-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Bestimmung eines Isolationswiderstands einer Batterie, die insbesondere im Hochvoltbereich einsetzbar ist.
-
Bei Hochvolteinrichtungen ist es aus Sicherheitsgründen wichtig, Isolationswiderstände bestimmen zu können.
-
WO 2011/160881 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Isolationswiderstandes eines ungeerdeten elektrischen Netzes, bei dem eine Messspannung über einen Spannungsteiler in das Netz eingespeist wird, ein nach Anlegen der Messspannung fließender Messstrom zu zumindest drei unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Einschwingvorganges des Netzes gemessen wird und abhängig von den Messergebnissen der Isolationswiderstand bestimmt wird. Es kann bei einem hohen Bauelementaufwand nur der gesamte Isolationswiderstand bestimmt werden, Teilisolationswiderstände können hingegen nicht bestimmt werden.
-
DE 196 18 897 B4 beschreibt eine Schaltung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes einer Batterie (Akkumulator) im Inselbetrieb durch Messung einer Leerlaufspannung und einer Belastungsspannung, wobei an die Batterieklemmen eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren zur Speicherung der Spannungswerte während der Messung und der gemeinsame Punkt der Kondensatoren mit einem Ableitwiderstand verbunden ist. Hierbei sind lange Messzeiten bei großen Isolationskapazitäten erforderlich.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zumindest einen der vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Möglichkeit bereitzustellen, effizient einen Isolationswiderstand einer Batterie im Hochvoltbereich zu bestimmen. Beispielsweise können dabei Kosten- und Materialaufwand sowie die Zeit zur Durchführung der Messung gegenüber bekannten Ansätzen verbessert werden.
-
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Isolationsgröße eines Netzes vorgeschlagen,
- – bei dem eine Messanordnung temporär mit dem Netz und einem Bezugspunkt verbunden wird, umfassend die Schritte:
- – Messen einer ersten Spannung an dem Netz, wenn die Messanordnung nicht mit dem Netz verbunden ist,
- – Verbinden der Messanordnung mit dem Netz,
- – Messen einer zweiten Spannung an dem Netz,
- – Trennen der Messanordnung von dem Netz,
- – Messen einer dritten Spannung an dem Netz und
- – Bestimmen einer Isolationsgröße basierend auf mindestens einem Element der Messanordnung, der ersten Spannung, der zweiten Spannung und der dritten Spannung.
-
Insbesondere wird dadurch eine Isolationsmessung mit reduziertem Kosten- und Materialaufwand ermöglicht. Ferner kann die Dauer der Isolationsmessung deutlich reduziert werden.
-
Die zweite Spannung und die dritte Spannung werden beispielsweise gemessen als Spannungen, die an der Messanordnung abfallen. Insbesondere kann die erste Spannung zwischen dem Netz und dem Bezugspunkt bestimmt werden. Bei der Messanordnung kann es sich insbesondere um eine Hilfsschaltung handeln.
-
Die Messungen der Spannungen können z.B. mittels einer Verarbeitungseinheit durchgeführt werden. Insbesondere kann die Messanordnung von dieser Verarbeitungseinheit gesteuert werden, so dass sie temporär mit dem Netz verbindbar ist. Die Trennung der Messanordnung von dem Netz kann z.B. durch zeitweises Unterbrechen einer Verbindung zwischen Netz und Messanordnung erfolgen.
-
Bei dem Bezugspunkt handelt es sich z.B. um Masse. Die Masse kann bei einem Fahrzeug z.B. einer Verbindung zu der Karosserie oder zu einem sonstigen Bezugspotential entsprechen.
-
Eine Weiterbildung ist es, dass die Isolationsgröße eine Isolationskapazität oder ein Isolationswiderstand ist.
-
Eine andere Weiterbildung ist es, dass das Netz ein elektrisches Versorgungsnetz ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Netz um ein elektrisches Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs handeln. Das Netz kann insbesondere mindestens eine Gleichspannungsquelle, z.B. Batterie umfassen.
-
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die Messanordnung mittels eines Schalters temporär mit dem Netz, insbesondere zwischen einem Versorgungsanschluss des Netzes und dem Bezugspunkt (z.B. Masse), verbindbar ist.
-
Der Schalter kann ein elektronischer oder ein mechanischer Schalter sein.
-
Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Messanordnung eine Reihenschaltung aus einem Kondensator, einem Widerstand und einem Schalter aufweist, wobei parallel zu dem Kondensator ein weiterer Widerstand angeordnet ist.
-
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass nach dem Verbinden der Messanordnung mit dem Netz eine vorgegebene Einschwingzeit gewartet wird, bevor die zweite Spannung gemessen wird.
-
Diese Einschwingzeit kann bestimmt sein durch eine Zeitkonstante τ (RC-Glied) aus dem Widerstand und dem Kondensator der Messanordnung, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Diese Zeitkonstante τ kann deutlich größer dimensioniert sein als die Zeit, während der die Messanordnung mit dem Netz verbunden ist.
-
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung wird nach dem Trennen der Messanordnung von dem Netz eine vorgegebene Zeitdauer abgewartet, bevor die dritte Spannung gemessen wird.
-
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass als Isolationsgröße ein parallelgeschalteter Isolationswiderstand gemessen wird gemäß
mit
CP = Cm· U12 / U11 – U12 wobei
- RP
- den parallelgeschalteten Isolationswiderstand,
- CP
- eine parallelgeschaltete Isolationskapazität,
- U11
- die erste Spannung,
- U12
- die zweite Spannung,
- U1(t1)
- die dritte Spannung,
- t1
- die vorgegebene Zeitdauer bevor die dritte Spannung gemessen wird und
- Cm
- einen Isolationskondensator der Messanordnung,
bezeichnen.
-
Eine Ausgestaltung ist es, dass
- – eine vierte Spannung gemessen wird, bevor die Messanordnung mit dem Netz verbunden wird, wobei die vierte Spannung gemessen wird zwischen dem Bezugspunkt und einem Versorgungsanschluss des Netzes, der nicht für die Messung der zweiten Spannung verwendet wird, sowie
- – Isolationswiderstände R1 und R2 des Netzes bestimmt werden gemäß R1 = RP·(1 – U11 / U21) und R2 = –R1·U11 / U21 wobei
- R1
- einen Isolationswiderstand parallel zu der Messanordnung,
- R2
- einen Isolationswiderstand, an dem die vierte Spannung abfällt, und
- U21
- die vierte Spannung
bezeichnen.
-
Weiterhin ist es eine Ausgestaltung, dass die Zeitdauer t1 von einer Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers abhängt.
-
Auch wird zur Lösung der obigen Aufgabe eine Vorrichtung vorgeschlagen zur Bestimmung einer Isolationsgröße eines Netzes umfassend eine Messanordnung und eine Verarbeitungseinheit, wobei die Messanordnung temporär mit dem Netz und einem Bezugspunkt verbindbar ist und wobei die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist zum
- – Messen einer ersten Spannung an dem Netz, wenn die Messanordnung nicht mit dem Netz verbunden ist,
- – Verbinden der Messanordnung mit dem Netz,
- – Messen einer zweiten Spannung an dem Netz,
- – Trennen der Messanordnung von dem Netz,
- – Messen einer dritten Spannung an dem Netz und
- – Bestimmen einer Isolationsgröße basierend auf mindestens einem Element der Messanordnung, der ersten Spannung, der zweiten Spannung und der dritten Spannung.
-
Hierbei sei angemerkt, dass die Messanordnung und die Verarbeitungseinheit in einer gemeinsamen Komponente oder Einheit implementiert sein können. Insbesondere kann die Messanordnung eine entsprechende Verarbeitungseinheit aufweisen oder es kann die Verarbeitungseinheit mindestens eine der hierin beschriebenen Messanordnungen umfassen.
-
Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung um eine Schaltung handeln. Die Vorrichtung kann beispielhaft Hardware und/oder Software umfassen.
-
Auch wird zur Lösung der Aufgabe ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen umfassend mindestens eine Vorrichtung wie hierin beschrieben.
-
Die Ausführungen betreffend das Verfahren gelten für die anderen Anspruchskategorien entsprechend und umgekehrt.
-
Anwendungen für die hier beschriebenen Ansätze sind beispielsweise eine Isolationsmessung in einem Hochvoltsystem. Ein solches Hochvoltsystem kann z.B. eine Batterie umfassen, die eine Spannung von mehr als 50 V, insbesondere mehr als 100 V bereitstellt.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
-
Es zeigen:
-
1 eine beispielhafte Umsetzung für eine Schaltung zur Bestimmung eines Isolationswiderstands einer Batterie und
-
2 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Durchführung einer Messung eines Isolationswiderstands mit einer solchen Schaltung.
-
Für ein Netz bzw. an einem Netz soll ein Isolationswiderstand bestimmt werden. Das Netz umfasst insbesondere eine Energiequelle, z.B. eine Batterie, die über elektrische Leitungen (z.B. mehradrige Kabel) mit mindestens einem Verbraucher verbunden ist. Bei der Batterie kann es sich um eine wieder aufladbare Batterie handeln. Das Netz kann z.B. Teil eines autonomen Systems, z.B. ein Energieversorgungsnetz in einem Fahrzeug, sein.
-
Beispielsweise wird an mindestens einem Punkt des Netzes eine Spannung gemessen. Anschließend kann mit dem Netz temporär (z.B. für eine vorgegebene Zeitdauer) eine Messanordnung verbunden werden. Bei der Messanordnung handelt es sich beispielsweise um eine Schaltung umfassend mindestens einen Widerstand und mindestens einen Kondensator. Mittels der Messanordnung wird eine Spannungsänderung gemessen und anhand dieser Spannungsänderung kann eine Isolationskapazität des Netzes bestimmt werden. Die Messanordnung wird von dem Netz getrennt und aus einer zeitlich variablen Spannungsänderung kann ein Isolationswiderstand ermittelt werden.
-
1 zeigt eine Messanordnung in Form einer Schaltung 110 zur Bestimmung zumindest eines Isolationswiderstands einer Batterie 101. Die Schaltung 110 ist zwischen der Batterie 101 und Masse 111 angeordnet.
-
Die Batterie 101 weist zwei Anschlüsse 103 und 104 auf, die auch als Pole der Batterie bezeichnet werden und an die mindestens ein Verbraucher angeschlossen werden kann. Die Batterie 101 ist beispielsweise als eine Hochvolt-Batterie ausgeführt und stellt eine Spannung von 100 V oder mehr bereit.
-
Ein Ersatzschaltbild 102 umfasst die Batterie 101 mit den Anschlüssen 103, 104 sowie zwei Isolationswiderstände R1, R2 und zwei Isolationskondensatoren C1 und C2. Die Isolationswiderstände R1 und R2 sind miteinander in Reihe geschaltet und diese Reihenschaltung ist parallel zu der Batterie 101 angeordnet. Parallel zu dem Isolationswiderstand R1 ist der Isolationskondensator C1 angeordnet und parallel zu dem Isolationswiderstand R2 ist der Isolationskondensator C2 angeordnet. Der Mittenabgriff der Reihenschaltung aus den Isolationswiderständen R1, R2 (sowie den Isolationskapazitäten C1, C2) ist als Knoten 109 bezeichnet. Der Knoten 109 ist beispielhaft mit Masse 111, z.B. der Karosserie des Kraftfahrzeugs, als Bezugspotential verbunden.
-
Die Schaltung 110 ist zumindest temporär mit der Batterie 101 verbunden, indem sie über einen Anschluss 116 mit dem Anschluss 103 und über einen Anschluss 117 mit Masse 111 verbindbar ist. Die Schaltung 110 weist einen Kondensator Cm, einen Widerstand Rm1, einen Widerstand Rm2 und einen Schalter S1 auf. Der Anschluss 116 ist über eine Reihenschaltung umfassend den Kondensator Cm, den Widerstand Rm1 und den Schalter S1 mit dem Anschluss 117 verbunden. Parallel zu dem Kondensator Cm ist der Widerstand Rm2 angeordnet. Der Schalter S1 kann einen elektronischen Schalter, z.B. einen Transistor, oder einen mechanischen Schalter oder Taster umfassen.
-
Der Schalter S1 kann z.B. von einer Steuer- und/oder Berechnungseinheit angesteuert werden (nicht in 1 dargestellt). Diese kann zum Erfassen der Messwerte und zum Berechnen des Isolationswiderstands eingerichtet sein.
-
Eine Spannung U1 fällt zwischen dem Anschluss 103 und dem Knoten 109 ab, eine Spannung U2 fällt zwischen dem Knoten 109 und dem Anschluss 104 ab.
-
Es werden die folgenden Bezeichnungen verwendet:
- – U11 bezeichnet die Spannung U1 während der Zeit, in der der Schalter S1 geöffnet ist.
- – U21 bezeichnet die Spannung U2 während der Zeit, in der der Schalter S1 geöffnet ist.
- – UC(t) bezeichnet die Spannung U1 in der Zeit, nachdem der Schalter S1 geschlossen war und wieder geöffnet wurde.
- – U12 bezeichnet die Spannung U1 kurz vor dem Öffnen des Schalters S1, diese Spannung U12 ist gleich der Spannung UC(t = 0) unmittelbar nach dem Öffnen des Schalters S1.
-
2 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Messung der Isolationswiderstände R1 und R2.
-
In einem Schritt 201 wird die Messung gestartet. Dies kann z.B. vor einem Start des Fahrzeugs erfolgen. Somit kann rechtzeitig vor dem Fahrzeugstart bestimmt werden, ob Isolationswiderstände vorbestimmte Kriterien einhalten.
-
In einem Schritt 202 wird die Spannung U11 gemessen. Optional kann auch die Spannung U21 gemessen werden. Falls lediglich die Parallelschaltung der Isolationswiderstände R1 und R2 bestimmt werden soll, kann die Messung der Spannung U21 entfallen.
-
In einem Schritt 203 wird der Schalter S1 geschlossen.
-
In einem Schritt 204 wird eine vorgegebene Einschwingzeit abgewartet. Diese Einschwingzeit kann beeinflusst sein durch die Zeitkonstante τ = Rm1·Cm.
-
Vorzugsweise ist die Zeitkonstante τ jedoch deutlich größer dimensioniert als die Zeit, während der der Schalter S1 geschlossen ist. Beispielsweise kann die Zeitkonstante τ um mindestens einen Faktor 2 oder mindestens einen Faktor 10 größer sein als die Zeitdauer während der der Schalter S1 geschlossen ist.
-
In einem Schritt 205 wird die Spannung U12 = U1(t = 0) zu dem Zeitpunkt t = 0 gemessen.
-
In einem Schritt 206 wird der Schalter S1 geöffnet. Ein derartiges Ausschalten entspricht einer Zeit t0 = 0.
-
In einem Schritt 207 wird eine vorgegebene Zeitdauer abgewartet. Vorzugsweise entspricht die Wartezeit der Auflösung eines Analog-Digital-Wandlers: Je höher die Auflösung des Wandlers, desto geringer kann die Wartezeit ausfallen, weil bereits nach kurzer Zeit nach t0 = 0 ein digitaler Wert für die Spannung U1 bestimmt werden kann.
-
In einem Schritt 208 wird die Spannung U1(t) gemessen.
-
In einem Schritt 209 wird mindestens eine Isolationsgröße bestimmt, z.B. basierend auf mindestens einer der nachfolgend beschriebenen Berechnungen.
-
Zunächst wird eine parallelgeschaltete Isolationskapazität CP bestimmt zu: CP = Cm· U12 / U11 – U12
-
Hieraus folgt ein parallelgeschaltete Isolationswiderstand RP gemäß:
-
Der Zeitpunkt t1 entspricht der Zeit, in dem die Messung gemäß Schritt 208 durchgeführt wird.
-
Hieraus lassen sich die einzelnen Isolationswiderstände bestimmen gemäß: R1 = RP·(1 – U11 / U21) R2 = –R1·U11 / U21
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Batterie (Hochvolt-Batterie)
- 102
- Ersatzschaltbild der Batterie 101
- 103
- Anschluss der Batterie 101
- 104
- Anschluss der Batterie 101
- 109
- Knoten
- 110
- Schaltung zum Messen des Isolationswiderstands der Batterie 101
- 111
- Masse
- 116
- Anschluss der Schaltung 110
- 117
- Anschluss der Schaltung 110
- 201 bis 208
- Verfahrensschritt
- C1, C2
- Isolationskondensator
- Cm
- Kondensator
- R1, R2
- Isolationswiderstand
- Rm1
- Widerstand
- Rm2
- Widerstand
- t
- Zeit
-
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
-
- WO 2011/160881 A1 [0003]
- DE 19618897 B4 [0004]
