DE102015221066A1 - Short circuit detection and / or short circuit localization using Power Line Communication - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren (300) zur Ermittlung der Position eines Kurzschlusses (102) in einem DC-Bordnetz (101) beschrieben. Das DC-Bordnetz (101) verbindet einen elektrischen Energiespeicher (110) mit einer elektrischen Antriebsmaschine (123) eines Kraftfahrzeugs (100). Das Verfahren (300) umfasst das Ermitteln (301) einer frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft einer Powerline Communication, kurz PLC,-Kommunikationsverbindung (201) über das DC-Bordnetz (101). Außerdem umfasst das Verfahren (300) das Bestimmen (302) der Position eines Kurzschlusses (102) in dem DC-Bordnetz (101) auf Basis der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft.A method (300) for determining the position of a short circuit (102) in a DC vehicle electrical system (101) is described. The DC vehicle electrical system (101) connects an electrical energy store (110) to an electric drive machine (123) of a motor vehicle (100). The method (300) comprises determining (301) a frequency-dependent transmission property of a powerline communication, in short PLC, communication connection (201) via the DC on-board network (101). In addition, the method (300) includes determining (302) the position of a short circuit (102) in the DC onboard network (101) based on the frequency dependent transmission characteristic.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechendes System zur Überwachung des Zustands einer Hochvolt(HV)-Verbindungsleitung in einem Kraftfahrzeug mit elektrischem Antrieb. The invention relates to a method and a corresponding system for monitoring the state of a high-voltage (HV) connection line in a motor vehicle with electric drive.
Ein Fahrzeug mit Elektroantrieb (insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Plugin-Hybrid Fahrzeug) umfasst zumindest einen elektrischen Energiespeicher (z.B. eine LiIonen-Batterie), der über eine Ladevorrichtung des Fahrzeugs an eine Ladestation angeschlossen und aufgeladen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist über eine DC(Direct Current)-Verbindungsleitung bzw. über ein DC-Bordnetz mit der Leistungselektronik einer elektrischen Antriebsmaschine verbunden. Bei dem DC-Bordnetz handelt es sich typischerweise um ein IT(isolé terre)-Netz, um ein hohes Maß an Sicherheit gewährleisten zu können. Dabei wird mittels eines Isolationswächters der Isolationszustand des DC-Bordnetzes bezüglich einer Masse überwacht. An electric vehicle (in particular an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle) comprises at least one electrical energy store (for example a Li ion battery) which can be connected to a charging station and charged via a charging device of the vehicle. The electrical energy storage is connected via a DC (Direct Current) connection line or via a DC on-board network with the power electronics of an electric drive machine. The DC electrical system is typically an IT (isolé terre) network to ensure a high level of safety. In this case, the insulation state of the DC on-board network is monitored with respect to a mass by means of an insulation monitor.
Anhand eines Isolationswächters kann zwar das Vorliegen eines Isolationsfehlers im DC-Bordnetz bzw. auf einer DC-Verbindungsleitung erkannt werden. Die Ermittlung der Position eines solchen Isolationsfehlers für die Fehlerbeseitigung erweist sich jedoch typischerweise als sehr aufwändig. Using an insulation monitor, it is possible to detect the presence of an insulation fault in the DC electrical system or on a DC connection line. However, the determination of the position of such an insulation fault for the elimination of errors typically proves to be very time-consuming.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren und ein entsprechendes System bereitzustellen, durch die ein Isolationsfehler in einem DC-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs in effizienter Weise lokalisiert werden kann. The present document addresses the technical problem of providing a method and a corresponding system by means of which an insulation fault in a vehicle's DC on-board network can be localized efficiently.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. The object is solved by the independent claims. Advantageous embodiments are described i.a. in the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines Kurzschlusses in einem DC-Bordnetz beschrieben. Das DC-Bordnetz kann dabei insbesondere ein Isolé Terre(IT)-Netz umfassen. Das DC-Bordnetz ist eingerichtet, einen elektrischen Energiespeicher (insbesondere einen sogenannten Hochvolt (HV) Speicher) mit einer elektrischen Antriebsmaschine (insbesondere mit der Leistungselektronik der Antriebsmaschine) eines Kraftfahrzeugs zu verbinden. According to one aspect, a method for determining the position of a short circuit in a DC electrical system is described. In particular, the DC vehicle electrical system may comprise an Isolé Terre (IT) network. The DC vehicle electrical system is set up to connect an electrical energy store (in particular a so-called high-voltage (HV) store) with an electric drive machine (in particular with the power electronics of the drive machine) of a motor vehicle.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln einer frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft einer Powerline Communication(PLC)-Kommunikationsverbindung über das DC-Bordnetz. Zu diesem Zweck kann durch ein erstes PLC-Modem ein Test-Signal ausgesendet werden, wobei das erste PLC-Modem an einer ersten Stelle des DC-Bordnetzes positioniert ist. Desweiteren kann durch ein zweites PLC-Modem das Test-Signal empfangen werden, wobei das zweite PLC-Modem an einer zweiten Stelle des DC-Bordnetzes positioniert ist. Außerdem kann ein Signalpegel des empfangenen Test-Signals ermittelt werden, wobei die frequenzabhängige Übertragungseigenschaft auf Basis des Signalpegels ermittelt werden kann. Die frequenzabhängige Übertragungseigenschaft kann insbesondere eine frequenzabhängige Übertragungsfunktion, einen Frequenzgang und/oder ein frequenzabhängiges Signal-zu-Rausch Verhältnis bzw. ein Signal-to-Noise Ratio (SNR) umfassen. The method comprises determining a frequency-dependent transmission characteristic of a power line communication (PLC) communication connection via the DC on-board network. For this purpose, a test signal can be transmitted by a first PLC modem, wherein the first PLC modem is positioned at a first position of the DC electrical system. Furthermore, the test signal can be received by a second PLC modem, wherein the second PLC modem is positioned at a second location of the DC electrical system. In addition, a signal level of the received test signal can be determined, wherein the frequency-dependent transmission characteristic can be determined on the basis of the signal level. The frequency-dependent transmission characteristic may in particular comprise a frequency-dependent transfer function, a frequency response and / or a frequency-dependent signal-to-noise ratio or a signal-to-noise ratio (SNR).
Das Verfahren umfasst weiter das Bestimmen der Position eines Kurzschlusses in dem DC-Bordnetz auf Basis der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft. Das Bestimmen der Position des Kurzschlusses kann umfassen, das Vergleichen der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft mit einer Vielzahl von unterschiedlichen (frequenzabhängigen) Referenz-Übertragungseigenschaften. The method further comprises determining the position of a short circuit in the DC on-board network based on the frequency-dependent transmission characteristic. Determining the position of the short circuit may include comparing the frequency dependent transmission characteristic to a plurality of different (frequency dependent) reference transmission characteristics.
Dabei zeigen die unterschiedlichen Referenz-Übertragungseigenschaften die frequenzabhängigen Übertragungseigenschaften der PLC-Kommunikationsverbindung für unterschiedliche Positionen des Kurzschlusses an. Im Rahmen des Vergleichens kann ein Abstandsmaß zwischen der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft und jeweils einer der Referenz-Übertragungseigenschaften ermittelt werden, und es kann die Referenz-Übertragungseigenschaft ausgewählt werden, die das relativ geringste Abstandsmaß aufweist. Auf Basis der ausgewählten Referenz-Übertragungseigenschaft kann dann die Position des Kurzschlusses ermittelt werden. The different reference transmission characteristics indicate the frequency-dependent transmission characteristics of the PLC communication link for different positions of the short circuit. In the course of the comparison, a distance measure between the frequency-dependent transmission characteristic and each one of the reference transmission characteristics can be determined, and the reference transmission characteristic having the relatively smallest pitch can be selected. Based on the selected reference transmission characteristic, the position of the short circuit can then be determined.
Das Verfahren ermöglicht es in effizienter und präziser Weise einen Kurzschluss in einem DC-, d.h. in einem Gleichstrom, Bordnetz eines Fahrzeugs zu ermitteln. So können die Aufwände für die Wartung eines Fahrzeugs reduziert werden. The method efficiently and precisely enables shorting in a DC, i. in a direct current, to determine vehicle electrical system of a vehicle. This can reduce the cost of maintaining a vehicle.
Das Test-Signal kann ein Orthogonal Frequency Division Multiplex(OFDM)-Signal mit einer Vielzahl von Trägerfrequenzen umfassen. Das gesendete Test-Signal kann für jede der Vielzahl von Trägerfrequenzen einen jeweiligen Sendepegel aufweisen (wobei die Sendepegel dem ersten PLC-Modem bekannt sind). Das empfangene Test-Signal kann für jede der Vielzahl von Trägerfrequenzen einen jeweiligen Empfangspegel aufweisen (wobei die Empfangspegel durch das zweite PLC-Modem bestimmt werden können). Die frequenzabhängige Übertragungseigenschaft (z.B. die Übertragungsfunktion bzw. der Frequenzgang) der PLC-Kommunikationsverbindung kann dann in präziser Weise auf Basis der Sendepegel und auf Basis der Empfangspegel der Vielzahl von Trägerfrequenzen ermittelt werden. Der Frequenzverlauf der ermittelten frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft und insbesondere einzelne Einbrüche der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft bei bestimmten Frequenzen können dann für die Lokalisierung des Kurzschlusses verwendet werden. The test signal may include an orthogonal frequency division multiplex (OFDM) signal having a plurality of carrier frequencies. The transmitted test signal may have a respective transmit level for each of the plurality of carrier frequencies (the transmit levels being known to the first PLC modem). The received test signal may have a respective receive level for each of the plurality of carrier frequencies (wherein the receive levels may be determined by the second PLC modem). The frequency-dependent transmission characteristic (eg, the transfer function or the frequency response) of the PLC communication link can then be precisely determined on the basis of the transmission levels and on the basis of the reception levels of the plurality of carrier frequencies be determined. The frequency response of the determined frequency-dependent transmission characteristic and in particular individual drops in the frequency-dependent transmission characteristic at certain frequencies can then be used for the localization of the short circuit.
Die erste Stelle des DC-Bordnetzes (an dem das erste PLC-Modem positioniert ist) kann dem elektrischen Energiespeicher zugewandt sein, und die zweite Stelle des DC-Bordnetzes (an dem das zweite PLC-Modem positioniert ist) kann der elektrischen Antriebsmaschine zugewandt sein (oder umgekehrt). So kann eine präzise Lokalisierung eines Kurzschlusses ermöglicht werden. Dabei können typischerweise Kurzschlüsse im gesamten DC-Bordnetz lokalisiert werden, auch wenn der Kurzschluss nicht direkt auf der PLC-Kommunikationsverbindung zwischen dem ersten Modem und dem zweiten Modem liegt. Dies liegt daran, dass typischerweise Fehler im gesamten DC-Bordnetz (z.B. aufgrund von Reflektionen) einen Einfluss auf die frequenzabhängige Übertragungseigenschaft der PLC-Kommunikationsverbindung zwischen dem ersten Modem und dem zweiten Modem haben. The first location of the DC electrical system (where the first PLC modem is positioned) may be facing the electrical energy storage, and the second location of the DC electrical system (where the second PLC modem is positioned) may be facing the electric drive machine (or the other way around). This allows precise localization of a short circuit. In this case, short circuits can typically be located in the entire DC electrical system, even if the short circuit is not directly on the PLC communication link between the first modem and the second modem. This is because typically faults in the entire DC on-board network (e.g., due to reflections) affect the frequency-dependent transmission characteristic of the PLC communication link between the first modem and the second modem.
Das Verfahren kann umfassen, das Ermitteln einer ersten frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft für eine erste Übertragungsrichtung und das Ermitteln einer zweiten frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft für eine zweite, von der ersten Übertragungsrichtung abweichenden (insbesondere zu der ersten Übertragungsrichtung entgegengesetzten), Übertragungsrichtung der PLC-Kommunikationsverbindung. Die Position des Kurzschlusses kann dann auf Basis der ersten und der zweiten frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft ermittelt werden. Durch die Berücksichtigung von mehreren Übertragungsrichtungen kann die Genauigkeit der Lokalisierung erhöht werden. The method may include determining a first frequency-dependent transmission characteristic for a first transmission direction and determining a second frequency-dependent transmission characteristic for a second transmission direction of the PLC communication connection that deviates from the first transmission direction (in particular opposite to the first transmission direction). The position of the short can then be determined based on the first and second frequency dependent transmission characteristics. By considering multiple transmission directions, the accuracy of localization can be increased.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Ermitteln einer weiteren frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft einer weiteren PLC-Kommunikationsverbindung über das DC-Bordnetzes. Mit anderen Worten, es können frequenzabhängige Übertragungseigenschaften für eine Vielzahl von PLC-Kommunikationsverbindung (zwischen unterschiedlichen Paaren von PLC-Modems) ermittelt werden. Die Position des Kurzschlusses in dem DC-Bordnetz kann dann auch auf Basis der weiteren frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft bestimmt werden. Insbesondere kann die Position des Kurzschlusses in dem DC-Bordnetz auf Basis der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaften einer Vielzahl von PLC-Kommunikationsverbindungen ermittelt werden. So kann die Genauigkeit der Lokalisierung eines Kurzschlusses weiter erhöht werden. The method may further comprise determining a further frequency-dependent transmission characteristic of a further PLC communication connection via the DC on-board network. In other words, frequency dependent transmission characteristics can be determined for a plurality of PLC communication links (between different pairs of PLC modems). The position of the short circuit in the DC vehicle electrical system can then also be determined on the basis of the further frequency-dependent transmission characteristic. In particular, the position of the short circuit in the DC vehicle electrical system can be determined based on the frequency-dependent transmission characteristics of a plurality of PLC communication links. Thus, the accuracy of localization of a short circuit can be further increased.
Das Verfahren kann weiter umfassen, das Detektieren des Kurzschlusses in dem DC-Bordnetz (z.B. mittels eines Isolationswächters). In Reaktion darauf, kann der elektrische Energiespeicher von dem DC-Bordnetz abgekoppelt werden. So kann die Sicherheit des DC-Bordnetzes im Kurzschlussfall gewährleistet werden. The method may further include detecting the short circuit in the DC electrical system (e.g., by means of an isolation monitor). In response, the electrical energy storage can be disconnected from the DC electrical system. Thus, the safety of the DC on-board network can be ensured in the event of a short circuit.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein System zur Überwachung eines DC-Bordnetzes beschrieben, wobei das DC-Bordnetz einen elektrischen Energiespeicher mit einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs verbindet. Das System ist eingerichtet, eine frequenzabhängige Übertragungseigenschaft einer PLC-Kommunikationsverbindung über das DC-Bordnetz zu ermitteln. Außerdem ist das System eingerichtet, die Position eines Kurzschlusses in dem DC-Bordnetz auf Basis der frequenzabhängigen Übertragungseigenschaft zu bestimmen. According to a further aspect, a system for monitoring a DC electrical system is described, wherein the DC electrical system connects an electrical energy storage with an electric drive engine of a motor vehicle. The system is set up to determine a frequency-dependent transmission property of a PLC communication connection via the DC on-board network. In addition, the system is arranged to determine the position of a short circuit in the DC on-board network based on the frequency-dependent transmission characteristic.
Das System kann ein erstes PLC-Modem an einer ersten Stelle des DC-Bordnetzes umfassen, das eingerichtet ist, ein Test-Signal über das DC-Bordnetz zu senden. Außerdem kann das System ein zweites PLC-Modem an einer, von der ersten Stelle abweichenden, zweiten Stelle des DC-Bordnetzes umfassen, das eingerichtet ist, das Test-Signal zu empfangen. Die frequenzabhängige Übertragungseigenschaft kann dann auf Basis des gesendeten und des empfangenen Test-Signals ermittelt werden. The system may include a first PLC modem at a first location of the DC on-board network that is configured to transmit a test signal via the DC on-board network. In addition, the system may include a second PLC modem at a second location of the DC onboard network other than the first location and configured to receive the test signal. The frequency-dependent transmission characteristic can then be determined on the basis of the transmitted and the received test signal.
Das System kann einen Isolationswächter (welcher z.B. ein Spannungs- und/oder Strommessgerät umfasst, das eingerichtet ist, die Spannung und/oder den Strom im DC-Bordnetz zu überwachen) umfassen, wobei der Isolationswächter eingerichtet ist, einen Kurzschluss im DC-Bordnetz zu detektieren (z.B. durch Detektion eines Spannungseinbruchs und/oder eines Kurzschlussstroms). Desweiteren kann das System ein oder mehrere Schütze umfassen, die eingerichtet sind, den elektrischen Energiespeicher von dem DC-Bordnetz zu trennen. The system may include an isolation monitor (which includes, for example, a voltage and / or ammeter configured to monitor the voltage and / or current in the DC electrical system), the isolation monitor being configured to short-circuit the DC on-board network detect (eg by detecting a voltage dip and / or a short-circuit current). Furthermore, the system may include one or more contactors, which are adapted to separate the electrical energy storage device from the DC electrical system.
Wie bereits oben dargelegt, kann das DC-Bordnetz ein Isolé Terre(IT)-Netz umfassen. Dabei kann die PLC-Kommunikationsverbindung über eine Plus-Leitung und eine Minus-Leitung des DC-Bordnetzes erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann die PLC-Kommunikationsverbindung über die Plus-Leitung und Masse bzw. Ground (GND) bereitgestellt werden. Desweiteren kann die PLC-Kommunikationsverbindung über die Minus-Leitung und Masse bzw. Ground (GND) bereitgestellt werden. Es können somit frequenzabhängige Übertragungseigenschaften für unterschiedliche Typen von PLC-Kommunikationsverbindungen ermittelt und für die Lokalisierung eines Kurzschlusses verwendet werden. So kann die Genauigkeit der Lokalisierung eines Kurzschlusses weiter erhöht werden. As already explained above, the DC electrical system can comprise an Isolé Terre (IT) network. The PLC communication connection can be made via a plus line and a minus line of the DC on-board network. Alternatively or additionally, the PLC communication link can be provided via the plus line and ground (GND). Furthermore, the PLC communication link can be provided via the minus line and ground (GND). Thus, frequency dependent transmission characteristics for different types of PLC communication links can be determined and used to locate a short circuit. Thus, the accuracy of localization of a short circuit can be further increased.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (z.B. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen oder ein Motorrad) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene System umfasst. In another aspect, a vehicle (eg, a passenger car, a truck, or a motorcycle) that includes the system described in this document is described.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen. In another aspect, a software (SW) program is described. The SW program may be set up to run on a processor (e.g., on a controller) and thereby perform the method described in this document.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen. In another aspect, a storage medium is described. The storage medium may include a SW program that is set up to run on a processor and thereby perform the method described in this document.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. It should be understood that the methods, devices and systems described herein may be used alone as well as in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices, and systems described herein may be combined in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined in a variety of ways.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen Furthermore, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments. Show
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Lokalisierung eines Kurzschlusses bzw. eines Feinschlusses in einem DC-Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Der Isolationswächter
Die PLC-Modems
Desweiteren können die PLC-Modems
Es kann somit zumindest eine Übertragungsfunktion der PLC-Kommunikationsverbindung
Zu diesem Zweck kann z.B. eine Vielzahl von Referenz-Übertragungsfunktionen bereitgestellt werden, wobei jede Referenz-Übertragungsfunktion eine Übertragungsfunktion einer PLC-Kommunikationsverbindung
Es kann dann eine aktuelle Übertragungsfunktion der PLC-Kommunikationsverbindung
Insbesondere können für beide Übertragungsrichtungen der PLC-Kommunikationsverbindung
Die Referenz-Übertragungsfunktionen können auf Basis der Erkenntnisse aus tatsächlichen Kurzschlussfällen angepasst werden. Somit kann ein System zur Ermittlung der Position eines Kurzschlusses
Das DC-Bordnetz
Wie bereits oben dargelegt, kann mittels Channel Sounding auf Basis eines OFDM-Verfahrens die Übertragungsfunktion und/oder das SNR (Signal-To-Noise Ratio) der PLC-Kommunikationsverbindung
Abhängig von der Position eines Kurzschluss (oder Feinschlusses)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen. The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed methods, apparatus and systems.
Claims (12)
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