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Es ist bekannt, Fahrzeuge mit einem von außen ladbaren Energiespeicher auszurüsten, der zum Speisen eines fahrzeugseitigen elektrischen Antriebs dient. Derartige Fahrzeuge sind als Plug-In-Fahrzeuge bekannt. Es sind ferner Steckverbindungen bekannt, bei denen eine fahrzeugseitige Buchse an eine externe Ladestation mittels eines Steckers am Ende eines Kabels der Ladestation eingesteckt werden können.
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Der Stecker wird üblicherweise vom Nutzer eingesteckt und entfernt, wobei aufgrund der variierenden Position von Fahrzeugen, die die Ladestation anfahren und aufgrund unterschiedlicher Positionen der fahrzeugseitigen Buchse bei unterschiedlichen Fahrzeugmodellen eine automatische Zuführung des Steckers schwierig ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich das Herstellen einer Verbindung zwischen Fahrzeug und Ladestation vereinfachen lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den unabhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, zur elektrischen Verbindung zwischen einer Ladestation und einem Fahrzeug Aufliegekontakte bzw. Stromabnehmer zu verwenden. Da diese in mindestens eine Richtung einen Freiheitsgrad bei der Orientierung zwischen stationärer Ladeschnittstelle und fahrzeugseitiger Fahrzeugschnittstelle erlauben, ist eine exakte, dreidimensionale Ausrichtung wie bei der Verwendung von Steckkontakten nicht erforderlich. Es ist ein gewisser Versatz zwischen einem Referenzpunkt der stationären Ladeschnittstelle zur fahrzeugseitigen Fahrzeugschnittstelle möglich, insbesondere entlang der stationären Ladeschnittstelle, in einer von der stationären Ladeschnittstelle ausgehenden und zur fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle weisenden Richtung oder auch in einer von der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle ausgehenden und zur stationären Ladeschnittstelle weisenden Richtung. Die stationären und/oder fahrzeugseitigen Ladeschnittstellen weisen langgestreckte oder auch flächige Kontakte oder Leiter auf, wodurch sich Freiheitsgrade bei der Positionierung ergeben.
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Es wird eine Ladestation zum konduktiven Laden eines Fahrzeugs beschrieben. Dies kann Gleichstromladen als auch (ein- oder mehrphasiges) Wechselstromladen betreffen. Die Ladestation ist mit einer stationären Ladeschnittstelle ausgestattet. Diese ist mit einem Versorgungsnetzanschluss verbunden, entweder direkt oder über eine Leistungs-Ladeelektronik, die zum Steuern der Leistung und/oder Stromrichten eingerichtet ist. Stationär bedeutet insbesondere, dass diese Ladeschnittstelle zum dauerhaften Befestigen an einen Untergrund oder eine feststehende Wand eingerichtet ist, wobei die Ladeschnittstelle gegenüber der Befestigung statisch oder beweglich sein kann, insbesondere um Kontakte oder Leiter in Eingriff mit fahrzeugseitigen Kontakten oder Leitern zu bringen.
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Die stationäre Ladeschnittstelle weist mehrere, nebeneinanderliegende Aufliegekontakte auf. Dies kann auch für die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle zutreffen. Über den Aufliegekontakten der stationären Ladeschnittstelle ist ein Zuführungsbereich vorgesehen. Mit anderen Worten weist die stationäre Ladeschnittstelle Aufliegekontakten auf, auf deren einen Seite ein Zuführungsbereich vorgesehen ist, wobei auf der entgegengesetzten Seite ein Befestigungsbereich liegt. Der Befestigungsbereich weist Befestigungselemente zur Befestigung der stationären Ladeschnittstelle an die Ladestation auf, während der Zuführungsbereich frei ist oder freilegbar ist, um so zu ermöglichen, dass fahrzeugseitige Kontakte herangeführt oder zugeführt werden können. Sind die fahrzeugseitige und die stationäre Ladeschnittstelle aneinander geführt (so dass sich eine elektrische leitende Verbindung zwischen Ladestation und Bordnetz des Fahrzeugs ergibt), ergibt sich ein gemeinsamer Zuführungsbereich für die stationäre und fahrzeugseitige Ladeschnittstelle; die Zuführungsbereiche der stationären und der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle überlappen sich und es wird die Verbindung zwischen Ladestation und fahrzeugseitigem Bordnetz hergestellt.
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Die Aufliegekontakte erstrecken sich entlang einer Grenzfläche des Zuführungsbereichs der stationären Ladeschnittstelle. Auch die Kontakte bzw. Leiter der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle erstrecken sich entlang einer Grenzfläche des Zuführungsbereichs der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle. Werden die Zuführungsbereiche (der stationären und der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle) in Übereinstimmung gebracht, berühren sich die Kontakte bzw. Leiter der fahrzeugseitigen und stationären Ladeschnittstelle und es ergibt sich ein leitender, ohmscher Kontakt.
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Die Aufliegekontakte der Ladestation können von Leiterschienen ausgebildet sein, die entlang einander verlaufen. Die Aufliegekontakte werden durch die Flächen oder äußeren Linien der Leiterschiene gebildet, die dem Zuführungsbereich der stationären Ladeschnittstelle zugewandt sind bzw. eine Grenzfläche zum Zuführungsbereich bilden. Die Leiterschiene bzw. die Aufliegekontakte können langgestreckt, geradenabschnittförmig oder flächig sein. Vorzugsweise haben die Aufliegekontakte ein Seitenverhältnis von mindestens 1:200, 1:100, 1:50 oder 1:20, können aber auch flächig ausgestaltet sein mit einem Seitenverhältnis von mehr als 1:20, 1:10 oder 1:5. Die Aufliegekontakte erstrecken sich entlang einer Seite der Ladestation, die derart ausgerichtet ist, dass Fahrzeuge seitlich oder frontal zu dieser Seite einen Platz einnehmen können. Die Breite des Seitenverhältnisses ist ein Abmaß der Aufliegekontakte senkrecht zu dieser Seite, die Länge ist ein Abmaß der der Aufliegekontakte entlang dieser Seite. Die Länge ist (üblicherweise) größer als die Breite. Die Leiterschienen sind aus einem metallischen (elektrisch leitenden) Werkstoff und können eine Isolationsschicht oder ein isolierendes Gehäuse aufweisen, das diese umgibt, jedoch die Aufliegekontakte freilässt. Es kann eine bewegliche Abdeckung vorgesehen sein, die die Aufliegekontakte in einer ersten Position freigibt und in einer zweiten Position diese abdeckt (und somit die Kontakte zum Zuführungsbereich hin abdeckt). Die Schienen bzw. Kontakte können versenkbar angeordnet sein. Die Aufliegekontakte können sich in der selben Ebene (nebeneinander) erstrecken, vorzugsweise parallel, oder können sich in unterschiedlichen Ebenen erstrecken, die vorzugsweise zueinander parallel sind und bezogen auf den Untergrund bzw. bezogen auf eine Befestigungsebene der stationären Ladeschnittstelle zueinander (in der Höhe) versetzt sind. Vorzugsweise weisen die Aufliegekontakte zueinander, so dass vorzugsweise nach außen gerichtete fahrzeugseitige Kontakte in diese eingreifen können. Die Kontakte oder Leiter der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle sind hierzu komplementär ausgebildet und können sich in der selben Ebene (nebeneinander) erstrecken, vorzugsweise parallel, oder können sich in unterschiedlichen Ebenen erstrecken, die vorzugsweise zueinander parallel sind und bezogen auf eine Befestigungsebene der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle zueinander (in der Höhe) versetzt sind. Die Aufliegekontakte können in der gleichen Höhe liegen oder können in der Höhe oder in Längserstreckungsrichtung der Kontakte zueinander versetzt sein.
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Die Leiterschienen der Ladestation können einen runden oder einen kreisförmigen Querschnitt (oder polygonalen Querschnitt) aufweisen, der die Aufliegekontakte linienförmig ausbildet. Alternativ weisen die Leiterschienen jeweils eine zum Zuführungsbereich gerichtete Fläche auf. Diese ist vorzugsweise eben. Die Flächen bilden hierbei die Aufliegekontakte aus. Hierbei können die Leiterschienen als Streifen ausgebildet sein, etwa als Blechstreifen, oder können einen anderen polygonalen Querschnitt aufweisen, wobei eine Kante des Polygons die Fläche ausbildet. Wie erwähnt kann bei einem polygonalen Querschnitt auch eine Ecke des Polygons die den Aufliegekontakt (linienförmig) ausbilden.
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Die Ladestation kann eine Bodenplattform (bzw. Befestigungsebene) und mindestens eine Hebemechanik aufweisen. Diese ist auf der Bodenplattform (bzw. an einer Seite in der Höhe der Befestigungsebene) befestigt. Die Hebemechanik lagert bzw. hält die Aufliegekontakte in veränderlichem Abstand zu der Bodenplattform bzw. zu der Befestigungsebene. Die Hebemechanik kann einen pneumatischen oder hydraulischen Längsaktuator aufweisen. Ferner kann die Hebemechanik einen elektromechanischen Längsaktuator aufweist, etwa ein Spindelgetriebe mit (elektrischen) Antrieb. Vorzugsweise weist die Hebemechanik einen Balg (als Aktuator) auf. Dessen Inneres ist an eine steuerbare Druckluftquelle anschließbar; der Innenraum des Balgs ist somit über einen Fluidanschluss von außen fluidisch anbindbar. Die Leiter bzw. Aufliegekontakte können zueinander schwenkbar ausgebildet sein mit einer ersten Position, in der diese zueinander parallel in der gleichen Ebene zum Zuführungsbereich gerichtet angeordnet sein, und mit einer zweiten Position, in der diese einander zugewandt sind. Die erste Position erlaubt eine wie beschriebenen physischen Zugriff auf die Kontakte über den Zuführungsbereich; in der zweiten Position sind die Aufliegekontakte nicht mehr über den Zuführungsbereich erreichbar und vor einem Zugriff verborgen. Die Hebemechanik kann eingerichtet sein, die Aufliegekontakte bzw. die betreffenden Leiter in einer ersten Position in einer Versenkung der Ladestation (örtlich getrennt von dem Zuführungsbereich) anzuordnen und in einer zweiten Position die Aufliegekontakte über dieser Versenkung und an dem Zuführungsbereich anzuordnen. Die erste Position wird in einem inaktiven Zustand der Ladestation bzw. der Ladeschnittstelle eingenommen; die zweite Position beim Laden oder bei der Vorbereitung des Ladens (= aktiver Zustand) .
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Die Ladestation kann eine Steuerung aufweisen, die ansteuernd mit der Hebemechanik verbunden ist und die eingerichtet ist, die beiden genannten Zustände anzusteuern. Die Steuerung kann ferner mit Trennschaltern und/oder einer Ladeelektronik ansteuernd verbunden sein, über die die Aufliegekontakte bzw. die Ladeschnittstelle mit einem Versorgungsnetzanschluss verbunden ist. Die Steuerung ist in der Lage, abhängig vom Zustand die Trennschalter zu öffnen oder zu schließen und/oder die Ladeelektronik zu aktiveren oder zu deaktivieren. Auch die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle kann eine derartige Hebemechanik aufweisen, insbesondere einen Aktor, der in der Lage ist, die betreffenden Leiter zum Fahrzeug hin in einer Versenkung zu versenken, und die Leiter wieder herauszufahren. Die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle kann eine Steuerung aufweisen, die mit einer fahrzeugseitigen Ladeelektronik und/oder Trennschaltern verbunden ist, und eingerichtet ist, die Ladeelektronik zu aktivieren oder deaktivieren bzw. die Trennschalter zu öffnen oder zu schließen.
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Die Hebemechanik (der stationären und/oder der fahrzeugseitigen) Ladeschnittstelle kann eine Krafterfassungsvorrichtung aufweisen. Dies kann in Form eines Kraft- oder Drucksensors dargestellt werden, der an die betreffenden Leiter oder Kontakte kraftübertragen angeschlossen ist und eingerichtet ist, die auf den Leiter oder den Kontakt wirkende Kraft zu messen. Alternativ kann eine Aktorsteuerung der Hebemechanik, etwa eine Motorsteuerung, einen Ausgang aufweisen, an dem ein Signal abgegeben wird, das die Leistung oder den Strom, mit dem die Hebemechanik (oder deren Antrieb) betrieben wird, wiedergibt. Da bei mechanischer Belastung der Strom der Hebemechanik höher ist als ohne mechanische Belastung, kann so anhand des Stroms bzw. der Spannung des Aktors der Hebemechanik die wirkende Kraft oder der wirkende Druck erfasst werden. Die Krafterfassungsvorrichtung kann mit der Steuerung verbunden sein. Die Steuerung kann eingerichtet sein, die Trennschalter nur dann zu schließen und/oder die Ladeelektronik nur dann zu aktivieren, wenn die erfasste Kraft über einem Grenzwert liegt. Zudem kann die Steuerung kann eingerichtet sein, die Trennschalter nur dann zu schließen und/oder die Ladeelektronik nur dann zu aktivieren, wenn die erfasste Kraft unter einem weiteren, höheren Grenzwert liegt. Der erstgenannte Grenzwert gibt an, dass die Kontakte ausreichend stark aufeinandergepresst werden, um einen Mindest-Übergangsleitwert zu erreichen. Der zweitgenannte Grenzwert entspricht einer mechanischen Überlastungsgrenze, oberhalb derer kein Strom durch die Ladestation fließen sollte, da ein mechanischer Fehler anliegen kann. Auch die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle kann derart ausgebildet sein und eine Krafterfassungseinrichtung bzw. Steuerung aufweisen.
Die Ladestation kann mehrere Potentiale oder Phasen aufweisen. Diese sind jeweils an einen Aufliegekontakt, an eine Leiterschiene oder Leiter angeschlossen. Pro Potential oder Phase liegt daher ein Kontakt vor. Alternativ können die Potentiale oder Phasen jeweils an mehrere, von unterschiedlichen Leiterschienen ausgebildete Aufliegekontakte angeschlossen sein. Dadurch wird die Stromtragfähigkeit vervielfacht und es ergibt sich eine Redundanz bei der Anbindung der Ladestation. Alternativ oder zusätzlich sind die Kontakte oder Leiter der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle können derart aufgebaut.
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Die Aufliegekontakte können gefedert gelagert sein. Die gefederte Lagerung kann in ein, zwei oder alle drei Raumdimensionen wirken. Die Aufliegekontakte können können senkrecht zu ihrem Längsverlauf und in die Richtung des Zuführungsbereichs gefedert gelagert sein. Die Aufliegekontakte können senkrecht zu ihrem Längsverlauf und in eine Richtung, in der die Aufliegekontakte nebeneinander angeordnet sind, gefedert gelagert sein. Die Aufliegekontakte können entlang ihres Längsverlaufs gefedert gelagert sein. Dies gilt ebenso für die Kontaktschienen. Alternativ oder zusätzlich sind die Leiter der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle können derart gelagert.
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Die Ladestation kann ferner mindestens ein Vibrationselement aufweisen, das vibrationsübertragend mit den Aufliegekontakten verbunden ist. Das Vibrationselement kann als eigenes Element an oder in der Hebemechanik untergebracht sein. Das Vibrationselement kann auch realisiert sein durch eine Aktuatorsteuerung des Aktuators der Hebemechanik, die eingerichtet ist, den Aktuator mit (im Vergleich zur Hebebewegungen) hoher Frequenz (> 10Hz, > 50 Hz, > 1kHz, > 5kHz oder > 20 kHz) in entgegengesetzte Richtungen zu bewegen. Das Vibrationselement kann als eigenes Element ausgestaltet sein in Form eines Piezoelements. Die Steuerung kann eingerichtet sein, das Vibrationselement zu aktivieren, wenn ein Kontaktwiderstand über einem Grenzwert liegt. Die Steuerung kann eingerichtet sein, den Kontaktwiderstand zu messen, aus elektrischen Größen abzuleiten, oder anhand von einer erfassten Kraft zu schätzen. Das Vibrationselement kann längs oder quer zum Längsverlauf der Aufliegekontakte wirken. Alternativ oder zusätzlich kann an den Leitern der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle ein entsprechendes Vibrationselement angebracht sein.
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Die Aufliegekontakte können von Flächen gebildet werden, die in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Alternativ sind die Flächen zueinander ausgerichtet, etwa in einem Winkel von weniger als 180°, 90°, 60° oder 30°. Die Leiter der fahrzeugseitigen Schnittstelle können hierzu komplementär ausgebildet sein, insbesondere zueinander in einem Winkel orientiert sein, der größer als 180°, 270°, 300° oder 330° ist.
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Die Aufliegekontakte verlaufen vorzugsweise entlang eines Rands der Ladestation verlaufen. Es ist vorgesehen, dass Fahrzeuge entlang oder parallel zu diesem Rand anhalten können. Es kann ein Stellplatz, insbesondere ein Markierung, vorgesehen sein, die eine Linie entlang des Rands aufweist oder darstellt.
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Es kann eine bewegliche Abdeckung, ein beweglicher Mantel oder ein ein- und ausfahrbares Teleskoprohr zum Schutz der Kontakte oder Schienen oder Leiter vorgesehen sein. In einer ersten Position wird der Kontakt, die Schiene oder der Leiter abgedeckt, insbesondere in Richtung des Zugriffsbereichs, und in einer zweiten Position ist der Kontakt, die Schiene oder der Leiter in Richtung des Zugriffsbereichs offen und von diesem aus (elektromechanisch) zugreifbar. Auch die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle kann derart mit einem (beweglichen) Schutz ausgebildet sein.
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Als Kontakte werden hier auch verkürzend die Kontaktschienen bezeichnet. Dies gilt für die Ladestation als auch für die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle. Die Aufliegekontakte sind insbesondere wie Schleifkontakte ausgebildet; Schleifkontakte ermöglichen einen in einer Richtung ortsvariablen Kontakt. Diese Eigenschaft wird auch bei den hier beschriebenen Ladeschnittstellen genutzt, indem der Kontakt in unterschiedlichen Orientierungen hergestellt werden kann.
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Die Ladestation kann ferner eine Überwachungseinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, festzustellen, ob maximale Abstände oder maximale Winkel zwischen stationärer und fahrzeugseitiger Ladeschnittstelle nicht überschritten werden, bzw. die in der Lage ist, eine zum Laden geeignete Position des Fahrzeugs (bzw. der fahrzeugseitiger Ladeschnittstelle) von einer ungeeigneten Position zu unterscheiden. Werden die Abstände oder Winkel überschritten oder ist die Position ungeeignet, dann steuert die der Überwachungseinrichtung nachgeschaltete Steuerung die betreffenden Trennschalter in einen offenen Zustand bzw. unterdrückt ein Schließen der Trennschalter oder deaktiviert die Ladeelektronik oder unterdrückt ein Aktivieren der Ladeelektronik.
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Die Überwachungseinrichtung kann optisch, bildgebend, akustisch oder funkbasiert ausgebildet sein. Als optische Ausbildung können Lichtschranken vorgesehen sein. Eine bildgebende Variante wäre die Erfassung der Position der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle bzw. des Fahrzeugs gegenüber der Ladestation. Als akustische Überwachungsmöglichkeit können die Präsenz und/oder die Orientierung des Fahrzeugs mittels ein oder mehrerer Ultraschall-Abstandssensoren ermittelt werden. Alternativ können LIDAR-Abstandssensoren verwendet werden. Insbesondere kann ein aktiver Sender oder passiver Transponder verwendet werden, der in der Nähe der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle angeordnet ist. Ein entsprechender Empfänger kann an der Ladeschnittstelle der Ladestation vorgesehen sein. Sender bzw. Transponder einerseits und vorzugsweise auch Empfänger andererseits haben vorzugsweise eine geringe Reichweite von wenigen Metern, insbesondere weniger als 1 m oder 50 cm. Nur dann, wenn die Reichweite des Sender oder des Transponders ausreicht, um von dem Empfänger erfasst zu werden, wird die Ladeelektronik aktiviert bzw. ein Sperren des Aktivierens aufgehoben. Dies gilt auch die den Schließzustand des Trennschalters. Die Reichweite des Senders oder Transponders entspricht der von den Ladeschnittstellen abdeckbare Bereich, in dem Kontakt hergestellt werden kann.
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Es kann ferner ein elektromechanischer oder optischer Abstandssensor vorgesehen werden (als Teil der Ladestation oder der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle), der eingerichtet ist, zu ermitteln, ob Abstand zwischen den fahrzeugseitigen Kontaktschienen und den Aufliegekontakten der Ladestation unter einer vorgegebenen Grenze liegt oder nicht. Wird die Grenze nicht unterschritten, dann werden Trennschalter und/oder Ladeelektronik in einen inaktiven Zustand gebracht (entsprechend geöffneten Trennschaltern und deaktivierter Ladeelektronik bzw. es wird ein aktivieren der Ladeelektronik bzw. ein Schließen der Trennschalter unterbunden). Ein derartiger Abstandssensor ist der Steuerung vorgeschaltet (als Eingabe für die Steuerung) . Der Abstandssensor kann optisch, etwa im Sinne einer Lichtschranke oder eines LIDARs, bildgebend als elektronische Kamera oder als akustischer Abstandssensor oder als elektromechanischer Taster, Drucktaster oder Schalter vorgesehen sein. Ferner kann ein Aktuator oder eine Steuerung oder ein Sensor der Hebemechanik verwendet werden, um den Abstand zu bestimmen.
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Zudem kann an den Leiterschienen oder Aufliegekontakten und/oder an den Stromabnehmerleitern ein Magnetelement vorgesehen sein, entweder in Form einer Spule (deren Kern von einer Schiene oder einem Leiter gebildet sein kann oder deren Kern hiermit verbunden ist), oder in Form eines Permanentmagneten. Dadurch wird die Anpresskraft zwischen der stationären Ladeschnittstelle und der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle erhöht. Falls sowohl stationär als auch fahrzeugseitig Magnetelemente wie Permanentmagnete vorliegen, kann durch die abstoßende Wirkung zwischen gleichen Magnetpolen ein unbeabsichtiger Kontakt zwischen den betreffenden Leitern bzw. Schienen vermieden werden.
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Es wird ferner eine Ladeschnittstelle zum konduktiven Laden eines Fahrzeugs beschrieben, die wie voranstehend erwähnt ausgebildet sein kann. Die Ladeschnittstelle weist mehrere Stromabnehmerleiter auf. Diese erstrecken sich nebeneinander, entweder in der gleichen Höhe, in unterschiedlicher Höhe, oder sind in Längsrichtung der Leiter zueinander versetzt. Die Stromabnehmerleiter grenzen an einen Zuführungsbereich an. Die Stromabnehmerleiter erstrecken sich entlang einer Grenzfläche der Stromabnehmerleiter, die an den Zuführungsbereich angrenzt. Die Stromabnehmerleiter definieren Kontaktflächen, die zum Zuführungsbereich hin gewandt sind. Diese Kontaktflächen bzw. Stromabnehmerleiter sind eingerichtet, die Aufliegekontakte kreuzend zu kontaktieren, vorzugsweise in einem Winkel mit einem Betrag von im Wesentlichen 90° oder in einem Winkel zwischen 45° und 135° oder in einem Winkel zwischen 60° und 150° oder in einem Winkel zwischen 80° und 100°. Hierzu sind die Stromabnehmerleiter quer zur Längsachse ausgerichtet (vorzugsweise mit einem Winkel von 90° zur Längsachse). Die Aufliegekontakte erstrecken sich hingegen vorzugsweise senkrecht hierzu (während des Ladevorgangs) und sind entlang einer Kante der Ladestation ausgerichtet, entlang der das Fahrzeug abgestellt werden kann.
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Die Ladeschnittstelle kann Fahrzeugbefestigungselemente bzw. eine Befestigung aufweisen, die eingerichtet sind, die Ladeschnittstelle an ein Fahrzeug in einer Orientierung zu montieren, gemäß der sich die Stromabnehmerleiter in einer Richtung erstrecken, die sich von einer Kante des Fahrzeugumrisses weg erstreckt, bzw. in einer Richtung, die der Längsachse (oder Querachse) des Fahrzeugs im Wesentlichen entspricht (mit einem maximalen Winkelabweichungsbetrag von nicht mehr als 2°, 5°, 10°, 20° oder 30°).
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Die Ladeschnittstelle kann eine bewegliche Abdeckung aufweisen. Diese deckt in einer ersten Position die Stromabnehmerleiter ab. In einer zweiten Position sind die die Stromabnehmerleiter zu dem Zuführungsbereich hin freigegeben. Ferner können die Stromabnehmerleiter dreh- oder schwenkbar gelagert sein und jeweils einen Kontaktabschnitt (entsprechend einer Kontaktfläche) aufweisen, der in einer ersten Position zu dem Zuführungsbereich hin gerichtet. In einer zweiten Position sind die Stromabnehmerleiter von dem Zuführungsbereich abgewandt. Zudem können die Stromabnehmerleiter beweglich gelagert sein und zum Fahrzeug hin versenkbar sein. Die Stromabnehmerleiter sind insbesondere zum Abdeckungsbereich hin und in eine vom Abdeckungsbereich weg weisende Richtung oder in eine vom Abdeckungsbereich weg weisende Vertiefung der Ladeschnittstelle versenkbar.
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Die Aufliegekontakte bzw. die betreffenden Stromschienen der stationären Ladeschnittstelle sind vorzugsweise mindestens 20 cm, mindestens 50 cm, mindestens 1 m oder mindestens 2 m lang. Dadurch kann die Position der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle stark variieren, während dennoch eine elektrische Verbindung geschaffen werden kann. Die fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle ist insbesondere in einer Vertiefung angeordnet und kann mittels einer Mechanik wie erwähnt vorzugsweise herausgefahren werden. Die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle hat Stromabnehmerleiter bzw. zugehörige Kontaktflächen, die mindestens 10 cm, 20 cm, mindestens 50 cm, oder mindestens 1 m lang sind. Auch diese sind vorzugsweise beweglich gelagert und lassen sich insbesondere in einer Vertiefung im Fahrzeugboden (an dem die Ladeschnittstelle befestigt sein kann) versenken.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Verbinden einer Ladeschnittstelle eines Fahrzeugs mit einer stationären Ladeschnittstelle beschrieben. Die Ladeschnittstellen sind wie hierin beschrieben ausgebildet. Die Stromabnehmerleiter der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle werden in Kontakt mit den Aufliegekontakten der stationären Ladeschnittstelle gebracht. Jeder Stromabnehmerleiter wird mit einem anderen oder mit einer unterschiedlichen Untergruppe der Aufliegekontakten in Kontakt gebracht. Die Stromabnehmer und die Aufliegekontakte sind jeweils länglich und kreuzen sich. Die Mittelachsen der Stromabnehmerleiter und die Aufliegekontakte verlaufen windschief zueinander und die Stromabnehmerleiter berühren die Aufliegekontakte jeweils an einem Punkt. Danach wird der Ladeprozess begonnen. Vor dem Beginn des Ladeprozesses kann mindestens eine Sicherheitsabfrage durchgeführt werden. Hierbei kann der Anpressdruck und/oder der Abstand zwischen den Aufliegekontakten und den Stromabnehmerleitern mit jeweiligen Grenzwerten verglichen werden. Alternativ oder in Kombination hiermit kann der Kontaktleitwert ermittelt werden und mit einem Grenzwert verglichen werden. Ist der Anpressdruck zu niedrig oder der Abstand zu hoch, wird kein Ladeprozess durchgeführt bzw. ein Ladestart unterbunden. Ist der Kontaktleitwert zu hoch, kann ebenso vorgesehen sein, dass kein Ladeprozess durchgeführt wird bzw. ein Ladestart unterbunden wird. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die oben beschriebene Vibration ausgeführt werden, so dass Reibung zwischen den Aufliegekontakten und den Stromabnehmerleitern auftritt, um Verunreinigungen oder Oxidschichten der betreffenden Oberflächen zu entfernen. Zudem kann die Positionierung der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle (und somit des Fahrzeugs) gegenüber der Ladestation auf Eignung für einen Ladeprozess überprüft werden. Die ladestationsseitigen Aufliegekontakte und die fahrzeugseitigen Stromabnehmerleiter kreuzen sich an unterschiedlichen Punkten (die zueinander in der Höhe oder in einer Ebene versetzt sind, in der sich die Leiter bzw. Kontakte befinden).
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Zudem kann während dem Ladeprozess der Kontaktleitwert überprüft werden, entweder durch Messen des Leitwerts bei niedriger Spannung (Prüfspannung < 60 V, oder < 10V), Messen des Stroms oder Ermitteln des Stroms aus anderen Größen oder Erfassen der übertragenen Leistung oder durch die Erfassung einer Temperatur einer der Ladeschnittstellen oder beider Ladeschnittstellen (insbesondere die Temperatur der Aufliegekontakte oder der Leiter). Ist der Strom oder die Leistung geringer als ein Grenzwert, wird der Ladeprozess unterbrochen. Ist die Temperatur über einem Grenzwert, wird der Ladeprozess unterbrochen. Ferner kann die von der Ladestation abgegebene Leistung mit der vom Fahrzeug aufgenommenen Leistung verglichen werden, um eine einer Differenz größer als ein Grenzwert den Ladeprozess abzubrechen (dies kann auch den Strom betreffen). Zudem kann auch eine Isolationsprüfung durchgeführt werden. Die Ladestation kann eine Vorrichtung hierzu aufweisen. Weist die Isolationsprüfung auf eine mangelhafte Isolation hin, wird der Ladeprozess abgebrochen.
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Vor dem Herstellen des Kontakts zwischen den Ladeschnittstellen kann ein Ladewunsch abgegeben werden und es kann eine Ladeposition rückgemeldet werden. Es können Ladesystemparameter ausgetauscht werden (Stromart, Maximalstrom, Nominalstrom, Spannungslage), um die einzustellenden Ladeparameter festzulegen.
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Ein beispielhaftes Verfahren ist im Folgenden dargestellt:
- 1. Fahrzeug nähert sich und teilt über Funk (etwa per WLAN, einem Mobilfunkstandard oder einem anderen drahtlosen Übertragungsprotokoll) den Ladewunsch an die Infrastruktur (d.h. an die Ladestation) mit
- 2. Zwischen beiden Teilsystemen (stationäre Ladestation und fahrzeugseitige Ladestation) werden spezifische (Lade-)Daten, d.h. Ladeparameter ausgetauscht
- 3. Fahrzeug positioniert nach Ladefreigabe und Kompatibilitätsprüfung an der Ladestation
- 4. Isolationsprüfung und Öffnen der Abdeckungen (welche die Ladeschnittstellen abdecken). Dadurch wird der Zuführungsbereich beider Ladeschnittstellen jeweils freigegeben.
- 5. Kontakt wird durch Ausfahren der stationsseitigen Leiter und/oder der fahrzeugseitigen Aufliegekontakte bzw. Kontaktschienen als Doppelkreuzbrücke (bei zwei Leitern) hergestellt.
- 6. Erneute Isolationsprüfung und Berührerkennung (Anpressdruck)
- 7. Ausfahren des mechanischen Schutzes (Ummantelung)
- 8. Aufbau des Nahfeld-Sicherheitssignals (drahtlos), bei dessen ausbleiben die Ladestation deaktiviert wird
- 9. Spannungstest auf niedrigem Niveau, elektrische Kontaktprüfung zur Ermittlung des Kontaktleitwerts
- 10. Ggf. Kontaktreinigung durch Vibration
- 11. Hochfahren der Ladeleistung auf Wunschniveau (d.h. auf eine vorgegebene bzw. festgelegt Sollleistung)
- 12. Wiederholte Sicherheitsüberprüfung während des Ladens bis zum Herunterfahren und Abschalten (etwa bei Erreichen des Sollladezustands) .
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Es kann insbesondere zu Schritt 7 eine bewegliche Abdeckung vorgesehen sein, entweder auf der Seite der Ladestation oder fahrzeugseitig, die vor dem Beginn des Ladeprozesses den Zuführungsbereich nach außen abschirmen kann (in einer ersten Position) und die beim Zusammenführen der Ladeschnittstellen in einer zweiten Position die Ladeschnittstellen nicht abdeckt, insbesondere nicht den Zuführungsbereich (der Ladestation oder der fahrzeugseitigen Schnittstelle).
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- Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der hier beschriebenen Gegenstande und Vorgehensweise .
- Die 2 zeigt eine Seitenansicht zur Erläuterung der hier beschriebenen Gegenstande und Vorgehensweise.
- Die 3 - 5 dienen zur näheren Erläuterung möglicher Kontaktierungsweisen und stellen Seitenschnitte dar.
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In der 1 ist eine Ladestation LS mit einer Ladeelektronik LE dargestellt, die zweipolig mit einem ersten Leiterschienen L1 und L2 der Ladestation LS verbunden sind. Die Leiterschienen L1 und L2 können beispielsweise positives und negatives Potential führen. Symbolhaft dargestellte Hebemechaniken HM1, 2 dienen zum individuellen heben oder senken der Leiterschienen L1, L2. Die Leiterschienen L1, L2 bilden die Ladeschnittstelle. Dargestellt ist ferner eine mit der Ladestation zweipolig verbundene fahrzeugseitige Ladeschnittstelle mit den Abgriffen bzw. Stromabnehmerleitern AB1, AB2. Diese kreuzen die Leiterschienen L1, L2 an unterschiedlichen Stellen und es ergibt sich jeweils ein körperlicher, leitender Kontakt. Ein Fahrzeugbordnetz FB, das mit den Stromabnehmerleitern AB1, AB2 verbunden ist (symbolhaft durch die Doppelpfeile dargestellt), kann so mit der Ladeeinheit verbunden sein. Es ist ersichtlich, dass die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle in der Fahrebene in zwei Richtungen versetzbar ist, ohne dass der Kontakt dadurch abbricht. Dies sind die Richtungen, in denen sich die Stromabnehmerleitern AB1, AB2 und die Leiterschienen erstrecken. Die Aufliegekontakte AK1, AK2 werden von den Leiterschienen L1, L2 gebildet. Auf diesen liegen die Stromabnehmerleitern AB1, AB2 auf, so dass sich der Kontakt ergibt.
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In der Seitenansicht der 2 ist dies näher dargestellt: Die zwei Leiterschienen L1, L2 bilden jeweils Aufliegekontakte, so dass zwei Aufliegekontakte AK1, AK2 bestehen. Die Aufliegekontakte AK1, AK2 sind in der Kontaktebene KE, in der die Stromabnehmerleiter AB1, AB2 auf den Aufliegekontakten AK1, AK2 aufliegen. Die Kontaktebene KE bildet die Grenzfläche, an der der Zuführungsbereich ZB an die Leiterschienen L1, L2 angrenzt. Die Stromabnehmerleiter AB1, AB2 sind Teil der fahrzeugseitigen Ladeschnittstelle und die Leiterschienen L1, L2 sowie die zugehörigen Aufliegekontakte AK1, AK2 sind Teil der Ladestation LS. Die Ladestation bzw. die stationäre Ladeschnittstelle reicht bis zur Kontaktebene. Es schließt sich die fahrzeugseitige Ladeschnittstelle an, die die Stromabnehmerleiter AB1, AB2 aufweist. Die Stromabnehmerleiter AB1, AB2 sind mit dem Fahrzeugbordnetz FB des Fahrzeugs verbunden. Auf einer Bodenplatte BP (bzw. Befestigungsebene) der Ladestation LS sind die Hebemechaniken HM1, HM2 befestigt. Die Hebemechaniken HM1, HM2 tragen die die Leiterschienen L1, L2, so dass diese in ihrer Höhe (gegenüber der Bodenplatte BP) verstellbar sind.
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Ferner ist der Zuführungsbereich ZB der Ladestation LS bzw. der ladestationsseitigen Ladeschnittstelle dargestellt. Der Zuführungsbereich ZB (strichpunktiert) grenzt an die Aufliegekontakte AK1, AK2 an. Die Stromabnehmerleiter AB1, AB2 wurden in diesen Zuführungsbereich ZB hinein bewegt.
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Die Stromabnehmerleiter AB1, AB2 erstrecken sich längs, wie in der 1, von links nach rechts (bezogen auf die Zeichenebene) . Die Leiterschienen L1, L2 erstrecken sich in der 2 senkrecht zur Zeichenebene und in der 1 von vorne nach hinten. Die Leiterschienen L1, L2 sind senkrecht zu den Stromabnehmerleiter AB1, AB2; es ergeben sich zwei sich kreuzende Leiterelemente (d.h. die jeweiligen Schienen und Stromabnehmerleiter). Die Leiter sind mit einem kreisrunden Querschnitt dargestellt. Eine Abflachung der Leiterschienen L1, L2 an den Aufliegekontakten AK1, AK2 hätte flächige (und nicht wie dargestellte linienförmige) Aufliegekontakte zur Folge. Auch die Leiterschienen L1, L2 können zu deren Zuführungsbereich ZB hin abgeflacht sein.
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Der Stromabnehmerleiter AB1 ist zum Stromabnehmerleiter AB2 in Längsrichtung der Leiter verschoben. Vom Stromabnehmerleiter AB2 ist nur der rechte (End-)abschnitt dargestellt. Die Stromabnehmerleiter AB1 und AB2 können zueinander in der Höhe versetzt sein, so dass sich zueinander versetzte Kontaktebenen für die Stromabnehmerleiter bzw. für die Aufliegekontakte AK1, AK2 ergeben. Die Aufliegekontakte AK1, AK2 sind in den 1 und 2 gerade bzw. eben.
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In der 2 ist beispielhaft ein Vibrationselement V dargestellt, das Vibrationen erzeugen und gemäß dargestelltem Pfeil an die Leiterschiene L1 (oder auch an alle Leiterschienen) übertragen kann. Das Vibrationselement V wird aktiviert, wenn sich auf dem Aufliegekontakt AK1 (oder auf dem Aufliegekontakt AK2 oder an mindestens einer Leiterschiene) Ablagerungen befinden und durch Vibration und Kontakt mit dem Stromabnehmerleiter AB1 (oder beiden Stromabnehmerleitern) diese weggerieben werden sollen. Anstatt einer Vibration ist auch eine langsamere, sich wiederholende Bewegung möglich, die entlang einer Ebene ausgeführt wird, entlang der sich ein Aufliegekontakt erstreckt. Die Aufliegekontakte können eben verlaufen sind vorzugsweise aufgerauht.
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In der 3 ist ein Stromabnehmerleiter AB1 dargestellt, der nach innen gewölbt ist. Grundsätzlich sind in der 3 zwei unterschiedliche Stromabnehmerleiter AB1 möglich, wovon einer vom linken Teil und ein weiterer vom rechten Teil des betreffenden, elektrisch leitenden Elements ausgebildet wird. Jedoch wird in der 3 nur der Kontakt zu einer einzelnen Leiterschiene L1 dargestellt (die Ladestation würde mehrere der Kontakte umfassen). Die Leiterschiene L1 (ladestationsseitig) trägt hier ein positives Potential +. Eine Hebemechanik HM1 der Ladestation ist eingerichtet, die Höhe der Leiterschiene L1 variabel zu gestalten. Der dargestellte zweiteilige Stromabnehmerleiter AB1 erzeugt ein Zusammenpressen der (kreiszylindrischen) Leiterschiene L1, wenn diese in den Stromabnehmerleiter AB1 hinein bewegt wird; eine entsprechende Druckfeder DF, die die beiden Teile des Stromabnehmerleiters AB1 rotatorisch zusammenpresst, ist symbolhaft dargestellt. Die gestrichelte Linie bildet die Schnittstelle zwischen Ladestation und fahrzeugseitiger Ladeschnittstelle.
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Die 4 zeigt eine Variante der Ausführung der 3, bei der zwei einzelne Teile die Stromabnehmerleiter AB1 und AB2 bilden, welche von der Druckfeder DF der 3 zusammengedrückt werden. Entsprechend ergibt sich eine zweiteilige Ausbildung der Ladeschienen L1 und L2: beide haben einen halbkreisförmigen Querschnitt, wobei die sich ergebenden flachen Abschnitte der beiden Ladeschienen L1 und L2 einander zugewandt sind. Beispielsweise in Isolator IS zwischen den Ladeschienen L1 und L2 kann vorgesehen sein, um die beiden Ladeschienen L1 und L2 elektrisch zu trennen, während sie mittels des Isolators IS miteinander körperlich verbunden sind. Konsequenterweise besteht nur eine Hebemechanik HM1 für beide (d.h. alle) Ladeschienen L1 und L2. Die Ladeschienen sind daher körperlich miteinander verbunden. Es besteht ein erster Stromabnehmerleiter AB1 für die erste Ladeschiene L1 (d.h. für ein positives Potential) und ein zweiter Stromabnehmerleiter AB2 für die zweite Ladeschiene L1 (d.h. für ein negatives Potential). Die Ladeschienen können daher miteinander körperlich verbunden realisiert werden. Gleiches gilt für die Stromabnehmerleiter AB1, 2 bzw. für die Leiterschienen L1 und L2. Isolatoren können zur körperlichen Verbindung der betreffenden leitenden Komponenten (wie beschrieben) verwendet werden. Eine (einzige) Hebemechanik kann dann die Stromabnehmerleiter und/oder die Leiterschienen bewegen. Die gestrichelte Linie bildet die Schnittstelle zwischen Ladestation und fahrzeugseitiger Ladeschnittstelle.
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In der 5 sind konusförmige Ladeschnittstellen dargestellt. Stromabnehmerleiter AB1 und AB2 sind durch eine Isolationsschicht IS elektrisch getrennt, jedoch körperlich verbunden. Der Stromabnehmerleiter AB1 führt ein Minuspotential - und der Stromabnehmerleiter AB2 führt ein Pluspotential +. Es besteht eine konusförmige Ausnehmung, die sich durch die Stromabnehmerleiter hindurch erstreckt. Der Stromabnehmerleiter AB1, der Isolator IS und der Stromabnehmerleiter AB2 sind gestapelt angeordnet. Die Ausnehmung ist in der Form eines Konus ', dessen Mittelachse sich in Richtung der Stapelung erstreckt, d.h. entlang der Normalen der Schnittstellen zwischen Isolator und Stromabnehmnerleiter bzw. entlang der Normalen der Isolatorschicht IS. Die stationäre Ladeschnittstelle ist hierzu komplementär ausgebildet, indem die Ladeschienen L1 und L2 und eine zwischengelegte Isolatorschicht ebenso konusförmig sind. Entlang der Mittelachse des Konus sind die Ladeschienen L1 und L2 (hier in Form von Ladekörpern) übereinander gestapelt. Ein erster leitender Ring R1 erstreckt sich umfänglich um die erste Ladeschiene L1 und ein zweiter leitender Ring R2 erstreckt sich umfänglich um die erste Ladeschiene L2. Die Ladeschiene L1 bildet die Spitze des Konus'. Die Ladeschiene L2 bildet einen Kegelstumpf, der sich an L1 anschließt. Die Ringe haben vorzugsweise elastische Eigenschaften, um so den Kontakt zwischen den Ladeschnittstellen (in mechanischer Sicht) zu verstärken.
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Eine gemeinsame Hebemechanik HM1 für die beiden Ladeschienen L1, L2, ist lediglich symbolhaft dargestellt und ermöglicht eine Höheneinstellung bzw. die Möglichkeit, die Ladeschienen teilweise oder vollständig zu versenken. Mittels einer gefederten Lagerung FL (dargestellte Zylinderfeder) sind die Ladeschienen elastisch gelagert. Dies ermöglicht eine Anpassung an geringfügige Verschiebungen zwischen den Ladeschnittstellen.
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Es ist in den 1-5 zu erkennen, dass die Außenseiten der Ladeschienen L1, L2, welche die Aufliegekontakte bilden, den entsprechenden Kontaktflächen der Stromabnehmerleiter AB1 und AB2 zugewandt sind. Ferner sind diese komplementär zueinander ausgebildet, insbesondere in den 3-5.
