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Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinrichtung für einen Zwischenkreis eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs zum elektrischen Verbinden von Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes. Die Verbindungseinrichtung weist eine erste Stromschiene zum elektrischen Verbinden von ersten Polen der Hochvoltkomponenten und eine zweite Stromschiene zum elektrischen Verbinden von zweiten Polen der Hochvoltkomponente auf. Außerdem weist die Verbindungseinrichtung Y-Entstörkondensatoren auf, welche mit den Stromschienen und einem Bezugspotential elektrisch verbunden sind und welche dazu ausgelegt sind, von zumindest einer der Hochvoltkomponenten emittierte Störfrequenzen zu dämpfen. Die Erfindung betrifft außerdem einen Zwischenkreis sowie ein Hochvoltbordnetz.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltbordnetze für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Hochvoltbordnetze weisen üblicherweise mehrere Hochvoltkomponenten, beispielsweise einen Hochvoltenergiespeicher, einen Inverter und eine elektrische Antriebsmaschine, auf, welche über Stromschienen bzw. Busbars elektrisch verbunden sind. Der elektrische Energiespeicher und der Inverter sind dabei über einen Zwischenkreis elektrisch verbunden, welcher zumindest einen Zwischenkreiskondensator aufweist.
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Darüber hinaus sind in solche Hochvoltbordnetze üblicherweise Filtermaßnahmen, beispielsweise in Form von Entstörkondensatoren, integriert, mit welchen Störfrequenzen gedämpft werden können. Solche Störfrequenzen können beispielsweise von Schaltelementen des Inverters emittiert werden. Als Entstörkondensatoren können beispielsweise Wickelkondensatoren in Form von Folienkondensatoren eingesetzt werden, welche an geeigneter topologischer Stelle im Hochvoltbordnetz platziert werden. Die mit solchen Folienkondensatoren gedämpften Frequenzen sind aufgrund ausgedehnter Serieninduktivitäten der Kondensatoren bzw. ihrer elektrischen Anbindungsstrecke typischerweise auf eine Maximalfrequenz, beispielsweise 1 MHz begrenzt. Im Falle, dass die Schaltelemente des Inverters als Halbleiter mit breitem Bandabstand, sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter, ausgebildet sind, emittieren diese jedoch in ihrer Kommutierungszelle sowie in ihrer Schaltflanke Frequenzen deutlich oberhalb von 1 MHz.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie Störfrequenzen in einem Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs auf einfache und zuverlässige Weise gedämpft werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbindungseinrichtung, einen Zwischenkreis sowie ein Hochvoltbordnetz mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung für einen Zwischenkreis eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs dient zum elektrischen Verbinden von Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes. Die Verbindungseinrichtung weist eine erste Stromschiene zum elektrischen Verbinden von ersten Polen der Hochvoltkomponenten und eine zweite Stromschiene zum elektrischen Verbinden von zweiten Polen der Hochvoltkomponenten auf. Außerdem weist die Verbindungseinrichtung Y-Entstörkondensatoren auf, welche mit den Stromschienen elektrisch verbunden sind und mit einem Bezugspotential elektrisch verbindbar sind und welche dazu ausgelegt sind, von zumindest einer der Hochvoltkomponenten emittierte Störfrequenzen zu dämpfen. Die erste Stromschiene weist einen ersten plattenförmigen Flächenabschnitt und die zweite Stromschiene einen mit dem ersten Flächenabschnitt überlappend angeordneten zweiten plattenförmigen Flächenabschnitt auf. Darüber hinaus weist die Verbindungseinrichtung zwei elektrisch leitfähige, mit dem Bezugspotential verbindbare, plattenförmige Flächenteile auf, von welchen ein erstes der Flächenteile unter Ausbildung eines ersten Y-Entstörkondensators überlappend mit dem ersten Flächenabschnitt angeordnet ist und ein zweites der Flächenteile unter Ausbildung eines zweiten Y-Entstörkondensators überlappend mit dem zweiten Flächenabschnitt angeordnet ist.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Zwischenkreis für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung und zumindest einem Zwischenkreiskondensator, wobei der zumindest eine Zwischenkreiskondensator elektrisch mit den Stromschienen verbunden ist. Ein erfindungsgemäßes Hochvoltbordnetz umfasst einen erfindungsgemäßen Zwischenkreis sowie mit dem Zwischenkreis elektrisch verbundene Hochvoltkomponenten. Die Hochvoltkomponenten sind insbesondere ein elektrischer Hochvoltenergiespeicher, welcher als Traktionsakkumulator für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, und ein über den Zwischenkreis mit dem elektrischen Hochvoltenergiespeicher verbundener Inverter. Der zumindest eine Zwischenkreiskondensator ist dabei insbesondere in eine aus der ersten und der zweiten Stromschiene gebildete Stromschienenanordnung integriert und elektrisch mit den Stromschienen verbunden. Die erste, beispielsweise plusseitige, Stromschiene ist dabei mit den ersten Polen, beispielsweise Pluspolen, der Hochvoltkomponenten elektrisch verbunden und die zweite, beispielsweise minusseitige, Stromschiene ist mit den zweiten Polen, beispielsweise Minuspolen, der Hochvoltkomponenten unter Zwischenschaltung des zumindest einen Zwischenkreiskondensators elektrisch verbunden.
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Der zumindest eine Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreises ist dazu ausgelegt, die von dem elektrischen Hochvoltenergiespeicher bereitgestellte Gleichspannung zwischenzuspeichern und zu glätten. Der zumindest eine Zwischenkreiskondensator kann beispielsweise als ein Folienkondensator ausgebildet sein. Der Inverter ist dazu ausgelegt, die in dem Zwischenkreiskondensator zwischengespeicherte Gleichspannung in eine Wechselspannung für eine elektrische Antriebsmaschine des Hochvoltbordnetzes umzuwandeln. Dazu weist der Inverter Schaltelemente in Form von Halbleiterschaltern auf.
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Diese Schaltelemente des Inverters bilden beispielsweise Störsender bzw. Störquellen aus, welche Störfrequenzen emittieren. Zur Dämpfung dieser Störfrequenzen weist die Verbindungseinrichtung zwei Y-Entstörkondensatoren auf. Der erste, beispielsweise plusseitige, Y-Entstörkondensator ist dabei an die erste Stromschiene und das Bezugspotential, beispielsweise Masse, angeschlossen und der zweite, beispielsweise minusseitige, Y-Entstörkondensator ist an die zweite Stromschiene und das Bezugspotential angeschlossen. Insbesondere bei Halbleiterschaltern in Form von Wide-Bandgap-Halbleitern befinden sich diese Störfrequenzen in einem Frequenzbereich, welcher umso schwieriger gedämpft werden kann, je weiter sich die Entstörkondensatoren entfernt von dem Störsender befinden.
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Um die Störfrequenzen zuverlässig dämpfen zu können, werden die Y-Entstörkondensatoren mithilfe der Stromschienenanordnung ausgebildet und somit räumlich nahe an den Störsendern angeordnet. Hierfür weisen die Stromschienen die plattenförmigen, beispielsweise rechteckförmigen, Flächenabschnitte auf, welche jeweils eine Unterseite und eine Oberseite aufweisen. In der Stromschienenanordnung sind die Stromschienen derart übereinander geführt, dass die Flächenabschnitte überlappend bzw. überdeckend, insbesondere planparallel, und elektrisch zueinander isoliert angeordnet sind. Dabei ist beispielsweise die Unterseite des ersten Flächenabschnittes der Oberseite des zweiten Flächenabschnittes zugewandt.
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Zum Ausbilden der Y-Entstörkondensatoren weist die Verbindungseinrichtung die zwei elektrisch leitfähigen, beispielsweise metallischen, plattenförmigen Flächenteile auf. Unter den plattenförmigen Flächenteilen und den plattenförmigen Flächenabschnitten sind dabei insbesondere steife bzw. starre Flächenelemente zu verstehen, deren Dicke deutlich geringer als deren Länge und Breite ist. Das erste Flächenteil ist dabei überlappend, insbesondere planparallel, mit der Oberseite des ersten Flächenabschnittes angeordnet und das zweite Flächenteil ist überlappend, insbesondere planparallel, mit der Unterseite des zweiten Flächenabschnittes angeordnet. Zwischen den Flächenteilen und den jeweiligen Flächenabschnitten ist ein Abstand ausgebildet, sodass die Flächenteile und die jeweiligen Flächenabschnitte Kondensatorplatten eines jeweiligen Plattenkondensators ausbilden. Diese Plattenkondensatoren bilden die Y-Entstörkondensatoren aus.
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Beispielsweise ist zwischen dem jeweiligen elektrisch leitfähigen Flächenteil und dem jeweiligen Flächenabschnitt eine Isolationsschicht bzw. ein elektrisch isolierendes Material, welches ein Dielektrikum des jeweiligen Y-Entstörkondensators ausbildet, angeordnet. Insbesondere sind die jeweiligen Flächenabschnitte und die jeweiligen Flächenteile unter Ausbildung eines einstückigen Bauteils mechanisch mit dem elektrisch isolierenden Material verbunden. Das elektrisch isolierende Material kann beispielsweise eine Isolationsfolie oder eine Isolationsbeschichtung sein. Über dieses elektrisch isolierende Material können die Flächenteile an der Stromschienenanordnung befestigt sein, sodass die Verbindungseinrichtung als das einstückiges, leicht zu montierende Bauteil ausgebildet ist.
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Durch diese Ausgestaltung der Verbindungseinrichtung kann in vorteilhafter Weise eine niederinduktive elektrische Verbindung zwischen den Hochvoltkomponenten bereitgestellt werden. Darüber hinaus sind die mithilfe der Stromschienenanordnung ausgebildeten Y-Entstörkondensatoren räumlich nahe zu den Störsendern montiert und können somit zuverlässig die von den Störsendern ausgesendeten Störfrequenzen filtern. Außerdem weist diese Ausgestaltung der Y-Entstörkondensatoren unter Verwendung der Stromschienenanordnung den Vorteil auf, dass keine zusätzlichen Bauelemente in Form von Folienkondensatoren benötigt werden.
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Insbesondere weisen die zwei Stromschienen Anschlussstellen für die Pole der Hochvoltkomponenten auf, welche als an zwei einander gegenüberliegenden Kanten der Flächenabschnitte angeordnete und bezüglich der Flächenabschnitte abgekantete Randabschnitte der Stromschienen ausgebildet sind. Beispielsweise kann das an einer Kante der jeweiligen Flächenabschnitte angeordnete Anschlussstellenpaar der beiden Stromschienen für die eine Hochvoltkomponente durch streifenförmige Randabschnitte ausgebildet sein, welche, insbesondere senkrecht, abstehend und versetzt zueinander an dem jeweiligen Flächenabschnitt angeordnet sind. Die Streifen weisen dabei eine geringere Breite auf als die Flächenabschnitte. Das an der anderen Kante der jeweiligen Flächenabschnitte angeordnete Anschlussstellenpaar der beiden Stromschienen für die andere Hochvoltkomponente können beispielsweise als L-profilförmige und/oder T-profilförmige Randabschnitte ausgebildet sein, deren Breite der Breite des jeweiligen Flächenabschnittes entspricht.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die zwei Flächenteile als zu einem Umschlag gebogene Teilbereiche eines elektrischen leitfähigen Biegeteils, beispielweise eines Blechbiegeteils, ausgebildet sind, wobei die überlappenden Flächenabschnitte der Stromschienen in dem Umschlag zwischen den Teilbereichen angeordnet sind. Zum Herstellen der Verbindungseinrichtung kann also beispielsweise eine einteilige Blechabwicklung bereitgestellt werden, welche unter Ausbildung des Biegeteils derart um die Stromschienenanordnung gebogen wird, dass die Teilbereiche, welche die zwei Flächenteile ausbilden, mit den Flächenabschnitten der Stromschienen überlappen. Das Biegeteil ummantelt also die Stromschienenanordnung zumindest im Bereich der Flächenabschnitte. Dieses Biegeteil kann dann an das Bezugspotential angeschlossen werden. Beispielsweise kann einer der Teilbereiche des Biegeteils anliegend an einen Kühler der Zwischenkreises angeordnet werden, welcher das Bezugspotential ausbildet und gleichzeitig zur Kühlung der Verbindungseinrichtung verwendet werden kann. Mithilfe eines solchen Biegeteils können die Y-Entstörkondensatoren auf einfache Weise gefertigt werden. Insbesondere ist das Biegeteil derart ausgebildet, dass es die Stromschienenanordnung auch im Bereich zumindest eines der Anschlussstellenpaare ummantelt. Ein solches Biegeteil bildet außerdem in vorteilhafter Weise eine Schirmung für die Stromschienenanordnung aus.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Verbindungseinrichtung bildet ein aus dem zweiten Flächenteil, dem zweiten Flächenabschnitt, dem ersten Flächenabschnitt und dem ersten Flächenteil gebildeter Stapel einen Träger für den zumindest einen, mit den Stromschienen elektrisch verbindbaren Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreises aus. Der Zwischenkreis ist also derart ausgebildet, dass der zumindest eine Zwischenkreiskondensator auf dem Träger angeordnet und mit den Stromschienen des Stapels verbunden ist. Beispielswiese können dazu das erste Flächenteil und der erste Flächenabschnitt, welche dem zumindest einen Zwischenkreiskondensator zugewandt sind, Durchgangsöffnungen zum Kontaktieren des Zwischenkreiskondensators mit den Flächenabschnitten aufweisen. Das erste Flächenteil, welches eine Tragfläche des Trägers für den zumindest einen Zwischenkreiskondensator ausbildet, weist also zumindest eine Durchgangsöffnung auf, um den zumindest einen Zwischenkreiskondensator mit dem darunter liegenden ersten Flächenabschnitt elektrisch zu verbinden. Außerdem weist der erste Flächenabschnitt zumindest eine weitere Durchgangsöffnung auf, um den zumindest einen Zwischenkreiskondensator auch mit dem darunter liegenden zweiten Flächenabschnitt elektrisch zu verbinden.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Zwischenkreis sowie für das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform einer Verbindungseinrichtung;
- 2 eine schematische Perspektivdarstellung einer Ausführungsform eines Zwischenkreises mit einer Verbindungseinrichtung gemäß 1;
- 3 eine schematische Perspektivdarstellung einer Stromschienenanordnung der Verbindungseinrichtung; und
- 4 eine schematische Darstellung des Zwischenkreises während einer Herstellung.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Verbindungseinrichtung 1 für einen in 2 gezeigten Zwischenkreis 2, welcher für ein Hochvoltbordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Der Zwischenkreis 2 weist hier mehrere Zwischenkreiskondensatoren 3 auf, welche dazu ausgelegt sind, Gleichspannungsebenen zweier Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes zu koppeln. Die Hochvoltkomponenten sind insbesondere ein elektrischer Energiespeicher und ein Inverter. Die Zwischenkreiskondensatoren 3 sind insbesondere als Folienkondensatoren ausgebildet.
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Die Verbindungseinrichtung 1 weist eine in 3 für sich alleine gezeigte Stromschienenanordnung 4 auf, welche zwei Stromschienen 5a, 5b bzw. Busbars aufweist. Eine der Stromschienen 5a, 5b ist eine plusseitige Stromschiene und verbindet Pluspole der Hochvoltkomponenten elektrisch und eine andere der Stromschienen 5a, 5b ist eine minusseitige Stromschiene und verbindet Minuspole der Hochvoltkomponenten elektrisch. Die Zwischenkreiskondensatoren 3 sind elektrisch mit den Stromschienen 5a, 5b verbunden und somit zwischen die Hochvoltkomponenten geschaltet.
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Die Stromschienen 5a, 5b weisen jeweils einen plattenförmigen Flächenabschnitt 6a, 6b auf, welche überlappend zueinander angeordnet sind. Außerdem weisen die Stromschienen 5a, 5b Anschlussstellen 7a, 7b, 8a, 8b auf, wobei die Anschlussstellen 7a, 7b mit der ersten Hochvoltkomponente, beispielsweise dem elektrischen Energiespeicher, und die Anschlussstellen 8a, 8b mit der zweiten Hochvoltkomponente, beispielsweise dem Inverter, elektrisch verbunden werden können. Die Anschlussstellen 7a, 7b sind als streifenförmige, beliebig gebogene, Randstücke 9 der Stromschienen 5a, 5b ausgebildet, welche gegenüber den Flächenabschnitten 6a, 6b nach oben hin abgewinkelt sind. Dabei ist die an dem ersten Flächenabschnitt 6a abstehend angeordnete Anschlussstelle 7a der ersten Stromschiene 5a versetzt zu der an dem zweiten Flächenabschnitt 6b abstehend angeordneten Anschlussstelle 7b der zweiten Stromschiene 5b angeordnet. Die Anschlussstelle 8a ist hier als T-profilförmiges Randstück 10 der ersten Stromschiene 5a ausgebildet, welches senkrecht nach oben hin an dem ersten Flächenabschnitt 6a absteht, und die Anschlussstelle 8b ist als L-profilförmiges Randstück 11 der zweiten Stromschiene 5b ausgebildet, welches senkrecht nach oben hin an dem zweiten Flächenabschnitt 6b absteht und von dem T-profilförmigen Randstück 10 überdeckt wird.
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Die Verbindungseinrichtung 1 weist zusätzlich zwei Y-Entstörkondensatoren 12a, 12b auf, welche unter Verwendung der Flächenabschnitte 6a, 6b der Stromschienen 5a, 5b ausgebildet werden. Dazu weist die Verbindungseinrichtung 1 zwei plattenförmige, elektrisch leitfähige Flächenteile 13a, 13b auf. Das erste Flächenteil 13a ist unter Ausbildung der ersten Y-Entstörkondensators 12a überlappend mit dem ersten Flächenabschnitt 6a angeordnet und das zweite Flächenteil 13b ist unter Ausbildung des zweiten Y-Entstörkondensators 12b überlappen mit dem zweiten Flächenabschnitt 6b angeordnet. Eine jeweilige Isolationsschicht 14a, 14b zwischen den jeweiligen Flächenteilen 13a, 13b und den zugehörigen Flächenabschnitten 6a, 6b bilden ein Dielektrikum des jeweiligen Y-Entstörkondensators 12a, 12b aus.
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Die Flächenteile 13a, 13b sind insbesondere Teilbereiche 15a, 15b eines Biegeteils 16, welches insbesondere als ein Blechbiegeteil ausgebildet ist. Eine Blechabwicklung 17 des Biegeteils 16 ist in 4 gezeigt. Die Blechabwicklung 17 wird dabei entlang der Pfeile so gebogen, dass sich ein Umschlag ergibt, welcher zumindest die Flächenabschnitte 6a, 6b, insbesondere auch die Anschlussstellen 8a, 8b ummantelt. Das Biegeteil 16 kann somit zusätzlich eine Schirmung für die Stromschienenanordnung 4 ausbilden. Außerdem sind die Flächenteile 13a, 13b durch das Biegeteil 16 bereits elektrisch verbunden und können somit auf einfache Weise an ein Bezugspotential angeschlossen werden. Dazu kann beispielsweise die Verbindungseinrichtung 1 mit dem zweiten Flächenteil 13b anliegend an eine auf dem Bezugspotential liegende Komponente, beispielsweise einen Kühler des Hochvoltbordnetzes, angeordnet werden.
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Die Verbindungseinrichtung 1 bildet außerdem im Bereich der Flächenteile 13a, 13b und Flächenabschnitte 6a, 6b einen Träger 18 für die Zwischenkreiskondensatoren 3 aus. Dazu sind die Zwischenkreiskondensatoren 3 auf das erste Flächenteil 13a gestellt und über Durchgangsöffnungen in dem ersten Flächenteil 13a mit dem ersten Flächenabschnitt 6a elektrisch verbunden und über zusätzliche Durchgangsöffnungen in dem ersten Flächenabschnitt 6a mit dem zweiten Flächenabschnitt 6b elektrisch verbunden.
