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Die Erfindung betrifft eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, in welchem wenigstens ein eine elektrische Spannung bereitstellendes und/oder im Betrieb mit elektrischer Spannung beaufschlagtes Element angeordnet ist. Eine Sensoreinrichtung der Hochvoltkomponente dient dem Erfassen einer Beeinträchtigung der Hochvoltkomponente.
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So beschreibt die
DE 10 2012 001 594 A1 eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug, welche zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung für einen elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. In einem Gehäuse der Hochvoltkomponente ist eine Sensoreinrichtung angeordnet, welche zum Erkennen einer mechanischen Beschädigung der Hochvoltkomponente dient.
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Eine mechanische Beschädigung eines Gehäuses einer Hochvoltkomponente, bei welcher das Gehäuse insbesondere eine Batterie oder einen Brennstoffzellenstapel umgibt, kann beispielsweise im Hinblick auf ein Eindringen einer leitfähigen Flüssigkeit in das Gehäuse problematisch sein. So hat die Hochvoltkomponente, welche eine Undichtigkeit aufweist, ein hohes Gefährdungspotential bezüglich eines thermischen Events. Es kann nämlich vorkommen, dass infolge der Undichtigkeit eine leitfähige Flüssigkeit wie etwa Wasser in Kontakt mit stromführenden beziehungsweise spannungsführenden Teilen der Hochvoltkomponente kommt. Die leitfähige Flüssigkeit kann dann das Hochvoltpotential überbrücken. Dadurch kann es zu einer chemischen Reaktion kommen. Beispielsweise kann sich die Flüssigkeit erwärmen und verdampfen, wodurch sich in dem Gehäuse der Hochvoltkomponente ein Druck aufbaut. Des Weiteren kann die leitfähige Flüssigkeit bei einer besonders schlimmen Beeinträchtigung der Hochvoltkomponente zu einem elektrischen Kurzschluss führen. Es kann also eine Kurzschlussreaktion auftreten. Eine solche Kurzschlussreaktion kann gar zu einem Brand führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Hochvoltkomponente der eingangs genannten Art zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochvoltkomponente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Gehäuse, in welchem wenigstens ein eine elektrische Spannung bereitstellendes und/oder im Betrieb mit elektrischer Spannung beaufschlagtes Element angeordnet ist. Eine Sensoreinrichtung der Hochvoltkomponente ist zum Erfassen einer Beeinträchtigung der Hochvoltkomponente vorgesehen. Die Sensoreinrichtung weist eine zum Aufnehmen einer Flüssigkeit ausgebildete Schicht und einen elektrischen Leiter auf. Der elektrische Leiter ist an eine Messeinrichtung der Sensoreinrichtung angeschlossen. Die Messeinrichtung ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem Vorhandensein von Flüssigkeit in der Schicht eine Veränderung eines elektrischen Widerstands der Schicht zu erfassen.
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Auf diese Weise kann mittels der Sensoreinrichtung festgestellt werden, ob sich in dem Gehäuse Feuchtigkeit oder Flüssigkeit befindet, welche von der wasseraufnehmenden beziehungsweise saugfähigen Schicht aufgenommen wurde. Die bei Trockenheit nicht leitende Schicht oder Saugschicht bildet somit eine Art veränderlichen elektrischen Widerstand. Der elektrische Widerstand ist bei Trockenheit sehr hoch. Nimmt jedoch die Schicht etwa aufgrund einer Undichtigkeit des Gehäuses der Hochvoltkomponente eine leitfähige Flüssigkeit wie etwa Wasser auf, so verändert sich der elektrische Widerstand der Schicht. Die Abnahme des elektrischen Widerstands der Schicht kann dann mittels der Messeinrichtung erfasst und ausgewertet werden. Auf diese Weise können rechtzeitig Maßnahmen eingeleitet werden für den Fall, dass Flüssigkeit in das Gehäuse der Hochvoltkomponente gelangt ist, welche von der Schicht aufgenommen wurde.
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Die Gefahr eines durch das Vorhandensein von Flüssigkeit in der Hochvoltkomponente bedingten thermischen Events wird somit erkannt, und geeignete Systemreaktionen können ausgeführt werden. Des Weiteren wird eine solche Gefahr zeitlich entschärft. Denn dadurch, dass die Schicht Flüssigkeit aufnimmt, kann diese aufgenommene Flüssigkeit nicht in Kontakt mit stromführenden beziehungsweise spannungsführenden Teilen oder Elementen der Hochvoltkomponente gelangen.
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Zudem kann der mittels der Messeinrichtung jeweils gemessene Wert des elektrischen Widerstands der Schicht als Maß für eine in dem Gehäuse der Hochvoltkomponente vorhandene Menge an Feuchtigkeit herangezogen beziehungsweise definiert werden. Der Wert des elektrischen Widerstands kann also als Prädiktion für einen erforderlichen Service der Hochvoltkomponente herangezogen werden. Denn bei einem Vorhandensein von unerwünscht viel Feuchtigkeit beziehungsweise Flüssigkeit in dem Gehäuse der Hochvoltkomponente kann im Rahmen des Service beziehungsweise einer derartigen Wartung die Hochvoltkomponente ausgetauscht oder instandgesetzt werden. Insbesondere hierbei kann die Feuchtigkeit beziehungsweise Flüssigkeit aus dem Gehäuse entfernt beziehungsweise herausgebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Spülen des Gehäuses mit trockener Luft, durch ein vorübergehendes Einbringen von flüssigkeitsaufnehmenden Stoffen in das Gehäuse, einen Austausch solcher Stoffe oder dergleichen erfolgen. Es kann auch in Abhängigkeit von dem Wert des elektrischen Widerstands der Schicht eine Art Alterung der Hochvoltkomponente definiert werden.
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Das in dem Gehäuse die elektrische Spannung bereitstellende Element kann insbesondere als Batterie und/oder als Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein. Des Weiteren kann es sich bei der Hochvoltkomponente etwa um einen Umrichter für einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs handeln, um eine als Hochvoltheizer ausgebildete Heizeinrichtung, um eine Hochvolt-Ladeeinrichtung und/oder um einen leistungselektronischen Wandler, etwa einen DC/DC-Wandler. Bei derartigen Hochvoltkomponenten sind in dem Gehäuse Elemente angeordnet, welche im Betrieb mit elektrischer Spannung beaufschlagt sind. Die bereitgestellte und/oder an dem Element im Betrieb auftretende Spannung liegt üblicherweise bei mehr als 60 V und somit in der Spannungsklasse B. Die Spannungsklasse B ist eine Klassifizierung von Hochvolt-Komponenten oder Hochvolt-Stromkreisen mit einer maximalen Betriebsspannung von: 60 V d. c. < U ≤ 1500 V d. c. oder 30 V a. c. (rms) < U ≤ 1000 V a. c. (rms). Hierbei steht „rms” für root mean square, also den quadratischen Mittelwert oder Effektivwert des Stroms.
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Die Feuchtigkeit oder Flüssigkeit kann beispielsweise über eine Undichtigkeit des Gehäuses in das Gehäuse gelangen und/oder über ein Kabel oder eine derartige elektrische Leitung. Beispielsweise kann nämlich eine Dichtung für das Kabel nicht mehr ausreichend dicht sein, sodass an dieser undichten Stelle feuchte Luft in das Gehäuse gelangen kann, welche dann beim Kondensieren zur Ausbildung der Flüssigkeit in dem Gehäuse führt. Des Weiteren kann der Flüssigkeitseintrag in das Gehäuse durch eine Undichtigkeit eines Kühlsystems bedingt sein, bei welchem eine Kühlflüssigkeit zum Einsatz kommt.
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Die Messeinrichtung kann an das Gehäuse der Hochvoltkomponente angeschlossen sein, welches zumindest bereichsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist. Hierbei ist das elektrisch leitfähige Material mit der Schicht in Kontakt. Beispielsweise kann das Gehäuse der Hochvoltkomponente aus Metall gebildet sein, und die Schicht oder Saugschicht berührt dann das aus dem Metall gebildete Gehäuse, insbesondere großflächig. Dann ist das Metallgehäuse als eine Art elektrischer Anschluss der Messeinrichtung wirksam. Der weitere elektrische Anschluss in Form des elektrischen Leiters ist auf der dem Gehäuse der Hochvoltkomponente gegenüberliegenden Seite der Schicht oder Saugschicht angebracht. So kann besonders einfach erreicht werden, dass die beiden Anschlüsse in Form des leitfähigen Materials des Gehäuses einerseits und des elektrischen Leiters der Sensoreinrichtung andererseits zusammen mit der bei Trockenheit nicht leitenden Schicht den veränderlichen elektrischen Widerstand bilden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Sensoreinrichtung einen weiteren an die Messeinrichtung angeschlossenen elektrischen Leiter aufweisen, wobei die beiden elektrischen Leiter der Sensoreinrichtung durch die Schicht voneinander getrennt sind. So kann sich etwa an einer Oberseite und an einer Unterseite der Schicht der jeweilige elektrische Leiter befinden, welcher somit die beiden elektrischen Anschlüsse der Messeinrichtung bildet. Auf diese Weise kann auch ein Gehäuse der Hochvoltkomponente im Hinblick auf das Vorhandensein von Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses überwacht werden, welches nicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise als Kunststoff gebildet ist. Des Weiteren können so auch Stellen innerhalb des Gehäuses der Hochvoltkomponente auf das Vorhandensein von Flüssigkeit hin überwacht werden, in welchen die zum Aufnehmen der Flüssigkeit ausgebildete Schicht nicht an einem beispielsweise metallischen Gehäuse anliegt.
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Vorzugsweise ist die Schicht in einem in Bezug auf die Schwerkraft tiefsten Bereich des Gehäuses angeordnet. Insbesondere kann die Schicht einen Boden des Gehäuses zumindest bereichsweise bedecken. Auf diese Weise sorgt die Schicht nicht nur für das Aufnehmen von Feuchtigkeit beziehungsweise Flüssigkeit. Vielmehr verhindert die Schicht auch, dass Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses der Hochvoltkomponente schwappen kann. Durch die Bindung der Flüssigkeit in der beispielsweise aus einem Vliesstoff gebildeten Schicht kann sich die Flüssigkeit also nicht weiter im Gehäuse verteilen. Dies ist insbesondere bei Anordnung der Hochvoltkomponente in dem Kraftfahrzeug von Bedeutung. Denn anderenfalls könnte aufgrund von Beschleunigungen und Verzögerungen des Kraftfahrzeugs die Flüssigkeit sich überall verteilen und insbesondere in Bereiche des Gehäuses gelangen, in welchen es zu einem unerwünschten Kontakt der Flüssigkeit mit stromführenden beziehungsweise spannungsführenden Elementen der Hochvoltkomponente kommen kann.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt, mittels welcher in Abhängigkeit von einem Wert des elektrischen Widerstands der Schicht ein Trennen wenigstens eines spannungsführenden Elements der Hochvoltkomponente bewirkbar ist. Auf diese Weise können die Folgen eines Kontakts von Flüssigkeit mit spannungsführenden Elementen der Hochvoltkomponente unterbunden werden, und es lässt sich einfach ein sicherer Zustand der Hochvoltkomponente herstellen. Beispielsweise kann die Hochspannung in spannungsführenden Elementen oder leitfähigen Teilen der Hochvoltkomponente abgeschaltet werden. Das Trennen des wenigstens einen spannungsführenden Elements der Hochvoltkomponente kann insbesondere durch Aktivieren eines pyrotechnischen Elements oder dergleichen bewirkt werden, jedoch auch durch Öffnen eines Schalters oder dergleichen.
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Die Steuerungseinrichtung kann auch ein Ausgeben einer Warnung bewirken, etwa wenn die Sensoreinrichtung über einen Datenbus oder dergleichen der Steuerungseinrichtung den Wert des Widerstands der Schicht übermittelt und dieser Wert des Widerstandes über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerungseinrichtung ein Trennen des mit der elektrischen Spannung beaufschlagten Elements von einer elektrischen Energiequelle bewirken. Auch auf diese Weise lässt sich ein sicherer Zustand der Hochvoltkomponente herstellen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die einzige Figur zeigt stark schematisiert eine Hochvoltkomponente mit einem am Boden eines Gehäuses der Hochvoltkomponente angeordneten Feuchtesensor.
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Eine in der Figur stark schematisiert gezeigte Hochvoltkomponente 10 für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Gehäuse 12, in welchem eine elektrische Energiequelle 14 angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich bei der elektrischen Energiequelle 14 um eine Batterie mit einer Mehrzahl von Batteriezellen oder einen Brennstoffzellenstapel handeln. Dementsprechend kann die elektrische Energiequelle 14 eine hohe Spannung bereitstellen. Daher kann es mit einer Gefährdung einhergehen, wenn stromführende beziehungsweise spannungsführende Teile oder Elemente innerhalb des Gehäuses 12, insbesondere Teile oder Komponenten der elektrischen Energiequelle 14, mit einer leitfähigen Flüssigkeit wie Wasser in Kontakt geraten. Die Hochvoltkomponente 10 kann jedoch auch als Umrichter für einen elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein, als Hochvoltheizer oder Hochvolt-Ladeeinrichtung oder als leistungselektronischer Wandler, etwa als DC/DC-Wandler. Auch bei derartigen Hochvoltkomponenten 10 sind in dem Gehäuse 12 Elemente angeordnet, welche im Betrieb mit einer hohen elektrischen Spannung beaufschlagt sind.
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Vorliegend ist innerhalb des Gehäuses 12 der Hochvoltkomponente 10 eine Sensoreinrichtung 16 angeordnet, mittels welcher sich ein Vorhandensein von Flüssigkeit 18 innerhalb des Gehäuses 12 erfassen lässt. Die Flüssigkeit 18 ist in der Figur schematisch durch Tropfen dargestellt. Die Sensoreinrichtung 16 umfasst eine zur Aufnahme der Flüssigkeit 18 ausgebildete beziehungsweise wasseraufnehmende Schicht 20 in Form einer saugfähigen Einlage. Vorliegend ist auf einer Oberseite 22 der Schicht 20 ein elektrischer Leiter 24 der Sensoreinrichtung 16 angeordnet. Der elektrische Leiter 24 kann beispielsweise auf die Oberseite 22 der Schicht 20 aufgedampft sein. Zusätzlich oder alternativ kann der elektrische Leiter 24 als leitende Gitterstruktur beziehungsweise als Gitter aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet sein, welches auf die Oberseite 22 der Schicht 20 aufgebracht oder in die Schicht 20 eingebracht beziehungsweise eingebettet sein kann. Der elektrische Leiter 24 ist an eine Messeinrichtung 26 angeschlossen, welche zum Erfassen eines elektrischen Widerstands ausgebildet ist.
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Vorliegend ist das Gehäuse 12 der Hochvoltkomponente 10 aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa aus Metall gebildet. Dementsprechend ist bei der in der Figur gezeigten Variante der Hochvoltkomponente 10 die Messeinrichtung 26 über eine Messleitung 28 auch an das Gehäuse 12 angeschlossen. Das aus dem Metall gebildete Gehäuse 12 ist also als eine Art weiterer elektrischer Anschluss der Messeinrichtung 26 wirksam.
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Vorliegend ist die Schicht 20 an einem Boden 30 des Gehäuses 12 angeordnet. Insbesondere kann der Boden 30 mit der wasseraufnehmenden Schicht 20 ausgekleidet sein, welche nach Art einer Windel ausgebildet sein kann. Bevorzugt ist die Schicht 20 so in dem Gehäuse 12 verlegt, dass die Schicht 20 die in Bezug auf die Schwerkraft tiefste Stelle beziehungsweise den tiefsten Bereich der Hochvoltkomponente 10 bedeckt.
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Der elektrisch leitfähige Boden 30 des Gehäuses 12 ist durch die Schicht 20 von dem elektrischen Leiter 24 der Messeinrichtung 26 getrennt. Dementsprechend bilden die Anschlüsse in Form des elektrisch leitfähigen Gehäuses 12 einerseits und des elektrischen Leiters 24 andererseits zusammen mit der Schicht 20 einen veränderlichen elektrischen Widerstand. Der Wert des elektrischen Widerstands der Schicht 20 ist sehr hoch, wenn die Schicht 20 trocken ist. Nimmt die Schicht 20 jedoch Feuchtigkeit beziehungsweise Flüssigkeit 18 auf, so verändert sich der elektrische Widerstand der Schicht 20. Die Abnahme des Werts des elektrischen Widerstands wird mittels der Messeinrichtung 26 erfasst. Die Sensoreinrichtung 16 ist vorliegend mit einer Steuerungseinrichtung 32 oder einer derartigen Überwachungseinheit gekoppelt, welche den gemessenen Wert des Widerstands mit einem Grenzwert vergleicht. Unterschreitet der elektrische Widerstand der Schicht 20 einen definierten Schwellenwert beziehungsweise ein definiertes Limit, so kann eine Systemreaktion eingeleitet werden.
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Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 32 bewirken, dass die an einem Element innerhalb des Gehäuses 12 der Hochvoltkomponente 10 anliegende Hochspannung oder die Hochspannung im Gesamtsystem abgeschaltet wird. So kann der sichere Zustand hergestellt werden. Wenn die elektrische Energiequelle 14 als Batterie ausgebildet ist, so kann etwa ein die einzelnen Batteriezellen elektrisch leitend miteinander verbindender Zellverbinder durchtrennt werden. Dann liegt an den Anschlüssen der Batterie nicht mehr die Hochspannung an. Ist in der Hochvoltkomponente 10 das im Betrieb mit der elektrischen Spannung beaufschlagte Element angeordnet, so kann dieses von der das Element versorgenden Energiequelle getrennt werden.
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Das Anordnen der Schicht 20 am Boden 30 beziehungsweise an der tiefsten Stelle der Hochvoltkomponente 10 sorgt nicht nur dafür, dass die Schicht 20 besonders gut die Feuchtigkeit beziehungsweise die Flüssigkeit 18 aufnehmen kann. Vielmehr verhindert die Anordnung der Schicht 20 an der tiefsten Stelle der Hochvoltkomponente 10, dass sich in dem Gehäuse 12 befindende Flüssigkeit 18 innerhalb der Hochvoltkomponente 10 schwappen kann. Dies verhindert zuverlässig, dass sich bei Bewegungen des Kraftfahrzeugs, in welchem die Hochvoltkomponente 10 angeordnet ist, die in das Gehäuse 12 eingedrungenen Flüssigkeiten 18 in der Hochvoltkomponente 10 verteilen. Die Flüssigkeit 18 kann so erst gar nicht an leitfähige Teile gelangen.
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Der elektrische Leiter 24 kann als leitfähige und für Feuchtigkeit beziehungsweise die Flüssigkeit 18 durchlässige Schicht ausgebildet sein oder als leitfähige Gitterstruktur. Insbesondere bei einer Ausbildung des Gehäuses 12 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material können auch an der Oberseite 22 und an einer Unterseite 34 der Schicht 20 jeweilige leitfähige Gitterstrukturen oder dergleichen angeordnet sein. Derartige elektrische Leiter können auch in die Schicht 20 eingelassen sein. Hierbei bilden dann die beiden elektrischen Leiter, welche durch die Schicht 20 voneinander getrennt sind, die beiden elektrischen Anschlüsse der Messeinrichtung 26. Auf diese Weise können auch Gehäuse 12 überwacht werden, welche aus einem nicht metallischen Material beziehungsweise nicht elektrisch leitfähigen Material gebildet sind. Des Weiteren lassen sich so Stellen überwachen, an welchen die Schicht 20 nicht an einem metallischen Gehäuse 12 anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvoltkomponente
- 12
- Gehäuse
- 14
- elektrische Energiequelle
- 16
- Sensoreinrichtung
- 18
- Flüssigkeit
- 20
- Schicht
- 22
- Oberseite
- 24
- Leiter
- 26
- Messeinrichtung
- 28
- Messleitung
- 30
- Boden
- 32
- Steuerungseinrichtung
- 34
- Unterseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012001594 A1 [0002]
