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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs aufweisend zumindest ein Relais mit zwei Schaltkontakten und mit einem Betätigungsmagneten sowie eine Steuereinrichtung, welche zum Schließen des zumindest einen Relais dazu ausgelegt ist, den Betätigungsmagneten zur Erregung eines Magnetfeldes und zum Bereitstellen einer Schließkraft für die Schaltkontakte in einer ersten Richtung zu bestromen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze für Kraftfahrzeuge. Solche Bordnetze können Hochvoltbordnetze sein und einen Hochvoltenergiespeicher aufweisen, welcher beispielsweise als Traktionsbatterie für ein als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Solche Hochvoltenergiespeicher sind über Hochvoltleitungen mit anderen Hochvoltkomponenten elektrisch verbunden. Um den Hochvoltenergiespeicher zu- und abschalten zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schaltvorrichtungen zu verwenden, mittels welchen die Hochvoltleitungen unterbrochen und verbunden werden können. Solche Schaltvorrichtungen können beispielsweise ein Relais mit zwei Schaltkontakten und einem Betätigungsmagneten aufweisen. Über eine Steuereinrichtung der Schaltvorrichtung wird der Betätigungsmagnet bestromt, welcher daraufhin ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld führt zu einer Schließkraft, mit welcher die Schaltkontakte zum Schließen des Relais aufeinander zubewegt werden können. Zum Öffnen des Relais kann das Bestromen des Betätigungsmagneten beendet werden, woraufhin die Schließkraft wegfällt und sich die Schaltkontakte wieder voneinander wegbewegen. Während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs kann es, beispielsweise aufgrund von Vibrationen infolge einer unebenen Fahrbahn, vorkommen, dass die Schaltkontakte aufeinander zubewegt werden und das Relais somit unerwünscht schließt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltvorrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs besonders robust gegen unerwünschtes Schließen zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltvorrichtung, ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug 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 Schaltvorrichtung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs weist zumindest ein Relais mit zwei Schaltkontakten und mit einem Betätigungsmagneten auf. Außerdem weist die Schaltvorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche zum Schließen des zumindest einen Relais dazu ausgelegt ist, den Betätigungsmagneten zur Erregung eines Magnetfeldes und zum Bereitstellen einer Schließkraft für die Schaltkontakte in einer ersten Richtung zu bestromen. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung zum Offenhalten des zumindest einen Relais dazu ausgelegt, das Magnetfeld durch Bestromen des Betätigungsmagneten in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zum Bereitstellen einer der Schließkraft entgegengesetzten Öffnungskraft für die Schaltkontakte umzupolen.
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Ferner gehört zur Erfindung ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen elektrischen Energiespeicher und eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung zum Zuschalten und Abschalten des elektrischen Energiespeichers. Vorzugsweise ist das Bordnetz ein Hochvoltbordnetz und der elektrische Energiespeicher ist ein Hochvoltenergiespeicher. Der Hochvoltenergiespeicher kann über Hochvoltleitungen mit zumindest einer Hochvoltkomponente verbunden sein, wobei die Schaltvorrichtung zum Trennen und Verbinden zumindest einer der Hochvoltleitungen ausgebildet sein kann. Zum Zu-und Abschalten des Hochvoltenergiespeichers weist zumindest eine der Hochvoltleitungen das zumindest eine Relais der Schaltvorrichtung auf. Zum Zuschalten des Hochvoltenergiespeichers kann das Relais die zumindest eine Hochvoltleitung verbinden und zum Abschalten des Hochvoltenergiespeichers kann das Relais die zumindest eine Hochvoltleitung unterbrechen.
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Das Relais bzw. Schaltschütz weist die zwei Schaltkontakte bzw. Arbeitskontakte auf, welche zum Schließen des Relais in Kontakt gebracht werden und zum Öffnen des Relais voneinander separiert werden. Dabei ist ein erster Schaltkontakt ein ortsfester Schaltkontakt und ein zweiter Schaltkontakt ein beweglicher Schaltkontakt. Zum Bewegen des beweglichen Schaltkontaktes ist der Betätigungsmagnet vorgesehen, welcher als ein Elektromagnet mit einer bestrombaren Spule und einem Eisenkern ausgebildet ist. Zum Schließen des Relais wird dem Betätigungsmagneten von der Steuereinrichtung ein Steuerstrom zugeführt, welcher in der ersten Richtung durch den Betätigungsmagneten fließt. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise an eine Energiequelle zum Bereitstellen des Steuerstroms angeschlossen werden. Eine solche Energiequelle kann beispielweise ein Niedervoltenergiespeicher, beispielsweise eine 12 V-Batterie, eines Niedervoltbordnetzes des Kraftfahrzeugs sein. Durch diesen Steuerstrom wird ein Magnetfeld erzeugt, welches die Schließkraft auf die Schaltkontakte ausübt. Beispielsweise kann die Schließkraft eine Kraft sein, welche den beweglichen Schaltkontakt in Richtung des ortsfesten Schaltkontaktes zieht. Das Relais kann dazu einen Anker aufweisen, welcher mit dem beweglichen Schaltkontakt verbunden sein kann und die von dem Betätigungsmagneten bereitgestellte Schließkraft auf den beweglichen Schaltkontakt überträgt. Beispielsweise kann der Anker beim Bestromen der Spule von dem Eisenkern angezogen werden und dadurch die Schaltkontakte schließen.
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Sobald der Betätigungsmagnet nicht mehr von der Steuereinrichtung bestromt wird, öffnen sich die Schaltkontakte und damit das Relais. Um nun zu verhindern, dass sich die Schaltkontakte ungewollt wieder schließen, kann die Steuereinrichtung das Magnetfeld umpolen. Ein solches ungewolltes Schließen kann beispielsweise aus Vibrationen oder Schocks resultieren, welche während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs über eine unebene Fahrbahn auf das Relais wirken. Zum Umpolen des Magnetfeldes führt die Steuereinrichtung dem Betätigungsmagneten einen Steuerstrom zu, welcher in der zweiten Richtung durch den Betätigungsmagneten fließt. Diese zweite Richtung ist der ersten Richtung entgegengesetzt. Durch das Umpolen des Magnetfeldes wird die Richtung der Schließkraft umgekehrt und wirkt als Öffnungskraft auf die Schaltkontakte. Diese Öffnungskraft wirkt vibrationsbedingten bzw. schockbedingten Kräften entgegen und hält das Relais in dem geöffneten Zustand. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, das zumindest eine Relais während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs zum Verhindern eines ungewollten, vibrationsbedingten Schließens des zumindest einen Relais offenzuhalten. Der entlang der zweiten Richtung gerichtete Steuerstrom kann dem Betätigungsmagneten also dauerhaft während der Fahrt des Kraftfahrzeugs zugeführt werden, sodass die Öffnungskraft dauerhaft während der Fahrt bereitgestellt wird.
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Das Relais kann zusätzlich eine Feder aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, zum Öffnen und Offenhalten des Relais eine Federkraft auf die Schaltkontakte auszuüben. Die Feder ist mit dem beweglichen Schaltkontakt verbunden. Um zu verhindern, dass die schockbedingte Kraft eine von der Feder bereitgestellte Federkraft zum Halten des beweglichen Schaltkontaktes überwindet, wird zusätzlich zu der Federkraft die Öffnungskraft durch Bestromen des Betätigungsmagneten in der zweiten Richtung bereitgestellt.
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Es kann vorgesehen sein, dass Steuereinrichtung eine Brückenschaltung in Form von einer H-Brücke mit vier Schaltelementen, insbesondere Transistoren, zum Bereitstellen der zwei unterschiedlichen Stromrichtungen durch den Betätigungsmagneten aufweist. Eine solche Brückenschaltung kann ein Vierquadrantensteller sein, bei welchem der Betätigungsmagnet, bzw. die bestrombare Erregerspule des Betätigungsmagneten, im Brückenzweig zwischen zwei Reihenschaltungen aus Transistoren angeordnet ist und ein Stromfluss durch den Betätigungsmagneten umgekehrt werden kann. Dazu wird pro Reihenschaltung derjenige Transistor angeschaltet, welcher den Stromfluss in der gewünschten Richtung leitet.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einem Bordnetz, das eine Umschaltmatrix mit einer Vielzahl von Schalteinheiten aufweist. Die Umschaltmatrix ist mit dem Hochvoltenergiespeicher verbunden und dazu ausgelegt, zum Bereitstellen von unterschiedlichen Bordnetzspannungen den Hochvoltenergiespeicher in zumindest zwei Teilenergiespeicher zu unterteilen und diese seriell oder parallel zu verschalten. Zumindest eine der Schalteinheiten ist durch das zumindest eine Relais der erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ausgebildet. Mittels der Umschaltmatrix können unterschiedliche Bordnetzspannungen, beispielsweise für einen Ladevorgang des Hochvoltenergiespeichers sowie für eine Versorgung von Bordnetzkomponenten, beispielsweise einer Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs während der Fahrt, bereitgestellt werden. Zum Versorgen der Bordnetzkomponenten mit einer ersten Bordnetzspannung, z.B. 400 V, kann die Umschaltmatrix die Teilenergiespeicher parallel schalten Um beispielsweise eine im Vergleich zur ersten Bordnetzspannung höhere zweite Bordnetzspannung, z.B. 800 V, zum Laden bereitzustellen, kann die Umschaltmatrix die Teilenergiespeicher in Serie schalten.. Die Umschaltmatrix weist dabei eine Vielzahl von Schaltelementen auf. Beispielsweise weist die Umschaltmatrix Schaltelemente zum Anschließen der Teilenergiespeicher an Ladeanschlüsse des Bordnetzes, welche mit einer fahrzeugexternen Ladesäule verbunden werden können, auf. Außerdem weist die Umschaltmatrix Schaltelemente zum Anschließen der Teilenergiespeicher an Bordnetzanschlüsse des Bordnetzes auf, an welche die Bordnetzkomponenten angeschlossen sein können. Ferner weist die Umschaltmatrix ein Schaltelement auf, mittels welchem die Teilenergiespeicher in Serie geschaltet werden können.
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Insbesondere soll die Serienschaltung der Teilenergiespeicher in ersten Betriebsmodi, in welchen die geringere erste Bordnetzspannung bereitgestellt werden soll, beispielsweise während der Fahrt des Kraftfahrzeugs, verhindert werden, sodass zumindest diese, die Reihenschaltung bereitstellende Schalteinheit durch das Relais der Schaltvorrichtung ausgebildet wird. Das Relais wird dabei während dieses ersten Betriebsmodus, insbesondere dauerhaft, offengehalten, um eine unerwünschte Serienschaltung und damit eine unerwünscht hohe Bordnetzspannung zu verhindern.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Bordnetz. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und weist den elektrischen Hochvoltenergiespeicher des Hochvoltbordnetzes als Traktionsbatterie auf.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den 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:
- 1a, 1b schematische Darstellungen eines Relais einer Schaltvorrichtung in einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand;
- 2 eine schematische Darstellung einer Steuereinrichtung zum Ansteuern des Relais; und
- 3a, 3b eine schematische Darstellung eines Bordnetzes mit einer Umschaltmatrix in unterschiedlichen Betriebsmodi.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
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1a und 1b zeigen ein Relais 1 einer Schaltvorrichtung für ein Bordnetz 9 (siehe 3a und 3b) eines Kraftfahrzeugs in unterschiedlichen Schaltzuständen. Das Relais 1 dient zum Unterbrechen und Trennen einer Leitung L. Das Relais 1 weist einen ersten, ortsfesten Schaltkontakt 2 und einen zweiten, beweglichen Schaltkontakt 3 auf. Gemäß 1a sind die Schaltkontakte 2, 3 in Kontakt, stellen somit einen geschlossenen Schaltzustand des Relais 1 bereit und verbinden die Leitung L. Gemäß 1b sind die Schaltkontakte 2, 3 separiert, stellen somit einen geöffneten Schaltzustand des Relais 1 bereit und unterbrechen die Leitung L. Das Relais 1 weist einen Betätigungsmagneten 4 auf, welcher eine bestrombare Erregerspule 5 und einen hier nicht gezeigten Eisenkern umfasst. Der bewegliche Schaltkontakt 3 ist beispielsweise mit einem Anker 6 verbunden. Das Bestromen der Erregerspule 5 führt zu einem Magnetfeld, welches in einer Kraft A, B auf den beweglichen Schaltkontakt 3 resultiert. Die Erregerspule 5 kann dabei in unterschiedlichen Richtungen bestromt werden. Gemäß 1a fließt ein erster Steuerstrom 11 entlang einer ersten Richtung durch die Erregerspule 5, wodurch eine Schließkraft A auf den beweglichen Schaltkontakt 3 wirkt. Diese Schließkraft A zieht hier den Anker 6 an, wodurch der bewegliche Schaltkontakt 3 nach unten gezogen wird und den ortsfesten Schaltkontakt 2 kontaktiert. Sobald der Erregerspule 5 der erste Steuerstrom I1 nicht mehr zugeführt wird, wird der Anker 6 nicht mehr angezogen und bewegt den beweglichen Schaltkontakt 3 nach oben von dem ortsfesten Schaltkontakt 2. Eine hier nicht gezeigte, mit dem beweglichen Schaltkontakt 3 verbundene Feder kann die Öffnungsbewegung des Relais 1 unterstützen.
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Um den in 1b gezeigten geöffneten Zustand des Relais 1 aufrecht zu erhalten, wird die Erregerspule 5 mit einem zweiten Steuerstrom I2 entlang einer zweiten Richtung bestromt. Die zweite Richtung R2 ist der ersten Richtung entgegengesetzt. Dieser zweite Steuerstrom I2 führt zu einem umgepolten Magnetfeld und damit zu einer der Schließkraft A entgegen gesetzten Öffnungskraft B. Durch die Öffnungskraft B werden der Anker 6 und damit der bewegliche Schaltkontakt 3 von dem zweiten Schaltkontakt 2 weggedrückt. Die Öffnungskraft B ist dabei derart bemessen, dass auch eine vibrationsbedingte Kraft auf das Relais 1 ein Schließen der Schaltkontakte 2, 3 verhindert.
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Zum Bestromen der Erregerspule 5 mit den Steuerströmen 11, 12 unterschiedlicher Richtungen R1, R2 weist die Schaltvorrichtung eine Steuereinrichtung 7 auf, von welcher eine Ausführungsform in 2 gezeigt ist. Die Steuereinrichtung 7 weist eine Brückenschaltung aus einer H-Brücke 8 auf. Die H-Brücke 8 weist zwei Reihenschaltungen aus jeweils zwei Schaltelementen T1, T2, T3, T4 auf, welche hier als Transistoren ausgebildet sind. Jedem Transistor T1, T2, T3, T4 ist ein Vorwiderstand R1, R2, R3, R4 vorgeschaltet. Die Erregerspule 5 ist im Brückenzweig angeordnet, welcher die Querverbindung zwischen den Reihenschaltungen darstellt.
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Sind hier die Transistoren T1 und T4 eingeschaltet und die Transistoren T2 und T3 ausgeschaltet, so fließt ein Strom von einem ersten Anschluss X1 zu einem zweiten Anschluss X2 der Brückenschaltung. Dies entspricht dem ersten Steuerstrom 11. Werden die Transistoren T2 und T3 eingeschaltet und die Transistoren T1 und T4 ausgeschaltet, so fließt ein Strom von dem zweiten Anschluss X2 zu dem ersten Anschluss X1 der Brückenschaltung. Dies entspricht dem zweiten Steuerstrom I2 durch die Erregerspule 5. Der zweite Strom I2 wird beispielsweise dauerhaft während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs bereitgestellt.
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In 3a und 3b ist ein Bordnetz 9 für ein Kraftfahrzeug gezeigt, welches einen elektrischen Energiespeicher 10 sowie eine Umschaltmatrix 11 aufweist. Die Umschaltmatrix 11 weist eine Vielzahl von Schalteinheiten S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 auf. Der elektrische Energiespeicher 10 ist hier ein Hochvoltenergiespeicher, welcher in zwei Teilenergiespeicher 10a, 10b unterteilt ist. Der elektrische Energiespeicher 10 ist über Bordnetzanschlüsse P1, P2 mit Bordnetzkomponenten 12, beispielsweise einem Gleichspannungswandler und/oder einer elektrischen Antriebsmaschine verbindbar. Außerdem ist der elektrische Energiespeicher 10 über Ladeanschlüsse P3, P4 mit einer bordnetzexternen bzw. fahrzeugexternen Ladesäule 13 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 10 verbindbar. Dabei können zum Laden und zum Betrieb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise zum Fahren, unterschiedliche Bordnetzspannungen bereitgestellt werden.
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Gemäß 3a wird ein erster Betriebsmodus in Form von einem Fahrmodus bereitgestellt, bei welcher der elektrische Energiespeicher 10 eine erste Bordnetzspannung, beispielsweise 400 V, bereitstellt. Dazu müssen die Teilenergiespeicher 10a, 10b parallel geschaltet werden. Hierfür werden die Schalteinheiten S5, S6 zum Anschließen des ersten Teilenergiespeichers 10a an die Bordnetzanschlüsse P1, P2 und die Schalteinheiten S5, S6 zum Anschließen des zweiten Teilenergiespeichers 10b an die Bordnetzanschlüsse P1, P2 geschlossen. Die Ladeanschlüsse P3, P4 sind über die geöffneten Schalteinheiten S2, S7 abgekoppelt und die Schalteinheit S3 ist zum Bereitstellen der Parallelschaltung der Teilenergiespeicher 10a, 10b geöffnet. Soll ein Lademodus mit 400 V bereitgestellt werden, so werden anstelle der Schalteinheiten S1, S5 die Schalteinheiten S2, S7 geschlossen, um die Bordnetzanschlüsse P1, P2 zu trennen und die Ladeanschlüsse P3, P4 anzuschließen.
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Gemäß 3b wird ein zweiter Betriebsmodus in Form von einem Lademodus bereitgestellt, bei welcher der elektrische Energiespeicher 10 eine zweite Bordnetzspannung, beispielsweise 800 V, bereitstellt. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn es sich bei der Ladesäule 3 um eine Schnellladesäule handelt. Dazu müssen die Teilenergiespeicher 10a, 10b seriell geschaltet werden. Hierfür wird die Schalteinheit S3 geschlossen. Außerdem werden die Schalteinheiten S2, S4 und S7 zum Anschließen der seriell geschalteten Teilenergiespeichers 10a, 10b an die Ladeanschlüsse P3, P4 geschlossen. Die Bordnetzanschlüsse P1, P2 sind über die geöffneten Schalteinheiten S5, S6 abgekoppelt.
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Insbesondere während des ersten Betriebsmodus, also des Fahrmodus mit der ersten Bordnetzspannung, soll gewährleistet werden, dass die Schalteinheit S3 nicht vibrationsbedingt und damit unerwünscht geschlossen wird. Daher ist zumindest diese Schalteinheit S3 durch das Relais 1 der Schaltvorrichtung ausgebildet und durch die Steuereinrichtung 7 ansteuerbar. Die Steuereinrichtung 7 kann auch zum Ansteuern der Schalteinheiten S1, S2, S4, S5, S6, S7 verwendet werden. Während der Fahrt wird dieses die dritte Schalteinheit S3 ausbildende Relais 1 mit dem zweiten Steuerstrom I2 bestromt, um einen geöffneten Zustand der Schalteinheit S3 aufrechtzuerhalten.
