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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Isolation in einem Batteriesystem gegenüber Masse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Isolation in einem Batteriesystem gegenüber Masse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Ein solches Verfahren und/oder eine solche Schaltungsanordnung sind bei einer Batterie und/oder bei einem System, in dem die Isolation bewertet werden soll, verwendbar. Insbesondere kann das Verfahren und/oder die Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden, und zwar besonders bevorzugt in einem Hochvolt-Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug.
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Ein derartiges Batteriesystem besitzt wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle und jeweils eine mit dem Pluspol sowie mit dem Minuspol der Batterie- und/oder Akkuzelle in elektrischer Verbindung stehende Versorgungsleitung. Diese Versorgungsleitungen führen zu wenigstens einem elektrischen Verbraucher. Mit Hilfe des Messverfahrens und/oder der Schaltungsanordnung ist dann die Isolation in einem solchen Batteriesystem feststellbar. Es besteht der Bedarf hierfür ein zuverlässiges Verfahren sowie eine funktionssichere Schaltungsanordnung bereitzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zur Messung beziehungsweise Überwachung der Isolation in einem Batteriesystem anzugeben. Insbesondere soll dieses Isolationsmessverfahren in einfacher Weise durchzuführen sein.
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Weiter soll eine zuverlässig arbeitende Schaltungsanordnung zur Messung beziehungsweise Überwachung der Isolation in einem Batteriesystem geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der Isolation in einem Batteriesystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Überwachung der Isolation in einem Batteriesystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein elektrischer Teststrom von der einen Versorgungsleitung mittels eines Schaltelements zur Masse geleitet, wobei der aufgrund des Teststroms in der anderen Leitung fließende Strom gemessen wird. Anschließend wird die Höhe des in der anderen Versorgungsleitung fließenden Stroms für die Bestimmung der Isolation der anderen Versorgungsleitung ausgewertet. Vorteilhafterweise arbeitet dieses Verfahren in einfacher Art und Weise und ist dennoch sehr zuverlässig. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann zunächst die eine Versorgungsleitung und anschließend die andere Versorgungsleitung mit dem Teststrom beaufschlagt werden. Dadurch ist in schneller Weise ein vollständiger Überblick über den Zustand der Isolation sämtlicher Versorgungsleitungen gegeben.
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In kostengünstiger Art kann es sich bei dem Schaltelement um einen Halbleiter, insbesondere um einen MosFet, handeln. In kompakter Bauweise sowie in präziser Art und Weise kann der in der anderen Versorgungsleitung fließende Strom mittels eines Differenzverstärkers für dessen Messung verstärkt werden. Zweckmäßigerweise kann der Differenzverstärker wenigstens einen Operationsverstärker und/oder eine Diode mit einem Optokoppler umfassen. In einfacher Art und Weise kann zur Messung des in der jeweiligen Versorgungsleitung fließenden Stroms der Spannungsabfall als Messwert an einem elektrischen Widerstand ermittelt werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine mittels eines Schaltelements schaltbare erste Verbindungsleitung von der einen Versorgungsleitung zur Masse vorgesehen. Weiter kann eine mittels eines Schaltelements schaltbare zweite Verbindungsleitung von der anderen Versorgungsleitung zur Masse vorgesehen sein. Schließlich kann eine Messvorrichtung zur Messung des in den beiden Versorgungsleitungen jeweils fließenden elektrischen Stroms vorgesehen sein, derart dass anhand des fließenden elektrischen Stroms die Isolation bestimmbar ist. Vorteilhafterweise arbeitet diese Schaltungsanordnung sehr zuverlässig und ist kompakt sowie kostengünstig.
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In weiterer Ausgestaltung der Schaltungsanordnung kann ein elektrischer Widerstand in der Verbindungsleitung befindlich sein. Die Messvorrichtung zur Messung des fließenden Stroms kann dann in einfacher Art und Weise den Spannungsabfall als Messwert an dem elektrischen Widerstand in der jeweiligen Verbindungsleitung messen.
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In kostengünstiger Art kann es sich bei dem Schaltelement um einen Halbleiter, insbesondere einen MosFet, handeln. In kompakter Bauweise sowie in präzise arbeitender Weise kann die Messvorrichtung zur Messung des in der Versorgungsleitung fließenden elektrischen Stroms einen Differenzverstärker zur Verstärkung des Messwertes umfassen. Zweckmäßigerweise kann der Differenzverstärker wenigstens einen Operationsverstärker und/oder eine Diode mit einem Optokoppler umfassen.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Isolation in einem Batteriesystem ist nachfolgendes festzustellen.
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In elektrischen Anlagen ist es wichtig, insbesondere aus Sicherheitsgründen, dass die Isolation der elektrischen Leitungen gewährleistet ist. In Fahrzeugen ist die Isolation der elektrischen Systeme ebenfalls sehr wichtig. Batteriesysteme werden im Fahrzeug immer mehr eingesetzt, bei denen auch elektrische Spannungen geschaltet werden, die für Mensch und Tier gefährlich sein können. Deshalb ist eine zuverlässige Isolationsmessung besonders wichtig.
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Geschaffen ist die Isolationsmessung in einem Batteriesystem. Die Idee besteht darin, hierfür ein einfaches aber dennoch sehr zuverlässiges System in das Batteriesystem zu integrieren. Dieses System ist durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
- – In Einzelschritten wird geprüft, ob die Isolation der Plusleitung beschädigt ist oder der Minusleitung beschädigt ist oder in umgekehrter Reigenfolge.
- – Über ein Schaltelement, beispielsweise ein Mosfet, wird ein Teststrom von der Plusleitung auf die Fahrzeug-Masse geleitet. Wenn die Minusleitung in Ordnung ist, fließt kein Strom. Ist die Minusleitung allerdings beschädigt, fließt ein Strom, den man über ein Verstärkersystem im Hinblick auf die Isolation bewerten kann.
- – Über ein Schaltelement, beispielsweise ein Mosfet, wird ein Teststrom von der Fahrzeug-Masse auf die Minusleitung geleitet. Wenn die Plusleitung in Ordnung ist, fließt kein Strom. Ist die Plusleitung allerdings beschädigt, fließt ein Strom, den man über ein Verstärkersystem im Hinblick auf die Isolation bewerten kann.
- – Das Verstärkersystem, hier beispielsweise ein Differenzverstärkersystem, wird von zwei unabhängigen potentialfreien Versorgungsspannungen gespeist, die an die veränderbaren Pluspegel und Minuspegel adaptiert werden.
- – Das veränderbare Pluspotential und das veränderbare Minuspotential ist jeweils für das Plus-Messsystem, insbesondere für das Differenzverstärkersystem, und für das Minus-Messsystem, insbesondere für das Differenzverstärkersystem, der Bezugspunkt, d. h. die Referenz.
- – Das Differenzverstärkersystem besteht beispielsweise aus genauen Operationsverstärkern mit sehr wenigen Fehlerquellen. Diese Fehlertoleranzen in den Bausteinen sollten zweckmäßigerweise so ausgelegt sein, dass eine sinnvolle Auswertung und Bewertung der Isolation gewährleistet ist.
- – Das Differenzverstärkersystem kann auch durch einfache Optokoppler realisiert werden. Eine stromdurchflossene Diode gibt hierfür ein galvanisch getrenntes Signal an einen Empfänger.
- – Die Übertragung der Signale auf Fahrzeugebene, also vom Potential auf Klemme 31, d. h. zum Masse-Potential des Fahrzeugs, wird über eine galvanische Trennung realisiert. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist diese Trennung in einem Operationsverstärker integriert.
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Zusammenfassend besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, in einer zuvor festgelegten Reihenfolge einen elektrischen Messstrom vom Plus-Potential oder vom Minus-Potential über die Klemme 31 im Fahrzeug zu erzeugen. Abhängig von der Größe dieses elektrischen Stroms kann anhand dieses Stroms die Qualität der Isolation bewertet werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in Folgendem:
- – Es ist eine Isolationsmessung, insbesondere von Hochspannungssystemen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug ermöglicht.
- – Es handelt sich um eine einfache Lösung.
- – Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt ein stabiles elektrisches Verhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt die
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Fig. eine Schaltungsanordnung zur Messung der Isolation in einem Batteriesystem.
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Das Batteriesystem weist in bekannter Weise wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle auf. Wie in der Fig. zu sehen ist, steht jeweils eine Versorgungsleitung 2 mit dem Pluspol der nicht weiter gezeigten Batterie- und/oder Akkuzelle sowie eine Versorgungsleitung 3 mit dem Minuspol der Batterie- und/oder Akkuzelle in elektrischer Verbindung. Die elektrischen Versorgungsleitungen 2, 3 stehen wiederum mit einem elektrischen Verbraucher 11 in elektrischer Verbindung. Die Schaltungsanordnung 1 zur Isolationsmessung beziehungsweise zur Überwachung der Isolation im Batteriesystem gegenüber Masse 4 ist wiederum in elektrischer Verbindung mit den beiden Versorgungsleitungen 2, 3 angeordnet. Desweiteren weist die Schaltungsanordnung 1 eine elektrische Verbindung zur Masse-Leitung 4 auf. In einem Kraftfahrzeug kann es sich bei der Masse 4 um die sogenannte Klemme 31 handeln.
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Die Schaltungsanordnung 1 weist eine mittels eines Schaltelements 5 schaltbare erste Verbindungsleitung 12 von der einen Versorgungsleitung 2 zur Masse 4 auf. Desweiteren ist in der Schaltungsanordnung 1 eine mittels eines Schaltelements 6 schaltbare zweite Verbindungsleitung 13 von der anderen Versorgungsleitung 3 zur Masse 4 vorgesehen. Schließlich umfasst die Schaltungsanordnung 1 eine Messvorrichtung 14 zur Messung des in den beiden Versorgungsleitungen 2, 3 jeweils fließenden elektrischen Stroms 7, 8. Anhand des mittels der Messvorrichtung 14 gemessenen fließenden elektrischen Stroms 7, 8 ist dann die Isolation bestimmbar, wie nachfolgend näher erläutert ist.
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Das Verfahren zur Messung der Isolation in dem Batteriesystem besteht darin, dass ein elektrischer Teststrom von der einen Versorgungsleitung 2 mittels des Schaltelements 5 zur Masse 4 geleitet wird. Ist die Versorgungsleitung 3 in Ordnung, so fließt kein Strom. Ist die Versorgungsleitung 3 allerdings beschädigt, so fließt ein Strom. Dieser aufgrund des Teststroms in der anderen Versorgungsleitung 3 fließende Strom 8 wird dann gemessen. Die Höhe des in der anderen Leitung 3 fließenden Stroms 8 wird für die Bestimmung der Isolation der anderen Leitung 3 ausgewertet. Soll die Isolation in beiden Leitungen 2, 3 gemessen werden, so wird zunächst die eine Leitung 2 mittels des Schaltelements 5 und anschließend die eine Leitung 3 mittels des Schaltelements 6 mit dem Teststrom beaufschlagt, wobei der dabei in jeweils der anderen Leitung 3, 2 fließende Strom 8, 7 gemessen sowie ausgewertet wird. Diese definierten elektrischen Stromflüsse 7, 8 zur Bewertung der Isolation sind in der Fig. gepunktet gekennzeichnet. Die Stromflüsse 7, 8 werden durch die Signale „HV-ISOLATION Widerstand von HV+ zu K131” und „HV-ISOLATION Widerstand von HV- zu K131” gesteuert.
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Wie weiter der Fig. zu entnehmen ist, handelt es sich bei dem Schaltelement 5, 6 um einen Halbleiter, und zwar insbesondere um einen MosFet, der von einem zugehörigen Steuergerät entsprechend zum Schalten angesteuert wird. In den Verbindungsleitungen 12, 13 ist jeweils ein elektrischer Widerstand 15 angeordnet. Die Messvorrichtung 14 zur Messung des fließenden Stroms 7, 8 misst dann den Spannungsabfall als Messwert an dem elektrischen Widerstand 15 in der jeweiligen Verbindungsleitung 12, 13. Des Weiteren umfasst die Messvorrichtung 14 zur Messung des in der Versorgungsleitung 2, 3 fließenden elektrischen Stroms 7, 8 einen Differenzverstärker zur Verstärkung des Messwertes, so dass der in der anderen Leitung 2, 3 fließende Strom 7, 8 mittels des Differenzverstärkers für dessen präzise Messung verstärkt wird. Schließlich umfasst der Differenzverstärker wenigstens einen Operationsverstärker 9, 10 und/oder eine nicht weiter gezeigte Diode mit einem Optokoppler.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Isolation sowie die dieses Verfahren realisierede Schaltungsanordnung sind insbesondere zum Einsatz für ein mit hoher Spannung arbeitendes Hochwolt-Batteriesystem in einem Kraftfahrzeug geeignet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die zugehörige Schaltungsanordnung auch bei Batteriesystemen in Hausgeräten, Audiogeräten, Videogeräten, Telekommunikationsgeräten o. dgl. zum Einsatz kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung (zur Isolationsmessung)
- 2
- Versorgungsleitung (zum Pluspol)/Leitung
- 3
- Versorgungsleitung (zum Minuspol)/Leitung
- 4
- Masse-Leitung/Masse
- 5, 6
- Schaltelement
- 7, 8
- fließender Strom/Stromfluss
- 9, 10
- Operationsverstärker
- 11
- Verbraucher
- 12
- (erste) Verbindungsleitung
- 13
- (zweite) Verbindungsleitung
- 14
- Messvorrichtung (für Strom)
- 15
- (elektrischer) Widerstand
