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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einem Niedervolt-Netz zum Bereitstellen einer ersten Spannung, einem Hochvolt-Netz, das eine Batterie umfasst, die eine gegenüber der ersten Spannung größere zweite Spannung erzeugt, und einer Messeinrichtung zum Messen des Isolationswiderstands einer galvanischen Trennung, die das Niedervolt-Netz und das Hochvolt-Netz miteinander koppelt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen des Isolationswiderstandes einer galvanischen Trennung, mittels der ein in einem Batteriesystem angeordnetes Niedervolt-Netz zum Bereitstellen einer ersten Spannung und ein in dem Batteriesystem angeordnetes Hochvolt-Netz, das eine Batterie umfasst, die eine gegenüber der ersten Spannung größere zweite Spannung erzeugt, miteinander gekoppelt werden. Auch betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Batteriesystem.
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Stand der Technik
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Heutige Batterietopologien beziehungsweise Batteriesysteme sind typischerweise mit einem Niedervolt-Netz (12V-Versorgung) und einem Hochvolt-Netz, in welchem eine Batterie angeordnet ist, ausgebildet. Eine wesentliche zu erfüllende Randbedingung für solche Batteriesysteme ist die Implementierung einer geeigneten galvanischen Trennung zwischen dem Niedervolt-Netz (LV-Netz) und dem Hochvolt-Netz (HV-Netz).
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In der 1 ist das Prinzipschaltbild eines solches Batteriesystems 10 stark schematisiert dargestellt. Das Batteriesystem 10 umfasst ein Niedervolt-Netz 20 und ein Hochvolt-Netz 30. Eine Batterie 40 ist dabei zwischen einem negativen Anschluss (HV–) 31 und einem positiven Anschluss (HV+) 32 des Hochvolt-Netzes 30 angeschlossen. Die Batterie 40 umfasst mehrere Batteriezellen 41. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde nur eine Batteriezelle mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet. In der 1 ist auch eine Isolationseinheit (Isolatoren) 50 eingezeichnet, die die Funktion einer elektrischen Trennung stark schematisiert darstellt, die die galvanische Trennung (nicht vollständig dargestellt), mittels derer das Niedervolt-Netz 20 und das Hochvolt-Netz 30 miteinander gekoppelt sind, bereitstellt.
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In dem Niedervolt-Netz 20 ist ferner eine Niedervolt-Netz-Steuereinheit 60 angeordnet, deren Anschlüsse 61, 62 jeweils mit der Isolationseinheit 50 niedervoltnetzseitig verbunden sind. Die Niedervolt-Netz-Steuereinheit 60 ist mit einem ihrer Anschlüsse an einem Anschluss 61 auch mit einem Anschluss 21 des Niedervolt-Netzes 20, der die Niedervolt-Netz-Masse 21 bildet, verbunden.
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In dem Hochvolt-Netz 30 ist ferner eine Hochvolt-Netz-Steuereinheit 70 angeordnet, die an zwei Anschlüssen 71, 72 jeweils mit der Isolationseinheit 50 niedervoltnetzseitig verbunden ist. Die Hochvolt-Netz-Steuereinheit 70 ist an dem Anschluss 71 auch mit dem negativen Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 verbunden.
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Die Hochvolt-Netz-Steuereinheit 70 ist an einem weiteren Anschluss 73 auch mit einer Sensoreinrichtung 80, die die Sensorik des Batteriesystems 10 zumindest teilweise umfasst, verbunden. Beispielhaft ist auch eine Senseleitung 81 der Sensoreinrichtung 80 dargestellt, die an die Leitung geführt wird, die den Anschluss 71 der Hochvolt-Netz-Steuereinheit 70 mit dem negativen Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 verbindet.
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Die Qualität der elektrischen Trennung, die von der galvanischen Trennung, die das Niedervolt-Netz 20 und das Hochvolt-Netz 30 miteinander koppelt, bereitgestellt wird, wird gemäß dem Stand der Technik mittels einer Messeinrichtung überwacht, welche typischerweise gemäß der Darstellung in 2 ausgeführt wird.
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2 zeigt das Prinzipschaltbild des aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 aus der 1, wobei auch die in dem Batteriesystem 10 angeordnete Messeinrichtung 90 dargestellt ist. Die Messeinrichtung 90 umfasst eine Isolationsmessschaltung 100 und einen in dem Niedervolt-Netz 20 des Batteriesystems 10 angeordneten Analog-Digital-Wandler 200. Die Isolationsmessschaltung 100 umfasst zwei Messwiderstände 110, 120, wobei die Messwiderstände 110, 130 in Reihe geschaltet sind und einen Spannungsteiler 130 ausbilden. Die Messwiderstände 110, 120 sind an dem Anschluss 131, an dem sie miteinander direkt verbunden sind, ferner auch mit der Niedervolt-Netz-Masse 21 verbunden.
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Der untere Messwiderstand 110 ist mit seinem anderen Anschluss 132 über eine Reihenschaltung aus einem zusätzlichen Widerstand 140 und einem Schalter 150 mit dem negativen Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 des Batteriesystems 10 verbunden. Ferner ist der untere Messwiderstand 110 an seinem Anschluss 132 über einen Operationsverstärker 160 mit einem unteren Eingang des Analog-Digital-Wandlers 200 verbunden.
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Der obere Messwiderstand 120 ist mit seinem Anschluss 132 über eine Reihenschaltung aus einem zusätzlichen Widerstand 170 und einem Schalter 180 mit dem positiven Anschluss 32 des Hoch-Volt-Netzes 30 verbunden. Ferner ist der obere Messwiderstand 120 an seinem Anschluss 133 über einen Operationsverstärker 190 mit einem oberen Eingang des Analog-Digital-Wandlers 200 verbunden.
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In dem Hochvolt-Netz 30 ist die Batterie 40, die mehrere Batteriezellen 41 umfasst, angeschlossen. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde in der 2 nur eine einzelne von der Batterie 40 umfasste Batteriezelle 41 eingezeichnet.
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Dabei werden während eines alternierenden Schließens der in der Isolationsmessschaltung 100 angeordneten Schalter 150, 180 die entsprechend entstehenden Spannungsabfälle über die Messwiderstände 110, 120 jeweils bestimmt beziehungsweise gemessen.
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Die Spannungsabfälle über die Messwiderstände 110, 120 können mittels des Analog-Digital-Wandlers 200 erfasst und beispielsweise mittels eines in dem Niedervolt-Netz 20 angeordneten Mikrocontrollers (nicht dargestellt) bestimmt werden. Der Analog-Digital-Wandler 200 kann als Teil eines solchen in dem Niedervolt-Netz 20 angeordneten Mikrocontrollers ausgebildet sein. Bei der Bestimmung beziehungsweise Messung des Spannungsabfalles über den Messwiderstand 110 ist der Schalter 150 geschlossen und der Schalter 180 geöffnet. Bei der Bestimmung des Spannungsabfalles über den Messwiderstand 120 ist der Schalter 150 geöffnet und der Schalter 180 geschlossen.
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Ist der Isolationswiderstand der galvanischen Trennung unendlich, so sind die jeweils gemessenen Spannungsabfälle Null. Beim Vorliegen eines Isolationsfehlers dahingegen ist der Isolationswiderstand endlich. So ist beispielsweise beim Vorliegen eines Kurzschlusses der Isolationswiderstand Null. Beim Vorliegen eines Isolationsfehlers beispielsweise zwischen dem negativen Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 und der Niedervolt-Netz-Masse 20 wird beim Schließen des Schalters 180 die Spannung der Batterie 40 (Pack) an dem Messwiderstand 120 und dem weiteren Widerstand 170 angelegt und der über den Messwiderstand gemessene Spannungsabfall 120 ist ungleich Null. Durch entsprechende Auswertungen der Spannungsabfälle über die Messwiderstände 110, 120 kann der Isolationswiderstand zwischen dem Niedervolt-Netz 20 und dem Hochvolt-Netz 30 bestimmt beziehungsweise gemessen werden.
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Gemäß dem Stand der Technik wird die Messung des Isolationswiderstandes immer von der Niedervolt-Netz-Seite aus gesteuert. Dabei steuert der in dem Niedervolt-Netz 20 angeordnete Mikrocontroller die Schalter 150, 180 an und misst die über die Messwiderstände 110, 120 gegen die Niedervolt-Netz-Masse 21 abfallenden Spannungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Batteriesystem bereitgestellt, das ein Niedervolt-Netz zum Bereitstellen einer ersten Spannung, ein Hochvolt-Netz, das eine Batterie umfasst, die eine gegenüber der ersten Spannung größere zweite Spannung erzeugt und eine Messeinrichtung zum Messen des Isolationswiderstands einer galvanischen Trennung, die das Niedervolt- und das Hochvoltnetz miteinander koppelt, umfasst. Ferner umfasst die Messeinrichtung eine Isolationsmessschaltung mit zwei Reihenschaltungen und eine in dem Hochvolt-Netz angeordnete Messeinheit. Dabei umfassen die Reihenschaltungen jeweils einen Schalter und einen Messwiderstand. Die Schalter sind jeweils mit ein und demselben Anschluss des Niedervolt-Netzes und die Messwiderstände jeweils mit einem anderen Anschluss des Hochvolt-Netzes verbunden. Weiterhin ist die Messeinheit dazu vorgesehen, einen Spannungsabfall über mindestens einen der zwei Messwiderstände in einem derartigen Schaltzustand zu messen, in dem der Schalter, der in Reihe mit dem Messwiderstand geschaltet ist, für den der Spannungsabfall zu messen ist, geschlossen und der andere Schalter geöffnet ist.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Messen des Isolationswiderstandes einer galvanischen Trennung bereitgestellt. Mittels der galvanischen Trennung werden ein in einem Batteriesystem angeordnetes Niedervolt-Netz zum Bereitstellen einer ersten Spannung und ein in dem Batteriesystem angeordnetes Hochvolt-Netz miteinander gekoppelt, das eine Batterie umfasst, die eine gegenüber der ersten Spannung größere zweite Spannung erzeugt. Dabei wird die Messung des Isolationswiderstandes mittels einer in dem Batteriesystem angeordneten Messeinrichtung durchgeführt. Ferner wird die Messeinrichtung mit einer Isolationsmessschaltung mit zwei Reihenschaltungen und einer in dem Hochvolt-Netz angeordneten Messeinheit vorgesehen. Dabei umfassen die Reihenschaltungen jeweils einen Schalter und einen Messwiderstand, und die Schalter sind jeweils mit ein und demselben Anschluss des Niedervolt-Netzes und die Messwiderstände jeweils mit einem anderen Anschluss des Hochvolt-Netzes verbunden. Weiterhin wird mittels der Messeinheit der Spannungsabfall über mindestens einen der zwei Messwiderstände gemessen, wenn der Schalter, der in Reihe mit dem Messwiderstand geschaltet ist, für den der Spannungsabfall gemessen wird, geschlossen und der andere Schalter geöffnet ist.
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Mittels des erfindungsgemäßen Batteriesystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es ermöglicht, die Messung des Isolationswiderstandes der galvanischen Trennung zwischen dem Niedervolt-Netz und dem Hochvolt-Netz von der Hochvolt-Netz-Seite aus auf sehr einfache Weise durchzuführen.
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Insbesondere wird erfindungsgemäß entschieden, dass ein Isolationsfehler der galvanischen Trennung vorliegt, wenn ein von Null unterschiedlicher Spannungsabfall über mindestens einen der Messwiderstände gemessen wird.
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Ferner wird entschieden, dass die galvanische Trennung intakt ist, wenn ein Spannungsabfall von Null über die Messwiderstände gemessen wird, also kein Spannungsabfall vorliegt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Anschluss des Niedervolt-Netzes, mit dem die Schalter jeweils verbunden sind, mit der Niedervolt-Netz-Masse verbunden. Auch kann der Anschluss des Niedervolt-Netzes, mit dem die Schalter jeweils verbunden sind, die Niedervolt-Netz-Masse bilden. Ferner können die Anschlüsse des Hochvolt-Netzes jeweils einen Anschluss der Batterie bilden.
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Auch können die Schalter der erfindungsgemäßen Isolationsmessschaltung mit dem Anschluss des Niedervolt-Netzes jeweils über einen zusätzlichen Widerstand verbunden sein, wobei die zusätzlichen Widerstände einen Spannungsteiler ausbilden.
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Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Isolationsmessschaltung mindestens einen Operationsverstärker, der dazu vorgesehen ist, den Spannungsabfall über den mindestens einen Messwiderstand abzugreifen und der Messeinheit bereitzustellen.
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Mit anderen Worten, es werden bei dem erfindungsgemäßen Batteriesystem die Messwiderstände der Isolationsmessschaltung jeweils direkt an den positiven beziehungsweise negativen Anschluss des Hochvolt-Netzes geführt. Ferner wird der Spannungsteiler direkt gegen die Masse des Niedervolt-Netzes geführt. Da der Spannungsabgriff an dem positiven beziehungsweise dem negativen Anschluss des Hochvolt-Netzes vorzugsweise jeweils über Operationsverstärker (Instrumentenverstärker) erfolgt, kann die Messung der Spannungsabfälle über die Messwiderstände von der in dem Hochvolt-Netz angeschlossenen Messeinheit in sehr einfacher Weise gesteuert beziehungsweise durchgeführt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Hochvolt-Netz oder in der Messeinheit eine Steuereinheit angeordnet, die dazu ausgebildet ist, die Schalter zumindest während der Messung des Isolationswiderstandes der galvanischen Trennung anzusteuern.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Messeinheit und/oder die Steuereinheit als Mikrocontroller ausgebildet. Auch können die Messeinrichtung und die Steuereinheit in einem einzelnen Mikrocontroller zusammengefasst sein.
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Somit kann bei der vorliegenden Erfindung die Messung der Spannungsabfälle über die Messwiderstände von einem Mikrocontroller gesteuert werden, der in dem Hochvolt-Netz der Batterie angeschlossen ist. Vorteilhafterweise kann dieser Mikrocontroller auch die Ansteuerung der in der erfindungsgemäßen Isolationsmessschaltung angeordneten Schalter durchführen.
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Insbesondere umfasst das Hochvolt-Netz des erfindungsgemäßen Batteriesystems eine Lithium-Ionen-Batterie.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Batteriesystem bereitgestellt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems,
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2 ein Prinzipschaltbild des Batteriesystems aus der 1, das eine herkömmliche Messeinrichtung zum Messen des Isolationswiderstands einer galvanischen Trennung umfasst, und
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3 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, das eine erfindungsgemäße Messeinrichtung zum Messen des Isolationswiderstands einer galvanischen Trennung umfasst.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 3 ist ein erfindungsgemäßes Batteriesystem 10 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung auf schematische Weise dargestellt. Das Batteriesystem 10 umfasst ein Niedervolt-Netz 20 und ein Hochvolt-Netz 30. Eine Batterie 40 ist dabei zwischen einem negativen Anschluss (HV–) 31 und einem positiven Anschluss (HV+) 32 des Hochvolt-Netzes 30 angeschlossen. Die Batterie 40 umfasst mehrere Batteriezellen 41. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde nur eine Batteriezelle eingezeichnet.
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Das Niedervolt-Netz 20 ist mit dem Hochvolt-Netz 30 mittels einer galvanischen Trennung 25 gekoppelt. Die galvanische Trennung 25 zwischen der Niedervolt-Netz-Masse 21 und dem negativen Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 und zwischen der Niedervolt-Netz-Masse 21 und dem positiven Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 ist, stark schematisiert, mittels der zwei unterbrochenen U-förmigen Verbindungslinien, die mit dem Bezugszeichen 25 gekennzeichnet sind, dargestellt.
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In dem erfindungsgemäßen Batteriesystem 10 ist ferner eine Messeinrichtung 90 angeordnet, die eine erfindungsgemäße Isolationsmessschaltung 101 und eine als Mikrocontroller ausgebildete Messeinheit 201 zum Messen des Isolationswiderstands der galvanischen Trennung 25 umfasst. Dabei ist die Messeinheit 201 in dem Hochvolt-Netz 30 angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Isolationsmessschaltung 101 umfasst zwei Reihenschaltungen mit jeweils einem Messwiderstand 110, 120 und einem Schalter 150, 180. Der untere Messwiderstand 110 ist ferner mit dem negativen Anschluss 31 des Hochvolt-Netzes 30 direkt verbunden. Der obere Messwiderstand 120 ist ferner mit dem positiven Anschluss 32 des Hochvolt-Netzes 30 direkt verbunden. Die Schalter 150, 180 sind jeweils über einen zusätzlichen Widerstand 140, 170 auch mit der Niedervolt-Netz-Masse 21 verbunden. Die zusätzlichen Widerstände 140, 170 bilden dabei einen Spannungsteiler 135 aus.
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Die erfindungsgemäße Isolationsmessschaltung 101 umfasst weiterhin zwei Operationsverstärker 160, 190. Der untere Operationsverstärker 160 ist eingangsseitig mit den Anschlüssen des unteren Messwiderstandes 110 und ausgangsseitig mit der als Mikrocontroller ausgebildeten Messeinheit 201 verbunden und dazu vorgesehen, den Spannungsabfall über den Messwiderstand 110 abzugreifen und der Messeinheit 201 bereitzustellen. Der obere Operationsverstärker 190 ist eingangsseitig mit den Anschlüssen des oberen Messwiderstandes 120 und ausgangsseitig mit der als Mikrocontroller ausgebildeten Messeinheit 201 verbunden und dazu vorgesehen, den Spannungsabfall über den Messwiderstand 120 abzugreifen und der Messeinheit 201 bereitzustellen.
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Die als Mikrocontroller ausgebildete Messeinheit 201 ist dazu vorgesehen, die Spannungsabfälle über die zwei Messwiderstände 110, 120 jeweils in einem Schaltzustand zu messen, in dem der entsprechende Schalter 150, 180, der in Reihe mit dem Messwiderstand 110, 120 geschaltet ist, für den der Spannungsabfall aktuell zu messen ist, geschlossen und der andere Schalter 180, 150 geöffnet ist. Wenn mittels der Messeinheit 201 der Spannungsabfall über den unteren Messwiderstand 110 gemessen wird, ist der Schalter 150 geschlossen, wohingegen der Schalter 180 geöffnet ist. Wenn mittels der Messeinheit 201 der Spannungsabfall über den oberen Messwiderstand 120 gemessen wird, ist der Schalter 180 geschlossen und der Schalter 150 ist geöffnet. Die Schalter 150, 180 werden entsprechend der gerade durchzuführenden Spannungsabfallmessung auf geeignete Weise, hier mittels der als Mikrocontroller ausgebildeten Messeinheit 201 angesteuert, welche ein Schließen beziehungsweise Öffnen der Schalter 150, 180 veranlasst.
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Die Messeinheit 201 ist ferner dazu ausgebildet, einen Isolationsfehler der galvanischen Trennung 25 festzustellen, wenn die Messeinheit 201 einen von Null unterschiedlichen Spannungsabfall über mindestens einen der zwei Messwiderstände 110, 120 misst. Ferner ist die Messeinheit 201 dazu ausgebildet, einen intakten Zustand der galvanischen Trennung 25 festzustellen, wenn die Messeinheit 201 einen Spannungsabfall von Null über die zwei Messwiderstände 110, 120 misst.
