DE102016100868A1

DE102016100868A1 - Schätzung des Sammelschienen-Isolationswiderstands für Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102016100868A1
Application number: DE102016100868.0A
Authority: DE
Inventors: Allan Roy Gale; Ben A. Tabatowski-Bush; Richard William Kautz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2016-07-28
Also published as: US9579977B2; CN105823926B; CN105823926A; US20170113553A1; US10220707B2; US20160214484A1

Abstract

Es wird die elektrische Sammelschienenisolation für ein elektrifiziertes Fahrzeug detektiert, bei dem eine Gleichstromquelle mit einer Plus- und einer Minus-Sammelschiene verbunden ist. Die Plus-Sammelschiene wird mit der Masse verbunden, und es wird ein resultierender erster Strom erfasst, der durch einen Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließt. Die Minus-Sammelschiene wird mit der Masse verbunden, und es wird ein resultierender zweiter Strom erfasst, der durch einen Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließt. Die Plus- und Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstände werden in Reaktion auf jeweilige Verhältnisse der ersten und zweiten Ströme geschätzt. Ein Isolationswert wird mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Isolationswert aus einer Spannung der Gleichstromquelle und einem kleineren des Plus- und des Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstands erhalten wird. Es wird eine untypische Isolation signalisiert, wenn der Isolationswert niedriger als der Schwellenwert ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Entfällt.
ERKLÄRUNG BEZÜGLICH BUNDESTAATLICH GEFÖRDERTER FORSCHUNG
Entfällt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrifizierte Fahrzeuge, die eine Hochspannungssammelschiene verwenden, und insbesondere die genaue Schätzung des zwischen jeder Hochleistungssammelschiene und einer Masse vorhandenen wirksamen Isolationswiderstands.
Elektrifizierte Fahrzeuge wie Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge nutzen üblicherweise eine Hochspannungs-Leistungssammelschiene, die von einer Gleichstromquelle gespeist wird, die Speicher- und/oder Umwandlungseinrichtungen wie einen mehrzelligen Batteriesatz oder eine Brennstoffzelle umfassen kann. Das Vorhandensein von Hochspannungssammelschienen schafft einen Bedarf, die elektrische Isolation jeder Sammelschiene gegenüber den elektrisch leitenden Komponenten des Fahrzeugchassis (Masse) zu überwachen.
Zwischen einer Gleichstromsammelschiene und Masse vorhandene Isolationswiderstände müssen ausreichend hoch sein. Bei üblichen Isolationswiderstandsdetektionssystemen wird davon ausgegangen, dass der Isolationswiderstand zwischen der Plus- oder der Minus-Gleichstromsammelschiene und der Masse liegt. Eine typische Isolationsstromdetektorschaltung arbeitet so, dass sie jeweils eine einzelne Sammelschiene durch einen Strombegrenzungswiderstand periodisch mit der Masse verbindet, und den resultierenden Stromfluss dazu verwendet, den Isolationswiderstand zwischen der entgegengesetzten Sammelschiene und der Masse zu berechnen. Der berechnete Isolationswiderstand, der durch die Batteriespannung geteilt wird, charakterisiert die elektrische Isolation.
Isolationswiderstandsdetektionssysteme führen typischerweise einen Strom aus einer Sammelschiene durch einen bekannten Widerstand dem Isolationswiderstand zwischen der Masse und der anderen Sammelschiene zu. Solche Systeme können eine potentielle ausgeglichene Komponente des Isolationswiderstands aus beiden Sammelschienen zur Masse außer Acht lassen, die aufgrund einer potentiellen Diskrepanz der abgeleiteten Isolationswiderstandswerte manchmal zu einer Fehlcharakterisierung der elektrischen Isolation führen kann. Insbesondere können ein Widerstand zwischen einer Sammelschiene und der Masse, sowie ein Widerstand mit einer Komponente desselben Werts zwischen der anderen Sammelschiene und der Masse vorliegen. Diese Widerstände, die beide denselben Wert haben, werden im Folgenden als symmetrischer oder ausgeglichener Isolationswiderstand bezeichnet. Ein Widerstand an einer Sammelschiene zum Chassis ohne einen übereinstimmenden Wert an der anderen Sammelschiene zum Chassis wird im Folgenden als nichtsymmetrischer oder unausgeglichener Isolationswiderstand bezeichnet. Der zusätzliche Stromfluss durch den ausgeglichenen Isolationswiderstand kann bei Detektionssystemen des Standes der Technik zu einem Überschätzen des zusammengesetzten ausgeglichenen und unausgeglichenen Widerstands führen, der zwischen einer Sammelschiene und der Masse liegt. Es ist wünschenswert, diesen letzteren zusammengesetzten Widerstand zu schätzen, um die elektrische Isolation präziser bestimmen zu können.
Die am 2. Oktober 2014 eingereichte, ebenfalls anhängige US-Anmeldung Seriennummer 14/504,588 mit dem Titel „Bus Leakage Resistance Estimation for Electrical Isolation Testing and Diagnostics“, die durch Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird, offenbart Verfahren und Vorrichtungen zum Identifizieren der ausgeglichenen und unausgeglichenen Isolationswiderstände. Isolationsströme werden für die Plus- und Minus-Sammelschienen gemessen. Ein Korrekturfaktor, der auf einem Verhältnis der Ströme basiert, wird erhalten, um die ausgeglichenen und unausgeglichenen Isolationswiderstandskomponenten zu trennen.
Die vorhergehenden Isolationswiderstandsschätzungen hängen sowohl von Spannungs- als auch Strommessungen von jeder der Detektionsschaltungen für die beiden jeweiligen Sammelschienen ab. Es wäre wünschenswert, die Anzahl von erforderlichen Messungen zu verringern und die Berechnungen zu reduzieren, die zum Ableiten der unausgeglichenen und/oder ausgeglichenen Sammelschienen-Isolationswiderstände benötigt werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein elektrifiziertes Fahrzeug eine mit einem Plus-Ausgang einer Gleichstromquelle verbindbare Plus-Sammelschiene und eine mit einem Minus-Ausgang der Gleichstromquelle verbindbare Minus-Sammelschiene. Eine Masse ist innerhalb des Fahrzeugs verteilt. Eine erste Detektorschaltung weist einen ersten Abtastschalter auf, der einen ersten festen Widerstand wahlweise zwischen eine erste der Sammelschienen und die Masse koppelt. Die erste Detektorschaltung detektiert erste und zweite Spannungen zwischen der Masse und einer ausgewählten der Sammelschienen bei offenem bzw. geschlossenem erstem Abtastschalter. Eine Steuerschaltung identifiziert einen Sammelschienen-Isolationswiderstand in Reaktion auf die ersten und zweiten Spannungen und eine Quellenspannung zwischen den Plus- und Minus-Ausgängen der Gleichstromquelle. Eine Thévenin-Ersatzschaltung kann zum Identifizieren einer Beziehung zwischen diesen Spannungen und den Sammelschienen-Isolationswiderständen verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, das einen Typ von elektrifiziertem Fahrzeug darstellt, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird.
2 ist ein Prinzipschaltbild, das eine typische Sammelschienenstruktur mit dargestellten Isolationswiderständen veranschaulicht.
3 ist ein Prinzipschaltbild, das Prüfmessschaltungen zum Charakterisieren des Sammelschienen-Isolationswiderstands darstellt.
4 ist ein Prinzipschaltbild, das die aktiven Elemente mit einem oberen Abtastschalter darstellt, der während einer Messung in Bezug auf den Isolationswiderstad an der Minus-Sammelschiene geschlossen ist.
5 ist ein Prinzipschaltbild, das die aktiven Elemente mit einem unteren Abtastschalter darstellt, der während einer Messung in Bezug auf den Isolationswiderstad an der Plus-Sammelschiene geschlossen ist.
6 ist ein Prinzipschaltbild, das eine Ersatzschaltung darstellt, die den Prüfmessschaltungen und Isolationswiderständen entspricht.
7 ist eine Thévenin-Ersatzschaltung, die auf der Schaltung von 6 basiert.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
9 ist ein Prinzipschaltbild, das Isolationswiderstände und eine Prüfschaltung in einem Elektrofahrzeug darstellt, wobei Batterie-Schaltschütze zwischen den ausgeglichen und unausgeglichenen Isolationswiderständen dargestellt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Begriff „elektrifiziertes Fahrzeug“ umfasst in der vorliegenden Verwendung Fahrzeuge mit einem Elektromotor für den Fahrzeugantrieb, wie etwa batterieelektrische Fahrzeuge (BEV), Hybridfahrzeuge (HEV) und Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV). Ein batterieelektrisches Fahrzeug enthält einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist, die aus einem externen Elektrizitätsnetz wiederaufladbar ist. Bei einem batterieelektrischen Fahrzeug liefert die Batterie oder eine andere Gleichstromquelle die Energie für den Fahrzeugantrieb. Ein Hybridfahrzeug enthält einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist, und die Energiequelle für den Elektromotor eine Gleichstromspeichereinheit ist, wie etwa eine Batterie. Bei einem Hybridfahrzeug ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie zusätzliche Energie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (zum Beispiel speichert die Batterie Kraftstoffenergie und gewinnt kinematische Energie in elektrischer Form zurück). Ein Plug-In-Hybridfahrzeug ist wie ein Hybridfahrzeug, das Plug-In-Hybridfahrzeug kann aber eine Batterie mit größerer Kapazität aufweisen, die aus dem externen Elektrizitätsnetz wiederaufladbar ist. Bei einem Plug-In-Hybridfahrzeug kann die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb sein, bis sich die Batterie auf ein niedriges Energieniveau entleert, zu welchem Zeitpunkt dann das Plug-In-Hybridfahrzeug für den Fahrzeugantrieb wie ein Hybridfahrzeug arbeitet.
1 zeigt beispielhaft ein Fahrzeug 10 als batterieelektrisches Fahrzeug, das ohne Unterstützung aus einem Verbrennungsmotor von einem Elektromotor 12 in einem Antriebsstrang 11 angetrieben wird. Der Elektromotor 12 nimmt elektrische Leistung auf und stellt ein Antriebsmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Der Elektromotor 12 wirkt auch als Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Nutzbremsung. Der Antriebsstrang 11 umfasst ein Getriebe 13, das den Elektromotor 12 mit angetriebenen Rädern 14 koppelt. Das Getriebe 13 passt das Antriebsmoment und die Drehzahl des Elektromotors 12 durch ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis an.
Das Fahrzeug 10 umfasst ein Batteriesystem 15, das einen Hauptbatteriesatz 16 und ein Batterie-Energieüberwachungsmodul (BEÜM) 17 umfasst. Der Batteriesatz 16 kann über ein Ladegerät 18 aufgeladen werden. Ein Ausgang des Batteriesatzes 16 ist mit einem Wechselrichter 19 verbunden, der die von der Batterie 16 bereitgestellte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung zum Betreiben des Elektromotors 12 gemäß den Befehlen von einem Traktionssteuermodul (TSM) 20 umwandelt. Das Traktionssteuermodul 20 überwacht unter anderem die Stellung, die Drehzahl und den Leistungsverbrauch des Elektromotors 12 und stellt Ausgangssignale, die diesen Informationen entsprechen, für andere Fahrzeugsysteme, einschließlich einer Fahrzeug-Hauptsteuerung 21 (die zum Beispiel ein Antriebsstrang-Steuermodul (PCM) sein kann) bereit.
2 zeigt eine typische Sammelschienenarchitektur, bei der eine Gleichstromquelle 25 (wie beispielsweise eine Brennstoffzelle oder ein Batteriesatz) über Schaltschütze 28 selektiv mit einer Plus-Sammelschiene 26 und einer Minus-Sammelschiene 27 gekoppelt wird. Die Sammelschienen 26 und 27 können ferner mit einem Gleichspannungswandler 29, einem Verbindungskondensator 30 und dem Wechselrichter 19 gekoppelt sein, der den Traktionsmotor 12 antreibt. Eine Masse 31 stellt leitende Teile des Fahrzeugs dar, deren elektrisches Potential als Bezug genommen wird und die leitend miteinander verbunden sind.
Die elektrische Isolation der Sammelschienen 26 und 27 wird durch den elektrischen Isolationswiderstand zwischen jeder Sammelschiene und der Masse 31 bestimmt. Ein Isolationswiderstand 32 stellt die Isolationshöhe zwischen der Plus-Sammelschiene 26 und der Masse 31 dar. Ein Isolationswiderstand 33 stellt die Isolation zwischen der Minus-Sammelschiene 27 und der Masse 31 dar. Die Isolationswiderstände 32 und 33 können beide unausgeglichene und ausgeglichene (symmetrische) Isolationswiderstände aufweisen. Außerdem können Isolationswiderstände 23 und 24 mit unausgeglichenen und ausgeglichenen Isolationswiderstandskomponenten zwischen den Sammelschienen 26 und 27 vorhanden sein (vorausgesetzt, dass die Kontakte 28 von 2 geschlossen sind), wobei der Übergang zwischen Isolationswiderständen 34 und 35 mit der Masse 31 verbunden ist. Die ausgeglichene Komponente der Isolationswiderstände kann innerhalb der Gleichstromquelle 25 herbeigeführt werden, wie dargestellt, oder sie kann aus anderen Bedingungen, wie beispielsweise Isolationsdurchschlag, resultieren.
3 zeigt die Hinzufügung der Vorrichtung zum Detektieren des Isolationswiderstands, wobei die Widerstände 34 und 35 die ausgeglichenen Widerstandskomponenten der tatsächlichen Isolationswiderstände 32 und 33 darstellen. Wenn die Widerstände 34 und 35 dargestellt sind, weist nur einer der Widerstände 32 und 33 einen Wert kleiner als Unendlich auf. Eine erste Detektorschaltung 40 ist zwischen der Plus-Sammelschiene 26 und der Masse 31 angeordnet, und eine zweite Detektorschaltung 41 ist zwischen der Minus-Sammelschiene 27 und der Masse 31 angeordnet. Die erste Detektorschaltung 40 umfasst einen Strombegrenzungswiderstand 43 (bezeichnet als R_d) in Reihe mit einem Abtastschalter 44 und einem anderen Widerstand 45 (bezeichnet als R_s). Es sind getrennte Widerstände 43 und 45 dargestellt, da diese Schaltungstopologie bereits in weitverbreitetem Fertigungseinsatz ist. Ein einziger Widerstand in Reihe mit dem Abtastschalter 44 ist jedoch alles, was nötig ist (d. h. ein kombinierter Widerstand R_c). Die Widerstände 43 und 45 stellen zusammen einen ersten festen Widerstand (R_c = R_d + R_s) bereit, wie in den unten dargestellten Berechnungen verwendet. Ein typischer Wert für den festen Widerstand kann etwa 419 Kiloohm sein.
Der Schalter 44 ist ein hoher oder oberer Schalter, da er die obere oder Plus-Sammelschiene 26 mit der Masse 31 koppelt. Eine Steuerschaltung 42 ist mit dem Schalter 44 verbunden, um den Schalter 44 selektiv zu aktivieren, so dass ein resultierender Strom durch die Detektorschaltung 40 fließt, der vom Sammelschienen-Isolationswiderstand 33 abhängt (d. h. wenn die Widerstände 32, 34 und 35 nicht vorhanden sind). Gleichermaßen umfasst die zweite Detektorschaltung 41 eine Reihenschaltung eines Lastwiderstands 46 (R_d), eines unteren Abtastschalters 47 und eines Widerstands 48 (R_s), wobei der untere Schalter 47 von der Steuerschaltung 42 gesteuert wird, um den Widerstand 32 zu detektieren, wenn die Widerstände 33, 34 und 35 nicht vorhanden sind. Die Steuerschaltung 42 kann einen Mikrocontroller, wie beispielsweise ein Batterie-Energieüberwachungsmodul, umfassen.
4 stellt die Schaltungselemente dar, die, wenn der Schalter 44 geschlossen ist, die Plus-Sammelschiene 26 über die Widerstände 43 und 45 wirksam mit der Masse 31 verbinden, um den Parallelkombinations-Isolationswiderstand 32/34 (dargestellt als Widerstand 320) und den Parallelkombinations-Isolationswiderstand 33/35 (dargestellt als Widerstand 330) der Sammelschiene, die auch als R_p bzw. R_n bezeichnet werden, zu charakterisieren. Auf dem Stand der Technik wurden Strom- und Spannungsmessungen verwendet, die mit dem Abtastschalter 44 in der geschlossenen Stellung gesammelt wurden. Wie im Folgenden genauer erörtert, sammelt die vorliegende Erfindung ein Paar von Spannungsmessungen V_CH zwischen der Masse 31 und der Gleichstromquelle 25 bei geöffnetem bzw. geschlossenem Schalter 44, um die Isolationswiderstände ohne Notwendigkeit einer Strommessung zu charakterisieren. Ähnlich stellt 5 die aktiven Schaltungselemente beim wirksamen Kurzschließen der Minus-Sammelschiene 27 gegen die Masse 31 dar, um die Isolationswiderstände R_p und/oder R_n zu charakterisieren. Für einen Fachmann ist zu erkennen, dass, obwohl die Erfindung unter Verwendung von Messungen aus der Minus-Sammelschiene V_bat– gegen Masse veranschaulicht wird, diese alternativ aus der Plus-Sammelschiene V_bat+ gegen Masse sein könnten.
In der Annahme, dass der feste Widerstand in jeder der Detektorschaltungen gleich ist, und durch Neuanordnen der ausgeglichenen und unausgeglichenen
Isolationswiderstände wird eine Ersatzschaltung abgeleitet, wie in 6 dargestellt. Die Batterie 25 ist mit einem Dreiwegeschalter 50 verbunden, so dass der feste Widerstand R_c mit der positiven Gleichspannung, einem offenen Stromkreis oder mit der negativen Gleichspannung verbunden werden kann. Der feste Widerstand R_c ist durch den unausgeglichenen Isolationswiderstand R_U mit der positiven Gleichspannung V_bat gekoppelt (alternativ könnte R_U in der vorliegenden Analyse stattdessen mit der Masse verbunden sein). Der feste Widerstand R_c ist durch den ausgeglichenen Isolationswiderstand R_B ferner mit dem Mittelpunkt zwischen der positiven und der negativen Gleichspannung (d. h. V_bat/2) gekoppelt.
Die Spannung, die zwischen dem Widerstand R_c und der Batterie-Sammelschienenspannung V_bat- verfügbar ist, wenn der Schalter 50 offen ist, kann in der Thévenin-Ersatzschaltung von 7 als eine Thévenin-Spannung V_thev aufgelöst werden, wobei der Thévenin-Widerstand R_thev die Parallelkombination des unausgeglichenen Isolationswiderstands R_U und des ausgeglichenen Isolationswiderstands R_B ist. Wenn der Schalter 50 in der offenen Stellung ist (d. h. beide der oberen und unteren Schalter offen sind), fließt kein Strom. Daher entspricht die Spannung am festen Widerstand (hierin als erste Chassis-Spannung V_CH1 bezeichnet) der Thévenin-Spannung V_thev. Unter Verwendung von 4 oder 5 erfüllt die Thévenin-Spannung V_thev außerdem auch die folgende Formel:
wobei R_n der Widerstand 330 ist, und R_p der Widerstand 320. Wenn ein Abtastschalter geschlossen wird, wird eine zweite Chassis-Spannung detektiert, die als V_CH2 bezeichnet wird. Wenn der obere (d. h. hohe) Schalter geschlossen ist, wird die Chassis-Spannung als V_CH2-HIGH bezeichnet, und wenn der untere Schalter geschlossen ist, wie die Chassis-Spannung als V_CH2-LOW bezeichnet.
In der Thévenin-Ersatzschaltung von 7 ist der Thévenin-Widerstand R_thev die Parallelkombination des unausgeglichenen Isolationswiderstands R_U und des ausgeglichenen Isolationswiderstands R_B, was ausgedrückt werden kann, wie folgt:
VSW ist die Spannung, die gemessen wird, wenn einer der Schalter geschlossen ist. Falls der untere Abtastschalter (47 in 5) geschlossen wird, wird die Thévenin-Spannung zu: V_thev = (R_thev + R_C)·i_RC (Gleichung 3) wobei i_RC der Strom durch den festen Widerstand R_C ist. Außerdem erfüllt der Strom i_RC:
Wenn die Spannung VSW bei geschlossenem unterem Schalter gemessen wird, dann ergibt das Auflösen von Gleichung 3 und 4:
Gleichung 2 und 5 werden kombiniert, um Berechnungen für die Sammelschienen-Isolationswiderstände auf der Basis der detektierten (gemessenen) Spannungen V_bat, V_CH1 und V_CH2-LOW zu ergeben, falls der untere Abtastschalter verwendet wird, wie folgt:
und
Wie aus Vorstehendem ersichtlich, könnte das Schließen eines Schalters möglicherweise genügen, um beide Isolationswiderstände R_n und R_p zu schätzen.
Wenn sich jedoch einer der Isolationswiderstände gegen Unendlich nähert, kann Gleichung 6 undefiniert werden. Es kann daher wünschenswert sein, sowohl mit der Verwendung des oberen als auch des unteren Abtastschalters (und ihrer zugehörigen Berechnungen) fortzufahren, um unter allen Bedingungen zu funktionieren. Daher kann in der vorliegenden Erfindung auch der Fall untersucht werden, wenn der obere Abtastschalter (44 in 4) geschlossen ist. Das Verwenden einer zweiten Chassis-Spannung V_CH2-HIGH, die bei geschlossenem oberen Schalter gemessen wird, erzeugt Werte für die Sammelschienen-Isolationswiderstände, wie folgt:
und
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der untere Abtastschalter geschlossen, um einen Wert von V_CH2-LOW zu detektieren, der in Gleichung 6 verwendet werden soll, und der obere Abtastschalter wird geschlossen, um einen Wert von V_CH2-HIGH zu detektieren, der in Gleichung 8 verwendet werden soll (wobei der Wert für V_CH1 nur einmal detektiert wird, wenn beide Schalter offen sind).
In einer anderen Ausführungsform werden in Abhängigkeit von einer Bestimmung dessen, welcher Isolationswiderstand kleiner (d. h. weiter weg von Unendlich) ist, entweder Gleichung 6 und 7 oder Gleichung 8 und 9 verwendet. Dieses alternative Verfahren ist in 8 dargestellt, wobei die erste Chassis-Spannung V_CH1 in Schritt 51 bei offenen Abtastschaltern gemessen wird. In Schritt 52 erfolgt eine Prüfung, um zu bestimmen, ob die gemessene erste Chassis-Spannung V_CH1 kleiner als die Hälfte einer Batteriespannung V_B ist (d. h. ob Sammelschienen-Isolationswiderstände dazu führen, dass die Masse näher an der positiven oder der negativen Sammelschienenspannung liegt). Wenn ja, dann wird der obere Abtastschalter geschlossen, und in Schritt 53 wird die zweite Chassis-Spannung V_CH2-HIGH gemessen. In Schritt 54 werden die Sammelschienen-Isolationswiderstände unter Verwendung von Gleichung 8 und 9 berechnet. Wenn die erste Chassis-Spannung V_CH1 größer als die oder gleich der Hälfte der Batteriespannung V_B ist, dann wird der untere Abtastschalter geschlossen, und in Schritt 55 wird die zweite Chassis-Spannung V_CH2-LOW gemessen. In Schritt 56 werden die Sammelschienen-Isolationswiderstände unter Verwendung von Gleichung 6 und 7 berechnet.
Basierend auf den berechneten Isolationswiderständen wird eine Sammelschiene mit einer niedrigeren Isolation dazu verwendet, um einen Isolationswert zu berechnen. Demnach wird in Schritt 57 der kleinere der berechneten Isolationswiderstände ausgewählt. Der ausgewählte kleinere Isolationswiderstand wird durch eine vorbestimmte Spannung geteilt, um den Isolationswert zu berechnen. Die vorbestimmte Spannung kann aus der gemessenen Spannung (V_B) der Gleichstromquelle oder einer vorbestimmten konstanten Spannung (z. B. der Systemnennspannung oder einem durch Vorschriften vorgegebenen Wert) bestehen. Der Isolationswert kann berechnet werden wie folgt:
wobei V_B die gemessene Batteriespannung oder ein vorbestimmter Wert wie beispielsweise 500 V sein kann. Genauer gesagt, kann in Schritt 57 eine Prüfung erfolgen, um zu bestimmen, ob der Plus-Sammelschienen-Isolationswiderstand R_p kleiner als der Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand R_n ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird R_p zum Berechnen des Isolationswerts in Schritt 58 verwendet. Andernfalls wird in Schritt 59 R_n zum Berechnen des Isolationswerts verwendet. Der resultierende Isolationswert wird mit einem Isolationsschwellenwert (z. B. 500 Ohm/Volt) verglichen und, falls dieser niedriger als der Schwellenwert ist, dann erzeugt die Erfindung in Schritt 58 oder 59 ein Warnsignal, dass ein untypischer Zustand detektiert wurde. Die Signalisierung kann umfassen, einen Fahrer über den Zustand zu informieren und/oder die Gleichstromquelle automatisch von den Leistungssammelschienen zu trennen (z. B. die Schaltschütze zu öffnen).
Die berechneten Werte für die Isolationswiderstände R_p und R_n können ferner dazu verwendet werden, die ausgeglichenen und unausgeglichenen Komponenten der Widerstände voneinander zu trennen, so dass die Komponenten im Zeitablauf überwacht werden können, um bestimmte potentielle Versagen im elektrischen System zu detektieren oder vorherzusagen. Beispiele für ausgeglichene Isolationswiderstände, die sich im Zeitablauf auf eine Weise verändern können, die ein bevorstehendes Versagen feststellen lässt, umfassen a) Isolationsdurchschlag und b) Wirksamkeitsverlust einer Kühlwasser-Entsalzungsanlage in einem Brennstoffzellensystem. Mehrere Isolationswiderstandsmessungen im Zeitablauf können in ausgeglichene/unausgeglichene Komponenten getrennt und in einer Datenbank gespeichert werden. Sowohl die Größe als auch die Steigung innerhalb der gespeicherten Daten (z. B. entweder der ausgeglichenen oder der unausgeglichenen Komponenten) werden dazu verwendet, potentielle Ausfälle vorherzusagen. Beispiele für unausgeglichene Isolationswiderstände, die sich im Zeitablauf ändern können, umfassen den Kontakt von Batterieanschlussklemmen mit dem Chassis, Drahtkontakt mit dem Chassis und andere Formen von Kontakt.
Die berechneten Werte für die Isolationswiderstände R_p und R_n können voneinander getrennt werden, wie folgt. Der größere der Isolationswiderstände R_p und R_n entspricht dem ausgeglichenen Widerstand, d. h. R_bal = max(R_p, R_n). Dies liegt daran, dass definitionsgemäß der Wert von R_bal von der Masse sowohl zur Plus- als auch zur Minus-Sammelschiene derselbe sein muss. Ein unausgeglichener Widerstand besteht parallel zum Wert von R_bal von entweder der Plus- oder der Minus-Sammelschiene zur Masse. Da parallele Widerstände stets zu einem Gesamtwiderstand führen, der niedriger ist als die jeweiligen Parallelwiderstände, entspricht das Maximum für R_p und R_n dem ausgeglichenen Widerstand. Daher wird in Schritt 60 der Wert von R_bal als das Maximum der Sammelschienen-Isolationsspannungen ausgewählt.
Die unausgeglichene Widerstandskomponente kann in Schritt 61 unter Verwendung von R_p und R_n berechnet werden, wie folgt:
Komponenten der Sammelschienen-Isolationswiderstände R_p und R_n können auf einer oder beiden Seiten der Batterieschütze 28a und 28b vorhanden sein, wie in 9 dargestellt. Es wäre vorteilhaft, den Wert dieser getrennten Komponenten der Widerstände trennen zu können. Insbesondere ausgeglichene Teile der Isolationswiderstände auf der Batterieseite der Schütze (dargestellt als die Isolationswiderstände 34 und 35). Zuerst werden bei offenen Schützen Isolationswiderstände R_p-open und R_n-open erhalten, wie oben beschrieben. Dann können bei geschlossenen Schützen neue Werte für die Isolationswiderstände R_p-closed und R_n-closed erhalten werden. Die Werte der batterieseitigen ausgeglichenen Isolationswiderstände R_pb und R_nb können dann berechnet werden, wie folgt:
und

Claims

Elektrifiziertes Fahrzeug, umfassend: eine mit einem Plus-Ausgang einer Gleichstromquelle verbindbare Plus-Sammelschiene, eine mit einem Minus-Ausgang der Gleichstromquelle verbindbare Minus-Sammelschiene, eine innerhalb des Fahrzeugs verteilte Masse, eine erste Detektorschaltung mit einem ersten Abtastschalter, der einen ersten festen Widerstand wahlweise zwischen eine erste der Sammelschienen und die Masse koppelt, wobei die erste Detektorschaltung erste und zweite Spannungen zwischen der Masse und einer ausgewählten der Sammelschienen bei offenem bzw. geschlossenem erstem Abtastschalter detektiert; und eine Steuerschaltung, die einen Sammelschienen-Isolationswiderstand in Reaktion auf die ersten und zweiten Spannungen und eine Quellenspannung zwischen den Plus- und Minus-Ausgängen der Gleichstromquelle identifiziert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die erste der Sammelschienen die Minus-Sammelschiene ist, und wobei die Steuerschaltung einen Isolationswiderstand R_n der Minus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel identifiziert:
wobei R_C der erste feste Widerstand ist, V_bat die Quellenspannung ist, V_CH1 die erste Spannung ist, und V_CH2 die zweite Spannung ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Steuerschaltung einen Isolationswiderstand R_p der Plus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel identifiziert:
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die erste der Sammelschienen die Plus-Sammelschiene ist, und wobei die Steuerschaltung einen Isolationswiderstand R_p der Plus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel identifiziert:
wobei R_C der erste feste Widerstand ist, V_bat die Quellenspannung ist, V_CH1 die erste Spannung ist, und V_CH2 die zweite Spannung ist.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung einen Isolationswiderstand R_n der Minus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel identifiziert:
Fahrzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine zweite Detektorschaltung mit einem zweiten Abtastschalter, der einen zweiten festen Widerstand wahlweise zwischen eine zweite der Sammelschienen und die Masse koppelt, wobei die zweite Detektorschaltung dritte und vierte Spannungen zwischen der Masse und der zweiten der Sammelschienen bei offenem bzw. geschlossenem zweitem Abtastschalter detektiert; und wobei die Steuerschaltung einen anderen Sammelschienen-Isolationswiderstand in Reaktion auf die dritten und vierten Spannungen und die Quellenspannung identifiziert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Plus- und die Minus-Sammelschiene von der Gleichstromquelle trennt, wenn ein Isolationswert niedriger als ein Schwellenwert ist, wobei der Isolationswert ein Verhältnis des identifizierten Isolationswiderstands zu einer vorbestimmten Spannung ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Spannung eine vorbestimmte Konstante ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Spannung die Quellenspannung umfasst.
Verfahren zum Detektieren von Sammelschienenisolation für ein elektrifiziertes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine Gleichstromquelle aufweist, die mit einer Plus-Sammelschiene und einer Minus-Sammelschiene und einer innerhalb des Fahrzeugs verteilten Masse verbindbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen einer Quellenspannung über die Gleichstromquelle; Messen einer ersten Spannung zwischen der Masse und einer ersten der Sammelschienen; Schalten eines ersten festen Widerstands zwischen die erste der Sammelschienen und die Masse; Messen einer zweiten Spannung zwischen der Masse und der ersten der Sammelschienen; Schätzen eines Sammelschienen-Isolationswiderstands in Reaktion auf die ersten und zweiten Spannungen und die Quellenspannung; Vergleichen eines Isolationswerts mit einem Schwellenwert, wobei der Isolationswert ein Verhältnis des geschätzten Isolationswiderstands zu einer vorbestimmten Spannung ist; und Signalisieren einer untypischen Isolation, wenn der Isolationswert niedriger als der Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste der Sammelschienen die Minus-Sammelschiene ist, und wobei ein Sammelschienen-Isolationswiderstand R_n der Minus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel geschätzt wird:
wobei R_C der erste feste Widerstand ist, V_bat die Quellenspannung ist, V_CH1 die erste Spannung ist, und V_CH2 die zweite Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Isolationswiderstand R_p der Plus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel geschätzt wird:
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die erste der Sammelschienen die Plus-Sammelschiene ist, und wobei ein Isolationswiderstand R_p der Plus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel geschätzt wird:
wobei R_C der erste feste Widerstand ist, V_bat die Quellenspannung ist, V_CH1 die erste Spannung ist, und V_CH2 die zweite Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Isolationswiderstand R_n der Minus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel geschätzt wird:
Verfahren zum Detektieren von Sammelschienenisolation für ein elektrifiziertes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine Gleichstromquelle aufweist, die mit einer Plus-Sammelschiene und einer Minus-Sammelschiene und einer innerhalb des Fahrzeugs verteilten Masse verbindbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen einer Quellenspannung über die Gleichstromquelle; Messen einer ersten Spannung zwischen der Masse und einer ersten der Sammelschienen; wenn die erste Spannung größer als die Hälfte der Quellenspannung ist, dann 1) Schalten eines ersten festen Widerstands zwischen die Plus-Sammelschiene und die Masse, und 2) Messen einer zweiten Spannung zwischen der Masse und der Minus-Sammelschiene; wenn die erste Spannung kleiner als die Hälfte der Quellenspannung ist, dann 1) Schalten eines zweiten festen Widerstands zwischen die Minus-Sammelschiene und die Masse, und 2) Messen der zweiten Spannung zwischen der Masse und der Minus-Sammelschiene; Schätzen eines Sammelschienen-Isolationswiderstands in Reaktion auf die ersten und zweiten Spannungen und die Quellenspannung; Vergleichen eines Isolationswerts mit einem Schwellenwert, wobei der Isolationswert ein Verhältnis des geschätzten Isolationswiderstands zu einer vorbestimmten Spannung ist; und Detektieren eines Isolationsfehlers, wenn der Isolationswert niedriger als der Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend den Schritt des Trennens der Gleichstromquelle von den Plus- und Minus-Sammelschienen in Reaktion auf den Isolationsfehler.
Verfahren zum Schätzen von Sammelschienen-Isolationswiderständen in einem elektrifizierten Fahrzeug mit einer Batterie, ersten und zweiten Gleichstromsammelschienen und einer Masse, umfassend: Messen einer Batteriespannung und einer ersten Chassis-Spannung in Bezug auf die Batterie; Koppeln eines Prüfwiderstands zwischen die erste Sammelschiene und die Masse und Messen einer zweiten Chassis-Spannung; Schätzen eines ersten Sammelschienen-Isolationswiderstands in Reaktion auf die ersten und zweiten Chassis-Spannungen und die Batteriespannung.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend die folgenden Schritte: Schätzen eines zweiten Sammelschienen-Isolationswiderstands der zweiten Sammelschiene in Reaktion auf den geschätzten ersten Sammelschienen-Isolationswiderstand, die erste Chassis-Spannung und die Batteriespannung.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Sammelschiene eine Minus-Sammelschiene ist, und wobei ein Sammelschienen-Isolationswiderstand R_n der Minus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel geschätzt wird:
wobei R_C der Prüfwiderstand ist, V_bat die Batteriespannung ist, V_CH1 die erste Chassis-Spannung ist, und V_CH2 die zweite Chassis-Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die erste Sammelschiene eine Plus-Sammelschiene ist, und wobei ein Isolationswiderstand R_p der Plus-Sammelschiene gemäß der folgenden Formel geschätzt wird:
wobei R_C der Prüfwiderstand ist, V_bat die Batteriespannung ist, V_CH1 die erste Chassis-Spannung ist, und V_CH2 die zweite Chassis-Spannung ist.