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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem System, das einen DC-Abschnitt mit einer HS-Seite (High Side) und einer LS-Seite (Low Side) und einen AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit mindestens einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern, die zwischen die HS-Seite und die LS-Seite geschaltet ist, aufweist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2007 054 353 A1 ist die Prognose für einen Verlust einer Hochspannungsisolierung bekannt. Die Prognose betrifft ein Hybrid-, ein Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug. Das Verfahren umfasst, dass der Ersatzwiderstand zwischen einem Fahrzeug-Chassis und einem Hochspannungsbus aufgezeichnet wird, ein Trend in den Messungen detektiert wird und vorhergesagt wird, wann der Widerstand unter einen Schwellwert fällt.
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Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift
EP 1 909 369 A2 eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Isolationsüberwachung für im Betrieb befindliche Umrichteranwendungen. Eine Umrichteranwendung weist mindestens ein von einem Umrichter gespeistes Gerät auf. Das Bestimmen von Isolationsdefekten geschieht anhand einer Differenzspannung von Teilspannungen eines Zwischenkreises und anhand eines Betriebszustands des Umrichters. Es wird die Überwachung der Isolation lediglich mit den ohnehin im Umrichter vorhandenen Mitteln durchgeführt.
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Üblicherweise wird ein Isolationsfehler durch physikalisches Auftrennen aller Steckverbindungen beziehungsweise Kontakte im Hochvoltsystem eines Fahrzeugs (HV-System) und durch manuelles Messen der einzelnen Abschnitte ermittelt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand und Kosten sowie gegebenenfalls das Verursachen weiterer Fehler.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, Isolationsfehler insbesondere in einem elektrischen System eines Fahrzeugs rascher auffinden zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 6. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Vorrichtung nach Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird also bereitgestellt ein Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem System, das einen DC-Abschnitt mit einer HS-Seite und einer LS-Seite und einen AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit mindestens einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern, die zwischen die HS-Seite und die LS-Seite geschaltet ist, aufweist, durch
- – Versorgen des DC-Abschnitts mit einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle,
- – Durchschalten des unmittelbar an der HS-Seite anliegenden Leistungsschalters entsprechend einem HS-Durchschaltzustand,
- – Durchschalten des unmittelbar an der LS-Seite anliegenden Leistungsschalters entsprechend einem LS-Durchschaltzustand,
- – Messen jeweils einer HS-Isolationsspannung zwischen der HS-Seite und einer Masse sowie einer LS-Isolationsspannung zwischen der LS-Seite und der Masse in jedem der beiden Durchschaltzustände, und
- – Ermitteln auf der Basis der Messergebnisse, ob ein Isolationsfehler in dem DC-Abschnitt oder AC-Abschnitt vorliegt.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem System, das einen DC-Abschnitt mit einer HS-Seite und einer LS-Seite und einen AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit mindestens einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern, die zwischen die HS-Seite und die LS-Seite geschaltet ist, aufweist, durch
- – Versorgen des DC-Abschnitts mit einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle,
- – Öffnen der Leistungsschalter und Messen eines ersten Isolationswiderstands von der HS-Seite oder der LS-Seite gegenüber einer Masse,
- – Durchführen eines der beiden folgenden Schritte:
– Schließen eines der beiden Leistungsschalter und Messen eines zweiten Isolationswiderstands von der dem geschlossenen Leistungsschalter zugeordneten Seite, nämlich der HS-Seite oder der LS-Seite, gegenüber der Masse oder
– Trennen der Gleichspannungsquelle von dem DC-Abschnitt und Messen eines zweiten Isolationswiderstands von der HS-Seite oder der LS-Seite gegenüber der Masse und
- – Ermitteln auf der Basis der gemessenen Isolationswiderstände, ob ein Isolationsfehler in dem DC-Abschnitt oder AC-Abschnitt vorliegt.
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Vorzugsweise ist parallel zu den Leistungsschaltern jeweils eine Diode geschaltet, und jede der Dioden wird in Sperrrichtung betrieben. In einer Ausführungsvariante kann ermittelt werden, dass ein Isolationsfehler in dem AC-Abschnitt vorliegt, wenn die HS-Isolationsspannungen in beiden Durchschaltzuständen wesentlich voneinander abweichen, ebenso wie die LS-Isolationsspannungen. In einer alternativen Ausführungsvariante wird ermittelt, dass ein Isolationsfehler in dem DC-Abschnitt vorliegt, wenn die HS-Isolationsspannungen in beiden Durchschaltzuständen im Wesentlichen gleich sind, ebenso wie die LS-Isolationsspannungen. Dabei kann ermittelt werden, dass ein Isolationsfehler auf der HS-Seite des DC-Abschnitts vorliegt, wenn die HS-Isolationsspannungen in beiden Durchschaltzuständen in etwa 0 V sind und die LS-Isolationsspannungen in beiden Durchschaltzuständen etwa der Gleichspannung entsprechen.
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Bei dem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren kann ermittelt werden, dass ein Isolationsfehler in dem AC-Abschnitt vorliegt, wenn der zweite Isolationswiderstand deutlich über dem ersten liegt. Alternativ kann ermittelt werden, dass ein Isolationsfehler in dem DC-Abschnitt vorliegt, wenn der zweite Isolationswiderstand im Wesentlichen dem ersten entspricht.
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Die Erfindung ermöglicht somit das Eingrenzen eines Isolationsfehlers auf definierte Abschnitte (DC-Abschnitt = Gleichstromabschnitt oder AC-Abschnitt = Wechselstromabschnitt) des HV-Systems beispielsweise eines Fahrzeugs. Es ist somit möglich, den Service-Techniker gezielt zu unterstützen und dadurch die Service-Kosten zu reduzieren.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine Übersichtskizze eines HV-Systems beispielsweise eines Fahrzeugs;
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2 ein Ablaufdiagramm zur Prüfung der Isolation;
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3 ein Schaltungsdiagramm eines HV-Systems mit aktivem Kurzschluss auf der HS-Seite;
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4 ein Schaltungsdiagramm des HV-Systems mit aktivem Kurzschluss auf der LS-Seite;
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5 einen Spannungsverlauf über dem Isolationswiderstand R_iso+;
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6 den Spannungsverlauf am Isolationswiderstand R_iso–;
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7 ein Schaltungsdiagramm eines HV-Systems mit offenen Leistungsschaltern;
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8 den Widerstandsverlauf bei einem HV-System mit Isolationsfehler im AC-System und
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9 den Widerstandsverlauf bei einem Isolationsfehler im DC-System.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Erfindungsgemäß ermöglicht die Methode der Isolationsfehler-Lokalisierung das Eingrenzen eines detektierten Isolationsfehlers auf definierte Bereiche bzw. Abschnitte eines elektrischen Systems.
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Gemäß 1 ist ein elektrisches System, z. B. ein HV-System gegeben, welches galvanisch zur Masse getrennt ist. Das HV-System weist eine Batterie 1 auf, die zwei Anschlüsse aufweist: HV+ (High Side) und HV– (Low Side). Entsprechend isolierte Kabel führen von diesen Anschlüssen HV+ und HV– zu mehreren Komponenten k1 bis kn. Das Leitungssystem 2 mit den isolierten Kabeln stellt zusammen mit der Batterie den DC-Abschnitt des HV-Systems dar. Die Komponenten k1 bis kk stellen den AC-Abschnitt des HV-Systems dar. Jede dieser Komponenten k1 bis kk besitzt einen DC/AC-Wandler beziehungsweise Wechselrichter, an den eine elektrische Maschine angeschlossen ist.
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Die einzelnen Komponenten k1 bis kn sowie die Batterie werden hier über ein Bussystem 3 angesteuert.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Überprüfung des HV-Systems nach Isolationsfehlern. Demnach wird gemäß Block 4 ein Isolationsfehler in dem HV-System detektiert, woran sich im Wesentlichen eine geführte Prüfung 5 und anschließend eine manuelle Prüfung 6 anschließt. Die geführte Prüfung 5 umfasst zunächst eine Abfrage 7, ob ein Isolationsfehler in der HV-Batterie intern oder extern (d. h. außerhalb der Batterie im DC-Abschnitt) vorliegt. Ist der Fehler intern liegt also ein Isolationsfehler 8 in der HV-Batterie vor. Anderenfalls, wenn der Fehler extern ist, werden die einzelnen Komponenten beziehungsweise Verbraucher in einer Schleife 9 geprüft. Es erfolgt also für jeden Verbraucher eine Abfrage 10, ob ein Isolationsfehler in diesem Verbraucher vorliegt. Wenn diese. Abfrage zu einem Ja führt, liegt also ein Isolationsfehler 11 in Verbraucher i vor. Wenn diese Abfrage zu einem Nein führt, wird der nächste Verbraucher geprüft. Am Ende lässt sich so eine Lokalisierung des Isolationsfehlers erreichen und es kann eine entsprechende manuelle Prüfung 6 durchgeführt werden.
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Zur Untersuchung jedes Verbrauchers beziehungsweise jeder Komponente stehen im Wesentlichen zwei Varianten zur Verfügung. Gemäß einer ersten Variante (vergleiche auch 3 bis 6) erfolgt ein aktiver Kurzschluss auf der HS-Seite (AKS-HS) und eine Auswertung der Spannungen am Isolationswächter. In einem anschließenden Schritt erfolgt ein aktiver Kurzschluss auf der LS-Seite (AKS-LS) und eine Auswertung der Spannungen am Isolationswächter. Anhand der gemessenen Spannungen kann ermittelt werden, ob in dem DC-Abschnitt oder dem AC-Abschnitt des HV-Systems ein Isolationsfehler vorliegt.
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Die Untersuchung der Verbraucher kann auch gemäß einer zweiten Variante (vergleiche auch 7 bis 9) erfolgen. Dabei lassen sich zwei Untervarianten 2a und 2b unterscheiden. Gemäß der Untervariante 2a werden sämtliche Leistungsschalter (z. B. IGBTs) eines Wechselrichters geöffnet und es erfolgt eine Messung des Isolationswiderstands. In einem anschließenden Schritt erfolgt ein AKS-LS oder -HS und eine Messung des Isolationswiderstands. Anhand der gemessenen Isolationswiderstände kann wieder ermittelt werden, wo der Isolationsfehler liegt (DC-Abschnitt oder AC-Abschnitt).
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Gemäß Untervariante 2b werden ebenfalls sämtliche Leistungsschalter des Wechselrichters geöffnet und es erfolgt eine Messung des Isolationswiderstands. In einem anschließenden Schritt wird der Wechselrichter von der Spannungsquelle (z. B. der Batterie) abgeklemmt und es wird wieder der Isolationswiderstand gemessen. Auch aus diesen Messwerten ergibt sich der Ort des Isolationsfehlers.
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Nachfolgend wird die Variante 1 näher beschrieben. Gemäß 3 weist das HV-System die Batterie 1 mit den Anschlüssen HV+ (High Side) und HV– (Low Side) auf. Isolierte Leitungen 12 und 13 führen zum Eingang des Wechselrichters 14. Die Leitung 12 gegebenenfalls mit dem Pluspol der Batterie weist einen Isolationswiderstand R_iso+ gegenüber Masse auf. Ebenso weist die Leitung 13 gegebenenfalls mit dem Minuspol der Batterie 1 einen Isolationswiderstand R_iso– gegenüber Masse auf. Zwischen beiden Leitungen 12 und 13 befindet sich ein Isolationswächter 15, der die Spannung U_iso+ und U_iso– gegenüber Masse messen kann.
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Der Wechselrichter 14 ist hier für ein Dreiphasensystem ausgebildet. Er besitzt daher für jede Phase jeweils eine Reihenschaltung von zwei Leistungsschaltern, die jeweils als IGBT ausgeführt sein können. Parallel zu jedem Leistungsschalter liegt jeweils eine Diode, die den Gleichstrom des DC-Systems beziehungsweise der Batterie sperrt. Die Knoten zwischen den Leistungsschaltern jeder Phase sind miteinander verbunden, da der Innenwiderstand der E-Maschine im Vergleich zum Isolationswiderstand Rs vernachlässigbar ist. Die Leistungsschalter sind gegenüber Masse mit einem Widerstand Rs isoliert.
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Der Isolationswächter 15 überwacht während des gesamten Betriebs den Isolationsfehler zwischen stromführenden Teilen und Masse. Die Berechnung des Isolationswiderstands erfolgt hierbei anhand der gemessenen Spannung U_iso+ (Spannung zwischen HV+ und Masse) und U_iso– (Spannung zwischen HV– und Masse). Für die Durchführung der Isolationsfehler-Lokalisierung ist es gemäß dieser Variante erforderlich, die Leistungselektronik (Leistungsschalter des Wechselrichters) gezielt in die Zustände AKS-HS (aktiver Kurzschluss High Side) und AKS-LS (aktiver Kurzschluss Low Side) zu schalten. Des Weiteren muss für die Messung in diesem Fall die Batterie 1 angeschlossen sein, damit ein Spannungspotential an der Leistungselektronik anliegt und alle in der Leistungselektronik vorhandenen Dioden in Sperrrichtung geschaltet sind.
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Gemäß 3 sind die Leistungsschalter, die unmittelbar mit der Leitung 12 (High Side) verbunden sind, geschlossen, während die low-seitigen Leistungsschalter geöffnet sind. Es ergibt sich damit der in 3 mit verstärkten Linien eingezeichnete Knoten, der dazuführt, dass der Iso-Wächter 15 den Isolationswiderstand R_iso+ auf der DC-Seite und den AC-seitigen Widerstand Rs parallel „sieht”.
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In einem zweiten Messzyklus gemäß 4 werden die high-seitigen Leistungsschalter geöffnet und die low-seitigen Leistungsschalter geschlossen. Es ergibt sich damit der low-seitige, ebenfalls mit dicken Linien eingezeichnete Knoten, sodass der Iso-Wächter 15 den Isolationswiderstand R_iso– und den Widerstand Rs parallel „sieht”.
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Der Diagnosealgorithmus, der nach der Detektion des Isolationsfehlers gestartet wird, führt also für den DC- und AC-Bereich die Messzyklen AKS-LS und AKS-HS durch. Als mögliche Ergebnisse kommen dann in Frage: „Isolationsfehler im DC-System zwischen HV+ und Fahrzeugmasse”, „Isolationsfehler im DC-System zwischen HV– und Fahrzeugmasse” und „Isolationsfehler im AC-System zwischen Phase und Fahrzeugmasse”.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt die Messergebnisse für die Spannungen U_iso+ und U_iso– für die Messzyklen AKS_HS und AKS_LS. Sie zeigt auch die Interpretation der Messergebnisse.
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Liegt also beispielsweise ein Isolationsfehler im AC-System vor (RS ≈ 0 Ω), so wird für AKS-HS (vergleiche 3) die Spannung U_iso+ auf 0 V gezogen, sodass die Spannung U_iso– entsprechend der vollen Batteriespannung U_bat entspricht. Für den Messzyklus AKS-LS ist dies genau umgekehrt.
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Liegt ein Isolationsfehler im DC-System auf der High Side (HV+) vor, ist der Isolationswiderstand R_iso+ ≈ 0 Ω. Es ergeben sich damit für beide Messzyklen AKS-HS und AKS-LS für die Isolationsspannung U_iso+ jeweils der Wert 0 V. Der Wert für U_iso– beträgt für beide Messzyklen jeweils ungefähr U_bat. Für einen Isolationsfehler im DC-System auf der Low-Side (HV–) ist der Isolationswiderstand R_iso– ≈ 0 Ω. Es ergeben sich für die Isolationsspannungen die umgekehrten Werte gegenüber dem Fehler auf der High-Side.
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In 5 ist die Spannung U_iso+ am Widerstand R_iso+ für die Messzyklen AKS-HS, AKS-LS, AKS-HS und „alle die IGBTs (beziehungsweise Leistungsschalter) offen” dargestellt. Liegt ein Isolationsfehler im AC-System vor, so wechselt die Spannung bei einem Übergang von AKS-HS zu AKS-LS zwischen HV+ (U_bat) und 0 V, was Pfeil 16 andeutet. Liegt hingegen ein Isolationsfehler im DC-System vor, wird die Spannung U_iso+ auf Masse gezogen, wie Pfeil 17 zeigt. In 6 ist das gleiche Spannungsdiagramm für die Spannung U_iso– am Isolationswiderstand R_iso– dargestellt. Der Spannungsverlauf ist entsprechend demjenigen von 5 zu interpretieren.
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Die Isolationsüberwachung gemäß Variante 2 für das HV-System wird nun anhand der 3, 4, 7, 8 und 9 im Detail erläutert. Bei Variante 2 ermittelt der Iso-Wächter 15 direkt Isolationswiderstände im Gegensatz zur Variante 1, bei der die Isolationsspannungen ausgewertet werden. Es erfolgt in einem ersten Schritt das Öffnen sämtlicher Leistungsschalter des Wechselrichters 14, sodass der Iso-Wächter 15 den Widerstand Rs des AC-Systems nicht „sieht”. Der Iso-Wächter 15 führt also eine Iso-Fehlermessung für das DC-System durch, was in 7 angedeutet ist.
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In einem zweiten Schritt (kann auch vor dem ersten Schritt durchgeführt werden) führt der Iso-Wächter 15 eine Iso-Fehlermessung für das DC- und das AC-System durch. Hierzu wird ein Messzyklus AKS-HS gemäß 3 oder ein Messzyklus AKS-LS gemäß 4 durchgeführt, wobei der Iso-Wächter 15 eben nur den Isolationswiderstand ermittelt. Dabei ist dann der Widerstand Rs entweder parallel zu dem Widerstand R_iso+ oder R_iso– geschaltet. Dabei muss die Batterie 1 angeschlossen sein (Schütz ist geschlossen). Der Messwert des Isolationswiderstands ist von den Sperreigenschaften der Leistungsschalter (IGBTs) und Dioden abhängig.
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Die Messergebnisse lassen sich gemäß 8 und 9 interpretieren. Wenn ein Isolationsfehler im AC-System vorliegt (Rs ≈ 0 Ω) bleibt der gemessene Isolationswiderstand während der Messzyklen AKS-HS und AKS-LS gemäß 8 sehr gering. Er steigt deutlich an, wenn alle IGBTs geöffnet werden, sodass der Widerstand Rs nicht mehr parallel zu den Widerständen R_iso+ beziehungsweise R_iso– liegt.
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Andernfalls, wenn ein Isolationsfehler im DC-System vorliegt, bleibt der gemessene Isolationswiderstand ständig sehr gering, auch wenn alle IGBTs geöffnet werden.
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Bei der Untersuchungsvariante 2b werden nach dem ersten Schritt (Messung bei offenen Leistungsschaltern beziehungsweise IGBTs) die Batterieklemmen abgeklemmt, d. h. ein in den Figuren nicht eingezeichneter Schütz geöffnet. Dadurch sperren die Dioden nicht mehr und der Widerstand RS kann vom Iso-Wächter 15 wieder „gesehen” werden, sodass auch in diesem Fall das DC- und AC-System ausgewertet wird.
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Sind alle Randbedingungen erfüllt, so kann mithilfe der verschiedenen Schalterstellungen der Leistungselektronik eine Aussage getroffen werden, ob sich der detektierte Isolationsfehler also im Gleichstromkreis oder im Wechselstromkreis einer untersuchten Komponente befindet. Hierbei muss jede Komponente im elektrischen System einzeln dahingehend diagnostiziert werden, ob sich der detektierte Isolationsfehler in der Komponente oder im restlichen System befindet. Durch sequentielles Abfragen kann so der Isolationsfehler eingekreist werden und es kann eine Unterstützung bei der gezielten Suche gewährleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Leistungssystem
- 3
- Bus
- 4
- Block
- 5
- Geführte Prüfung
- 7
- Abfrage
- 8
- Isolationsfehler
- 9
- Schleife
- 10
- Abfrage
- 11
- Isolationsfehler
- 12
- Isolierte Leitung
- 13
- Isolierte Leitung
- 14
- Wechselrichter
- 15
- Isolationswächter
- 16, 17
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007054353 A1 [0002]
- EP 1909369 A2 [0003]
