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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schaltzustandes mindestens eines Leistungsschalters.
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Leistungsschalter, insbesondere so genannte Schütze, dienen zum Trennen und Schließen von Leistungsstromkreisen, die für einen Fluss hoher Ströme ausgelegt sind.
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Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere im Bereich von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, existieren Leistungsschalter, die ein Hochvoltbatteriesystem oder eine so genannte Traktionsbatterie allpolig von einem Hochvoltnetz und somit von den im Hochvoltnetz angeordneten Hochvoltkomponenten des Elektro- oder Hybridfahrzeuges trennen können. Aus Sicherheitsgründen muss die Trennung des Hochvoltbatteriesystems vom Hochvoltnetz oder Traktionsnetz jederzeit möglich sein. Daher ist eine ordnungsgemäße Funktionalität der Leistungsschalter mindestens einmal pro Fahrzyklus zu überprüfen.
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Es kann vorkommen, dass einer oder mehrere Leistungsschalter in einem Leistungsstromkreis verschweißen. Bei einer Verschweißung kann kein ordnungsgemäßes Öffnen des Leistungsschalters und somit auch kein ordnungsgemäßes Trennen z. B. der Hochvoltbatterie vom Hochvoltnetz mehr erfolgen. Dies kann zu unerwünschten Betriebszuständen führen. Daher ist es ein Wunsch, insbesondere eine Verschweißung von Leistungsschaltern eindeutig zu identifizieren.
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Grundsätzlich sind zwei Verfahren zur Identifizierung einer Verschweißung eines Leistungsschalters denkbar.
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Bei einem ersten Verfahren sind die zu überwachenden Leistungsschalter mit Hilfskontakten ausgerüstet, die zur Erfassung eines Zustandes der Hauptkontakte des Leistungsschalters dienen. An die Hilfskontakte werden hierbei hohe Anforderungen gestellt. So müssen diese z. B. zwangsgeführt sein, um ein sicheres Abbild des Schaltzustands des Leistungsschalters geben zu können. Aus diesem Grund sind Leistungsschalter mit Hilfskontakten in der Regel deutlich teurer als Leistungsschalter ohne Hilfskontakte.
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Ein zweites Verfahren beruht auf einer Messung einer Potentialdifferenz an Kontakten des Leistungsschalters, insbesondere einer Potentialdifferenz zwischen einem Eingangskontakt und einem Ausgangskontakt des Leistungsschalters. Unterschreitet die gemessene Potentialdifferenz einen vorgegebenen Schwellwert bei einem Soll-Zustand ”offen”, so gilt der Leistungsschalter als verschweißt oder verklebt. Problematisch ist hierbei, insbesondere in Elektro- oder Hybridfahrzeugen, dass ein Hochvoltnetz oder Traktionsnetz in der Regel über einen Zwischenkreiskondensator verfügt, dessen Restladung so groß sein kann, dass zum Messzeitpunkt die Potentialdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangskontakt auch bei geöffnetem Leistungsschalter kleiner als der Schwellwert sein kann, obwohl der Leistungsschalter ordnungsgemäß geöffnet ist. Somit kann theoretisch eine Verschweißung fälschlicherweise detektiert werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei parallel geschalteten Vorlade- und Hauptleistungsschaltern nicht ohne weiteres erkannt werden kann, welcher der beiden Leistungsschalter verschweißt oder verklebt ist. Zusätzlich muss eine eingesetzte Messtechnik hohen Anforderungen hinsichtlich der Spannungsfestigkeit von mehreren Kilovolt genügen und abschaltbar sein.
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Die
EP 1 202 313 A1 offenbart eine Einrichtung in der Sicherheitstechnik zur Kontrolle der Schaltstellung mechanischer Schaltkontakte, die für jeden zu kontrollierenden Arbeitskontakt einen diesem fest zugeordneten und von diesem potentialmäßig getrennten, als Ruhekontakt wirkenden mechanischen Kontrollkontakt enthält. Weiter enthält die Einrichtung eine Kontrollschaltung zur Überwachung des Kontrollkontaktes mit einer auf diesen einwirkenden Generator zur Erzeugung eines Kontrollsignals und mit einem von diesem gespeisten Detektor zum Empfang des Kontrollsignals und mit einer Auswerteschaltung zur Abgabe eines Sicherheitssignals. Hierbei ist ein Umschalter in seiner Arbeitsstellung Teil eines Arbeitskreises und in seiner Ruhestellung Teil eines vom Arbeitskreis potentialmäßig getrennten Kontrollkreises. In der Arbeitsstellung des Umschalters ist im Arbeitskreis ein Arbeitsstrom auf zugehörige Betriebsmittel geschaltet. In der Ruhestellung des Umschalters ist im Kontrollkreis ein als HF-Signal ausgebildetes Kontrollsignal von einer HF-Generator über der Potentialtrennung dienende Koppeltransformatoren und Koppelkapazitäten und einen HF-Detektor mit Verstärker/Logarithmierer und A/D-Wandler auf einen, die Amplituden des empfangenen HF-Signals den entsprechenden Kontaktstellungen und des Umschalters zuordnenden, ein anlagesteuernd wirksames Sicherheitssignal erzeugenden Mikro-Prozessor geschaltet.
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Hierbei ergibt sich nachteilig, dass ein als Ruhekontakt wirkender mechanischer Kontrollkontakt für eine Ausführung der in der Druckschrift offenbarten Lehre eine zwingende Voraussetzung ist. Dies erfordert jedoch eine aufwendige Modifikation eines existierenden Leistungsschalters und verursacht somit zusätzliche Kosten.
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Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schaltzustandes mindestens eines ersten Leistungsschalters zu schaffen, welche eine einfache und kostengünstig zu realisierende Überwachung des Schaltzustandes ermöglichen und gleichzeitig eine robuste und zuverlässige Detektion eines fehlerhaften Schaltzustandes mit einer hohen Messempfindlichkeit und Messsicherheit ermöglichen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus den Gegenständen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schaltzustandes mindestens eines ersten Leistungsschalters. Insbesondere ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung detektierbar, ob ein unerwünschter Schaltzustand des mindestens ersten Leistungsschalters vorliegt.
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Der erste Leistungsschalter ist in einem ersten Leistungsstromkreis angeordnet. Der erste Leistungsstromkreis dient z. B. zur elektrischen Verbindung eines Energiespeichers und Leistungsverbrauchern. Hierbei kann durch den ersten Leistungsstromkreis ein Leistungsstrom fließen, der die Leistungsverbraucher mit elektrischer Energie versorgt. Insbesondere kann der erste Leistungsschalter ein Schütz sein, der in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug eine Hochvoltbatterie oder Traktionsbatterie mit einem Hochvoltnetz und den darin angeordneten Hochvoltkomponenten verbindet oder die Hochvoltbatterie von dem Hochvoltnetz trennt. In dem Hochvoltnetz kann insbesondere ein Zwischen kreiskondensator und ein Stromrichter angeordnet sein, wobei mittels des Stromrichters in einem motorischen Betrieb elektrische Energie aus der Hochvoltbatterie wechselgerichtet wird und zur Versorgung einer Elektromaschine dient, die aus der elektrischen Energie mechanische Antriebsenergie erzeugt. In einem generatorischen Betriebsmodus wird eine von der Elektromaschine erzeugte Wechselspannung mittels des Stromrichters gleichgerichtet und kann in die Hochvoltbatterie eingespeist werden. Vorzugsweise existieren in dem Leistungsstromkreis, der die Hochvoltbatterie und das Hochvoltnetz verbindet, mindestens zwei Leistungsschalter oder Schütze, die die Hochvoltbatterie allpolig von dem Hochvoltnetz trennen können. Zusätzlich kann noch ein so genanntes Vorladeschütz elektrisch parallel zu einem Hauptschütz in dem Leistungsstromkreis angeordnet sein, wobei ein Vorladeschütz geschlossen wird (während ein Hauptschütz geöffnet bleibt), um den vorhergehend erwähnten Zwischenkreiskondensator zu laden. Hat der Zwischenkreiskondensator eine vorbestimmte Ladespannung erreicht, so kann das Hauptschütz geschlossen werden.
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Im motorischen und generatorischen Betrieb des Modus fließt ein Leistungsstrom in dem Leistungsstromkreis, falls der erste und gegebenenfalls weitere Leistungsschalter des Leistungsstromkreises geschlossen sind.
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Der erste Leistungsschalter hat zwei Zustände, einen Zustand ”offen” und einen Zustand ”geschlossen”. Im Zustand ”offen” ist der erste Leistungsstromkreis an zumindest einer Stelle unterbrochen, es kann kein Leistungsstrom durch den ersten Leistungsschalter fließen. Im Zustand ”geschlossen” ist der erste Leistungsstromkreis geschlossen und es kann ein Leistungsstrom durch den ersten Leistungsschalter fließen.
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Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Signalgenerator, mindestens eine erste Detektionseinrichtung und mindestens eine Auswerteeinrichtung.
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Mittels des Signalgenerators ist ein erstes Überwachungssignal erzeugbar. Das erste Überwachungssignal ist vorzugsweise ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal). Insbesondere kann mittels des Signalgenerators eine Amplitude und/oder eine Frequenz des ersten Überwachungssignals eingestellt werden. Auch kann der Signalgenerator eine Folge von mehreren Pulsen eines ersten, vorzugsweise hochfrequenten, Überwachungssignals erzeugen, wobei eine Pulslänge und/oder ein Pulsabstand mittels des Signalgenerators einstellbar ist.
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Mittels der ersten Detektionseinrichtung ist ein erstes Messsignal erzeugbar.
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Mittels der Auswerteeinrichtung ist das erste Messsignal auswertbar. Hierzu ist die Auswerteeinrichtung signal- und/oder datentechnisch mit der ersten Detektionseinrichtung verbindbar.
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Ein erster Überwachungsstromkreis verbindet zumindest den Signalgenerator, die Detektionseinrichtung und den ersten Leistungsschalter elektrisch.
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Erfindungsgemäß ist der erste Überwachungsstromkreis ein geschlossener Stromkreis, falls der erste Leistungsschalter geschlossen ist, also den Zustand ”geschlossen” einnimmt.
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Somit ist der Überwachungsstromkreis genau dann geschlossen, wenn auch der erste Leistungsstromkreis geschlossen ist. Konsequenterweise ist der Überwachungsstromkreis genau dann geöffnet, wenn auch der erste Leistungsstromkreis geöffnet, ist.
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Die Auswerteeinrichtung kann hierbei z. B. als Mikrocontroller ausgebildet sein. Auch kann die Auswerteeinrichtung als Steuerstufe dienen, die den Signalgenerator, z. B. über eine Treiberstufe, ansteuert.
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Wie nachfolgend näher erläutert, kann der Signalgenerator das erste Überwachungssignal in Abhängigkeit einer Eigenfrequenz des ersten Überwachungsstromkreises erzeugen, wobei neben den im Überwachungsstromkreis angeordneten Elementen gegebenenfalls auch weitere Elemente des Leistungsstromkreises berücksichtigt werden können.
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Der Signalgenerator, die Detektionseinrichtung und der erste Leistungsschalter sind erfindungsgemäß in dem ersten Überwachungsstromkreis angeordnet. Die Detektionseinrichtung kann beispielsweise ein Messwiderstand sein. Auch kann die Detektionseinrichtung einen Messwiderstand und eine mit dem Messwiderstand elektrisch verbundene Auswerteschaltung umfassen.
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Mittels des Signalgenerators ist das erste Überwachungssignal in den ersten Überwachungsstromkreis einkoppelbar.
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Somit ist in vorteilhafter Weise ein elektrisches Signal mit einer beliebigen Signalform aktiv in den ersten Überwachungsstromkreis einkoppelbar. Gleichzeitig kann ein erstes Messsignal ebenfalls im ersten Überwachungsstromkreis abgegriffen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und der darin vorgeschlagene Überwachungsstromkreis ermöglichen somit eine Auswertung des ersten Überwachungssignals und des ersten Messsignals, insbesondere ein Maß einer Ähnlichkeit des Überwachungssignals und des ersten Messsignals. Bei geschlossenem ersten Leistungsschalter (Zustand ”geschlossen”) ergibt sich eine hohe Ähnlichkeit zwischen dem ersten Überwachungssignal und dem ersten Messsignal. Bei geöffnetem ersten Leistungsschalter wird ein Maß der Ähnlichkeit geringer ausfallen. Ein Maß der Ähnlichkeit kann, wie nachfolgend näher beschrieben, in Abhängigkeit der vorhergehend genannten Eigenschaften des ersten Überwachungssignals (Signalform, Amplitude, Frequenz) und/oder einem Phasenunterschied zwischen erstem Überwachungssignal und erstem Messsignal und/oder einem Vergleich von. Eigenschaften einer Pulsfolge (Pulslänge, Pulsabstand) bestimmt werden.
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Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise, eine Überwachung eines Schaltzustandes ohne einen herkömmlichen Leistungsschalter mit zusätzlichen Elementen, beispielsweise einem zusätzlichen Ruhekontakt, auszubilden. Auch ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Überwachung des Schaltzustandes unabhängig von eventuell im Hochvoltnetz vorhandenen Restladespannungen, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens eine Multiplexeinrichtung. Zusätzlich kann die Vorrichtung mindestens eine Demultiplexeinrichtung umfassen. Mittels der Multiplexeinrichtung ist das mittels des Signalgenerators erzeugte erste Überwachungssignal in den ersten Überwachungsstromkreis einkoppelbar. Alternativ ist ein mittels des Signalgenerators erzeugtes weiteres Überwachungssignal in mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis einkoppelbar. In dem mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis ist mindestens eine weitere Detektionseinrichtung, beispielsweise ein weiterer Messwiderstand, angeordnet.
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Mittels der Demultiplexeinrichtung ist das erste Messsignal aus dem ersten Überwachungsstromkreis auskoppelbar. Alternativ ist mittels der Demultiplexeinrichtung ein weiteres Messsignal aus dem mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis auskoppelbar. Mittels der Auswerteeinrichtung ist das erste Messsignal oder das mindestens eine weitere Messsignal auswertbar.
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Hierdurch können in vorteilhafter Weise mittels ausschließlich eines Signalgenerators und ausschließlich einer Auswerteeinrichtung eine Mehrzahl von Leistungsschaltern überwacht werden. Das erste Überwachungssignal kann hierbei gleich oder verschieden von dem mindestens einen weiteren Überwachungssignal sein. Vorzugsweise ist das erste Überwachungssignal auf eine Eigenfrequenz des ersten Überwachungsstromkreises und das weitere Überwachungssignal auf eine Eigenfrequenz des weiteren Überwachungsstromkreises angepasst.
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Die Multiplexeinrichung kann hierbei z. B. als integrierter Schaltkreis ausgeführt sein. Diese kann beispielsweise elektrisch direkt und unmittelbar mit dem Signalgenerator verbunden sein.
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In einem solchen Fall kann es erforderlich sein, für jeden zu überwachenden Leistungsschalter eine Verstärkereinrichtung vorzusehen, die das von dem Signalgenerator erzeugte Überwachungssignal und von der Multiplexeinrichtung in den jeweiligen Überwachungsstromkreis eingekoppelte Überwachungssignal verstärken.
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Alternativ kann der Signalgenerator schaltungstechnisch direkt und unmittelbar mit einer Verstärkereinrichtung verbunden sein, der das erzeugte Überwachungssignal verstärkt. Das verstärkte Überwachungssignal kann dann mittels der Multiplexeinrichtung in die jeweiligen Überwachungsstromkreise eingekoppelt werden. In einer solchen Ausführungsform kann die Multiplexeinrichtung beispielsweise mit Kleinleistungsrelais oder MOSFETs realisiert werden.
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Für eine Verstärkereinrichtung können beispielsweise Leistungsoperationsverstärker oder Transistorstufen verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist in dem ersten und/oder dem mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis mindestens ein Element zur galvanischen Trennung angeordnet. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das Überwachungssignal und das Messsignal galvanisch getrennt von dem jeweils zu überwachenden Leistungsschalter erzeugt und gemessen werden. Hierbei kann eine galvanische Trennung kapazitiv und/oder induktiv erfolgen.
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Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf einer so genannten Niedervoltseite ein Überwachungssignal mittels des Signalgenerators zu erzeugen und über das Element zur galvanischen Trennung auf eine Hochvoltseite, auf der auch der zu überwachende Leistungsschalter angeordnet ist, zu übertragen. Ebenfalls ist es möglich, über ein weiteres Element zur galvanischen Trennung das Signal von der Hochvoltseite zurück auf die Niedervoltseite zu übertragen und mittels der Detektionseinrichtung zu erfassen.
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Als Elemente zur galvanischen Trennung dienen z. B. Koppelkondensatoren und/oder Koppeltransformatoren.
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Selbstverständlich kann jedoch das erste Überwachungssignal auch auf der Hochvoltseite erzeugt und in den ersten Überwachungsstromkreis eingekoppelt werden. Hierfür kann ein so genannter Hochvolt-A/D-Wandler vorgesehen sein, der ein digitales Steuersignal in das hochvoltseitige analoge Überwachungssignal umwandelt. Weiter kann in einem solchen Fall ein Element zur galvanischen Trennung des Hochvolt-A/D-Wandlers von einer Steuerstufe benötigt werden, wobei die Steuerstufe z. B. auf einer Niedervoltseite angeordnet sein kann.
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Alternativ oder kumulativ kann auch das Messsignal auf der Hochvoltseite erzeugt werden. Hierfür ist die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung derart auszulegen, dass diese das derart erzeugte Hochvolt-Messsignal auswerten kann.
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Durch die vorhergehend beschriebene galvanische Trennung ergibt sich jedoch in vorteilhafter Weise eine einfache und kostengünstige Erzeugung des Überwachungssignals, da insbesondere kein teurer Hochvolt-A/D-Wandler benötigt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erste und/oder die mindestens eine weitere Detektionseinrichtung als Messwiderstand oder so genannter Messshunt ausgebildet. An diesem Messwiderstand fällt in Abhängigkeit eines zeitlichen Verlaufs eines Stromes und einer Stromstärke eine Messspannung ab. Die Messspannung kann hierbei als Messsignal von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Insbesondere können Eigenschaften der Messspannung, z. B. Frequenz, Amplitude der Messspannung im Vergleich zu einer Frequenz und einer Amplitude des von dem Signalgenerator erzeugten Überwachungssignals ausgewertet werden. Das Überwachungssignal kann hierbei z. B. ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein. Auch kann ein Phasenunterschied zwischen der Messspannung und dem Überwachungssignal bestimmt werden. Auch können Pulslängen und Pulsabstände von Pulsen von Messspannungen mit Pulslängen und Pulsabständen von Pulsen des Überwachungssignals verglichen werden.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Ausbildung der ersten Detektionseinrichtung und eine einfache Erzeugung des Messsignals.
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Auch kann die erste und/oder die mindestens eine weitere Detektionseinrichtung eine Gleichrichterschaltung umfassen, die eine von einem Messwiderstand erzeugte Messspannung gleichrichtet. Hierdurch kann vorteilhaft in einfacher Art und Weise eine Amplitude der Messspannung ausgewertet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind in dem ersten und/oder dem mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis zusätzliche Elemente mit einer vorbestimmten Induktivität angeordnet. Insbesondere können die zusätzlichen Elemente eine Induktivität aufweisen, die höher als eine (geschätzte) Leitungsinduktivität des Überwachungsstromkreises ist. Insbesondere kann die vorbestimmte Induktivität ca. 100 mal größer als die geschätzte Leitungsinduktivität des Überwachungsstromkreises sein. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise eine Eigenfrequenz des Überwachungsstromkreises durch Wahl der Induktivität der zusätzlichen Elemente beeinflusst werden. Oftmals sind Leitungsinduktivitäten von elektrischen Leitungen des Überwachungsstromkreises unbekannt. Somit ist auch eine Eigenfrequenz des Überwachungsstromkreises unbekannt. Durch Hinzufügung von Elementen mit einer vorbestimmten Induktivität, die größer, insbesondere 100 mal größer, als eine angenommene Leitungsinduktvität ist, können diese unbekannten Leitungsinduktivitäten dann bei einer rechnerischen Bestimmung der Eigenfrequenz vernachlässigt werden. Maßgeblich bei der rechnerischen Bestimmung ist aufgrund des Größenunterschieds zwischen den zusätzlichen Elementen und der Leitungsinduktivität in diesem Fall allein die Induktivität der zusätzlichen Elemente.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Überwachung eines Schaltzustandes mindestens eines ersten Leistungsschalters, Insbesondere ein Verfahren zur Detektion eines unerwünschten Schaltzustandes. Hierbei ist der erste Leistungsschalter in einem ersten Leistungsstromkreis angeordnet. Eine Vorrichtung zur Überwachung des mindestens ersten Leistungsschalters umfasst mindestens einen Signalgenerator, mindestens eine erste Detektionseinrichtung und mindestens eine Auswerteeinrichtung. Mittels des Signalgenerators wird ein erstes Überwachungssignal erzeugt. Mittels der ersten Detektionseinrichtung wird ein erstes Messsignal erzeugt. Mittels der Auswerteeinrichtung wird ein Maß einer Ähnlichkeit des ersten Überwachungssignals und des ersten Messsignals bestimmt, wobei ein erster Überwachungsstromkreis zumindest den Signalgenerator, die erste Messeinrichtung und den ersten Leistungsschalter elektrisch verbindet.
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Erfindungsgemäß ist der erste Überwachungsstromkreis ein geschlossener Stromkreis, falls der erste Leistungsschalter geschlossen ist. Ein fehlerhafter Zustand des ersten Leistungsschalters wird detektiert, falls ein Soll-Zustand des ersten Leistungsschalters ”offen” ist und das Maß der Ähnlichkeit größer als ein erstes vorbestimmtes Maß oder gleich dem ersten vorbestimmten Maß ist.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein aktives Verfahren zur Überwachung eines Schaltzustandes, bei dem aktiv ein erstes Überwachungssignal in den ersten Überwachungsstromkreis eingekoppelt wird und ein erstes Messsignal aus dem ersten Überwachungsstromkreis ausgekoppelt wird. Im Falle eines geschlossenen Leistungsschalters ist das erste Überwachungssignal ähnlich dem ersten Messsignal. Insbesondere ist ein Maß der Ähnlichkeit größer als ein vorbestimmtes Maß oder gleich dem ersten vorbestimmten Maß.
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Ein Maß der Ähnlichkeit kann beispielsweise ein Korrelationskoeffizient sein, der aus einer Korrelation zwischen zeitlichen Verläufen des ersten Überwachungssignals und des ersten Messsignals bestimmt wird. In diesem Fall kann ein vorbestimmtes Maß ein vorbestimmter Korrelationskoeffizient sein, der beispielsweise 0,5 ist oder im Bereich zwischen 0,4 und 1 liegt.
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Auch kann ein Maß der Ähnlichkeit in Abhängigkeit von Eigenschaften des ersten Überwachungssignals und des ersten Messsignals bestimmt werden. Eigenschaften des ersten Überwachungssignals und des ersten Messsignals können beispielsweise eine Frequenz und/oder eine Amplitude sein. Auch kann eine Eigenschaft ein Spektralanteil einer bestimmten Frequenz am Spektrum des gesamten Überwachungs- oder Messsignals sein. Wie vorhergehend beschrieben, kann auch ein Phasenversatz zwischen dem ersten Überwachungssignal und dem ersten Messsignal bestimmt werden, um ein Maß der Ähnlichkeit in Abhängigkeit dieses Phasenversatzes zu bestimmen. Auch kann eine Pulslänge oder ein Pulsabstand von Pulsen des Überwachungssignals und Pulsen des Messsignals genutzt werden, um ein Maß der Ähnlichkeit zu bestimmen.
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Wird ein Maß der Ähnlichkeit bestimmt, welches größer/gleich dem vorbestimmten Maß ist, so kann davon ausgegangen werden, dass der erste Leistungsschalter geschlossen ist, da in diesem Fall auch der Überwachungsstromkreis geschlossen ist. Ist in diesem Szenario aber ein Soll-Zustand des ersten Leistungsschalters ”offen”, so kann ein fehlerhafter Schaltzustand, insbesondere eine Verschweißung oder eine Verklebung des ersten Leistungsschalters detektiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein fehlerhafter Zustand eines weiteren Leistungsschalters detektiert, der zusätzlich zu dem ersten Leistungsschalter ebenfalls im ersten Leistungsstromkreis angeordnet ist. Ein fehlerhafter Zustand wird insbesondere dann detektiert, falls ein Soll-Zustand aller Leistungsschalter im ersten Leistungsstromkreis ”offen” ist und das Maß der Ähnlichkeit kleiner als das erste vorbestimmte Maß, jedoch größer als ein zweites vorbestimmtes Maß ist.
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In einem derartigen Szenario wird das erste Überwachungssignal, insbesondere ein erster Überwachungsstrom, nicht über oder durch den ersten Überwachungsstromkreis, sondern über zumindest einen Teil des ersten Leistungsstromkreises und den mindestens einen weiteren Leistungsschalter, der beispielsweise verschweißt oder verklebt sein kann. In diesem Fall wird also ein Teil des ersten Überwachungsstromkreises durch einen Teil des ersten Leistungsstromkreises ausgebildet, der den mindestens einen weiteren Leistungsschalter umfasst. Hierbei wird ein Maß der Ähnlichkeit des ersten Überwachungssignals und des ersten Messsignals höher sein als im Zustand, in dem alle Leistungsschalter geöffnet sind. Allerdings wird das Maß der Ähnlichkeit geringer sein, als wenn der eigentlich zu überwachende erste Leistungsschalter geschlossen ist.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren zur Überwachung mehrerer im ersten Leistungsstromkreis angeordneter Leistungsschalter, wobei jedoch nur eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Leistungsschalters des ersten Leistungsstromkreises benötigt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird mittels einer Multiplexeinrichtung das erste Überwachungssignal in den ersten Überwachungsstromkreis eingekoppelt. Alternativ wird mindestens ein weiteres Überwachungssignal in mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis eingekoppelt. In dem mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis ist mindestens eine weitere Detektionseinrichtung angeordnet, wobei, z. B. mittels einer Demultiplexeinrichtung, das erste Messsignal aus dem ersten Überwachungsstromkreis oder mindestens ein weiteres Messsignal aus dem mindestens einen weiteren Überwachungsstromkreis ausgekoppelt wird. Die weitere Detektionseinrichtung kann hierbei die erste Detektionseinrichtung oder von dieser verschieden sein. Mittels der Auswerteeinrichtung wird dann das erste Messsignal oder das mindestens eine weitere Messsignal ausgewertet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren zur Überwachung eines Schaltzustands mehrerer in separaten Leistungsstromkreisen angeordneten Leistungsschaltern, wobei das vorgeschlagene Verfahren ausschließlich einen Signalgenerator und ausschließlich eine Auswerteeinrichtung benötigt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Maß der Ähnlichkeit in Abhängigkeit von vorbekannten elektrischen Eigenschaften der im Überwachungsstromkreis angeordneten elektrischen Elemente bestimmt. Weiter wird das Maß der Ähnlichkeit in Abhängigkeit einer Signalform und/oder einer Amplitude und/oder mindestens einer Frequenz und/oder einer Phase und/oder Eigenschaften einer Abfolge mehrerer Signalpulse des Überwachungssignals und des korrespondierenden Messsignals bestimmt.
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Insbesondere kann das Überwachungssignal ein HF-Signal sein, dessen (Haupt-)Frequenz auf eine Eigenfrequenz des Überwachungsstromkreises abgestimmt ist. Hierbei können die Eigenschaften von resistiven, kapazitiven und induktiven Elementen, die im Überwachungsstromkreis angeordnet sind, vorbekannt sein. Eine Eigenfrequenz des Überwachungsstromkreises berechnet sich hierbei als Eigenfrequenz des aus diesen Elementen bestehenden Serienschwingkreises. Eine Anregung oder Einkopplung des ersten Überwachungssignals mit einer Eigenfrequenz des in diesem Fall ersten Überwachungsstromkreises führt in vorteilhafter Weise zu einer Resonanz im ersten Überwachungsstromkreis, falls der erste Leistungsschalter geschlossen ist. In diesem Fall weist das erste Messsignal in vorteilhafter Weise eine große Amplitude auf und kann somit in einfacher Weise, beispielsweise mittels geeigneter Komparatoren, zur Erzeugung eines Maßes der Ähnlichkeit genutzt werden.
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Gegebenenfalls können auch Eigenschaften weiterer elektrischer Elemente, die beispielsweise im ersten Leistungsstromkreis angeordnet sind, bei der Erzeugung des Überwachungssignals berücksichtigt werden. Verbindet der erste Leistungsschalter beispielsweise ein Hochvoltbatterie und ein Hochvoltnetz, so können resistive, kapazitive und induktive Eigenschaften von Hochvoltkomponenten, die im Hochvoltnetz angeordnet sind, bei der Erzeugung des ersten Überwachungssignals berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Kapazität eines Zwischenkreiskondensators und Kapazitäten so genannter X- und Y-Kondensatoren des Stromrichters berücksichtigt werden. Hierbei kann davon ausgegangen werden, dass sowohl der erste Überwachungsstromkreis als auch das Hochvoltnetz und somit die darin angeordneten Hochvoltkomponenten eine Verbindung zu einer gemeinsamen Masse, beispielsweise einer Fahrzeugmasse, aufweisen. Somit sind elektrische Elemente des ersten Leistungsstromkreises bei geschlossenem ersten Leistungsschalter einem Teil der elektrischen Elemente im ersten Überwachungsstromkreis hin zur gemeinsamen Masse elektrisch parallel geschaltet und beeinflussen somit auch eine Eigenfrequenz des Überwachungsstromkreises.
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Ist die erste Detektionseinrichtung ein Messwiderstand, so kann ein Maß der Ähnlichkeit in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften eines an dem Messwiderstand abfallenden Messspannung und in Abhängigkeit von elektrischen Eigenschaften des ersten Überwachungssignals, welches beispielsweise ein Strom- oder ein Spannungssignal ist, bestimmt werden. Hierbei kann beispielsweise eine Amplitude und/oder eine (Haupt-)Frequenz oder eine Phasendifferenz des ersten Überwachungssignals und der Messspannung bestimmt werden. Auch kann ein Pulsabstand und eine Pulslänge von Pulsen des ersten Überwachungssignals und der Messspannung bestimmt und verglichen werden.
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Vorzugsweise wird jedoch die Messspannung mittels einer Gleichrichterschaltung gleichgeschaltet und eine Amplitude des gleichgerichteten Spannungssignals analysiert. Ist der erste Leistungsschalter fehlerhafter Weise geschlossen, beispielsweise verklebt oder verschweißt, und ein Soll-Zustand ”offen”, so wird die Messspannung an dem Messwiderstand bei eingekoppeltem ersten Überwachungssignal eine hohe Amplitude aufweisen. In diesem Fall bezeichnet eine hohe Amplitude ein hohes Maß einer Ähnlichkeit zwischen dem ersten Überwachungssignal und der Messspannung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein möglichst einfaches Verfahren zur Bestimmung eines Maßes der Ähnlichkeit. Wäre in diesem Fall der erste Leistungsschalter geöffnet, so wie es dessen Soll-Zustand vorgibt, so wäre die Amplitude der gleichgerichteten Spannung Null oder nahe Null.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Frequenz des Überwachungssignals eine Resonanzfrequenz des korrespondierenden Überwachungsstromkreises. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine hohe Messempfindlichkeit und somit eine hohe Messsicherheit bei dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Hochvoltsystems in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug (Stand der Technik),
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2 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 eine exemplarische Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 ein schematischer zeitlicher Verlauf eines Überwachungssignals und eines Messsignals,
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5 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung eines Schaltzustandes,
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6 ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Multiplexeinrichtung,
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7 ein schematisches Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Multiplexeinrichtung und
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8 eine schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Messung auf der Hochvoltseite.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Hochvoltsystems 1 eines nicht dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Hochvoltsystem 1 weist ein Hochvoltbatteriesystem 2 auf, welches eine Serienschaltung mehrerer Hochvolt- oder Traktionsbatterien 3 umfasst. Weiter umfasst das Hochvoltsystem 1 ein Hochvoltnetz 4, wobei das Hochvoltnetz 4 einen Zwischenkreiskondensator 5 und Hochvoltkomponenten 6 umfasst, beispielsweise einen nicht dargestellten Stromrichter und eine ebenfalls nicht dargestellte Elektromaschine. Das Hochvoltbatteriesystem 2 und das Hochvoltnetz 4 sind über mehrere Leistungsschalter elektrisch verbunden. Dargestellt ist ein erster pluspolseitiger Leistungsschalter 7 (Hauptschütz), ein dem ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7 elektrisch parallel geschalteter weiterer pluspolseitiger Leistungsschalter 8 (Vorladeschütz) und ein minuspolseitiger Leistungsschalter 9. Mittels der Leistungsschalter 7, 8, 9 ist das Hochvoltbatteriesystem 2 allpolig vom Hochvoltnetz 4 trennbar oder allpolig mit diesem verbindbar. Ein erster Leistungsstromkreis umfasst beispielsweise den ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7, die Parallelschaltung aus Zwischenkreiskondensator 5 und schematisch dargestellten Hochvoltkomponenten 6, den minuspolseitigen Leistungsschalter 9 und das Hochvoltbatteriesystem 2. Auch kann der erste Leistungsstromkreis den weiteren pluspolseitigen Leistungsschalter 8 umfassen.
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In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Schaltzustandes des in 1 dargestellten ersten pluspolseitigen Leitungsschalters 7 dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Signalgenerator 10, der ein Überwachungssignal erzeugen kann. Weiter umfasst die Vorrichtung eine als Messwiderstand ausgebildete erste Detektionseinrichtung 11 und eine Auswerteeinrichtung 12, die als Mikrocontroller ausgebildet ist. Weiter dargestellt ist ein Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 13, mittels dessen eine über der Detektionseinrichtung 11 abfallende Messspannung Um digitalisierbar ist. Der Mikrocontroller 12 ist hierbei datentechnisch mit dem A/D-Wandler 13 und mit dem Signalgenerator 10 verbunden. Der Mikrocontroller 12 dient hierbei auch als Steuerstufe für den Signalgenerator 10. Der Signalgenerator 16 erzeugt als Überwachungssignal einen Überwachungsstrom Im und koppelt diesen in einen ersten Überwachungsstromkreis ein. In dem ersten Überwachungsstromkreis ist der Signalgenerator 10, die Detektionseinrichtung 11 und der erste pluspolseitige Leistungsschalter 7 angeordnet. Hierbei ist der erste Überwachungsstromkreis ein geschlossener Stromkreis, falls der erste Leistungsschalter 7 geschlossen ist. In 2 ist der erste Leistungsschalter 7 in einem Zustand ”offen” dargestellt. Weiter dargestellt ist ein Batteriestrom Ib, der von einem z. B. in 1 dargestellten Hochvoltbatteriesystem 2 an ein ebenfalls in 1 dargestelltes Hochvoltnetz 4 übertragen werden soll. Der von dem Signalgenerator 10 erzeugte Überwachungsstrom Im wird diesem Batteriestrom Ib überlagert und es entsteht ein resultierender Schalterstrom Is. Schaltungstechnisch hinter dem ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7 kann der Überwachungsstrom Im wieder aus dem ersten Leistungsstromkreis ausgekoppelt werden. Dies erfolgt, wie z. B. in 3 dargestellt, mittels einer kapazitiven Kopplung, insbesondere mittels Koppelkondensatoren C1, C2. Der resultierende zum Hochvoltnetz 4 übertragene Strom ist dann als Netzstrom It dargestellt. Die Auswerteeinrichtung 12 kann ein Maß einer Ähnlichkeit des Überwachungsstromes Im und der Messspannung Um bestimmen. Ist der erste pluspolseitige Leistungsschalter 7 geschlossen, so wird ein fehlerhafter Zustand des ersten Leistungsschalters 7 detektiert, falls ein Soll-Zustand des ersten pluspolseitigen Leistungsschalters 7 ”offen” ist und das Maß der Ähnlichkeit größer als ein erstes vorbestimmtes Maß oder gleich dem ersten vorbestimmten Maß ist.
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Der Signalgenerator 10 wird vorzugsweise von einem Ausgang der als Mikrocontroller ausgebildeten Auswerteeinrichtung 12 gesteuert, um auf einfache Art und Weise variable Frequenzen und Modulationsarten des als Überwachungsstrom Im ausgebildeten Überwachungssignals einstellen zu können. Weitere Ausführungsformen für den Signalgenerator 10 sind z. B. Ausführungsformen als Timer-Baustein, RC-Oszillator und weitere Ausführungsformen von Oszillatoren.
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Nicht dargestellt ist eine Verstärkereinrichtung, die, je nach gewünschter Stromstärke des Überwachungsstromes Im, erforderlich ist. Als Verstärkereinrichtung kommen beispielsweise Leistungs-Operationsverstärker oder Transistorstufen (Pull- oder Push-Pull-Transistorstufen) infrage.
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Die als Messwiderstand ausgebildete Detektionseinrichtung kann als so genannter Shunt ausgebildet sein.
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Der Überwachungsstrom Im ist vorzugsweise ein hochfrequenter Überwachungsstrom, dessen Amplitude und Frequenz oder Frequenzen mittels des Signalgenerators 10 einstellbar ist. Auch kann der Signalgenerator 10 eine Pulsfolge von mehreren Pulsen des Überwachungsstromes Im erzeugen, wobei eine Pulslänge und ein Pulsabstand einstellbar ist.
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In 3 ist eine schematische Schaltungsanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hierbei ist ein Signalgenerator 10 als Spannungsquelle dargestellt, mittels derer ein hochfrequentes Spannungssignal, also eine Überwachungsspannung, erzeugbar ist. Weiter dargestellt ist eine als Messwiderstand ausgebildete Detektionseinrichtung 11, eine erste Koppelkapazität C1, eine erste Leitungsinduktivität L1, ein erster pluspolseitiger Leistungsschalter 7, eine zweite Leitungsinduktivität L2 und ein zweiter Koppelkondensator C2. Ein Überwachungsstromkreis umfasst hierbei den Signalgenerator 10, die Detektionseinrichtung 11, den ersten Koppelkondensator C1, die erste Leitungsinduktivität L1, den ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7, die zweite Leitungsinduktivität L2 und die zweite Koppelkapazität C2. Weiter dargestellt ist, dass der erste pluspolseitige Leistungsschalter 7 ausgangsseitig mit einem Hochvoltnetz 4 (siehe 1) verbunden ist, wobei das Hochvoltnetz 4 einen Zwischenkreiskondensator 5 (der auch als X-Kondensator bezeichnet werden kann) und so genannte Y-Kapazitäten, die als Kondensatoren C5, C6 dargestellt sind, umfasst. Weiter dargestellt ist eine gemeinsame Masse 14, die beispielsweise eine Fahrzeugmasse sein kann.
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Weiter dargestellt ist eine Gleichrichterschaltung, die eine an der Detektionseinrichtung 11 abfallende Messspannung Um gleichrichtet. Die Gleichrichterschaltung umfasst eine erste Diode D1 und einen Kondensator C4, die der ersten Detektionseinrichtung 11 parallel geschaltet sind, wobei die erste Diode D1 und der Kondensator C4 in Reihe geschaltet sind. Elektrisch parallel zu dem Kondensator C4 ist ein Widerstand R2 geschaltet, an welchem eine gleichgerichtete Messspannung Umg abgegriffen werden kann.
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Die Leitungsinduktivitäten L1, L2 repräsentieren hierbei eine Leitungsinduktivität des Überwachungsstromkreises. Die Koppelkondensatoren C1, C2 sind hierbei für hohe Frequenzen niederohmig und erlauben somit einen Stromfluss durch den Überwachungsstromkreis für hochfrequente Ströme. Ist der erste pluspolseitige Leistungsschalter 7 geschlossen und erzeugt der Signalgenerator 10 eine hochfrequente Überwachungsspannung, so stellt sich ein Stromfluss eines Überwachungsstromes Im in dem Überwachungsstromkreis ein, so dass eine Messspannung Um an der Detektionseinrichtung 11 abfällt und ebenfalls eine gleichgerichtete Messspannung Umg an dem Widerstand R2 eine große Amplitude aufweist.
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In 4 ist ein schematischer zeitlicher Verlauf eines Überwachungsstromes im und ein korrespondierender zeitlicher Verlauf einer gleichgerichteten Messspannung Umg dargestellt, wobei sich der Überwachungsstrom Im und die gleichgerichtete Messspannung Umg auf die in 3 dargestellte Schaltungsanordnung beziehen. Der Signalgenerator 10 erzeugt beispielhaft eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 3 V. Hierdurch stellt sich ein Stromfluss eines Überwachungsstromes im ein, der im vorhergehend. beschriebenen Überwachungsstromkreis fließt. Mit Schließen des zu überwachenden ersten pluspolseitigen Leistungsschalters 7 wird der Überwachungsstromkreis geschlossen und es kommt zum Stromfluss durch den Überwachungsstromkreis. Anhand des Spannungsabfalls über der Detektionseinrichtung 11, die als Messwiderstand ausgebildet ist, kann dann ein Durchgangswiderstand des ersten pluspolseitigen Leistungsschalters 7 ermittelt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, den Überwachungsstromkreis in Serienresonanz zu betreiben, um eine Messempfindlichkeit deutlich zu erhöhen. Eine Resonanzfrequenz wird hauptsächlich durch den Widerstand der Detektionseinrichtung 11, die Koppelkapazitäten C1, C2 und die hierzu in Serie geschalteten Leitungsinduktivitäten L1, L2 gebildet. Durch die gemeinsame Masseverbindung zur Fahrzeugmasse 14 beeinflussen aber auch die Kapazitäten der Y-Kondensatoren C5, C6 die Resonanzfrequenz des Überwachungsstromkreises.
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In 4 ist dargestellt, dass zu einem ersten Zeitpunkt T1 ein bis zu einem zweiten Zeitpunkt T2 andauernder Puls einer hochfrequenten Überwachungsspannung erzeugt wird, die den in 4 dargestellten Überwachungsstrom Im erzeugt. Ein Puls besteht hierbei aus mehreren Perioden einer sinusförmigen Schwingung. Hierbei ist eine Frequenz der sinusförmigen Schwingung im ersten Puls, der zwischen dem ersten Zeitpunkt T1 und dem zweiten Zeitpunkt T2 erzeugt wird, und einem zweiten Puls, der zwischen einem dritten Zeitpunkt T3 und einem vierten Zeitpunkt T4 erzeugt wird, auf eine Resonanzfrequenz des in 3 dargestellten Überwachungsstromkreises abgestimmt. Im Serienresonanzfall sind im Überwachungsstromkreis nur die Wirkwiderstände des als Messwiderstand ausgebildeten Detektionseinrichtung 11, der Koppelkondensatoren C1, C2, der Leitungsinduktivitäten L1, L2 und, des ersten pluspolseitigen Leistungsschalters 7 wirksam. Zum ersten Zeitpunkt T1, also wenn die Überwachungsspannung erzeugt wird, wird auch die gleichgerichtete Spannung Umg maximal. Bei einem geöffneten ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7 würde der Überwachungsstrom Im sowie die gleichgerichtete Messspannung Umg minimal sein bzw. gegen Null gehen.
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Auch im Fehlerfall eines weiteren in 1 dargestellten Leistungsschalters, beispielsweise des ersten minuspolseitigen Leistungsschalters 9 oder des zweiten pluspolseitigen Leistungsschalters 8, kann in Abhängigkeit der gleichgerichteten Messspannung Umg ein fehlerhafter Zustand des weiteren Leistungsschalters 8, 9 detektiert werden. Ist z. B. der minuspolseitige Leistungsschalter 9 ungewünschter Weise verschweißt oder verklebt, so wird der Überwachungsstrom Im nicht über den in 3 dargestellten ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7, sondern über das Hochvoltbatteriesystem 2 (siehe 1) den minuspolseitigen Leistungsschalter 9 und durch das Hochvoltnetz 4 fließen. Neben den resistiven, kapazitiven und induktiven Eigenschaften der im Überwachungsstromkreis angeordneten Elemente wird der Überwachungsstrom Im auch durch eine Serienimpedanz beeinflusst, die aus einer Reihenschaltung einer Impedanz des Hochvoltbatteriesystems 2 und einer Parallelschaltung der Impedanzen des Zwischenkreiskondensators 5 und der schematisch dargestellten Verbraucher 6 besteht. Hierbei ist ein Realteil der Impedanz des Hochvoltbatteriesystems 2 deutlich größer als ein Durchgangswiderstand eines unfreiwillig verklebten oder verschweißten Leistungsschalters, beispielsweise des minus polseitigen Leistungsschalters 9. Auch sorgen die Imaginärteile der resultierenden Impedanz für eine zusätzliche Veränderung der Resonanzeigenschaften des Stromkreises und somit zu einer Verkleinerung des Überwachungsstromes Im. Hierdurch wird die Messspannung Um (und auch die gleichgerichtete Messspannung Umg) kleiner als bei geschlossenem ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7, jedoch nicht Null. Somit kann aus einer Höhe einer Amplitude z. B. der gleichgerichteten Messspannung Umg, die kleiner als eine erste vorbestimmte Amplitude, aber größer als eine weitere vorbestimmte Amplitude ist, geschlossen werden, dass ein weiteres Schütz im Leistungsstromkreis, beispielsweise der minuspolseitige Leistungsschalter 9, aber nicht der eigentlich zu überprüfende erste pluspolseitige Leistungsschalter 7 verklebt oder verschweißt ist.
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Eine Auswerteschaltung zur Gleichrichtung besteht im einfachsten Fall aus einer elektrischen Verschaltung einer Diode, eines Kondensators und eines Widerstands, wobei der Widerstand durch einen Eingangswiderstand eines A/D-Wandlers gebildet werden kann.
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Als Koppelkondensatoren C1, C2 können Hochvoltkondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit größer als 2,7 kV gewählt werden. Eine Kapazität dieser Koppelkondensatoren C1, C2 kann hierbei zwischen 50 und 100 nF betragen.
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In 5 ist ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung eines Schaltzustands mindestens eines ersten Leistungsschalters dargestellt. Hierbei wird in einem ersten Schritt S1 bestimmt, ob ein Soll-Zustand eines Leistungsschalters, beispielsweise des in 1 dargestellten ersten pluspolseitigen Leistungsschalters 7, ”offen” ist. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Überwachungssignal, beispielsweise ein Spannungssignal mit einer vorbestimmten Frequenz, die vorzugsweise gleich einer Eigenfrequenz eines Überwachungsstromkreises ist, erzeugt und in den Überwachungsstromkreis eingekoppelt. In einem dritten Schritt S3 wird ein Messsignal erfasst und in einem vierten Schritt S4 mit dem im zweiten Schritt S2 erzeugten Überwachungssignal verglichen, wobei ein Maß der Ähnlichkeit festgestellt wird. Wird hierbei festgestellt, dass ein Maß der Ähnlichkeit ein vorbestimmtes Maß überschreitet, so kann ein Fehlersignal erzeugt werden.
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Für eine Erhöhung einer Messempfindlichkeit und einer Messsicherheit des vorgeschlagenen Verfahrens existieren mehrere Varianten. In einer ersten Variante kann ein zu überwachender Leistungsschalter geschlossen werden und mit Hilfe eines frequenzvariablen Signalgenerators 10 eine Resonanzfrequenz des Überwachungsstromkreises bestimmt werden, bei der eine Spannungsamplitude beispielsweise der in 3 dargestellten Messspannung Um oder der in 4 ebenfalls dargestellten gleichgerichteten Messspannung Umg maximal wird. Eine Frequenz, eine Amplitude und eine Adresse des jeweiligen Leistungsschalters können abgespeichert und zu späteren Vergleichen genutzt werden. Weicht z. B. bei späteren Überwachungsvorgängen eine Frequenz und/oder Amplitude der Messspannung Um oder der gleichgerichteten Messspannung Umg von der abgespeicherten Frequenz und/oder Amplitude ab, so kann ein fehlerhafter Zustand des Leistungsschalters detektiert werden.
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Alternativ kann eine Frequenz des Überwachungssignals auf eine mittlere Frequenz eingestellt werden, die z. B. in Abhängigkeit von angenommenen Mittelwerten unterschiedlicher Leitungslängen im Überwachungsstromkreis bestimmt wird. Dieses Überwachungssignal kann dann eine Amplitude der Messspannung Um oder der gleichgerichteten Messspannung Umg für den jeweiligen Leistungsschalter bestimmt und abgespeichert werden. In späteren Überwachungsvorgängen kann dann eine Differenz zwischen der abgespeicherten Amplitude und einer aktuell gemessenen Amplitude bestimmt werden, wenn ein gleiches Überwachungssignal (mit der gleichen mittleren Frequenz) erzeugt wird. Ist eine Abweichung größer als ein vorbestimmtes Maß, so kann ein fehlerhafter Leistungsschalter detektiert werden.
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Ein Einfluss variabler Leitungsinduktivitäten kann minimiert werden, indem zusätzliche Induktivitäten in den Überwachungsstromkreis eingefügt werden. Diese zusätzlichen Induktivitäten können eine z. B. hundertfach größere Induktivität aufweisen als eine geschätzte Leitungsinduktivität im Überwachungsstromkreis. Wird beispielsweise angenommen, dass eine resultierende Leitungsinduktivität des Überwachungsstromkreises ca. 0,5 bis 3 μH beträgt, so können zusätzliche Induktivitäten mit einer Induktivität von ca. 100 μH in dem Überwachungsstromkreis angeordnet werden. Hierbei sollten jedoch die zusätzlichen Induktivitäten nicht zu groß gewählt werden, um eine Schwingneigung bei Schaltvorgängen der Leistungsschalter zu vermeiden.
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Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann eine Erzeugung eines Überwachungssignals und/oder eine Erfassung eines Messsignals auch auf einer Hochvoltseite erfolgen. Eine Kommunikation zu einer Niedervoltseite kann hierbei vorzugsweise über galvanisch getrennte serielle Schnittstellen erfolgen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass geringere Anforderungen bezüglich einer Spannungsfestigkeit an Koppelkondensatoren oder Transformatoren gestellt werden.
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In 6 ist ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Multiplexeinrichtung 15 dargestellt. Hierbei ist ein Signalgenerator 10 ausgangsseitig mit einer Multiplexeinrichtung 15 verbunden. Mittels der Multiplexeinrichtung 15 ist das von dem Signalgenerator 10 erzeugte Überwachungssignal in einen ersten Überwachungsstromkreis einkoppelbar, der Koppelkondensatoren C1, C2, Leitungsinduktivitäten L1, L2 und einen ersten pluspolseitigen Leistungsschalter 7 umfasst. Hierfür kann an einen Signalausgang der Multiplexeinrichtung 15 eine erste Verstärkereinrichtung V1 angeschlossen werden, die das Überwachungssignal verstärkt und in den ersten Überwachungsstromkreis einkoppelt. Alternativ kann mittels der Multiplexeinrichtung 15 das von dem Signalgenerator 10 erzeugte Überwachungssignal in einen weiteren Überwachungsstromkreis eingekoppelt werden, der weitere Koppelkondensatoren C11, C12, weitere Leitungsinduktivitäten L11, L12 und einen weitere Leistungsschalter 17 umfasst. Hierfür kann an einen Signalausgang der Multiplexeinrichtung 15 eine weitere Verstärkereinrichtung V11 angeschlossen werden, die das Überwachungssignal verstärkt und in den weiteren Überwachungsstromkreis einkoppelt. Das Messsignal wird für beide Überwachungsstromkreis als Messspannung Um an einer als Messwiderstand ausgebildeten Detektionseinrichtung 11 abgegriffen. Hinsichtlich der weiteren Schaltungsdetails wird hierbei auf die 3 verwiesen. In dieser Schaltungsanordnung ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass der Signalgenerator 10 und die Multiplexeinrichtung 15 für geringe Leistungen ausgelegt sein können, da sie nicht das eigentliche Überwachungssignal erzeugen und leiten müssen. Die Verstärkereinrichtungen V1, V11 können beispielsweise als eine Transistor Push-Pull-Stufe ausgebildet sein.
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In 7 ist ein schematisches Schaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Multiplexeinrichtung 15 dargestellt. Die dargestellte Schaltung ist hierbei in großen Teilen gleich der in 6 dargestellten Schaltung ausgebildet. Einziger Unterschied ist, dass eine Verstärkereinrichtung V1 zwischen einen Signalgenerator 10 und eine Multiplexeinrichtung 15 geschaltet ist, sodass die Multiplexeinrichtung 15 ein bereits verstärktes Überwachungssignal in einen ersten oder einen weiteren Überwachungsstromkreis einkoppeln kann. Hierbei muss die Multiplexeinrichtung 15 für höhere Leistungen ausgelegt sein, jedoch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine erforderliche galvanische Trennung zwischen Niedervoltseite und Hochvoltseite mit relativ preiswerten Koppelkondensatoren vorgenommen werden kann. Die Niedervoltseite umfasst hierbei den Signalgenerator 10, die Verstärkereinrichtung V1 und die Multiplexeinrichtung 15 sowie die Detektionseinrichtung 11 und die der Detektionseinrichtung 11 nachgeschaltete Auswerteschaltung. Die Hochvoltseite umfasst hierbei die Leistungsschalter 7, 17 und die Leitungsinduktivitäten L1, L11, L2, L12.
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Ein Abgriff einer Messspannung Um kann auch auf Hochvoltseite erfolgen. In 8 ist ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Messung auf der Hochvoltseite dargestellt. Auf einer Niedervoltseite befindet sich hierbei nur ein Steuergerät, z. B. eine als Mikrocontroller ausgebildete Steuereinrichtung 12. Diese ist mittels eines Hochvolt-A/D-Wandlers 16 mit einer Hochvoltseite verbunden, auf der sich die weitere elektrischen Bauelemente befinden. Eine Messspannung Um wird hierbei von einem A/D-Wandler digitalisiert, der in dieser Ausführungsform ebenfalls als Hochvolt-A/D-Wandler ausgebildet ist. Hierbei ergibt sich vorteilhaft, dass die Koppelkondensatoren C1, C2, C11, C12 nicht für hohe Prüfspannungen von z. B. 2,7 kV ausgelegt werden müssen und daher kostengünstig sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvoltsystem
- 2
- Hochvoltbatteriesystem
- 3
- Hochvoltbatterie
- 4
- Hochvoltnetz
- 5
- Zwischenkreiskondensator
- 6
- Verbraucher
- 7
- erster pluspolseitiger Leistungsschalter
- 8
- weiterer pluspolseitiger Leistungsschalter
- 9
- minuspolseitiger Leistungsschalter
- 10
- Signalgenerator
- 11
- Detektionseinrichtung
- 12
- Auswerteeinrichtung
- 13
- A/D-Wandler
- 14
- Fahrzeugmasse
- 15
- Multiplexeinrichtung
- 16
- Hochvolt-A/D-Wandler
- 17
- weiterer Leistungsschalter
- Ib
- Batteriestrom
- Im
- Überwachungsstrom
- Is
- Schalterstrom
- It
- Netzstrom
- Um
- Messspannung
- Umg
- gleichgerichtete Messspannung
- D1
- Diode
- R2
- Widerstand
- C1, C2
- Koppelkondensator
- L1, L2
- Leitungsinduktivität
- C4
- Kondensator
- C5, C6
- Y-Kondensator
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
- S3
- dritter Schritt
- S4
- vierter Schritt
- V1
- Verstärkereinrichtung
- V11
- weitere Verstärkereinrichtung
- C11, C12
- weitere Koppelkondensatoren
- L11, L12
- weitere Leitungsinduktivitäten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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