DE102020113176A1 - Sicherheitsvorrichtung für einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Sicherheitsvorrichtung für einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung (300) für einen Hochvoltspeicher (220) für ein Kraftfahrzeug, sowie eine elektrische Energiespeichervorrichtung (100) mit einer Sicherheitsvorrichtung (300), ein Verfahren zum Anbringen einer Sicherheitsvorrichtung (300) an einem Gehäuse (200) einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (100) und ein Kraftfahrzeug. Die Sicherheitsvorrichtung (300) umfasst eine Montageplatte (120), eine Ladedose (140) mit Hochspannungskontakten (180), angeordnet auf einer ersten Seite (121) der Montageplatte (120), und einen oder mehrere Schütze (320), angeordnet auf einer zweiten Seite (122) der Montageplatte (120), wobei die Hochspannungskontakte (180) der Ladedose (140) mit ersten Schützkontakten (280) der Schütze (320) durch Hochspannungsleitungen (160) verbunden sind, die durch Öffnungen (80) der Montageplatte (120) hindurchtreten, und zweite Schützkontakte (290), die mit Kontakten (240) des Hochvoltspeichers (220) verbunden sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug. Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit einer Sicherheitsvorrichtung, ein Verfahren zum Anbringen einer Sicherheitsvorrichtung an einem Gehäuse einer elektrischen Energiespeichervorrichtung und ein Kraftfahrzeug.
  • Moderne Hochspannungsbatterien für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, insbesondere für elektrisch angetriebene Motorräder, erfordern Schalteinrichtungen (Schütze) und Sicherungen, die für eine angemessene elektrische Sicherheit sorgen und einen Berührungsschutz für eine Hochspannungs-Schnellladedose sicherstellen.
  • Zur Absicherung von Hochspannungs-Ladedosen, insbesondere Gleichspannungs-Ladedosen, werden Schütze eingesetzt, um einen Stromschlag durch Berühren der Ladedose zu verhindern. Wenn kein Ladestecker in der Ladedose eingesteckt ist, trennen die Schütze die Verbindung zwischen Hochvoltspeicher und Ladedose. Die Schütze sind in einem eigenen Gehäuse angeordnet, die Verkabelung ist aufwendig und nimmt Bauraum in Anspruch. Diese Nachteile sind bei elektrisch angetriebenen Motorrädern besonders gravierend.
  • Im Stand der Technik wurden bereits modular aufgebaute Hochspannungsbatterien vorgeschlagen, in denen eine Baueinheit vorgesehen ist, welche die Schütze und die Sicherungen umfasst. Eine derartige Baueinheit wird auch als Schützbox oder „Battery Junction Box“ bezeichnet. Derartige Baueinheiten werden direkt in die Hochspannungsbatterie eingebaut, so dass das Gehäuse, welches auch die Speicherelemente enthält, geöffnet werden muss, wenn auf diese Baueinheiten zugegriffen werden soll. Daraus ergibt sich eine erhebliche Gefährdung.
  • Aus dem Dokument WO 2017/080797 A1 ist ein Hochspannungsbatterie für ein Kraftfahrzeug bekannt, aufweisend wenigstens ein Speicherelement für elektrische Energie, wenigstens eine mit einer niedrigeren Spannung als die Hochspannung betriebene Steuereinheit und eine wenigstens eine Schalteinrichtung und/oder wenigstens eine Sicherung als elektrische Komponenten umfassende Baueinheit, wobei die Baueinheit extern zu einem das Speicherelement und die Steuereinheit aufnehmenden Gehäuse an diesem derart in einer vorgegebenen Lage befestigt ist, dass wenigstens zwei mit wenigstens einer der elektrischen Komponenten der Baueinheit verbundene Hochspannungskontakte der Baueinheit bei Aufstecken der Baueinheit an das Gehäuse mit zugeordneten gehäuseseitigen Hochspannungskontakten und wenigstens eine wenigstens einen Stromversorgungskontakt und/oder wenigstens einen Steuerleitungskontakt umfassende Kontaktanordnung der Baueinheit mit einer zugeordneten gehäuseseitigen, mit der Steuereinheit verbundenen Kontaktanordnung elektrisch leitend verbunden werden. Wesentlich ist, dass die Baueinheit extern an dem Gehäuse befestigt ist.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Sicherheitsvorrichtung für einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug, eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit einer derartigen Sicherheitsvorrichtung, ein Verfahren zum Anbringen einer derartigen Sicherheitsvorrichtung an einem Gehäuse einer derartigen elektrischen Energiespeichervorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Energiespeichervorrichtung zur Verfügung zu stellen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sicherheitsvorrichtung, eine elektrische Energiespeichervorrichtung, ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Motorrad oder einen elektrisch angetriebenen Motorroller, die Sicherheitsvorrichtung aufweisend eine Montageplatte, eine Ladedose mit Hochspannungskontakten, angeordnet auf einer ersten Seite der Montageplatte, und einen oder mehrere Schütze, angeordnet auf einer zweiten Seite der Montageplatte, wobei die Hochspannungskontakte der Ladedose mit ersten Schützkontakten der Schütze durch Hochspannungsleitungen verbunden sind, die durch Öffnungen der Montageplatte hindurchtreten, und zweite Schützkontakte, die mit Kontakten des Hochvoltspeichers verbunden sind.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der Vorteil erreicht, dass die modular aufgebaute Sicherheitsvorrichtung beispielsweise zu Wartungszwecken oder zum Austausch der Schütze oder Sicherungen leicht aus dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichervorrichtung entnommen werden kann. Derartige Wartungsarbeiten können dann ohne Gefahr durch die Hochspannung des Hochvoltspeichers ausgeführt werden. Andererseits bietet das Anbringen der Sicherheitsvorrichtung an dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichervorrichtung den Vorteil eines besonders kompakten und Bauraum sparenden Aufbaus sowie eine vergleichsweise leichte und kostengünstige Ausführung mit geringerem Montageaufwand, im Vergleich zu einer separaten Anordnung von Schützen, Sicherungen und Ladedose, die separate Montagehalterungen mit entsprechendem Bauraum sowie eine diskrete Hochspannungsverkabelung erfordern würden.
  • Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung sind die Schütze ausgebildet, die Ladedose zu trennen, wenn kein Ladestecker in der Ladedose eingesteckt ist.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Ladedose nicht mit dem Hochvoltspeicher verbunden ist, wenn kein Ladestecker eingesteckt ist. Damit wird eine Gefährdung durch Hochspannung an der offenen Ladedose ausgeschlossen.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung ist die Ladedose als eine Gleichspannungs-Schnellladedose ausgebildet.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass durch das Gleichspannungsystem ein AC/DC-Stromrichter für das Laden der Energiespeichervorrichtung nicht benötigt wird und die Gefährdung durch Gleichspannung beim Ladevorgang etwas geringer ist als bei Wechselspannung gleicher Höhe. Die Verwendung einer Schnellladedose, die für höhere Ladeströme ausgelegt ist, verkürzt außerdem die Ladezeiten.
  • Alternativ kann die vorliegende Erfindung aber auch mit einem Wechselspannungs-Ladesystem ausgeführt werden. Hierbei wäre ein zusätzlicher AC/DC-Stromrichter erforderlich, der bei ausreichendem Bauraum zusammen mit den Schützen und Sicherungen auf der Innenseite der Sicherheitsvorrichtung angeordnet werden könnte. Somit würden sich bezüglich der Verkabelung und Montage des Stromrichters dieselben Vorteile wie für Schütze und Sicherungen ergeben.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Energiespeichervorrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Motorrad oder einen elektrisch angetriebenen Motorroller, die elektrische Energiespeichervorrichtung aufweisend ein Gehäuse, einen oder mehrere Hochvoltspeicher, und eine derartige Sicherheitsvorrichtung, wobei das Gehäuse eine Aufnahme aufweist, welche ausgebildet ist, eine Montageplatte der Sicherheitsvorrichtung formschlüssig aufzunehmen, wobei eine erste Seite der Montageplatte, aufweisend eine Ladedose, nach außen gerichtet ist, und eine zweite Seite der Montageplatte, aufweisend einen oder mehrere Schütze, nach innen gerichtet ist, wobei die Schütze bei angeordneter Montageplatte in das Gehäuse hineinragen, und wobei der bzw. die Hochvoltspeicher und die Schütze durch Hochspannungsleitungen innerhalb des Gehäuses verbunden sind.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der weitere Vorteil erreicht, dass trotz einer aus dem Energiespeichergehäuse entnehmbaren modularen Sicherheitsvorrichtung dennoch die gesamte Hochspannungsverkabelung der Energiespeichervorrichtung einschließlich aller Hochspannung führenden Komponenten wie beispielsweise Schützen und Sicherungen ab der Ladedose innerhalb des Gehäuses der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind. Bei Verwendung von Hochspannung treten stets auch hohe elektrische Feldstärken zwischen den Komponenten und zwischen den Kabeln sowie in der näheren Umgebung der Komponenten auf. Die Anforderungen an die elektrische Isolation sind höher und es besteht immer die Gefahr von Spannungsüberschlägen. Infolgedessen ist es wesentlich sicherer und zuverlässiger, sämtliche Hochspannung führenden Komponenten innerhalb des Energiespeichergehäuses unterzubringen.
  • Ein wesentlicher Vorteil ist, dass trotz einer entnehmbaren Sicherheitsvorrichtung alle Hochspannungskomponenten in Bezug auf die Energiespeichervorrichtung intern angeordnet sind. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sicherheitsvorrichtung mit auf zwei Seiten angeordneten Komponenten und durch die besondere Ausgestaltung des Energiespeichergehäuses mit einer formschlüssigen Aufnahmevorrichtung für die Sicherheitsvorrichtung erreicht. Bei einem Anbringen der Sicherheitsvorrichtung an dem Energiespeichergehäuse werden sämtliche Schütze und Sicherungen zusammen mit den Verkabelungen in den Innenraum der Energiespeichervorrichtung eingebracht und sind somit interne Komponenten.
  • Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung weist die Montageplatte einen Flansch auf und ist an dem Gehäuse anflanschbar.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Sicherheitsvorrichtung leicht und kostengünstig an dem Energiespeichergehäuse angebracht werden kann, wobei der Flansch beispielsweise durch Schrauben gesichert werden kann.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung sind zweite Schützkontakte der Schütze als lösbare Hochspannungs-Steckverbindungen ausgebildet.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Sicherheitsvorrichtung zu Wartungszwecken leicht aus dem Gehäuse der Energiespeichervorrichtung entnommen werden kann.
  • Entsprechend einer weiteren exemplarischen Ausgestaltung sind die Hochspannungs-Steckverbindungen durch ein Entfernen der Sicherheitsvorrichtung trennbar und durch ein Anbringen der Sicherheitsvorrichtung verbindbar.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein versehentliches Entnehmen der Sicherheitsvorrichtung ohne Trennen der Hochspannungsverbindung nicht möglich ist und eine selbsttätige Trennung und Wiederherstellung der Steckverbindungen insgesamt einfacher und zuverlässiger ist.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anbringen einer Sicherheitsvorrichtung für einen Hochvoltspeicher an einem Gehäuse einer derartigen elektrischen Energiespeichervorrichtung, wobei in einem ersten Schritt die Sicherheitsvorrichtung an einer vorgesehenen Aufnahme an dem Gehäuse angeordnet wird, wobei Schütze in das Gehäuse hineinragen; und in einem zweiten Schritt die Sicherheitsvorrichtung mit der vorgesehenen Aufnahme an dem Gehäuse formschlüssig verbunden wird, wobei eine Hochspannungs-Steckverbindung zwischen dem Hochvoltspeicher und den Schützen hergestellt wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der weitere Vorteil erreicht, dass die Handhabung besonders einfach und zuverlässig ist, da bei einem Trennen und Wiederherstellen der Hochspannungs-Steckverbindung keine Bedienungsfehler unterlaufen können. Es ist lediglich darauf zu achten, dass die Sicherheitsvorrichtung mit nach innen gerichteten Schützen an der Energiespeichervorrichtung anzubringen ist, was durch eine entsprechende konstruktive Ausgestaltung erreicht werden kann.
  • Entsprechend einer ersten exemplarischen Ausgestaltung wird ein seitenrichtiges Anbringen der Sicherheitsvorrichtung an dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichervorrichtung durch formschlüssige Komponenten, insbesondere Nuten oder Passfedern, an einer Montageplatte und der Aufnahme sichergestellt.
  • Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Montageplatte nur seitenrichtig mit nach innen gerichteten Schützen an dem Gehäuse der elektrischen Energiespeichervorrichtung angebracht werden kann. Gleichzeitig ist es möglich, in der Nut eine Dichtung einzulegen, um ein Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern.
  • Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch angetriebenes Motorrad oder einen elektrisch angetriebenen Motorroller, mit einer derartigen elektrischen Energiespeichervorrichtung.
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre wird der Vorteil erreicht, dass eine elektrische Energiespeichervorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung besonders leicht und kompakt ausgeführt werden kann und infolgedessen für elektrisch angetriebene Motorräder und Motorroller besonders geeignet ist.
  • Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen exemplarische Ausgestaltungen beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, soweit technisch sinnvoll, auch für den zweiten, dritten und vierten Aspekt der Erfindung.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit 1.
    • 1 zeigt eine teilweise schematische Darstellung einer vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer elektrischen Energiespeichervorrichtung 100 umfassend ein Gehäuse 200 mit einem Hochvoltspeicher 220 und einer montierten Sicherheitsvorrichtung 300. Eine Montageplatte 120 der Sicherheitsvorrichtung 300 ist in einer formschlüssigen Aufnahme 210 angeordnet. Die Sicherheitsvorrichtung weist eine erste Seite 121 mit einer Ladedose 140 und eine zweite Seite 122 mit Schützen 320 auf. Die Schütze 320 sind mit der Sicherheitsvorrichtung 300 aus dem Gehäuse 200 entnehmbar. In montiertem Zustand der Sicherheitsvorrichtung 300 sind die Schütze 320 jedoch im Innenraum des Gehäuses 200 angeordnet.
  • Zu diesem Zweck ist die Hochspannungsverkabelung 160 der Schütze 320 mit den Hochspannungskontakten 180 der Ladedose 140 durch Öffnungen 80 der Montageplatte 120 hindurchgeführt. Die Kontakte 290 sind steckbar ausgeführt, damit sie bei einem Entnehmen der Sicherheitsvorrichtung 300 leicht getrennt werden können. Vorteilhafterweise sind die Kontakte eingerichtet, um das Trennen und Wiederherstellen der Hochspannungsverbindung beim Entnehmen und Wiederanbringen der Sicherheitsvorrichtung 300 selbsttätig durchzuführen. Neben den Schützen 320 können weiterhin nicht dargestellte Sicherungen zur Absicherung des Ladestromkreises vorhanden sein. Der Hochvoltspeicher 220 kann mehrere parallel oder in Serie geschaltete Speicherzellen umfassen.
  • Die Erfindung erlaubt es, die erforderlichen Schalt- und Sicherungsvorrichtungen zur Sicherung der Ladedose und des Ladestromkreises gehäuseintern anzuordnen und dennoch von außen zugänglich und auswechselbar zu halten. Damit muss das Hochvolt-Gehäuse selbst nicht geöffnet werden, um Schütze und Sicherungen auszuwechseln. Bei Motorrädern ohne eingebaute Schnellladefunktion kann anstelle der Sicherheitsvorrichtung ein Blindverschluss an dem Hochvolt-Speichergehäuse angebracht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 80
    Öffnungen für Hochspannungsleitungen
    100
    Energiespeichervorrichtung
    120
    Montageplatte der Sicherheitsvorrichtung
    121
    erste Seite der Montageplatte
    122
    zweite Seite der Montageplatte
    140
    Ladedose
    160
    Hochspannungsleitungen
    180
    Hochspannungskontakte der Ladedose
    200
    Gehäuse der Energiespeichervorrichtung
    210
    Aufnahme für Montageplatte
    220
    Hochvoltspeicher
    240
    Kontakte des Hochvoltspeichers
    260
    Hochspannungsleitungen
    280
    erste Schützkontakte
    290
    zweite Schützkontakte (Hochspannungs-Steckverbindungen)
    300
    Sicherheitsvorrichtung
    320
    Schütze (und Sicherungen)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2017/080797 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Sicherheitsvorrichtung (300) für einen Hochvoltspeicher (220) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Motorrad oder einen elektrisch angetriebenen Motorroller, die Sicherheitsvorrichtung (300) aufweisend eine Montageplatte (120), eine Ladedose (140) mit Hochspannungskontakten (180), angeordnet auf einer ersten Seite (121) der Montageplatte (120), und einen oder mehrere Schütze (320), angeordnet auf einer zweiten Seite (122) der Montageplatte (120), wobei die Hochspannungskontakte (180) der Ladedose (140) mit ersten Schützkontakten (280) der Schütze (320) durch Hochspannungsleitungen (160) verbunden sind, die durch Öffnungen (80) der Montageplatte (120) hindurchtreten, und zweite Schützkontakte (290), die mit Kontakten (240) des Hochvoltspeichers (220) verbunden sind.
  2. Sicherheitsvorrichtung (300) nach Anspruch 1, wobei die Schütze (320) ausgebildet sind, die Ladedose (140) zu trennen, wenn kein Ladestecker in der Ladedose (140) eingesteckt ist.
  3. Sicherheitsvorrichtung (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladedose (140) als eine Gleichspannungs-Schnellladedose ausgebildet ist.
  4. Elektrische Energiespeichervorrichtung (100) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes Motorrad oder einen elektrisch angetriebenen Motorroller, die elektrische Energiespeichervorrichtung (100) aufweisend ein Gehäuse (200), einen oder mehrere Hochvoltspeicher (220), und eine Sicherheitsvorrichtung (300) nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse (200) eine Aufnahme (210) aufweist, welche ausgebildet ist, eine Montageplatte (120) der Sicherheitsvorrichtung (300) formschlüssig aufzunehmen, wobei eine erste Seite (121) der Montageplatte (120), aufweisend eine Ladedose (140), nach außen gerichtet ist, und eine zweite Seite (122) der Montageplatte (120), aufweisend einen oder mehrere Schütze (320), nach innen gerichtet ist, wobei die Schütze (320) bei angeordneter Montageplatte (120) in das Gehäuse (200) hineinragen, und wobei der bzw. die Hochvoltspeicher (220) und die Schütze (320) durch Hochspannungsleitungen (260) innerhalb des Gehäuses (200) verbunden sind.
  5. Elektrische Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei die Montageplatte (120) einen Flansch aufweist und an dem Gehäuse (200) anflanschbar ist.
  6. Elektrische Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei zweite Schützkontakte (290) der Schütze (320) als lösbare Hochspannungs-Steckverbindungen ausgebildet sind.
  7. Elektrische Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei die Hochspannungs-Steckverbindungen durch ein Entfernen der Sicherheitsvorrichtung (300) trennbar und durch ein Anbringen der Sicherheitsvorrichtung (300) verbindbar sind.
  8. Verfahren zum Anbringen einer Sicherheitsvorrichtung (300) für einen Hochvoltspeicher (220) an einem Gehäuse (200) einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei - die Sicherheitsvorrichtung (300) an einer vorgesehenen Aufnahme (210) an dem Gehäuse (200) angeordnet wird, wobei Schütze (320) in das Gehäuse (200) hineinragen; und - die Sicherheitsvorrichtung (300) mit der vorgesehenen Aufnahme (210) an dem Gehäuse (200) formschlüssig verbunden wird, wobei eine Hochspannungs-Steckverbindung zwischen dem Hochvoltspeicher (220) und den Schützen (320) hergestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein seitenrichtiges Anbringen der Sicherheitsvorrichtung (300) an dem Gehäuse (200) der elektrischen Energiespeichervorrichtung (100) durch formschlüssige Komponenten, insbesondere Nuten und Passfedern, an einer Montageplatte (120) und der Aufnahme (210) sichergestellt wird.
  10. Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisch angetriebenes Motorrad oder elektrisch angetriebener Motorroller, mit einer elektrischen Energiespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7.
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DE102015201881A1 (de) 2015-02-04 2016-08-18 Volkswagen Aktiengesellschaft Elektrische Verbindungseinrichtung
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