DE102011009351B4

DE102011009351B4 - System und Verfahren zum Überwachen einer Isolierung unter Verwendung einer variablen emulierten Induktivität

Info

Publication number: DE102011009351B4
Application number: DE102011009351.6A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Kadri Nalbant
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2031-01-26
Also published as: WO2011094304A2; US20110181306A1; DE102011009351A1; CN102869996B; WO2011094304A3; CN102869996A; JP2011154028A; US8598897B2

Abstract

System zum Messen eines Leckwiderstands (Rleak) zwischen einem Hochspannungssystem (HV-System) eines Fahrzeugs (10) und einem Fahrzeugfahrwerk, umfassend:eine emulierte Induktivität, die zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk verbunden ist und die einen induktiven Blindwiderstand (jXL) aufweist, der einen kapazitiven Blindwiderstand (jXCtot) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk im Wesentlichen aufhebt;eine Signalquelle, die entweder ein AC-Stromsignal (IAC) oder ein AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk ausgibt; undeinen Sensor, der:entweder eine AC-Stromantwort auf das AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk;oder eine AC-Spannungsantwort auf das AC-Stromsignal (IAC) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk misst.

Description

Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 61/298,347, die am 26. Januar 2010 eingereicht wurde. Der Offenbarungsgehalt der vorstehenden Anmeldung ist hier durch Bezugnahme vollständig mitaufgenommen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft Fahrzeuge und insbesondere Systeme und Verfahren zum Überwachen einer Isolierung für Elektro-, Hybridelektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge.
Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck einer allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt des Einreichens nicht anderweitig als Stand der Technik ausgewiesen sind, werden weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenbarung anerkannt.
Bei einigen Fahrzeugen kann eine Hochspannungsbatterie (HV-Batterie) verwendet werden, um Leistung an einen Gleichrichter/Wechselrichter und einen Elektromotor bereitzustellen, der ein oder mehrere Räder des Fahrzeugs antreibt. Die HV-Batterie kann mit einer hohen Spannung arbeiten, wie etwa 250 V bis etwa 1000 V DC. Zubehöreinrichtungen und andere Fahrzeugsysteme können durch ein Niederspannungssystem (LV-System), wie etwa eine 12 V DC-Batterie betrieben werden. Aus Sicherheitsgründen sollten die HV-Batterie und alle mit der HV-Batterie verbundenen Schaltkreise vom Fahrwerk des Fahrzeugs sowie von anderen Systemen des Fahrzeugs galvanisch isoliert sein.
Nur als Beispiel kann es eine physikalische und parasitäre kapazitive Kopplung vom Gleichrichter/Wechselrichter zum Fahrwerk, vom Elektromotor zum Fahrwerk sowie einen ungewünschten Leckwiderstand vom Elektromotor oder von der HV-Seite des Gleichrichters/Wechselrichters zum Fahrwerk geben. Zum Sicherstellen der Sicherheit wird eine Isolierung der HV-Batterie überwacht. Wenn ein Isolierungsproblem detektiert wird, kann das Überwachungssystem den Fahrzeugbediener alarmieren und/oder eine Maßnahme ergreifen.
Isolierungsüberwachungsschaltkreise für die HV-Batterie können DC- oder AC-Überwachungsverfahren verwenden. Bei DC-Überwachungsverfahren schiebt die HV-Batterie (oder eine elektrische HV-Leistungsquelle) einen Strom durch die Leckimpedanz an das Fahrwerk. Der resultierende Strom oder die resultierende Spannung wird über einen weiteren Widerstand mit hohem Wert gemessen. Bei AC-Überwachungsverfahren wird ein kleiner AC-Strom in die HV-Batterie injiziert und die resultierende AC-Spannung oder der resultierende AC-Strom werden gemessen.
Bei dem DC-Überwachungsverfahren können direkte und indirekte Verbindungsverfahren verwendet werden. Beim indirekten Ansatz werden ein oder mehrere optische Schalter verwendet, um die HV-Stromschienen durch eine hohe Impedanz indirekt mit dem Fahrwerk zu verbinden. Diese optischen Schalter sind tendenziell kostspielig. Temperatur- und alterungsbedingte Schwankungen der optischen Schalter können potentiell fehlerhafte Messungen erzeugen, die fälschlicherweise negativ sein können, wodurch die Möglichkeit von Stromschlaggefahren geschaffen wird. Bei DC-Verfahren zur Detektion von Isolationsfehlern kann die Fehlerdetektion allgemein nicht ausgeführt werden, wenn die HV-Batterie entfernt ist.
Auch bei dem direkten Absatz wird das Potential der HV-Batterie benötigt. Die Fehlerdetektion ist ebenfalls nicht möglich, wenn die HV-Batterie entfernt ist. Beide Varianten können Probleme mit großen parasitären und Systemfilterkondensatoren sowie mit einem zuverlässigen Betrieb in verrauschten Umgebungen aufweisen. Außerdem erzeugt dieser Ansatz einen absichtlichen Leckpfad von der HV-Batterie zum Fahrwerk, um den Messschaltkreis zu vervollständigen, was dem Ziel einer Isolierung entgegen wirkt.
Ein AC-Überwachungsverfahren ist aus der EP 0 913 697 A2 bekannt. Die dort beschriebene Kriechstrom-Erfassungsvorrichtung wird für ein Elektro-Kraftfahrzeug eingesetzt, dessen Batterieteil gegenüber der Fahrzeugkarosserie in Bezug auf Gleichströme isoliert ist. Die Vorrichtung weist eine erste Wechselstromsignal-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Wechselstromsignals und zum Zuführen eines Sinuswellen-Erfassungssignals einer einzelnen Frequenz zwischen die Fahrzeugkarosserie und eine Potentialseite des Batterieteils auf. Ein Kondensator weist eine Kapazität zum Isolieren der ersten Wechselstromsignal-Erzeugungseinrichtung gegenüber der Potentialseite des Batterieteils in Bezug auf Gleichströme sowie zum Verbinden der ersten Wechselstromsignal-Erzeugungseinrichtung mit der Potentialseite des Batterieteils in Bezug auf Wechselströme auf. Eine erste Spannungserfassungseinrichtung erfasst eine Wechselstromsignal-Spannung des Erfassungssignals. Eine erste Stromerfassungseinrichtung dient zum Erfassen eines Wechselstromsignal-Stroms des Erfassungssignals. Die Kriechstrom-Erfassungsvorrichtung umfasst weiterhin eine Phasenunterscheidungseinrichtung, eine Tangens-Erfassungseinrichtung und eine zweite Wechselstromsignal-Erzeugungseinrichtung, wobei die zweite Wechselstromsignal-Erzeugungseinrichtung gegenüber der Potentialseite des Batterieteils in Bezug auf Gleichströme durch den Kondensator isoliert ist. Außerdem ist eine zweite Spannungserfassungseinrichtung und eine zweite Stromerfassungseinrichtung sowie eine Kapazitäts-Schätzeinrichtung zum Schätzen einer Kapazität einer Kriechstrom-Admittanz zwischen dem Batterieteil und der Fahrzeugkarosserie vorhanden. Eine Widerstandskomponenten-Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen einer Widerstandskomponente der Kriechstrom-Admittanz und eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Widerstandskomponente mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der als ein Kriechstrom-Kriterium verwendet wird.
Vorteile des AC-Überwachungsverfahrens gegenüber dem DC-Überwachungsverfahren umfassen die Fähigkeit zur Verwendung eines Kondensators, um das Signal zu injizieren, was den Bedarf für optische Schalter beseitigt. Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, Isolierungstests durchzuführen, ohne dass die HV-Batterie installiert sein muss. In vielen Fällen ist jedoch die AC-Blindimpedanz des Shunts viel kleiner als die Fehlerimpedanz selbst, was zuverlässige Überwachungsmessungen der Isolierung schwierig macht.
Ein System zum Messen eines Leckwiderstands zwischen einem Hochspannungssystem (HV-System) eines Fahrzeugs und einem Fahrzeugfahrwerk umfasst eine emulierte Induktivität, die zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk verbunden ist und die einen induktiven Blindwiderstand aufweist, der einen kapazitiven Blindwiderstand zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk im Wesentlichen aufhebt. Eine Signalquelle gibt zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk entweder ein AC-Stromsignal oder ein AC-Spannungssignal aus. Ein Sensor erfasst entweder eine AC-Stromantwort auf das AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk oder eine AC-Spannungsantwort auf das AC-Stromsignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk.
Bei anderen Merkmalen, ein Steuermodul, das einen Leckwiderstand auf der Grundlage entweder des AC-Stromsignals und der AC-Spannungsantwort oder des AC-Spannungssignals und der AC-Stromantwort berechnet. Der Wert der emulierten Induktivität kann variiert werden. Das Steuermodul stellt den Wert der emulierten Induktivität auf N verschiedene Werte ein, wobei N eine ganze Zahl größer als Eins ist, um den induktiven Blindwiderstand der emulierten Induktivität zu variieren.
Bei anderen Merkmalen umfasst die emulierte Induktivität einen variablen Widerstand. Das Steuermodul stellt den variablen Widerstand der emulierten Induktivität auf N verschiedene Werte ein, wobei N eine ganze Zahl größer als Eins ist, um den induktiven Blindwiderstand der emulierten Induktivität zu variieren. Das Steuermodul wählt einen der N Werte, der sich mit dem kapazitiven Blindwiderstand zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk aufhebt.
Bei anderen Merkmalen berechnet das Steuermodul den Leckwiderstand zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk, indem es veranlasst, dass die Signalquelle entweder das AC-Stromsignal oder das AC-Spannungssignal erzeugt, während der eine der N Werte gewählt ist. Die emulierte Induktivität umfasst ferner einen Operationsverstärker, der einen invertierenden Eingang und einen nicht invertierenden Eingang umfasst. Ein erster Widerstand ist zwischen dem HV-System und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden.
Bei anderen Merkmalen umfasst die emulierte Induktivität ferner eine Kapazität, die zwischen dem HV-System und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Der variable Widerstand ist mit dem nicht invertierenden Eingang verbunden. Eine erste Kapazität, ein erster Widerstand und ein zweiter Widerstand sind in Reihe zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk verbunden. Ein Analog/Digital-Wandler weist einen ersten Eingang auf, der zwischen dem ersten und zweiten Widerstand verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem Steuermodul verbunden ist.
Bei anderen Merkmalen erzeugt das Steuermodul T Werte des Leckwiderstands, wählt S der T Werte, wobei S und T ganze Zahlen größer als Zwei sind und S < T ist, und berechnet einen endgültigen Leckwiderstandswert als eine Funktion der S Werte. Das Steuermodul wählt die S Werte auf der Grundlage eines Aktivierungssignals, das von entweder einem HV-Controller oder einem Fahrzeugsystemcontroller empfangen wird.
Bei anderen Merkmalen umfasst das Steuermodul ein Abtastmodul, das eine Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort abtastet. Ein Korrelationsmodul erzeugt eine Vielzahl von Korrelationswerten, die der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort entsprechen.
Bei anderen Merkmalen berechnet ein Leckberechnungsmodul den Leckwiderstand auf der Grundlage ausgewählter der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort, die Korrelationswerte aufweisen, die größer als ein vorbestimmter Korrelationswert sind.
Bei anderen Merkmalen erzeugt das Korrelationsmodul die Vielzahl von Korrelationswerten, indem es jeden der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort mit einem anderen der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort und einer vorbestimmten Wellenform [engl.: waverform] korreliert.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der hier nachstehend bereitgestellten genauen Beschreibung. Es versteht sich, dass die genaue Beschreibung und spezielle Beispiele nur zur Veranschaulichung gedacht sind und den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken sollen.
Die vorliegende Offenbarung wird anhand der genauen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen:

1 ein Funktionsblockdiagramm eines Fahrzeugs mit einem HV-System, einem LV-Batteriesystem, einem Gleichrichter/Wechselrichter und einem Elektromotor ist;
2A - 2D elektrische Schaltpläne sind, die AC-Ersatzimpedanzen des Systems in 1 darstellen;
3 ein elektrischer Schaltplan der AC-Ersatzimpedanz ist;
4 ein elektrischer Schaltplan ist, der das Aufheben eines kapazitiven Blindwiderstands unter Verwendung des induktiven Blindwiderstands einer physikalischen Induktivität zeigt;
5 ein elektrischer Schaltplan ist, der das Aufheben des kapazitiven Blindwiderstands unter Verwendung eines Steuermoduls und einer emulierten variablen Induktivität gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 ein elektrischer Schaltplan eines Beispiels der emulierten variablen Induktivität und serieller und paralleler Ersatzschaltungen ist;
7 ein detaillierterer elektrischer Schaltplan und ein Funktionsblockdiagramm eines Isolierungsüberwachungssystems gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
8 ein Funktionsblockteildiagramm eines beispielhaften Steuermoduls zum Messen einer Isolierung ist;
9 - 11 beispielhafte Verfahren zum Messen einer Isolierung sind;
12 ein Funktionsblockteildiagramm eines weiteren Steuerungsmoduls zum Messen einer Isolierung ist; und
13 ein Beispielverfahren zum Betreiben des Steuermoduls von 12 veranschaulicht.

Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach rein beispielhaft und ist keinesfalls dazu gedacht, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Bei der Verwendung hierin soll der Ausdruck A, B und/oder C so aufgefasst werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte in einem Verfahren in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
Bei der Verwendung hierin kann sich der Begriff „Modul“ auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, eine kombinatorische Logikschaltung, ein im Feld programmierbares Gatearray (FPGA), einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe), andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen, oder eine Kombination einiger oder aller vorstehender, wie etwa ein System auf einem Chip, bezeichnen, Teil davon sein oder enthalten. Der Begriff „Modul“ kann einen Speicher enthalten (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), der einen Code speichert, der von einem Prozessor ausgeführt wird.
Der Begriff „Code“ wie er vorstehend verwendet wird, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode umfassen, und kann Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte bezeichnen. Der Begriff „gemeinsam genutzt“ bedeutet, wie er vorstehend verwendet wird, dass einiger oder aller Code von mehreren Modulen unter Verwendung eines oder mehrerer Prozessoren ausgeführt werden kann. Außerdem kann einiger oder aller Code von mehreren Modulen an einer oder mehreren physikalischen Speicherstellen gespeichert sein. Der Begriff „Gruppe“ wie er vorstehend verwendet wird, bedeutet, dass einiger oder aller Code von einem einzigen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Prozessoren ausgeführt werden kann. Außerdem kann einiger oder aller Code von einem einzigen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Speichern gespeichert werden.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können durch ein oder mehrere Computerprogramme implementiert sein, die von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme enthalten von einem Prozessor ausführbare Anweisungen, die in einem nicht transitorischen berührbaren computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten. Beispiele ohne Einschränkung des nicht transitorischen berührbaren computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtiger Speicher, Magnetspeicher und optischer Speicher.
Steuersysteme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung verwenden einen emulierten induktiven Blindwiderstand, der sich mit einem kapazitiven Blindwiderstand des Systems im Wesentlichen aufhebt, um einen Wert des Leckwiderstands R_leak zu bestimmen. Bei der Verwendung hierin soll der Ausdruck „im Wesentlichen aufheben“ ein ausreichendes Aufheben, um eine Messung des Leckwiderstands innerhalb einer gewünschten Toleranz zu ermöglichen, bezeichnen. Während die vorliegende Offenbarung im Kontext eines HV-Systems mit HV-Batterien beschrieben wird, können sich andere Systeme auf andere Typen von Speichereinrichtungen wie etwa Brennstoffzellen oder HV-Leistungsquellen wie etwa Turbinen stützen. Noch andere HV-Speichereinrichtungen und HV-Leistungsquellen werden in Betracht gezogen. Bei der Verwendung hierin kann der Begriff „HV-System“ das gesamte elektrische System einschließlich der Batterie, des Gleichrichters/Wechselrichters, des Motors, des Klimaanlagensystems und anderer Hilfsgeräte bezeichnen, die Leistung entnehmen und/oder mit Hochspannungen verbunden sind.
Mit Bezug nun auf 1 ist ein beispielhaftes Hybridfahrzeug 10 gezeigt, das einen Elektromotor 20 enthält, der ein oder mehrere Räder 22 des Fahrzeugs 10 antreibt. Der Elektromotor 20 kann mit einem Gleichrichter/Wechselrichter 24 gekoppelt sein, der DC-Leistung von einem HV-Batteriesystem 26 oder z.B. einer Brennstoffzelle oder einer anderen Form eines elektrischen HV-Leistungserzeugungssystems invertiert. Ein HV-Steuermodul 28 steuert einen Betrieb des HV-Systems 26. Das Fahrzeug 10 kann auch ein LV-Batteriesystem 32 enthalten.
Mit Bezug nun auf 2A - 2D ist gezeigt, dass die AC-Ersatzimpedanz über dem HV-System eine kapazitive Kopplung von Kapazitäten C (wie etwa Y-Kondensatoren) und eine resistive Kopplung R_leak mit dem Autofahrwerk umfasst. In 2B ist das Äquivalent der HV-Batterie oder Leistungsquelle ein Kurzschluss für das Testsignal, wenn unter Verwendung des AC-Verfahrens getestet wird. In 2C kann die Schaltung von 2B als eine parallele Kombination einer Kapazität 2C und des Widerstands R_leak vereinfacht werden. In 2D ist die Kapazität 2C durch eine Kapazität Ctot ersetzt, die Y-Kondensatoren, die Kapazität einer Verdrahtung mit dem Fahrwerk, die Kapazität des Gleichrichters/Wechselrichters zum Fahrwerk, die Kapazität von der Batterie zum Fahrwerk, die Kapazität des Elektromotors zum Stator/Fahrwerk usw. darstellt.
Mit Bezug nun auf 3 und 4 besteht eine Herausforderung im Messen des Leckwiderstands R_leak, wenn ein Wert des Widerstands R_leak viel größer als der kapazitive Blindwiderstand Xctot ist. In 3 ist der Wert des Widerstands R_leak bei den meisten Fahrzeugen gewöhnlich um eine Größenordnung größer als der kapazitive Blindwiderstand Xctot. In 4 kann der induktive Blindwiderstand einer physikalischen Induktivität jX_L verwendet werden, um den kapazitiven Blindwiderstand -jX_Ctot aufzuheben. Wenn der kapazitive Blindwiderstand -jX_Ctot gleich dem induktiven Blindwiderstand jX_L ist, dann ist der Widerstand R_leak gleich V_AC/I_AC. In der Praxis muss der Wert der physikalischen Induktivität jX_L jedoch möglicherweise in der Größenordnung von 2000 bis 10.000 H liegen, was nicht praktikabel ist. Außerdem ist der exakte Wert des kapazitiven Blindwiderstands Xctot nicht genau bekannt und/oder kann sich während des Betriebs ändern.
Mit Bezug nun auf 5 zeigen ein vereinfachter Schaltplan und ein Funktionsblockdiagramm ein Isolierungsüberwachungssystem, das eine mit 100 bezeichnete emulierte variable Induktivität und ein Steuermodul 110 umfasst, das die emulierte Induktivität abtastet bzw. wobbelt, wie nachstehend weiter beschrieben wird. Bei der Verwendung hierin soll der Begriff „emulierte Induktivität“ eine Kombination von Schaltungselementen umfassen, wie etwa Kondensatoren, Widerstände, Operationsverstärker usw., die verwendet werden, um den induktiven Blindwiderstand zu erzeugen, der benötigt wird, um den kapazitiven Blindwiderstand zwischen dem HV-System und dem Fahrwerk aufzuheben. Außerdem kann die emulierte Induktivität auch unter Verwendung eines Prozessors, eines Speichers und von Software implementiert sein, die eine Induktivitätsemulationssoftware laufen lassen.
Das Steuermodul 110 bestimmt, wann der induktive Blindwiderstand jX_L der emulierten Induktivität gleich dem kapazitiven Blindwiderstand -jX_Ctot ist und misst dann den Widerstand R_leak. Insbesondere wird die emulierte variable Induktivität 100 abgetastet bzw. gewobbelt, bis eine Resonanzspitze bestimmt ist. Obwohl eine AC-Stromsignalquelle gezeigt ist, kann eine AC-Spannungsquelle verwendet werden und die AC-Stromantwort kann gemessen werden.
Mit Bezug nun auf 6 ist ein Beispiel der emulierten variablen Induktivität 100 in größerem Detail gezeigt. Die emulierte variable Induktivität 100 umfasst einen Widerstand R₁, eine Kapazität C, einen Operationsverstärker 120 und einen variablen Widerstand R₂. Die emulierte variable Induktivität 100 umfasst Anschlüsse A und B, die zwischen dem HV-System und dem Fahrwerk verbunden sind. Das Steuermodul 110 variiert den Wert des Widerstands R₂ während des Abtastens bzw. Wobbelns über einen Anschluss C. Der Widerstand R₁ ist zwischen dem Anschluss A und einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 120 verbunden. Die Kapazität C ist zwischen dem Anschluss A und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 120 verbunden. Der variable Widerstand R₂ ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 120 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 120 ist mit dem invertierenden Eingang verbunden. Nur als Beispiel kann der variable Widerstand R₂ ein digitales oder analoges Potentiometer, geschaltete Widerstände, Paare von Widerstanden und Transistoren usw. umfassen.
Eine serielle Ersatzschaltung für die emulierte Induktivität besteht aus einer Induktivität L_s und einem Widerstand R_s, die in Reihe verbunden sind: $R s = \frac{R 1 \cdot (1 + R 1 \cdot R 2 \cdot ω^{2} \cdot C^{2})}{1 + R 1^{2} \cdot ω^{2} \cdot C^{2}};$
$L s = \frac{R 1 \cdot (R 2 - R 1) \cdot C}{1 + R 1^{2} \cdot ω^{2} \cdot C^{2}}$
Eine parallele Ersatzschaltung für die emulierte Induktivität besteht aus einer Induktivität L_s und einem Widerstand R_s, die parallel verbunden sind: $Rp = \frac{ω^{2} \cdot {Ls}^{2} + {RS}^{2}}{RS};$
$Lp = \frac{ω^{2} \cdot {Ls}^{2} + {RS}^{2}}{ω^{2} \cdot Ls};$
Mit Bezug nun auf 7 ist ein Messsystem gezeigt, das die emulierte variable Induktivität 100, das Steuermodul 110, eine Stromquelle 126 und einen Analog/Digital-Wandler (ADC) 130 umfasst. Obwohl es nicht notwendig ist, kann das Steuermodul 110 bei einer beispielhaften Implementierung mit dem ADC 130 kommunizieren und einen Wert des variablen Widerstands R₂ steuern. Die Stromquelle 126 erzeugt ein AC-Stromsignal I_AC. Die Stromquelle 126 ist durch einen Widerstand R₃ und eine Kapazität C₃ mit dem HV-System und über eine Kapazität C₄ und einen Widerstand R₄ mit der emulierten variablen Induktivität 100 verbunden. Eine Kapazität C₅ und ein Spannungsteiler, der Widerstände R_5A und R_5B umfasst, sind zwischen dem HV-System und dem Fahrwerk verbunden. Der ADC 130 kommuniziert mit dem Spannungsteiler.
Die Stromquelle 126 kann beispielsweise eine Amplitude von 5 µA oder höher und eine Frequenz zwischen 0,5 Hz und 10 Hz aufweisen, obwohl andere Werte verwendet werden können. Beispielswerte der Kapazitäten C₃, C₄ und C₅ sind 0,2 µF, 2 µF bzw. 2 bis 10 nF, obwohl andere Werte verwendet werden können. Beispielwerte der Widerstände R₂, R₃, R₄ und R_5A sind 10 kΩ, 0,1 bis 1 kΩ, 1 bis 3 MΩ bzw. 10 MΩ, obwohl andere Werte verwendet werden können.
Mit Bezug nun auf 8 ist eine beispielhafte Implementierung des Steuermoduls 110 gezeigt, die ein Widerstandsabtastmodul 200, ein Spitzenmodul 210 und ein Leckwiderstandsberechnungsmodul 230 umfasst. Das Widerstandsabtastmodul 200 variiert einen Wert des variablen Widerstands R₂. Das Spitzenmodul 210 identifiziert einen Wert des Widerstands R₂, bei dem die Spitzenspannung auftritt. Sobald die Spitzenspannung bestimmt worden ist, stellt das Spitzenmodul 210 den Wert des variablen Widerstands R₂ ein.
Das Leckwiderstandsberechnungsmodul 230 berechnet den Wert des Leckwiderstands R_leak, wenn der variable Widerstand R₂ auf den Wert bei der Spitzenspannung eingestellt ist. Bei einigen Beispielen kann das Leckwiderstandsberechnungsmodul 230 den Leckwiderstand R_leak über mehrere Abtastwerte berechnen. Bei anderen Beispielen können einige der Abtastwerte für ungültig deklariert werden, wenn sie bei bestimmten Fahrzeugbetriebsbedingungen auftreten, wie etwa Bremsen, Beschleunigung und/oder anderen Bedingungen, bei denen es wahrscheinlich ist, dass die Gültigkeit von Isolierungsmessungen verändert wird. Bei einigen Implementierungen kann das Leckwiderstandsberechnungsmodul 230 daher ein Aktivierungs/Deaktivierungssignal von einem Systemcontroller oder dem Hochspannungscontroller empfangen, um eine Leckwiderstandsberechnung für einen speziellen Abtastwert zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Mit Bezug nun auf 9 - 11 sind mehrere beispielhafte Verfahren zum Berechnen des Leckwiderstands R_leak gezeigt. In 9 wird der variable Widerstand R₂ bei 250 abgetastet bzw. gewobbelt. Bei 252 wird ein Spitzenwert für einen speziellen Widerstandswert des variablen Widerstands R₂ identifiziert. Bei 254 stellt die Steuerung einen Wert des variablen Widerstands R₂ auf den Wert ein, der bei dem Spitzenwert aufgetreten ist. Bei 258 injiziert die Stromquelle das Stromsignal I_AC und die Spannung V_AC wird gemessen oder umgekehrt. Bei 262 wird der Leckwiderstand R_leak berechnet. Es ist festzustellen, dass die Blöcke 250, 252 und 254 in der Fabrik ausgeführt werden können und der gewählte Widerstandswert für den variablen Widerstand R₂ gespeichert werden kann, bevor das Fahrzeug die Fabrik verlässt. Alternativ können die Blöcke 250, 252 und 254 während sich das Fahrzeug auf der Straße befindet, für jede Messung, periodisch oder in anderen Intervallen ausgeführt werden.
In 10 werden die Blöcke 250, 252 und 254 wie vorstehend beschrieben ausgeführt. Bei 270 wird ein Kalibrierungswiderstand von einem Punkt des HV-Systems aus mit dem Fahrwerk verbunden. Bei 272 wird das AC-Stromsignal I_AC wird injiziert und die Spannung V_AC gemessen. Bei 274 wird der Leckwiderstand R_leak berechnet und mit einem Wert des gewählten Kalibrierungswiderstands in einer Nachschlagetabelle (LUT) gespeichert. Zusätzliche Kalibrierungswerte werden verbunden und R_leak wird gemessen und gespeichert. In einigen Fällen kann die LUT durch eine mathematische Beziehung ersetzt werden.
In 11 wird die Nachschlagetabelle oder die mathematische Beziehung im Fahrzeug gespeichert. Die Blöcke 250, 252 und 254 werden wie vorstehend beschrieben ausgeführt. Bei 270 wird das AC-Stromsignal I_AC injiziert und die Spannung V_AC gemessen. Der Leckwiderstand R_leak wird bei 284 berechnet. Bei 290 wird der berechnete Leckwiderstand R_leak zum Zugreifen auf die LUT verwendet und ein oder mehrere der Kalibrierungswerte werden gewählt. Eine Interpolation oder andere Schätzverfahren können ausgeführt werden, wenn sich der berechnete Leckwiderstand R_leak zwischen gespeicherten Kalibrierungswerten befindet. Alternativ kann die LUT durch eine geeignete mathematische Beziehung ersetzt werden.
Mit Bezug nun auf 12 ist ein alternativer Ansatz gezeigt. Ein Abtastmodul 300 tastet die Spannung V_AC in Ansprechen auf das Stromsignal I_AC ab. Ein Inversionsmodul 302 invertiert negative Halbzyklen der Spannung V_AC. Ein Korrelationsmodul 314 führt eine Korrelationsmessung zwischen den Halbzyklen der Spannung V_AC durch. Ein Abtastwertwahlmodul 316 wählt die Halbzyklen der Spannung V_AC, die einen Korrelationswert über einem Korrelationsschwellenwert aufweisen. Das Leckwiderstandsberechnungsmodul 320 berechnet den Leckwiderstand R_leak aus den gewählten Halbzyklen der Spannung Vac.
Mit Bezug nun auf 13 wird eine Vielzahl von Halbzyklen der Spannung V_AC bei 350 gespeichert, während der variable Widerstand R₂ auf den Wert eingestellt ist, der bei der Spitze auftritt. Bei 356 werden negative Halbzyklen der Spannung V_AC invertiert. Bei 360 werden Korrelationswerte für die Abtastwerte erzeugt. Bei 364 wählt die Steuerung Abtastwerte mit Korrelationswerten, die größer als der Korrelationsschwellenwert sind. Bei 370 berechnet die Steuerung den Leckwiderstand R_leak aus den gewählten Abtastwerten. Es ist festzustellen, dass eine Korrelation ohne eine Inversion und auch durch einen Vergleich mit gespeicherten Wellenformen, wie etwa Sinuswellenwerten, durchgeführt werden kann.
Durch das Isolierungsüberwachungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung werden viele Vorteile bereitgestellt. Der vorstehend beschriebene Ansatz weist eine relativ hohe Genauigkeit auf und benötigt keinen DC-Pfad an das Fahrwerk. Kostspielige optische Schalter werden nicht benötigt. Isolierungstests können ausgeführt werden, ohne dass die HV-Batterie installiert ist. Messergebnisse können durch das Steuermodul für robustere Ergebnisse und weniger falsche Positiv- oder falsche Negativmeldungen validiert werden. Es gibt einen hohen Grad an eingebauter Rauschunempfindlichkeit in einer naturgemäß durch Rauschen verschmutzten Umgebung. Ein sehr kleines Testsignal, wie etwa 10 µA, kann in der Lage sein, akzeptable Ergebnisse zu erzeugen.
Die breiten Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenbarung spezielle Beispiele umfasst, soll daher der wahre Schutzumfang der Offenbarung nicht darauf begrenzt sein, da sich dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche weitere Modifikationen offenbaren werden.

Claims

System zum Messen eines Leckwiderstands (R_leak) zwischen einem Hochspannungssystem (HV-System) eines Fahrzeugs (10) und einem Fahrzeugfahrwerk, umfassend: eine emulierte Induktivität, die zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk verbunden ist und die einen induktiven Blindwiderstand (jX_L) aufweist, der einen kapazitiven Blindwiderstand (jX_Ctot) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk im Wesentlichen aufhebt; eine Signalquelle, die entweder ein AC-Stromsignal (I_AC) oder ein AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk ausgibt; und einen Sensor, der: entweder eine AC-Stromantwort auf das AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk; oder eine AC-Spannungsantwort auf das AC-Stromsignal (I_AC) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk misst.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Steuermodul (110), das einen Leckwiderstand (R_leak) auf der Grundlage: entweder des AC-Stromsignals (I_AC) und der AC-Spannungsantwort; oder des AC-Spannungssignals und der AC-Stromantwort berechnet.
System nach Anspruch 2, wobei: der Wert der emulierten Induktivität variiert werden kann; und das Steuermodul (110) den Wert der emulierten Induktivität auf N verschiedene Werte einstellt, wobei N eine ganze Zahl größer als Eins ist, um den induktiven Blindwiderstand (jX_L) der emulierten Induktivität zu variieren.
System nach Anspruch 2, wobei: die emulierte Induktivität einen variablen Widerstand (R₂) enthält; und das Steuermodul (110) den variablen Widerstand (R₂) der emulierten Induktivität auf N verschiedene Werte einstellt, wobei N eine ganze Zahl größer als Eins ist, um den induktiven Blindwiderstand (jX_L) der emulierten Induktivität zu variieren.
System nach Anspruch 3, wobei das Steuermodul (110) einen der N Werte wählt, der sich mit dem kapazitiven Blindwiderstand (jXctot) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk aufhebt.
System nach Anspruch 4, wobei das Steuermodul (110) den Leckwiderstand (R_leak) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk berechnet, indem es die Signalquelle dazu veranlasst, entweder das AC-Stromsignal (I_AC) oder das AC-Spannungssignal zu erzeugen, während der eine der N Werte gewählt ist.
System nach Anspruch 4, wobei die emulierte Induktivität ferner umfasst: einen Operationsverstärker (120) mit einem invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang; und einen ersten Widerstand, der zwischen dem HV-System und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (120) verbunden ist.
System nach Anspruch 7, wobei die emulierte Induktivität ferner umfasst: eine Kapazität (C), die zwischen dem HV-System und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (120) verbunden ist, wobei der variable Widerstand (R₂) mit dem nicht invertierenden Eingang verbunden ist.
System nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine erste Kapazität; einen ersten Widerstand; einen zweiten Widerstand, wobei die erste Kapazität, der erste Widerstand und der zweite Widerstand zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk in Reihe verbunden sind; und einen Analog/Digital-Wandler mit einem ersten Eingang, der zwischen dem ersten und zweiten Widerstand verbunden ist, und einem Ausgang, der mit dem Steuermodul (110) verbunden ist.
System nach Anspruch 2, wobei: das Steuermodul (110) T Werte des Leckwiderstands (R_leak) erzeugt, S der T Werte wählt, wobei S und T ganze Zahlen größer als Zwei sind und S < T ist, und einen endgültigen Leckwiderstandswert als eine Funktion der S Werte berechnet; und das Steuermodul (110) die S Werte auf der Grundlage eines Aktivierungssignals wählt, das von entweder einem HV-Controller oder einem Fahrzeugsystemcontroller empfangen wird.
System nach Anspruch 2, wobei das Steuermodul (110) umfasst: ein Abtastmodul (300), das eine Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort abtastet; und ein Korrelationsmodul (314), das eine Vielzahl von Korrelationswerten erzeugt, die der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort entsprechen.
System nach Anspruch 11, ferner umfassend: ein Leckberechnungsmodul (320), das den Leckwiderstand (R_leak) auf der Grundlage gewählter der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort berechnet, die Korrelationswerte aufweisen, die größer als ein vorbestimmter Korrelationswert sind.
System nach Anspruch 11, wobei das Korrelationsmodul (314) die Vielzahl von Korrelationswerten erzeugt, indem es jeden der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort korreliert mit: entweder einem anderen der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort; oder einer vorbestimmten Wellenform [engl.: waverform].
Verfahren zum Messen eines Leckwiderstands (R_leak) zwischen einem Hochspannungssystem (HV-System) eines Fahrzeugs (10) und einem Fahrzeugfahrwerk, das umfasst, dass: eine emulierte Induktivität zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk erzeugt wird; ein kapazitiver Blindwiderstand (jXctot) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk unter Verwendung eines induktiven Blindwiderstands (jX_L) der emulierten Induktivität im Wesentlichen aufgehoben wird; entweder ein AC-Stromsignal (I_AC) oder ein AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk erzeugt wird; und entweder eine AC-Stromantwort auf das AC-Spannungssignal zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk; oder eine AC-Spannungsantwort auf das AC-Stromsignal (I_AC) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst, dass: ein Leckwiderstand (R_leak) auf der Grundlage: entweder des AC-Stromsignals (I_AC) und der AC-Spannungsantwort; oder des AC-Spannungssignals und der AC-Stromantwort berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass: ein variabler Widerstand (R₂) der emulierten Induktivität auf N verschiedene Werte eingestellt wird, wobei N eine ganze Zahl größer als Eins ist, um den induktiven Blindwiderstand (jX_L) der emulierten Induktivität zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner umfasst, dass: einer der N Werte ausgewählt wird, der sich im Wesentlichen mit dem kapazitiven Blindwiderstand (jXctot) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk aufhebt.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst, dass: der Leckwiderstand (R_leak) zwischen dem HV-System und dem Fahrzeugfahrwerk berechnet wird, indem entweder das AC-Stromsignal (I_AC) oder das AC-Spannungssignal erzeugt wird, während der eine der N Werte gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst, dass: T Werte des Leckwiderstands (R_leak) erzeugt werden; S der T Werte gewählt werden, wobei S und T ganze Zahlen größer als Zwei sind und S < T ist; und ein endgültiger Leckwiderstandswert als eine Funktion der S Werte berechnet wird, wobei die S Werte auf der Grundlage eines Aktivierungssignals gewählt werden, das entweder von einem HV-Controller oder einem Fahrzeugsystemcontroller empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass: eine Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort abgetastet wird; und eine Vielzahl von Korrelationswerten erzeugt wird, die der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort entspricht.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner umfasst, dass: der Leckwiderstand (R_leak) auf der Grundlage gewählter der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort berechnet wird, die Korrelationswerte aufweisen, die größer als ein vorbestimmter Korrelationswert sind.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Vielzahl von Korrelationswerten erzeugt wird, indem jeder der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort korreliert wird mit: entweder einem weiteren der Vielzahl von Halbzyklen entweder der AC-Spannungsantwort oder der AC-Stromantwort; oder einer vorbestimmten Wellenform [engl.: waverform].