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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des Überwachens und Steuerns von elektrischen Systemen, insbesondere von elektrischen Systemen in einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb.
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Als Hybrid- bzw. Elektrofahrzeug bezeichnet man Fahrzeuge, die ganz oder teilweise durch elektrische Energie angetrieben werden. Die Energie stammt in der Regel aus einem Energiespeichersystem, dessen elektrische Verbindung zu anderen Leistungskreisen entweder permanent getrennt sein muss oder dynamisch geschaltet werden kann.
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Solche Fahrzeuge fordern eine Reihe von Überwachungs- und Steuerfunktionen, um Sicherheitsrelevante Parameter zu überwachen und das System entsprechend anzusteuern.
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Zum Beispiel muss die Wirksamkeit der elektrischen Trennung aller mit dem Energiespeichersystems permanent oder transient verbundenen Leistungskreise gegenüber der Bordnetzspannungsebene (Ladeelektronik, Leistungselektronik, etc.) über einen hinreichend großen Widerstand ab einem bestimmten Spannungsbereich aus Sicherheitsgründen überwacht werden.
DE 102 12 493 A1 ,
DE 102 05 381 A1 und
DE 10 2006 050 529 beschreiben bekannte Systeme zur Isolationsüberwachung.
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Des Weiteren können aus Fehlstellungen an den Schaltern, welche die Verbindung zu den Leistungskreisen herstellen bzw. unterbrechen, unerwartet gefährliche Spannungen entstehen. Folglich sollen solche Fehlstellungen möglichst schnell erkannt werden.
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Da es sich bei dem zu verbindenden Leistungskreis (Elektromotor) um eine hohe kapazitive Last handelt, ist ein Vorladeprozess häufig vorgesehen, der einen verschleißarmen Schaltvorgang ermöglicht. Hierfür wird die Lastseite kurzzeitig über einen Vorwiderstand an die Quelle geschaltet. Bedingt durch das knappe Zeitfenster ist eine pegelabhängige Schaltersteuerung erforderlich.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und einfache Überwachung von dem elektrischen System eines ganz oder teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern elektrischer Systeme in einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist folgendes auf: (a) eine erste Wechselspannungsquelle zum Bereitstellen einer Wechselspannung zwischen einem ersten Anschluss und einem Referenzanschluss, (b) eine zweite Wechselspannungsquelle zum Bereitstellen einer Wechselspannung zwischen einem zweiten Anschluss und dem Referenzanschluss, (c) einen ersten Spannungsmesser zum Erfassen einer ersten Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem Referenzanschluss, (d) einen zweiten Spannungsmesser zum Erfassen einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Anschluss und dem Referenzanschluss und (e) eine Steuereinheit, die eingerichtet ist zum Steuern der ersten Wechselspannungsquelle und der zweiten Wechselspannungsquelle und zum Erhalten der ersten Spannung von dem ersten Spannungsmesser und der zweiten Spannung von dem zweiten Spannungsmesser, wobei die Steuereinheit ferner eingerichtet ist zum (i) Ermitteln eines ersten Isolationswiderstands für eine Baugruppe, die mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und/oder eines zweiten Isolationswiderstands für eine zweite Baugruppe, die mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, relativ zu einem mit dem Referenzanschluss verbundenen elektrischen Potential, (ii) Ermitteln eines Vorladezustands einer mit dem ersten Anschluss verbundenen kapazitiven Last, die von einer mit dem zweiten Anschluss verbundenen Spannungsversorgung vorgeladen wird, und (iii) Ermitteln eines Schaltzustands für einen oder mehreren zwischen zwei Baugruppen angeordneten Schalter, wobei eine der zwei Baugruppen mit dem ersten Anschluss verbunden ist und die andere der zwei Baugruppen mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
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Der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die drei Funktionen zum Ermitteln von Isolationswiderstand, Vorladezustand und Schaltzustand durch eine einzige Vorrichtung mit einer zentralen Steuereinheit und zwei unabhängigen Sätzen von jeweils einer Wechselspannungsquelle und einem Spannungsmesser durchgeführt werden können. Somit ermöglicht die beschriebene Vorrichtung eine effiziente und preiswerte Überwachung mehrerer Parameter in dem elektrischen System eines Kraftfahrzeugs mit Elektro- oder Hybridantrieb, insbesondere ohne Einsatz einzelner dezidierter Überwachungseinrichtungen für jede Überwachungsfunktion.
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In diesem Dokument bezeichnet „Wechselspannungsquelle“ insbesondere einen Generator zum Erzeugen einer Wechselspannung mit vorgegebenen Werten bzgl. Amplitude, Frequenz und Phase.
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In diesem Dokument bezeichnen „erster Anschluss“ „zweiter Anschluss“ und „Referenzanschluss“ insbesondere einzelne elektrische Kontaktpunkte oder Anschlussstellen in einem Schaltkreis.
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In diesem Dokument bezeichnet „Spannungsmesser“ eine Vorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Spannung, insbesondere einer elektrischen Gleichspannung und/oder einer elektrischen Wechselspannung, zwischen zwei Kontaktpunkte.
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In diesem Dokument bezeichnet „Steuereinheit“ insbesondere eine zentrale Einheit mit Prozessor, Speicher und Schnittstellen.
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In diesem Dokument bezeichnet „Isolationswiderstand“ insbesondere den ohmschen Widerstandsanteil zwischen einem Kontaktpunkt einer Baugruppe und einem Referenzpotential.
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In diesem Dokument bezeichnet „Vorladezustand einer kapazitiven Last“ insbesondere das Verhältnis zwischen einer aktuellen Spannung der Last und der Spannung, die die kapazitive Last im vollgeladenen Zustand aufweist.
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In diesem Dokument bezeichnet „Schaltzustand“ insbesondere den Zustand eines Schalters, das heißt ob der Schalter eine Verbindung oder keine Verbindung zwischen zwei Kontaktpunkte bereitstellt.
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Die Steuereinheit mag eine selbständige Einheit oder als Teil einer anderen Einheit implementiert sein. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, die erste und zweite Wechselspannungsquelle derart anzusteuern, dass diese jeweilige Wechselspannungen bereitstellen. Die Steuereinheit mag insbesondere jeder Wechselspannungsquelle einzelne Werte für Amplitude, Frequenz und Phase übermitteln. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, gemessene Spannungen von dem ersten und zweiten Spannungsmesser zu erhalten. Die Spannungsmessungen mögen als digitale Signale oder als analoge Signale von den Spannungsmessern ausgegeben werden. Im letzteren Falle, mag die Steuereinheit die erhaltenen Signale in digitale Signale umwandeln. Basierend auf den erhaltenen Signalen von den Spannungsmessern kann die Steuereinheit einen jeweiligen Gleichspannungsanteil und/oder einen jeweiligen Wechselspannungsanteil der ersten und zweiten Spannung ermitteln und abspeichern.
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Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet zum Durchführen von drei Überwachungsfunktionen. Die erste dieser Überwachungsfunktionen ist ein Ermitteln eines Isolationswiderstands für eine erste und/oder zweite Baugruppe, die mit dem ersten Anschluss verbunden ist/sind. Als Referenz für die Isolationswiderstandsmessung wird das elektrische Potential des Referenzanschlusses verwendet. Die zweite Überwachungsfunktion ist ein Ermitteln eines Vorladezustands für eine Kapazitive Last, die mit dem ersten Anschluss verbunden ist von einer mit dem zweiten Anschluss verbundenen Spannungsversorgung vorgeladen wird. Endlich ist die dritte Überwachungsfunktion ein Ermitteln der Schaltzustände für einen oder mehrere Schalter, der oder die zwischen zwei Baugruppen angeordnet ist oder sind, um diese wahlweise mit einander zu verbinden und voneinander zu trennen, wobei eine der Baugruppen mit dem ersten Anschluss verbunden ist und die andere Baugruppe mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
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Es sollte beachtet werden, dass vor dem Durchführen einer der drei Überwachungsfunktionen die relevante Baugruppe oder Baugruppen bzw. kapazitive Last und Spannungsversorgung mit dem ersten und zweiten Anschluss verbunden werden müssen. Dies kann zum Beispiel mittels elektronischer Schalter erfolgen.
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Zusammenfassend ermöglicht die beschriebene Vorrichtung eine Überwachung von Isolationswiderstand und Schaltzuständen für verschiedene Baugruppen sowie von dem Vorladezustand einer kapazitiven Last in einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuereinheit ferner eingerichtet zum Ermitteln des ersten Isolationswiderstands basierend auf der von dem ersten Spannungsmesser ermittelten ersten Spannung und/oder zum Ermitteln des zweiten Isolationswiderstands basierend auf der von dem zweiten Spannungsmesser ermittelten zweiten Spannung.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuereinheit ferner eingerichtet zum Ermitteln des Vorladezustands basierend auf einer Differenz zwischen der von dem zweiten Spannungsmesser ermittelten zweiten Spannung und der von dem ersten Spannungsmesser ermittelten ersten Spannung.
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Das Vorladen der kapazitiven Last erfolgt üblicherweise durch Einschalten eines Widerstands zwischen Spannungsversorgung und Last, um den Vorladestrom zu begrenzen. Die Differenz zwischen der ermittelten zweiten Spannung und der ermittelten ersten Spannung hängt folglich von der Spannung über diesen Wiederstand und erlaubt somit in einfacher Weise eine Berechnung des Vorladezustands.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuereinheit ferner eingerichtet zum Ausgeben eines Steuersignals an einen Vorladeschalter, wenn die Differenz zwischen der von dem zweiten Spannungsmesser ermittelten zweiten Spannung und der von dem ersten Spannungsmesser ermittelten ersten Spannung einen Vorladeschwellenwert erreicht.
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Der Vorladeschwellenwert kann insbesondere eine Vorladezustand von etwa 85% bis 95%, insbesondere 90% entsprechen. Wenn der gewünschte Vorladezustand erreicht ist, gibt die Steuereinrichtung ein Steuersignal an den Vorladeschalter aus, um beispielsweise einen Vorladewiderstand zu überbrücken und die Last direkt an die Spannungsversorgung zu koppeln.
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Die beschriebene Vorrichtung kann damit in einfacher Weise beim Einschalten der Last dazu beitragen, dass diese zum richtigen Zeitpunkt eingeschaltet wird, das heißt, wenn das Vorladen der Last durchgeführt worden ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Steuereinheit ferner eingerichtet zum Ermitteln der Schaltzustände durch Ansteuern der ersten und zweiten Wechselspannungsquelle, so dass die von der ersten Wechselspannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung invertiert zu der von der zweiten Spannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung ist, und Vergleichen der Differenz zwischen der von dem zweiten Spannungsmesser ermittelten zweiten Spannung und der von dem ersten Spannungsmesser ermittelten ersten Spannung mit einem Schaltzustandsschwellenwert.
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In diesem Ausführungsbeispiel werden die erste und zweite Wechselspannungsquelle von der Steuereinheit so angesteuert, dass sie Wechselspannungen mit gleicher Amplitude und Frequenz aber mit einer Phasendifferenz von 180° bereitstellen.
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Der Schaltzustand des beobachteten Schalters kann dann anhand der Differenz zwischen der zweiten Spannung und der ersten Spannung durch Vergleichen mit dem Schaltzustandsschwellenwert ermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schaltzustand des Schalters als verbunden ermittelt, wenn die Differenz zwischen der von dem zweiten Spannungsmesser ermittelten zweiten Spannung und der von dem ersten Spannungsmesser ermittelten ersten Spannung kleiner als der Schaltzustandsschwellenwert ist, und der Schaltzustand des Schalters wird als nicht verbunden ermittelt, wenn die Differenz zwischen der von dem zweiten Spannungsmesser ermittelten zweiten Spannung und der von dem ersten Spannungsmesser ermittelten ersten Spannung größer als der Schaltzustandsschwellenwert ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird die Tatsache verwendet, dass die Differenz zwischen der Spannungen gering ist, wenn der Schalter in dem verbundenen Zustand ist, das heißt wenn er die zwei Baugruppen miteinander verbindet, da in diesem Falle die erste Wechselspannungsquelle in der Tat mit der zweiten Wechselspannungsquelle direkt verbunden ist.
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Auf der anderen Seite ist die Differenz zwischen der Spannung groß (gleich der zweifachen Amplitude der beiden bereitgestellten Wechselspannungen), wenn der Schalter in dem nicht verbundenen Zustand ist, das heißt wenn er die zwei Baugruppen nicht miteinander verbindet, da in diesem Falle die erste Wechselspannungsquelle und die zweite Wechselspannungsquelle einander nicht beeinflussen können.
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Somit kann durch Vergleichen der Differenz zwischen der jeweiligen Wechselspannungsanteile der ersten Spannung und der zweiten Spannung in einfacher Weise festgelegt werden, ob ein Schalter, der sich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss befindet, eingeschaltet oder ausgeschaltet ist.
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Das gleiche Prinzip kann des Weiteren verwendet werden zum Ermitteln eines Schaltzustands für einen weiteren Schalter, der die zwei Baugruppen verbinden kann aber nicht direkt zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss angebracht ist. Dies erfolgt dann durch Auswerten einer Differenz zwischen den jeweiligen Gleichspannungsanteilen der ersten und zweiten Spannung. Wenn diese Differenz gering (kleiner als ein weiterer Schwellenwert) ist, dann verbindet der weitere Schalter die zwei Baugruppen, und wenn die Differenz groß (größer als der weitere Schwellenwert) ist, dann verbindet der weitere Schalter die zwei Baugruppen nicht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine dritte Wechselspannungsquelle zum Bereitstellen einer Wechselspannung zwischen einem dritten Anschluss und dem Referenzanschluss und einen dritten Spannungsmesser zum Erfassen einer dritten Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem Referenzanschluss auf, wobei die Steuereinheit ferner eingerichtet ist zum Steuern der dritten Wechselspannungsquelle und zum Erhalten der dritten Spannung von dem dritten Spannungsmesser.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Vorrichtung durch Hinzufügen von weiteren Paaren von Wechselspannungsquellen und Spannungsmessern erfindungsgemäß erweitert werden kann, die in gleicher Weise wie die bisher beschriebenen ersten, zweiten und dritten Wechselspannungsquelle und ersten, zweiten und dritten Spannungsmesser mit der Steuereinheit verbunden und von dieser gesteuert werden. Somit können beliebig viele Messkanäle bereitgestellt werden, die paarweise zum Ermitteln von Schalterzuständen verwendet werden können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen und Steuern elektrischer Systeme in einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb mittels einer Vorrichtung beschrieben, die eine erste Wechselspannungsquelle, eine zweite Wechselspannungsquelle, einen ersten Spannungsmesser, einen zweiten Spannungsmesser, einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen Referenzanschluss und eine Steuereinheit aufweist. Das beschriebenen Verfahren weist folgende auf: (a) Steuern, mittels der Steuereinheit, der ersten Wechselspannungsquelle, um eine Wechselspannung zwischen dem ersten Anschluss und dem Referenzanschluss bereitzustellen, (b) Steuern, mittels der Steuereinheit, der zweiten Wechselspannungsquelle, um eine Wechselspannung zwischen dem zweiten Anschluss und dem Referenzanschluss bereitzustellen, (c) Erfassen einer ersten Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem Referenzanschluss, (d) Erfassen einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten Anschluss und dem Referenzanschluss, und (e) basierend auf der erfassten ersten Spannung und/oder der erfassten zweiten Spannung: (i) Ermitteln eines ersten Isolationswiderstands für eine erste Baugruppe, die mit dem ersten Anschluss verbunden ist, und/oder eines zweiten Isolationswiderstands für eine zweite Baugruppe, die mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, relativ zu einem mit dem Referenzanschluss verbundenen elektrischen Potential, (ii) Ermitteln eines Vorladezustands einer mit dem ersten Anschluss verbundenen kapazitiven Last, die von einer mit dem zweiten Anschluss verbundenen Spannungsversorgung vorgeladen wird, und (iii) Ermitteln der Schaltzustände für einen oder mehrere zwischen zwei Baugruppen angeordneten Schalter, wobei eine der zwei Baugruppen mit dem ersten Anschluss verbunden ist und die andere der zwei Baugruppen mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt grundsätzlich die gleiche Erkenntnis zugrunde, die oben in Verbindung mit dem ersten Aspekt erläutert wurde, nämlich dass die drei Funktionen zum Ermitteln von Isolationswiderstand, Vorladezustand und Schaltzustand durch Betreiben einer einzigen Vorrichtung mit einer zentralen Steuereinheit und zwei unabhängigen Sätzen von jeweils einer Wechselspannungsquelle und einem Spannungsmesser durchgeführt werden können.
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Die in Verbindung mit den obigen Ausführungsformen beschriebenen Details können auch mit dem Verfahren implementiert werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Motorsteuerung für ein Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb zum Verwenden eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Diese Motorsteuerung ermöglicht eine einfache und zentrale Überwachung von dem elektrischen System des Kraftfahrzeugs.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, eingerichtet ist, das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt und/oder einem der obigen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
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Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
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Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Bluray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere ein Steuergerät für einen Motor eines Kraftfahrzeugs derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.
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Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d.h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektrischer Schaltungen, d.h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt ein Übersichtsdiagramm eines elektrischen Systems in einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, das erfindungsgemäß überwacht und gesteuert werden kann.
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überwachen und Steuern des in 1 gezeigten elektrischen Systems.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
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1 zeigt ein schematisches Übersichtsdiagramm eines elektrischen Systems 100 in einem Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, das erfindungsgemäß überwacht und gesteuert werden kann. Das elektrische System 100 weist eine Last 105 und eine elektrische Energieversorgung 110 auf.
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Die Last 105 enthält eine elektrische Maschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs und ist hoch kapazitiv. Die Kapazität der Last ist schematisch als CL dargestellt und hat typisch einen Wert um 1000 µF.
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Die elektrische Energieversorgung 110 enthält einen Energiespeicher in Form einer Hochspannungsbatterie 112, Schalter K1 und K3 zum Verbinden und Trennen der Verbindung zwischen Hochspannungsbatterie 112 und Last 105, einen Vorladewiderstand Rv und einen Schalter K2 zum Ein- und Ausschalten des Vorladewiderstands Rv. Die Hochspannungsbatterie 112 stellt in voll aufgeladenem Zustand zum Beispiel eine Spannung von etwa 360 V bereit. Die elektrische Energieversorgung 110 weist ferner Anschlüsse 114 und 115 für die Last 105 und Anschlüsse 116 und 117 für die Hochspannungsbatterie 112 auf. Die Linie 120 zeigt einen Bereich des Systems 100, der für eine Isolationswiderstandsüberwachung relativ zu anderen elektrischen Systemen in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Bordnetz, relevant ist. Die Linie 121 zeigt einen Bereich des Systems 100, der für eine Vorladezustandsüberwachung und -steuerung relevant ist. Endlich zeigt die Linie 122 einen Bereich des Systems 100, der für eine Schaltzustandsüberwachung relevant ist.
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 230, die zum Beispiel zum Überwachen und Steuern des in 1 gezeigten elektrischen Systems 100 verwendet werden kann. Die Vorrichtung 230 weist eine erste Wechselspannungsquelle 232a, einen ersten Spannungsmesser 234a und einen ersten Anschluss 236a auf, die zusammen mit einem Referenzanschluss 237 einen ersten Messkanal bilden. Die Vorrichtung 230 weist ferner eine zweite Wechselspannungsquelle 232b, einen zweiten Spannungsmesser 234b und einen zweiten Anschluss 236b auf, die zusammen mit dem Referenzanschluss 237 einen zweiten Messkanal bilden.
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Die Vorrichtung 230 weist ferner eine Steuereinheit 238 auf, die mit den Wechselspannungsquellen 232a und 232b sowie den Spannungsmessern 234a und 234b verbunden ist. Die Steuereinheit enthält Prozessor, Speicher und Schnittstellen und ist eingerichtet zum Steuern der Wechselspannungsquellen 232a und 232b und zum Erhalten gemessener Spannungswerte von den Spannungsmessern 234a und 234b. Mit anderen Worten steuert die Steuereinheit die erste Wechselspannungsquelle 232a derart an, dass diese eine Wechselspannung mit vorgegebener Amplitude, Frequenz und Phase zwischen dem ersten Anschluss 236a und dem Referenzanschluss 237 bereitstellt. Die Steuereinheit steuert in gleicher Weise die zweite Wechselspannungsquelle 232b derart an, dass diese eine Wechselspannung mit vorgegebener Amplitude, Frequenz und Phase zwischen dem zweiten Anschluss 236b und dem Referenzanschluss 237 bereitstellt.
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Der erste Spannungsmesser 234a misst die elektrische Spannung (Gleichspannungsanteil und Wechselspannungsanteil) zwischen dem ersten Anschluss 236a und dem Referenzanschluss 237 und übermittelt diese an die Steuereinheit. Der zweite Spannungsmesser 234b misst die elektrische Spannung (Gleichspannungsanteil und Wechselspannungsanteil) zwischen dem zweiten Anschluss 236b und dem Referenzanschluss 237 und übermittelt diese an die Steuereinheit.
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Die Wechselspannungsquellen 232a und 232b und die Spannungsmesser 234a und 234b haben alle definierte Impedanzen gegenüber der Masseebene der Vorrichtung 230.
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Im Betrieb kann die Vorrichtung 230 zum Beispiel in Verbindung mit dem in 1 gezeigten System 100 zum Ermitteln von Isolationswiderständen, einem Vorladezustand der Last 105, CL und Schaltzuständen für die Schalter K1, K2 und K3 verwendet werden.
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Genauer gesagt kann ein Isolationswiderstand für das System 100 relativ zu dem Bordnetz (nicht gezeigt) in einem Kraftfahrzeug wie folgt ermittelt werden. Der Anschluss 236a wird mit einem Anschluss in dem System 100, zum Beispiel dem Anschluss 115 verbunden und der Referenzanschluss 237 wird mit einem Anschluss in dem Bordnetz (zum Beispiel Masse) verbunden. Die Steuereinheit 238 steuert die Wechselspannungsquelle 232a an, so dass diese eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 120 Vss und einer Frequenz von 0,3 Hz zwischen dem Anschluss 236a und dem Referenzanschluss 237 bereitstellt. Der Spannungsmesser 234a erfasst den Wechselspannungsabfall zwischen dem Anschluss 236a und dem Referenzanschluss 237 und übermittelt diesen an die Steuereinheit 238. Die Steuereinheit 238 berechnet dann den entsprechenden Isolationswiderstand. Eine ähnliche Messung kann unter Verwendung der Wechselspannungsquelle 232b, des Spannungsmessers 234b und des Anschlusses 236b durchgeführt werden.
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Die Vorrichtung 230 kann wie folgt verwendet werden, um einen Vorladevorgang für den Last CL (in 1) zu überwachen und steuern. Der erste Anschluss 236a wird mit dem Anschluss 115, der zweite Anschluss 236b mit dem Anschluss 117 und der Referenzanschluss 237 mit Masse (Fahrzeugsmasse bzw. GND) verbunden. Damit kann die Spannung über den Vorladewiderstand Rv laufend durch die Spannungsmesser 234a und 234b ermittelt werden und an die Steuereinheit 238 übermittelt werden. Der Vorladevorgang wird durch Schließen der zwei Schalter K1 und K2 bei offenem Schalter K3 eingeleitet. Basierend auf den erhaltenen Spannungswerten kann die Steuereinheit nun den Vorladezustand verfolgen und den Schalter K3 dann schließen, wenn zum Beispiel einen Vorladezustand von 90% erreicht wird. Damit wird der Vorladewiderstand Rv umgangen und der Schalter K2 kann wieder getrennt bzw. geöffnet werden, so dass keine Begrenzung des der Last zur Verfügung gestellten Stroms mehr erfolgt.
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Endlich kann die Vorrichtung 230 auch zum Ermitteln eines Schaltzustands für einen oder mehrere der Schalter K1, K2 und K3 in 1 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird der erste Anschluss 236a mit dem Anschluss 117 und der zweite Anschluss 236b mit dem Anschluss 115 verbunden. Die Steuereinheit 238 steuert die erste Wechselspannungsquelle 232a an, so dass diese eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 120 Vss und einer Frequenz von 10 Hz zwischen dem Anschluss 236a und dem Referenzanschluss 237 bereitstellt. Die Steuereinheit 238 steuert gleichzeitig die zweite Wechselspannungsquelle 232b an, so dass diese eine invertierte Wechselspannung zwischen dem Anschluss 236b und dem Referenzanschluss 237 bereitstellt, das heißt eine in Vergleich mit der Wechselspannung zwischen dem Anschluss 236a und dem Referenzanschluss 237 um 180° versetzte Wechselspannung. Die Steuereinheit erhält die jeweils von den Spannungsmessern 234a und 234b erfassten Spannungen (Wechselspannungsanteile und Gleichspannungsanteile) und berechnet zuerst die Differenz zwischen den erhaltenen Wechselspannungsanteilen, das heißt die Differenz des jeweils positiven und negativen Spitzenwertes der erhaltenen Spannungen. Wenn diese Differenz größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, dann sind die Schalter K1, K2 und K3 offen. In einer typischen Ausführung ist der vorgegebene Schwellenwert etwa 5 V. Wenn die Differenz gleich Null oder niedriger als der vorgegebene Schwellenwert ist, dann ist einer der Schalter K1, K2 und K3 geschlossen, das heißt die Anschlüsse 117 und 115 sind direkt (K2 oder K3 ist geschlossen) oder indirekt (K1 ist geschlossen) verbunden. Im letzteren Falle wird als Nächstes die Differenz zwischen den Gleichspannungsanteilen, das heißt den jeweiligen Mittelwerten der erhaltenen Spannungen, berechnet und mit einem weiteren Schwellenwert verglichen. In einer typischen Ausführung ist der weitere Schwellenwert gleich dem oben erwähnten vorgegebenen Schwellenwert, das heißt etwa 5 V. Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen den Gleichspannungsanteilen größer als der weitere Schwellenwert ist, dann ist der Schalter K1 geschlossen, das heißt, die Anschlüsse 117 und 115 sind indirekt verbunden. Ist der Absolutwert der Differenz zwischen den Gleichspannungsanteilen kleiner als der weitere Schwellenwert, dann ist zumindest einer der Schalter K2 und K3 geschlossen, das heißt, die Anschlüsse 117 und 115 sind direkt verbunden.
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Mit der oben beschriebenen Konfiguration können die folgenden einzelnen Fälle detektiert werden: (i) K1 ist geschlossen, (ii) K2 oder K3 ist geschlossen oder (iii) K1, K2 und K3 sind offen. Wenn es detektiert wird, dass K2 oder K3 geschlossen ist (ii), kann es durch zusätzliche Messungen festgestellt werden, ob der Schalter K1 geschlossen oder offen ist. Dies kann durch Vergleichen der Hochvolt-Spannungen von Quelle und Senke erfolgen, das heißt, durch Vergleichen der Spannungen bei den Anschlüssen 116 und 114. Sind diese beiden Spannungen gleich, dann ist auch der Schalter K1 geschlossen. Sind die Spannungen unterschiedlich, dann ist der Schalter K1 offen.
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Falls die Vorladezustandsüberwachung und –Steuerung nur in Verbindung mit Einschalten der Last 105, CL verwendet wird, kann die Überwachung von Isolationswiderstand und Schalterzustände mit Vorteil zyklisch erfolgen, so dass sofortige Maßnahmen zur Handhabung gefährlicher Situationen als Folge eines reduzierten Isolationswiderstands oder einer Fehlstellung oder Defekt eines Schalters eingesetzt werden können, zum Beispiel durch Ausgabe eines Warnsignals, Abschalten einer Versorgungsspannung oder ähnliches.
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Zusammenfassend kann durch Verwendung der Vorrichtung 230 in einem Fahrzeug mit Hybrid- oder Elektroantrieb eine Reihe von Vorteilen erreicht werden, wie zum Beispiel:
- (1) Unabhängige Erfassung der Isolationsverhältnisse mehrerer elektrischer Schaltkreise gegenüber dem Referenzpotenzial (üblicherweise Fahrzeugsmasse).
- (2) Ermöglichung der gleichzeitigen Detektion der Schalterzustände (eine zusätzliche Schaltung für diese Erfassungsfunktion entfällt).
- (3) Integration der Steuerung der Vorladefunktion (eine zusätzliche Schaltung für diese Funktion entfällt).
- (4) Erweiterter Selbsttestumfang aufgrund erhöhter Flexibilität durch unabhängige Messkanäle. Auch kann jeder Messkanal individuell und den Impedanzverhältnissen entsprechend, im Timing eingestellt und betrieben werden.
- (5) Bei über Lebensdauer abnehmender Isolation des HV Kreises kann ein Kanal abgeschaltet und vom HV-Kreis abgetrennt werden, wodurch sich die resultierende Gesamtisolation verbessert. Die verbesserte Isolation erlaubt einen länger anhaltenden Fahrbetrieb.
- (6) Vermeidung von zusätzlicher Hardware zur Detektion der Schützzustände.
- (7) Isolationswiderstandsmessung und Schaltzustandsbestimmung können gleichzeitig durchgeführt werden. Dadurch ist eine schnellere Zustandsbestimmung des HV Systems möglich.
- (8) Die Anzahl der implementierbaren Kanäle ist prinzipbedingt nicht begrenzt.
- (9) Die Schaltzustandsbestimmung kann zwischen allen Kanälen paarweise durchgeführt werden.
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Ferner sei im Folgenden die hier beschriebene Vorrichtung zur besseren Übersicht kurz zusammengefasst.
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Die beschriebene Vorrichtung umfasst erste und eine zweiten Wechselspannungsquelle für eine Wechselspannung zwischen einem ersten bzw. zweiten Anschluss einerseits und einem Referenzanschluss andererseits. Ein erster und ein zweiter Spannungsmesser erfassen eine erste bzw. zweite Spannung zwischen dem ersten bzw. zweiten Anschluss einerseits und dem Referenzanschluss andererseits. Eine Steuereinheit steuert die Wechselspannungsquellen, erhält die Spannungen von den betreffenden Spannungsmessern und ermittelt einen ersten und/oder zweiten Isolationswiderstand für eine erste und/oder zweite Baugruppe, die mit dem betreffenden Anschluss verbunden ist. Dieser Isolationswiderstand ist relativ zu einem mit dem Referenzanschluss verbundenen Potential. Ein Vorladezustand einer mit dem ersten Anschluss verbundenen kapazitiven Last wird ermittelt, die von einer mit dem zweiten Anschluss verbundenen Spannungsversorgung vorgeladen wird. Der Schaltzustand für mindestens einen, zwischen zwei Baugruppen angeordneten Schalter wird ermittelt. Die Baugruppen sind mit dem ersten bzw. zweiten Anschluss verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrisches System
- 105
- Last
- 110
- Elektrische Energieversorgung
- 112
- Hochspannungsbatterie
- 114
- Anschluss
- 115
- Anschluss
- 116
- Anschluss
- 117
- Anschluss
- 120
- Linie
- 121
- Linie
- 122
- Linie
- K1
- Schalter
- K2
- Schalter
- K3
- Schalter
- Rv
- Vorladewiderstand
- CL
- Kapazität
- 230
- Vorrichtung
- 232a
- Wechselspannungsquelle
- 232b
- Wechselspannungsquelle
- 234a
- Spannungsmesser
- 234b
- Spannungsmesser
- 236a
- Anschluss
- 236b
- Anschluss
- 237
- Referenzanschluss
- 238
- Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10212493 A1 [0004]
- DE 10205381 A1 [0004]
- DE 102006050529 [0004]
