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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein die Leckstromerkennung bei Fahrzeugen mit Hochspannungsbus.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Hybrid-Elektrofahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug weist eine Fahrbatterie auf, die sich aus mehreren in Reihe und/oder parallel geschalteten Batteriezellen zusammensetzt. Die Fahrbatterie liefert Energie für den Fahrzeugantrieb und für Zubehörkomponenten. Die Fahrbatterie arbeitet typischerweise bei hohen Spannungen. Unter normalen Bedingungen wird ein Hochspannungssystem mit einem hohen Widerstand zwischen den Polen der Fahrbatterie und Erde ausgelegt. Aus einer Reihe von Gründen ist es jedoch möglich, dass während des Betriebs der Leckwiderstand abnimmt. Viele Hochspannungssysteme weisen Schaltungen auf, um das Vorhandensein eines anomalen Leckstroms in einer Fahrbatterie zu überwachen und zu erkennen.
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KURZFASSUNG
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Ein Fahrzeug umfasst einen Spannungsbus, einen Umrichter, der dafür ausgelegt ist, den Spannungsbus selektiv mit einer elektrischen Maschine zu koppeln, und ein Schaltelement, das in einer Schaltung angeordnet ist, die den Spannungsbus und ein Chassis des Fahrzeugs einschließt. Das Fahrzeug weist ferner wenigstens eine Steuereinheit auf, die dafür programmiert ist, während das Schaltelement geschlossen ist, den Umrichter zu betreiben, um Anschlüsse der elektrischen Maschine mit einem gemeinsamen Leiter des Spannungsbusses zu koppeln, um einen Leckpfad zum Chassis zu erkennen. Die Schaltung kann einen Spannungsmesswiderstand, der elektrisch mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden ist, und einen Strombegrenzungswiderstand, der elektrisch mit dem Spannungsbus verbunden ist, aufweisen, wobei das Schaltelement den Spannungsmesswiderstand und den Strombegrenzungswiderstand selektiv koppelt. Die wenigstens eine Steuereinheit kann ferner dafür programmiert sein, das Schaltelement dazu zu betreiben, den Spannungsmesswiderstand und den Strombegrenzungswiderstand zu koppeln und eine Spannung durch den Spannungsmesswiderstand zu messen, um einen Leckwiderstand zum Chassis zu schätzen. Der Leckpfad kann erkannt werden, wenn ein Leckwiderstand, der dem Leckpfad zugeordnet ist, kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist, wobei der Leckwiderstand auf einer Spannung durch den Spannungsmesswiderstand und einer Spannung des Spannungsbusses basiert. Der gemeinsame Leiter des Spannungsbusses kann eine positive Seite des Spannungsbusses sein. Der gemeinsame Leiter des Spannungsbusses kann eine negative Seite des Spannungsbusses sein. Die Anschlüsse der elektrischen Maschine können mit dem gemeinsamen Leiter des Spannungsbusses für eine vorabbestimmte Zeitdauer gekoppelt werden. Die wenigstens eine Steuereinheit kann ferner dafür programmiert sein, eine Diagnoseanzeige auszugeben, wenn ein Leckwiderstand, der dem Leckpfad zum Chassis zugeordnet ist, kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist. Der Leckpfad zum Chassis kann erkannt werden, wenn ein Leckwiderstand, der dem Leckpfad zugeordnet ist, kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist.
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Ein Verfahren, das als eine Abfolge von Anweisungen in einer Steuereinheit ausgeführt wird, beinhaltet das Entkoppeln einer Fahrbatterie von einem Spannungsbus und das Erkennen eines ersten Leckwiderstands, das Koppeln der Fahrbatterie mit dem Spannungsbus und das Erkennen eines zweiten Leckwiderstands sowie das Koppeln der Anschlüsse einer elektrischen Maschine mit einem gemeinsamen Leiter des Spannungsbusses, der mit der Fahrbatterie gekoppelt ist, und das Erkennen eines dritten Leckwiderstands. Das Verfahren kann ferner beinhalten, eine Diagnose zur Isolierung der Fahrbatterie auszugeben, wenn der erste Leckwiderstand kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist. Das Verfahren kann ferner umfassen, eine Diagnose zur Isolierung des Spannungsbusses auszugeben, wenn der zweite Leckwiderstand kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist und der erste Leckwiderstand größer als der vorabbestimmte Widerstand ist. Das Verfahren kann ferner umfassen, eine Diagnose zur Isolierung der elektrischen Maschine auszugeben, wenn der dritte Leckwiderstand kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist und der erste Leckwiderstand und der zweite Leckwiderstand größer als der vorabbestimmte Widerstand sind. Das Erkennen des ersten Leckwiderstands, des zweiten Leckwiderstands und des dritten Leckwiderstands kann ferner beinhalten, durch die Steuereinheit ein Schaltelement zu schließen, das in einer Schaltung angeordnet ist, die den Spannungsbus und ein Chassis des Fahrzeugs einschließt, und eine Spannung in der Schaltung zu messen.
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Ein Verfahren, das als eine Abfolge von Anweisungen in einer Steuereinheit ausgeführt wird, beinhaltet das Schließen eines Schaltelements, um einen Leckstromerkennungspfad zwischen einem Spannungsbus und einem Chassis eines Fahrzeugs zu schalten, die Anschlüsse einer elektrischen Maschine mit einem gemeinsamen Leiter des Spannungsbusses zu koppeln, wenn eine Fahrbatterie mit dem Spannungsbus gekoppelt ist, und eine Spannung im Leckstromerkennungspfad zu messen, um einen Leckwiderstand zu schätzen. Der Leckstromerkennungspfad kann mit einem Leiter des Spannungsbusses verbunden sein, der von dem gemeinsamen Leiter verschieden ist. Das Verfahren kann ferner beinhalten, eine Diagnose zur Isolierung der elektrischen Maschine auszugeben, wenn der Leckwiderstand kleiner als ein vorabbestimmter Widerstand ist. Die Spannung kann durch einen Widerstand in einem Leckstromerkennungspfad gemessen werden. Das Verfahren kann ferner beinhalten, die Anschlüsse der elektrischen Maschine für eine vorabbestimmte Zeitdauer mit dem gemeinsamen Leiter des Spannungsbusses zu koppeln. Die vorabbestimmte Zeitdauer kann eine vorabbestimmte Anzahl von Leckstromerkennungszyklen sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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ist eine Darstellung eines Hybridfahrzeugs, die typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
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ist eine Darstellung einer möglichen Batteriepaketanordnung bestehend aus mehreren Zellen, und überwacht und gesteuert durch ein Batterieenergie-Steuermodul (Battery Energy Control Module, BECM).
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ist eine Darstellung eines möglichen Systems zum Erkennen eines Leckwiderstands.
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und 4B sind Darstellungen, die mögliche Leckpfade veranschaulichen.
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ist ein Flussdiagramm, das mögliche Operationen veranschaulicht, die in einer Steuereinheit implementiert sein können, um einen Leckwiderstand in einem Hochspannungssystem zu erkennen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische, hier offenbarte strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen. Wie ein durchschnittlicher Fachmann verstehen wird, sind verschiedene unter Bezugnahme auf irgendeine der Abbildungen veranschaulichte und beschriebene Merkmale kombinierbar mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Abbildungen veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von Merkmalen ergeben repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die im Einklang mit dieser Offenbarung stehen, könnten jedoch für besondere Anwendungen oder Implementierungen gewünscht werden.
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zeigt ein typisches Plugin-Hybridfahrzeug (Plug-in Hybrid-Electric Vehicle, PHEV). Ein typisches Plugin-Hybridfahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschine(n) 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybrid-Getriebe 16 verbunden ist/sind. Die elektrischen Maschinen 14 sind unter Umständen in der Lage, als Motor oder als Generator betrieben zu werden. Weiterhin ist das Hybrid-Getriebe 16 mechanisch mit einer Kraftmaschine 18 verbunden. Das Hybrid-Getriebe 16 ist außerdem mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können Antriebs- oder Verzögerungspotenzial bereitstellen, wenn die Kraftmaschine 18 ein- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 14 können auch als Generatoren fungieren und Vorteile in der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bieten, indem Energie, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde, zurückgewonnen wird. Die elektrischen Maschinen 14 können außerdem die Emissionen des Fahrzeugs reduzieren, indem sie es ermöglichen, die Kraftmaschine 18 mit effizienteren Drehzahlen zu betreiben, und indem sie es ermöglichen, das Hybrid-Elektrofahrzeug 12 in einer elektrischen Betriebsart zu betreiben, in der die Kraftmaschine 18 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist.
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Eine Fahrbatterie oder ein Batteriepaket 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Das Batteriepaket des Fahrzeugs 24 stellt typischerweise einen Hochspannungs-Gleichstromausgang bereit. Die Fahrbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodul(en) 26 verbunden. Ein oder mehrere Kontaktgeber 42 kann/können bei geöffnetem Zustand die Fahrbatterie 24 von anderen Komponenten isolieren und bei geschlossenem Zustand die Fahrbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden. Das Leistungselektronikmodul 26 ist auch elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden und bietet die Möglichkeit, Energie zwischen der Fahrbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 in beide Richtungen zu übertragen. So kann beispielsweise eine typische Fahrbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 mit einem Dreiphasen-Wechselstrom arbeiten können. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in Dreiphasen-Wechselstrom für die elektrischen Maschinen 14 umwandeln. In einer regenerativen Betriebsart kann das Leistungselektronikmodul 26 den Dreiphasen-Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in Gleichspannung umwandeln, die für die Fahrbatterie 24 geeignet ist. Die vorliegende Beschreibung ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybrid-Getriebe 16 als Getriebe ausgeführt sein, das mit der elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und die Kraftmaschine 18 ist unter Umständen nicht vorhanden.
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Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Fahrbatterie 24 Energie für andere Elektrosysteme im Fahrzeug bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 28 aufweisen, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgangsleistung der Fahrbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichspannungs-Leistung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere elektrische Hochspannungslasten 46, wie Kompressoren und Elektroheizelemente, können direkt mit der Hochspannung verbunden sein, ohne ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 28 zu verwenden. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z.B. 12-Volt-Batterie) verbunden sein.
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Bei dem Fahrzeug 12 kann es sich um ein Elektrofahrzeug oder um ein Plugin-Hybridfahrzeug handeln, in welchem die Fahrbatterie 24 durch eine externe Stromquelle 36 aufgeladen werden kann. Die externe Stromquelle 36 kann als Verbindung zu einer Steckdose ausgeführt sein, die mit Kraftstrom versorgt wird. Die externe Stromquelle 36 kann elektrisch mit dem Elektrofahrzeug-Ladegerät (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) 38 verbunden sein. Das EVSE 38 kann die Schaltungen und Steuereinheiten zum Regeln und Verwalten der Energieübertragung zwischen der Stromquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Stromquelle 36 kann Gleichstrom oder Wechselstrom für das EVSE 38 bereitstellen. Das EVSE 38 kann über einen Ladeverbinder 40 für das Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 verfügen. Der Ladeanschluss 34 kann jede Art von Anschluss sein, der ausgelegt ist, um Strom vom EVSE 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem eingebauten Stromwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Stromwandlungsmodul 32 kann den vom EVSE 38 gelieferten Strom aufbereiten, um die geeigneten Spannungs- und Strompegel für die Fahrbatterie 24 bereitzustellen. Das Stromwandlungsmodul 32 kann mit dem EVSE 38 verschaltet sein, um die Stromlieferung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann über Stifte verfügen, die in entsprechende Aussparungen des Ladeanschlusses 34 greifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die hier als elektrisch verbunden beschrieben werden, Strom mittels einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
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Eine oder mehrere Radbremsen 44 können für das Verlangsamen des Fahrzeugs 12 bereitgestellt werden und um eine Bewegung des Fahrzeugs 12 zu verhindern. Die Radbremsen 44 können hydraulisch, elektrisch oder durch eine Kombination dieser Verfahren betätigt werden. Die Radbremsen 44 können Teil eines Bremssystems 50 sein. Das Bremssystem 50 kann andere Komponenten umfassen, die für den Betrieb der Radbremsen 44 erforderlich sind. Der Einfachheit halber zeigt die Abbildung eine einzelne Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und einer der Radbremsen 44. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und den anderen Radbremsen 44 wird impliziert. Das Bremssystem 50 kann eine Steuereinheit zum Überwachen und Koordinieren des Bremssystems 50 umfassen. Das Bremssystem 50 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 44 steuern, um das Fahrzeug zu verlangsamen. Das Bremssystem 50 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann außerdem autonom arbeiten, um Merkmale wie die Stabilitätskontrolle zu implementieren. Die Steuereinheit des Bremssystems 50 kann ein Verfahren implementieren, bei dem auf Anforderung durch eine andere Steuereinheit oder Unterfunktion eine angeforderte Bremskraft angewendet wird.
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Eine oder mehrere elektrische Last(en) 46 kann/können an den Hochspannungsbus angelegt werden. Die elektrischen Lasten 46 können über eine zugehörige Steuereinheit verfügen, die die elektrischen Lasten 46 gegebenenfalls betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Lasten 46 können ein Heizmodul oder ein Klimamodul sein.
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Die verschiedenen hier besprochenen Komponenten können über eine oder mehrere zugehörige Steuereinheit(en) verfügen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuereinheiten können über einen seriellen Bus (z. B. ein Steuereinheitsnetz (Controller Area Network, CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Eine Systemsteuereinheit 48 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
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Die Fahrbatterie 24 kann auf Basis verschiedener chemischer Formeln konstruiert sein. Typische chemische Zusammensetzungen für Batteriepakete können Bleisäure, Nickel-Metallhydrid (NIMH) oder Lithium-Ionen sein. zeigt ein typisches Fahrbatteriepaket 24 mit einer seriellen Anordnung von N Batteriezellen 72. Andere Batteriepakete 24 können sich jedoch aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen zusammensetzen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind oder eine Kombination dieser Schaltungsanordnungen aufweisen. Ein Batterie-Managementsystem kann eine oder mehrere Steuereinheit(en), wie zum Beispiel ein Batterieenergie-Steuerungsmodul (Battery Energy Control Module, BECM) 76, das die Leistung der Fahrbatterie 24 überwacht und steuert, aufweisen. Das BECM 76 kann Sensoren und Schaltungen umfassen, um mehrere Eigenschaften auf Batteriepaketebene zu überwachen, beispielsweise Paketstrom 78, Paketspannung 80 und Pakettemperatur 82. Das BECM 76 kann über einen nichtflüchtigen Speicher verfügen, so dass Daten erhalten bleiben können, wenn das BECM 76 in einem ausgeschalteten Zustand ist. Erhalten gebliebene Daten können beim nächsten Schlüsselzyklus verfügbar sein.
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Zusätzlich zu den Eigenschaften auf Paketebene kann es Eigenschaften auf der Ebene der Batteriezelle 72 geben, die gemessen und überwacht werden können. So können beispielsweise die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 72 gemessen werden. Das Batterie-Managementsystem kann ein Sensormodul 74 verwenden, um die Eigenschaften der Batteriezelle 72 zu messen. Je nach Funktionsumfang kann das Sensormodul 74 Sensoren und Schaltungen umfassen, um die Eigenschaften einer oder mehrerer der Batteriezellen 72 zu messen. Das Batterie-Managementsystem kann bis zu Nc Sensormodule oder integrierte Batterieüberwachungsschaltungen (Battery Monitor Integrated Circuit, BMIC) 74 nutzen, um die Eigenschaften jeder der Batteriezellen 72 zu messen. Jedes Sensormodul 74 kann die Messungen zur weiteren Verarbeitung und Koordination an das BECM 76 übertragen. Das Sensormodul 74 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 76 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 74 intern in das BECM 76 integriert sein. Das heißt, die Hardware des Sensormoduls 74 kann als Teil der Schaltung in das BECM 76 integriert sein, und das BECM 76 kann die Verarbeitung von Rohsignalen abwickeln. Das BECM 76 kann auch Schaltungen umfassen, um mit einem oder mehreren Kontaktgebern 42 zusammenzuwirken, um die Kontaktgeber 42 zu öffnen bzw. zu schließen.
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stellt ein mögliches System zum Erkennen einer elektrischen Isolierung in einem Fahrzeug 12 dar. Die Fahrbatterie 24 kann einen Pluspol 124 und einen Minuspol 126 besitzen. Die Pole 124, 126 der Fahrbatterie können mit Kontaktgebern 42 gekoppelt sein, die die Pole 124, 126 der Fahrbatterie selektiv mit Leitern 122, 128 verbinden, welche Teil des Hochspannungsbusses 130 sind. Der Hochspannungsbus 130 kann die Hochspannung von der Fahrbatterie 24 an andere Komponenten im Fahrzeug leiten (z. B. Leistungselektronikmodul 26). Das Batterie-Managementsystem kann die elektrische Isolierung zwischen den Polen 124, 126 der Fahrbatterie und einer Chassis-Erde 120 aufrecht erhalten. Die Chassis-Erde 120 kann ein gemeinsamer Bezugspunkt sein, mit dem elektrische Vorrichtungen elektrisch verbunden werden (z. B. ein Chassis des Fahrzeugs 12). Die elektrische Isolierung kann als ein Leckwiderstand 118 zwischen der Chassis-Erde 120 und einem Pol (124, 126) der Fahrbatterie 24 beschrieben werden. Unter normalen Bedingungen wird der Leckwiderstand 118 einen relativ hohen Wert haben und wird wenig oder kein Leckstrom zur Chassis-Erde 120 durchfließen. Es ist zu beachten, dass ein Leckwiderstand 118 an verschiedenen Orten im Hochspannungssystem auftreten kann. Die dargestellten Leckwiderstände 118 veranschaulichen verschiedene Orte, an denen ein Leckstrom fließen kann. Verschiedene behördliche Vorschriften und Industriestandards können einen Mindestwert für die elektrische Isolierung in einem Hochspannungssystem vorschreiben. Beispielsweise kann eine elektrische Isolierung von nicht weniger als 500 Ohm/Volt zwischen den Polen der Batterie (124, 126) und der Chassis-Erde 120 vorgeschrieben sein.
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Das Fahrzeug 12 kann eine Leckstromerkennungsschaltung 100 zum Erkennen des Vorhandenseins von Problemen der elektrischen Isolierung aufweisen. Die Leckstromerkennungsschaltung kann mit jedem Pol (124, 126) der Fahrbatterie 24 verbunden werden. Außerdem ist, wenn die Kontaktgeber 42 geschlossen sind, die Leckstromerkennungsschaltung mit dem Hochspannungsbus 130 verbunden. Die Leckstromerkennungsschaltung 100 kann einen Spannungsmesswiderstand oder mehrere Spannungsmesswiderstände (104, 108) aufweisen, der/die elektrisch mit der Chassis-Erde 120 verbunden ist/sind. Ein Strombegrenzungswiderstand oder mehrere Strombegrenzungswiderstände (102, 106) kann/können elektrisch mit dem Hochspannungsbus 130 oder den Polen 124, 126 der Fahrbatterie 24 verbunden sein. Ein oder mehrere Schaltelement(e) 110, 112 kann/können selektiv den zugehörigen Strombegrenzungswiderstand 102, 106 und den zugehörigen Spannungsmesswiderstand 104, 108 elektrisch verbinden. Die Schaltelemente 110, 112 können eine Festkörpervorrichtung oder ein Relais sein. Die dargestellte Leckstromerkennungsschaltung 100 kann als Spannungsteilernetz beschrieben werden. Andere Konfigurationen der Leckstromerkennungsschaltung 100 sind möglich.
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Als Beispiel können die Strombegrenzungswiderstände 102, 106 einen Wert von 513 Kiloohm haben, und die Spannungsmesswiderstände 104, 108 können einen Wert von 4,64 Kiloohm haben. Die Werte können so gewählt werden, dass sichergestellt ist, dass während der Leckprüfung nur ein kleiner Strom fließt. Die Werte können auch so gewählt werden, dass ein ausreichender Bereich von Spannungen durch die Spannungsmesswiderstände 104, 108 über den erwarteten Leckströmen bereitgestellt wird.
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Die Widerstandswerte der Spannungsmesswiderstände (104, 108) und der Strombegrenzungswiderstände (102, 106) können derart gewählt werden, dass die Spannung durch die Spannungsmesswiderstände (104, 108) von einer Steuereinheit 76 abgetastet werden kann. Die Steuereinheit 76 kann Schaltungen für elektrische Isolierung, Filterung und Skalierung aufweisen, um die Spannung vor der Umwandlung des Signals mithilfe eines A/D-Wandlers aufzubereiten. Die Leckstromerkennungsschaltung 100 kann elektrisch mit jedem Leiter 122, 128 des Hochspannungsbusses gekoppelt werden. In einigen Konfigurationen können die Spannungsmesswiderstände 104, 108 denselben Wert haben (z. B. R2) und können die Strombegrenzungswiderstände 102, 106 denselben Wert haben (z. B. R1).
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Die elektrische Isolierung kann als ein Widerstand zwischen einem Leiter 122, 128 des Hochspanungsbusses 130 und der Chassis-Erde 120 dargestellt werden. Die Leckstromerkennungsschaltung 100 stellt einen Mechanismus bereit, um den Leckwiderstand 118 zwischen den Leitern 122, 128 und der Chassis-Erde 120 zu schätzen, um einen Leckpfad zu erkennen. Wenn das Schaltelement 110, 112 die Wiederstände elektrisch verbindet, kann ein Leckpfad gebildet werden, der den Leckwiderstand 118 aufweist. Da die Fahrbatterie 24 nicht auf die Chassis-Erde 120 bezogen ist, passiert jeder Stromfluss den Leckwiderstand 118, um den Kreis zu schließen. Wird ein infiniter Leckwiderstand 118 angenommen, flösse kein Strom durch den Leckpfad und ergäbe die Spannung durch den Spannungsmesswiderstand 104, 108 null Volt. Im anderen Extrem, wenn ein Leckwiderstand 118 von null angenommen wird, ergäbe die Spannung durch den Spannungsmesswiderstand 104, 108 eine Spannung, die der durch den Betrieb des Spannungsteilers reduzierten Batteriespannung entspräche.
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Der Leckwiderstand 118 kann geschätzt werden, indem eines der Schaltelemente 110, 112 zu einem gegebenen Zeitpunkt geschaltet wird und die Spannung durch den Spannungsmesswiderstand 104, 108 gemessen wird. und veranschaulichen die geschlossenen Leckstromkreise zum Erkennen eines Leckzustand. Der Leckwiderstand 118 auf dem negativen Leiter 128 des Hochspannungsbusses 130 kann bestimmt werden, wenn der Schalter 110, der dem positiven Leiter 122 zugeordnet ist, geschlossen ist (siehe 4A). In diesem Fall fließt Strom 200 durch den Strombegrenzungswiderstand 102 und den Spannungsmesswiderstand 104, die dem Pluspol 124 zugeordnet sind. Der Strom 200 fließt dann durch die Chassis-Erde 120 und durch den Leckwiderstand 118 zum Minuspol 126, um den Kreis zu schließen.
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Der Leckwiderstand 118 auf dem positiven Leiter 122 des Hochspannungsbusses 130 kann bestimmt werden, wenn der Schalter 112, der dem negativen Leiter 128 zugeordnet ist, geschlossen ist (siehe 4B). In diesem Fall fließt Strom 202 vom Pluspol 124 durch den Leckwiderstand 118 zur Chassis-Erde 120. Der Leckstrom fließt dann von der Chassis-Erde 120 durch den Spannungsmesswiderstand 108 und den Strombegrenzungswiderstand 106, die dem Minuspol 126 zugeordnet sind, um den Kreis zu schließen. Der Leckwiderstand 118 wirkt sich auf die Strommenge aus, die durch den Kreis fließt. Der Strom wirkt sich auf die gemessene Spannung durch die Spannungsmesswiderstände 104, 108 aus.
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Die Schaltelemente 110, 112 der Leckstromerkennungsschaltung 100 können periodisch geschaltet und überwacht werden, um eine Veränderung der elektrischen Isolierung von Fahrbatterie 24 und Hochspannungsbus 130 zu erkennen.
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Ein Leckzustand kann erkannt werden, wenn ein Leckwiderstandswert kleiner ist als ein vorabbestimmter Widerstand. Wenn einer der Schalter 110, 112 geschlossen ist, ist die Batterie- oder Busspannung gleich dem Spannungsabfall durch alle Widerstände. VBus = I(R1 + R2 + RLeck)
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Der durch den Kreis fließende Strom, I, kann berechnet werden, indem die Spannung durch den Spannungsmesswiderstand 104, 108, der dem geschlossenen Schaltelement 110, 112 zugeordnet ist, gemessen wird. Der Strom, I, ist gleich der Spannung durch den Spannungsmesswiderstand 104, 108 geteilt durch den Wert des Spannungsmesswiderstands 104, 108 (z. B. I = VL1/ R2).
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Durch Auflösen zum Leckwiderstand, RLeck, erhält man folgende Gleichung: RLeck = (VBus/I) – (R1 + R2)
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Der Wert RLeck kann betrachtet werden, um zu bestimmen, ob eine ordnungsgemäße elektrische Isolierung vorhanden ist. Beispielsweise kann ein Leckwiderstand 118 von weniger als 39 Kiloohm einen schwerwiegenden Leckzustand anzeigen. Wenn der Leckwiderstand 118 unter diesem Wert liegt, kann eine Diagnoseanzeige ausgegeben werden, um den Bediener auf diesen Zustand aufmerksam zu machen. Außerdem kann das Batterie-Managementsystem die Hauptkontaktgeber 42 zwangsweise öffnen, um die Fahrbatterie 24 vom Hochspannungsbus 130 zu trennen. Ein Leckwiderstand 118 zwischen 39 Kiloohm und 195 Kiloohm kann einen leichten Leckzustand anzeigen. Eine Diagnoseanzeige kann ausgegeben werden, um den Bediener auf diese Bedingung aufmerksam zu machen.
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Neben dem Vorhandensein eines zu großen Leckstroms kann der tatsächliche Ort des Leckstroms bestimmt werden. Der Ort des Leckstroms kann wertvolle Informationen für das Wartungspersonal liefern. Die Komponente oder das Subsystem, in der/dem der Leckstrom auftritt, kann im Rahmen der Diagnoseanzeige identifiziert werden. Diese Identifizierung kann die Komponente angeben, die ausgetauscht werden muss. Dieses Wissen trägt dazu bei, Wartungskosten zu senken und Reparaturzeiten auf ein Minimum zu beschränken.
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Ein erster Leckerkennungszyklus kann angestoßen werden, wenn die Hauptkontaktgeber 42 offen sind. Unter dieser Bedingung kann jeglicher Leckzustand eindeutig der Fahrbatterie 24 zugeordnet werden. Der Leckzustand kann erkannt werden wie an früherer Stelle bereits beschrieben.
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Falls in der Fahrbatterie 24 kein Leckzustand erkannt wird, kann ein zweiter Leckerkennungszyklus angestoßen werden, wenn die Hauptkontaktgeber 42 geschlossen sind. Alle anderen Komponenten, die mit dem Hochspannungsbus 130 verbunden sind, sollten abgeschaltet werden. Unter dieser Bedingung kann jeglicher Leckzustand eindeutig dem Hochspannungsbus 130 zugeordnet werden. Weitere Tests können durchgeführt werden, um den exakten Ort zu identifizieren. Beispielsweise kann der Leckzustand in einer Komponente vorliegen, die mit dem Hochspannungsbus 130 verbunden ist.
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Ein dritter Leckerkennungszyklus kann angestoßen werden, wenn die Hauptkontaktgeber 42 geschlossen sind und auf dem Hochspannungsbus 130 kein Leckstrom erkannt wird.
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Das Leistungselektronikmodul 26 kann auch als ein Umrichtersystemsteuerungsmodul (Inverter System Control, ISC) bezeichnet werden. Das Leistungselektronikmodul 26 kann Schaltvorrichtungen 132, 134 aufweisen, die dafür ausgelegt sind, jeden Anschluss 136 der elektrischen Maschine 14 mit einem Leiter 122, 128 des Hochspannungsbusses 130 elektrisch zu verbinden. Eine Steuereinheit kann die Schaltvorrichtungen 132, 134 betreiben, um den Betrieb der elektrischen Maschine 14 zu steuern. Das Leistungselektronikmodul 26 kann auch Komponenten aufweisen, um die Spannung vom Hochspannungsbus 130 einzustellen. Beispielsweise können Komponenten bereitgestellt werden, die einen Aufwärtswandler implementieren, um die Gleichspannung (DC) vom Hochspannungsbus 130 zu erhöhen.
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Die elektrische Maschine 14 kann eine dreiphasige elektrische Maschine sein. Das Leistungselektronikmodul 26 kann dreiphasige Ströme und Spannungen an die elektrische Maschine 14 bereitstellen. Es ist möglich, dass eine Leckstrombedingung in einem der Anschlüsse 136 oder der Drähte der elektrischen Maschine 14 vorliegt. Die Leckstrombedingung kann auch im Leistungselektronikmodul 26 liegen. Ein Verfahren zum Prüfen auf einen Leckstrom in der elektrischen Maschine 14 bzw. dem Leistungselektronikmodul 26 kann helfen, den Ort des Leckstroms zu bestimmen.
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Der Leckwiderstand 118 aufgrund der elektrischen Maschine 14 kann geprüft werden, indem jeder Anschluss 136 der elektrischen Maschine 14 mit einem gemeinsamen Pol (124 oder 126) der Fahrbatterie 24 verbunden wird. Dies ist durch Betätigen der Schaltvorrichtungen 132, 134 im Leistungselektronikmodul 26 zu erreichen. Jegliche Schaltvorrichtungen 138, die dem Aufwärtswandler zugeordnet sind, können während der Leckprüfung abgeschaltet sein. Beispielsweise kann jede der Schaltvorrichtungen 132, die mit dem positiven Leiter 122 des Hochspannungsbusses 130 gekoppelt sind, aktiviert werden, um eine elektrische Verbindung zwischen jedem der Anschlüsse 136 der elektrischen Maschine und dem positiven Leiter des Hochspannungsbusses 130 bereitzustellen. Unter normalen Bedingungen fließt in der elektrischen Maschine 14 kein Strom, da alle Anschlüsse 136 auf dieselbe Spannung geschaltet sind.
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Eine Leckzustand kann nun geprüft werden, indem die Leckstromerkennungsschaltung 100 betrieben wird wie oben beschrieben. Falls ein zu großer Leckstrom erkannt wird, kann die Quelle des Problems auf die elektrische Maschine 14 zurückverfolgt werden. Das Schaltelement 110, 112 der Leckstromerkennungsschaltung 100, das aktiviert wird, kann von dem zu prüfenden Leiter 122, 128 des Hochspannungsbusses abhängen. Das ausgewählte Schaltelement 110, 112 kann eines sein, das die Leckstromerkennungsschaltung 100 mit dem von dem zu prüfenden Leiter verschiedenen Leiter verbindet.
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ist ein Flussdiagramm einer möglichen Abfolge von Operationen, die von einer Steuereinheit durchgeführt werden können, um den Ort eines zu großen Leckstroms in einem Hochspannungssystem zu isolieren. Bei Operation 300 kann eine Reihe von Anweisungen ausgeführt werden, um die Kontaktgeber 42 zu öffnen, um die Fahrbatterie 24 vom Hochspannungsbus 130 zu isolieren. Bei Operation 302 können Anweisungen ausgeführt werden, um auf einen Leckstrom zu prüfen, indem der Leckwiderstand geschätzt wird. Bei Operation 304 können Anweisungen ausgeführt werden, um zu bestimmen, ob ein Leckzustand erkannt wurde. Ein Leckzustand kann erkannt werden, wenn der geschätzte Leckwiderstand kleiner ist als ein vorabbestimmter Wert. Falls ein Leckzustand erkannt wird, kann Operation 316 ausgeführt werden. Bei Operation 316 können Anweisungen ausgeführt werden, um eine Leckdiagnose der Batterie auszugeben. Die Diagnose kann beinhalten, den Bediener über eine Lampe oder ein akustisches Signal aufmerksam zu machen. Die Diagnose kann das Speichern eines Diagnosecodes in einem nichtflüchtigen Speicher beinhalten.
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Falls bei Operation 304 kein Leckstrom erkannt wird, kann bei Operation 306 eine Anweisung ausgeführt werden, die Kontaktgeber 42 zu schließen, um die Fahrbatterie 24 mit dem Hochspannungsbus 130 zu verbinden. Bei Operation 308 können Anweisungen ausgeführt werden, um auf einen Leckstrom zu prüfen, indem der Leckwiderstand geschätzt wird. Bei Operation 310 können Anweisungen ausgeführt werden, um zu bestimmen, ob ein Leckzustand erkannt wurde. Falls ein Leckzustand erkannt wird, kann Operation 318 ausgeführt werden. Bei Operation 318 können Anweisungen ausgeführt werden, um eine Leckdiagnose des Hochspannungsbusses auszugeben. Die Diagnose kann beinhalten, den Bediener über eine Lampe oder ein akustisches Signal aufmerksam zu machen. Die Diagnose kann das Speichern eines Diagnosecodes in einem nichtflüchtigen Speicher beinhalten.
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Falls bei Operation 310 kein Leckstrom erkannt wird, können bei Operation 312 Anweisungen ausgeführt werden, um die Anschlüsse der elektrischen Maschine mit einem gemeinsamen Leiter des Hochspannungsbusses 130 zu verbinden. Die Anweisungen können eine angegebene Bank von Schaltvorrichtungen 132, 134 im Leistungselektronikmodul 26 anweisen, die Kopplung herzustellen. Bei Operation 314 können Anweisungen ausgeführt werden, um auf einen Leckstrom zu prüfen, indem der Leckwiderstand geschätzt wird. Bei Operation 314 können Anweisungen ausgeführt werden, um zu bestimmen, ob ein Leckzustand erkannt wurde. Falls ein Leckzustand erkannt wird, kann Operation 320 ausgeführt werden. Bei Operation 320 können Anweisungen ausgeführt werden, um eine Leckdiagnose der elektrischen Maschine auszugeben. Die Diagnose kann beinhalten, den Bediener über eine Lampe oder ein akustisches Signal aufmerksam zu machen. Die Diagnose kann das Speichern eines Diagnosecodes in einem nichtflüchtigen Speicher beinhalten.
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Falls bei Operation 314 kein Leckstrom erkannt wird, kann der Leckstromerkennungsprozess abgeschlossen sein. In einigen Implementierungen kann die Leckstromerkennung zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt werden.
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Die in dieser Patentanmeldung offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können für eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Steuereinheit oder einen Computer bereitstellbar sein bzw. von dieser/diesem implementiert werden, wobei diese eine beliebige vorhandene, programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit einschließen können. In gleicher Weise können Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuereinheit oder einem Computer in vielfältigen Formen ausgeführt werden können, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf dauerhaft auf einem nicht beschreibbaren Medium, etwa ROM-Vorrichtungen, gespeicherte Informationen oder veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Geräten und anderen magnetischen und optischen Datenträgern gespeicherte Informationen. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem ausführbaren Softwareobjekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen insgesamt oder teilweise in geeignete Hardwarekomponenten integriert werden, wie etwa anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Kontrollern oder sonstige Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder eine Kombination von Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten.
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Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche abgedeckt werden. Die in dieser Spezifikation verwendeten Ausdrücke sind lediglich Ausdrücke beschreibender Art und beinhalten keinerlei Einschränkung. Es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Geist und Schutzbereich der Offenbarung zu verlassen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die hier nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt werden. Auch wenn verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen gemäß dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaft(en) hätten beschrieben werden können, erkennen Durchschnittsfachleute, dass ein(e) oder mehrere Merkmal(e) oder Eigenschaft(en) enthalten sein können, um erwünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der jeweiligen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Kosten, Stärke, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Marktgängigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Gebrauchsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage etc. Somit fallen Ausführungsformen, die im Hinblick auf eine oder mehrere Eigenschaft(en) als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem bisherigen Stand der Technik beschrieben werden, nicht aus dem Schutzumfang der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.