DE3717716A1 - Motor vehicle electrical system with two operating voltages - Google Patents

Motor vehicle electrical system with two operating voltages

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Abstract

The invention relates to the electrical system of a motor vehicle with two operating voltages which are supplied by a generator. The system serves generally to increase the power of the vehicle's electrical system. The two operating voltages are supported by one battery each. When the batteries which are connected in series are being charged together, electronic devices for charge compensation are required. These electronic actuating elements can be used in a modified circuit forming an alternating current system.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, das zwei Betriebsspannungen enthält, die von einem Generator versorgt werden.The invention relates to the electrical system of a motor vehicle, the two operating voltages contains that are supplied by a generator.

Die mittlere Bordnetzleistung eines Kraftfahrzeuges steigt ständig infolge zusätzlicher elektrischer Verbraucher. Dabei können die elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug in drei Gruppen unterschieden werden:The average electrical system power of a motor vehicle is constantly increasing due to additional electrical Consumer. The electrical consumers in a motor vehicle can have three Groups are differentiated:

  • - in Verbraucher, die ständig elektrische Energie benötigen,- in consumers who constantly need electrical energy,
  • - in Verbraucher, die über einen längeren Zeitraum elektrische Energie benötigen,- in consumers who electrical over a long period of time Need energy
  • - Verbraucher, die nur kurzzeitig angeschlossen sind.- Consumers who are only connected for a short time.

Die elektrische Energie eines Bordnetzes wird von einem Generator erzeugt, der vom Fahrmotor angetrieben wird. Ein Akkumulator stützt das Bordnetz. Bei Personenkraftwagen und kleineren Transportfahrzeugen beträgt allgemein die Bordnetzspannung nominell 12 Volt. Die Ladung eines Bleiakkumulators wird gewöhnlich bis zur Gasungsspannung durchgeführt. An den Verbrauchern liegt dann eine mittlere Batteriespannung von 13,8 V ± 0,4 V. Auf diese Spannung ist unter anderem die Beleuchtung des Kraftfahrzeuges abgestimmt.The electrical energy of an electrical system is generated by a generator, which is generated by the traction motor is driven. An accumulator supports the vehicle electrical system. For passenger cars and Smaller transport vehicles generally have a nominal voltage of 12 volts. The A lead-acid battery is usually charged up to the gassing voltage. At the consumers then have an average battery voltage of 13.8 V ± 0.4 V. Among other things, the lighting of the motor vehicle is matched to the voltage.

Der weite Drehzahlbereich eines Verbrennungsmotor muß mit dem Drehzahlbereich eines Generators (Lichtmaschine) abgestimmt werden. Dabei erreicht der Generator in der Regel für Drehzahlen unter 2000 U/min nicht die mittlere Bordnetzleistung. Beim Betrieb in diesem Drehzahlbereich entsteht ein Leistungsdefizit. Im Bereich höherer Drehzahlen muß die Spannung des Generators durch Felschwächung vermindert werden. Der Generator kann somit eine mögliche höhere Leistung nicht zur Verfügung stellen.The wide speed range of an internal combustion engine must match the speed range of a Generator (alternator) can be matched. The generator usually reaches for Speeds below 2000 rpm are not the average electrical system power. When operating in this Speed range creates a performance deficit. In the area of higher speeds the Voltage of the generator can be reduced by weakening the rock. The generator can not provide a possible higher performance.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Erweiterung des Bordnetzes für Verbraucher mehr elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen und diese Leistung mit dem Generator zu erzeugen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, mit dem System eine Spannung des Bordnetzes z. B. zur Versorgung von Scheinwerfern auf eine vorgegebene Spannung auch bei Stillstand oder niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors zu regeln. The object of the invention is to expand electrical systems for consumers more electrical To provide power and to generate this power with the generator. Furthermore, it is an object of the invention to use the system to voltage the vehicle electrical system, for. B. to supply headlights to a specified voltage even when the vehicle is stationary or regulate the low speed of the internal combustion engine.  

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Bordnetz durch eine zweite Bordnetzspannung erweitert wird. Dieses zweite Bordnetz wird von einem zweiten Bordnetzakkumulator gestützt. Er kann wie der erste Bordnetzakkumulator eine Spannung von z. B. 12 V haben. Der Pluspol dieses zweiten Akkumulators wird mit der Fahrzeugmasse verbunden, der Minuspol wird als zweite Bordnetzspannung geführt. Es besteht somit vom Pluspol der ersten Bordnetzbatterie zum Minuspol der zweiten Bordnetzbatterie eine Nennspannung von z. B. 24 V in Personenkraftwagen und leichten Transportfahrzeugen. In Lastkraftfahrzeugen und ähnlichen Bordnetzanlagen werden z. B. entsprechend zwei 24 V Akkumulatoren eingesetzt. In dem erstgenannten Bordnetz ist es möglich, leistungsstarke Verbraucher an beiden Batterien mit zusammen 24 V zu betreiben. Weiterhin ist es möglich, die Verbraucher sowohl an 24 V als auch an 12 V d. h. in zwei Stufen zu betreiben. Von dieser Betriebsart wird häufig bei Scheibenwischermotoren und Lüftermotoren Gebrauch gemacht.According to the invention, the object is achieved in that the electrical system by a second Vehicle electrical system voltage is expanded. This second electrical system is powered by a second electrical system accumulator supported. Like the first on-board electrical system accumulator, it can have a voltage of, for. B. 12 V. to have. The positive pole of this second battery is connected to the vehicle mass The negative pole is carried as the second vehicle electrical system voltage. It therefore consists of the positive pole of the first Vehicle battery to the negative pole of the second vehicle battery a nominal voltage of z. B. 24 V. in passenger cars and light transport vehicles. In trucks and the like On-board electrical systems are z. B. correspondingly used two 24 V batteries. In The first-mentioned electrical system makes it possible to have powerful consumers on both batteries to operate with a total of 24 V. It is also possible to connect the consumer to both 24 V and also at 12 V d. H. to operate in two stages. Often this mode is used for Windscreen wiper motors and fan motors.

In dem beschriebenen Bordnetz mit beliebigen Verbrauchern kann nicht sichergestellt werden, daß die Akkumulatoren gleichmäßig geladen werden. In einer ersten einfachen Form wird der zweite Akkumulator mit Hilfe eines elektronischen Ladegeräts aus dem ersten Akkumulator geladen. Der Generator (Lichtmaschine) ist mit dem ersten Akkumulator verbunden. In einer erfindungsgemäßen weiteren Ausführung kann auch der erste Akkumulator mit Hilfe eines elektronischen Ladegerätes aus dem zweiten Akkumulator geladen werden. Damit besteht die Möglichkeit, den Ladezustand zwischen den beiden Batterien auszutauschen. Weiterhin kann bei einer starken Belastung des ersten Akkumulators, wie sie z. B. bei Betätigen des Anlassers vorliegt, dieser durch eine Ladung aus dem zweiten Akkumulator unterstützt werden.In the on-board electrical system described with any consumers, it cannot be ensured that the accumulators are charged evenly. In a first simple form, the second battery using an electronic charger from the first battery loaded. The generator (alternator) is connected to the first accumulator. In a According to another embodiment of the invention, the first accumulator can also be operated using a electronic charger can be charged from the second battery. So that exists Possibility to exchange the state of charge between the two batteries. Furthermore can with a heavy load on the first battery, as z. B. when operating the starter is present, this is supported by a charge from the second accumulator.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß mit diesen Ladeschaltungen die beiden Akkumulatoren in Reihenschaltung von einem Generator geladen werden können.Another feature of the invention is that with these charging circuits, the two batteries can be charged in series by a generator.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Bordnetzgenerator mit Hilfe eines Umschalters bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors und somit kleiner Spannung des Generators auf den ersten Akkumulator geschaltet. Bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors kann der Generator auf die Reihenschaltung der beiden Akkumulatoren umgeschaltet werden, so daß er bei keiner oder nur geringer Feldschwächung eine wesentliche höhere Leistung liefern kann.According to a further feature of the invention, the on-board electrical system generator is switched on at low engine speeds and thus low voltage of the Generator connected to the first accumulator. At high speeds the Internal combustion engine, the generator can be connected in series to the two batteries can be switched so that it is essential with no or only slight field weakening can deliver higher performance.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Umschalter durch eine Diode und einen Arbeitskontakt realisiert. Die Diode verbindet die Reihenschaltung der Akkumulatoren mit dem Bordgenerator. Hierdurch wird ein Leerlauf des Generators vermieden. Der Kontakt verbindet Fahrzeugmasse mit dem negativen Pol des Generators. Die Diode ist so gepolt, daß der zweite Akkumulator nicht kurzgeschlossen und entladen werden kann. Für diese Anordnung müssen beide Anschlüsse des Generators isoliert herausgeführt werden.According to a further feature of the invention, the switch is a diode and a Work contact realized. The diode connects the series connection of the accumulators the on-board generator. This prevents the generator from running idle. The contact  connects vehicle ground to the negative pole of the generator. The diode is poled so that the second accumulator cannot be short-circuited and discharged. For this arrangement both connections of the generator must be led out isolated.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bilden die beiden Ladeeinrichtungen der Akkumulatoren einen Wechselrichter-Halbbrückenzweig. Durch Umschalten des Zweiges und mit Hilfe einer anderen Steuerfunktion kann zwischen dem Mittelpunkt der Batterien (Fahrzeugmasse) und dem Mittelpunkt des Halbbrückenzweiges eine Wechselspannung variabler Frequenz erzeugt werden. Mit dieser Wechselspannung ist es möglich, Wechselstromverbraucher im Kraftfahrzeug zu speisen.According to a further feature of the invention, the two charging devices form the accumulators an inverter half-bridge branch. By switching the branch and with Another control function can be used between the center of the batteries (Vehicle mass) and the center of the half-bridge branch an AC voltage more variable Frequency are generated. With this AC voltage, it is possible for AC consumers to dine in the motor vehicle.

In den Fig. 1-7 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In FIGS. 1-7 show exemplary embodiments of the invention. Show it:

Fig. 1 Das Prinzip des Bordnetzes mit zwei Bordnetzbatterien und verschiedenen Belastungen, Fig. 1 The principle of the electrical system with two-board power supply batteries and various loads,

Fig. 2 eine schematische Lösung zur Ladung des zweiten Akkumulators gemäß der Erfindung, Fig. 2 shows a schematic solution for the charge of the second battery according to the invention,

Fig. 3 eine schematische Lösung zur Ladung beider Akkumulatoren Fig. 3 is a schematic solution for charging both batteries

Fig. 4 die Ladung der beiden Akkumulatoren aus einem Bordnetzgenerator, Fig. 4, the charge of the two batteries from an electrical system of the generator,

Fig. 5 die Ladung der beiden Akkumulatoren aus einem Bordnetzgenerator mit Umschaltmöglichkeit, Fig. 5 shows the charge of the two batteries from an electrical system generator with switchover,

Fig. 6 eine einfache Darstellung der möglichen Ladeleistung in Abhängigkeit der Drehzahl des Generators, Fig. 6 is a simple illustration of the possible charging power depending on the speed of the generator,

Fig. 7 eine Kombination der Ladeeinrichtungen und der Batterien zu einem Wechselrichter. Fig. 7 is a combination of the charging means and the batteries to an inverter.

In Fig. 1 ist mit 1 der bisher im Fahrzeug vorhandene Akkumulator gekennzeichnet. 2 ist der zusätzliche Akkumulator zur Bildung einer zweiten Bordnetzspannung. 4, 5 und 6 stellen Belastungen des Bordnetzes dar. In Fig. 1, 1 indicates the accumulator previously present in the vehicle. 2 is the additional accumulator for forming a second vehicle electrical system voltage. 4, 5 and 6 represent loads on the vehicle electrical system.

In Fig. 2 bilden die Elemente 7, 8 und 9 mit einer entsprechenden Steuerschaltung die Ladeeinrichtung für die Batterie 2. 7 ist ein elektronischer Schalter. Er kann aus einem Transistor, Feldeffekttransistor oder sonstigem abschaltbarem Halbleiterelement bestehen. Durch Schließen des Schalters fließt ein Strom von der Batterie 1 durch die Drosselspule 9. Der Stromanstieg in 9 wird durch die Induktivität und den ohmschen Widerstand des Bauelementes begrenzt. Nach Erreichen eines vorgegebenen höchsten Wertes wird der Schalter 7 geöffnet. Die in der Drossel 9 gespeicherte Energie erzwingt einen Strom durch die Batterie 2 und die Diode 8. Durch rasche Pulsfolge (einige 10 kHz) fließt ein nahezu konstanter Strom von der Batterie 1 in die Batterie 2. Mit reglungstechnischen Maßnahmen kann dafür gesorgt werden, daß nur dann die Batterie 2 geladen wird, wenn die Leistung des Bordgenerators höher ist als die Verbraucherleistung des Bordnetzes.In Fig. 2, the elements 7, 8 and 9 with a corresponding control circuit form the charging device for the battery 2. 7 is an electronic switch. It can consist of a transistor, field effect transistor or other semiconductor element that can be switched off. When the switch is closed, a current flows from the battery 1 through the choke coil 9 . The current rise in FIG. 9 is limited by the inductance and the ohmic resistance of the component. After reaching a predetermined highest value, the switch 7 is opened. The energy stored in the choke 9 forces a current through the battery 2 and the diode 8 . A rapid pulse sequence (some 10 kHz) causes an almost constant current to flow from battery 1 into battery 2 . Control measures can be taken to ensure that the battery 2 is only charged when the power of the on-board generator is higher than the consumer power of the on-board electrical system.

An die Batterie 2 können sowohl Verbraucher angeschlossen werden, die insgesamt eine höhere Leistung benötigen als auch solche Verbraucher, die von einem hohen Belastungsfall der Batterie 1 getrennt sein sollen. Als Beispiel ist hier die Zündung eines Kraftfahrzeuges zu nennen, die aus der Batterie 2 gespeist wird, während der Anlasser seinen Strom aus der Batterie 1 bezieht.Both consumers that need a higher output overall and consumers that are to be separated from a high load on the battery 1 can be connected to the battery 2 . One example is the ignition of a motor vehicle, which is fed from the battery 2 , while the starter draws its current from the battery 1 .

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema, nach dem jeweils die eine Batterie aus der anderen geladen werden kann. 9, 10 und 11 stellen mit einer hier nicht gezeichneten Steuerschaltung die Ladevorrichtung für die Batterie 1 dar. 10 ist wiederum ein elektronischer Schalter, der durch Schließen und Öffnen in rascher Folge einem Strom über die Drosselspule 9 aus dem Akkumulator 2 zieht. Bei geöffnetem Schalter 10 fließt der Strom über die Diode 11 zur Batterie 1. Mit den elektronischen Schaltern 7 und 10 und den Dioden 8 und 11 sowie der Drosselspule 9 ist es möglich, jeweils den Ladezustand in den beiden Batterien 1 und 2 auszugleichen oder in sonstiger Weise zu verändern. Fig. 3 shows a circuit diagram according to which one battery can be charged from the other. 9, 10 and 11 represent the charging device for the battery 1 with a control circuit, not shown here. 10 is in turn an electronic switch which draws a current from the accumulator 2 via the choke coil 9 in rapid succession by closing and opening. When switch 10 is open, the current flows via diode 11 to battery 1 . With the electronic switches 7 and 10 and the diodes 8 and 11 and the choke coil 9 , it is possible to compensate for the state of charge in the two batteries 1 and 2 or to change them in any other way.

Fig. 4 zeigt, wie mit Hilfe eines Bordgenerators (Lichtmaschine) 12 die Reihenschaltung der Akkumulatoren 1 und 2 geladen werden kann. In diesem Falle muß der Generator als Ladespannung die Summe der beiden Akkumulatorspannungen haben. Wenn der Mittelpunkt der Akkumulatoren 1 und 2 mit der Fahrzeugmasse 16 verbunden ist, dann müssen die Generatoranschlüsse 17 und 18 von Fahrzeugmasse getrennt sein. FIG. 4 shows how the series connection of the accumulators 1 and 2 can be charged with the aid of an on-board generator (alternator) 12 . In this case, the generator must have the sum of the two battery voltages as the charging voltage. If the center of the accumulators 1 and 2 is connected to the vehicle ground 16 , then the generator connections 17 and 18 must be separated from the vehicle ground.

Fig. 5 zeigt die Umschaltung des Generators auf die beiden Batterien. Bei geöffnetem Schalter 13 kann der Generator 12 nur die Reihenschaltung der Akkumulatoren 1 und 2 laden. Dabei fließt der Ladestrom über die Diode 14. Für Drehzahlen, für die keine Ladung der Akkumulatoren 1 und 2 aus dem Generator 12 möglich ist, wird der Schalter 13 geschlossen und der Generator 12 auf die Spannung des Akkumulators 1 geregelt. Dieser Betrieb ist der herkömmliche Betrieb, für den der Generator bisher ausgelegt wurde. Bei höheren Drehzahlen als die Nenndrehzahl des Generator muß das Feld geschwächt werden. Der Generator liefert eine konstante Leistung P 1. Fig. 6 veranschaulicht diesen Zusammenhang. Unter der Voraussetzung der niedrigen Fahrzeugspannungen ist eine Steigerung der Generatorspannung mit nahezu jedem Fahrzeuggenerator möglich. Fig. 5 shows the switching of the generator to the two batteries. When the switch 13 is open, the generator 12 can only charge the series connection of the accumulators 1 and 2 . The charging current flows through the diode 14 . For speeds for which it is not possible to charge the accumulators 1 and 2 from the generator 12 , the switch 13 is closed and the generator 12 is regulated to the voltage of the accumulator 1 . This operation is the conventional operation for which the generator was previously designed. The field must be weakened at speeds higher than the nominal speed of the generator. The generator delivers a constant power P 1 . Fig. 6 illustrates this relationship. Given the low vehicle voltages, an increase in the generator voltage is possible with almost any vehicle generator.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die elektronischen Schalter 7 und 10 und die jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden 8 und 11 als Teil einer Halbbrückenschaltung verwendet. Wird die Verbindung zwischen der Drossel- spule 9 und dem Mittelpunkt der Batterien 16 gelöst, so kann zwischen den elektronischen Schaltern mit dem Anschluß 19 und dem Mittelpunkt der Batterien 16 dann eine Wechselspannung entnommen werden, wenn die elektronischen Schalter 7 und 10 periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die für eine Wechselspannung notwendige Frequenz muß von einer hier nicht näher erläuterten Ansteuerschaltung für die elektronischen Schalter 7 und 10 erzeugt werden. Der Kontakt 20 ist in dieser Betriebsart eröffnet. Bei Ladebetrieb wird der Schalter 20 geschlossen und das Wechselspannungsnetz zwischen den Klemmen 16 und 19 abgeschaltet.In the exemplary embodiment shown in FIG. 7, the electronic switches 7 and 10 and the respective freewheeling diodes 8 and 11 connected in parallel are used as part of a half-bridge circuit. If the connection between the choke coil 9 and the center of the batteries 16 is released , then an AC voltage can be removed between the electronic switches with the connection 19 and the center of the batteries 16 when the electronic switches 7 and 10 are periodically alternately switched on. and be turned off. The frequency required for an alternating voltage must be generated by a control circuit for the electronic switches 7 and 10 , which is not explained in more detail here. The contact 20 is opened in this operating mode. During charging, the switch 20 is closed and the AC voltage network between the terminals 16 and 19 is switched off.

Claims (9)

1. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit einem Akkumulator, einem Generator und Bordnetzverbrauchern dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines zweiten Akkumulators das Bordnetz um eine Spannungsebene erweitert wird.1. Vehicle electrical system of a motor vehicle with an accumulator, a generator and electrical system consumers, characterized in that the electrical system is expanded by a voltage level with the aid of a second accumulator. 2. Bordnetz eines Kraftfahrzeugs nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bordnetzverbraucher am Akkumulator 1, am Akkumulator 2 oder an den Akkumulatoren 1 und 2 betrieben werden können.2. Vehicle electrical system of a motor vehicle according to claim 1, characterized in that the vehicle electrical system consumers on the accumulator 1 , on the accumulator 2 or on the accumulators 1 and 2 can be operated. 3. Bordnetz für Kraftfahrzeuge nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Ladeeinrichtung bestehend aus einem elektronischen Schalter 7 einer Drosselspule 9 und einer Diode 8 zur Ladung des zweiten Akkumulators 2 aus dem ersten Akkumulator 1 vorhanden ist.3. Vehicle electrical system according to the preceding claims, characterized in that an electronic charging device consisting of an electronic switch 7, a choke coil 9 and a diode 8 for charging the second battery 2 from the first battery 1 is present. 4. Bordnetz für ein Fahrzeug nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Ladeeinrichtung bestehend aus dem elektronischen Schalter 10 aus der Drosselspule 9 und aus der Diode 11 zur Ladung der Batterie 1 aus der Batterie 2 vorhanden ist.4. Vehicle electrical system for a vehicle according to the preceding claims, characterized in that an electronic charging device consisting of the electronic switch 10 from the choke coil 9 and from the diode 11 for charging the battery 1 from the battery 2 is present. 5. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Bordgenerator die Reihenschaltung der Akkumulatoren 1 und 2 speist.5. Vehicle electrical system of a motor vehicle according to the preceding claims, characterized in that the on-board generator feeds the series connection of the batteries 1 and 2 . 6. Bordnetz eines Fahrzeuges nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der Bordgenerator mit Hilfe eines Relaiskontakts 13 bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors an den Akkumulator 1 angeschaltet wird und in der Leitung vom Minuspol des Akkumulators 2 eine Diode 14 zum Minuspol des Generators geschaltet ist in der Weise, daß der Kontakt 13 keinen Kurzschluß über den Akkumulator 2 schalten kann.6. Vehicle electrical system according to the preceding claims, characterized in that the on-board generator is switched on with the aid of a relay contact 13 at low engine speeds to the accumulator 1 and in the line from the negative pole of the accumulator 2 a diode 14 is connected to the negative pole of the generator in the way that the contact 13 can not switch a short circuit on the battery 2 . 7. Bordnetz eines Fahrzeuges nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Diode 14 von einem weiteren Kontakt 15 überbrückt werden kann. 7. Vehicle electrical system according to claim 6, characterized in that the diode 14 can be bridged by a further contact 15 . 8. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Akkumulator 1 auf eine bei der Benutzung von Scheinwerfern vorgeschriebene Höhe geregelt wird.8. Vehicle electrical system of a motor vehicle according to the preceding claims, characterized in that the voltage on the accumulator 1 is regulated to a prescribed level when using headlights. 9. Bordnetz eines Kraftfahrzeuges nach den vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltungen der Akkumulatoren Teil eines Wechselrichters sind und daß mit Hilfe eines Relaiskontakts 20 die Ladeschaltung vom Mittelpunkt der Batterien 16 getrennt werden kann.9. Vehicle electrical system of a motor vehicle according to the preceding claims, characterized in that the charging circuits of the batteries are part of an inverter and that the charging circuit can be separated from the center of the batteries 16 with the aid of a relay contact 20 .
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