DE102017119992A1

DE102017119992A1 - Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle in Bezug ihre Quellenspannung und ihre Isolationswiderstände sowie Hochvoltsystem und Verfahren zum Betreiben der Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017119992A1
Application number: DE102017119992.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Mayer; Helmut Weiss
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US11280848B2; WO2019043063A1; US20200200833A1; CN111051901B; CN111051901A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (21) zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle (12), wobei die Überwachungsvorrichtung (21) für jeden Pol (13, 14) der Energiequelle (12) eine jeweilige Messschaltung (26, 27) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Pol (13, 14) über einen Spannungsteiler (29, 30) mit einem Bezugspotential (KL31) zu verbinden, und wobei eine Auswerteeinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, an dem jeweiligen Spannungsteiler (29, 30) einen jeweiligen Spannungswert (Um1, Um2) zu erfassen und anhand der erfassten Spannungswerte (Um1, Um2) eine Quellenspannungsangabe (22) zu einer Quellenspannung (Ubat) der Energiequelle (12) zu ermitteln. Die Erfindung sieht vor, dass bei zumindest einer der Messschaltungen (26, 27) deren elektrischer Gesamtwiderstand (Rg+, Rg-) von einem Schaltzustand eines jeweiligen Schaltelements (38) abhängig ist und die Auswerteeinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, durch Schalten des jeweiligen Schaltelements (38) zumindest zwei unterschiedliche Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) der Messschaltungen (29,30) einzustellen und anhand der bei den Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) erfassten Spannungswerte (Um1, Um2) insgesamt Widerstandsangaben (23) zu Isolationswiderständen (Riso+, Riso-) der Energiequelle (12) zu ermitteln.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle in Bezug ihre Quellenspannung und ihre Isolationswiderstände. Die Energiequelle ist insbesondere eine Gleichspannungsquelle. Sie kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs sein. Zu der Erfindung gehört entsprechend auch ein Hochvoltsystem mit der elektrischen Energiequelle und der Überwachungsvorrichtung. Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben der Überwachungsvorrichtung.
Stand der Technik
In einem elektrischen Hochvoltsystem kann für einen elektrischen Hochvolt-Schaltkreis vorgesehen sein, dass man ihn bezüglich eines Bezugspotentials elektrisch isoliert hält. Für diese elektrische Isolierung können die elektrischen Leitungen und Bauteile des Hochvolt-Schaltkreises mittels eines Isolationsmaterials und/oder über Luftstrecken von dem Bezugspotential elektrisch getrennt sein. Die elektrische Isolierung ist dabei sowohl gegenüber dem Pluspol als auch dem Minuspol der Energiequelle wirksam, sodass sich zwei relevante Isolationswiderstände ergeben. Ein solches Hochvoltsystem kann z.B. in einem Elektrofahrzeug bereitgestellt sein. In einem solchen Fahrzeug-Hochvoltsystem kann dann die elektrische Energiequelle des Hochvolt-Schaltkreises durch eine Hochvoltbatterie bereitgestellt sein. Das besagte Bezugspotential kann ein Massepotential sein, wie es in einem Elektrofahrzeug beispielsweise als das sogenannte Klemmenpotential KL31 vorgesehen sein kann.
Mit „Hochvolt“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung im Falle einer elektrischen Gleichspannung eine elektrische Spannung mit einem Wert größer als 60 V und bevorzugt kleiner als 1,5 kV gemeint. Im Falle einer elektrischen Wechselspannung ist mit „Hochvolt“ eine elektrische Spannung mit einem Wert größer als 30 V rms (root mean square) und bevorzugt kleiner als 1 kV rms gemeint.
Bei einem elektrischen Hochvoltsystem kann man daran interessiert sein, mittels einer Überwachungsvorrichtung, die selbst nicht Bestandteil des elektrischen Hochvolt-Schaltkreises ist, sondern auf dem Bezugspotential betrieben wird, von dem Bezugspotential aus sowohl die Quellenspannung zwischen den Polen der Energiequelle (Pluspol und Minuspol) als auch die zwischen jeweils einem der Pole der Energiequelle und dem Bezugspotential wirksamen Isolationswiderstände zu überwachen, um zum Beispiel den Ladezustand der Energiequelle und einen Verschleiß oder eine Beschädigung der elektrischen Isolierung zu erkennen. Hierzu können Messschaltungen vorgesehen sein.
Aus der DE 10 2006 050 529 A1 ist eine solche Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Hochvoltbatterie bekannt. Zum Messen der Batteriespannung bezüglich eines Massepotentials sind zwei Messschaltungen mit Spannungsteilern vorgesehen. Zum Messen von Isolationswiderständen sind zwei zusätzliche Messschaltungen vorgesehen.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung sieht also vor, dass für das Ermitteln der Quellenspannung einerseits und das Ermitteln der Isolationswiderstände andererseits jeweils eine eigene Messschaltung für jeden Pol vorgesehen ist. Entsprechend groß ist der Schaltungsaufwand. Zudem besteht die Forderung, einen Ruhestrom der Energiequelle bei abgeschaltetem elektrischem Hochvolt-Schaltkreis, also zum Beispiel bei abgeschaltetem Elektrofahrzeug, zu minimieren. Es darf also keinen Ruhestrom aus der Energiequelle über eine der Messschaltungen geben. Hierzu muss jede Messschaltung mittels eines jeweiligen mechanischen Trennschalters von der Energiequelle galvanisch getrennt werden können. Mit jeder Messschaltung besteht also auch der Bedarf an einem zugehörigen mechanischen Trennschalter, was den Bauteilaufwand für eine Überwachungsvorrichtung weiter erhöhen kann.
Aus der DE 10 2008 013 436 B4 ist bekannt, Isolationswiderstände einer elektrischen Isolierung eines Brennstoffzellenstapels mittels einer einzigen, umschaltbaren Messschaltung durch Einstellen von zwei Schaltkonstellationen zu ermitteln. Die beiden Schaltkonstellationen werden eingestellt, indem ein Testwiderstand einmal einem der Isolationswiderstände parallel geschaltet wird und dann wieder von dem Isolationswiderstand getrennt wird.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle eines bezüglich eines Bezugspotentials isolierten elektrischen Schaltkreises, insbesondere eines Hochvolt-Schaltkreises, kostengünstig bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Unteransprüche sowie die Beschreibung und die Figuren erläutern weitere Ausführungsformen der Erfindung, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Durch die Erfindung ist eine Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, eine elektrische Energiequelle in Bezug auf eine Quellenspannung, welche die Energiequelle zwischen zwei elektrischen Polen erzeugt, und in Bezug auf einen jeweiligen Isolationswiderstand, der jeweils zwischen einem der Pole und einem vorbestimmten Bezugspotential wirksam ist, zu überwachen oder zu überprüfen. Der jeweilige Isolationswiderstand zwischen einem der Pole und dem Bezugspotential ergibt sich jeweils durch eine elektrische Isolierung, die durch zumindest ein Isolationsmaterial und/oder eine Luftstrecke gebildet sein kann. Bei dem Bezugspotential kann es sich um ein Massepotential handeln, gegenüber welchem die elektrische Energiequelle mittels der elektrischen Isolierung elektrisch getrennt oder isoliert sein soll.
Die Überwachungsvorrichtung weist zur Überwachung für jeden der beiden Pole eine jeweilige Messschaltung auf. Mit anderen Worten ist sowohl ein erster Pol, der hier im Folgenden auch als Pluspol bezeichnet ist, über eine der Messschaltungen mit dem Bezugspotential verbunden. Zudem ist ein zweiter Pol der Energiequelle, der im Folgenden auch als Minuspol bezeichnet ist, über eine zweite der Messschaltungen mit dem Bezugspotential verbunden. Jede Messschaltung ist dazu eingerichtet, den jeweiligen Pol über einen Spannungsteiler der Messschaltung mit dem Bezugspotential zu verbinden. Ein Spannungsteiler ist dabei eine Reihenschaltung aus zwei Schaltungszweigen, zwischen denen an einem Abgriffspunkt eine Messspannung abgegriffen werden kann. Eine Auswerteeinrichtung der Überwachungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, an dem jeweiligen Spannungsteiler der Messschaltungen, d.h. an deren jeweiligem Abgriffspunkt, einen jeweiligen Spannungswert zu erfassen. Es handelt sich also um den Spannungswert der besagten jeweiligen Messspannung. Die Auswerteeinrichtung ist des Weiteren dazu eingerichtet, anhand der erfassten Spannungswerte eine Quellenspannungsangabe zu der Quellenspannung zu ermitteln. Mit anderen Worten ist die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, von den Spannungswerten einen Rückschluss auf die Quellenspannung zu ziehen. Die Quellenspannungsangabe kann hierbei beispielsweise ein Spannungswert der Quellenspannung sein. In einer vereinfachten Ausführungsform kann die Quellenspannungsangabe aber auch lediglich zum Beispiel eine der beiden Angaben „in Ordnung“ und „nicht in Ordnung“ oder eine jeweils äquivalente Angabe sein, also allgemein eine Zustandsangabe der Quellenspannung und/oder der Energiequelle.
Somit sind also zwei Messschaltungen zum Ermitteln der Quellenspannungsangabe der Quellenspannung vorgesehen. Um nun zum Ermitteln der Isolationswiderstände nicht noch zusätzlich zwei weitere Messschaltungen vorzusehen, ist erfindungsgemäß bei zumindest einer der beiden besagten Messschaltungen deren elektrischer Gesamtwiderstand einstellbar oder veränderbar. Der Gesamtwiderstand ist derjenige elektrische Widerstand, den die Messschaltung zwischen dem jeweiligen Pol, mit welchem die Messschaltung gekoppelt oder verschaltet ist, und dem Bezugspotential aufweist. Bei einer der Messschaltungen oder bei beiden Messschaltungen ist hierzu ihr jeweiliger Gesamtwiderstand von einem Schaltzustand eines jeweiligen Schaltelements der Messschaltung abhängig. Das jeweilige Schaltelement kann dazu ausgestaltet sein, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal zwischen einem elektrisch leitenden und einem elektrisch sperrenden Zustand umzuschalten. Das Schaltsignal kann durch die Auswerteeinrichtung erzeugt werden. Die Auswerteeinrichtung ist also entsprechend dazu eingerichtet, durch Schalten des jeweiligen Schaltelements zumindest zwei vorbestimmte, unterschiedliche Schaltkonstellationen der Messschaltungen einzustellen. Mit jedem einzelnen Schaltelement lassen sich nämlich zwei Schaltkonstellationen innerhalb der jeweiligen Messschaltung einstellen, nämlich „Schaltelement elektrisch leitend“ und „Schaltelement elektrisch sperrend“. Falls jede der beiden Messschaltungen jeweils ein Schaltelement aufweist, ergeben sich also insgesamt vier mögliche Schaltkonstellationen der Messschaltungen zusammen, nämlich zwei pro Messschaltung. Bei nur einem Schaltelement sind dagegen auch insgesamt nur zwei Schaltkonstellationen möglich.
Die Auswerteeinrichtung ist nun des Weiteren dazu eingerichtet, anhand der bei jeder Schaltkonstellation erfassten jeweiligen Spannungswerte der Spannungsteiler insgesamt mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift eine jeweilige Widerstandsangabe zu den beiden Isolationswiderständen zu ermitteln. Es wird also eine Widerstandsangabe zu dem Isolationswiderstand zwischen dem Pluspol und dem Bezugspotential einerseits und eine Widerstandsangabe zu dem Isolationswiderstand zwischen dem Minuspol und dem Bezugspotential andererseits ermittelt. Die Widerstandsangabe kann jeweils zum Beispiel einen Widerstandswert angeben. Die Widerstandsangabe kann aber in vereinfachter Form auch in einer Zustandsangabe bestehen, wie beispielsweise „in Ordnung“ und „nicht in Ordnung“ oder einer jeweils äquivalenten Angabe. Die Zuordnungsvorschrift ordnet also den insgesamt bei allen eingestellten Schaltkonstellationen gemessenen oder erfassten Spannungswerten der Spannungsteiler insgesamt zwei Widerstandsangaben zu, nämlich jeweils eine pro Isolationswiderstand. Die Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise durch ein Kennfeld oder eine Tabelle realisiert sein. Wie im Weiteren noch ausgeführt wird, kann die Zuordnungsvorschrift auch eine Berechnungsvorschrift sein.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass insgesamt nur zwei Messschaltungen mit jeweils einem Spannungsteiler nötig sind, um sowohl die Quellenspannung als auch die beiden Isolationswiderstände der elektrischen Energiequelle zu überwachen oder eine jeweilige Zustandsangabe und/oder einen Wert für die Quellenspannung und die beiden Isolationswiderstände zu ermitteln. Die hierfür verwendete Analyseeinrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors gebildet sein, der am Bezugspotential betrieben werden kann und somit nicht für die Quellenspannung, also z.B. eine Hochvolt-Spannung, ausgelegt sein muss. Zum Erfassen der Spannungswerte kann die Analyseeinrichtung zum Beispiel zumindest einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, dessen jeweiliger Analog-Eingang mit jeweils einem der Spannungsteiler verbunden oder zwischen den Spannungsteilern umgeschaltet werden kann. Die Überwachungsvorrichtung ist insbesondere für ein elektrisches Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Im Folgenden sind weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform weisen beide Messschaltungen jeweils ein Schaltelement der beschriebenen Art auf. Wie beschrieben sind dann also insgesamt vier Schaltkonstellationen einstellbar. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, durch Schalten der Schaltelemente entsprechend zumindest drei vorbestimmte unterschiedliche Schaltkonstellationen einzustellen. Des Weiteren ist die Auswerteeinrichtung dann dazu eingerichtet, anhand der bei jeder Schaltkonstellation erfassten jeweiligen Spannungswerte der Spannungsteiler insgesamt (also auf Grundlage der Spannungswerte aller eingestellten Schaltkonstellationen) mittels der Zuordnungsvorschrift die jeweilige Widerstandsangabe zu den beiden Isolationswiderständen zu ermitteln. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einem ungünstigen Widerstandsverhältnis eines der Isolationswiderstände zu dem Gesamtwiderstand einer der Messschaltungen die jeweils andere Messschaltung zum Ermitteln der Widerstandsangabe für diesen Isolationswiderstand verwendet werden kann. Ein vorbestimmtes ungünstiges Widerstandsverhältnis ergibt sich insbesondere, wenn der Isolationswiderstand im Verhältnis zum Gesamtwiderstand einer der Messschaltungen derart gering ist, dass die sich ergebenden Zahlenverhältnisse im Bereich der Messungenauigkeit der Analyseeinrichtung und/oder der Rechengenauigkeit der Auswerteschaltung liegen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Gesamtwiderstand einer Messschaltung 1 Megaohm beträgt und ein Isolationswiderstand auf einen Wert kleiner als 10 Kiloohm gesunken ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass in der zumindest einen Messschaltung zum Umschalten des Gesamtwiderstands ein solches Schaltelement bereitgestellt ist, jeweils zumindest einen Halbleiterschalter umfasst. Ein solcher Halbleiterschalter kann beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors, insbesondere eines Feldeffekttransistor, wie beispielsweise eines MOSFETs (MOSFET - metal oxide semiconductor field effect transistor), realisiert sein. Ein Halbleiterschalter weist den Vorteil auf, dass ein verschleißfreies Umschalten möglich ist. Im Vergleich zu einem mechanischen Schalter vergrößert dies die Lebensdauer der Messschaltung.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass für jede Messschaltung zusätzlich jeweils ein mechanischer Trennschalter vorgesehen ist, welcher dazu eingerichtet ist, die Messschaltung mit einem der Pole der Energiequelle zu verbinden oder zu verschalten oder zu koppeln. Der jeweilige Trennschalter ist des Weiteren dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem Koppelsignal der Analyseeinrichtung zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umzuschalten. Die Analyseeinrichtung kann also gezielt durch Erzeugen des jeweiligen Koppelsignals jede Messschaltung mittels des jeweiligen Trennschalters elektrisch oder galvanisch mit jeweils einem der Pole der Energiequelle verbinden. Mittels der Trennschalter ist zudem jede Messschaltung galvanisch von der Energiequelle trennbar, wodurch ein Ruhestrom jeder Messschaltung auf 0 reduziert werden kann. Insgesamt sind dabei für die Überwachungsvorrichtung nur zwei mechanische Trennschalter nötig, da nur die zwei Messschaltungen von der Energiequelle galvanisch getrennt werden müssen. Ein mechanischer Trennschalter kann auf der Grundlage eines Relais oder Schütz gebildet sein.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass jeder der Trennschalter jeweils ein Reed-Relais umfasst oder durch ein Reed-Relais gebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch für die Koppelsignale der Analyseeinrichtung jeweils eine galvanische Trennung bezüglich der Energiequelle sichergestellt ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Analyseeinrichtung dazu eingerichtet ist, jeden der Trennschalter bei allen eingestellten Schaltkonstellationen der Messschaltungen mittels des jeweiligen Koppelsignals im elektrisch verbindenden Zustand oder geschlossen zu halten. Mit anderen Worten erfolgt das Umschalten zwischen den Schaltkonstellationen unabhängig von den Trennschaltern, die währenddessen im elektrisch verbindenden Zustand, d.h. geschlossen gehalten werden können. Das Umschalten zwischen den Schaltkonstellationen erfordert also kein mechanisches Schalten der Trennschalter. Hierdurch wird der Überwachungsvorgang oder Messvorgang verschleißfrei möglich.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die besagte Zuordnungsvorschrift auf einer Berechnungsvorschrift beruht, welche insgesamt die an den Spannungsteilern jeweils erfassten Spannungswerte mit den Isolationswiderständen in Beziehung setzen. Wie bereits ausgeführt, kann die Zuordnungsvorschrift in einer technischen Realisierung alternativ dazu als Kennfeld oder Tabelle realisiert sein. Wie eine Berechnungsvorschrift hier zu bilden ist, wird im Weiteren im Zusammenhang mit den Figuren im Rahmen des Ausführungsbeispiels noch erläutert.
Weitere Ausführungsformen betreffen die Frage, wie mittels des jeweiligen Schaltelements einer Messschaltung der Gesamtwiderstand der Messschaltung verändert oder eingestellt werden kann.
Eine Ausführungsform sieht hierzu vor, dass bei einer oder beiden der Messschaltungen jeweils dem Spannungsteiler der Messschaltung ein Überbrückungszweig parallel geschaltet ist, welcher ein elektrisches Widerstandselement, also ein Bauelement mit einem ohmschen Widerstand, sowie das Schaltelement der Messschaltung aufweist. Das Schaltelement ist dabei in dem Überbrückungszweig dem Widerstandselement vorgeschaltet oder nachgeschaltet. Ein Überbrückungszweig weist den Vorteil auf, dass er sich mit technisch geringem Aufwand in einer Messschaltung mit bereits vorhandenem Spannungsteiler hinzufügen oder ergänzen lässt.
Eine Ausführungsform sieht hierbei vor, dass in dem jeweiligen Überbrückungszweig dem Schaltelement ein weiteres Widerstandselement parallel geschaltet ist. Dieses weitere Widerstandselement kann als ein Schutzwiderstand wirken, wenn sich das Schaltelement im elektrisch sperrenden Zustand befindet. Denn mittels des weiteren Widerstandselements kann die über dem Schaltelement dann abfallende elektrische Spannung begrenzt werden. Hierdurch ist dann ein elektrischer Durchbruch im Schaltelement verhindert.
Eine Ausführungsform bietet einen Zusatz oder eine Alternative zu dem besagten Überbrückungszweig. Diese Ausführungsform geht von der bekannten Bauweise eines Spannungsteiler aus, d.h. der Spannungsteiler ist in der bereits beschriebenen Weise aus zwei Schaltungszweigen gebildet, die über einen Abgriffspunkt verbunden sind, an dem der Spannungswerts des Spannungsteiler abgegriffen werden kann. Bei einer oder beiden der Messschaltungen ist dabei jeweils das Schaltelement dazu eingerichtet, im elektrisch leitenden Zustand zumindest einen der beiden Schaltungszweige des Spannungsteilers jeweils teilweise elektrisch zu überbrücken. Hierdurch ändert sich also in dem jeweiligen Schaltungszweig dessen elektrischer Widerstand. Da die Überbrückung nur teilweise ist, verbleibt von dem Schaltungszweig aber jeweils ein Restwiderstand, sodass weiterhin insgesamt die Funktion des Spannungsteilers erhalten bleibt. Durch das Überbrücken innerhalb des Spannungsteilers ergibt sich der Vorteil, dass kein zusätzlicher Überbrückungszweig notwendig ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Analyseeinrichtung galvanisch mit dem Bezugspotential gekoppelt ist. Die Analyseeinrichtung weist also bezüglich des Bezugspotentials kein frei schwebendes Potential auf, was ansonsten eine aufwändige galvanisch entkoppelte Datenübertragung hin zu beispielsweise einem Kommunikationsbus notwendig machen würde.
Wie bereits ausgeführt, wird die Überwachungsvorrichtung bevorzugt in einem elektrischen System mit einer Hochvolt-Energiequelle verwendet. Entsprechend umfasst die Erfindung auch ein solches Hochvoltsystem mit einer elektrischen Energiequelle, die dann in der besagten Weise zwischen ihren zwei elektrischen Polen eine Quellenspannung erzeugt, bei der es sich um eine Hochvoltspannung handelt. Das Hochvoltsystem weist des Weiteren ein elektrisches Schaltungsnetz auf. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Kombination aus einem Zwischenkreis und zumindest einem elektrischen Verbraucher und/oder zusammen mit einem Ladeanschluss handeln. Ein Zwischenkreis kann beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator zum Puffern von elektrischer Energie aufweisen. Der zumindest eine elektrische Verbraucher kann beispielsweise durch eine elektrische Maschine mit ihrem Inverter gebildet sein. Ein Ladeanschluss kann dazu ausgestaltet sein, ein Ladegerät oder eine Ladestation zum Aufladen der Energiequelle anzuschließen. Jeder Pol der Energiequelle ist mit dem Schaltungsnetz über einen jeweiligen Schutzschalter verbunden. Jeder Schutzschalter ist dazu ausgelegt oder ausgestaltet, den jeweiligen Pol mit dem Schaltungsnetz wahlweise, d.h. zum Beispiel in Abhängigkeit von einem Steuersignal, galvanisch zu verbinden und zu trennen. Mit anderen Worten ist der Schutzschalter jeweils zum galvanisch-trennenden Schalten ausgestaltet. Ein solcher Schutzschalter kann beispielsweise mittels eines Schützes gebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochvoltsystem ist jeweils ein Anschlusspunkt zwischen dem jeweiligen Pol der Energiequelle und dem jeweiligen Schutzschalter, der zu diesem Pohl gehört, vorgesehen. Des Weiteren ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, wobei jeweils eine der Messschaltungen der Überwachungsvorrichtung mit jeweils einem der Anschlusspunkte verbunden oder gekoppelt ist. Mit anderen Worten ist jede Messschaltung also zwischen dem Pol und dem zugehörigen Schutzschalter, der zu dem Schaltungsnetz führt, angeschlossen. Somit kann die Energiequelle auch überwacht werden, wenn die Schutzschalter geöffnet sind, also galvanisch trennend geschaltet sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Energiequelle eine Hochvoltbatterie und/oder einen Brennstoffzellenstapel. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Hochvoltsystem um ein mobiles Hochvoltsystem handeln, wie es beispielsweise in einem Elektrofahrzeug bereitgestellt werden kann, also einem Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Quellenspannung eine Gleichspannung und ein Spannungswert der Quellenspannung ist größer als 60 V und bevorzugt kleiner als 1500 V. Bei dem erfindungsgemäßen Hochvoltsystem lässt sich eine solche Hochspannung galvanisch getrennt von einem Bezugspotential, beispielsweise einem Massepotential, halten und dennoch mittels einer Auswerteeinrichtung, die am Massepotential betrieben wird, überwachen. Die Energiequelle kann aber auch eine Wechselspannungsquelle mit einer Wechselspannung sein, deren Spannungswert größer als 30 V rms und bevorzugt kleiner als 1000 V rms ist.
Durch den Betrieb der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung ergibt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle. Die Überwachungsvorrichtung verbindet also zwei Pole der Energiequelle jeweils mit einem Bezugspotential über einen Spannungsteiler einer jeweiligen Messschaltung, und eine Auswerteeinrichtung erfasst dann an dem jeweiligen Spannungsteiler der Messschaltungen einen jeweiligen Spannungswert. Anhand der erfassten Spannungswerte ermittelt die Auswerteeinrichtung eine Quellenspannungsangabe zu der Quellenspannung.
Des Weiteren wird bei zumindest einer der Messschaltungen ein jeweiliger elektrischer Gesamtwiderstand mittels eines Schaltelements der jeweiligen Messschaltung durch die Auswerteeinrichtung eingestellt oder umgeschaltet. Die Auswerteeinrichtung stellt hierbei durch das Schalten des jeweiligen Schaltelements zumindest zwei vorbestimmte, unterschiedliche Schaltkonstellationen ein. Anhand der bei jeder Schaltkonstellation erfassten jeweiligen Spannungswerte der Spannungsteiler ermittelt die Auswerteeinrichtung insgesamt mittels der vorbestimmten Zuordnungsvorschrift eine jeweilige Widerstandsangabe zu den beiden Isolationswiderständen. Zu der Quellenspannungsangabe und den Widerstandsangaben gilt das bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung Gesagte.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, die bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund werden die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Figurenliste
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher beschrieben. Es zeigt hierzu:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochvoltsystems;
2 ein Ersatzschaltplan des Hochvoltsystems für eine erste Schaltkonstellation von Messschaltungen einer Überwachungsvorrichtung des Hochvoltsystems;
3 ein Ersatzschaltbild zu einer zweiten Schaltkonstellation;
4 ein Ersatzschaltbild zu einer dritten Schaltkonstellation; und
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Hochvoltsystems.

In den Figuren zeigen gleiche Bezugszeichen an, dass die jeweiligen Elemente funktionsgleich sind.
Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Hochvoltsystem 10, das einen Hochvolt-Schaltkreis 11 und einen Niedervolt-Schaltkreis 11' vorsehen kann. Das Hochvolt-System 10 kann beispielsweise in einem Elektrofahrzeug eingebaut sein. Es kann sich beispielsweise um einen Bestandteil einer elektrischen Antriebseinrichtung des Elektrofahrzeuges handeln.
In dem Hochvolt-Schaltkreis 11 kann eine elektrische Energiequelle 12, beispielsweise eine Hochvoltbatterie, zwischen einem ersten Pol 13 (Pluspol) und einem zweiten Pol 14 (Minuspol) eine Quellenspannung Ubat erzeugen, die eine Hochvoltspannung größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V, sein kann. Ein jeweiliges elektrisches Potential der Pole 13, 14 bezüglich eines Bezugspotentials KL31 des Niedervolt-Schaltkreises 11' ist in 1 mit Ubat+ für den Pol 13 und Ubat- für den Pol 14 bezeichnet. Die Quellenspannung Ubat stellt die Potentialdifferenz zwischen den Potentialen Ubat+ und Ubat- dar. Das Bezugspotential KL31 kann ein Massepotential des Niedervolt-Schaltkreises 11' sein. Die Bezeichnung des Bezugspotentials KL31 entspricht der Bezeichnung „Klemme 31“ für das Massepotential in einem Kraftfahrzeug. Alternativ dazu kann auch gegen eine Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeugs als Bezugspotential 23 gemessen werden.
In dem Hochvolt-Schaltkreis 11 können die Pole 13, 14 der Energiequelle 12 über einen jeweiligen Schutzschalter 15 mit einem Schaltungsnetz 16 verschaltet sein. Jeder Schutzschalter 15 kann beispielsweise ein Schütz umfassen. Das Schaltungsnetz 16 kann beispielsweise einen Zwischenkreis 17 und einem daran angeschlossenen elektrischen Ladeanschluss 18 umfassen. Der Zwischenkreis 17 kann beispielsweise einen (nicht dargestellten) elektrischen Kondensator zum Puffern von Energie aus der Energiequelle 12 und/oder über den Ladeanschluss 18 eingespeister elektrischer Energie vorsehen. Das Schaltungsnetz 18 kann beispielsweise zum Anschließen eines Ladesteckers einer Ladestation ausgelegt sein. Elektrische Potentiale des Zwischenkreises 17 bezüglich des Bezugspotentials KL31 sind in 1 mit Uzk+ und Uzk- bezeichnet. Der Zwischenkreis 17 kann über weitere Schalter 19 mit dem Ladeanschluss 18 verschaltet sein, dessen elektrische Potentiale bezüglich des Bezugspotentials KL31 an den beiden Schaltern 19 mit Udc+ und Udc- bezeichnet sind. Die Schalter 19 werden nur zum Laden geschlossen. Jeder Schalter 19 kann jeweils durch ein Schütz gebildet sein.
In dem Niedervolt-Schaltkreis 11' kann eine Niederspannung KL30 zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern bereitgestellt sein. Die Niederspannung KL30 kann in einem Bereich von 6 V bis 60 V liegen. Es kann sich beispielsweise um eine 12-V-Versorgungsspannung handeln. Die Niederspannung KL30 entspricht der Bezeichnung „Klemme 30“ für die Zündspannung in einem Kraftfahrzeug.
Zwischen dem Hochvolt-Schaltkreis 11 und dem Niedervolt-Schaltkreis 11' soll eine galvanische Trennung 20 gewährleistet werden können, die in 1 symbolisch durch eine Trennlinie repräsentiert ist. Mit anderen Worten soll der Stromkreis des Hochvolt-Schaltkreises 11 in sich geschlossen sein, ohne über das Bezugspotential KL31 zu führen oder zu fließen. Hierzu ist insbesondere die Energiequelle 12 mittels einer elektrischen Isolierung gegenüber dem Bezugspotential KL31 elektrisch isoliert. Diese elektrische Isolierung wirkt zwischen dem Pol 13 und dem Bezugspotential KL31 als ein Isolationswiderstand Riso+ und zwischen dem Pol 14 und dem Bezugspotential KL31 als ein Isolationswiderstand Riso-. Die Isolationswiderstände Riso+ und Riso- sind in 1 symbolisch als Widerstandselemente repräsentiert.
Von dem Niedervolt-Schaltkreis 11' aus können sowohl die Quellenspannung Ubat als auch die Isolationswiderstände auf ihren Zustand hin überwacht werden. Von dem Niedervolt-Schaltkreis 11' aus kann hierzu eine Überwachungsvorrichtung 21 zu der Quellenspannung Ubat eine Quellenspannungsangabe 22 und zu jedem der Isolationswiderstände Riso+, Riso- jeweils eine Widerstandsangabe 23 erzeugen, die beispielsweise über eine Kommunikationseinrichtung 24 in ein Kommunikationsmedium 25, beispielsweise einen Kommunikationsbus und/oder in ein Funknetzwerk, ausgesendet werden können. Das Kommunikationsmedium 25 kann in Form eines Kommunikationsbuses beispielsweise ein CAN-Bus (CAN - Controller Area Network) sein, wie er in einem Elektrofahrzeug für eine Kommunikation hin zu Steuergeräten vorgesehen sein kann. Die Kommunikationseinrichtung 24 kann dann beispielsweise ein sogenannter SBC (System Basis Chip) sein.
Die Quellenangabe 22 kann einen Spannungswert der Quellenspannung Ubat und/oder eine Zustandsangabe betreffend die Energiequelle 12 sein. Jeder Widerstandsangabe 23 kann jeweils beispielsweise ein Widerstandswert des entsprechenden Isolationswiderstands Riso+, Riso- und/oder eine Zustandsangabe betreffend die elektrische Isolierung sein.
Um die Angaben 22, 23 zu ermitteln, kann die Überwachungsvorrichtung 21 für jeden der Pole 13, 14 jeweils eine Messschaltung 26, 27 vorsehen, die jeweils über einen Trennschalter 28 mit dem jeweiligen Pol 13, 14 verschaltet sein kann. Die Trennschalter 28 können an jeweiligen Anschlusspunkten 13',14' mit dem Hochvolt-Schaltkreis 11 verbunden sind. Die Anschlusspunkte 13',14' liegen jeweils zwischen einem der Pole 13, 14 und dem zugehörigen Schutzschalter 15. Die Messschaltung 26 kann dabei mit dem Pol 13, die Messschaltung 27 mit dem Pol 14 verschaltet sein. Jeder Trennschalter 28 kann ein mechanischer Schalter, beispielsweise ein Reed-Relais, sein. Mittels des jeweiligen Trennschalters 28 ist die galvanische Trennung 20 der jeweiligen Messschaltung 26, 27 bezüglich der Energiequelle 12 möglich. Die Trennschalter 28 können z.B. durch die Analyseeinrichtung 32 mittels eines jeweiligen Koppelsignals 28' gesteuert oder geschaltet werden. Durch Öffnen der Schutzschalter 15 und der Trennschalter 28 kann somit ein Ruhestrom der Energiequelle 12 minimiert werden.
Durch die Messschaltung 26 kann der Pol 13 (bei geschlossenem Trennschalter 28) über einen Spannungsteiler 29 mit dem Bezugspotential KL31 elektrisch gekoppelt oder verbunden werden. Entsprechend kann (bei geschlossenem Trennschalter 28) die Messschaltung 27 den Pol 14 über einen Spannungsteiler 30 mit dem Bezugspotential KL31 elektrisch koppeln oder verbinden.
Der Spannungsteiler 29 kann zwei Widerstandselemente R1, R2 aufweisen, die einen jeweiligen Schaltungszweig des Spannungsteilers 29 darstellen. Zwischen den Schaltungszweigen kann ein Abgriffspunkt 31 vorgesehen sein, an welchem eine Auswerteeinrichtung 32 angeschlossen sein kann. Entsprechend kann bei dem Spannungsteiler 30 durch zwei Widerstandselemente R3, R4 ein jeweiliger Schaltungszweig des Spannungsteilers 30 gebildet sein. Zwischen den Schaltungszweigen kann ein Abgriffspunkt 33 vorgesehen sein, über welchen die Auswerteeinrichtung 32 an den Spannungsteiler 30 angeschlossen sein kann.
Die Auswerteeinrichtung 32 kann beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler 34 aufweisen, der zwei Analog-Eingänge 35 aufweisen kann, die jeweils mit einem der Abgriffspunkte 31, 33 der Spannungswandler 29, 30 verbunden sein können. Die Auswerteeinrichtung 32 kann somit an den Abgriffspunkten 31, 33 jeweils einen Spannungswert Um1, Um2 von an den Abgriffspunkten 31, 32 bezüglich des Bezugspotentials KL31 abfallenden Messspannungen erfassen. Der Spannungswert Um1 bezeichnet hier den am Spannungsteiler 29 abgegriffenen Spannungswert, der Spannungswert Um2 den am Spannungsteiler 30 abgegriffenen Spannungswert. Auf Grundlage der Spannungswerte Um1, Um2 kann dann beispielsweise eine Prozessoreinrichtung 36 die Quellenangabe 22 ermitteln. Dies wird im Folgenden noch auf der Grundlage von 2 erläutert. Die Prozessoreinrichtung 36 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikroprozessors oder eines Mikrocontrollers gebildet sein.
Um auch die Widerstandsangaben 23 zu ermitteln, kann jede Messchaltung 26, 27 jeweils einen Überbrückungszweig 37 aufweisen. Der Überbrückungszweig 37 kann jeweils vollständig den Spannungsteiler 29, 30 der jeweiligen Messschaltung 26, 27 hin zum Bezugspotential KL31 überbrücken.
Der Überbrückungszweig 37 der Messschaltung 26 kann ein Widerstandselement Ra, der Überbrückungszweig 37 der Messschaltung 27 kann ein Widerstandselement Rb aufweisen. Des Weiteren kann in dem jeweiligen Überbrückungszweig 37 ein Schaltelement 38 vorgesehen sein, das zum Beispiel auf der Grundlage eines Halbleiterschalters, insbesondere eines Transistors, zum Beispiel ein MOSFETs, gebildet sein kann. Jedes Schaltelement 38 ist insbesondere von den Trennschaltern 28 verschieden. Das jeweilige Schaltelement 38 der Überbrückungszweige 37 kann dem jeweiligen Widerstandselement Ra, Rb vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein. Jedem Schaltelement 38 kann ein weiteres Widerstandselement 39 als Schutzwiderstand zum Begrenzen der über dem Schaltelement 38 abfallenden elektrischen Spannung parallel geschaltet sein. Die zusätzlichen Widerstandselemente 39 sind optional und dienen zur Begrenzung der Maximalspannung an den Schaltelementen 38. Bei ausreichender Spannungsfestigkeit der Schaltelemente 38 sind die zusätzlichen Widerstandselemente 39 nicht notwendig. Für die weitere Betrachtung des Ausführungsbeispiels wird hier angenommen, dass die Widerstandselemente 39 nicht vorhanden sind.
Die Schaltelemente 38 können mittels eines jeweiligen Schaltsignals 40 beispielsweise durch die Auswerteeinrichtung 32 geschaltet werden. Hierdurch können insgesamt vier Schaltkombinationen oder Schaltkonstellationen der Überwachungsvorrichtung 21 erzeugt werden. Je nach Schaltzustand des Schaltelements 38 der jeweiligen Messschaltung 26, 27 ist somit ein anderer Gesamtwiderstand der jeweiligen Messschaltung 26, 27 zwischen dem jeweiligen Pol 13, 14 einerseits und dem Bezugspotential KL31 andererseits eingestellt oder wirksam. Bei den Überbrückungszweigen 37 ist das jeweilige Widerstandselement Ra, Rb nämlich unwirksam, wenn das Schaltelement 38 elektrisch sperrend geschaltet ist. Das Widerstandselement Ra, Rb des jeweiligen Überbrückungszweiges 37 ist nur wirksam, wenn das Schaltelement 38 elektrisch leitend geschaltet ist. Bei Verwendung eines jeweiligen zusätzlichen Widerstandselements 39 ergeben sich durch Schalten der Schaltelemente 38 unterschiedliche elektrische Widerstandswerte der Überbrückungszweige 37.
Durch Einstellen von drei Schaltkonstellationen können an dem Spannungsteiler 29 insgesamt drei Spannungswerte Um1 (je einer pro Schaltkonstellation) und an dem Spannungsteiler 30 insgesamt drei Spannungswerte Um2 (je einer pro Schaltkonstellation) abgegriffen oder erfasst werden.
Die Auswerteeinrichtung 32 kann beispielsweise mittels der Prozessoreinrichtung 36 auf der Grundlage einer Zuordnungsvorschrift 41 aus den insgesamt erfassten Spannungswerten Um1, Um2 der unterschiedlichen Schaltkonstellationen insgesamt die Widerstandsangaben 23 ermitteln. Dies wird im Weiteren im Zusammenhang mit 2 und 3 und 4 erläutert.
Zunächst soll die Überwachungsvorrichtung 21 abschließend erläutert werden. Die Überwachungsvorrichtung 21 kann optional auch noch eine Zwischenkreisspannung Uzk im Zwischenkreis 17 und/oder eine Ladespannung Udc an dem zumindest einem Ladeanschluss18 ermitteln. Die Zwischenkreisspannung Uzk stellt die Potentialdifferenz zwischen den Potentialen Uzk+ und Uzk- dar. Die Ladespannung Udc stellt die Potentialdifferenz zwischen den Potentialen Udc+ und Udc- dar.
Es können Messwiderstände 42 vorgesehen sein, über welche mittels einer Messschaltung 43 im Hochvolt-Schaltkreis 11 selbst Messwerte 45 erfasst werden können. Mittels eines Shunt-Widerstands 44 kann auch eine Stromstärke im Schaltungsnetz 16 in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Von dem Hochvolt-Schaltkreises 11 aus, d.h. von dessen elektrischem Potential aus, können die erfassten Messwerte 45 über eine Spannungsentkopplung 46 z.B. an die Auswerteeinrichtung 32 des Niedervolt-Schaltkreises 11' übertragen werden. Die Messwerte 45 können hierzu beispielsweise mittels eines Analog-Digital-Konverters digitalisiert sein. Die Spannungsentkopplung 46 kann beispielsweise einen DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler) und/oder einen sogenannten ISO-Koppler umfassen. Ein ISO-Koppler kann durch einen sogenannten digitalen Koppler und/oder eine opto-elektronische Kopplung realisiert sein.
2, 3 und 4 zeigen jeweils unterschiedliche, durch Schalten der Schaltelemente 38 einstellbare Schaltkonstellationen S1, S2, S3. Es handelt sich hierbei um beispielhafte Schaltkonstellationen. Durch die drei Schaltkonstellationen S1, S2, S3 ergeben sich bevorzugt insbesondere zwei asymmetrische Belastungen für die Energiequelle 12, das heißt die Gesamtwiderstände der Messschaltungen 26, 27 sind bei jeder asymmetrischen Schaltkonstellation jeweils unterschiedlich.
Für die folgende Erläuterung wird angenommen, dass die Schutzschalter 15 während der im Folgenden beschriebenen Messvorgänge für eine Isolationsmessung geöffnet sind, das heißt, elektrisch sperrend geschaltet sind. Die Isolationsmessung kann aber sowohl bei offenen als auch geschlossenen Schutzschaltern 15 durchgeführt werden. Bei geschlossenen Schutzschaltern 15 werden die Isolationswiderstände des Gesamtsystems des Hochvolt-Schaltkreises 11 bestimmt, bei offenen Schutzschaltern 15 lediglich die internen Isolationswiderstände der Energiequelle 12 (d.h. z.B. der HV-Batterie). Die Trennschalter 28 können während der Messvorgänge dauerhaft elektrisch leitend geschaltet, d.h. geschlossen sein.
2 veranschaulicht wie bei der Schaltkonstellation S1 beide Schaltelemente 38 der Überbrückungszweige 37 elektrisch sperrend geschaltet sind, sodass die Widerstandselemente Ra, Rb unwirksam sind, wenn angenommen wird, dass die Widerstandselemente 39 nicht vorhanden sind.
Anhand der Spannungswerte Um1, Um2 der Spannungsteiler 29, 30 kann auf in 2 veranschaulichte Isolationsspannungen U+ und U- rückgeschlossen werden. Die Isolationsspannung U+ ist auch die über den Isolationswiderstand Riso+ wirksame elektrische Spannung. Die Isolationsspannung U- ist auch die über dem Isolationswiderstand Riso- wirksame elektrische Spannung. Mittels des Spannungsteilers 20 kann aus dem Spannungswert Um1 die Isolationsspannung U+ ermittelt werden. Hierzu kann die an sich bekannte Berechnungsvorschrift für einen Spannungsteiler verwendet werden: U+ = (R1+R2)/R2 . Um1.
Für den Spannungsteiler 30 kann aus dem Spannungswert Um2 mittels der folgenden Formel auf die Spannung U- geschlossen werden: U- = (R3+R4)/R4 · Um2.
Für die Quellenspannung Ubat lässt sich somit ein Spannungswert wie folgt ermitteln: $Ubat = U + - U -,$
wobei die Subtraktion aufgrund der in 2 durch die Richtungspfeile veranschaulichten Zählrichtung erfolgt.
Somit kann aus einer einzelnen Schaltkonstellation S1 die Quellenspannungsangabe 22 als Spannungswert ermittelt werden. Durch vergleichen des Spannungswerts für die Quellenspannung Ubat mit zumindest einem vorbestimmten Werteintervall kann eine Zustandsangabe für die Quellenspannung Ubat und/oder die Energiequelle 12 ermittelt werden. Es können die Spannungswerte Um1, Um2 auch direkt mit zumindest einem vorbestimmten Wertebereich verglichen werden und in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis die Zustandsangabe ermittelt werden. Dies verringert den Rechenaufwand.
Das Zahlenverhältnis von U+ und U- hängt somit ab von dem jeweiligen elektrischen Widerstand, der zwischen dem jeweiligen Pol 13, 14 einerseits und dem Bezugspotential KL31 andererseits wirksam ist. Hierbei muss aber jeweils der Gesamtwiderstand der Messschaltungen 26, 27 berücksichtigt werden, da die Messschaltung 26 parallel zum Isolationswiderstand Riso+ und die Messschaltung 27 parallel zum Isolationswiderstand Riso- wirkt. Der jeweilige Gesamtwiderstand der Messschaltung 26, 27 ist in 2 für die Messschaltung 26 als Rg+ und für die Messschaltung 27 als Rg- bezeichnet. Der Gesamtwiderstand Rg+ ist bei der Schaltkonstellation S1 gegeben als: Rg+ = R1 + R2. Für die Messschaltung 27 ergibt sich Rg- = R3 + R4 bei der Schaltkonstellation S1.
Für das Verhältnis der Isolationsspannungen U+ und U- ergibt sich: $U + /U - = - (Riso + ‖ Rg +) / (Riso - ‖ Rg -)$
wobei der Operator || für die an sich bekannte Berechnung einer Parallelschaltung zweier ohmscher Widerstände steht, d.h. es gilt: Rx||Ry = Rx·Ry / (Rx+Ry).
Die Gesamtwiderstände Rg+ und Rg- sind für alle Schaltkonstellationen S1, S2, S3 bekannt. Die Isolationsspannungen U+ und U- können für jede Schaltkonstellation S1, S2, S3 in der beschriebenen Weise aus den Spannungswerten Um1, Um2 ermittelt werden.
Mit jeder Schaltkonstellation ergibt sich somit aus dem Verhältnis U+/U- eine Gleichung mit den zwei unbekannten Isolationswiderständen Riso+, Riso-.
3 zeigt eine weitere mögliche Schaltkonstellation S2, bei der im Unterschied zur Schaltkonstellation S1 das Schaltelement 38 des Überbrückungszweiges 37 der Messschaltung 26 elektrisch leitend geschaltet ist. Hieraus ergibt sich ein anderer Wert für den Gesamtwiderstand Rg+ der Messschaltung 26. Mittels der oben genannten Gleichung für das Verhältnis U+/U- kann somit eine zweite Gleichung mit den beiden unbekannten Isolationswiderständen Riso+ und Riso+ gebildet werden.
Damit ergeben sich aber zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, sodass für beide Isolationswiderstände Riso+ und Riso-ein Widerstandswert berechnet werden kann.
4 zeigt, dass beispielsweise die weitere Schaltkonstellation S3 vorgesehen sein kann, um eine Redundante oder genauere Messung zu erhalten. Bei der Schaltkonstellation S3 ist das Schaltelement 38 der Messschaltung 26 elektrisch sperrend und stattdessen das Schaltelement 38 der Messschaltung 27 elektrisch leitend geschaltet. Entsprechend ergibt sich im Vergleich zur Schaltkonstellation S1 ein anderer Widerstandswert des Gesamtwiderstands Rg-. Mittels der oben genannten Gleichung für das Verhältnis U+/U- kann dann eine weitere Gleichung bereitgestellt werden, die mit einer der beiden Gleichungen der Schaltkonstellationen S1 oder S2 für eine weitere Berechnung von Widerstandswerten der Isolationswiderstände Riso+ und Riso- verwendet werden kann. Die Wahl der jeweiligen Gleichungspaare zum Ermitteln der finalen Widerstandsangabe kann in Abhängigkeit einem testweise mit zwei der Gleichungen ermittelten Verhältnis Riso+/Rg+ und Riso-/Rg- erfolgen. Rg+ sollte bezüglich Riso+ und Rg- sollte Bezüglich Riso+ ein vorbestimmtes Ähnlichkeitskriterium erfüllen. Das Ähnlichkeitskriterium kann z.B. besagen, dass der jeweilige Isolationswiderstand nicht kleiner als 50%, insbesondere nicht kleiner als 30% des parallel wirksamen Gesamtwiderstands der Messschaltung 26, 27 sein soll.
5 veranschaulicht eine alternative Ausgestaltung der Überwachungsvorrichtung 21. Im Folgenden werden nur die Unterschiede im Vergleich zu 1 beschrieben. Die übrigen Elemente und deren Funktion entsprechen der denjenigen, wie sie im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurden.
Bei den Messschaltungen 26, 27 ist Anstelle eines Überbrückungszweiges 37 jeweils vorgesehen, dass das Schaltelement 38 in den jeweiligen Spannungsteiler 29, 30 integriert ist.
Während bei der Ausführungsform gemäß 1 bei dem Spannungsteiler 29 die beiden Schaltungszweige zum Aufteilen der Spannung jeweils durch ein Widerstandselement R1 und R2 bereitgestellt sind, sind nun bei der Ausführungsform gemäß 5 in dem Spannungsteiler 29 Schaltungszweige 47, 48 bereitgestellt, die über den Abgriffspunkt 31 elektrisch miteinander verbunden sind. Der Schaltungszweig 47 kann aufgeteilt sein und somit zwei Widerstandselemente R1' und R1" aufweisen. Der Schaltungszweig 48 kann aufgeteilt sein und zwei Widerstandselemente R2' und R2" aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur einer der beiden Schaltungszweige 47, 48 aufgeteilt ist. Das Schaltelement 38 der Messschaltung 26 kann nun vorsehen, dass es im elektrisch leitenden Zustand zumindest einen der Schaltungszweige 47,48 teilweise überbrückt, das heißt, das Widerstandselement R1" und/oder R2" überbrückt. In 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Widerstandselemente R1" und R2" der beiden Schaltungszweige 47, 48 elektrisch überbrückt werden. Im elektrisch sperrenden Zustand sind die Schaltungszweige unüberbrückt oder vollständig wirksam. Auch hierdurch ergibt sich durch das Umschalten des Schaltelements 38 eine Änderung des Gesamtwiderstands der Messschaltung 26.
Entsprechendes gilt für die Messschaltung 27, d.h. es können die Schaltungszweige des Spannungsteilers 30 der Messschaltung 27 durch Vorsehen von Widerstandselementen R3' und R3" in einem Schaltungszweig und R4' und R4" im anderen Schaltungszweig aufgeteilt werden. Entsprechend kann das Schaltelement 38 der Messschaltung 27 einen oder beide Schaltungszweige des Spannungsteilers 30 teilweise überbrücken, wenn es elektrisch leitend geschaltet ist. Hierdurch wird durch Umschalten des Schaltelements 38 der Gesamtwiderstand der Messschaltung 27 verändert oder umgeschaltet.
Somit kann auch mit der Ausführungsform gemäß 5 erreicht werden, dass zwei oder drei Schaltkonstellationen eingestellt werden können, durch die sich geänderte Gesamtwiderstände Rg+ und Rg- der Messschaltungen 26, 27 ergeben. Entsprechend können mit den oben genannten Gleichungen auch auf der Grundlage der Ausführungsform gemäß 5 sowohl die Quellenspannungsangabe 22 als auch die Widerstandsangaben 23 ermittelt werden.
Die beiden dargestellten Lösungsvarianten ermöglichen somit eine Kombination der Hochvolt-Quellenspannungsmessung mit der Messung der Isolationsspannung mit nur zwei Messschaltungen 26, 27. Zur vollständigen galvanischen Trennung 20 zwischen dem Hochvolt-Schaltkreis 11 und dem Niedervolt-Schaltkreis 11' sowie zur Einhaltung der Ruhestromanforderungen für die Energiequelle 12 sind somit lediglich zwei Trennschalter 28, zum Beispiel jeweils ein Reed-Relais, notwendig. Auch eine Aufladung des Schaltungsnetzes 16 im abgeschalteten Zustand (Schutzschalter 15 geöffnet) ist nicht möglich, da die hochvolt-seitige Messschaltung 43 nicht mit den Polen 13, 14 der Energiequelle 12 verbunden ist, was bei einer Messung zu einer zusätzlichen elektrischen Überbrückung der Schutzschalter 15 führen würde.
Die beiden Varianten gemäß 1 und 5 unterscheiden sich in der Ausführung der zur Isolationsmessung notwendigen Belastungsschaltung der Energiequelle 12, das heißt in der Ausführung der Einstellung der Gesamtwiderstände Rg+ und Rg- .
Die vorgeschlagene Variante gemäß 5 bietet hierbei den zusätzlichen Vorteil, dass lediglich zwei Anstelle von vier Verbindungen zum Bezugspotential KL13 bereitgestellt werden müssen. Die beiden Spannungsteiler 29, 30 selbst werden durch den Einsatz der Schaltelemente 38 umschaltbar ausgestaltet, um so die zur Isolationsmessung (Messung der Isolationswiderstände Riso+, Riso-) notwendige, asymmetrische Belastung der Energiequelle 12 zu ermöglichen.
Die Vorteile der Überwachungsvorrichtung 21 sind, dass die Ruhestromanforderung für die Energiequelle 12 eingehalten werden kann, das heißt der Ruhestrom kann minimiert werden. Es ist dabei die Verwendung von nur zwei Trennschaltern 28, beispielsweise zwei Reed-Relais, zur vollständigen Abschaltung oder galvanischen Trennung 20 nötig. Es kann sich keine hochohmige Überbrückung über die Schutzschalter 15 hinweg zur Messschaltung 43 ergeben. Durch Verzichten auf die Überbrückungszweige 37 kann die Zahl der hochvoltfesten Verbindungen zum Bezugspotential KL31 reduziert werden (siehe 5). Eine Beeinflussung der beschriebenen Isolationsmessung durch externe Isolationsfehler ist nicht gegeben. Durch die Kombination aus mechanischen Trennschaltern 28, insbesondere Relais, und den Schaltelementen 38 in Form von Halbleiterschaltern, kann zum einen eine echte galvanische Trennung 20 der Messschaltungen 26, 27 von der Energiequelle 12 (Trennschalter 28) als auch eine Limitierung der Schaltzyklen der mechanischen Schalter 38 erreicht werden.
Es wird somit die Forderung nach der Abschaltung oder Trennung der Hochvolt-Quellenspannungsmessung zur Einhaltung von Ruhestromanforderungen als auch die Forderung der Möglichkeit zur galvanischen Trennung der Isolationsmessung zum Hochvolt-Schaltkreis als auch die Forderung nach einer zyklischen Quellenspannungs- und Isolationswiderstandsmessung erfüllt. Es ergibt sich eine Kombination der abschaltbaren Isolationsmessschaltung mit der Hochvolt-Quellenspannungsmessung. Zudem sind durch die Kombination aus mechanischem Trennschalter (Reed-Relais) und Schaltelement 38 als Halbleiterschalter eine hohe Isolationsspannung sowie einer galvanischen Trennung ohne eine Limitierung der möglichen Schaltzyklen für das Einstellen von Schaltkonstellationen ermöglicht. Die mechanischen Schalter 38 müssen zum Einstellen der Schaltkonstellationen nicht umgeschaltet oder betätigt werden.
Bezugszeichenliste

10: Hochvoltsystem
11: Hochvolt-Schaltkreis
11': Niedervolt-Schaltkreis
12: Energiequelle
13: Pol
13': Anschlusspunkt
14: Pol
14': Anschlusspunkt
15: Schutzschalter
16: Schaltungsnetz
17: Zwischenkreis
18: Ladeanschluss
19: Schalter
20: Galvanische Trennung
21: Überwachungsvorrichtung
22: Quellenspannungsangabe
23: Widerstandsangabe
24: Kommunikationseinrichtung
25: Kommunikationsmedium
26: Messschaltung
27: Messschaltung
28: Trennschalter
29: Spannungsteiler
30: Spannungsteiler
31: Abgriffspunkt
32: Auswerteeinrichtung
33: Abgriffspunkt
31: Abgriffspunkt
34: Analog-Digital-Wandler
35: Analog-Eingang
36: Prozessoreinrichtung
37: Überbrückungszweig
38: Schaltelement
39: Widerstandselement
40: Schaltsignal
41: Zuordnungsvorschrift
42: Messwiderstand
43: Messschaltung
44: Shunt-Widerstand
45: Messdaten
46: Galvanische Trennvorrichtung
47: Schaltungszweig
48: Schaltungszweig
49: Schaltsignal
KL 30: Niedervolt-Spannung
KL 31: Bezugspotential
S1, S2, S3: Schaltkonstellation
U+, U-: Isolationsspannung
Ubat: Quellenspannung
Um1: Spannungswert
Um2: Spannungswert
Uzk: Zwischenkreisspannung
Udc: Ladespannung
Ubat+, Ubat-, Uzk+, Uzk-, Udc+, Udc-: Elektrisches Potential
R1, R2, R3, R4, Ra, Rb: Elektrisches Widerstandselement
R1', R1", R2', R2", R3', R3", R4, R4', R4": Elektrisches Widerstandselement
Riso+, Riso-: Isolationswiderstand
Rg+, Rg-: Gesamtwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006050529 A1 [0005]
DE 102008013436 B4 [0007]

Claims

Überwachungsvorrichtung (21) zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle (12) in Bezug auf eine Quellenspannung (Ubat), welche die Energiequelle (12) zwischen zwei elektrischen Polen (13, 14) erzeugt, und in Bezug auf einen jeweiligen Isolationswiderstand (Riso+, Riso-) zwischen dem jeweiligen Pol (13, 14) und einem vorbestimmten Bezugspotential (KL31), wobei die Überwachungsvorrichtung (21) für jeden der beiden Pole (13, 14) eine jeweilige Messschaltung (26, 27) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den jeweiligen Pol (13, 14) über einen Spannungsteiler (29, 30) der Messschaltung (26, 27) mit dem Bezugspotential (KL31) zu verbinden, wobei eine Auswerteeinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, an dem jeweiligen Spannungsteiler (29,30) der Messschaltungen (26, 27) einen jeweiligen Spannungswert (Um1, Um2) zu erfassen und anhand der erfassten Spannungswerte (Um1, Um2) eine Quellenspannungsangabe (22) zu der Quellenspannung (Ubat) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der Messschaltungen (26, 27) deren elektrischer Gesamtwiderstand (Rg+, Rg-) von einem Schaltzustand eines jeweiligen Schaltelements (38) der Messschaltung (29, 30) abhängig ist und die Auswerteeinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, durch Schalten des jeweiligen Schaltelements (38) zumindest zwei vorbestimmte, unterschiedliche Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) der Messschaltungen (29, 30) einzustellen und anhand der bei jeder der Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) erfassten jeweiligen Spannungswerte (Um1, Um2) der Spannungsteiler (29, 30) insgesamt mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift (41) eine jeweilige Widerstandsangabe (23) zu den beiden Isolationswiderständen (Riso+, Riso-) zu ermitteln.
Überwachungsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei beide Messschaltungen (26, 27) jeweils das jeweilige Schaltelement (38) aufweisen und die Auswerteeinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, durch Schalten der Schaltelemente (38) zumindest drei vorbestimmte, unterschiedliche Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) einzustellen und anhand der bei jeder der Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) erfassten jeweiligen Spannungswerte (Um1, Um2) der Spannungsteiler (29,30) insgesamt mittels der Zuordnungsvorschrift (41) die jeweilige Widerstandsangabe (23) zu den beiden Isolationswiderständen (Riso+, Riso-) zu ermitteln.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Schaltelement (38) zumindest einen Halbleiterschalter umfasst.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede der Messschaltungen (26, 27) jeweils ein mechanischer Trennschalter (28) vorgesehen ist, welcher dazu eingerichtet ist, die Messschaltung (26, 27) mit einem der Pole (13, 14) zu verbinden und in Abhängigkeit von einem Koppelsignal (28') der Analyseeinrichtung (32) zwischen einem elektrisch verbindenden und einem elektrisch trennenden Zustand umzuschalten.
Überwachungsvorrichtung (21) nach Anspruch 4, wobei jeder der Trennschalter (28) jeweils ein Reed-Relais umfasst.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Analyseeinrichtung (32) dazu eingerichtet ist, jeden der Trennschalter (28) bei allen eingestellten Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) mittels des jeweiligen Koppelsignals im elektrisch verbindenden Zustand zu halten.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuordnungsvorschrift (41) auf einer Berechnungsvorschrift beruht, welche insgesamt die an den Spannungsteilern (29, 30) jeweils erfassten Spannungswerte (Um1, Um2) mit den Isoationswiderständen (Riso+, Riso-) in Beziehung setzt.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer oder beiden der Messschaltungen (26, 27) jeweils dem Spannungsteiler (29, 30) ein Überbrückungszweig (37) parallel geschaltet ist, welcher ein elektrisches Widerstandselement (Ra, Rb) und das dem Widerstandselement (Ra, Rb) vorgeschaltete oder nachgeschaltete Schaltelement (38) der Messschaltung (26, 27) aufweist.
Überwachungsvorrichtung (21) nach Anspruch 8, wobei in dem jeweiligen Überbrückungszweig (37) dem Schaltelement (38) ein weiteres Widerstandselement (39) parallel geschaltet ist.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer oder beiden der Messschaltungen (26, 27) jeweils der Spannungsteiler (29, 30) aus zwei Schaltungszweigen (47, 48) gebildet ist, die über einen Abgriffspunkt (31, 33) zum Erfassen des jeweiligen Spannungswerts (Um1, Um2) verbunden sind, und wobei das Schaltelement (38) dazu eingerichtet ist, im elektrisch leitenden Zustand zumindest einen der beiden Schaltungszweige (47, 48) jeweils teilweise elektrisch zu überbrücken.
Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Analyseeinrichtung (32) galvanisch mit dem Bezugspotential (KL31) gekoppelt ist.
Hochvoltsystem (10) mit einer elektrischen Energiequelle (12), die zwischen zwei elektrischen Polen (13, 14) eine Quellenspannung (Ubat) erzeugt, und mit einem elektrischen Schaltungsnetz (16), wobei jeder Pol (13, 14) der Energiequelle (12) mit dem Schaltungsnetz (16) über einen jeweiligen zum galvanischen trennenden Schalten ausgestalteten Schutzschalter (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen dem jeweiligen Pol (13, 14) und dem jeweiligen Schutzschalter (15) ein Anschlusspunkt (13', 14') vorgesehen ist und eine Überwachungsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bereitgestellt ist und jeweils eine Messschaltung (26, 27) der Überwachungsvorrichtung (21) mit einem der Anschlusspunkte (13', 14') verbunden ist.
Hochvoltsystem (10) nach Anspruch 12, wobei die Energiequelle (12) eine Hochvoltbatterie und/oder einen Brennstoffzellenstapel umfasst.
Hochvoltsystem (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Quellenspannung (Ubat) eine Gleichspannung ist und ein Spannungswert der Quellenspannung (Ubat) größer als 60 V und bevorzugt kleiner als 1500 V ist.
Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Energiequelle (12), wobei eine Überwachungsvorrichtung (21) zwei Pole (13, 14) der Energiequelle (12) jeweils über einen Spannungsteiler (29, 30) einer jeweiligen Messschaltung (26, 27) mit einem Bezugspotential (KL31) verbindet und eine Auswerteeinrichtung (32) an dem jeweiligen Spannungsteiler (29, 30) der Messschaltungen (26, 27) einen jeweiligen Spannungswert (Um1, Um2) erfasst und anhand der erfassten Spannungswerte (Um1, Um2) eine Quellenspannungsangabe (22) zu der Quellenspannung (Ubat) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der Messschaltungen (26, 27) ein jeweiliger elektrischer Gesamtwiderstand (Rg+, Rg-) mittels eines Schaltelements (38) der Messschaltung (26, 27) durch die Auswerteeinrichtung (32) eingestellt wird und die Auswerteeinrichtung (32) hierbei durch Schalten des jeweiligen Schaltelements (38) zumindest zwei vorbestimmte, unterschiedliche Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) einstellt und anhand der bei jeder der Schaltkonstellationen (S1, S2, S3) erfassten jeweiligen Spannungswerte (Um1, Um2) der Spannungsteiler (29, 30) insgesamt mittels einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift (41) eine jeweilige Widerstandsangabe (23) zu den beiden Isolationswiderständen (Riso+, Riso-) ermittelt.