DE102011122420B4 - Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System und ein elektrisches Hochvolt-System - Google Patents

Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System und ein elektrisches Hochvolt-System Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System (1) mittels mindestens zwei Steuergeräten (3–5) im Hochvolt-System (1) und mindestens einer Anzeigeeinheit (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräte (3–5) voneinander unabhängig die Spannung im Hochvolt-System (1) erfassen, wobei auf der Anzeigeeinheit (14, 16) eine Spannungsfreiheit nur angezeigt wird, wenn die beteiligten Steuergeräte (3–5) eine Spannung unterhalb eines Schwellwerts erfassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System sowie ein solches elektrisches Hochvolt-System.
  • Beispielsweise in modernen Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden Elektroantriebe eingesetzt. Der Elektroantrieb besitzt hierzu eine vom Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs galvanisch getrennte Hochspannungsstromversorgung. Diese Stromversorgung umfasst eine leistungsfähige elektrische Batterie, die eine hohe Gleichspannung erzeugt, sowie eine Leistungselektronik mit einem Umrichter des Elektroantriebs. Der Antrieb ist mit einem isolierten Netz ausgestattet, damit die Gefährdung z. B. von Servicepersonal reduziert wird. Daher sollte die Isolation durch Messung des Isolationswiderstands der Stromversorgung zur Fahrzeugmasse überwacht werden. Allerdings ist nicht nur die Überwachung der Isolation für die Sicherheit wichtig, sondern auch die zuverlässige Trennung der Batterie von der Stromversorgung im Ruhezustand, beispielsweise für Servicezwecke. Hierzu werden Schütze eingesetzt, die im Ruhezustand geöffnet sind, um die Batterie von der Stromversorgung, insbesondere vom Zwischenkreis des Umrichters, mechanisch zu trennen, so dass die Leitungen und die Leistungselektronik sowie der Elektromotor spannungsfrei sind.
  • Aus der DE 10 2006 050 529 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs bekannt, umfassend:
    • – eine Batterie zur Spannungsversorgung des Elektroantriebs,
    • – eine von der Batterie gespeiste Leistungselektronik zum Ansteuern eines Elektromotors des Elektroantriebs,
    • – mindestens ein Schlitz zum allpoligen elektrischen Trennen der Batterie von der Leistungselektronik,
    • – eine mit einem Bezugspotential verbundene Spannungsquelle zur Erzeugung einer Messspannung zur Isolations- und Schützüberwachung,
    • – zwei Spannungsmesseinrichtungen zum Messen eines durch die Messspannung erzeugten Spannungshubs in Bezug auf das Bezugspotential,
    • – wobei die Spannungsquelle und eine erste der Spannungsmesseinrichtungen mit einem Einspeisepunkt zum Einspeisen der Messspannung und eine zweite der Spannungsmesseinrichtungen mit einem Messpunkt zum Messen des Spannungshubs elektrisch verbunden sind, und Einspeisepunkt und Messpunkt derart angeordnet sind, dass das mindestens eine Schütz dazwischen geschaltet ist.
  • Die DE 10 2009 012 129 A1 offenbart eine Batteriespannungsanzeige, wobei auch ein Spannungswert der Batterie von 0 V, mithin eine Spannungsfreiheit der Batterie, anzeigbar ist. Zur Ermittlung der Spannung der Batterie ist dabei die Verwendung zweier unabhängiger Messstrecken vorgesehen.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System sowie ein solches elektrisches Hochvolt-System bereitzustellen, mittels dessen zuverlässiger die Spannungsfreiheit ermittelbar ist.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das Verfahren bzw. das elektrische Hochvolt-System, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, umfasst mindestens zwei Steuergeräte und mindestens eine Anzeigeeinheit, wobei die Steuergeräte voneinander unabhängig die Spannung im Hochvolt-System erfassen, wobei auf der Anzeigeeinheit eine Spannungsfreiheit nur angezeigt wird, wenn beide bzw. die beteiligten Steuergeräte eine Spannung unterhalb eines Schwellwertes erfassen. Somit wird redundant die Spannung im Hochvolt-System erfasst, so dass Einzelfehler sicher erkannt werden. Dabei können die Steuergeräte die gleiche Spannung oder unterschiedliche Spannungen im Hochvoltsystem erfassen, d. h. an unterschiedlichen Potentialstellen messen.
  • Da 60 V die kritische Größe für den Berührschutz ist, kann der Schwellwert beispielsweise 20 V oder 25 V betragen. Die Darstellung des Zustandes der Spannungsfreiheit auf der Anzeigeeinheit erfolgt vorzugsweise piktogrammförmig, so dass das jeweils dargestellte Piktogramm eine logische Verknüpfung der einzelnen erfassten Spannungswerte darstellt. Es ist aber auch möglich, die erfassten Ist-Werte der Spannung einzeln darzustellen, wobei diese je nach Wert z. B. unterschiedlich farblich dargestellt werden. Auch eine Kombination der Anzeigeformen ist möglich. Weiter sei angemerkt, dass vorzugsweise bei einer fehlerhaften Messung eines Steuergerätes dies logisch als Überschreitung des Schwellwertes gewertet wird, da gegebenenfalls keine Spannungsfreiheit vorliegt. Dabei kann ergänzend zu der Darstellung auf der Anzeigeeinheit über den Zustand der Spannungsfreiheit (hier nicht spannungsfrei) dargestellt werden, dass ein Fehler in einem Steuergerät aufgetreten ist.
  • In einer Ausführungsform werden auf mindestens einer weiteren Anzeigeeinheit mindestens die Ist-Werte der erfassten Spannung dargestellt. Durch die Verwendung von zwei Anzeigeeinheiten ist das Verfahren auch fehlertolerant gegenüber Einzelfehlern einer Anzeigeeinheit, da jeweils beide Anzeigeeinheiten die Spannungsfreiheit anzeigen müssen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein externes Diagnosegerät angeschlossen, wobei das externe Diagnosegerät über ein Gateway-Steuergerät mit den Steuergeräten im Hochvolt-, System verbunden ist und/oder mit einzelnen Steuergeräten direkt verbunden ist. Dabei kann das Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit durch das Diagnosegerät angestoßen werden. Alternativ kann das Verfahren aber auch über mindestens ein fahrzeuginternes Steuergerät angestoßen werden. Beispielsweise kann ein Eingabemittel im Fahrzeug vorgesehen sein, dessen Betätigung durch ein Steuergerät erfasst wird. Entsprechend kann auch eine vorbestimmte Pedalbetätigung oder ähnliches das auslösende Ereignis sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden ein Zustand der Spannungsfreiheit und/oder die erfassten Ist-Werte auf eine Anzeigeeinheit des Diagnosegeräts und ein Zustand der Spannungsfreiheit und/oder die erfassten Ist-Werte auf einer Anzeigeeinheit eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges dargestellt. Dadurch erfolgt auch eine redundante Anzeige, so dass auch Einzelfehler einer Anzeigeeinheit erkannt werden. Vorzugsweise ist die Anzeigeeinheit im Elektro- oder Hybridfahrzeug die eines Kombi-Instruments. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in der Anzeigeeinheit des Fahrzeugs, vorzugsweise dem Kombi-Instrument, der Zustand der Spannungsfreiheit beispielsweise piktogrammförmig dargestellt, wohingegen auf der Anzeigeeinheit des Diagnosegerätes die Ist-Werte dargestellt werden. Der Nutzer muss dann beide Anzeigeeinheiten beachten, wobei eine Spannungsfreiheit nur vorliegt, wenn die Anzeigeeinheit des Fahrzeugs den Zustand spannungsfrei anzeigt und die dargestellten Ist-Werte auf der Anzeigeeinheit des Diagnosegerätes unterhalb des oder der Schwellwerte liegen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird mindestes eine Botschaft durch das Diagnosegerät an mindestens ein Steuergerät übertragen, mittels derer die Feststellung der Spannungsfreiheit eingeleitet wird. In einem Kraftfahrzeug erfolgt dies vorzugsweise bei eingeschalteter Zündung, d. h. Klemme 15 ist eingeschaltet.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Steuergeräte zur Erfassung der Spannung mindestens ein Batteriemanagement-Steuergerät und/oder ein Steuergerät einer weiteren Hochvolt-Komponente des Hochvolt-Systems des Fahrzeugs, insbesondere der Leistungselektronik einer Elektromaschine. In einer Ausführungsform ist das Batteriemanagement-Steuergerät dabei die zentrale Sammelstelle der Daten der anderen Steuergeräte und überträgt diese vorverarbeitet beispielsweise über das Gateway-Steuergerät an die Anzeigeeinheit bzw. Anzeigeeinheiten.
  • In einer weiteren Ausführungsform erfasst zusätzlich ein Steuergerät eines Ladegerätes eine Spannung und/oder ein Steuergerät eines Lademanagers den Steckzustand mindestens einer elektrischen Anschlussdose.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur automatischen Festsstellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
  • Das Hochvolt-System 1 umfasst ein Motorsteuergerät 2, ein Steuergerät 3 einer Leistungselektronik, ein Batteriemanagement-Steuergerät 4, ein Steuergerät 5 eines Ladegeräts und ein Steuergerät 6 eines Lademanagers, das mit einer AC-Ladedose 7 und einer DC-Ladedose 8 verbunden ist. Das Steuergerät 3 der Leistungselektronik, das Batteriemanagement-Steuergerät 4 und das Steuergerät 5 des Ladegeräts sind mit Hochvolt-Leitungen 9 des Hochvolt-Systems 1 verbunden. Die Steuergeräte 2–6 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Bussysteme 10, 11 miteinander verbunden, wobei das eine Bussystem 11 mit einem Gateway-Steuergerät 12 verbunden ist. Über das Gateway-Steuergerät 12 sind die Steuergeräte 2–6 mit einem Kombi-Instrument 13 mit einer Anzeigeeinheit 14 und mit einem externen Diagnosegerät 15 mit einer Anzeigeeinheit 16 verbunden. Des Weiteren ist das Motorsteuergerät 2 und das Batteriemanagement-Steuergerät 4 über jeweils eine Leitung 17 direkt mit dem Diagnosegerät 15 verbunden.
  • Möchte nun der Nutzer überprüfen, ob das Hochvolt-System 1 abgeschaltet bzw. spannungsfrei ist, so wird über das Diagnosegerät 15 eine entsprechende Botschaft an das Batteriemanagement-Steuergerät 4 über die Leitung 17 übertragen. Die beteiligten Steuergeräte 3–5 messen dann die Spannung an der Hochvolt-Leitung 9 und vergleichen diese mit einem Schwellwert. Das Batteriemanagement-Steuergerät 4 empfängt von den Steuergeräten 3 und 5 einen Zustandswert. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriemanagement-Steuergerät 4 von den Steuergeräten 3 und 5 auch jeweils einen Ist-Wert empfangen. Die Ist-Werte sind dabei die Spannungswerte, die die Steuergeräte 3, 5 an den Hochvolt-Leitungen 9 gemessen haben. Die Zustandswerte geben an, ob die jeweils gemessene Spannung ober- oder unterhalb des Schwellwertes liegt bzw. ob ein Fehler bei der Messung aufgetreten ist. Des Weiteren übermittelt das Steuergerät 6 den Steckzustand der Ladedosen 7, 8, also ob ein Ladestecker gesteckt ist oder nicht. Des Batteriemanagement-Steuergerät 4 verknüpft dann die Zustände konjunktiv, d. h. wenn alle Steuergerät 3–5 einen Zustandswert spannungsfrei ermittelt haben und kein Ladestecker gesteckt ist, ist der Gesamtzustand des Hochvolt-Systems spannungsfrei. Dieser Gesamtzustand wird vom Batteriemanagement-Steuergerät 4 über das Gateway-Steuergerät 12 an das Kombi-Instrument 13 übertragen und auf der Anzeigeeinheit 14 dargestellt. Des Weiteren übertragen die Steuergeräte 3, 4 und 5 die erfassten Ist-Werte über das Gateway-Steuergerät 12 an das Diagnosegerät 15, wo diese auf der Anzeigeeinheit 16 dargestellt werden. Alternativ überträgt das Batteriemanagement-Steuergerät 4 die erfassten Ist-Werte aller Steuergeräte 3–5 über das Gateway-Steuergerät 12 oder direkt über die Leitung 17 an das Diagnosegerät 15, wo diese auf der Anzeigeeinheit 16 dargestellt werden. Neben den Ist-Werten können auch zusätzlich Zustandswerte an das Diagnosegerät 15 übertragen werden.
  • Ergeben sowohl die Daten auf der Anzeigeeinheit 14 als auch auf der Anzeigeeinheit 16, dass das Hochvolt-System 1 spannungsfrei ist, kann der Nutzer die Zündung ausschalten (KL15 aus) und an dem Hochvolt-System 1 arbeiten. Dabei sei angemerkt, dass die Schwellwerte vorzugsweise eine Hysterese aufweisen, um schnelle Wechsel in der Beurteilung spannungsfrei bzw. nicht spannungsfrei zu vermeiden.
  • Ergibt nun das Verfahren, dass das Hochvolt-System 1 nicht spannungsfrei ist, kann zur Sicherheit das Verfahren wiederholt werden. Alternativ können auch weitere Maßnahmen zur Abschaltung des Hochvolt-Systems 1 durchgeführt werden und dann anschließend das Verfahren zur Feststellung wiederholt werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Feststellung der Spannungsfreiheit in einem elektrischen Hochvolt-System (1) mittels mindestens zwei Steuergeräten (3–5) im Hochvolt-System (1) und mindestens einer Anzeigeeinheit (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräte (3–5) voneinander unabhängig die Spannung im Hochvolt-System (1) erfassen, wobei auf der Anzeigeeinheit (14, 16) eine Spannungsfreiheit nur angezeigt wird, wenn die beteiligten Steuergeräte (3–5) eine Spannung unterhalb eines Schwellwerts erfassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erfassten Ist-Werte der Spannung auf mindestens einer weiteren Anzeigeeinheit (16) dargestellt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein externes Diagnosegerät (15) angeschlossen wird, wobei das externe Diagnosegerät (15) über ein Gateway-Steuergerät (12) mit den Steuergeräten (2–6) im Hochvolt-System (1) verbunden und/oder mit einzelnen Steuergeräten (2) direkt verbunden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand der Spannungsfreiheit und/oder die erfassten Ist-Werte auf einer Anzeigeeinheit (16) des Diagnosegeräts (15) und ein Zustand der Spannungsfreiheit und/oder die erfassten Ist-Werte auf einer Anzeigeeinheit (14) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs dargestellt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Diagnosegerät (15) mindestens eine Botschaft an mindestens ein Steuergerät (2, 4) übertragen wird, mittels derer die Feststellung der Spannungsfreiheit eingeleitet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräte (3–5) zur Erfassung der Spannung mindestens ein Batteriemanagement-Steuergerät (4) und/oder ein Steuergerät (3) einer Hochvolt-Komponente des Hochvolt-Systems (1) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Steuergerät (5) eines Ladegeräts eine Spannung und/oder ein Steuergerät (6) eines Lademanagers den Steckzustand mindestens einer elektrischen Anschlussdose (7, 8) erfasst.
  8. Elektrisches Hochvolt-System (1), umfassend mindestens zwei Steuergeräte (3–5) und mindestens eine Anzeigeeinheit (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräte (3–5) voneinander unabhängig die Spannung im Hochvolt-System (1) erfassen, wobei auf der Anzeigeeinheit eine Spannungsfreiheit nur angezeigt wird, wenn beide Steuergeräte (3–5) eine Spannung unterhalb eines Schwellwertes erfassen.
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