DE102010045990B4

DE102010045990B4 - Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102010045990B4
Application number: DE201010045990
Authority: DE
Inventors: Dr. Hofmann Reinhard
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-09-18
Filing date: 2010-09-18
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: DE102010045990A1; WO2012034671A3; WO2012034671A2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einer Hochspannungsquelle (12) zum Versorgen von Komponenten (14) eines Hochspannungsbordnetzes (10) mit elektrischer Energie, bei welchem eine Signalschleife (18), welche die Komponenten (14) des Hochspannungsbordnetzes (10) verbindet, mit einem digitalen Signal beaufschlagt wird, wobei das Vorliegen des Signals durch wenigstens eine Messvorrichtung (20) detektiert wird und, falls das Signal nicht vorliegt, die Hochspannungsquelle (12) durch wenigstens ein elektrisches Trennmittel (16) vom Hochspannungsbordnetz (10) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine weitere Messvorrichtung (20) ein zeitlicher Mittelwert der Spannung in der Signalschleife (18) gemessen wird, wobei bei Absinken des zeitlichen Mittelwerts der Spannung in der Signalschleife (18) die Hochspannungsquelle (12) mittels des elektrischen Trennmittels (16) vom Hochspannungsbordnetz (10) abgetrennt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einer Hochspannungsquelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Kraftwagen mit elektrischem oder Hybridantrieb benötigen leistungsstarke Hochspannungsquellen mit hoher Kapazität, um die elektrischen Antriebsaggregate des Kraftwagens mit Energie zu versorgen. Unter Hochspannung soll dabei eine Spannung von mindestens 60 V verstanden werden. Solche Spannungen stellen bei Berührung durch Bedien- oder Wartungspersonal ein Gesundheitsrisiko dar. Elektrische oder Hybridkraftwagen benötigen daher zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, die ungewollten Kontakt mit spannungsführenden Teilen des Hochspannungsbordnetzes verhindern können.
Zur Erhöhung der Sicherheit des Hochspannungsbordnetzes ist es üblich, eine Signalschleife vorzusehen, welche alle Komponenten des Hochspannungsbordnetzes verbindet. Eine derartige Signalschleife, auch als High Voltage Interlock Loop (HVIL) bekannt, dient zur Detektion von Fehlfunktionen und insbesondere Kurzschlüssen in den Komponenten des Hochspannungsbordnetzes. Hierzu wird das Vorliegen eines in die Signalschleife eingespeisten Signals mittels einer geeigneten Messvorrichtung überwacht. Liegt das Signal nicht mehr vor, so wird dies als Anzeichen für eine Fehlfunktion einer Komponente des Bordnetzes gewertet. Um daraus resultierende Gefahren zu reduzieren, wird in diesem Fall die Hochspannungsquelle mittels eines Schützes vom Hochspannungsbordnetz abgetrennt. Insbesondere können hier Kurzschlüsse von dem positiven bzw. negativen Potential des Hochspannungsbordnetzes zu Masse oder zu eine Kleinspannungsbordnetz detektiert werden. Auch physikalische Unterbrechungen wie Kabelbrüche, abgefallene Stecker oder dergleichen sind detektierbar.
Ein Kraftwagen mit einer solchen Signalschleife ist beispielsweise aus der US 7 586 722 B2 bekannt. Als Signal dient dort eine Gleichspannung von 12 V, deren Ausfall als Hinweis auf einen Kurzschluss oder eine andere Fehlfunktion in einer Komponente des Hochspannungsbordnetzes gewertet wird, woraufhin die Hochspannungsquelle vom Bordnetz abgetrennt wird.
Aufgrund der räumlichen Nähe der Signalschleife zu hochspannungsführenden Komponenten kann es bei einem solchen Kraftwagen zur Induktion von Strömen in der Signalschleife kommen. Solche Störsignale können dazu führen, dass ein funktionsfähiges Bordnetz fälschlich als fehlerhaft betrachtet wird, was zu einem unerwünschten Stilllegen des Kraftwagens führt. Auch der umgekehrte Fehler kann auftreten, so dass Störungen in Komponenten des Hochspannungsbordnetzes nicht erkannt werden und daher Bedien- und Servicepersonal einer Gefahr ausgesetzt werden.
Zur Vermeidung solcher Störsignale ist es aus der EP 2 043 418 A2 bekannt, Lichtwellenleiter für die Signalschleife zu verwenden. Dies schützt zwar vor der Induktion von Strömen, ist jedoch teuer und aufwändig. Die zusätzlich notwendigen optisch-elektronischen Wandler zum Übertragen des optischen Signals im Lichtwellenleiter an weitere elektronische Komponenten des Kraftwagens sind zudem selbst störanfällig.
Bei weiteren bekannten Signalschleifen wird ein Gleichstrom bekannter Stromstärke in die Signalschleife eingespeist und das Vorliegen des Gleichstromsignals als Spannungsabfall an einem Widerstand detektiert. Die Anzahl der möglichen Messvorrichtungen in einer solchen Signalschleife ist daher durch die verwendete Stromquelle begrenzt. Es ist daher oft nicht möglich, für jede Komponente des Hochspannungsbordnetzes eine eigene Messvorrichtung vorzusehen. Tritt ein Fehler im Hochspannungsbordnetz auf, so kann dieser nicht mit Sicherheit einer bestimmten Komponente zugeordnet werden. Auch das Vorsehen redundanter Messvorrichtung ist oftmals nicht möglich.
Aus der US 7 084 361 B1 ist eine weitere solche Signalschleife bekannt, welche alle Komponenten eines Hochspannungsbordnetzes eines Kraftwagens untereinander sowie mit einer Überwachungseinrichtung verbindet, welche Leitungsunterbrechungen in der Signalschleife detektiert und als Reaktion darauf das Hochspannungsbordnetz unterbricht.
Die US 2009/0118916 A1 beschreibt ebenfalls eine derartige Signalschleife, in der eine besonders Detektionssicherheit durch die Verwendung von redundanten Stromsensoren in der Signalschleife bietet.
Die EP 1 351 107 A1 beschreibt ein Sicherheitssystem für einen elektrischen Antrieb, wobei das Sicherheitssystem eine einfach ausgeführte Sicherheitsschleife aufweist, welche von einem Zentralrechner ausgehend ringförmig alle Geräte mit Leistungsausgängen durchzieht und zum Zentralrechner zurückführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine kostengünstige und störungssichere Detektion von Fehlfunktionen in Komponenten eines Hochspannungskreislaufs eines Kraftwagens ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren wird erfindungsgemäß eine Signalschleife, die alle Komponenten eines Hochspannungsbordnetzes verbindet, mit einem digitalen Signal beaufschlagt. Verglichen mit den üblicherweise verwendeten analogen Signalschleifen ist eine solche digitale Signalschleife wesentlich weniger störanfällig. Durch Induktion aus dem Hochspannungsbordnetz eingestreute Störsignale sind eindeutig von dem digitalen Signal unterscheidbar, so dass ein fälschliches Stilllegen des Hochspannungsbordnetzes oder ein fälschliches Weiterbetreiben des Hochspannungsbordnetzes bei tatsächlichem Vorliegen einer Störung vermieden werden kann. Mittels des Verfahren können sowohl Unterbrechungen der Signalschleife als auch Kurzschlüsse innerhalb des Hochspannungsbordnetzes zuverlässig erkannt werden. Dies ermöglicht es, das Hochspannungsbordnetz sowohl sicher als auch störungsarm zu betreiben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das digitale Signal in Form eines pulsweitenmodulierten Signals bereitgestellt. Bei der Pulsweitenmodulation wechselt eine Größe des Signals, beispielsweise die elektrische Spannung, zwischen zwei Zuständen, wobei bei konstanter Frequenz das Tastverhältnis – also die Breite der Impulse des Signals – variiert wird. Pulsweitenmodulierte Signale sind besonders einfach bereitzustellen.
Viele gängige, auch im Kraftwagenbau verwendete Mikrocontroller besitzen bereits die notwendigen Einrichtungen zur Erzeugung solcher Signale.
Vorzugsweise wird an jeder Komponente des Hochspannungsbordnetzes das Vorliegen des Signals durch eine zugeordnete Messvorrichtung gemessen. Bei einer Störung im Hochspannungsbordnetz kann so auf einfachste Weise festgestellt werden, welche Komponente die Störung verursacht. Dies ermöglicht es, gegebenenfalls spezifische Maßnahmen zu ergreifen, wie beispielsweise zunächst die fehlerhafte Komponente vom Hochspannungsbordnetz abzutrennen, bevor die Hochspannungsquelle selbst abgetrennt wird.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, wenn bei Nichtvorliegen des Signals an einer Komponente des Hochspannungsbordnetzes durch die zugeordnete Messvorrichtung eine Ausfallinformation betreffend die Komponente erzeugt wird. Diese Ausfallinformation kann beispielsweise an ein Steuergerät übermittelt und dort in einem Speicher abgelegt werden, aus dem sie später durch das Servicepersonal ausgelesen werden kann. Dadurch wird die Diagnose von Fehlfunktionen im Kraftwagen erleichtert.
Gemäß der Erfindung wird durch eine weitere Messvorrichtung ein zeitlicher Mittelwert der Spannung in der Signalschleife gemessen. Die durch die weitere Messvorrichtung ermittelten Daten können zur Plausibilisierung der Messwerte der anderen Messvorrichtungen verwendet werden, so dass beispielsweise ein Abtrennen der Hochspannungsquelle aufgrund fehlerhafter Messwerte verhindert werden kann.
Unterschreitet der von der weiteren Messvorrichtung bestimmte zeitliche Mittelwert der Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird gemäß der Erfindung ebenfalls die Hochspannungsquelle durch das elektrische Trennmittel vom Hochspannungsbordnetz abgetrennt. Auf diese Weise wird das Hochspannungsbordnetz auch dann in einen sicheren Zustand gebracht, wenn eine Fehlfunktion durch die anderen Messvorrichtungen nicht erkannt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines Bordnetzes eines Kraftwagens zur Verwendung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Hochspannungsbordnetz für einen elektrischen oder Hybridkraftwagen umfasst eine Hochspannungsquelle 12 zum Versorgen von Verbrauchern 14, wie beispielsweise dem elektrischen Antriebsaggregat, mit Energie. Unter Hochspannung sollen hierbei Spannungen von mehr als 60 V verstanden werden, welche bei Berührung ein Gesundheitsrisiko darstellen oder gar lebensgefährlich sind. Um beispielsweise bei Wartungsarbeiten das Hochspannungsbordnetz 10 in einen sicheren Zustand bringen zu können, ist die Hochspannungsquelle 12 über ein Schütz 16 mit dem Hochspannungsbordnetz verbunden. Sollen Wartungsarbeiten durchgeführt werden, so wird das Hochspannungsbordnetz durch Öffnen des Schützes 16 spannungslos geschaltet.
Auch außerhalb von regulären Wartungsarbeiten kann das Hochspannungsbordnetz 10 eine Gefahr darstellen, beispielsweise wenn durch Defekte an einem der Verbraucher 14 ein Kurzschluss zu Masse oder zum Kleinspannungsbordnetz entsteht. Auch im Falle eines Unfalls können Rettungskräfte durch die Hochspannung im Bordnetz 10 gefährdet werden.
Um in solchen Fällen die Sicherheit des Hochspannungsbordnetzes 10 zu gewährleisten, ist eine Signalschleife 18 vorgesehen, die alle Verbraucher 14 des Hochspannungsbordnetzes 10 verbindet. Ein in die Signalschleife 18 eingebundenes Steuergerät 20 speist ein digitales Signal, welches vorzugsweise durch Pulsweitenmodulation codiert ist, in die Signalschleife 18 ein und beobachtet gleichzeitig das eingespeiste Signal. Bei einem Defekt in einem der Verbraucher 14, beispielsweise bei einem Kurzschluss, wird die Signalschleife 18 innerhalb dieses Verbrauchers 14 unterbrochen, so dass das eingespeiste Signal nicht wieder bis zum Steuergerät 20 zurücklaufen kann. Bei einer solchen Unterbrechung der Signalschleife 18 sendet das Steuergerät 20 ein Signal an das Schütz 16, so dass die Hochspannungsquelle 12 durch Öffnen des Schützes 16 vom Hochspannungsbordnetz 10 abgetrennt wird.
Die Verwendung eines digitalen, pulsweitenmodulierten Signals schützt hierbei vor Störung durch Ströme, die aufgrund der räumlichen Nähe der Signalschleife 18 zu Leitungen des Hochspannungsbordnetzes 10 in der Signalschleife 18 induziert werden können. Solche Störsignale können von der Steuereinrichtung 20 auf einfache Weise von den eingespeisten digitalen Signalen unterschieden werden. Hierzu trägt insbesondere die hohe Flankensteilheit digitaler Signale bei, die eine einfache Unterscheidung von eingestreuten Störsignalen erlaubt.
Um eine zusätzliche Redundanz in der Signalschleife 18 zu schaffen, kann eine weitere Messvorrichtung in die Steuervorrichtung 20 integriert werden, mittels welcher ein zeitlicher Mittelwert des in der Signalschleife 18 anliegenden Spannung registriert wird. Eine solche zusätzliche analoge Überwachung des digitalen Signal in der Signalschleife 18 kann zur Plausibilisierung der digitalen Überwachung herangezogen werden, so dass Fehlfunktionen in den digitalen Schaltungen nicht zu einem fälschlichen Abschalten des Hochspannungsbordnetzes 10 führen.
Neben den in die Steuereinrichtung 20 integrierten Messvorrichtungen sind weitere Messvorrichtungen 22 vorgesehen, die jeweils einem der Verbraucher 14 zugeordnet sind. Die Messvorrichtungen 22 sind über eine Datenleitung 24, beispielsweise einen Fahrzeugbus, mit der Steuereinrichtung 20 verbunden. Tritt eine Unterbrechung der Signalschleife 18 oder ein Kurzschluss in einem der Verbraucher 14 auf, so kann durch die Messvorrichtungen 22 festgestellt werden, welcher der Verbraucher 14 die Fehlfunktion verursacht. Diese Information kann in der Steuereinrichtung 20 gespeichert und bei einer nachfolgenden Wartung durch das Wartungspersonal ausgelesen werden. Dadurch wird die Fehlersuche im Hochspannungsbordnetz beträchtlich vereinfacht.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einer Hochspannungsquelle (12) zum Versorgen von Komponenten (14) eines Hochspannungsbordnetzes (10) mit elektrischer Energie, bei welchem eine Signalschleife (18), welche die Komponenten (14) des Hochspannungsbordnetzes (10) verbindet, mit einem digitalen Signal beaufschlagt wird, wobei das Vorliegen des Signals durch wenigstens eine Messvorrichtung (20) detektiert wird und, falls das Signal nicht vorliegt, die Hochspannungsquelle (12) durch wenigstens ein elektrisches Trennmittel (16) vom Hochspannungsbordnetz (10) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine weitere Messvorrichtung (20) ein zeitlicher Mittelwert der Spannung in der Signalschleife (18) gemessen wird, wobei bei Absinken des zeitlichen Mittelwerts der Spannung in der Signalschleife (18) die Hochspannungsquelle (12) mittels des elektrischen Trennmittels (16) vom Hochspannungsbordnetz (10) abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Komponente (14) des Hochspannungsbordnetzes (10) das Vorliegen des Signals durch eine zugeordnete Messvorrichtung (22) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichtvorliegen des Signals an einer Komponente (14) des Hochspannungsbordnetzes (10) durch die zugeordnete Messvorrichtung (22) eine Ausfallinformation betreffend die Komponente (14) erzeugt wird.