulierte Lichtbogenbildungsdauer.
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Diesem Verfahren kann beispielsweise eine Ermittlung der Lichtbogenbildungsdauer bei jedem Anlassvorgang gemäß dem mit Bezug auf die 2 bis 4 erläuterten Verfahren zugrunde gelegt werden. Dabei wird bei jedem Anlassvorgang die dabei ermittelte Lichtbogenbildungsdauer zur zuvor akkumulierten Lichtbogenbildungsdauer hinzugerechnet und die somit aktualisierte gesamte Lichtbogenbildungsdauer als jeweiliger Messwert 5010 in dem Diagramm 5000 dargestellt. Zur Ermittlung der zu erwartenden Lebensdauer 5020 werden sodann die ermittelten akkumulierten Lichtbogenbildungsdauern 5010 der bisherigen Anlassvorgänge genähert und extrapoliert, sodass anhand der Extrapolation 5040 das Erreichen der vorbestimmten maximalen Lichtbogenbildungsdauer 5030 und damit einhergehend die maximal zu erwartenden Lebensdauer 5020 abgeschätzt werden können. Die maximal zu erwartende Lebensdauer 5020 ist somit dann erreicht, wenn die gesamte akkumulierte Lichtbogenbildungsdauer eine vorbestimmte Lichtbogenbildungsdauer 5030 erreicht und/oder überschreitet. Die Lebensdauer und/oder maximale Lebensdauer muss nicht notwendigerweise als Zeitspanne ermittelt werden, sondern kann auch als Anzahl verbleibender Anlassvorgänge ermittelt werden.
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Beispielsweise kann darauf basierend bestimmt werden, wie viele Anlassvorgänge vor dem erwarteten Erreichen der maximalen Lebensdauer 5020 noch durchgeführt werden können. Ferner kann auf Basis der noch verbleibenden Anlassvorgänge und der Regelmäßigkeit bzw. Häufigkeit der bisherigen Anlassvorgänge auf eine zu erwartenden Zeitdauer geschlossen werden, welche bis zum Erreichen der maximalen Lebensdauer 5020 noch verbleibt. Beides ermöglicht es, dem Fahrer rechtzeitig einen Hinweis und/oder eine Warnmeldung zukommen zu lassen, wonach das Fahrzeug einer Inspektion unterzogen werden sollte, um ein Liegenbleiben des Fahrzeuges aufgrund eines Schadens am Starter 12 zu vermeiden.
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Die Extrapolation 5040 der bisweilen ermittelten akkumulierten Zeitdauer 5010 kann mit einer am besten geeigneten Funktion erfolgen, durch welche die bisherigen Werte mit der geringsten Abweichung genähert werden können. Beispielsweise kann eine lineare und/oder quadratische und/oder kubische Funktion geeignet sein, um den Verlauf der bisherigen Werte 5010 der akkumulierten Zeitdauer von Lichtbogenbildungen zu nähern und/oder zu extrapolieren. Für die Extrapolation werden vorzugsweise zumindest zwei der ermittelten Werte 5010 der akkumulierten Lichtbogenbildungsdauer herangezogen bzw. berücksichtigt.
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Für einen bestimmten Schalter 20 umfassend ein bestimmtes Kontaktmaterial und eine bestimmte Kontaktöffnungs- und Kontaktschließungsdynamik und einen anwendungsspezifischen Energietransfer über den Kontakt, insbesondere mittels Lichtbogenbildung, kann beispielsweise die maximale Lichtbogenbildungsdauer 5020 anhand einer Simulation und/oder Berechnung und/oder auch empirisch ermittelt und vorherbestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können in diese Ermittlung und/oder Bestimmung der maximalen Lichtbogenbildungsdauer 5020 Tests von Komponenten, wie etwa des Starters 12, oder des gesamten Verbrennungsmotors 19 mitsamt dem Starter 12, einfließen.
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Ferner kann eine Vorstufe 5050 der maximalen Lebensdauer vorbestimmt werden, bei Erreichen derer der Warnhinweis an den Fahrer ausgegeben werden soll. Beispielsweise kann bei jedem Anlassvorgang die bisherige Lebensdauer bzw. Anzahl von bereits durchgeführten Anlassvorgängen mit dieser Vorstufe 5050 verglichen werden und bei Erreichen oder Überschreiten dieser Vorstufe 5050 eine Ausgabe des Warnhinweises veranlasst werden.
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Anhand 6 wird im Folgenden eine weitere bevorzugte Ausführungsform zum Betreiben eines Starters 12 erläutert, welche in vielen Aspekten der mit Bezug auf 5 erläuterten Ausführungsform entspricht, wobei in Abweichung davon gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform zur Ermittlung der zu erwartenden Lebensdauer nicht die bisher akkumulierte Lichtbogenbildungsdauer, sondern die bisher akkumulierte dissipierte elektrische Leistung durch die Lichtbogenbildung zugrunde gelegt wird.
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Entsprechend sind in Diagramm 6000 auf der horizontalen Achse 6002 die Anzahl der bereits durchgeführten Anlassvorgänge und auf der vertikalen Achse 6004 die dabei akkumulierte dissipierte elektrische Energie durch Lichtbogenbildung aufgetragen. Die bei den einzelnen Anlassvorgängen ermittelten akkumulierten Werte 6010 der gesamten akkumulierten dissipierten elektrischen Energie durch Lichtbogenbildung werden entsprechend der vorherigen Ausführungsform genähert und extrapoliert, sodass die Extrapolation 6040 mit einer vorbestimmten Vorstufe 6050 der maximalen Lebensdauer 6020 und der Maximaldissipation 6030 verglichen werden kann. Bei Erreichen der Maximaldissipation 6030 ist folglich die maximale Lebensdauer 6020 erreicht und ein Ausfall des Starters 12 aufgrund von lichtbogenbildungsbedingtem Verschleiß zu erwarten.
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Die bei einem Anlassvorgang dissipierte elektrische Energie E kann mittels Integration des Produkts aus Spannungsdifferenz ΔU
Kontakt mit dem Strom
I30 über die Lichtbogenbildungsdauern erhalten werden:
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Die Zeitpunkte tstart und tend entsprechen dabei den jeweiligen Zeitpunkten, zu welchem die Lichtbogenbildung beginnt bzw. endet. Sofern ein Anlassvorgang mehrere zeitlich voneinander getrennte Lichtbogenbildungen aufweist, können die einzelnen dabei dissipierten Energiemengen addiert werden.
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Die Maximaldissipation 6030, d.h. die maximale dissipierbare Energie, bei deren Erreichen von einem Ausfall des Starters 18 auszugehen ist oder die aus anderen Gründen als Schwellwert festgelegt ist, kann anhand einer Simulation und/oder Berechnung und/oder auch empirisch ermittelt und vorherbestimmt werden und kann beispielsweise von dem Kontaktmaterial und/oder den Kontaktöffnungs- und Kontaktschließungsdynamiken des Schalters 20 abhängen.
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Der sich aus dem zuletzt ermittelten Wert 6010 der akkumulierten dissipierten elektrischen Energie durch Lichtbogenbildung und/oder aus der Extrapolation 6040 ergebende Zeitpunkt 6020 entspricht dabei dem Ende der maximalen Lebensdauer. Sofern die verbleibende Restlebensdauer kürzer ist, als der Zeitpunkt, der sich aus der Vorstufe 6050 ergibt, könnte es vorteilhaft sein, einen Warnhinweis hinsichtlich des Bedarfs einer Wartung auszugeben.