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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der elektrischen Isolation in einem Batteriesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Schaltungsanordnung ist bei einer Batterie und/oder bei einem System, wobei die Isolation in Bezug auf ein elektrisches Masse-Potenzial bewertet werden soll, verwendbar. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden.
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Ein derartiges Batteriesystem besitzt eine Batterie, die wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle umfasst, und jeweils eine mit dem Pluspol sowie mit dem Minuspol der Batterie in elektrischer Verbindung stehende Versorgungsleitung. Diese Versorgungsleitungen sind zur elektrischen Verbindung mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher vorgesehen und dienen damit zur Zuführung von elektrischer Energie zum elektrischen Verbraucher. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung ist dann die elektrische Isolation in einem solchen Batteriesystem gegenüber Masse feststellbar. Es besteht der Bedarf, eine zuverlässig arbeitende Schaltungsanordnung hierfür bereitzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige arbeitende Schaltungsanordnung zur Überwachung der elektrischen Isolation in einem Batteriesystem zu schaffen. Insbesondere soll diese Schaltungsanordnung in einfacher Art und Weise ausgestaltet sein.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Überwachung der elektrischen Isolation in einem Batteriesystem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine erste Verbindungsleitung, in der ein elektrischer Widerstand angeordnet ist, von der einen Versorgungsleitung zur Masse vorgesehen. Weiterhin ist eine zweite Verbindungsleitung, in der ein weiterer elektrischer Widerstand angeordnet ist, von der anderen Versorgungsleitung zur Masse vorgesehen. Schließlich ist eine Messvorrichtung zur Messung des in den beiden Verbindungsleitungen jeweils fließenden elektrischen Stroms vorgesehen, derart dass anhand der Größe der fließenden elektrischen Ströme die Qualität beziehungsweise die Güte der elektrischen Isolation bestimmbar ist. Insbesondere ist dadurch die Veränderung der Qualität der elektrischen Isolation anhand der Änderung der Größe der in den beiden Verbindungsleitungen fließenden elektrischen Ströme bestimmbar. Eine solche Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise einfach ausgestaltet, insbesondere handelt es sich bei den elektrischen Widerständen um jeweils einen nichtvariablen elektrischen Widerstand mit einem festen Widerstandswert, der kostengünstig ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einfacher Ausgestaltung kann die Messvorrichtung zur Messung des in der Verbindungsleitung fließenden elektrischen Stroms den Spannungsabfall als Messwert an dem in der jeweiligen Verbindungsleitung befindlichen elektrischen Widerstand messen. Zweckmäßigerweise kann die Größe der elektrischen Widerstände derart gewählt sein, dass lediglich ein geringer elektrischer Strom in der Art eines Teststroms in der Verbindungsleitung fließt. Vorteilhafterweise arbeitet dann die Messvorrichtung mit geringer Leistung. Insbesondere kann hierfür die Größe der elektrischen Widerstände im Mega-Ohm-Bereich liegen, d. h. wenigstens ein Mega-Ohm (1 MΩ) betragen.
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In kompakter Bauweise kann die Messvorrichtung zur Messung des in der Verbindungsleitung fließenden elektrischen Stroms einen Differenzverstärker zur Verstärkung des Messwertes umfassen. Der Differenzverstärker kann in einfacher Art und Weise mittels adaptierter elektrischer Spannung von den Versorgungsleitungen betreibbar sein. Dadurch wird das Differenzverstärkersystem von zwei unabhängigen potenzialfreien Versorgungsspannungen gespeist, die an die veränderbaren Plus- und Minuspegel der Batterie angepasst werden. Zweckmäßigerweise kann der Differenzverstärker wenigstens einen Operationsverstärker und/oder eine Diode mit einem Optokoppler umfassen, was auch kostengünstig ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist besonders für ein Kraftfahrzeug geeignet, welches eine Karosserie besitzt, wobei in und/oder an der Karosserie ein Batteriesystem angeordnet ist. Die Karosserie bildet dabei das elektrische Masse-Potential für das Batteriesystem. Die Schaltungsanordnung dient dann zur Überwachung der elektrischen Isolation im Batteriesystem gegenüber der Karosserie. Beschädigungen der elektrischen Isolation lassen sich mit Hilfe der Schaltungsanordnung feststellen und es lassen sich dann rechtzeitig entsprechende Maßnahmen ergreifen. Dadurch wird die Sicherheit der Benutzer des Kraftfahrzeugs gewährleistet, insbesondere bei einem Hoch-Volt-System im Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Elektrofahrzeug.
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Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen Isolation in einem Batteriesystem in Bezug auf ein elektrisches Masse-Potenzial bereit, wobei das Batteriesystem eine wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle umfassende Batterie aufweist. Das Batteriesystem umfasst jeweils eine mit dem Pluspol sowie mit der Minuspol der Batterie in elektrischer Verbindung stehende Versorgungsleitung, wobei die Versorgungsleitungen zur elektrischen Verbindung mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher vorgesehen sind. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Verbindungsleitung, in der ein elektrischer Widerstand angeordnet ist, von der einen Versorgungsleitung zur Masse vorgesehen. Weiterhin wird eine zweite Verbindungsleitung, in der ein weiterer elektrischer Widerstand angeordnet ist, von der anderen Versorgungsleitung zur Masse vorgesehen. Es wird dabei der in den beiden Verbindungsleitungen jeweils fließende elektrische Strom gemessen. Dadurch ist anhand der Größe der fließenden elektrischen Ströme die Qualität beziehungsweise die Güte der elektrischen Isolation in einfacher Art und Weise bestimmbar. Insbesondere kann die Veränderung der Qualität der elektrischen Isolation anhand der Änderung der Größe der fließenden elektrischen Ströme in den beiden Verbindungsleitungen bestimmt werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann in abwechselnder Art zunächst der in der einen Verbindungsleitung und anschließend der in der anderen Verbindungsleitung fließende elektrische Strom gemessen werden. In einfacher Art und Weise kann zur Messung des in der Verbindungsleitung fließenden elektrischen Stroms der Spannungsabfall als Messwert an dem in der jeweiligen Verbindungsleitung befindlichen elektrischen Widerstand ermittelt werden. Zwecks Steigerung der Genauigkeit kann der in der jeweiligen Verbindungsleitung fließende Strom mittels eines Differenzverstärkers zur Messung verstärkt werden. In einfacher Art und Weise kann der Differenzverstärker mittels adaptiver elektrischer Spannung von den Versorgungsleitungen betrieben werden. In kostengünstiger Art und Weise kann der Differenzverstärker wenigstens einen Operationsverstärker und/oder eine Diode mit einem Optokoppler umfassen.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Isolation in einem Batteriesystem ist nachfolgendes festzustellen.
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In elektrischen Anlagen ist es wichtig, dass die Isolation der elektrischen Leitungen gewährleistet ist. In Fahrzeugen ist die Isolation der elektrischen Systeme ebenfalls sehr wichtig. Solche Batteriesysteme werden im Fahrzeug immer mehr eingesetzt. Dabei können 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, ein einfaches aber dennoch sehr zuverlässiges System in das Batteriesystem zu integrieren. Dieses System ist durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:
- – Es ist eine dauerhafte Prüfung der elektrischen Isolation auf korrekte Eigenschaften ermöglicht.
- – Ein Teststrom wird von der Plusleitung gegen Masse und/oder von der Minusleitung gegen Masse dauerhaft ermöglicht. Sobald eine Verschlechterung der Isolationswerte eintritt kann der Isolationswert sofort ausgewertet werden.
- – Durch ein beschädigtes HV(Hochvolt)-Isolationssystem stellt sich für die Messwerte an den Widerständen, die sogenannten „R-Fehler”, an den Anschlüssen HV+ und/oder HV– eine Asymmetrie an der Auswerteelektronik ein, bedingt durch die parallel geschalteten „R-Fehler”, die parallel zu den Widerstandsnetzwerken wirken und dadurch eine Stromänderung am Differenzverstärkersystem bewirken.
- – Das Verstärkersystem, beispielsweise ein Differenzverstärkersystem, wird von zwei unabhängigen potenzialfreien Versorgungsspannungen gespeist, die an die veränderbaren Pluspegel und/oder Minuspegel adaptiert werden.
- – Das veränderbare Pluspotenzial und/oder das veränderbare Minuspotenzial ist jeweils für das Plusmesssystem (Differenzverstärkersystem) und/oder für das Minusmesssystem (Differenzverstärkersystem) der Bezugspunkt und somit die virtuelle Masse.
- – Das Differenzverstärkersystem besteht beispielsweise aus genauen Operationsverstärkern mit sehr wenigen Fehlerquellen. Diese Fehler in den Bausteinen können so ausgelegt sein, dass eine sinnvolle Auswertung und/oder Bewertung der Isolation gewährleistet ist.
- – Das Differenzverstärkersystem kann auch durch einfache Optokoppler realisiert werden. Eine stromdurchflossene Diode gibt ein galvanisch getrenntes Signal an einen Empfänger.
- – Die Übertragung der Signale auf Fahrzeugebene, also auf das Potenzial der sogenannten Klemme 31 beziehungsweise auf das Messepotenzial wird über eine galvanische Trennung realisiert. In der erfindungsgemäßen Lösung ist diese Trennung beispielsweise in einem Operationsverstärker integriert.
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Zusammenfassend besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, in einer zuvor festgelegten Reihenfolge einen elektrischen Messstrom vom Plus-Potenzial und/oder vom Minus-Potenzial 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 von Hochspannungssystemen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug ermöglicht. Insbesondere ist eine dauerhafte Isolationsprüfung ermöglicht.
- – Es handelt sich zwar um eine neue Technologie im Fahrzeug und dennoch um eine einfache Lösung.
- – Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren besitzen 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 Überwachung der elektrischen Isolation in einem Batteriesystem.
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Das Batteriesystem des in der Fig. gezeigten Fahrzeugs 11 weist in bekannter Weise eine Batterie, die wenigstens eine Batterie- und/oder Akkuzelle umfasst, auf. Wie weiter in der Fig. zu sehen ist, steht jeweils eine Versorgungsleitung 2 mit dem Pluspol der Batterie sowie eine Versorgungsleitung 3 mit dem Minuspol der Batterie in elektrischer Verbindung. Die Versorgungsleitungen 2, 3 stehen mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher, der nicht weiter gezeigt ist, in elektrischer Verbindung und dienen somit zur Versorgung des Verbrauchers mit elektrischer Energie. Das Batteriesystem ist in und/oder an der Karosserie des Kraftfahrzeugs 11 angeordnet, wobei die Karosserie 11 das elektrische Masse-Potenzial 4 für das Batteriesystem bildet.
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Die Schaltungsanordnung 1 zur Überwachung der elektrischen Isolation der Versorgungsleitungen 2, 3 gegenüber der Masse 4 ist in elektrischer Verbindung mit den beiden Versorgungsleitungen 2, 3 angeordnet und weist eine elektrische Verbindung zur Masse-Leitung 4 auf. Es ist hierfür eine erste Verbindungsleitung 5, in der ein erster elektrischer Widerstand 7 angeordnet ist, von der einen Versorgungsleitung 2 zur Masse 4 vorgesehen. Weiter ist eine zweite Verbindungsleitung 6, in der ein weiterer zweiter elektrischer Widerstand 8 angeordnet ist, von der anderen Versorgungsleitung 3 zur Masse 4 vorgesehen. Bei den elektrischen Widerständen 7, 8 handelt es sich um nichtvariable Widerstände, die jeweils einen festen Widerstandswert besitzen. Schließlich ist noch eine Messvorrichtung 12 zur abwechselnden Messung des in den beiden Verbindungsleitungen 5, 6 jeweils fließenden elektrischen Stroms 13, 14 vorgesehen, derart dass anhand der Größe der fließenden elektrischen Ströme 13, 14 die Qualität und/oder Güte der elektrischen Isolation bestimmbar ist.
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Das Verfahren zur Überwachung der Isolation in dem Batteriesystem besteht darin, dass der in den beiden Verbindungsleitungen 5, 6 jeweils fließende elektrische Strom 13, 14 abwechselnd gemessen wird. Ist die Isolation der Versorgungsleitung 3 und/oder 2 in Ordnung, so fließt ein bestimmter, vorzugsweise geringer Strom über die Verbindungsleitung 5. Ist die Versorgungsleitung 3 und/oder 2 allerdings beschädigt, so fließt aufgrund des dadurch bedingten Kurzschlusses zur Masse 4 des Fahrzeugs 11 ein merklich veränderter Fehlerstrom 13 über die Verbindungsleitung 5. Dieser über den Widerstand 7 fließende Fehlerstrom 13 wird dann gemessen. Die Höhe und/oder Größe des in der Verbindungsleitung 5 fließenden Fehlerstroms 13 wird für die Bestimmung der Isolation der Versorgungsleitung 3 und/oder 2, also des Isolationswiderstandes 17 und/oder 18 der Versorgungsleitung 3 und/oder 2, ausgewertet. Auf dieselbe Weise kann ein eventueller Fehlerstrom 14 über den elektrischen Widerstand 8 in der Verbindungsleitung 6 gemessen werden, wenn die Versorgungsleitung 2 und/oder 3 beschädigt ist, woraus wiederum der Isolationswiderstand 18 und/oder 17 der Versorgungsleitung 2 und/oder 3 bestimmt werden kann. Durch abwechselnde Messung der in den Verbindungsleitungen 5, 6 fließenden Ströme 13, 14, also indem zunächst der in der einen Verbindungsleitung 5 und anschließend der in der anderen Verbindungsleitung 6 fließende elektrische Strom 13, 14 gemessen wird, und deren anschließenden Auswertung kann somit die Qualität und/oder die Güte der Isolation im Batteriesystem bestimmt werden.
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Insbesondere kann anhand der zeitlichen Änderung der Größe der fließenden elektrischen Ströme 13, 14 in den Verbindungsleitungen 5, 6 die Veränderung der Qualität und/oder Güte der elektrischen Isolation der Versorgungsleitungen 2, 3 festgestellt werden. Dadurch lässt sich eine eventuelle Beschädigung der Isolation der Versorgungsleitungen 2, 3 rechtzeitig erkennen, so dass entsprechende Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden können bevor eine Gefährdung der Benutzer des Kraftfahrzeugs 11 eintritt. Diese definierten elektrischen Stromflüsse 13, 14 zur Bewertung der elektrischen Isolation sind in der Fig. mit gestrichelten Linien entlang der Verbindungsleitungen 5, 6 sowie der Isolationswiderstände 17, 18 gekennzeichnet.
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Wie anhand der Fig. zu erkennen ist, misst die Messvorrichtung 12 zur Messung des in der Verbindungsleitung 5, 6 fließenden elektrischen Stroms 13, 14 den Spannungsabfall als Messwert an dem in der jeweiligen Verbindungsleitung 5, 6 befindlichen nichtvariablen elektrischen Widerstand 7, 8. Der elektrische Widerstand 7, 8 besitzt einen festen Widerstandswert, so dass die Größe des elektrischen Stroms 13, 14 aus dem Spannungsabfall am Widerstand 7, 8 ermittelbar ist. Zweckmäßigerweise wird die Größe der elektrischen Widerstände 7, 8 derart gewählt, dass bei intakter elektrischer Isolation der Versorgungsleitungen 2, 3 lediglich ein geringer elektrischer Strom 13, 14 in der Art eines Teststroms in der Verbindungsleitung 5, 6 fließt, so dass eine lediglich geringe und in der Praxis vernachlässigbare Verlustleistung für das Batteriesystem resultiert. Dazu bietet es sich an, dass die Größe der elektrischen Widerstände 7, 8 im Mega-Ohm-Bereich liegt, d. h. also wenigstens ein 1 MΩ beträgt. Des Weiteren werden die Versorgungsleitungen 2, 3 und damit auch die Testströme 13, 14 über die sogenannte Klemme 31 (Kl31) des Zündschlosses im Kraftfahrzeug 11 geschaltet und sind somit lediglich bei eingeschalteter Zündung aktiv, womit eine Entladung der Batterie bei ausgeschalteter Zündung verhindert ist. Es ist jedoch hervorzuheben, dass bei eingeschalteter Zündung die Testströme 13, 14 unterbrechungsfrei aktiv sind, so dass eine dauerhafte Überwachung der elektrischen Isolation während des Betriebs des Traftfahrzeugs 11 ermöglicht ist.
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Die Messvorrichtung 12 zur Messung des in der Verbindungsleitung 5, 6 fließendem elektrischen Stroms 13, 14 umfasst einen Differenzverstärker zur Verstärkung des Messwertes. Der Differenzverstärker 12 umfasst wiederum wenigstens einen Operationsverstärker 9, 10 und/oder eine nicht weiter gezeigte Diode mit einem Optokoppler. Der Differenzverstärker 12, und zwar insbesondere die Operationsverstärker 9, 10 sind mittels einer adaptierten elektrischen Spannung von den Versorgungsleitungen 2, 3 betreibbar. Hierzu ist ein entsprechender, an die Versorgungsleitungen 2, 3 angeschlossener Spanungswandler 19, der mit den Operationsverstärkern 9, 10 in elektrischer Verbindung steht, vorgesehen.
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Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass die Schaltungsanordnung 1 eine dauerhafte Überwachung der elektrischen Isolation des Batteriesystems gestattet. Die nähere Ausgestaltung ist hierzu wie folgt.
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Es fließt ein Teststrom 13, 14 von der Versorgungsleitung 2 als Plus-Leitung (HV+) gegen die Masse 4 und/oder von der Versorgungsleitung 3 als Minus-Leitung (HV–) gegen die Masse 4. Bei beschädigter Isolation stellt sich durch die veränderten Isolationswiderstände 17, 18 („R-Fehler”) an der Plus-Leitung 2 und/oder Minus-Leitung 3 eine Asymmetrie an der Messvorrichtung 12 als Auswerteelektronik ein. Diese Asymmetrie ist bedingt durch die zu den Widerständen 7, 8 parallel geschalteten R-Fehlern 17, 18, wodurch eine Änderung des elektrischen Stroms 13, 14 am Differenzverstärkersystem 12 bewirkt wird. Die Stromflüsse 13, 14 werden also durch die Signale „HV-ISOLATION Widerstand von HV+ zu Kl31 (Klemme 31)” und „HV-ISOLATION Widerstand von HV– zu Kl31 (Klemme 31)” dementsprechend gesteuert. Die Asymmetrie der Ströme 13, 14 am Differenzverstärkersystem 12 korrespondiert zur Qualität und/oder Güte der elektrischen Isolation, und damit auch zum Grad von deren Beschädigung.
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Das Differenzverstärkersystem 12 wird von zwei unabhängigen potenzialfreien Versorgungsspannungen gespeist, welche mittels des Spannungswandlers 19 an die veränderbaren Plus- und/oder Minus-Pegel dir Versorgungsleitungen 2, 3 adaptiert werden. Das veränderbare Pluspotenzial und/oder das veränderbare Minuspotenzial ist jeweils für das Plus-Messsystem am Differenzverstärkersystem 12 und/oder für das Minus-Messsystem am Differenzverstärkersystem 12 der Bezugspunkt und somit die virtuelle Masse. Die Übertragung der vom Differenzverstärkersystem 12 erzeugten Signale 22 auf die Fahrzeugebene, also auf das Potenzial der Klemme 31 bzw. das Masse-Potenzial, erfolgt über eine galvanische Trennung, die beispielsweise mittels der weiteren Operationsverstärkern 20, 21 realisiert ist. Diese weiteren Operationsverstärker 20, 21 werden zu deren Betrieb ebenfalls vom Spannungswandler 19 mit elektrischer Spannung versorgt. Die Signale 22 können dann beispielsweise in einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs 11 im Hinblick auf die Qualität und/oder Güte der elektrischen Isolation weiter verarbeitet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung und/oder Messung der Isolation ist insbesondere zum Einsatz für ein 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 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Batteriesystemen in Hausgeräten, Audiogeräten, Videogeräten, Telekommunikationsgeräten o. dgl. zum Einsatz kommen, mithin in allen Batteriesystemen, in denen die Isolation bewertet werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung (zur Isolationsüberwachung)
- 2
- Versorgungsleitung (zum Pluspol)/Plus-Leitung
- 3
- Versorgungsleitung (zum Minuspol)/Minus-Leitung
- 4
- Masse-Leitung/Masse/Masse-Potenzial
- 5
- (erste) Verbindungsleitung
- 6
- (zweite) Verbindungsleitung
- 7
- (erster) Widerstand
- 8
- (zweiter) Widerstand
- 9, 10
- Operationsverstärker
- 11
- Fahrzeug/Kraftfahrzeug/Karosserie
- 12
- Messvorrichtung (für elektrischen Strom)/Differenzverstärkersystem
- 13, 14
- Fehlerstrom/Strom/Stromfluss/Teststrom
- 17, 18
- Isolationswiderstand (von Versorgungsleitung)/„R-Fehler”
- 19
- Spannungswandler
- 20, 21
- (weiterer) Operationsverstärker
- 22
- Signal
