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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz und einen Spannungswandler, insbesondere einen Gleichspannungswandler, der in einem solchen Bordnetz zur Anwendung kommt. Das Bordnetz ist dafür eingerichtet, in einem Kraftfahrzeug eingesetzt zu werden.
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Stand der Technik
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Unter einem Bordnetz ist insbesondere im automotiven Einsatz die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug zu verstehen. Somit sind davon sowohl elektrische Verbraucher als auch Versorgungsquellen, wie bspw. Generatoren oder elektrische Speicher, wie bspw. Batterien, umfasst. Im Kraftfahrzeug ist darauf zu achten, dass elektrische Energie so verfügbar ist, dass das Kraftfahrzeug jederzeit gestartet werden kann und während des Betriebs eine ausreichende Stromversorgung gegeben ist. Aber auch im abgestellten Zustand sollen elektrische Verbraucher noch für einen angemessenen Zeitraum betreibbar sein, ohne dass ein nachfolgender Start beeinträchtigt wird.
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Zu beachten ist, dass aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung von Aggregaten sowie der Einführung von neuen Fahrfunktionen die Anforderung an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftfahrzeug stetig steigt. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass zukünftig bei einem hochautomatischen Fahren fahrfremde Tätigkeiten in begrenztem Maße zulässig sein sollen. Eine sensorische, regelungstechnische, mechanische und energetische Rückfallebene durch den Fahrer ist in diesem Fall nur noch eingeschränkt vorhanden.
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Daher besitzt bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine bisher in Kraftfahrzeugen nicht gekannte Sicherheitsrelevanz. Fehler im elektrischen Bordnetz müssen daher zuverlässig und möglichst vollständig erkannt werden.
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Unter einem hochautomatischen Fahren, das auch als hochautomatisiertes Fahren bezeichnet wird, ist ein Zwischenschritt zwischen einem assistierten Fahren, bei dem der Fahrer durch Assistenzsysteme unterstützt wird, und einem autonomen Fahren, bei dem das Fahrzeug selbsttätig und ohne Einwirkung des Fahrers fährt, zu verstehen. Beim hochautomatischen Fahren verfügt das Fahrzeug über eine eigene Intelligenz, die vorausplant und die Fahraufgabe zumindest in den meisten Fahrsituationen übernehmen könnte. Daher hat bei einem hochautomatischen Fahren die elektrische Versorgung eine hohe Sicherheitsrelevanz.
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Ein Spannungswandler dient zum Wandeln einer Spannung. Dies kann je nach Art des Spannungswandlers eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein.
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Ein Gleichspannungswandler ist eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau wandelt. In Bordnetzen kommen Gleichspannungswandler als Koppelelemente zwischen Bordnetzkanälen, die jeweils ein eigenes Spannungsniveau und ggf. auch eine eigene Spannungsversorgung haben, zum Einsatz.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 053 691 A1 beschreibt ein Bordnetz sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben des Bordnetzes. Das Bordnetz umfasst einen Gleichspannungswandler und einen Basisenergiespeicher, der mit dem Gleichspannungswandler gekoppelt ist. Das Bordnetz umfasst weiterhin eine erste Auswahl von zumindest einem ersten elektrischen Verbraucher, der elektrisch parallel mit dem Gleichspannungswandler koppelbar ist, und eine zweite Auswahl von zumindest einem elektrischen Verbraucher, der elektrisch parallel mit dem Basisenergiespeicher koppelbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Bordnetz gemäß Anspruch 1 und ein Spannungswandler nach Anspruch 11 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Bordnetz, das insbesondere in einem Kraftfahrzeug zur Anwendung kommt, weist einen ersten Bordnetzkanal und einen zweiten Bordnetzkanal auf, die jeweils über eine eigene Energieversorgung verfügen.
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Weiterhin ist in dem Bordnetz ein Spannungswandler, bspw. ein Gleichspannungswandler, vorgesehen, der aus beiden Bordnetzen versorgt wird. Dieser umfasst eine Eingangsspule und zwei Ausgangsspulen, d. h. dieser verfügt über eine Primärseite und zwei Sekundärseiten. Die beiden Ausgangsspulen sind dabei galvanisch voneinander getrennt.
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Es wird weiterhin ein Gleichspannungswandler, der auch als DC-DC-Wandler bezeichnet wird, beschrieben, der für ein solches Bordnetz geeignet bzw. eingerichtet ist. Es wird somit ein Gleichspannungswandler vorgestellt, der aus einer Eingangsspannung, z. B. einer Hochvolt-Spannung, wie bspw. einer 48 V-Spannung, zwei Ausgänge mit Niedervoltspannung versorgt.
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Es wird insbesondere ein Wandler mit der galvanischer Trennung und einer Eingangsspule sowie zwei Ausgangsspulen vorgestellt. Dabei sind insbesondere die beiden Ausgangsspulen galvanisch voneinander getrennt. Weiterhin ist von Bedeutung, dass die Versorgung der Steuerung des Gleichspannungswandlers aus beiden Bordnetzkanälen erfolgt. Somit kann bei Ausfall eines Kanals der Gleichspannungswandler den zweiten Kanal weiterhin mit Energie versorgen.
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Durch eine galvanische Trennung wird eine elektrische Leitung zwischen zwei Stromkreisen vermieden, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen. Bei einer galvanischen Trennung sind auch elektrische Potentiale voneinander getrennt. Die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei.
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Es kann weiterhin ein dritter Kanal zur redundanten Versorgung von insbesondere sicherheitsrelevanten Verbrauchern aus beiden Kanälen vorgesehen sein.
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Ein Vorteil des beschriebenen Bordnetzes besteht in der Möglichkeit der hohen Integration von Funktionen in einem Bauteil. Dies ermöglicht Kosten- und Gewichtsvorteile. Außerdem wird nur ein Hochspannungsanschluss benötigt, um zwei Niedervolt-Kanäle zu versorgen. Auch dies bringt Kosten- und Integrationsvorteile mit sich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich der Wandler aus beiden Niedervoltnetzen versorgen kann. Die Funktion bleibt somit erhalten, auch wenn ein Kanal ausgefallen ist. Diese redundante Versorgung wird auch anderen Verbrauchern über einen dritten Ausgang zur Verfügung gestellt.
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Der vorgestellte, typischerweise induktive Spannungswandler, insbesondere Gleichspannungswandler, weist zwei galvanisch voneinander getrennte Ausgangsspulen auf. Dieser kann bspw. als Sperrwandler, Resonanzwandler, brückenloser PFC-Wandler oder Flusswandler ausgebildet sein. Weiterhin können eine gemeinsame Primärspule, zwei getrennte Sekundärspulen und/oder zwei getrennte Ausgänge vorgesehen sein. Ein dritter Ausgang kann zur redundanten Versorgung von Verbrauchern dienen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein zweikanaliges Bordnetz nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt in vereinfachter Darstellung einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Ausführung eines zweiphasigen Gleichspannungswandlers, der als Sperrwandler dient.
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4 zeigt in vereinfachter Darstellung eine weitere Ausführung des zweiphasigen Gleichspannungswandlers.
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5 zeigt eine Integration einer Ausführung des vorgestellten Gleichspannungswandlers in ein zweikanaliges Bordnetz.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines zweikanaligen Bordnetzes, das insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese umfasst eine elektrische Maschine 12, bspw. einen Starter, einen ersten nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 14, eine erste Batterie 16, der ein Batteriemanagementsystem 18 zugeordnet ist, einen Gleichspannungswandler 20, der als Koppelelement zwischen einer Hochvoltseite 22 und einer Niedervoltseite 24, bspw. mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, eine erste electronic Power Distribution Unit 26 (ePDU: elektronische Energieversorgungseinheit), einen zweiten nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 28, eine zweite Batterie 30 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 32, einem zweiten Gleichspannungswandler 34, der als Koppelelement zwischen der Niedervoltseite 24 und einer weiteren Niedervoltseite 36, bspw. ebenfalls mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, einer dritten Batterie 40 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 42, einem iBooster 44, einem ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) 46, einer ersten elektronischen Hilfskraftlenkung (EPS) 48, einer zweiten EPS 50, einer zweiten ePDU 52, einer dritten ePDU 54, einem Radgeschwindigkeitssensor 58 und einem weiteren Verbraucher 60.
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Mit einer Umrandung gekennzeichnet ist das Basisbordnetz 70 mit HV-Komponenten und 14 V-Komponenten ohne Sicherheitsrelevanz. In diesem Basisbordnetz 70 sind die erste Batterie 16 und die zweite Batterie 30 enthalten, einmal mit Hochvolt (HV), nämlich die erste Batterie 16, sowie mit 14 V, nämlich die zweite Batterie 30.
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Weiterhin sind ein Bremssystem 72 und ein Lenksystem 74 jeweils mit Umrandung gekennzeichnet. An das Basisbordnetz 70 angekoppelt ist ein erster sicherheitsrelevanter Kanal 80 mit sicherheitsrelevanten Verbrauchern, wie bspw. Bremse 72, Lenkung 74 usw. Weiterhin ist ein zweiter sicherheitsrelevanter Kanal 82 dargestellt. Da auch hier die sicherheitsrelevanten Komponenten aus 14 V versorgt werden, sind der zweite Gleichspannungswandler 34 und die dritte Batterie 40 vorgesehen.
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Auf der rechten Seite sind Verbraucher dargestellt, die nur einfach vorhanden sind, jedoch redundant versorgt werden sollen. Diese werden entweder aus dem ersten Kanal 80 oder aus dem zweiten Kanal 82 versorgt. Die dritte ePDU 54 sorgt für die Überwachung der Verbraucher und der Kanalspannungen und öffnet beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses in diesen Verbrauchern oder bei Überspannung in einem der Kanäle 80 bzw. 82.
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2 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines galvanisch getrennten Gleichspannungswandlers am Beispiel eines Sperrwandlers, der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist und eine Primärseite 120 und eine Sekundärseite 122 aufweist. Die Darstellung zeigt eine Eingangsspule 102, eine Ausgangsspule 104, einen ersten Schalter S1 106, einen zweiten Schalter S2 108 und einen Kondensator 110. Die Eingangsspule 102 und die Ausgangsspule 104 bilden einen Transformator 113.
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Auf der linken Seite liegt eine Eingangsspannung 112, bspw. im Hochvoltbereich, an. Über den Schalter S1 106 wird der Eingangsstrom ein- und ausgeschaltet. Die dadurch erzeugte Wechselspannung auf der Primärseite 120 des Transformators 113 bewirkt entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärseite 122 des Transformators 113 eine Spannung. Dies wird auch als Spannungstransformation bezeichnet. Diese wird über den Schalter S2 108 und den Kondensator C 110 gleichgerichtet. Eine Ausgangsspannung 114 liegt je nach Wicklungsverhältnis der beiden Spulen 102, 104 bspw. unterhalb der Eingangsspannung.
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Wie in 1 dargestellt ist, werden nach dem Stand der Technik Gleichspannungswandler 20, 34 benötigt, um das zweikanalige Bordnetz 10 zu versorgen. Diese benötigen im Vergleich zum einkanaligen Bordnetz zusätzlichen Bauraum und erhöhen das Gewicht des Fahrzeugs. Zusätzlich wird die sogenannte ePDU benötigt, um einfach vorhandene, redundant versorgte Verbraucher zu versorgen.
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Es wird nunmehr angestrebt, eine zweikanalige Versorgung mit nur einem Gleichspannungswandler bereitzustellen. Weiterhin sollen aus diesem Bauteil auch Verbraucher wechselseitig aus einem der beiden sicherheitsrelevanten Kanälen versorgt werden. Dies wird erreicht durch einen Gleichspannungswandler, der aus einer Eingangsspannung z.B. Hochvolt-Spannung oder 48 V-Spannung, zwei Ausgänge mit Niedervoltspannung versorgt.
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In 3 ist eine Ausführungsform des vorgestellten Gleichspannungswandlers, insgesamt mit Bezugsziffer 200 versehen, dargestellt. Dieser Gleichspannungswandler 200 arbeitet als zweiphasiger Sperrwandler mit zwei getrennten Ausgängen für die redundante Versorgung von sicherheitsrelevanten Verbrauchern.
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Auf der linken Seite sind eine Primärspule 202 und ein erster Schalter S1 204 angeordnet. In der Darstellung ist wiederum eine Eingangsspannung 206 angezeigt. Daran angeschlossen, verkoppelt über jeweils einen Eisenkern 208, 210 befinden sich zwei Sekundärspulen 212 und 214, in die die Sekundärspannungen induziert werden. Über einen zweiten Schalter S2 216 und einen dritten Schalter S3 218 werden diese dann zu den Ausgangsspannung 218 und 220 eines ersten Ausgangskanals 222 und eines zweiten Ausgangskanals 224 gleichgerichtet. Auch hier liegen die Ausgangsspannungen 218, 220 typischerweise im Bereich von 14 V. Beide Ausgangsspannungen 218, 220 sind voneinander komplett galvanisch entkoppelt. Somit kann vermieden werden, dass sich beide Kanäle gegenseitig beeinflussen. Weiterhin sind im ersten Ausgangskanal 222 ein erster Kondensator 230 und im zweiten Ausgangskanal 224 ein zweiter Kondensator 232 vorgesehen.
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4 zeigt eine weitere Aufführungsform des Gleichspannungswandlers, der mit Bezugsziffer 300 bezeichnet ist und als zweiphasiger Sperrwandler dient, wobei eine redundante Versorgung einer Steuerung des Gleichspannungswandlers 300 aus einem der beiden Ausgangskanäle erfolgt.
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Auf der linken Seite sind eine Primärspule 302 und ein erster Schalter S1 204 angeordnet. In der Darstellung ist wiederum eine Eingangsspannung 306 angezeigt. Daran angeschlossen, verkoppelt über jeweils einen Eisenkern 308, 310 befinden sich zwei Sekundärspulen 312 und 314, in die die Sekundärspannungen induziert werden. Über einen zweiten Schalter S2 316 und einen dritten Schalter S3 318 werden diese dann zu den Ausgangsspannung 318 und 320 eines ersten Ausgangskanals 322 und eines zweiten Ausgangskanals 324 gleichgerichtet. Weiterhin sind im ersten Ausgangskanal 322 ein erster Kondensator 330 und im zweiten Ausgangskanal 324 ein zweiter Kondensator 332 vorgesehen.
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Zur Steuerung des Gleichspannungswandlers ist eine Steuereinheit ECU (electronic control unit) 350 vorgesehen, die aus beiden Ausgangskanälen 322 und 324 versorgt wird. Um auch hier eine gegenseitige negative Beeinflussung der beiden Ausgangskanäle 322, 324 zu vermeiden, wird in den Gleichspannungswandler 300 ein Koppelelement 360 integriert, das die Steuereinheit 350 wechselseitig aus einem der beiden Ausgangskanäle 322, 324 versorgt. Steht jedoch ein Ausgangskanal 322 bzw. 324 nicht zur Verfügung, wird auf den jeweils anderen Ausgangskanal 322 bzw. 324 umgeschaltet.
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Als Koppelelement 360 kann bspw. eine Kombination aus selbstleitenden und selbstsperrenden Leistungsschaltern verwendet werden.
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In einer weiteren Aufführungsform dieser Erfindung wird die Spannungsführung der Steuereinheit 350 dazu verwendet, auch andere Verbraucher redundant bzw. wechselseitig aus dem ersten Ausgangskanal 322 oder dem zweiten Ausgangskanal 324 versorgen. Der Ausgang, der dies ermöglicht, wird mit „Kanal R“ 323, der einen dritten Kanal darstellt, bezeichnet. Weiterhin kann an der mit Bezugszeichen 325 versehenen Leitung eine getrennte Masse vorgesehen sein.
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An diesem Kanal R 323 können Verbraucher angeschlossen werden, die nur einfach vorhanden sind, jedoch wechselseitig aus beiden Kanälen versorgt werden sollen.
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In einer weiteren Aufführungsform wird statt eines Sperrwandlers das Prinzip eines Flusswandlers eingesetzt. Auch der Einsatz eines Resonanzwandlers kann vorgesehen sein.
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5 zeigt die Integration des vorgestellten Wandlers in ein zweikanaliges Bordnetz, das insgesamt mit der Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Die Darstellung eine elektrische Maschine 402, bspw. einen Starter, einen ersten nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher 404, eine erste Batterie 406, der ein Batteriemanagementsystem 408 zugeordnet ist, einen Gleichspannungswandler 410 der beschriebenen Art, der als Koppelelement zwischen einer Hochvoltseite 412 und einer Niedervoltseite 414, bspw. mit einem Spannungsniveau von 14 V, dient, eine erste ePDU 416, einen zweiten nicht sicherheitskritischen Verbraucher 418, eine zweite Batterie 420 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 422, eine dritte Batterie 430 mit zugeordnetem elektronischen Batteriesensor 432, einen iBooster 434, ein ESP (Elektronisches Stabilitätsprogramm) 436, eine erste elektronische Hilfskraftlenkung (EPS) 438, einer zweiten EPS 440, einen Radgeschwindigkeitssensor 448 und einem weiteren Verbraucher 450.
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Mit einer Umrandung gekennzeichnet ist das Basisbordnetz 460 mit HV-Komponenten und 14 V-Komponenten ohne Sicherheitsrelevanz. Weiterhin sind ein Bremssystem 462 und ein Lenksystem 74 jeweils mit Umrandung gekennzeichnet.
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Der Gleichspannungswandler 410 umfasst eine Steuereinheit 470 und ein Koppelelement 472. Dieser koppelt das Basisbordnetz 460 mit einem ersten Bordnetzkanal 480, einem zweiten Bordnetzkanal 482 und einem Kanal R 484.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053691 A1 [0008]
