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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontaktpin für ein Ladesystem für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, der zur Anwendung im Hochvoltbereich geeignet ist.
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Ladesysteme für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge sind in der Regel auf Spannungen größer als 60 Volt ausgelegt, woraus die Eignung des Kontaktpins für den Hochvoltbereich resultiert.
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Derartige Kontaktpins sind aus dem Stand der Technik, wie etwa aus der Druckschrift
DE 20 2009 017 313 U1 , bekannt und an die speziellen Anforderungen für die Verwendung in einem Ladesystem für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge angepasst. In der genannten Druckschrift wird ein Kontaktstift für einen elektrischen Ladestecker zum Laden eines Elektrofahrzeugs behandelt, wobei der Kontaktstift mit einer Bügelschutzkappe versehen ist. Es wird eine Lehre offenbart, wonach der gegebenenfalls unter Spannung stehende Kontaktstift für einen Bediener unzugänglich ist, indem ein effektiver Berührschutz des Kontaktstifts vorgesehen wird.
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Der Stand der Technik beschreibt weitere hochvoltgeeignete Ladesysteme für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, deren speziellen Eigenschaften darauf abzielen, Kontaktpins eines Ladesteckers gezielt in eine Endposition in einer Ladedose zur zuverlässigen Herstellung eines elektrischen Kontakts zu bringen. Dies offenbart beispielsweise die Schrift
DE 10 2010 041 323 A1 .
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Über die Betriebsdauer eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs kommt es zu einer hohen Anzahl von Ladevorgängen des Fahrzeugs (bis zu mehreren 1000), mit denen stets das Einstecken und das Abziehen eines Ladesteckers in die Ladedose verbunden ist.
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Es ist nun eine Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten elektrischen Kontaktpin für ein Ladesystem für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, der zur Anwendung im Hochvoltbereich geeignet ist, anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kontaktpin gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist der Kontaktpin zumindest zweiteilig aufgebaut, wobei der Kontaktpin ein Crimpstück und ein Kontaktstück umfasst und das Kontaktstück reversibel mit dem Crimpstück mechanisch verbindbar ist.
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Üblicherweise ist ein Ladesystem für ein Hybrid oder Elektrofahrzeug derart eingerichtet, dass zum Laden des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs an einer äußeren Ladequelle die äußere Ladequelle mit dem Fahrzeug verbunden wird (beispielsweise nach Norm IEC 62196). Ein Ladestecker wird dazu mit einer Ladebuchse, wobei ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Ladebuchse in das Fahrzeug integriert ist, in mechanische und elektrische Verbindung gebracht. Bei gängigen, aktuellen Ladesystemen ist die fahrzeugintegrierte Ladebuchse mit mehreren Kontaktpins versehen, wobei jeder Stromphase ein Kontaktpin zugeordnet ist. Alternativ kann auch der Ladestecker mit den Kontaktpins versehen sein. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird weiterhin von einer fahrzeugintegrierten Ladedose ausgegangen, die mehrere der erfindungsgemäßen Kontaktpins umfasst. Beim Laden ist der fahrzeugexterne Ladestecker mit der Ladebuchse verbunden (auch als Ladeverbindung in diesem Dokument bezeichnet), wodurch die Kontaktpins der Ladebuchse mit korrespondierenden elektrischen Gegenstücken des Ladesteckers, nämlich Kontaktklemmen, in Verbindung gebracht sind, um eine elektrische Verbindung zu bilden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Ladestecker mit den Kontaktpins versehen ist und die korrespondierenden Kontaktklemmen von der Ladebuchse im Fahrzeug umfasst sind. Der erfindungsgemäße Kontaktpin ist so aufgebaut, dass der Kontaktpin am Crimpstück über eine Crimpöffnung des Crimpstücks entweder mit einem Kabelabschnitts im Ladestecker oder einem Kabelabschnitt in der Ladebuchse elektrisch verbunden ist und das Kontaktstück des Kontaktpins dazu eingerichtet ist, bei hergestellter Ladeverbindung in die korrespondierenden Kontaktklemmen einzugreifen. Beim Lösen der Ladeverbindung nach einem Ladevorgang werden die Kontaktpins wieder von den korrespondierenden Kontaktklemmen entfernt.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist es, dass der in die korrespondierenden Kontaktklemmen eingreifende Teil eines Kontaktpins eine Teilkomponente des Pins bildet und vom Crimpstück des Pins durch Lösen der irreversiblen mechanischen Verbindung getrennt werden kann. Dadurch kann etwa ein durch zigmaliges Herstellen und Lösen der Ladeverbindung, d. h. durch zigmaliges Eingreifen des Kontaktstücks in die korrespondierende Kontaktklemme und Lösen des Kontaktstücks aus der korrespondierenden Kontaktklemme, verschlissener Kontaktpin leicht aus dem Ladesystem ausgebaut und durch ein baugleiches Kontaktstück erneuert werden. Alternativ kann das Kontaktstück zum Zwecke einer leichten Reinigung oder Beschichtung mit einem geeignetem leitenden Material, etc. aus dem Ladesystem ausgebaut und wieder eingesetzt werden. Die reversible mechanische Verbindung ist außerdem entlang der Achse der longitudinalen Ausdehnung des Kontaktpins so stark ausgebildet, dass Zug- und Druckkräfte, die beim Steck- und Abziehvorgang des Ladesteckers über die Kontaktklemmen auf die Kontaktpins ausgeübt werden, geringer als die Haltekraft der reversiblen mechanischen Verbindung zwischen Crimpstück und Kontaktstück ist.
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Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weisen das Crimpstück einen Kontaktfortsatz und das Kontaktstück eine Kontakthülse auf, wobei der Kontaktfortsatz und die Kontakthülse derart ausgebildet sind, dass bei hergestellter mechanischer Verbindung der Kontaktfortsatz und die Kontakthülse einen elektrischen Berührkontakt bilden.
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Es greifen also, wenn das Crimpstück mit dem Kontaktstück mechanisch verbunden ist, der Kontaktfortsatz und die Kontakthülse ineinander, um den elektrischen Berührkontakt zu bilden. Dies stellt eine zuverlässige elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Kontaktstück, das bei einem Ladevorgang mit der korrespondierenden Kontaktklemme verbunden ist, und dem Crimpstück sicher. Je größer dieser elektrische Berührkontakt flächenmäßig und je größer der Pressdruck zwischen dem Kontaktfortsatz und der Kontakthülse ist, umso langlebiger und robuster ist die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstück und dem Crimpstück über die Lebensdauer des Kontaktstücks.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Kontaktstück mit dem Crimpstück über einen Bajonettverschluss verbindbar.
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In der Elektrik und Elektronik sind bajonettartige Verschlüsse bekannt, um Stecker und Buchsen in einer Steck-Dreh-Bewegung reversibel miteinander zu verbinden. Nach der vorliegenden Variante wird diese Technik auf den zweiteiligen Kontaktpin übertragen, indem das Crimpstück und das Kontaktstück mit dem Bajonettverschluss reversibel verbindbar sind.
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Vorzugsweise ist der Bajonettverschluss so ausgeführt, dass das Crimpstück einen Dorn aufweist und das Kontaktstück eine Nut aufweist, wobei der Dorn und die Nut mechanisch formschlüssige Gegenstücke bilden. Die Nut, die den Dorn aufnimmt, gibt die Steck-Dreh-Bewegung des Dorns in der Nut vor.
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Alternativ ist der Bajonettverschluss derart ausgeführt, dass das Crimpstück einen Stift aufweist und das Kontaktstück eine Doppelnut aufweist, wobei der Stift und die Doppelnut mechanisch formschlüssige Gegenstücke bilden.
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Im Vergleich zu einer einfachen Nut mit Dorn sorgt eine Doppelnut mit Stift für eine bessere und robustere mechanische Verbindung zwischen Crimpstück und Kontaktstück.
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Die mechanische Verbindung wird weiterhin verbessert, wenn die Nut oder Doppelnut so ausgebildet ist, dass die Nut oder Doppelnut eine Drehbewegung derart vorgibt, dass die Drehbewegung mit einer geringfügigen weiteren Bewegung des Dorns oder des Stiftes überlagert wird, die senkrecht zur Richtung der Drehbewegung selbst und gegen die Richtung der Einsteckbewegung von Crimpstück und Kontaktstück gerichtet ist. Eine derartige Nut wird als Nut mit negativer Steigung bezeichnet. Diese kann in Zusammenwirkung mit z. B. einer Feder, die den Dorn federnd im Crimpstück lagert und eine Federkraft auf den Dorn in Richtung der Crimpöffnung ausübt, zu einem Einrasten des Kontaktstücks in das Crimpstück bei abgeschlossener Drehbewegung führen. Dadurch entsteht eine Arretierung des Kontaktstücks gegen Verdrehung gegen das Crimpstück. Alternativ zum Einsatz einer Feder kann auch die Elastizität des Materials von Crimpstück bzw. Stift und Kontaktstück selbst (z. B. Messing) zur Arretierung genutzt werden, indem der Stift bei der Einsteck-Dreh-Bewegung unter geringer elastischer Verformung der beteiligten Bauteile eine Engstelle der Nut oder einen „Bauch” der Nut überwindet.
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Vorzugsweise oder alternativ ist das Kontaktstück mit dem Crimpstück über einen Schraubverschluss verbindbar.
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Eine weitere Alternative ist ein Klemmverschluss, über den das Kontaktstück mit dem Crimpstück verbindbar ist. Insbesondere bei einem Klemmverschluss ist es wichtig, dass die Haltekräfte des Klemmenverschluss die Zug- und Druckkräfte, die beim Steck- und Abziehvorgang des Ladesteckers über die Kontaktklemmen auf die Kontaktpins ausgeübt werden, übersteigen.
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Es können auch zwei oder mehrere der genannten Verschlussarten zu einem anderen Verschluss kombiniert werden, um das Kontaktstück mit dem Crimpstück reversibel mechanisch verbindbar zu machen.
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Nach einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung umfasst der Konktaktpin eine Dichtung, die den elektrischen Berührkontakt vor Feuchtigkeit schützt.
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Dadurch, dass das Kontaktstück und das Crimpstück zweiteilig ausgeführt sind, besteht im Vergleich zu einem einteiligen Kontaktpin die Gefahr, dass Feuchtigkeit, die zwischen den Kontaktfortsatz und die Kontakthülse eindringt, direkt auf den elektrischen Berührkontakt einwirkt und korrosive, oxidierende und die Leitfähigkeit vermindernde Prozesse bewirkt. Dies wird durch die Dichtung unterbunden und somit die Langlebigkeit des elektrischen Berührkontakts weiter verbessert.
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Es wird weiterhin eine Ladebuchse, die in ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug integrierbar ist und die als ein Gegenstück gegen einen Ladestecker, der zum Zweck des Ladens des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs mit der Ladebuchse verbindbar ist, ausgebildet ist, beschrieben, wobei die Ladebuchse zumindest einen erfindungsgemäßen Kontaktpin umfasst.
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Nach dieser Variante umfasst die fahrzeugseitige Ladebuchse den Kontaktpin und der fahrzeugexterne Ladestecker die Kontaktklemme.
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Nach einer alternativen Ausführungsform umfasst der Ladestecker zumindest einen erfindungsgemäßen Kontaktpin und die fahrzeugintegrierte Ladebuchse umfasst die Kontaktklemme.
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Es wird weiterhin ein Ladesystem für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, das eine in dem Hybrid- oder Elektrofahrzeug integrierte erste Ladeeinheit und eine fahrzeugäußere zweite Ladeeinheit umfasst, wobei die erste Ladeeinheit und die zweite Ladeeinheit mechanische und elektrische Gegenstücke derart bilden, dass zum Zweck des Ladens des Hybrid – oder Elektrofahrzeugs die erste Ladeeinheit und die zweite Ladeeinheit elektrisch und mechanisch miteinander verbindbar sind, angegeben, wobei die erste oder die zweite Ladeeinheit zumindest einen erfindungsgemäßen Kontaktpin umfasst.
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Die Erfindung beruht auf den nachfolgend dargelegten Überlegungen:
Die Erfindung fällt in den Bereich der Ladesysteme für Elektrofahrzeuge. Dabei sind im Fahrzeug montierte Ladedosen für den Automotive-Einsatz neuartigen Bedingungen ausgesetzt. Die Ladedosen liegen im Außenbereich des Fahrzeugs und müssen über ihre avisierte Lebensdauer sehr hohen Steckzyklenzahlen in der Größenordnung von mindestens 10.000 Stück standhalten. Zudem dürfen sie wegen des Erfordernisses einer wirksamen Drainage nicht komplett feuchtigkeitsdicht ausgeführt sein, da sie bei Verwendung temporär auch Regen und anderen Feuchtigkeitseinflüssen ausgesetzt sein können und deshalb einen Wasserablauf besitzen müssen. Außerdem führen sie sehr hohe Ströme, die beim Laden bis zu 200 Ampere betragen können, wenn die Ladedosen für den Hochvoltbereich ausgeführt sind. All diese Aspekte führen zu einer erhöhten Korrosionsbelastung der Kontakte. Die üblicherweise aus Messing bestehenden Kontakte können bei der Herstellung zunächst mit einer Kupfer-Trennschicht oder Nickel-Trennschicht überzogen und anschließend mit Silber beschichtet werden.
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Verschlissen werden die Kontakte vor allem beim Ein- bzw. Aussteckvorgang eines Ladesteckers in die Ladedose, d. h. vor und nach dem Laden der Batterie, wenn die Kontakte der Ladedose eine elektrische Verbindung mit einem Gegenstück des Ladesteckers herstellen. Problematisch dabei ist, dass der Übergangswiderstand über diese elektrische Verbindung möglichst gering sein muss, deshalb müssen die Kontakte mit einem gewissen Anpressdruck gehalten werden. Allein diese Krafteinwirkung führt dazu, dass die Kontaktflächen auf die Dauer verschleißen. Zudem ist ungewiss, an welcher Ladesäule der Benutzer sein Auto lädt und welchen „Widrigkeiten” die Kontakte ausgesetzt sind hinsichtlich Hersteller, Fertigungstoleranzen, etc.
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Gelangt nun zusätzlich z. B. ein Sandkorn oder eine anderweitige Verunreinigung auf den Kontakt, so kann an den silberbeschichteten Kontakten sehr schnell Verschleiß auftreten, ggf. auch bevor eine Steckzyklenzahl von 10.000 mal erreicht ist.
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Sind die Kontakte erst verschlissen, so führt dies zu Korrosion, einem steigenden Übergangswiderstand über die elektrische Verbindung und bei hohen Strömen zu einer starken Erwärmung. Im Extremfall kann, bei einem zu großen Übergangswiderstand am Erdungskontakt, der Ladevorgang abgebrochen oder gar nicht erst gestartet werden.
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Im Fehlerfall kann aber nicht nur der/die betroffenen Kontakte gewechselt werden, sondern es muss zumindest die komplette Ladedose, schlimmstenfalls der gesamte zugehörige Kabelbaum getauscht werden. Diese Nachteile gilt es zu überwinden.
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Hierzu schlägt die Erfindung einen Hochvoltwechselkontakt vor. Dadurch können beschädigte Hochvolt-/Leistungskontakte ohne Ausbau der Ladedose einzeln gewechselt, repariert, gereinigt oder gewartet werden. Erfindungsgemäß ist der Kontakt dazu zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem Teil (Crimpstück genannt), der stets in der Ladedose verbleibt und einem anderen Teil (Kontaktstück genannt), der im Verschleißfall gewechselt wird. Das Crimpstück umfasst auch einem Anschlagbereich für Kabel (z. B. zum Crimpen) einer Kontakthaltefläche und einen Übergang zum wechselbaren Kontaktstück, der als Bajonettverschluss ausgeführt sein kann. Dazu bildet das Crimpstück einen Kontaktfortsatz als Führung und weist einen Haltstift oder Haltedorn auf, der in das Crimpstück eingepresst sein kann. Das Kontaktstück weist eine hülsenartige Form für den Kontaktfortsatz und eine Nut zur Aufnahme des Haltedorns oder des Haltestifts auf. Es kann auch das Kontaktstück den Dorn und das Crimpstück die Nut aufweisen. Da der Fortsatz dazu eingerichtet ist, den Strom vom Kontaktstück aufzunehmen, ist zusätzlich eine Dichtung vorgesehen, um den Fortsatz vor Feuchtigkeit zu schützen.
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Der erfinderische Gedanke ist sowohl auf positive, negative und Masseleiter anwendbar und auf alle gängigen weltweit verbreiteten Ladesysteme in Form einer Buchse-Stecker-Verbindung analog übertragbar wie die teilweise genormten Systeme in Europa, USA, China oder Japan.
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Durch das austauschbare Kontaktstück, d. h. durch Verwendung eines solchen Wechselkontakts, ist kein kostspieliger und zudem aufwändiger Wechsel der kompletten fahrzeugintegrierten Ladedose, die den Wechselkontakt bzw. mehrere solcher Wechselkontakte enthält, mehr nötig. Es wird nur noch das tatsächlich vom Verschleiß unmittelbar betroffene Teil getauscht. Dies bringt Kosten- und Zeitvorteile bei der Reparatur und bei der Wartung.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Daraus ergeben sich weitere Details, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung. Im Einzelnen zeigen schematisch
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1 Explosionsdarstellung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Kontaktpins
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2 Teilschnitt des Kontaktpins
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3 Erfindungsgemäßer Kontaktpin mit korrespondierender Kontaktklemme
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4 Detailansicht von Nut und Stift eines erfindungsgemäßen Kontaktpins
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Merkmale.
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Die 1, 2 und 3 zeigen einen Kontaktpin (1), der in einem Ladesystem für Hybrid- und Elektrofahrzeuge eingesetzt wird. Bei einem solchen Ladesystem wird zum Zweck des Ladens des Fahrzeugs das Fahrzeug mit einem fahrzeugexternen Ladekabel verbunden. In der Regel ist an dem Ladekabel ein Ladestecker befindlich, der zur Verbindung mit einer fahrzeugintegrierten Ladedose zum Laden des Fahrzeugs eingerichtet ist. Diese Verbindung wird auch als Ladeverbindung bezeichnet und umfasst sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Verbindung.
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Gemäß 3 wird die elektrische Verbindung über zumindest einen Kontaktpin (1) und eine dem Kontaktpin zugeordnete korrespondierende Kontaktklemme (100) hergestellt, indem der Kontaktpin in die Kontaktklemme formschlüssig eingreift. Ein Kontaktierelement (101) der Kontaktklemme bewirkt einen Pressdruck zwischen Kontaktpin und Klemme und stellt somit einen leitenden Übergang her. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist der Kontaktpin in die Ladedose und die Kontaktklemme in den Ladestecker integriert.
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Der Kontaktpin ist im Wesentlichen aus einem Crimpstück (2) und einem Kontaktstück (3) aufgebaut. Das Crimpstück ermöglicht eine Verbindung des Kontaktpins mit der Kabelführung in der Ladedose durch Vercrimpen oder durch äquivalente Techniken wie Verlöten, Verschrauben oder Verschweissen (nicht in den Figuren gezeigt). Das Crimpstück und das Kontaktstück sind reversibel miteinander mechanisch verbindbar. Die mechanische Verbindbarkeit gewährleistet ein bajonettartiger Verschluss, der aus einer Doppelnut (9) und einem Stift (7), der in die Doppelnut eingreift, besteht. Der Stift (7) ist über eine Stiftaufnahme (8) im Crimpstück mit diesem verpresst. Beim Verbinden des Crimpstücks mit dem Kontaktstück greift der Kontaktfortsatz (2a) in die Kontakthülse (3a) ein. Die Doppelnut führt den Stift in Form einer kombinierten Steck-Dreh-Bewegung. Die Steckrichtung ist parallel zur longitudinalen Ausdehnung des Kontaktpins gerichtet. Die Drehrichtung ist senkrecht zur Steckrichtung gerichtet. Mit Abschluss der Drehbewegung erreicht das Kontaktstück eine relativ zum Crimpstück feste Position, so dass eine mechanische Verbindung zwischen dem Kontaktstück und dem Crimpstück hergestellt ist. Bei der hergestellten mechanischen Verbindung bilden der Kontaktfortsatz und die Kontakthülse einen elektrischen Berührkontakt gemäß 2 aus (durch gestrichelte Kreislinie angezeigt). Zwischen dem Kontaktstück und dem Crimpstück ist zudem eine Dichtung (11) vorgesehen, die den elektrischen Berührkontakt vor Feuchtigkeit schützt. Das Kontaktstück ist außerdem mit einem elektrisch isolierenden Berührschutz (5) versehen. Über eine Crimpöffnung (4) ist das Crimpstück mit einem Anschlusskabel verbunden.
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Während des Gebrauchs des Kontaktpins wird derart häufig die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktstück und der korrespondierenden Kontaktklemme gegen den Anpressdruck hergestellt und wieder gelöst, dass das Kontaktstück einem erhöhten Verschleiß unterliegt. Durch den im Wesentlichen zweiteiligen Aufbau des Kontaktpins kann das Kontaktstück vom Crimpstück gelöst werden, um es durch ein baugleiches neueres Kontaktstück zu ersetzen oder es zu reparieren oder zu warten und erneut mit dem Crimpstück mechanisch zu verbinden. Auf diese Weise ist ein einfacher und robuster Hochvolt-geeigneter und austauschbarer Kontakt für Ladesysteme für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bereitgestellt.
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Zum leichteren Austauschen des Kontaktstücks kann das Crimpstück oder das Kontaktstück mit einer Kerbe (10) ausgestattet sein, um mit einem geeigneten Werkzeug gezielt die Dreh-Aussteck-Bewegung des Kontaktstücks relativ zum Crimpstück zum Lösen der mechanischen Verbindung und die Einsteck-Dreh-Bewegung zum Herstellen der mechanischen Verbindung zu ermöglichen.
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Es kann die Doppelnut weiterhin bevorzugt Richtung Ende der Nut mit einer leichten negativen Steigung, angezeigt durch einen Pfeil in 4, ausgeführt sein. Die beiden Schenkel der Nut bilden also in Bezug zum Stift einen „Bauch”, worin eine Arretierung des Kontaktstücks, wenn es reversibel mit dem Crimpstück verbunden ist, resultiert. Nach einer weiteren Ausführungsform wird die negative Steigung der Doppelnut mit einer Feder, die zwischen dem Kontaktstück und dem Crimpstück befindlich ist und eine die beiden Bauteile auseinandertreibende Federkraft ausübt, kombiniert. Zur Erreichung der Arretierung kann alternativ die Doppelnut so ausgeführt sein, dass die Schenkel der Nut einen leicht spitzen Winkel zueinander bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009017313 U1 [0003]
- DE 102010041323 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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