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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen
des Isolationswiderstands eines Brennstoffzellensystems gegenüber einem
elektrischen Massepunkt.
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In
US 5,760,488 ist eine sogenannte
IT-Architektur (IT = "isolated
terra") für den Lastkreis
eines in ein Fahrzeug eingebauten Brennstoffzellensystems beschrieben,
bei der die Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems gegenüber dem
Fahrzeugchassis (Fahrzeugmasse) isoliert sind. Die aus den Laststromleitungen
gespeisten elektrischen Verbraucher sind mit ihren Gehäusen niederohmig
mit der Fahrzeugmasse verbunden, um so gefährliche Kontaktspannungen zu
vermeiden. Die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte Brennstoffzellenspannung
ist demnach nicht auf das Potenzial der Fahrzeugmasse bezogen; sie schwimmt
sozusagen gegenüber
dem Massepotential. Eine gewisse elektrische Leitfähigkeit
des zur Kühlung des
Brennstoffzellensystems verwendeten Kühlmittels bewirkt neben anderen
Effekten, dass der Isolationswiderstand des Lastkreises gegenüber der
Fahrzeugmasse nicht unendlich ist, sondern endlich.
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Die
vorliegende Erfindung geht von einer "schwimmenden" Architektur des Brennstoffzellensystems aus,
wie sie in
US 5,760,488 offenbart
ist, jedoch ohne Einschränkung
auf Anwendungen in einem Fahrzeug. Grundsätzlich ist die Erfindung in
beliebigen stationären
und mobilen Anwendungen einsetzbar, wenngleich Fahrzeuganwendungen
bevorzugt sind.
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Aus
Sicherheitsgründen
schreiben zahlreiche Vorschriften einen bestimmten unteren Grenzwert
(z.B. 100 kΩ)
vor, den der Isolationswiderstand zwischen dem Brennstoffzellensystem
und einem Massepunkt nicht unterschreiten darf. Zur Überwachung
des Isolationswiderstands ist es aus
US
5,760,488 bekannt, Fehlersituationen mittels einer zwischen
die Laststromleitungen und die Fahrzeugmasse eingefügten Brückenschaltung zu
detektieren. Im Normalfall, wenn der Isolationswiderstand ordnungsgemäß ist, liefert
die Brückenschaltung kein
Signal. Nur dann, wenn der Isolationswiderstand absinkt, gibt die
Brückenschaltung
ein Signal aus, das dann von einem Differenzverstärker verstärkt wird
und eine entsprechende Reaktion auslöst, etwa eine Abschaltung des
Brennstoffzellensystems. Die Lösung
nach
US 5,760,488 erlaubt
keine Bestimmung des absoluten Werts des Isolationswiderstands,
sie gestattet vielmehr nur eine Unterscheidung zwischen Fällen, die
als ordnungsgemäß angesehen
werden, und solchen, die nicht mehr als ordnungsgemäß gelten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine präzise
und zuverlässige
Messung des Isolationswiderstands zu ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Einrichtung zum Messen des
Isolationswiderstands eines Brennstoffzellensystems gegenüber einem
elektrischen Massepunkt vor, wobei diese Messeinrichtung aufweist
- – eine
aus einer Reihenschaltung von Referenzwiderständen gebildete Widerstandsanordnung
zwischen zwei Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems,
- – eine
zwischen dem Massepunkt und einem Knoten zwischen den Referenzwiderständen angeordnete Referenzspannungsquelle,
welche zwischen mindestens zwei verschiedenen Referenzspannungen
umstellbar ist,
- – eine
Spannungserfassungseinrichtung, welche die Spannung zumindest zwischen
einer der Laststromleitungen und dem Massepunkt erfasst, sowie
- – eine
mit der Spannungserfassungseinrichtung verbundene Auswerteeinheit,
welche den Isolationswiderstand auf Grundlage eines ersten Spannungswerts,
welcher einen Wert der Spannung zwischen einer ersten der Laststromleitungen
und dem Massepunkt bei Anliegen einer ersten Referenzspannung der
Referenzspannungsquelle repräsentiert,
und eines zweiten Spannungswerts ermittelt, welcher einen Wert der Spannung
zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt bei Anliegen
einer zweiten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert.
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Die
erfindungsgemäße Messeinrichtung
ist symmetrisch zwischen den Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems
angeordnet. Durch Umschalten der Referenzspannungsquelle von einer
Referenzspannung auf eine andere kann das System gezielt verändert werden.
Dies ermöglicht
es, Werte für
die Spannung zwischen einer der Laststromleitungen und dem Massepunkt
unter verschiedenen Messbedingungen zu erhalten. Unter Anwendung
der Kirchhoff'schen
Maschen- und Knotenregeln kann mit den so erhaltenen Spannungswerten
der Isolationswiderstand seiner Größe nach berechnet werden.
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Vorzugsweise
sind die erste und die zweite Referenzspannung betragsmäßig im wesentlichen
gleich, sind jedoch entgegengesetzter Polarität. Der Widerstandswert der
Widerstandsanordnung zwischen dem Knoten und jeder der Laststromleitungen
ist überdies
vorzugsweise zumindest näherungsweise
gleich.
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Es
kann sein, dass sich die bereitgestellte Brennstoffzellenspannung
des Brennstoffzellensystems zwischen aufeinanderfolgenden Messungen
mit verschiedener Referenzspannung verändert. Dies gilt insbesondere,
wenn eine gewisse Zeit abgewartet wird, nachdem die Referenzspannung
umgeschaltet wurde. Ein solches Abwarten empfiehlt sich, um ein
vollständiges
Umladen der unvermeidbaren parasitären Kapazitäten zu ermöglichen. In Fahrzeuganwendungen
können
Schwankungen der Brennstoffzellenspannung beispielsweise infolge
einer Beschleunigung oder eines Abbremsens des Fahrzeugs auftreten.
Es hat sich gezeigt, dass die Brennstoffzellenspannung in der Praxis
gelegentlich erheblich schwanken kann.
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Um
trotz solcher Schwankungen der Brennstoffzellenspannung dennoch
zuverlässig
den Isolationswiderstand ermitteln zu können, ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform
vorgesehen, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, den
ersten Spannungswert aus zwei oder mehr ersten Messwerten herzuleiten,
die die Spannung zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt
bei anliegender erster Referenzspannung zu verschiedenen Zeitpunkten
angeben, oder/und den zweiten Spannungswert aus zwei oder mehr zweiten
Messwerten herzuleiten, die die Spannung zwischen der ersten Laststromleitung
und dem Massepunkt bei anliegender zweiter Referenzspannung zu verschiedenen
Zeitpunkten angeben.
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Es
werden also bei dieser Ausführungsform
für die
Spannung zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt
mehrere Messwerte bei anliegender erster oder zweiter Referenzspannung
genommen. Aus diesen mehreren Messwerten wird dann der erste bzw.
zweite Spannungswert abgeleitet, der für die Ermittlung des Isolationswiderstands
verwendet wird. Hierdurch besteht die Möglichkeit, Schwankungen der Brennstoffzellenspannung
rechnerisch zu kompensieren.
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Vorzugsweise
ist die Auswerteeinheit jedoch dazu eingerichtet, verschiedene Paarkombinationen
jeweils eines ersten und eines zweiten Messwerts zu bilden und für diese
Paarkombinationen (nachfolgend erste Paarkombinationen genannt)
jeweils die Differenz zwischen den zugehörigen Werten der Brennstoffzellenspannung
des Brennstoffzellensystems zu ermitteln. Unter diesen ersten Paarkombinationen
ermittelt die Auswerteeinheit sodann diejenige, bei der die Differenz
zwischen den zugehörigen
Werten der Brennstoffzellenspannung des Brennstoffzellensystems
minimal ist.
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Die
Auswerteeinheit kann dann den ersten und zweiten Messwert der ermittelten
ersten Paarkombination unmittelbar als erster bzw. zweiter Spannungswert
verwenden, was besonders dann empfehlenswert ist, wenn die Differenz
der Brennstoffzellenspannungswerte dieser ersten Paarkombination
eine vorbestimmte Schwelle betragsmäßig unterschreitet.
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Sie
kann aber auch nur einen der Messwerte der ermittelten ersten Paarkombination
als erster bzw. zweiter Spannungswert verwenden und für den anderen
Spannungswert einen korrigierten Wert des anderen Messwerts dieser
ersten Paarkombination verwenden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte dieser ersten
Paarkombination eine vorbestimmte Schwelle betragsmäßig überschreitet.
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Zur
Ermittlung des korrigierten Messwerts bildet die Auswerteeinheit
vorzugsweise Paarkombinationen aus jeweils zwei ersten oder zwei
zweiten Messwerten und ermittelt für diese Paarkombinationen (nachfolgend
zweite Paarkombinationen genannt) jeweils die Differenz zwischen
den zugehörigen
Brennstoffzellenspannungswerten. Dann ermittelt sie, für welche
zweite Paarkombination die Differenz der zugehörigen Brennstoffzellenspannungswerte
maximal ist. Daraufhin ermittelt die Auswerteeinheit einen Quotient
der Differenz der Messwerte der ermittelten zweiten Paarkombination
und der Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte dieser zweiten
Paarkombination, und durch Multiplikation dieses Quotienten mit
der Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte der ermittelten
ersten Paarkombination ermittelt sie einen Korrekturwert, den sie
zu dem anderen Messwert addiert. Auf diese Weise wird der korrigierte
Messwert erhalten, der dann für
den anderen Spannungswert bei der Berechnung des Isolationswiderstands
verwendet wird.
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Die
Erfindung sieht zur Lösung
des eingangs gestellten Problems auch ein Verfahren zum Messen des Isolationswiderstands
eines Brennstoffzellensystems gegenüber einem elektrischen Massepunkt
mit Hilfe einer Messeinrichtung vor, welche umfasst:
- – eine
aus einer Reihenschaltung von Referenzwiderständen gebildete Widerstandsanordnung
zwischen zwei Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems,
- – eine
zwischen dem Massepunkt und einem Knoten zwischen den Referenzwiderständen angeordnete Referenzspannungsquelle,
welche zwischen mindestens zwei verschiedenen Referenzspannungen
umstellbar ist,
- – eine
Spannungserfassungseinrichtung, welche die Spannung zumindest zwischen
einer der Laststromleitungen und dem Massepunkt erfasst.
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Das
Messverfahren ist dabei erfindungsgemäß gekennzeichnet durch den
Schritt des Ermittelns des Isolationswiderstands auf Grundlage eines
ersten Spannungswerts, welcher einen Wert der Spannung zwischen
einer ersten der Laststromleitungen und dem Massepunkt bei Anliegen
einer ersten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert,
und eines zweiten Spannungswerts, welcher einen Wert der Spannung
zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt bei Anliegen
einer zweiten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert.
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Der
erste Spannungswert kann bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren aus zwei
oder mehr ersten Messwerten hergeleitet werden, die die Spannung
zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt bei anliegender
erster Referenzspannung zu verschiedenen Zeitpunkten angeben, oder/und
es kann der zweite Spannungswert aus zwei oder mehr zweiten Messwerten
hergeleitet werden, die die Spannung zwischen der ersten Laststromleitung
und dem Massepunkt bei anliegender zweiter Referenzspannung zu verschiedenen
Zeitpunkten angeben.
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Bei
dem Messverfahren kann ferner diejenige erste Paarkombination aus
verschiedenen ersten Paarkombinationen jeweils eines ersten und
eines zweiten Messwerts ermittelt werden, bei der die Differenz
zwischen zugehörigen
Werten der Brennstoffzellenspannung des Brennstoffzellensystems
minimal ist. Der erste und zweite Messwert der ermittelten ersten
Paarkombination können
dann als erster bzw. zweiter Spannungswert verwendet werden, insbesondere
wenn die Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte dieser ersten Paarkombination
eine vorbestimmte Schwelle betragsmäßig unterschreitet. Wenn freilich
diese Differenz eine vorbestimmte Schwelle betragsmäßig überschreitet,
kann einer der Messwerte der ermittelten ersten Paarkombination
als erster bzw. zweiter Spannungswert verwendet werden, während für den anderen
Spannungswert ein korrigierter Wert des anderen Messwerts verwendet
wird.
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Hierzu
wird im Rahmen des Messverfahrens vorzugsweise diejenige zweite
Paarkombination aus verschiedenen zweiten Paarkombinationen jeweils
zweier erster oder zweier zweiter Messwerte ermittelt, bei der die
Differenz zwischen den zugehörigen
Brennstoffzellenspannungswerten maximal ist. Sodann wird ein Quotient
der Differenz der Messwerte der ermittelten zweiten Paarkombination
und der Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte dieser zweiten
Paarkombination ermittelt. Der Quotient wird daraufhin mit der Differenz der
Brennstoffzellenspannungswerte der ermittelten ersten Paarkombination
multipliziert und der korrigierte Messwert durch Addition dieses
Korrekturwerts zu dem anderen Messwert gewonnen.
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Die
Erfindung betrifft zudem noch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln,
welche bei ihrer Ausführung
durch einen Prozessor die Durchführung
der Schritte des Messverfahrens der vorstehend erläuterten
Art bewirken. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise auf
einem computerlesbaren Datenträger
gespeichert sein, etwa einer optischen oder magnetischen Informationsträgerscheibe.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es
stellen dar:
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1 ein
reales Schaltbild einer Brennstoffzelle und deren äquivalente
Schaltung sowie
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2 ein
Schaltbild einer Widerstandsmessschaltung nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In
der linken Hälfte
der 1 ist mit 10 ein Brennstoffzellensystem
angedeutet, das sich aus einer Vielzahl zu einem Stapel 11 zusammengefasster,
elektrisch in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 12 zusammensetzt.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist Laststromleitungen 14, 16 auf,
zwischen denen die Summenspannung der von den Brennstoffzellen 12 erzeugten
Elementarspannungen anliegt. Diese Summenspannung wird hier als
Brennstoffzellenspannung bezeichnet. Im dargestellten Beispielfall
der 1 liegt die obere Laststromleitung 14 auf
einem positiven Klemmenpotential +HV, während die untere Laststromleitung 16 auf
einem negativen Klemmenpotential –HV liegt. Bei Anwendungen
im Kraftfahrzeugsektor kann die Brennstoffzellenspannung beispielsweise
einige hundert Volt betragen. Die Erfindung ist jedoch keineswegs
auf eine derartige Größenordnung
der Brennstoffzellenspannung beschränkt. Beliebige andere Werte
der Brennstoffzellenspannung sind möglich.
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Die
Laststromleitungen
14,
16 sind gegenüber dem
Massepunkt (Massesystem)
18 isoliert. Die Potentiale der
Laststromleitungen
14,
16 sind dabei nicht fest
gegenüber
dem Massepotential, sondern können
sich diesem gegenüber
verschieben. Sie schwimmen sozusagen. Eine derartige Schaltungsarchitektur
wird auch als IT-Architektur
bezeichnet. Die zu versorgenden elektrischen Verbraucher (nicht
näher dargestellt)
werden an die Laststromleitungen
14,
16 angeschlossen.
Gleichzeitig werden die Gehäuse
dieser Verbraucher über eine
niederohmige Verbindung mit dem Massepunkt
18 gekoppelt,
um das Auftreten von Kontaktspannungen zu vermeiden. Für den Fall
einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug ist dies im Einzelnen in
der eingangs erwähnten
US 5,760,488 erläutert, auf
die hiermit ausdrücklich
Bezug genommen wird.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 ist durch einen endlichen Widerstand
gegenüber
dem Massepunkt 18 isoliert. Dieser Isolationswiderstand
setzt sich aus einer Vielzahl von Teilwiderständen zusammen, die in 1 mit 20 bezeichnet
sind.
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In
der rechten Hälfte
der 1 ist das zugehörige Ersatzschaltbild gezeigt.
Die verschiedenen Teilwiderstände 20 sind
dort zu einem Gesamtwiderstand 22 zusammengefasst, um dessen
Messung es nachfolgend geht. Problematisch ist dabei, dass dieser
Gesamtisolationswiderstand 22 keinem bestimmten Punkt innerhalb
des Brennstoffzellensystems 10 zugeordnet werden kann und
deshalb die in dem Ersatzschaltbild eingezeichnete Spannung Ux unbekannt
ist. Da es somit zwei unbekannte Größen gibt, nämlich Ux sowie den Isolationswiderstand 22,
sind zwei unabhängige
Gleichungen nötig,
um Riso, d.h. den Isolationswiderstand 22, zu bestimmen.
Zur Auflösung
der beiden unabhängigen
Gleichungen sind mindestens zwei Messungen unter veränderten
Messbedingungen erforderlich. Weil es einige Zeit dauern kann, bis
sich die verschiedenen parasitären
Kapazitäten
des Systems bei Veränderung
der Messbedingungen umgeladen haben, sollte ein hinreichender Zeitabstand
zwischen den verschiedenen Messungen gewahrt werden. Beispielsweise
sollte der zeitliche Abstand zwischen den Messungen nicht weniger
als etwa eine Sekunde betragen, wenn die parasitären Kapazitäten des Systems insgesamt etwa
1μF betragen.
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Es
ist nicht sichergestellt, dass die Brennstoffzellenspannung zwischen
den Messungen konstant bleibt. Ganz im Gegenteil, kann die Brennstoffzellenspannung
zum Teil erheblichen Schwankungen unterworfen sein, insbesondere
bedingt durch eine sich ändernde
Stromaufnahme durch die angeschlossenen elektrischen Verbraucher.
Eine Änderung
der Brennstoffzellenspannung zwischen den Messungen bedeutet danach, dass
nicht nur eine definierte, vorsätzliche
Systemänderung
vorgenommen wurde, sondern auch eine undefinierte Systemänderung
stattgefunden hat. Diese undefinierten Systemänderungen können dazu führen, dass der berechnete Isolationswiderstand
nicht korrekt ist. Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel
ermöglicht
selbst bei Auftreten undefinierter Systemänderungen dennoch eine präzise und
zuverlässige
Bestimmung des Isolationswiderstands Riso.
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Zur
Messung des Isolationswiderstands dient die in 2 dargestellte
Widerstandsmessschaltung. Diese umfasst im dargestellten Beispielfall
eine Anordnung von zwei in Reihe angeordneten Referenz- oder Messwiderständen 24, 26,
die vorzugsweise beide zumindest näherungsweise den gleichen Widerstandswert (z.B.
100, 120 oder 200 kΩ)
besitzen. Ferner umfasst die Widerstandsmessschaltung eine Referenzspannungsquelle,
welche allgemein mit 28 bezeichnet ist. Diese legt zwischen
dem Massepunkt 18 und dem in 2 mit 30 bezeichneten
Schaltungsknoten zwischen den Referenzwiderständen 24, 26 eine
Referenzspannung an, deren Wert veränderbar ist. Insbesondere ist
die Referenzspannungsquelle 28 dazu ausgelegt, wahlweise
eine erste Referenzspannung Urefo oder eine betragsmäßig gleiche,
jedoch entgegengesetzt gepolte zweite Referenzspannung Urefu zu
liefern. Die Referenzspannungsquelle 28 ist durch eine
elektronische Steuer- und Auswerteeinheit 32 zwischen den
verschiedenen Referenzspannungen umsteuerbar. Im dargestellten Beispielfall
sind hierzu zwei Schalter 34, 36 vorgesehen, die
durch die Steuer- und Auswerteeinheit 32 wechselweise geöffnet und
geschlossen werden können.
Je nachdem, welcher der Schalter 34, 36 geschlossen
ist, wird von der Referenzspannungsquelle 28 entweder die
Referenzspannung Urefo oder die Referenzspannung Urefu geliefert.
Im gezeigten Beispielfall stellt sie die Referenzspannung Urefo
bereit, wenn der obere Schalter 34 geschlossen ist und
der untere Schalter 36 offen ist. Dagegen wird die Referenzspannung
Urefu bereitgestellt, wenn der untere Schalter 36 geschlossen
ist und der obere Schalter 34 offen ist.
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Außerdem umfasst
die Widerstandsmessschaltung eine Spannungserfassungseinrichtung 38,
welche die in 2 mit Uo und Uu bezeichneten
Teilspannungen zwischen dem Massepunkt 18 und jeder der
Laststromleitungen 14, 16 erfasst. Die Spannungserfassungseinrichtung 38 ist
mit der Steuer- und Auswerteeinheit 32 verbunden und liefert
die erfassten Messwerte an diese. Alternativ zur Messung der beiden
Teilspannungen Uo und Uu könnte
die Spannungserfassungseinrichtung 38 auch nur eine der
Teilspannungen, beispielsweise die obere Teilspannung Uo, messen,
wenn sie zusätzlich
die zwischen den Laststromleitungen 14, 16 liegende Brennstoffzellenspannung
misst, also die Spannung zwischen den Potentialen +HV und –HV.
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Die
Widerstandsmessung wird unter Steuerung der Steuer- und Auswerteeinheit 32 in
aufeinanderfolgenden Messzyklen durchgeführt. Jeder Messzyklus umfasst
eine erste Messung, bei der eine erste Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 28 wirksam
ist, also beispielsweise Urefo, sowie eine zweite Messung, bei der
eine zweite Referenzspannung wirksam ist, also etwa Urefu. Bei jeder
Messung werden von der Spannungserfassungseinrichtung 38 Messwerte
für die
Teilspannungen Uo und Uu gewonnen. Ein Messzyklus beginnt beispielsweise,
indem der obere Schalter 34 geschlossen und der untere
Schalter 36 geöffnet
wird. Die Teilspannungen Uo, Uu werden nicht unmittelbar nach Schließen des
oberen Schalters 34 erfasst, sondern erst nach einer gewissen
Zeitdauer von beispielsweise etwa 1s, um ein vollständiges Auf-
bzw. Entladen der verschiedenen parasitären Kapazitäten des Systems zu ermöglichen.
Nach Verstreichen dieser (vorbestimmten) Zeitdauer nimmt die Spannungserfassungseinrichtung 38 die
gewünschten
Messwerte und liefert sie an die Steuer- und Auswerteeinheit 32,
die sie in einem nicht näher
dargestellten Speicher abspeichert. Die Messwerte der Teilspannungen
Uo, Uu, die im Rahmen einer solchen ersten Messung gewonnen werden,
können auch
als erste Messwerte bezeichnet werden.
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Nachdem
die ersten Messwerte gewonnen und abgespeichert wurden, wird in
einer zweiten Phase jedes Messzyklus der obere Schalter 34 geöffnet und
der untere Schalter 36 geschlossen. Nach Verstreichen einer
vorbestimmten Wartezeit nimmt die Spannungserfassungseinrichtung 38 erneut
Messwerte für
die Teilspannungen Uo, Uu. Diese Messwerte, die als zweite Messwerte
bezeichnet werden können,
werden wie zuvor an die Steuer- und Auswerteeinheit 32 geliefert
und von dieser abgespeichert.
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Es
steht somit nach jedem Messzyklus für jede der Teilspannungen Uo,
Uu ein erster Messwert bei anliegender Referenzspannung Urefo und
ein zweiter Messwert bei anliegender Referenzspannung Urefu zur Verfügung. Unter
Anwendung der Kirchhoffschen Knoten- und Maschenregeln kann mit
Hilfe dieser Messwerte der Wert des Isolationswiderstands
22 berechnet
werden. Zur Berechnung des Isolationswiderstands kann beispielsweise
nachstehende Formel herangezogen werden:
wobei Rm den sich aus einer
Parallelschaltung der Referenzwiderstände
24,
26 ergebenden
Widerstandswert angibt, Uoso den Wert der oberen Teilspannung Uo
bei geschlossenem oberen Schalter
34 (d.h. bei Anliegen der
Referenzspannung Urefo) angibt und Uosu den Wert der oberen Teilspannung
Uo bei geschlossenem unteren Schalter
36 (d.h. bei Anliegen
der Referenzspannung Urefu) angibt.
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Es
versteht sich, dass der Isolationswiderstand Riso alternativ auf
Grundlage von Spannungswerten der unteren Teilspannung Uu bei Anliegen
der Referenzspannun gen Urefo und Urefu berechnet werden kann. Eine
entsprechende Gleichung ist ohne weiteres unter Anwendung der Kirchhoffschen
Knoten- und Maschenregeln ermittelbar.
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Es
kann danach der Isolationswiderstand Riso anhand zweier Spannungswerte
einer der Teilspannungen Uo, Uu berechnet werden, nämlich eines
ersten Spannungswerts bei Anliegen einer der Referenzspannungen,
z.B. Urefo, und eines zweiten Spannungswerts bei Anliegen einer
anderen Referenzspannung, z.B. Urefu. Bei einer Ausführungsform
können
für diese
Spannungswerte unmittelbar die in einem einzigen Messzyklus gewonnenen
Messwerte der betreffenden Teilspannung verwendet werden. Es wurde
freilich schon erwähnt,
dass die Brennstoffzellenspannung, die sich aus Uo + Uu errechnet,
zwischen aufeinanderfolgenden Messungen zum Teil beträchtlich
schwanken kann. Um diese Schwankungen rechnerisch zu kompensieren, werden
deshalb bei einer bevorzugten Ausführungsform die in oben angegebener
Formel für
die Berechnung des Isolationswiderstands Riso verwendeten Spannungswerte
der betreffenden Teilspannung (hier der oberen Teilspannung Uo)
unter Berücksichtigung
der Messwerte mehrerer aufeinanderfolgender Messzyklen hergeleitet.
Beispielsweise können
die Messwerte zweier aufeinanderfolgender Messzyklen verwendet werden,
um geeignete Werte für
Uoso und Uosu zu finden. Denkbar ist auch, Messwerte aus drei oder
sogar noch mehr aufeinanderfolgenden Messzyklen zu diesem Zweck
auszuwerten.
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Es
wird nun eine Methodik erläutert,
wie anhand der Messwerte mehrerer aufeinanderfolgender Messzyklen
geeignete Werte für
Uoso und Uusu hergeleitet werden können.
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Hierzu
wird auf nachstehender Tabelle verwiesen, in der beispielhafte Werte
für die
Teilspannungen Uo und Uu sowie die hieraus errechnete Brennstoffzellenspannung
(bezeichnet mit Ufc) eingetragen sind, die in zwei aufeinanderfolgenden
Messzyklen gewonnen wurden.
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Die
Bedeutung von Uoso und Uosu wurde weiter oben bereits erläutert. Uuso
bezeichnet in entsprechender Weise einen Wert der unteren Teilspannung
Uu bei geschlossenem oberen Schalter 34, und Uusu gibt einen
Wert dieser Teilspannung bei geschlossenem unteren Schalter 36 an.
Der in Klammern gesetzte Index bei den verschiedenen Messwerten
in obiger Tabelle gibt den jeweiligen Messzyklus an, also den ersten
Messzyklus oder den zweiten Messzyklus.
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Für die obere
Teilspannung Uo werden in den beiden Messzyklen insgesamt vier Messwerte
erhalten, nämlich
zwei pro Messzyklus. Aus den verschiedenen Messwerten für die obere
Teilspannung Uo werden nun erste und zweite Paarkombinationen gebildet.
Erste Paarkombinationen sind solche, die sich jeweils aus einem
ersten Messwert und einem zweiten Messwert der oberen Teilspannung
Uo zusammensetzen. Wie bereits früher erwähnt, bezieht sich der Begriff
erster Messwert auf einen Messwert der betreffenden Teilspannung,
der bei Anliegen einer ersten Referenzspannung erhalten wird, während der
Begriff zweiter Messwert einen bei Anliegen einer zweiten, verschiedenen
Referenzspannung erhaltenen Messwert dieser Teilspannung bezeichnet.
Die Messwerte Uoso(1) und Uoso(2) können im vorliegenden Beispielfall
demnach als erste Messwerte angesehen werden. Die Messwerte Uosu(1)
und Uosu(2) bilden dann zweite Messwerte. Wie ohne weiteres nachvollziehbar,
sind im vorliegenden Beispielfall insgesamt vier erste Paarkombinationen
für die Messwerte
der oberen Teilspannung Uo möglich.
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Zweite
Paarkombinationen sind dagegen solche, die jeweils aus zwei ersten
oder zwei zweiten Messwerten der betreffenden Teilspannung bestehen.
Für die
obere Teilspannung Uo sind im vorliegenden Beispielfall insgesamt
zwei solcher zweiter Paarkombinationen möglich, wie sich ohne weiteres
nachvollziehen lässt.
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Es
versteht sich, dass bei Berücksichtigung
der Messwerte von mehr als zwei Messzyklen eine entsprechend größere Anzahl
von ersten und zweiten Paarkombinationen möglich ist.
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Von
den ermittelten ersten Paarkombinationen wird nun diejenige gesucht,
bei der die Differenz der zugehörigen
Brennstoffzellenspannungswerte Ufc minimal ist. Im vorliegenden
Beispielfall ist diese Differenz für die Paarkombination aus Uoso(1)
und Uosu(2) minimal; sie beträgt
11,4 V.
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Es
kann ein Vergleichsschritt implementiert sein, der die ermittelte
minimale Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte der ersten
Paarkombinationen mit einer vorbestimmten ersten Schwelle vergleicht. Wird
bei diesem Vergleich festgestellt, dass diese minimale Differenz
die vorbestimmte erste Schwelle unterschreitet, kann vorgesehen
sein, dass die beiden Messwerte der betreffenden ersten Paarkombination
unmittelbar als erster bzw. zweiter Spannungswert für die Berechnung
des Isolationswiderstands verwendet werden. Die erste Schwelle kann
beispielsweise von der Quantisierungsgenauigkeit der Messschaltung
abhängig
gewählt
sein, wenn die gemessenen Spannungswerte digital dargestellt werden.
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Die
zweiten Paarkombinationen werden hingegen daraufhin untersucht,
bei welcher dieser zweiten Paarkombinationen die Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
maximal ist. Im vorliegenden Beispielfall ist dies die Kombination
Uoso(1) und Uoso(2). Bei dieser Kombination von ersten Messwerten
beträgt
die Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte 92,4V.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dem vorher angesprochenen Schwellenvergleich, der für die minimale Differenz
der Brennstoffzellenspannungswerte der ersten Paarkombinationen
durchgeführt
werden kann, kann ein ähnlicher
Schwellenvergleich für
die maximale Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte der zweiten Paarkombinationen
durchgeführt
werden. Hierbei wird die ermittelte maximale Differenz mit einer
vorbestimmten zweiten Schwelle verglichen, die gleich oder ungleich
der ersten Schwelle sein kann. Wird die zweite Schwelle unterschritten,
so kann vorgesehen sein, dass die beiden Messwerte der ermittelten
ersten Paarkombination mit minimaler Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
unmittelbar als erster und zweiter Spannungswert für die Berechnung
des Isolationswiderstands Riso verwendet werden.
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Dagegen
erfolgt eine Messwertkorrektur eines der Messwerte der ermittelten
ersten Paarkombination mit minimaler Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte,
wenn in dem ersten Schwellvergleich die erste Schwelle überschritten
ist oder/und in dem zweiten Schwellenvergleich die zweite Schwelle überschritten
ist. Der andere Messwert der betreffenden ersten Paarkombination
wird unverändert übernommen
als erster bzw. zweiter Spannungswert.
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Ist
entschieden, dass eine Messwertkorrektur vorgenommen werden soll,
so wird ein Quotient gebildet, indem die Differenz der Messwerte
derjenigen zweiten Paarkombination, für die die Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
als maximal ermittelt wurde, durch genau diese maximale Differenz
der Brennstoffzellenspannungswerte dividiert wird. Im vorliegenden
Beispielfall beträgt,
wie zuvor angegeben, die maximale Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
der zweiten Paarkombinationen 92,4V, nämlich für die Paarkombination Uoso(1)
und Uoso(2). Die Differenz dieser Messwerte beträgt im vorliegenden Beispielfall
46,2V (188,7 V – 142,5
V). Daraus errechnet sich der Wert 0,5 für den Quotienten aus der Differenz
der Messwerte und der Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
dieser zweiten Paarkombination.
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In
einem anschließenden
Schritt wird ein Korrekturwert ermittelt, indem der in vorstehender
Weise berechnete Quotient mit der minimalen Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
der ersten Paarkombinationen multipliziert wird. Im vorliegenden
Beispielfall ergibt sich so ein Korrekturwert von 5,7 V (0,5 × 11,4 V).
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Der
so ermittelte Korrekturwert wird nun zu einem der Messwerte der
ermittelten ersten Paarkombination mit minimaler Differenz der Brennstoffzellenspannungswerte
addiert, um einen korrigierten Messwert zu erhalten. Das Vorzeichen
der Addition (plus oder minus) hängt
davon ab, welcher der Messwerte korrigiert wird. Wird derjenige
Messwert korrigiert, bei dem sich ein niedrigerer Wert der Brennstoffzellenspannung
ergeben hat, so erfolgt eine Addition mit positiven Vorzeichen.
Wird dagegen der Messwert korrigiert, bei dem sich ein höherer Wert
der Brennstoffzellenspannung eingestellt hat, so erfolgt eine Korrektur
mit negativem Vorzeichen. Im vorliegenden Beispielfall ist der Messwert
Uoso(1) der Messwert mit höherem
Wert der Brennstoffzellenspannung (350,1 V), während Uosu(2) der Messwert
mit niedrigerem Wert der Brennstoffzellenspannung ist (338,7 V).
Um einen korrigierten Wert des Messwerts Uosu(2) zu erhalten, wird
deshalb der Korrekturwert 5,7V zu diesem Messwert positiv addiert,
was zu einem korrigierten Messwert Uosu(2)* von 161,4 V führt (155,7
V + 5,7 V). Dieser korrigierte Messwert Uosu(2)* wird nun in der
weiter oben angegebenen Formel zur Berechnung des Isolationswiderstands
Riso als Wert für
den Parameter Uosu verwendet, während
der Messwert Uoso(1) unverändert
bleibt und für
den Parameter Uoso in besagter Formel verwendet wird.
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Nimmt
man beispielhaft an, dass der Widerstandswert Rm 120 kΩ (bei Werten
der Referenzwiderstände 24, 26 von
jeweils 240 kΩ)
beträgt
und der Betrag der Referenzspannungen Urefo und Urefu jeweils 30V ist,
so ergibt sich durch Einsetzen in die obige Gleichung ein Wert des
Isolationswiderstands Riso von 100,18 kΩ.
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Der
Isolationswiderstand Riso wird vorzugsweise im Rhythmus der Messzyklen
fortlaufend neu berechnet, wobei jeweils die Messwerte der zwei
(oder mehr, je nachdem, wie viele Messzyklen berücksichtigt werden) jüngsten Messzyklen
ausgewertet werden. Um eine höhere
Genauigkeit bei der Bestimmung des Isolationswiderstands Riso zu
erzielen, kann die Anzahl der Messzyklen erhöht werden, deren Messwerte
ausgewertet werden. Auch über
die Höhe
der Referenzspannungen kann die Genauigkeit der Widerstandsermittlung beeinflusst
werden.
