DE4341437C1 - Sicherheitssystem für ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug - Google Patents

Sicherheitssystem für ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug

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DE4341437C1
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Wolfgang Dipl Ing Hurich
Juergen Schmid
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Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitssystem für ein mit gas­ förmigem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 43 22 767.8 geht ein Verfahren zum Starten eines Fahrzeugs hervor, bei dem eine Brennstoffzelle mit Wasserstoffgas betrieben wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Sicherheitssystem der eingangs genannten Art für ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug zu schaffen, mit dem die Sicherheit des gesamten Kraftstoff­ systems nicht nur beim Start, sondern auch während des Betriebs gewährleistet wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei Fahrzeugen, die mit gasförmigem Kraftstoff betrieben werden, ist besondere Vorsicht geboten, da unkontrolliert austretendes Gas in das Fährzeuginnere entweichen kann und dort die Fahrzeug­ insassen durch die dadurch verursachte Explosionsgefahr gefährden kann.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprü­ chen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sicherheitssystems und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sicherheitssystems für ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrzeug zeigt.
In Fig. 1 sind die einzelnen Komponenten eines Sicherheitssys­ tems für ein Fahrzeug, das mit Wasserstoffgas betrieben wird, dargestellt. Über Sensoren 1 bis 5 erhält ein Steuergerät 6 Informationen über alle die Betriebssicherheit betreffende Fahr­ zeug-Komponenten. Die Sensoren 1 bis 3 messen im Motorraum, im Fahrgastraum beziehungsweise im Speicherraum des Fahrzeugs die Konzentration des gasförmigen Kraftstoffs in der Luft. Bei Er­ reichen einer bestimmten Konzentration wird eine Warneinrichtung 7, beispielsweise eine Hupe oder ein Summer, ausgelöst, um den Fahrer auf diesen Umstand aufmerksam zu machen. Der Crashsensor 4 erzeugt ein Crash-Signal falls am Fahrzeug Beschleunigungen, die nur durch einen Unfall hervorgerufen werden können, auftreten. Der Betankungssensor 5 liefert schließlich dann ein Signal, wenn am Fahrzeug ein Betankungsvorgang eingeleitet wird.
Die von den Sensoren 1 bis 5 gelieferten Signale werden im Steuergerät 6 ausgewertet und verarbeitet. In Abhängigkeit von diesen Signalen werden dann verschiedene Fahrzeugkomponenten abgeschaltet oder deren Betrieb freigegeben. Beispielsweise kann in Block 8 die Gasversorgung durch Abschaltung der Gasventile oder in Block 9 die Stromversorgung mit Hilfe eines Batterie­ trennschalters unterbrochen werden. In Block 10 ist es möglich, eine Dachluke zur Belüftung des Speicherraums zu öffnen. Schließlich kann in Block 11 die Fahrzeugheizung freigegeben oder unterbrochen werden. Gleichzeitig werden in Block 12 Feh­ lermeldungen erzeugt und an die anderen Fahrzeugsysteme und an den Fahrer weitergeleitet. Für den Fahrer können außerdem vor dem Abschalten einzelner Komponenten noch Warnhinweise ausgege­ ben werden. Beispielsweise dann, wenn die Gaskonzentration im Fahrzeug ansteigt, ein vorgegebener Grenzwert aber noch nicht erreicht ist. Dadurch wird der Fahrer frühzeitig über eine mögliche Leckage informiert.
In Fig. 2 ist die Einbindung eines erfindungsgemäßen Sicher­ heitssystems in die Bordelektrik eines mit Wasserstoffgas be­ triebenen Fahrzeuges schematisch dargestellt. Alle im Fahrzeug eingebauten elektrischen Verbraucher werden über eine Ver­ sorgungsleitung 13, die mit dem Pluspol einer Fahrzeugbatterie 14 verbunden ist, mit Spannung versorgt. Am Ende der Ver­ sorgungsleitung 13 ist die sogenannte Klemme 15 angeordnet. Zwischen der Klemme 15 und der Fahrzeugbatterie 14 ist ein Zündschloß 16, ein Batterietrennschalter 9 und ein Not-Aus- Schalter 17 vorgesehen. Außerdem ist in unmittelbarer Nähe der Fahrzeugbatterie 14 in der Versorgungsleitung 13 die sogenannte Klemme 30 angeordnet. Mit dem Not-Aus-Schalter 17 kann der Fahrer in kritischen Situationen alle elektrischen System, mit Ausnahme von einigen Sicherheitskomponenten, wie Warnblinkanlage und Beleuchtung, unterbrechen. Bei abgestelltem Fahrzeug ist der Not-Aus-Schalter 17 normalerweise geschlossen, der Batterie­ trennschalter 9 und das Zündschloß 16 dagegen geöffnet. Daher liegt an allen elektrischen Verbrauchern, die an die Klemme 30 angeschlossen sind, ständig Spannung an, während alle an der Klemme 15 angeschlossenen Geräte nur dann mit Spannung versorgt werden, wenn der Batterietrennschalter 9 und das Zündschloß 16 geschlossen sind.
Zwischen der Fahrzeugbatterie 14 und dem Not-Aus-Schalter 17 sind ein Pneumatik-Kompressor 18 und verschiedene andere Geräte 19, die für die Sicherheit des Fahrzeugs notwendig sind, bei­ spielsweise Warnblinkanlage, Beleuchtung, Hupe und Uhr, an die Versorgungsleitung 13 angeschlossen und daher ständig mit der Fahrzeugbatterie 14 verbunden. Auch bei Betätigung des Not-Aus- Schalters 17 werden diese Komponenten nicht abgeschaltet. Zwischen dem Not-Aus-Schalter 17 und dem Batterietrennschalter 9 zweigen ein erster und ein zweiter Versorgungszweig 20, 21 von der Versorgungsleitung 13 ab. Der erste Versorgungszweig 20, in dem zwei parallel geschaltete Zeitrelais 22, 23 angeordnet sind, dient zur Spannungsversorgung von Steuergerät 6, Sensoren 60, Display 48 und von einer Zentraleinheit 53. Das erste Zeitrelais 22 wird durch einen ebenfalls an den ersten Versorgungszweig 20 angeschlossenen Türkontakt 24 betätigt, während das zweite Zeit­ relais 23 dann geschlossen wird, wenn ein Anforderungssignal der Fahrzeugheizung 25 vorliegt oder wenn an der Klemme 15 Spannung anliegt.
Über den zweiten Versorgungszweig 21 wird eine Bedieneinheit 26 der mit Wasserstoffgas betriebenen Fahrzeugheizung 25 mit Span­ nung versorgt. Die Fahrzeugheizung 25 selbst ist über einen dritten Versorgungszweig 27, in dem ein Schalter 28 für die Heizungsanforderung und ein Schalter 29 für die Heizungsfreigabe vorgesehen ist, nach dem Batterietrennschalter 9 mit der Versor­ gungsleitung 13 verbunden. Zusätzlich zweigt vom dritten Versor­ gungszweig 27 zwischen dem Schalter 29 für die Heizungsfreigabe und der Fahrzeugheizung 25 eine Leitung 31, in der ein Schalter 32 für die Heizungsventilansteuerung vorgesehen ist und die ein Heizungsventil 33 mit Spannung versorgt, ab. Zwischen Zünd­ schloß 16 und Klemme 15 zweigen schließlich noch Leitungen 34, 35 für die Motorelektronik 36 und für die Schalter 37 zur Ansteuerung der Gasventile 38 von der Versorgungsleitung 13 ab, wobei in der Leitung 35 ein Schalter 39 vorgesehen ist.
Das Steuergerät 6, das Eingangssignale von verschiedenen insge­ samt mit 60 bezeichneten Sensoren verarbeitet, ist über Steuer­ leitungen 40, 41, 42 und 43 mit dem Batterietrennschalter 9, dem Schalter für die Heizungsfreigabe 29, dem Schalter 39 und mit einer Betätigungseinrichtung der Dachluke 10 verbunden. Außerdem sind weitere Steuerleitungen 44, 45, 46 und 47 zwischen der Zentraleinheit 53 und einem Display 48, den Schaltern 37 für die Gasventilansteuerung, dem Schalter 32 für die Heizungsventil­ ansteuerung und der Bedieneinheit 26 der Fahrzeugheizung 25 vor­ gesehen. Die Steuerleitung 47 ist außerdem noch über Abzwei­ gungen mit dem Schalter 28 für die Heizungsanforderung und mit dem Zeitrelais 23 verbunden. Schließlich ist das Zeitrelais 23 noch über eine Leitung 49 mit der Klemme 15 verbunden. Die vom Steuergerät 6 erzeugten Fehlermeldungen werden über eine weitere Leitung 54 an die Zentraleinheit 53 übergeben.
Das in einem oder mehreren Druckbehältern 50 gespeicherte H₂-Gas wird über eine erste Gasleitung 51 dem nicht dargestellten Motor und gegebenenfalls über eine zweite Gasleitung 52 der H₂-Heizung 25 für den Fahrgastraum zugeführt. In der ersten beziehungsweise zweiten Gasleitung 51, 52 sind Gasventile 38 beziehungsweise ein Heizungsventil 33 angeordnet. Die Zufuhr von H₂-Gas zum Motor und zur H₂-Heizung 25 wird von der Zentraleinheit 53, die als Meß- und Steuerungssystem für die H₂-Ventile 33, 38 arbeitet, gesteuert.
Im folgenden wird nun die Funktion des Sicherheitssystems näher erläutert. Bei abgestelltem Fahrzeug sind die Zeitrelais 22, 23, der Batterietrennschalter 9, der Schalter für die Heizungsfrei­ gabe 29 und der Schalter 39 geöffnet, so daß alle Systeme von der Spannungsversorgung getrennt sind. Nur die Bedieneinheit 26 der Fahrzeugheizung 25, der Pneumatik-Kompressor 18 und ver­ schiedene andere Geräte 19 sind ständig mit der Fahrzeugbatterie 14 verbunden. So zum Beispiel Warnblinkanlage, Fahrzeugbeleuch­ tung, Uhr und Hupe. Beim Betätigen des Not-Aus-Schalters 17 wird die Bedieneinheit 26 der Fahrzeugheizung 25 allerdings von der Spannungsversorgung getrennt. Der erste Versorgungszweig 20 ist über zwei parallel geschaltete Zeitrelais 22, 23 an die Versor­ gungsleitung 13 angeschlossen. Das heißt, daß das Steuergerät 6, die Sensoren 60, die Zentraleinheit 53 und das Display 48 nur dann an Spannung liegen, wenn zumindest eines der beiden Zeit­ relais 22, 23 geschlossen ist.
Das erste Zeitrelais 22, das beispielsweise eine Zeitkonstante von fünf Minuten aufweist, wird über den Türkontakt 24 betätigt. Öffnet der Fahrer eine Fahrzeugtür, so wird ein Türkontakt 24 und dadurch auch das Zeitrelais 22 geschlossen. Schließt der Fahrer nach dem Einstiegen die Fahrzeugtür, so wird der Türkon­ takt 24 wieder geöffnet. Das Zeitrelais 22 wird dadurch entlas­ tet, bleibt aber ab diesem Zeitpunkt noch für die Dauer der Zeitkonstante, also hier für fünf Minuten, geschlossen. Das zweite Zeitrelais 23 schließt immer dann, wenn an mindestens einer der Steuerleitungen 47 oder 49 Spannung anliegt. Das heißt, wenn entweder der Batterietrennschalter 9 und das Zünd­ schloß 16 geschlossen und somit Spannung an der Klemme 15 an­ liegt, oder falls von der Bedieneinheit 26 der Fahrzeugheizung 25 ein Anforderungssignal abgegeben wird. Die Zeitkonstante des zweiten Zeitrelais beträgt beispielsweise zwanzig Minuten.
Sobald am Steuergerät 6 Spannung anliegt werden die Sensoren 60 aktiviert. Nach ungefähr zehn Sekunden wird vom Steuergerät 6 die Funktion der Sensoren 60 überprüft. Tritt hierbei kein Fehler auf, so werden die Signale der Gassensoren 1-3 ausgelesen und die Gaskonzentration im Fahrzeuginneren ermittelt. Liegt diese unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes, so werden vom Steuergerät 6 ungefähr nach weiteren drei Sekunden Freigabe­ signale über die Steuerleitungen 40, 41 und 42 abgesetzt und dadurch der Batterietrennschalter 9, der Schalter 29 für die Heizungsfreigabe und der Schalter 39 geschlossen.
Tritt dagegen bei der Überprüfung der Sensoren 60 ein Fehler auf, weil entweder einer der Sensoren defekt ist oder weil die Gaskonzentration den vorgegebenen Schwellwert übersteigt, so bleiben die Schalter 9, 29 und 39 geöffnet. Durch den geöffneten Batterietrennschalter 9 bleibt die Klemme 15 unabhängig von der Stellung des Zündschlosses von der Spannungsversorgung abge­ klemmt. Ein Starten des Fahrzeugs ist somit nicht möglich. Unter der Voraussetzung, daß kein Anforderungssignal von der Fahr­ zeugheizung 25 vorliegt, ist das zweite Zeitrelais 23 geöffnet. Somit wird nach fünf Minuten durch das Öffnen des ersten Zeit­ relais 22 der gesamte erste Versorgungszweig 20 und somit das Steuergerät 6 und die Zentraleinheit 53 abgeschaltet.
Das Steuergerät 6 kann in Abhängigkeit von den Signalen der Sen­ soren 60 unterschiedliche Fehlermeldungen erzeugen und an die Zentraleinheit 53 senden. Bei den Gassensoren 1-3 können jeweils die Meldungen "Voralarm", "Hauptalarm" und "Störung" abgegeben werden. Der Voralarm wird ausgelöst, wenn die Konzentration des gasförmigen Kraftstoffs im Fahrzeuginneren einen ersten Schwellwert übersteigt. Übersteigt die Gaskonzentration auch einen zweiten, höheren Schwellwert, so wird der Hauptalarm aus­ gelöst. Beim Auftreten einer Funktionsstörung an den Sensoren 1- 3 wird jeweils die Meldung "Störung" abgegeben. Der Crashsensor 4 und der Sensor 5 für den Betankungsvorgang melden schließlich den Zustand "Crash" beziehungsweise "Betankungsvorgang eingeleitet".
Beim Auslösen eines Voralarms gibt die Warneinrichtung 7 einen Warnton ab. Außerdem wird durch die Zentraleinheit 53 eine Mel­ dung zur Information des Fahrers an das Display 48 geschickt. Zur Belüftung des Speicherraums wird durch einen elektrischen Impuls die Dachluke 9 geöffnet. Schließlich wird durch das Öffnen des Schalters 29 für die Heizungsfreigabe die H₂-Heizung abgestellt.
Beim Hauptalarm wird zusätzlich zu den genannten Maßnahmen durch Öffnen des Schalters 39 und des Schalters 29 das Heizungsventil 33 und die Gasventile 38 geschlossen. Außerdem wird der Batte­ rietrennschalter 9 geöffnet und damit die Versorgungszweige 27 und 34 abgeschaltet. Ein Betrieb des Fahrzeugs, beziehungsweise der Fahrzeugheizung 25 ist somit nicht mehr möglich. Nur die Bedieneinheit 26 der Fahrzeugheizung 25 wird über den zweiten Versorgungszweig 21 weiterhin mit Spannung versorgt. Außerdem wird das zweite Zeitrelais 23, wiederum unter der Voraussetzung, daß keine Heizungsanforderung vorliegt, entlastet. Da das Zeit­ relais 23 aber nicht sofort, sondern erst nach zwanzig Minuten öffnet, bleibt die Spannungsversorgung für das Steuergerät 6, die Sensoren 60, die Zentraleinheit 53 und das Display 48 für diese Zeitdauer erhalten. Obwohl das Fahrzeug somit bei einem Hauptalarm automatisch abgeschaltet wird, kann der Fahrer inner­ halb dieser zwanzig Minuten weitere Informationen über den Zustand des Fahrzeugs erhalten.
Der Ablauf bei einer Auslösung des Crashsensors 4 ist analog zur Auslösung des Hauptalarms. Lediglich die Ausgabe eines Warntons über die Warneinrichtung 7 unterbleibt. Wird durch den Sensor 5, beispielsweise ein Schaltkontakt an der Betankungsklappe, die Betankung des Fahrzeugs erkannt, so wird vom Steuergerät 6 durch Öffnen der Schalter 9, 29 und 39 die Spannungsversorgung, die Fahrzeugheizung 25 und die Zufuhr von gasförmigem Kraftstoff unterbrochen. Durch die Nachlaufzeit des Zeitrelais 23 wird aber der gesamte Versorgungszweig 20 für weitere zwanzig Minuten mit Spannung versorgt.
Besteht während der Fahrt Heizungsbedarf, so kann von der Be­ dieneinheit 26 der Fahrzeugheizung 25 mittels eines Schalters oder einer Schaltuhr direkt über die Steuerleitung 47 ein Anfor­ derungssignal an die Zentraleinheit 53 geschickt werden. Durch das Anforderungssignal wird gleichzeitig der Schalter 28 für die Heizungsanforderung geschlossen. Liegt vom Steuergerät 6 keine Fehlermeldung vor, so ist auch der Schalter 29 für die Heizungs­ freigabe geschlossen. Dadurch ist nun auch der Leistungsteil der Fahrzeugheizung 25 über den Versorgungszweig 27 und auch das Heizungsventil 33 über die Leitung 31 mit der Spannungsversor­ gung verbunden. Die Heizleistung wird von der Zentraleinheit 53 über die Steuerleitung 46 durch Ansteuerung des Schalters 32 für das Heizungsventil 33 eingestellt.
Soll das Fahrzeug mit abgeschalteten Systemen im Stand beheizt werden, so laufen folgende Schritte ab: Durch Betätigen eines Schalters oder durch eine Zeitschaltuhr wird von der Bedienein­ heit 26 der Fahrzeugheizung 25 ein Heizungsanforderungssignal erzeugt und über die Steuerleitung 47 an das Zeitrelais 23 und die Zentraleinheit 53 geschickt. Dadurch schließt das Zeitrelais 23 und der gesamte erste Versorgungszweig 20 mit Steuergerät 6, Sensoren 60, Zentraleinheit 53 und Display 48 wird mit Spannung versorgt. Die aktivierte Zentraleinheit 53 kann jetzt das Hei­ zungsanforderungssignal empfangen und weiterverarbeiten. Das Steuergerät 6 liest nun, wie beim Startvorgang, die Sensorsig­ nale aus und gibt unter der Voraussetzung, daß kein Fehler er­ kannt wird, die Schalter 9, 29 und 39 frei. Die Zentraleinheit 53 kann nun, wie beim Heizvorgang während des Fahrzeugbetriebs, die Heizleistung durch Ansteuerung des Schalters 32 für das Heizungsventil 33 einstellen.
Die Fahrzeugheizung 25 wird abgestellt, wenn von der Bedienein­ heit 26 kein Anforderungssignal mehr erzeugt wird. Dadurch wird der Schalter 28 für die Heizungsanforderung geöffnet und somit der Versorgungszweig 27 und die damit verbundene Leitung 31 stromlos geschaltet. Dies hat zur Folge, daß das Heizungsventil 33 schließt und somit die Zufuhr von H₂-Gas zur Fahrzeugheizung 25 unterbrochen wird. Außerdem wird durch das Ausschalten der Heizungsanforderung das Zeitrelais 23 entlastet. Dieses öffnet nach zwanzig Minuten, so daß der gesamte Versorgungszweig 20 von der Spannungsversorgung getrennt ist. Beim Abschalten des Steuergeräts 6 und der Zentraleinheit 53 werden auch die Schal­ ter 9, 29 und 39, beziehungsweise 32 geöffnet, so daß dann die gesamte Spannungs- und Gasversorgung wieder abgeschaltet ist.
Wird vom Betankungssensor 5 die Einleitung eines Tankvorgangs erkannt, so stellt das Steuergerät 6 durch Öffnen des Schalters 29 für die Heizungsfreigabe die Fahrzeugheizung 25 ab. Außerdem wird der Batterietrennschalter 9 und Schalter 39 geöffnet, so daß das Fahrzeug während des Betankungsvorgangs nicht betriebs­ fähig ist und somit ein Anfahrschutz gegeben ist. Die Stromver­ sorgung für den ersten Versorgungszweig 20 bleibt für zwanzig Minuten, d. h. bis das Zeitrelais 23 öffnet, bestehen.
Sämtliche Schalter des Sicherheitssystems sind im stromlosen Zu­ stand geöffnet, so daß bei einem Ausfall der Spannungsversorgung oder bei einem Defekt einer Leitung die Systeme ausgeschaltet werden und somit gefährliche Situationen vermieden werden können. Außerdem sind die Versorgungszweige 34, 35 jeweils doppelt abgesichert. Das Steuergerät 6 steuert die Freigabe der einzelnen Zweige 34, 35, die Zentraleinheit 53 übernimmt die Ansteuerung der Komponenten. Nur falls sowohl das Steuergerät 6 als auch die Zentraleinheit 53 normal arbeiten kann die Spannungsversorgung aktiviert und die Gasventile 33, 38 geöffnet werden. Fällt eines der beiden Systeme 6, 53 aus oder erkennt das Steuergerät 6 ein Fehler, so wird die Spannungsversorgung und die Gaszufuhr unterbrochen. Tritt während der Fahrt ein Feh­ ler auf, so wird das Fahrzeug abgeschaltet. Ein erneutes Starten des Fahrzeugs ist nur dann möglich, wenn die Sensoren 60 beim Neustart wieder normale Signale liefern.

Claims (5)

1. Sicherheitssystem für ein mit gasförmigem Kraftstoff betrie­ benes Fahrzeug mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung der Konzentration des gasförmigen Kraftstoffes in der Luft im Fahr­ zeug, mit einem Batterietrennschalter zur Unterbre­ chung des Fahrzeug-Stromkreises in Abhängigkeit von der Kraft­ stoffkonzentration im Fahrzeug und mit zumindest einem Gasventil, mit dem die Zufuhr von gasförmigem Kraftstoff einge­ stellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (3) in einem Speicherraum für den gasförmigen Kraftstoff angeordnet ist, daß in dem Speicherraum eine ver­ schließbare Belüftungsöffnung (10) angeordnet ist und daß ein Steuergerät (6) in Abhängigkeit von den Sensorsignalen die Stellung des Batterietrennschalters (9) und den Öffnungsgrad der Gasventile (38, 33) und der Belüftungsöffnung (10) steuert.
2. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Gassensoren (2, 1) im Fahrgastraum und/oder im Motorraum des Fahrzeugs vorgesehen sind.
3. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Crashsensor (4) und/oder ein Sensor (5) zur Erkennung eines Betankungsvorgangs vorgesehen sind.
4. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasventile (33, 38) über Versorgungszweige (27, 35), in denen jeweils ein vom Steuergerät (6) gesteuerter Freigabeschal­ ter (29, 39) und zumindest ein von der Zentraleinheit (53) betä­ tigter Schalter (32, 37) zur Ansteuerung der Gasventile (33, 38) vorgesehen ist, an die Spannungsversorgung angeschlossen sind.
5. Sicherheitssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (6), die Zentraleinheit (53), die Sensoren (60) und das Display (48) in einem gemeinsamen Versorgungszweig (20), der auch nach dem Öffnen des Batterietrennschalters (9) über ein Zeitrelais (23) für eine vorgegebene Zeitdauer mit der Fahrzeugbatterie (14) verbunden ist, angeordnet sind.
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