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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung zur elektrischen Trennung einer Spannungsquelle von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei die Sicherheitsvorrichtung zumindest ein Bauteil mit zumindest einer Sollbruchstelle aufweist, das irreversibel zerstörbar ist und zerstört eine elektrische Trennung bewirkt, ein Bordnetz mit einer derartigen Sicherheitsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug ein vorgenanntes Bordnetz aufweisend.
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Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Brennstoffzellen werden üblicherweise zu Stapeln zusammengefasst, die in Bordnetze von Brennstoffzellenfahrzeugen/Elektrofahrzeugen integriert sind. Unter Bordnetzen wird die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten des Fahrzeuges verstanden. Diese Bordnetze weisen Batterien (Traktionsbatterien) zur Zwischenspeicherung der durch die Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Energie auf. Um die notwendige Leistung für diese Fahrzeuge bereitzustellen wird üblicherweise eine gegenüber 12-Volt-Bordnetzen deutlich erhöhte Spannung von mehreren hundert Volt (Hochvolt) verwendet.
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Aufgrund der hohen Spannungen, die in derartigen Bordnetzen anliegen, können von diesen beispielsweise im Falle eines Unfalls Gefahren für Rettungskräfte und beim Löschen des Fahrzeugs im Brandfall ausgehen. So können Helfer einen elektrischen Schlag im Bereich von mehreren hundert Volt erleiden, der tödlich sein kann.
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Um derartige Gefahren zu reduzieren, sind verschiedene Möglichkeiten bei der Ausgestaltung derartiger Systeme bekannt.
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So ist aus der
DE102008006026A1 eine Sicherheitseinrichtung für nach galvanischen Prinzipien arbeitende elektrische Einrichtungen bekannt, die ein mechanisches Trennelement aufweist, das eine Batterie oder eine Brennstoffzelle mithilfe von einer in einer Feder gespeicherten Energie zerstört.
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In der
DE102012215066A1 wird ein Steckverbinder für ein Hochvolt-Batteriesystem beschrieben, der ein Trennelement aufweist, mit dem nach einem Unfall eine stromführende Verbindung einer Brennstoffzelle irreversibel von dem Kraftfahrzeug getrennt wird, wenn eine von eine von einer Steuerung nicht vorgegebene Öffnung des Steckverbinders erfolgt.
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Die
DE102016101252A1 offenbart Hochvoltbordnetzsystem mit einer pyrotechnischen Trennvorrichtung, die eine Brennstoffzelle bei einem Unfall irreversibel vom Hochvoltbordnetz trennt;
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung für ein Bordnetz bereitzustellen, die bei einem Schadensfall, die Gefahr eines elektrischen Schlages verhindert oder zumindest reduziert..
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Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsvorrichtung, ein Bordnetz und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß wird eine Sicherheitsvorrichtung zur elektrischen Trennung einer Spannungsquelle von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt , wobei die Sicherheitsvorrichtung zumindest ein Bauteil mit zumindest einer Sollbruchstelle aufweist, das irreversibel zerstörbar ist und zerstört eine elektrische Trennung bewirkt, wobei die zumindest eine Sollbruchstelle ausgelegt ist, bei einem vorgegebenen Wert einer auf das Bauteil einwirkenden Kraft zu brechen, wobei der Wert zwischen einem bei Betriebsbedingungen maximal auftretenden Wert und einem bei einer negativen Beschleunigung, die zu einer Schädigung der Spannungsquelle und/oder einer Komponente des Bordnetzes führen kann, auftretenden Wert liegt.
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Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäße Bereitstellung einer Sicherheitsvorrichtung und insbesondere des Einsatzes zumindest eines Bauteils mit zumindest einer genau definierten Sollbruchstelle sichergestellt werden, dass nach einer Schädigung des Kraftfahrzeugs oder zumindest eines Teils der Komponenten des Bordnetzes keine Gefahr gegeben ist, da nach Einritt eines Schadensfalles keine leitenden Bauteile mehr zugänglich sind.
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Die Vorgabe der Sollbruchstelle bzw. des Wertes für eine darauf einwirkende Kraft ist derart, dass dieser größer ist als eine maximal bei allen üblichen Betriebszuständen eines Kraftfahrzeugs auftretende und auf das Bauteil einwirkende Kraft. Insbesondere ist zudem die Vorgabe des oberen Wertes des Bereiches von Bedeutung. Dieser soll derart bemessen sein, dass eine Trennung eintritt, sobald nur die Möglichkeit einer Schädigung der Komponenten eines Bordenetzes besteht.
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Bevorzugterweise weist die Sicherheitsvorrichtung eine Wirkeinrichtung zur Verbringung eines Verbinders oder zumindest eines Teils des Verbinders der Spannungsquelle mit dem Bordnetz von einer ersten Position in mindestens eine zweite Position bewirkt, wobei die Wirkeinrichtung direkt oder indirekt mit dem Bauteil mit der zumindest einen Sollbruchstelle verbunden ist. Anschließend sind der Verbinder oder unter Spannung stehende Teile des Verbinders nicht mehr frei zugänglich, so dass Personen nicht gefährdet werden können.
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Bevorzugterweise ist es vorgesehen, dass der Verbinder oder der verbrachte Teil des Verbinders in der zweiten Position in einem Raum, der durch ein Bauteil des Bordnetzes oder ein Gehäuse eines Bauteils definiert ist, befindlich ist, so dass der Verbinder oder der Teil des Verbinders abgeschirmt ist.
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Durch diese Ausgestaltung kann vorteilhafterweise der Trennvorgang beschleunigt werden, so dass eine möglicherweise bestehende Gefahr ausgehend von einem defekten Bordnetz wirksam zeitlich minimiert werden kann.
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Bevorzugterweise ist die Wirkeinrichtung zumindest ein Federelement oder zumindest ein pyrotechnisches Element, wobei ein Federelement bevorzugt ist, da dieses eine technisch sehr einfach zu realisierende und wirtschaftliche Variante ist.
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Das zumindest eine Federelement wird in vorgespannten Zustand am Verbinder oder zumindest einem Teil des Verbinders angeordnet. Das zumindest eine Federelement kann sich dabei auch anderen Bauteilen, beispielsweise an einem Gehäuse der Spannungsquelle abstützen. Entscheidend ist, dass der Verbinder oder die Teile des Verbinder durch die Wirkeinrichtung in eine Position gebracht werden, in der eine elektrische Trennung vom Bordnetz gegeben ist.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbinder ein Steckverbinder mit einem Stecker und einer Buchse, der mit mindestens einem Befestigungsmittel versehen ist, das das Bauteil mit Sollbruchstelle darstellt und das den Stecker und die Buchse in Relation zueinander fixiert.
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Diese Ausführungsform lässt sich vorteilhafterweise sehr einfach realisieren, da die Befestigungsmittel, die ohnehin vorzusehen sind, mit zumindest einer Sollbruchstelle zu versehen sind. Beispielsweise sind als Befestigungsmittel Scherstift geeignet, mit denen die Buchse der Verbinders mit dem Stecker fixiert werden können. Scherstifte weisen eine Sollbruchstelle auf, die bei einer erfindungsgemäß vorgegebenen Kraft abscheren.
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Als Wirkeinrichtung können bei dieser Ausführungsform Federelemente eingesetzt werden, die in Hohlräumen der Buchse, d.h. in einem Isoliermaterial, in das die Buchse eingearbeitet ist, angeordnet sind. Dabei stützen sich die Federelement im Hohlraum an der Buchse ab und gleichzeitig am Gehäuse des Spannungsquelle. Sobald die Scherstifte wegbrechen, drücken die Federelemente Stecker und Buchse auseinander.
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Steckverbinder können vielfältig ausgebildet sein, wobei die vorab beschriebene Variante lediglich eine bevorzugte Variante des Steckverbinders darstellt, ohne darauf beschränkt zu sein.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Verbinder ein längserstrecktes, elektrisch leitfähiges Verbindungselement sein, das direkt oder indirekt an der Spannungsquelle angeordnet ist und diese mit dem Bordnetz verbindet. Optional kann diese Variante des Verbinders auch das das Bauteil mit der Sollbruchstelle darstellen.
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Das längserstreckte Verbindungselement kann beispielsweise durch ein Gehäuse einer Spannungsquelle geführt sein und dort hinausragen, wobei es den Stecker eines Steckverbinders ausbildet.
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So kann beispielsweise in dem Bereich, in dem sich das längserstreckte Verbindungselement von der Spannungsquelle zu einem Gehäuse der Spannungsquelle erstreckt mit einer oder mehr Sollbruchstellen versehen sein, wobei eine Wirkeinrichtung, vorzugsweise ein Federelement benachbart zur Spannungsquelle und benachbart zum Gehäuse am längserstreckten Verbindungselement in vorgespannten Zustand festgelegt ist.
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Im Schadensfall gibt das längsersteckte Verbindungselement nach und knickt ein und/oder bricht unter Einfluss der Wirkeinrichtung weg, so dass innerhalb des Gehäuses eine Trennung erfolgt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass diese nicht versehentlich bei Wartungstätigkeiten unabsichtlich manipuliert bzw. geschädigt werden kann, wie ein außen am Gehäuse liegender Steckverbinder.
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Diesen Vorteil bietet ebenfalls eine Sicherheitsvorrichtung, bei der die Spannungsquelle mit einer Kompressionsvorrichtung versehen ist. Eine Kompressionsvorrichtung weist Federelemente und Spannelemente auf, die eine Endplatte und die Spannungsquelle miteinander fixieren bzw. komprimieren.
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Die Federelemente sind dabei zwischen der Endplatte und der Spannungsquelle angeordnet, während die Spannelemente, vorzugsweise in Form von Spannbändern die Spannungsquelle mit der Endplatte umfassen.
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Die Endplatte und/oder zumindest ein Spannelement stellen dabei Bauteile mit Sollbruchstelle dar und zumindest ein Federelement ist zur Wirkeinrichtung gehörig.
Auch bei dieser Variante ist ein längserstrecktes Verbindungselement gegeben, jedoch ist es an einem Ende der Endplatte elektrisch isoliert festgelegt und führt von dort zu beliebigen Anschlussvarianten an das Bordnetz.
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In einem Schadensfall bricht zumindest ein außen liegendes Spannelement, das an dem freien Ende der Endplatte mit dem Verbindungselement anliegt. Gleichzeitig knickt die Endplatte unter Einfluss der darunter in Richtung der Spannungsquelle liegenden Wirkeinrichtung entlang einer Sollbuchstelle weg.
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Das Verbindungselement ist dabei derart bemessen, dass im Bereich zwischen Spannungsquelle und dem Festlegungspunkt an der Endplatte kein Spiel gegeben ist und die Endplatte das Verbindungselement, das eine entsprechende Sollbruchstelle aufweist, von der Spannungsquelle abreißt
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Die Spannungsquelle ist ein Brennstoffzellenstapel und/oder zumindest eine im Bordnetz angeordnete Batterie. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung für alle in einem Bordnetz üblicherweise vorgesehenen Spannungsquellen gleichermaßen geeignet. Die Spannungsquellen sind gegebenenfalls über einen Gleichspannungswandler angebunden.
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Erfindungsgemäß beansprucht werden auch ein Bordnetz, das zumindest ein vorbeschriebene Sicherheitsvorrichtung aufweist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Bordnetz.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung ist nicht zwingend als separates Bauteil zu verstehen, sondern wird durch verschiedene, entsprechend ausgelegte Komponenten, die teilweise ohnehin in einem Bordnetz vorhanden sind, ausgebildet.
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Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung auf einem Gehäuse für eine Spannungsquelle angeordnet;
- 2 eine schematische Schnittansicht der in 1 dargestellten Sicherheitsvorrichtung im Zustand der elektrischen Trennung;
- 3 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung in einem Gehäuse für eine Spannungsquelle angeordnet;
- 4 eine schematische Schnittansicht der in 3 dargestellten Sicherheitsvorrichtung im Zustand der elektrischen Trennung;
- 5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung in einem Gehäuse für eine Spannungsquelle angeordnet nach einer zweiten Ausführungsform; und
- 6 eine schematische Schnittansicht der in 5 dargestellten Sicherheitsvorrichtung im Zustand der elektrischen Trennung.
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In 1 zeigt eine Sicherheitsvorrichtung 10 zur elektrischen Trennung einer hier nicht näher dargestellten Spannungsquelle von einem ebenfalls nicht dargestellten Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, nämlich eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der direkt oder indirekt durch die Spannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Die Sicherheitsvorrichtung 10 ist außen auf einem nur unvollständig dargestellten Gehäuse 11 für den Brennstoffzellenstapel angeordnet. Im Inneren des Gehäuses 11 ist direkt an die Wandung angrenzend eine Endplatte 12 einer nicht weiter dargestellten Kompressionsvorrichtung angeordnet, die wiederum einer Kollektorplatte 13 zur Stromableitung von der nicht dargestellten Spannungsquelle benachbart ist. Von der Kollektorplatte 13 erstreckt sich ein längserstrecktes Verbindungselement 14 zum Gehäuse 11 und ist durch dessen Wandung hindurchgeführt. Auf der Außenseite dient das längserstreckte Verbindungselement 14 als Stecker 15 eines Steckverbinders 16. Als Gegenstück zum Stecker 15 weist der Steckverbinder 16 eine Buchse 17, an der ein Leistungskabel 18 eines nicht weiter dargestellten Bordnetzes oder dergleichen festgelegt ist. In der Buchse 17 bzw. in dem die Buchse umgebenden Isolationsmaterial sind zumindest zwei zum Gehäuse 11 hin offene Hohlräume 19 vorgesehen, in denen Federelemente 20 derart angeordnet, dass sich diese im Hohlraum 19 und am Gehäuse 11 abstützen, wobei die Federelemente 20 unter Spannung stehen bzw. komprimiert sind. Um diesen Zustand zu halten, weist die Buchse 17 zumindest zwei Scherstifte 21 als Bauteile mit Sollbruchstelle auf, die durch das Isolationsmaterial der Buchse 17 hindurchgeführt und im Gehäuse 11 festgelegt sind. 1 zeigt den Zustand der Sicherheitsvorrichtung 10 in einem normalen, d.h. störungsfreien Betriebszustand, in dem zwar beispielsweise durch den Fahrbetrieb Kraft auf den Brennstoffzellenstapel und die Bauteile mit Sollbruchstelle (Scherstifte 21) einwirken, diese jedoch nicht aktivieren, da der Wert für die Kraft, bei der die Bauteile abscheren größer ist als der entsprechende Wert im normalen Betriebszustand.
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Bei einem Unfall wirken auf die Brennstoffzelle können derart große Kräfte durch die auftretende Verzögerung/negative Beschleunigung, dass eine massive Schädigung eintreten kann, die beispielsweise für Rettungskräfte oder Techniker aufgrund von an dann freizugänglichen Bauteilen anliegenden hohen Spannungen zu einer erhöhten Verletzungsgefahr führt.
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Um diese Gefahr weitgehend zu reduzieren, wird die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung 10 eingesetzt.
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In 2 wird die Sicherheitsvorrichtung 10 gemäß 1 in dem Zustand dargestellt, in dem die Sicherheitsvorrichtung 10 aktiviert ist, d.h. das Bauteil/Scherstift 21 ist irreversibel zerstört, wobei sich die Buchse 14 vom Gehäuse 11 löst und durch die anliegende Federspannung der Federelemente 20 die Verbindung zum Stecker 15 aufgehoben wird.
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3 und 4 zeigen eine Sicherheitsvorrichtung 10 für eine Spannungsquelle 22, die hier im Gegensatz zu den 1 und 2 dargestellt ist.
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Die Spannungsquelle 22 weist eine Kompressionsvorrichtung 24 mit Spannbändern 25, Federelementen 26, und einer Endplatte 12 auf. Auf einer Seite der Spannungsquelle 22 sind eine Kollektorplatte 13, die Federelemente 26 sowie die Endplatte 12 übereinander angeordnet und werden von den Spannbändern 25 umfasst und komprimiert.
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Die Kollektorplatte 13 besitzt ein längserstrecktes Verbindungselement 14, das sich durch eine Öffnung im Gehäuse 11 nach außen erstreckt. Wie bei der vorherigen Ausführungsform dient dieses auf der Außenseite als Stecker 15 des Steckverbinders 16.
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Bei dieser Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10 ist das längserstreckte Verbindungselement 14 als Bauteil mit mehreren Sollbruchstellen ausgeformt. Parallel zu dem längserstreckten Verbindungselement 14 ist ein Federelement 19 an den Enden des längserstreckten Verbindungselements 14 unter Spannung befestigt.
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Wie in 4 gezeigt, verformt bzw. bricht das längserstreckte Verbindungselement 14 bei entsprechender Krafteinwirkung an mehreren Stellen, so dass die Verbindung zum Steckverbinder 16 unterbrochen ist. So reist das längserstreckte Verbindungselement 14 direkt am Gehäuse 11 ab und kann so durch das Federelement 14 zusammengezogen werden.
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Die 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10 bei der eine Spannungsquelle 22 ebenfalls mit einer Kompressionsvorrichtung 24 mit Spannbändern 25, Federelementen 26 und einer Endplatte 12 mit freien Enden 23 konzipiert ist. Auf der Spannungsquelle 22 ist eine Kollektorplatte 13 angeordnet, die ein längserstrecktes Verbindungselement 14 aufweist, das sich von der Spannungsquelle 22 weg erstreckt. Auf der Spannungsquelle 22 sind die Kollektorplatte 13, die Federelemente 26 sowie die Endplatte 12 übereinander angeordnet und werden von den Spannbändern 25 umfasst und komprimiert.
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Die beiden außen liegenden Spannbänder 25 und die freien Enden 23 der Endplatte 12 sind als Bauteile mit Sollbruchstelle ausgelegt, während die Federelemente 25 zwischen den freien Enden 23 und der Kollektorplatte 13 , die Teil der Kompressionsvorrichtung 24 sind, zudem als Wirkeinrichtung dienen. Das längserstreckte Verbindungselement 14 ist an einem der freien Enden 23 der Endplatte festgelegt und wird dort mit hier nicht dargestellten Mitteln an ein Bordnetz angeschlossen. Das längserstreckte Verbindungselement 14 dient ebenfalls als Bauelement mit Sollbruchstelle.
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Im Schadensfall (6) brechen die außen liegenden Spannbänder 25 und die freien Enden 23 der Endplatte 12 geben unter Einwirkung der Federelemente 26 nach, so dass das längserstreckte Verbindungselement 14 von der Kollektorplatte 13 abreist unter die Trennung vom Bordnetz erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sicherheitsvorrichtung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Endplatte
- 13
- Kollektorplatte
- 14
- längserstrecktes Verbindungselement
- 15
- Stecker
- 16
- Steckverbinder
- 17
- Buchse
- 18
- Leistungskabel
- 19
- Federelement
- 20
- Bauteil mit Sollbruchstelle
- 21
- Scherstift / Bauteil mit Sollbruchstelle(n)
- 22
- Spannungsquelle
- 23
- freies Ende / Bauteil mit Sollbruchstelle(n)
- 24
- Kompressionsvorrichtung
- 25
- Spannband / Bauteil mit Sollbruchstelle(n)
- 26
- Federelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008006026 A1 [0005]
- DE 102012215066 A1 [0006]
- DE 102016101252 A1 [0007]
