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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in dem Hochvolt-Netz gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, können ein Hochvolt-Netz mit einer Spannung von einigen 100 Volt aufweisen, welches aus Sicherheitsgründen als IT-Netz betrieben wird. Dabei ist das Hochvolt-Netz elektrisch isoliert von einer Masse des Kraftfahrzeugs, welche üblicherweise einen leitfähigen Teil der Fahrzeugkarosserie umfasst. Unter einem Hochvolt-Netz wird hierbei üblicherweise ein Netz mit einer Gleichspannung größer als 60 Volt oder einer Wechselspannung größer als 25 Volt verstanden. In der Praxis treten üblicherweise Isolationswiderstände zwischen den spannungsführenden Teilen des Hochvolt-Netzes und der umgebenden Masse des Fahrzeugs in einem Bereich von einigen Megaohm und größer auf.
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Zur Sicherstellung einer intakten Isolationsbarriere wird in Hochvolt-Netzen üblicherweise eine Überwachungsvorrichtung installiert, ein sogenannter Isolationswächter. Zur Messung eines Isolationsfehlers gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren. Unterschieden wird zwischen passiven und aktiven Messverfahren. Aktive Messverfahren nach IC61557-8 ermöglichen die Erkennung von symmetrischen Fehlern in Hochvolt-Netzen, das heißt ein gleichzeitiger Fehler beispielsweise an einem Pluspol einer Hochvolt-Batterie und an einem Minuspol der Hochvolt-Batterie. Die Erkennung eines symmetrischen Fehlers ist hierbei eine zwingend notwendige Anforderung an einen Isolationswächter, um verdeckte Isolationsfehler im Hochvolt-Netz zu erkennen. Die gängigsten aktiven Messverfahren sind die Verfahren der Widerstandskommutierung und die der getakteten Messspannung. Das Verfahren der Messgleichspannung wird dagegen nur in AC-Netzen verwendet, da dieses für DC-Netze besonders störanfällig ist.
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Der Aufbau eines jeden Isolationswächters (insulation monitoring device, IMD) besteht im Wesentlichen aus einem Schaltungsnetzwerk und einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Spannungen zwischen einem Pluspol des Hochvolt-Netzes und der Masse sowie zwischen dem Minuspol des Hochvolt-Netzes und der Masse, sowie den entsprechenden Isolationswiderständen. Hinzu kommt meist eine schaltbare beziehungsweise nicht schaltbare Spannungsquelle zwischen dem Pluspol des Hochvolt-Netzes und dem Minuspol des Hochvolt-Netzes.
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Ein Hochvolt-Netz eines elektrischen Antriebs besteht in der Regel aus einem Mischsystem bestehend aus einem DC-Netz und einem oder mehreren AC- und DC-Kreisen. Jede Hochvolt-Komponente (HV-Komponente) lässt sich hierbei von der Theorie her in definierte Schaltzustände überführen. Diese sind beispielsweise das Öffnen oder das Schließen eines Schützes oder die gezielte Ansteuerung von Halbleiterelementen.
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Aus der
DE 10 2010 054 413 A1 ist ein Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem System bekannt, das einen DC-Abschnitt mit einer High Side und einer Low Side und einem AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit mindestens einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern, die zwischen der High Side und der Low Side geschaltet ist, aufweist. Der DC-Abschnitt wird mit einer Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle versorgt. Es erfolgt ein Durchschalten des unmittelbar an der HS-Seite anliegenden Leistungsschalters entsprechend einem HS-Durchschaltzustand, ein Durchschalten des unmittelbar an der LS-Seite anliegenden Leistungsschalters entsprechend einem LS-Durchschaltzustand, einem Messen jeweils einer HS-Isolationsspannung zwischen der HS-Seite und einer Masse sowie einer LS-Isolationsspannung zwischen der LS-Seite und der Masse in jedem der beiden Durchschaltzustände und schließlich ein Ermitteln auf der Basis der Messergebnisse, ob ein Isolationsfehler in dem DC-Abschnitt oder AC-Abschnitt vorliegt. Eine detaillierte Darstellung einer beispielhaften dreiphasigen Wechselrichterschaltung in unterschiedlichen Schaltzuständen der Leistungsschaltung und ihren jeweiligen Einfluss auf die Spannungen beziehungsweise Widerstände ist den
3 bis
9 des Dokuments
DE 10 2010 054 413 A1 zu entnehmen, welches hierin durch Verweis in seinem vollständigen Umfang aufgenommen wird. Anhand der Topologie einer derartigen Wechselrichterschaltung lässt sich deren Einfluss auf die Isolationsmessung bei verschiedenen Schaltzuständen erkennen. Eine durchgezogene dicke Linie über das Schaltelement zeigt jeweils einen Durchgriff von dem DC-Netz in das AC-Netz an. Abhängig von der Art des Schattens lässt sich zudem der Isolationswiderstand im AC-Netz den Isolationswiderständen im DC-Netz zuordnen (
3 und
4 der
DE 10 2010 054 413 A1 ).
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Für die Lokalisierung eines fehlerhaften Bauteils ist derzeit ein aufwendiger Ablauf im Service erforderlich. In der Regel muss der Antriebsstrang teilweise ausgebaut werden, um mit zusätzlichen Messgeräten eine mit Isolationsfehler behaftete Hochvolt-Netz-Komponente bestimmen zu können. Dies ist mit hohen Kosten verbunden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Hochvolt-Netz bereitzustellen, welche eine schnellere Lokalisierung eines erkannten Isolationsfehlers in dem Hochvolt-Netz ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Hochvolt-Netz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in einem Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug aus, wobei das Hochvolt-Netz als Netz-Komponenten umfasst einen DC-Netzabschnitt mit einem Plus-Leitungsstrang und einem Minus-Leitungsstrang, und eine Mehrzahl von jeweils an den Plus-Leitungsstrang und den Minus-Leitungsstrang gekoppelten elektronischen und/oder elektromechanischen Leistungsschalteinheiten, wobei zumindest eine der Leistungsschalteinheiten jeweils einen AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit mindestens einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern aufweist, die zwischen dem Plus-Leitungsstrang und dem Minus-Leitungsstrang geschaltet ist. Das Verfahren umfasst (i) ein Ermitteln eines Isolationsfehlers in dem Hochvolt-Netz und (ii) ein Ermitteln eines Plus-Isolationsspannungswerts zwischen dem Plus-Leitungsstrang und einer Masse und eines Minus-Isolationsspannungswerts zwischen dem Minus-Leitungsstrang und der Masse und Ermitteln auf der Basis der Isolationsspannungswerte, ob der Isolationsfehler in dem DC-Netzabschnitt oder einem der jeweiligen AC-Abschnitte vorliegt. Weiterhin umfasst das Verfahren (iii) ein Zuweisen der Netz-Komponenten zu einer Fehler-Gruppe zur weiteren Eingrenzung des ermittelten Isolationsfehlers in Abhängigkeit davon, ob entweder der Isolationsfehler in einem der jeweiligen AC-Abschnitte ermittelt wurde und die jeweilige Netz-Komponente einen AC-Abschnitt aufweist oder ein Isolationsfehler in dem DC-Netzabschnitt ermittelt wurde und die jeweilige Netz-Komponente ausschließlich einen Teil des DC-Netzabschnitts umfasst.
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Abhängig von der Art der Aufteilung eines Plus-Isolationswiderstandswerts zwischen dem Plus-Leitungsstrang und der Masse sowie eines Minus-Isolationswiderstandswerts zwischen dem Minus-Leitungsstrang und der Masse kann sowohl zwischen symmetrischen als auch asymmetrischen Zuständen unterschieden werden. Ist der Plus-Isolationswiderstandswert im Verhältnis zu dem Minus-Isolationswiderstandswert weitaus größer oder kleiner, so spricht man in der Regel von asymmetrischen Zuständen. Sind dagegen die Widerstände ähnlich groß, bevorzugt im Wesentlichen gleich, insbesondere genau gleich, so spricht man von symmetrischen Zuständen.
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Die Symmetrie oder Asymmetrie eines Hochvolt-Netzes kann sowohl durch die berechneten Werte der Isolationswiderstände, nämlich des Plus-Isolationswiderstandswerts und des Minus-Isolationswiderstandswerts, als auch durch die gemessenen Spannungswerte, nämlich dem Plus-Isolationsspannungswert und dem Minus-Isolationsspannungswert ermittelt werden. Die einfachste Vorgehensweise ist die Verwendung der Messspannung. Anhand dieser wird im Folgenden der sogenannte Asymmetrie-Wert gebildet, welcher definiert ist durch die Hälfte des Quotienten aus der Summe des Plus-Isolationsspannungswerts und des Minus-Isolationsspannungswerts als Dividend sowie deren Differenz als Divisor. Der hier beschriebene Asymmetrie-Wert ergibt sich aus den jeweils über eine Periode gemittelten Plus-Isolationsspannungswerten und Minus-Isolationsspannungswerten. Durch die Definition von Grenzbereichen kann anhand des Asymmetrie-Werts ein Asymmetrie-Bit als Indikator definiert werden.
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Das Wissen über den symmetrischen oder asymmetrischen Zustand eines Hochvolt-Netzes kann zur Eingrenzung des Isolationsfehlers auf bestimmte Hochvolt-Komponenten verwendet werden. Hierfür ist das Wissen erforderlich, wie sich die Art des Fehlers als auch der Betriebszustand der Hochvolt-Komponente auf den zu messenden Isolationswert und den ermittelten Asymmetrie-Wert auswirkt. Prinzipiell kann während eines Isolationsfehlers während des Fahrbetriebs von folgender Systematik ausgegangen werden. Hierbei können asymmetrische Zustände im Wesentlichen Komponenten des DC-Netzes zugeordnet werden, während symmetrische Zustände zu Komponenten des AC-Netzes zugeordnet werden können. Dies ist natürlich eine starke Vereinfachung, da theoretisch auch AC-Komponenten wie der Inverter in bestimmten Schaltzuständen asymmetrische Zustände einnehmen können. Da jedoch ein aktiver Kurzschluss der an den Plus-Leitungsstrang gekoppelten Leistungsschalter beziehungsweise der an den Minus-Leitungsstrang gekoppelten Leistungsschalter in der Regel nur im Fehlerfall auftritt, beispielsweise bei einem defekten Resolver, ist diese Vereinfachung durchaus gültig. Es ist jedoch vorteilhaft zu überprüfen, welche möglichen Schaltzustände die untersuchten Hochvolt-Komponenten einnehmen können.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens umfasst ein Deaktivieren genau einer Ausschlusskomponente aus den zu der Fehler-Gruppe zugeordneten Netz-Komponenten, ein erneutes Ausführen der Schritte (i) und (ii), und ein Entfernen der Ausschlusskomponente aus der Fehler-Gruppe, wenn auf der Basis von gegenüber vor dem Deaktivieren ermittelten Isolationsspannungswerten im Wesentlichen unveränderten Isolationsspannungswerten derselbe Isolationsfehler ermittelt wurde.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Entfernen aller zu der Fehler-Gruppe zugeordneten Netz-Komponenten mit Ausnahme der Ausschlusskomponente aus der Fehler-Gruppe, wenn ermittelt wurde, dass ein Isolationsfehler weder in dem DC-Netzabschnitt noch in einem der jeweiligen AC-Abschnitten vorliegt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Signals, wenn nur eine einzige Fehler-Komponente der Netz-Komponenten zu der Fehler-Gruppe zugeordnet ist, wobei das Signal eine eindeutige Identifizierung der Fehler-Komponente beinhaltet.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren ein Zuweisen derjenigen der Netz-Komponenten, welche jeweils einen AC-Abschnitt aufweisen, zu der Fehler-Gruppe, wenn der Isolationsfehler ermittelt wird und keine eindeutige Zuordnung zu dem DC-Netzabschnitt oder einem der jeweiligen AC-Abschnitte möglich ist. Bei mehrdeutigen Ergebnissen sind symmetrische Zustände gewichtiger als asymmetrische Zustände, da ein symmetrischer Zustand immer auf einen Wechselrichter-Betrieb hindeutet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der DC-Netzabschnitt mit einer Gleichspannung kleiner als 60 Volt betrieben.
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Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Hochvolt-Netz für ein Kraftfahrzeug zum Lokalisieren eines Isolationsfehlers in dem Hochvolt-Netz umfassend als Netz-Komponenten einen DC-Netzabschnitt mit einem Plus-Leitungsstrang und einem Minus-Leitungsstrang, und eine Mehrzahl von jeweils an dem Plus-Leitungsstrang und dem Minus-Leitungsstrang gekoppelten elektronischen und/oder elektromechanischen Leistungsschalteinheiten, wobei zumindest eine der Leistungsschalteinheiten jeweils einen AC-Abschnitt einschließlich eines Wechselrichters mit mindestens einer Reihenschaltung aus zwei Leistungsschaltern aufweist, die zwischen dem Plus-Leitungsstrang und dem Minus-Leitungsstrang geschaltet ist. Das Hochvolt-Netz umfasst weiterhin eine Isolationsmesseinrichtung zum Ermitteln eines Isolationsfehlers in dem Hochvolt-Netz, und eine Auswertevorrichtung zum Ermitteln eines Plus-Isolationsspannungswerts zwischen dem Plus-Leitungsstrang und einer Masse und eines Minus-Isolationsspannungswerts zwischen dem Minus-Leitungsstrang und der Masse und Ermitteln auf der Basis der Isolationsspannungswerte, ob der Isolationsfehler in dem DC-Netzabschnitt oder einem der jeweiligen AC-Abschnitte vorliegt. Das Hochvolt-Netz wird gemäß der Erfindung derart weitergebildet, dass die Auswertevorrichtung dazu ausgelegt ist, die Netz-Komponenten zu einer Fehler-Gruppe zur weiteren Eingrenzung des ermittelten Isolationsfehlers in Abhängigkeit davon zuzuweisen, ob entweder ein Isolationsfehler in einem der jeweiligen AC-Abschnitte ermittelt wurde und die jeweilige Netzkomponente einen AC-Abschnitt aufweist oder ein Isolationsfehler in dem DC-Netzabschnitt ermittelt wurde und die jeweilige Netz-Komponente ausschließlich einen Teil des DC-Netzabschnitts umfasst.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Hochvolt-Netz und umgekehrt. Folglich können für Verfahrensmerkmale entsprechende Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochvolt-Netzes,
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2 eine Logik-Tabelle für den Ausschluss eines Isolationsfehlers am Beispiel des Hochvolt-Netzes gemäß der Darstellung in 1, und
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3 eine beispielhafte Anwendung des Diagnose-Algorithmus am Beispiel eines Isolations-Fehlers in der Leistungselektronik während des Fahrbetriebs.
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Ein Hochvolt-Netz 10 für ein Kraftfahrzeug gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der 1 dargestellt. Dabei umfasst das Hochvolt-Netz 10 einen DC-Netzabschnitt mit einem Plus-Leitungsstrang HV+ und einem Minus-Leitungsstrang HV–. Zwischen dem Plus-Leitungsstrang HV+ und dem Minus-Leitungsstrang HV– liegt eine Zwischenkreisspannung U_DC an. Das Hochvolt-Netz 10 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Hochvolt-Batterieanordnung 11 gespeist, welche neben einer Hochvolt-Batterie 12 außerdem ein zweipoliges Hochvolt-Schütz 13 (Batterieschütz) sowie eine Isolationsmesseinrichtung 14 aufweist. Bei der Isolationsmesseinrichtung 14 kann es sich um einen handelsüblichen Isolationswächter handeln. Die Hochvolt-Batterie 12 weist hierbei eine Hochvolt-Batteriespannung U_HV auf, welche auf das Hochvolt-Netz 10 mittels des Hochvolt-Schützes 13 geschaltet werden kann. Bei geschlossenem Hochvolt-Schütz 13 ist die Zwischenkreisspannung U_DC gleich der Hochvolt-Batteriespannung U_HV.
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Weiterhin ist an dem DC-Netzabschnitt eine erste Umrichtereinheit 16a in Form eines dreiphasigen Wechselrichters angeordnet, welcher eine elektrische Maschine 18a für den Antrieb des Kraftfahrzeugs speist. Die erste Umrichtereinheit 16a wird nachfolgend auch als Leistungselektronik (LE) bezeichnet. Eine zweite Umrichtereinheit 16b in Form eines zweiten dreiphasigen Wechselrichters speist einen Klimakompressor 18b. Die elektrischen Verbindungen der beiden Umrichtereinheiten 16a, 16b zu den jeweiligen elektrischen Maschinen (elektrische Maschine 18a beziehungsweise Klimakompressor 18b) sind jeweils als AC-Phasen U, V, W bezeichnet.
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Weiterhin ist an den DC-Netzabschnitt ein DC/DC-Wandler 16c gekoppelt, welcher eine Kleinspannung LV bereitstellt. Das Hochvolt-Netz 10 umfasst weiterhin ein Ladegerät 16d, welches mit einem 230-Volt-Netzanschluss gekoppelt werden kann. Überdies ist mit dem DC-Netzabschnitt ein Zuheizer-Schaltelement 16e gekoppelt, welches zur Schaltung eines PTC-Heizwiderstands 18e dient.
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Weiterhin umfasst das Hochvolt-Netz 10 eine Auswertevorrichtung 15, welche einen Plus-Isolationsspannungswert U_iso+ sowie einen Minus-Isolationsspannungswert U_iso– erfasst. Die jeweils zu einem Plus-Isolationswiderstandswert R_iso+ und einem Minus-Isolationswiderstandswert R_iso– gehörenden Widerstandselemente können aus einer Kombination eines konzentrierten Widerstandsbauelements zur Einstellung eines definierten Grundzustands sowie aus weiteren parasitären leitfähigen Übergängen zwischen dem jeweiligen Plus-Leitungsstrang HV+ und dem Minus-Leitungsstrang HV– zu einer Masse GND vorliegen, wobei diese beliebig über das Hochvolt-Netz 10 verteilt sein können. Die Isolationsmesseinrichtung 14 und die Auswertevorrichtung 15 können in einer gemeinsamen Vorrichtung ausgebildet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Isolationsmesseinrichtung 14 an die Auswertevorrichtung 15 ein Isolationsfehlersignal IF bereitstellt.
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Im Folgenden wird ein Diagnose-Konzept zur Lokalisierung eines Isolationsfehlers in dem Hochvolt-Netz 10 vorgestellt. Die Basis dieses Konzepts ist die Anwendung zweier Methoden. Zum einen, die zuvor dargestellte Asymmetrie-Bestimmung, zum anderen das so genannte Ausschluss-Verfahren. Wie in 2 zu sehen ist, kann das zu untersuchende Hochvolt-Netz 10 rein theoretisch 27 (= 128) mögliche Zustände annehmen. Um die Anzahl der möglichen Kombination stark zu vereinfachen werden nur Zustände ausgewertet, welche einen eindeutigen Ausschluss einer Komponente ermöglichen. Als Beispiel gilt hier beispielsweise, dass eine Komponente deaktiviert ist und dennoch ein Isolationsfehler vorliegt, oder beispielsweise eine Komponente aktiviert ist und ein Isolationsfehler nicht vorhanden ist. Die zweite Aussage ist jedoch von ihrer Bedeutung schwächer anzusehen als die der ersten Bedingung, da es hier im Falle von sporadischen Fehlern zu Fehlaussagen führen kann. Zu beachten ist hierbei des Weiteren, dass das Hochvolt-Schütz 13 geschlossen ist beziehungsweise eine Spannung zwischen dem Plus-Leitungsstrang HV+ und dem Minus-Leitungsstrang HV– aufgebaut ist.
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Ergänzt wird diese Logik mit dem Wissen über symmetrische und asymmetrische Zustände im Hochvolt-Netz 10, da im Falle eines asymmetrischen Fehlers alle Hochvolt-Komponenten mit AC-Teilsystemen ausgeschlossen werden können und umgekehrt. Dieser Ansatz der Symmetrie unterstützt den hier beschrieben Algorithmus erheblich, da so eine Vielzahl von Hochvolt-Komponenten ausgeschlossen werden können und vereinfacht besonders die Eingrenzung von DC-Fehlern und insbesondere von Isolationsfehlern im Hochvolt-Leitungssatz.
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Die hier beschriebene Vorgehensweise kann sowohl als Onboard- als auch als Offboard-Variante verwendet werden und kann zudem durch aktive Ansteuerung von einzelnen Hochvolt-Komponenten ergänzt werden.
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2 zeigt eine Logik-Tabelle für den Ausschluss eines Isolationsfehlers in den einzelnen Netz-Komponenten. In der ersten Spalte sind Zustände State1 bis State12 gelistet, die nächste Spalte beinhaltet das zweipolige Hochvolt-Schütz 13 („HV-Schütz”), die nächste Spalte den als Leistungselektronik „LE” abgekürzten Umrichter 16a, die nächste Spalte den als „DCDC” abgekürzten DC/DC-Wandler 16c, in der nächsten Spalte „EAC” die zweite Umrichtereinheit 16b sowie den Klimakompressor 18b, weiterhin in der folgenden Spalte das Ladegerät 16d (On-Bord-Loader „OBL”) sowie der elektrische PTC-Zuheizer („PTC”) mit dem Zuheizer-Schaltelement 16e und dem PTC-Heizwiderstand 18e. In der nächsten Spalte ist jeweils angegeben, ob ein Isolations-Fehler vorliegt oder nicht und schließlich in der letzten Spalte ist die entsprechende Schlussfolgerung für die Einkreisung des Isolations-Fehlers dargestellt. Weiterhin ist eine Einteilung in asymmetrische Fehler und symmetrische Fehler dargestellt. Überdies sind jeweils durch eine Ellipse zusammengefasst Zustands-Paare markiert, welche in Kombination einen eindeutigen Rückschluss darauf zulassen, ob die jeweilige Komponente einen Isolationsfehler aufweist oder nicht.
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Im Folgenden wird das Diagnose-Konzept anhand eines Beispiels näher erläutert. Beschrieben wird ein Isolationsfehler in der Leistungselektronik während des Fahrbetriebs. Ein Isolationsfehler in der Leistungselektronik erzeugt hierbei während eines normalen PWM-Betriebs (RUN) einen symmetrischen Fehler, der in diesem Beispiel anhand des Wertes 0 dargestellt ist. In der Start- oder Aktivierungsphase können in diesem Fall alle DC-Komponenten wie beispielsweise HV-Leitungssatz also auch PTC-Zuheizer ausgeschlossen werden. Diese Phase erfolgt einmalig nach der Auslösung eines Isolationsfehlers. Kombiniert werden kann das Wissen über den Symmetrie-Zustand mit den Betriebs-Zuständen der HV-Komponenten. Im Falle des gewählten Beispiels gemäß 3 zeigt es sich, dass der OBL während der Fahrt deaktiviert war und so ebenfalls nicht am entstehenden Isolationsfehler beteiligt sein konnte. Übrig bleiben die Komponenten Leistungselektronik (LE), Elektrischer Kältemittelverdichter (EAC) und DC/DC-Wandler (DCDC).
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In Phase 2 wird während der verbleibenden Fahrzeit nun permanent die verbleibenden HV-Komponenten auf die Erfüllung einer der Bedingungen für den Ausschluss einer der Komponenten überprüft. Wird beispielsweise während der Fahrzeit der EAC deaktiviert und dennoch steht ein Isolationsfehler im System an, so kann auch diese Komponente ausgeschlossen werden. Es ist davon auszugehen, dass in den hier beschriebenen Beispiel zum Ende der Fahrt die Leistungselektronik als auch der DC/DC-Wandler als mögliche Kandidaten für einen Isolationsfehler gelten, da durch die Stop-/Start-Verhinderung sich die LE im dauerhaften RUN-Betrieb befindet und auch der DC/DC-Wandler sich nicht abschalten konnte, da dieser im Buck-Betrieb das LV-System stützen musste.
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Ist eine vollständige Eingrenzung des Isolationsfehlers erforderlich, so muss in Phase 3 mittels aktiver Ansteuerung der Leistungselektronik und des DC/DC-Wandlers der Fehler weiter eingegrenzt werden, bis nur noch die Leistungselektronik als Verursacher übrig bleibt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Lokalisieren eines Isolations-Fehlers in dem Hochvolt-Netz 10. In der ersten Phase erfolgt ein Start der Auswertung. Es wird ein Asymmetrie-Bit = 0 ermittelt. Damit ergibt sich ein möglicher Fehlerrektor = [001111]. Das heißt, die Komponenten DC und PTC, welche typischerweise einen asymmetrischen Isolationsfehler verursachen, fallen weg und übrig bleiben die üblicherweise symmetrische Isolationsfehler verursachenden LE, EAC, DC/DC und OBL. In der zweiten Phase kann eine Auswertung während der Fahrt erfolgen. Auf der Basis des gewählten Beispiels zeigt sich somit ein Fehlervektor = [00110] für die Zuordnung, aufgrund der Deaktivierung des OBL während der Fahrt. Des Weiteren wird nun auch noch die Komponente EAC als möglicher Verursacher des Isolationsfehlers ausgeschlossen, wodurch sich der Zuordnungsvektor = [001010] ergibt. In der dritten Phase erfolgt nun eine aktive Ansteuerung der Hochvolt-Komponenten. Diese beginnt mit einer Ansteuerung des DC/DC-Wandlers 16c („DCDC”).
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Die Erfindung umfasst bevorzugt eine automatisierte Prüfprozedur zur Fehlerlokalisierung. Ziel ist die direkte Fehlereingrenzung im Service mittels Diagnosetester ohne zusätzliches Messequipment. Hierdurch ergeben sich Kosten- und Zeitersparnis im Servicefall.
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Nachfolgend werden Bedingungen für die Anwendung des Lokalisierungs-Konzepts im Offboard-Bereich diskutiert. Die Anwendung des hier beschriebenen Konzepts zur Lokalisierung von Isolationsfehlern stellt den Anwender im Service-Bereich vor besonderen Herausforderungen. Problematisch könnte sein, dass eine Zuschaltung des Hochvolt-Schützes 13 bei vorhandenem Isolationsfehler nicht mehr möglich ist. Dies gilt auch bei einer aktiven Ansteuerung des Hochvolt-Schützes 13 per Diagnose.
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Das Anliegen einer Spannung (U_DC) im Zwischenkreis ist jedoch die Grundlage für das hier beschriebene Diagnosekonzept. Aus diesem Grund werden Hardware-Änderungen vorgeschlagen, welche wie folgt lauten:
- • Anlegen einer Messspannung kleiner 60 Volt zwischen dem Plus-Leitungsstrang HV+ und dem Minus-Leitungsstrang HV– welche galvanisch zur Masse GND des Kraftfahrzeugs getrennt ist,
- • gezielte Ansteuerung der Isolationswächter-Funktionen (Messung Intern, Messung Extern, Deaktivieren aller Messfunktionen), und
- • Aufrechterhaltung einer permanenten Spannungsmessung des Plus-Isolationsspannungswerts U_iso+ und des Minus-Isolationsspannungswerts U_iso–.
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Für die Umsetzung der Anforderungen stehen verschiedene Konzepte zur Verfügung. Diese sind beispielsweise die Anwendung des DC/DC-Wandlers 16c und dessen Boost-Funktion, die Verwendung einer erweiterten Vorlade-Funktion oder die Verwendung einer Isolationswächter-Messspannung als Spannungsquelle durch Umpolung. Dieser liegt die Idee zugrunde, die Spannungsquelle des Isolationswächters für die Generierung einer Spannungsdifferenz zwischen dem Plus-Leitungsstrang HV+ und dem Minus-Leitungsstrang HV– zu verwenden. Notwendig wäre hierzu ein entsprechendes Schaltnetzwerk für die Umpolung der Spannungsquelle sowie die Möglichkeit der Deaktivierung des Takt-Betriebs.
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Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich Ablaufschritte, welche zur Eingrenzung des Isolationsfehlers dienen, eingefügt und/oder in ihrer Reihenfolge vertauscht werden, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
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Somit wurde voranstehend gezeigt, wie eine Lokalisierung von Isolationsfehlern in Hochvolt-Antriebssystemen zeit- und kostensparend realisiert sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochvolt-Netz
- 11
- Hochvolt-Batterieanordnung
- 12
- Hochvolt-Batterie
- 13
- Hochvolt-Schütz
- 14
- Isolationsmesseinrichtung
- 15
- Auswertevorrichtung
- 16a
- erste Umrichtereinheit
- 16b
- zweite Umrichtereinheit
- 16c
- DC/DC-Wandler
- 16d
- Ladegerät
- 16e
- Zuheizer-Schaltelement
- 18a
- elektrische Maschine
- 18b
- Klimakompressor
- 18e
- PTC-Heizwiderstand
- asym
- Asymmetrie-Wert
- GND
- Masse
- HV–
- Minus-Leitungsstrang
- HV+
- Plus-Leitungsstrang
- HV_states
- Fehlervektor
- ID
- Fehleridentifikationssignal
- IF
- Isolationsfehlersignal
- LV
- Kleinspannung
- R_iso–
- Minus-Isolationswiderstandswert
- R_iso+
- Plus-Isolationswiderstandswert
- U, V, W
- AC-Phasen
- U_DC
- Zwischenkreisspannung
- U_HV
- Hochvolt-Batteriespannung
- U_iso–
- Minus-Isolationsspannungswert
- U_iso+
- Plus-Isolationsspannungswert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054413 A1 [0006, 0006, 0006]
