DE102013012151A1

DE102013012151A1 - Messanordnung zur Messung von Isolationswiderständen und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013012151A1
Application number: DE102013012151.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Ecker
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (10) zur Messung von Isolationswiderständen, mit einer Spannungsquelle (20; 22), deren Ausgang mit einem ersten Netz gekoppelt ist, das eine elektrische Isolierung aufweist. Des Weiteren ist ein zweites Netz, das ebenfalls eine elektrische Isolierung aufweist, über eine Wandlereinrichtung (24) mit dem ersten Netz gekoppelt. Die Messanordnung umfasst weiterhin eine Messeinrichtung (28), die dazu ausgelegt ist, einen ersten Isolationswiderstand des ersten Netzes zu messen. Dabei ist die Messeinrichtung (28) dazu ausgelegt ist, mindestens einen zweiten Isolationswiderstand des zweiten Netzes zu messen, wobei die Messanordnung einen Multiplexer (30) umfasst, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem ersten Netz gekoppelt ist, und der mindestens einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem zweiten Netz gekoppelt ist und der einen Ausgang aufweist, der mit der Messeinrichtung (28) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Messung von Isolationswiderständen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Messeinrichtung.
Die EP 1 222 087 B1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Schaltverbindung zwischen den elektrischen Ausgängen einer Brennstoffzelle und einem isolierten elektrischen Netz. Dabei ist ein ungeerdetes und elektrisch isoliertes HV-Netz mit einer Brennstoffzelle gekoppelt und ein weiteres Netz, das eine geringere Spannung als das HV-Netz aufweist, ist ebenfalls mit dem HV-Netz gekoppelt und weist elektrische Verbraucher und eine Speicherbatterie auf. Für das Starten und den Betrieb der Brennstoffzelle sind des Weiteren eine Reihe von Hilfsaggregaten notwendig, deren Antriebsmotore beim Starten der Brennstoffzelle die Energie aus einem Akkumulator erhalten, der im weiteren Netz angeordnet ist. Das weitere Netz ist dabei galvanisch vom HV-Netz getrennt, insbesondere durch einen DC/DC-Wandler. Zur Vermeidung einer Gefährdung von Personen durch Strom aus der Brennstoffzelle muss aus Sicherheitsgründen daher auch immer ein Mindestisolationswiderstand zwischen den beiden Netzen vorhanden sein. Zu diesem Zweck wird der Isolationswiderstand zwischen dem elektrisch isolierten Netz und der Masse durch ein Impulsmessverfahren bestimmt, mit dem positive und negative Impulse über einen Messwiderstand vorgegebener Große auf die Masse gegeben werden, wobei die Impulse einen über die Isolationswiderstände zu einem Bezugspunkt im Netz fließenden Strom hervorrufen, der durch einen Spannungsabfall am Messwiderstand gemessen wird.
Bei derartigen galvanisch getrennten HV-Kreisen, z. B. bei Verwendung von galvanisch getrennten DC/DC-Wandlern, muss jede Seite separat auf Einhaltung des Isolationswiderstands überwacht werden. Dies erfordert dann je nach Topologie mehrere Isolations-Messeinrichtungen, was sehr aufwendig und kostspielig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messanordnung zur Messung von Isolationswiderständen und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen bereitzustellen, welche eine einfachere und kostengünstigere Messung von Isolationswiderständen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, sowie durch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Messeinrichtung.
Die erfindungsgemäße Messanordnung zur Messung von Isolationswiderständen umfasst eine Spannungsquelle, welche dazu ausgebildet ist, an einem Ausgang der Spannungsquelle eine Spannung bereitzustellen und zumindest ein erstes Netz, das mit dem Ausgang der Spannungsquelle gekoppelt ist und eine elektrische Isolierung aufweist. Des Weiteren weist die Messanordnung ein zweites Netz auf, das über eine Wandlereinrichtung mit dem ersten Netz gekoppelt ist und ebenfalls eine elektrische Isolierung aufweist. Weiterhin umfasst die Messanordnung eine Messeinrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen ersten Isolationswiderstand des ersten Netzes zu messen. Die Messanordnung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Messeinrichtung weiterhin dazu ausgelegt ist, mindestens einen zweiten Isolationswiderstand des zweiten Netzes zu messen und die Messanordnung einen Multiplexer umfasst, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem ersten Netz gekoppelt ist, und der mindestens einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem zweiten Netz gekoppelt ist und der einen Ausgang aufweist, der mit der Messeinrichtung gekoppelt ist.
Durch die Verwendung eines Multiplexers können die Messungen der Isolationswiderstände sequentiell und somit mit nur einer Messeinrichtung erfolgen. Durch die Einsparung von Messeinrichtungen wird so eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Messung von Isolationswiderständen bereitgestellt. Gerade bei komplexeren Topologien bei der Kopplung von mehreren Netzen, für die jeweils Isolationswiderstände überwacht werden müssen, stellt die Erfindung eine äußerst kosteneffiziente Messanordnung bereit.
Die Spannungsquelle kann dabei beispielsweise als Brennstoffzelle ausgestaltet sein. Da gerade durch Brennstoffzellen hohe Spannungen bereitgestellt werden, was aus Sicherheitsgründen eine Überwachung von Isolationswiderständen erforderlich macht, ist die erfindungsgemäße Messanordnung in Kombination mit einer Brennstoffzelle als Spannungsquelle besonders vorteilhaft, und somit auch eine sehr kostengünstige Möglichkeit eine derartige Messanordnung beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug zu verwenden.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Messanordnung mindestens ein drittes elektrisch isoliertes Netz, das mit einem Ausgang einer zweiten Spannungsquelle gekoppelt ist, und das über eine zweite Wandlereinrichtung mit dem zweiten Netz gekoppelt ist, wobei das dritte Netz mit einem dritten Eingang des Multiplexers gekoppelt ist, und wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen dritten Isolationswiderstand des dritten Netzes zu messen.
Dies stellt auf besonders vorteilhafte Weise die Möglichkeit bereit, noch weitere Spannungsquellen, wie beispielsweise noch weitere Brennstoffzellen oder auch Hilfsaggregate, mit dem zweiten, insbesondere fahrzeugseitigen, Netz zu koppeln, und gleichzeitig auf besonders kostengünstige Weise die Messung und somit die Überwachung des Isolationswiderstandes jedes Netzes bereitzustellen.
Insbesondere bei der Verwendung von Gleichspannungsquellen wie beispielsweise Brennstoffzellen ist es vorteilhaft die Wandlereinrichtungen als DC/DC-Wandler auszugestalten.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das zweite Netz einen Motor und eine Batterie. Der Motor kann dabei als Elektromotor ausgestaltet sein. Dem Motor kann weiterhin eine weitere Wandlereinrichtung, wie beispielsweise ein DC/AC-Wandler, vorgeschaltet sein. Des Weiteren können an die Batterie weitere Verbraucher angeschlossen sein oder weitere elektrische Verbraucher können an das zweite Netz angeschlossen sein. Diese Ausgestaltungen sind besonders vorteilhaft bei der Verwendung der Messanordnung in einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Brennstoffzellenfahrzeug.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Messanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungsvarianten auf. Alle für die erfindungsgemäße Messanordnung beschriebenen Ausgestaltungsvarianten, Merkmale, Merkmalskombinationen und deren Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Die einzige Figur zeigt eine Messanordnung 10 zur Messung von Isolationswiderständen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 kann dabei Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellenfahrzeugs, sein. Fahrzeugseitig ist dabei ein Motor, beispielsweise ein Elektromotor 12, und eine Batterie 14 vorgesehen. Dabei sind diese fahrzeugseitigen Einrichtungen 16 mit einem Brennstoffzellensystem 18 gekoppelt. Dieses Brennstoffzellensystem 18 kann dabei mehrere Spannungsquellen wie beispielsweise mehrere Brennstoffzellen 20 sowie auch mehrere Hilfsaggregate 22 umfassen. Dabei ist jede dieser Spannungsquellen mit einem elektrisch isolierten HV-Netz gekoppelt, welches wiederum mit dem fahrzeugseitigen zweiten Netz über jeweils eine Wandlereinrichtung 24 gekoppelt ist. Die Wandlereinrichtung 24 kann dabei beispielsweise als Spannungswandler, bevorzugt als DC/DC-Wandler, ausgebildet sein. Dem Elektromotor 12 kann darüber hinaus noch eine weitere Wandlereinrichtung 26 vorgeschaltet sein, wie beispielsweise ein DC/AC-Wandler. Das fahrzeugseitige zweite Netz kann dabei eine geringere Spannung als das HV-Netz aufweisen. Durch die Wandlereinrichtung sind die beiden über die Wandlereinrichtung 24 gekoppelten Netze galvanisch voneinander getrennt. Um für ausreichen Sicherheit zu sorgen muss ein Mindestisolationswiderstand dieser jeweiligen Netze gewährleistet werden. Dazu wird für jedes einzelne Netz der Isolationswiderstand überwacht. Wie aus der Figur ersichtlich ist, muss dazu der Isolationswiderstand jedes Netzes, d. h. jedes HV-Netzes des Brennstoffzellensystems 18 und des fahrzeugseitigen Netzes, gemessen werden. Dies kann für eine große Anzahl an Brennstoffzellen 20 und Hilfsaggregaten 22 des Brennstoffzellensystems 18 und entsprechend komplexer Topologie dieser Vernetzung einen enormen Messaufwand bedeuten, da gemäß dem Stand der Technik für die Bestimmung jedes Isolationswiderstands jeweils eine Messeinrichtung vorgesehen werden muss um eine permanente Überwachung der Isolationswiderstände zu ermöglichen.
Die Erfindung macht sich nun zu Nutze, dass der Messwert nicht in Echtzeit vorhanden sein muss, weshalb die Messung der einzelnen HV-Kreise zeitlich versetzt, und daher mittels eines Multiplexerbetriebs mit nur einer Messeinrichtung 28 erfolgen kann. Die Eingänge eines Multiplexers 30 sind zu diesem Zeck an jeweiligen Isolationsmesspunkten 32 mit den HV-Netzen des Brennstoffzellensystems 18 sowie auch mit dem fahrzeugseitigen Netz gekoppelt, und der Ausgang des Multiplexers 30 ist mit der Messeinrichtung 28 gekoppelt, welche die Isolationswiderstände somit in einer zeitlichen Abfolge messen kann.
So können durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Multiplexers 30 auf besonders vorteilhafte und vor allem kostengünstige Weise die Isolationswiderstände aller Netze mit nur einer Messeinrichtung 28 gemessen und überwacht werden.
Bezugszeichenliste

10: Messanordnung
12: Elektromotor
14: Batterie
16: Fahrzeugseitige Einrichtungen
18: Brennstoffzellensystem
20: Brennstoffzelle
22: Hilfsaggregate
24: Wandlereinrichtung
26: Wandlereinrichtung
28: Messeinrichtung
30: Multiplexer
32: Isolationsmesspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1222087 B1 [0002]

Claims

Messanordnung (10) zur Messung von Isolationswiderständen, mit – einer Spannungsquelle (20; 22), welche dazu ausgebildet ist, an einem Ausgang der Spannungsquelle (20; 22) eine Spannung bereitzustellen; – zumindest einem ersten Netz, das mit dem Ausgang der Spannungsquelle (20; 22) gekoppelt ist und eine elektrische Isolierung aufweist; – einem zweiten Netz, das über eine Wandlereinrichtung (24) mit dem ersten Netz gekoppelt ist und eine elektrische Isolierung aufweist; und – einer Messeinrichtung (28), die dazu ausgelegt ist, einen ersten Isolationswiderstand des ersten Netzes zu messen; dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (28) dazu ausgelegt ist, mindestens einen zweiten Isolationswiderstand des zweiten Netzes zu messen und die Messanordnung einen Multiplexer (30) umfasst, der einen ersten Eingang aufweist, der mit dem ersten Netz gekoppelt ist, und der mindestens einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem zweiten Netz gekoppelt ist und der einen Ausgang aufweist, der mit der Messeinrichtung (28) gekoppelt ist.
Messanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (20; 22) eine Brennstoffzelle (20) ist.
Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (10) mindestens ein drittes elektrisch isoliertes Netz umfasst, das mit einem Ausgang einer zweiten Spannungsquelle (20; 22) gekoppelt ist, und das über eine zweite Wandlereinrichtung (24) mit dem zweiten Netz gekoppelt ist, wobei das dritte Netz mit einem dritten Eingang des Multiplexers (30) gekoppelt ist, wobei die Messeinrichtung (28) dazu ausgelegt ist, einen dritten Isolationswiderstand des dritten Netzes zu messen.
Messanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Netz einen Motor (12) und eine Batterie (14) umfasst.
Kraftfahrzeug mit einer Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.