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Zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten kommen bei Automobilherstellern und Zulieferern Vorrichtungen zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten zum Einsatz.
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Es ist eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, eine vielseitige Vorrichtung zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den unabhängigen Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten. Die Vorrichtung umfasst eine Gleichspannungsquelle, die zur Emulation eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs eingerichtet ist in einem ersten Betriebszustand eine Spannung in einem ersten Spannungsbereich bereitzustellen, und in einem zweiten Betriebszustand eine Spannung in einem zweiten Spannungsbereich bereitzustellen.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Leistungselektronikeinheit mit einem Leistungselektronikeingang, mittels dem die Leistungselektronikeinheit mit der Gleichspannungsquelle gekoppelt ist, und einem Leistungselektronikausgang, mittels dem die Leistungselektronikeinheit mit wenigstens einer elektrischen Fahrzeugkomponente des Fahrzeugs koppelbar ist.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Sicherheitseinheit, die ausgebildet ist, die Leistungselektronikeinheit derart zu steuern, dass die in dem zweiten Betriebszustand durch die Gleichspannungsquelle bereitgestellte Spannung einen vorgegebenen Grenzwert stets unterschreitet.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht dies einen sicheren Betrieb der Gleichspannungsquelle in dem zweiten Betriebszustand. Mit Vorteil wird ferner ein vielseitiger Einsatz der Vorrichtung sowohl für Hochvolt-Betrieb, insbesondere für Spannungen oberhalb von 60 Volt, sowie für Spannungen bis zu 60 Volt ermöglicht, beispielweise um an einem Prüfstand einen Hochvolt- bzw. 48 Volt-Akkumulator eines Fahrzeugs zu ersetzen. Im Gegensatz zu zwei separaten Gleichspannungsanlagen für verschiedene Spannungsebenen kann folglich ein hoher Aufwand im Hinblick sowohl auf Rüstzeiten am Prüfstand als auch auf eine Ansteuerung der Anlagen vermieden werden. Insbesondere ermöglicht dies eine Zeit- und Kostenersparnis bei aufeinanderfolgender Versorgung elektrischer Fahrzeugkomponenten mit einer Spannung im ersten und zweiten Spannungsbereich.
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Bei dem ersten Spannungsbereich handelt es sich hier und im Folgenden insbesondere um einen Spannungsbereich oberhalb von 60 Volt, welcher auch als Hochvolt-Spannungsebene bezeichnet werden kann. Bei dem zweiten Spannungsbereich handelt es sich entsprechend um einen Spannungsbereich zwischen 0 Volt und 60 Volt, der zum Beispiel auch als 48 Volt-Spannungsebene bezeichnet werden kann. Insbesondere kann die bereitgestellte Spannung in dem zweiten Betriebszustand 48 Volt betragen. Der vorgegebene Grenzwert beträgt dann beispielsweise 55 Volt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Vorrichtung und ihre Komponenten nach dem Sicherheitsstandard der ISO 26262 und/oder der ISO 61508 ausgebildet. Dies ermöglicht einen sicheren Betrieb der Gleichspannungsquelle sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Betriebszustand.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Leistungselektronikeinheit wenigstens einen Gleichspannungsschütz, der signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit gekoppelt und mittels dem der Leistungselektronikeingang mit dem Leistungselektronikausgang koppelbar ist.
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Überdies ist die Sicherheitseinheit ausgebildet, den wenigstens einen Gleichspannungsschütz derart zu steuern, dass der Leistungselektronikeingang wahlweise mit dem Leistungselektronikausgang gekoppelt oder von dem Leistungselektronikausgang entkoppelt ist.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine sichere Trennung des Leistungselektronikausgangs von der Gleichspannungsquelle.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leistungselektronikeinheit wenigstens einen Gleichspannungsmessprüfer auf, der signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit gekoppelt und ausgebildet ist, einen Spannungsmesswert zu erfassen, der repräsentativ ist für eine Spannung, die anliegt zwischen einer Referenzmasse und einem Messpunkt zwischen dem wenigstens einen Gleichspannungsschütz und dem Leistungselektronikeingang.
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Überdies ist die Sicherheitseinheit ausgebildet, den wenigstens einen Gleichspannungsschütz abhängig von dem durch den jeweiligen Gleichspannungsmessprüfer erfassten Spannungsmesswert zu steuern.
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In vorteilhafter Weise trägt dies bei zu gewährleisten, dass der vorgegebene Grenzwert an dem Leistungselektronikausgang nicht überschritten wird. Als Referenzmasse kommt hier beispielsweise eine an einem Eingang der Vorrichtung bereitgestellte Erdung in Frage.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leistungselektronikeinheit wenigstens einen Gleichspannungsmesswandler auf, der mit dem wenigstens einen Gleichspannungsmessprüfer gekoppelt und ausgebildet ist, die Spannung, die anliegt zwischen der Referenzmasse und dem Messpunkt zwischen dem wenigstens einen Gleichspannungsschütz und dem Leistungselektronikeingang in einen durch den jeweiligen Gleichspannungsmessprüfer erfassbaren Spannungsbereich zu wandeln.
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Überdies ist der jeweilige Gleichspannungsmessprüfer ausgebildet, die durch den jeweiligen Gleichspannungsmesswandler gewandelte Spannung als Spannungsmesswert zu erfassen.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht dies zuverlässig und präzise auch bei hohen Spannungsbeträgen eine sichere Trennung des Leistungselektronikausgangs von der Gleichspannungsquelle zu gewährleisten. Ein zu wandelnder Spannungsbereich beträgt beispielsweise zwischen 10 Volt und 1000 Volt. Eine dem jeweiligen Gleichspannungsmessprüfer bereitgestellte Spannung beträgt nach Wandlung durch den jeweiligen Gleichspannungswandler beispielsweise zwischen 1/2 bis 1/100 der ungewandelten Spannung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leistungselektronikeinheit wenigstens einen Isolationswächter auf, der signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit gekoppelt und ausgebildet ist, einen Strommesswert zu erfassen, der repräsentativ ist für einen Strom, welcher zwischen dem wenigstens einen Gleichspannungsschütz und dem Leistungselektronikeingang fließt.
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Überdies ist die Sicherheitseinheit ausgebildet, den wenigstens einen Gleichspannungsschütz abhängig von dem durch den Isolationswächter erfassten Strommesswert zu steuern.
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In vorteilhafter Weise trägt dies weiter zu einer sicheren Trennung des Leistungselektronikausgangs von der Gleichspannungsquelle bei.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ferner einen Schalter, der signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit gekoppelt und ausgebildet ist, einen Sollbetriebszustand der Gleichspannungsquelle zu erfassen.
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Überdies ist die Sicherheitseinheit ausgebildet, die Leistungselektronikeinheit abhängig von dem erfassten Sollbetriebszustand zu steuern.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht dies ein Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Betriebszustand der Gleichspannungsquelle. Insbesondere kann es sich bei dem Schalter um einen Schlüsselschalter handeln, so dass nur autorisiertes bzw. qualifiziertes Personal die Umschaltung vornehmen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Sicherheitseinheit ausgebildet, den wenigstens einen Isolationswächter abhängig von dem erfassten Sollbetriebszustand zu aktivieren oder zu deaktivieren.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht dies einen sicheren Betrieb der Vorrichtung, wenn die Gleichspannungsquelle in dem ersten Betriebszustand betrieben wird, und zugleich einen störungsfreien Betrieb der Vorrichtung, wenn die Gleichspannungsquelle in dem zweiten Betriebszustand betrieben wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung ferner eine Kommunikationsschnittstelle, die signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit gekoppelt und eingerichtet ist zur Kommunikation mit einem externen Steuergerät.
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Beispielsweise ist die Sicherheitseinheit in diesem Zusammenhang programmierbar ausgeführt. Bei dem externen Steuergerät kann es sich beispielhaft um einen Computer oder ähnliches handeln. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies unter anderem eine Anpassung des vorgegebenen Grenzwerts.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten; und
- 2 Schnitt- und Frontansicht der Vorrichtung gemäß 1.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Derzeit verwenden Automobilhersteller und Zulieferer eigene Gleichspannungsanlagen für den Hochvolt-Betrieb, insbesondere für Spannungen oberhalb von 60 Volt und eigene Gleichspannungsanlagen für Spannungen bis zu 60 Volt für entsprechende Versuche, die jeweils am Prüfstand beispielsweise einen Hochvolt- bzw. 48 Volt-Akkumulator ersetzen.
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Um einen mit zwei verschiedenen Gleichspannungsanlagen einhergehenden hohen Aufwand im Hinblick sowohl auf Rüstzeiten am Prüfstand als auch auf deren Ansteuerung zu verringern wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten angegeben.
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In diesem Zusammenhang wird die Erkenntnis genutzt, dass es möglich ist, mit Gleichspannungsquellen für die Hochvolt-Spannungsebene auch niedrige Spannungen kleiner 60 Volt auszugeben. Eine Herausforderung in diesem Zusammenhang stellt jedoch dar, in dieser Betriebsart unter keinen Umständen eine Spannung größer 60 Volt auszugeben.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung 100 weist einen Eingang 101 zur Kopplung mit einem Versorgungsnetz (nicht dargestellt) sowie einen Ausgang 103a, 103b zur Kopplung mit einer elektrischen Fahrzeugkomponente eines Fahrzeugs 200 auf.
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Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Gleichspannungsquelle 110 auf, die zur Emulation eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs 200 eingerichtet und mit dem Eingang 101 gekoppelt ist. Hierbei ist die Gleichspannungsquelle 110 ausgebildet in einem ersten Betriebszustand eine Spannung in einem ersten Spannungsbereich bereitzustellen, und in einem zweiten Betriebszustand eine Spannung in einem zweiten Spannungsbereich bereitzustellen. Bei dem ersten Spannungsbereich handelt es sich insbesondere um einen Bereich oberhalb von 60 Volt. Bei dem zweiten Spannungsbereich handelt es sich entsprechend um einen Bereich bis zu 60 Volt.
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Die Vorrichtung 100 weist darüber hinaus eine Leistungselektronikeinheit 120 auf, die mit ihren Leistungselektronikeingängen mit der Gleichspannungsquelle 110 gekoppelt ist. Die Leistungselektronikausgänge der Leistungselektronikeinheit 120 bilden vorliegend die Ausgänge 103a, 103b, welche mit wenigstens einer elektrischen Fahrzeugkomponente des Fahrzeugs 200 gekoppelt sind.
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Schließlich weist die Vorrichtung 100 eine Sicherheitseinheit 130 auf, die ausgebildet ist, die Leistungselektronikeinheit 120 derart zu steuern, dass die in dem zweiten Betriebszustand durch die Gleichspannungsquelle 110 bereitgestellte Spannung einen vorgegebenen Grenzwert stets unterschreitet. Beispielsweise beträgt der vorgegebene Grenzwert 55 Volt.
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Im Gegensatz zu konventionellen Gleichspannungsanlagen für den Hochvolt-Bereich weist die Vorrichtung 100 eine ausgeprägte Sicherheitstechnik nach dem Stand der funktionalen Sicherheit, z.B. ISO 61508, auf, sodass auch ein Spannungsbereich unterhalb von 60 Volt, insbesondere 48 Volt, abgedeckt werden kann:
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Beispielsweise ist eine Antriebselektronik des Fahrzeugs 200 im Hochvolt-Betrieb berührgeschützt ausgeführt, nicht jedoch in dem zweiten Spannungsbereich. Daher ist es in diesem Spannungsbereich erforderlich zu verhindern, dass bei einem Betrieb im Bereich von 48 Volt höhere Spannungen als 60 Volt auftreten, wenn eine Hochvolt-taugliche Gleichspannungsquelle eingesetzt wird.
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Im Gegensatz zu konventionellen Gleichspannungsanlagen ist die Vorrichtung 100 ausgebildet, mit Hilfe der funktionalen Sicherheit beide Bereiche abzudecken, also den ersten und zweiten Spannungsbereich. Dadurch ist es möglich, zwei verschiedene Spannungsebenen mit einer einzigen Gleichspannungsanlage bereitzustellen.
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Die Vorrichtung 100 weist hierbei eine galvanische Trennung der Ausgangsspannung auf. Die galvanische Trennung der Spannung nach dem Leistungsteil bzw. dem Leistungselektronikausgang wird durch zwei Gleichspannungsschütze 121a, 121b realisiert, die von der Sicherheitseinheit 130 überwacht werden. Die Gleichspannungsschütze 121a, 121b sind zwischen dem Ausgang 103a, 103b und der Gleichspannungsquelle 110 angeordnet und ausgebildet, den Leistungselektronikeingang jeweils steuerbar mit dem Leistungselektronikausgang zu koppeln bzw. zu entkoppeln. Eine Steuerung der Kopplung erfolgt hierbei jeweils durch die Sicherheitseinheit 130.
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Insbesondere ist der Leistungselektronikeinheit 120 in diesem Zusammenhang jeweils ein Gleichspannungsmessprüfer 123a, 123b zugeordnet, der signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit 130 gekoppelt ist. Die beiden Gleichspannungsmessprüfer 123a, 123b sind jeweils ausgebildet, einen Spannungsmesswert einer eingangsseitig des jeweiligen Gleichspannungsschütz 121a, 121b anliegenden Spannung zu erfassen. Die Steuerung der Kopplung durch die Sicherheitseinheit 130 erfolgt insbesondere abhängig von dem durch den jeweiligen Gleichspannungsmessprüfer 123a, 123b erfassten Spannungsmesswert.
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Beispielhaft weist die Leistungselektronikeinheit 120 in diesem Zusammenhang ferner Gleichspannungsmesswandler 122a, 122b auf, die mit dem jeweiligen Gleichspannungsmessprüfer 123a, 123b gekoppelt sind. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine Wandlung der eingangsseitig des jeweiligen Gleichspannungsschütz 121a, 121b anliegenden Spannung in einen durch den jeweiligen Gleichspannungsmessprüfer 123a, 123b erfassbaren Spannungsbereich.
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Im Falle, dass die Gleichspannungsquelle 110 im ersten Spannungsbereich betrieben wird, bildet die mit der Vorrichtung 100 gekoppelte wenigstens eine elektrische Fahrzeugkomponente mit der Vorrichtung 100 ein Hochvolt-System. Bei dem Hochvolt-System handelt es sich insbesondere um ein sogenanntes IT-System (frz. Isole Terre), welches nicht geerdet ausgeführt ist. In diesem Zusammenhang kommt ein Isolationswächter 125a zur Überwachung des Isolationszustands des IT-Systems in der Vorrichtung 100 zum Einsatz. Der Isolationswächter 125a ist signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit 130 gekoppelt und insbesondere ausgebildet, einen Strommesswert zu erfassen, der repräsentativ ist für einen Strom, welcher zwischen dem Gleichspannungsschütz 121a und dem Leistungselektronikeingang fließt. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies der Sicherheitseinheit abhängig von dem erfassten Strommesswert den Gleichspannungsschütz 121a zu steuern.
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Im Falle, dass die Gleichspannungsquelle 110 im zweiten Spannungsbereich betrieben wird, bildet die mit der Vorrichtung 100 gekoppelte wenigstens eine elektrische Fahrzeugkomponente mit der Vorrichtung 100 beispielsweise ein 48 Volt-System. Das 48 Volt-System ist im Gegensatz zu dem Hochvolt-System insbesondere massebezogen ausgebildet. In diesem Zusammenhang ist die Sicherheitseinheit 130 daher ausgebildet, den Isolationswächter 125a in der Vorrichtung 100 in einen deaktivierten Zustand umzuschalten. Anders als bei Hochvolt-Bordnetzen ist bei dem 48 Volt-System fahrzeugseitig zumeist kein Berührschutz vorgesehen.
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Beispielhaft weist die Vorrichtung 100 in diesem Zusammenhang ferner einen Schalter 140 auf, der signaltechnisch mit der Sicherheitseinheit 130 gekoppelt ist. Bei dem Schalter 140 kann es sich um einen Schlüsselschalter handeln. Mittels des Schalters 140 kann durch die Sicherheitseinheit 130 ein durch einen Nutzer der Vorrichtung 100 vorgegebener Sollbetriebszustand der Gleichspannungsquelle 110 erfasst werden, abhängig dessen die Leistungselektronikeinheit 120 gesteuert wird. Insbesondere kann überdies abhängig von dem erfassten Sollbetriebszustand der Isolationswächter 125a in den aktivierten oder deaktivierten Betriebszustand geschaltet werden. Somit ist immer die entsprechende richtige und erforderliche Betriebsart des Isolationswächters 125a aktiv oder passiv vorhanden. Insbesondere kann, wenn der Schalter 140 auf einer Position steht, die für einen Sollbetriebszustand im zweiten Spannungsbereich repräsentativ ist, über die Sicherheitseinheit 130 sichergestellt werden, dass keine höheren Spannungen als 55 V an Ausgangsklemmen des Ausgangs 103a, 103b ausgegeben werden. In anderen Wort wird durch den (Schlüssel)schalter 140 die Spannung auf 55 Volt hardwareseitig begrenzt und kann auch nicht von einer Automatisierung überstimmt werden.
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Bei der Sicherheitseinheit 130 kann insbesondere eine Sicherheitssteuerung in einer programmierbaren Ausführung eingesetzt werden, die eine sichere Umschaltung des Isolationswächters 125a gewährleistet. In diesem Zusammenhang weist die Sicherheitseinheit beispielsweise eine Programmierschnittstelle 150 zur Kommunikation mit einem externen Steuergerät auf.
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Die Sicherheitssteuerung ist bespielhaft für den Sicherheitslevel ASIL D nach DIN ISO 26262 ausgelegt. In anderen Worten ist die Vorrichtung mi der Sicherheitseinheit 130 derart ausgebildet, dass beigetragen wird, dass unter keinen Umständen ein tödlicher Unfall passiert, dass also keine tödliche Berührspannung von der Gleichspannungsquelle 110 auch bei Anlagen-Fehlern oder Störungen ausgegeben wird. Die am Ausgang 103a, 103b unterschreitet in diesem Fall also stets den vorgegeben Grenzwert.
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Mit der programmierbaren Sicherheitssteuerung kann es insbesondere ermöglicht werden, sowohl einkanalige Not-Aus Systeme sowie zweikanalige Not-Aus Systeme zu betreiben.
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Zusammenfassend ergeben sich durch die Vorrichtung 100 folgende Vorteile:
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Am Prüfstand wird mit ein und derselben Anlage ein sicherer Hochvolt- und bzw. oder ein 48 Volt Betrieb zur Erprobung von elektrischen Fahrzeugkomponenten ermöglicht, ohne dass die Anlage dafür gewechselt werden muss. Es bedarf dadurch keinerlei Umstellung in der Automatisierung, die für die Ansteuerung der entsprechenden Gleichspannungsquelle erforderlich wäre. Ein Umschalten der Betriebsarten kann einfach und sicher per Schlüsselschalter erfolgen. Durch die Sicherheitssteuerung ist insbesondere ein sicherer Betrieb der zwei Spannungsebenen gewährleistet.
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In vorteilhafter Weise werden Rüstzeiten am Prüfstand erheblich reduziert. Des Weiteren wird auch Lagerfläche eingespart, da keine zweierlei Anlagentypen erforderlich sind. Es muss auch keine neue Ansteuerungskomponente für eine 48 Volt Anlage z.B. für einen anderen Hersteller programmiert werden. Dies spart Entwicklungsressourcen und Kapital.
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Die Anlagen können kaskadiert werden und somit sind im 48 Volt Bereich Leistungen bis ca. 80 kW möglich, ohne dafür Spezialanlagen anschaffen zu müssen. Überdies wird mit auch im Betrieb dreier Vorrichtungen 100 im Master/Slave/Slave Modus das Sicherheitslevel ASIL D nach DIN ISO 26262 erreicht.
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2 zeigt die Vorrichtung 100 mit den Gleichspannungsschützen 121a, 121b, der Sicherheitseinheit 130 und dem Schlüsselschalter 14 nochmals in Schnitt- sowie Frontansicht.
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Weiterhin kann die Vorrichtung folgende vorteilhafte Asugestaltungen aufweisen . Eine Schnittstelle der Vorrichtung zu einem Gebäude ist dabei derart ausgebildet, dass Kontakte potentialfrei ausgeführt sind. Beispielhaft erfolgt eine Einschaltmeldung zweikanalig, das heißt, die Gleichspannungsschütze 12a, 121b (DC-Ausgangsschütze) sind abgesichert. In vorteilhafter Weise kann so auf eine Reglerfreigabe verzichtet werden. Darüber hinaus ist eine Not-Aus Kette 2-kanalig ausgeführt, auch in der Kombination Master/Slave/Slave. Ferner sind eine Rückmeldung „Anlage ein“ und eine Störmeldung zweikanalig ausgeführt. Auf eine 24 Volt Versorgung des Not-Aus kann verzichtet werden. Ein sogenannter Interlock-Generator ist im Sicherheitspaket integriert. Auch eine Kondensatorbox ist im Sicherheitspakt integriert und wird entsprechend überwacht. Das Sicherheitspaket sichert die Vorrichtung 100 insbesondere auf der Stufe ASIL D ab. Eine Diagnosesoftware wird beispielsweise auf 64 Bit Windowsplattform bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 101
- Eingang
- 103a, 103b
- Ausgang
- 110
- Gleichspannungsquelle
- 120
- Leistungselektronikeinheit
- 121a, 121b
- Gleichspannungsschütz
- 122a, 122b
- Gleichspannungsmesswandler
- 123a, 123b
- Gleichspannungsmessprüfer
- 125a
- Isolationswächter
- 130
- Sicherheitseinheit
- 140
- Schalter
- 150
- Kommunikationsschnittstelle
- 200
- Fahrzeug
