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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Isolationswächter zu einer Überwachung einer Isolierung von elektrischen Strömen in Elektrofahrzeugen.
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In Elektrofahrzeugen kommt eine Vielzahl elektronischer Geräte zum Einsatz, die sich durch ihr während eines Betriebs des jeweiligen Gerätes ausgesendetes elektromagnetisches Spektrum weder gegenseitig stören noch eine Störquelle für die Umgebung des Elektrofahrzeugs darstellen dürfen. Für diese Geräte besteht daher die Notwendigkeit, Anforderungen an eine elektromagnetische Verträglichkeit, als EMV abgekürzt, einzuhalten. Um dies zu gewährleisten, werden EMV-Filter verbaut, in denen u. a. Y-Kondensatoren zu einer Unterdrückung sogenannter Gleichtaktstörungen zum Einsatz kommen. Gleichtaktstörungen sind dabei Störspannungen, die in gleicher Phase auf Außen- und Neutralleiter gegenüber Masse auftreten. Im EMV-Filter ist dann jeweils ein Y-Kondensator zwischen dem jeweiligen Leiter und Masse geschaltet. Ströme aus Umladevorgängen bei besagten Y-Kondensatoren können daher über Masse fließen, und betreffen damit bspw. auch einen sich in diesem Moment in Kontakt mit Masse, bspw. einer Karosserie des Elektrofahrzeugs, befindlichen menschlichen Körper. Prinzipiell kann eine dabei vorkommende Stromstärke Bereiche erreichen, die eine gesundheitliche Gefahr darstellen. Um diese zu vermeiden, werden gemäß ISO 6469 für das Elektrofahrzeug während einer normalen Autofahrt erweiterte Schutzmaßnahmen ergriffen, so dass Umladevorgänge aus Y-Kondensatoren keine Gefahr darstellen.
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Bspw. wird eine Isolationsüberwachungsschaltung, englisch insulation monitoring device und mit IMD abgekürzt, dazu eingesetzt, ein HV-System, HV als Abkürzung für Hochvolt, des Elektrofahrzeugs zu überwachen. Die IMD misst dabei kontinuierlich Widerstandswerte zwischen einzelnen Potentialen. Zeigt ein Messwert einen zu niedrigen Isolationswert an und ist damit die Gefahr eines an Masse abgegebenen Leckstromes gegeben, erfolgt eine Aktion, bspw. eine Gefahrenwarnung oder eine Abschaltung des HV-Systems.
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Die Isolationsmessung wird in aktive und passive Messmethoden unterteilt. Bei aktiven Messmethoden wird dem HV-System ein Hilfssignal aufgeprägt, durch das Änderungen im Isolationswiderstand erfasst werden können. Die Druckschrift
DE 10 2014 204 870 A1 offenbart hierzu die Isolationswiderstandsmessung in einem Bordnetz eines Elektrofahrzeugs anhand von aktiven Spannungsmessungen.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 217 748 B4 beschreibt die Überwachung des Zustandes eines HV-Systems und insbesondere dessen Isolationswiderstandes in einem Elektrofahrzeug. Hierzu werden von einer Steuereinheit zwei Wechselspannungsquellen verwendet.
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Die US-amerikanische Druckschrift
US 2008 / 0 158 756 A1 offenbart Systeme und Verfahren zum Kompensieren elektrischer Leckströme und zum Erfassen ausgeglichener elektrischer Leckströme bei einer Maschine mit einem HV-System. Ferner wird eine Leckerkennungs- und Leckkompensationssteuerung beansprucht, die den unausgeglichenen Fehlerzustand durch Steuern eines Leckkorrekturschalters und einer Stromquelle kompensiert.
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Bei passiven Messmethoden werden die Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Leiter abwechselnd gemessen. Ein gängiges passives Verfahren ist eine sogenannte Drei-Voltmeter-Methode, bei der drei verschiedene Potentialunterschiede gemessen werden und aus den Messwerten mögliche Fehlströme errechnet werden. Im vorliegenden Fall würde man bspw. die Potentialunterschiede HV+ gegen Masse, HV- gegen Masse, und HV+ gegen HV- messen und mittels der Kirchhoffschen Regeln auswerten. Dabei ist HV+ das am Pluspol der Batterie anliegende Potential, und entsprechend HV- das am Minuspol der Batterie anliegende Potential. Ein auf der Drei-Voltmeter-Methode basierendes Verfahren beschreibt die Druckschrift
DE 10 2012 204 990 A1 , bei der kostengünstig die Potentialunterschiede gemessen werden.
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Eine Genauigkeit der die Drei-Voltmeter-Methode einsetzenden Isolationsüberwachungsschaltung ist allerdings abhängig vom Zustand des HV-Systems. Hierbei unterscheidet man einen symmetrischen und einen unsymmetrischen Zustand. Beim symmetrischen Zustand entspricht der Potentialunterschied zwischen HV+ und Masse genau dem Potentialunterschied zwischen HV- und Masse, während beim asymmetrischen Zustand dies nicht der Fall ist.
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Hat sich nun im HV-System ein asymmetrischer Zustand gebildet, ist damit einhergehend einer der beiden Potentialunterschiede im HV-System gegenüber Masse erhöht. Da ein kapazitiver Energieinhalt quadratisch mit einer anliegenden Spannung anwächst, werden so auch höhere Umladeströme der Y-Kondensatoren möglich, welche sich in den für den menschlichen Körper gefährlichen Bereich erstrecken. Über die gesamte Lebensdauer des Elektrofahrzeuges hinweg lässt sich jedoch die Bildung einer Asymmetrie nicht ausschließen, weshalb aus sicherheitstechnischen Erwägungen die Kapazitätswerte aller Y-Kondensatoren hinsichtlich des asymmetrischen Zustandes ausgelegt werden müssen. Dies geschieht im Allgemeinen durch eine Begrenzung auf vergleichsweise geringe Kapazitätswerte, welche umso kleiner sind, je höher eine Klemmenspannung der im Elektrofahrzeug verbauten Batterie ist. Insbesondere die Einhaltung der EMV-Anforderungen wird dadurch enorm erschwert.
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Während bei aktiver Isolationsüberwachungsschaltung das Elektrofahrzeug im Normalbetrieb gemäß ISO 6469 berührsicher ist, stellt ein Ladevorgang zum Laden der Batterie an einer Ladestation eine Schwachstelle dar. Mit Beginn des Ladevorgangs wird die bordeigene Isolationsüberwachungsschaltung des Elektrofahrzeugs meist passiv geschaltet, um eine Beeinflussung der Überwachungseinrichtungen der Ladesäule auszuschließen. Zwar übernimmt gemäß IEC 61851-23 die Ladestation die Isolationsüberwachung, nicht jedoch hinsichtlich der Symmetrie des HV-Systems. Kommt es während des Ladens zu einem Fehlerfall, bspw. durch ein Ladekabel mit fehlerhafter Isolierung, so ist eine Entladung der Y-Kondensatoren über den menschlichen Körper denkbar. Die Gefahr ist dann umso größer, je deutlicher der asymmetrische Zustand ausgeprägt ist. In einem solchen Fall müssen die in der Ladestation befindlichen Kapazitäten zu einer Gesamtkapazität hinzugerechnet werden, was im Umkehrschluss zu einer noch niedrigeren Auslegung der Kapazitäten der fahrzeugseitig verbauten Y-Kondensatoren führt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Isolationsüberwachung zur Verfügung zu stellen, welche bei einem Elektrofahrzeug sowohl im Normalbetrieb wie auch beim Ladevorgang eine Überwachung der Symmetrie des HV-Systems bzgl. Masse gewährleistet. Durch Vermeidung eines asymmetrischen Zustandes des HV-Systems können dann die Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren höher ausgelegt werden. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Isolationswächter bereitzustellen.
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Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Isolationsüberwachung eines HV-Systems vorgeschlagen, bei dem das HV-System eine erste Leitung mit einem ersten Spannungswert HV+ und eine zweite Leitung mit einem zweiten Spannungswert HV- aufweist, bei dem ein erster Potentialunterschied zwischen HV+ und Masse gebildet wird, bei dem ein zweiter Potentialunterschied zwischen HV- und Masse gebildet wird, bei dem eine erste Serienschaltung eines ersten Halbleiterschalters mit einem ersten Widerstand zwischen HV+ und Masse angeordnet wird und eine zweite Serienschaltung eines zweiten Halbleiterschalters mit einem zweiten Widerstand zwischen HV- und Masse angeordnet wird, wobei auf den beiden Halbleiterschaltern eine erste und eine zweite Pulsweitenmodulation ausgeführt wird, wobei mittels der jeweiligen Pulsweitenmodulation ein erstes und ein zweites Paar an Widerstandswerten der beiden Serienschaltungen moduliert wird, wobei zu dem ersten Paar an Widerstandswerten eine erste Spannungsmessung durchgeführt wird und dadurch ein erstes Wertepaar aus erstem und zweitem Potentialunterschied ermittelt wird, wobei zu dem zweiten Paar an Widerstandswerten eine zweite Spannungsmessung durchgeführt wird und dadurch ein zweites Wertepaar aus erstem und zweitem Potentialunterschied ermittelt wird, und wobei mit den beiden Wertepaaren ein erster Isolationswiderstand der ersten Leitung und ein zweiter Isolationswiderstand der zweiten Leitung berechnet werden.
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In einer Pulsweitenmodulation, vom Fachmann mit PWM abgekürzt, wird bei konstanter Frequenz ein Tastgrad, englisch duty cycle, eines jeweiligen Rechteckpulses moduliert. Mit diesem jeweiligen Rechteckpuls steuert das Steuergerät den jeweiligen Halbleiterschalter, der sich je nach Typus für eine Dauer des Rechteckpulses öffnet oder schließt und auf diese Weise unterschiedliche Zustände im HV-System erzeugt. Eine Variation im jeweiligen Tastgrad hat somit eine Variation im jeweiligen Widerstandswert der jeweiligen Serienschaltung zur Folge, und damit auch im jeweiligen Potentialunterschied, der durch die jeweilige Spannungsmessung ermittelt wird. Ähnlich zu einer Drei-Voltmeter-Methode werden dann aus den Spannungsmessungen die Isolationswiderstände berechnet.
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Im Weiteren wird der erste Widerstandswert der ersten Serienschaltung als R
S 1, der zweite Widerstandswert der zweiten Serienschaltung als R
S 2, der erste Isolationswiderstand als R
i 1, der zweite Isolationswiderstand als R
i 2, der erste Potentialunterschied als V
1 und der zweite Potentialunterschied als V
2 bezeichnet. Unter Anwendung der Kirchhoffschen Regeln ergibt sich folgender Zusammenhang:
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Die Isolationswiderstände Ri 1 und Ri 2 erhält man aus Gleichung (1) bei zweimaliger Spannungsmessung der Potentialunterschiede, wobei die Wertepaare {V1(1), V2(1)} und {V1(2), V2(2)} bei jeweils durch die PWM bewirkten unterschiedlichen Widerstandswerten {RS 1(1), RS 2(1)} und {RS 1(2), RS 2(2)} gemessen werden. Welcher jeweilige Widerstandswert einer jeweiligen Serienschaltung sich bei der jeweiligen PWM des jeweiligen Halbleiterschalters ergibt, wird im Vorfeld der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt.
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Vorteilhaft kann sich die Isolationsüberwachung durch die mit der PWM bewirkte pulsende Aufmodulierung von Widerständen auf den jeweiligen Zustand des HV-Systems einstellen und dadurch an Genauigkeit gewinnen.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch eine Unterschreitung eines der beiden berechneten Isolationswiderstände unter einen vorbestimmten Wert eine Warnung an ein die Isolationsüberwachung beherbergendes übergeordnetes elektronisches Gesamtsystem ausgelöst.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der vorbestimmte Wert aus einer Gesamtkapazität, bezeichnet mit C
Ges, und einer Differenz der beiden Potentialunterschiede, bezeichnet mit U
diff, berechnet. Die Gesamtkapazität umfasst dabei alle Kapazitäten, die in dem elektronischen Gesamtsystem verbaut sind und sich über Masse umladen können. Dies gilt insbesondere für Y-Kondensatoren, die generell mit einem Anschluss auf Masse gelegt sind. Eine Umladung kann dabei in einem asymmetrischen Zustand des Gesamtsystems erfolgen, bei dem sich der erste Potentialunterschied vom zweiten Potentialunterschied unterscheidet. Da ein kapazitiver Energieinhalt, bezeichnet mit E
kap, gegeben durch
quadratisch mit U
diff anwächst, werden umso höhere Umladeströme der Y-Kondensatoren möglich, je größer die Differenz U
diff zwischen den beiden Potentialunterschieden ausfällt. Dementsprechend muss die Gesamtkapazität konservativ, d. h. gemäß ISO 6469 abgeschätzt werden, um, bspw. in einem Fehlerfall, keine Ströme zu ermöglichen, die eine gesundheitliche Gefahr für den menschlichen Körper darstellen. Aus der Aufteilung der Gesamtkapazität auf die im HV-System zu verbauenden Y-Kondensatoren ergeben sich dann deren mögliche Kapazitätswerte.
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In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels der jeweiligen Pulsweitenmodulation die jeweiligen Potentialunterschiede aktiv verändert. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens kann dazu eingesetzt werden, durch geeignete Steuerung der PWM den jeweiligen Widerstandswert der jeweiligen Serienschaltung so zu beeinflussen, dass sich der jeweilige Potentialunterschied zu Masse im HV-System in einer gewünschten Form verändert. In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die gewünschte Form dadurch gegeben, dass der erste Potentialunterschied dem zweiten Potentialunterschied entspricht und damit das HV-System in einen symmetrischen Zustand versetzt wird, sozusagen eine Symmetrierfunktion wahrnimmt. Vorteilhaft können in diesem Fall die Kapazitäten der Y-Kondensatoren höher ausgelegt werden, und es kann bspw. eine bessere Wirkung von im HV-System verbauten EMV-Filtern, welche gemeinhin Y-Kondensatoren aufweisen, erzielt werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine voranstehend genannte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in kontinuierlicher Abfolge durchgeführt. Dadurch kann zum einen die Isolationsüberwachung jeder Zeit gewährleistet werden, zum anderen kann das HV-System ständig im symmetrischen Zustand gehalten werden. Während eines Ladevorgang an einer Ladesäule wird allerdings die Isolationsüberwachung ausgeschaltet, da diese von der Ladesäule ausgeführt wird. Hier ist es vorteilhaft, dass in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin die Potentialunterschiede aktiv angeglichen werden können, um den symmetrischen Zustand des HV-System zu erhalten, wobei die Isolationsüberwachung der Ladesäule dadurch nicht beeinträchtigt wird.
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Ferner wird ein Isolationswächter zur Isolationsüberwachung eines HV-Systems beansprucht, bei dem das HV-System eine erste Leitung mit einem ersten Spannungswert HV+ und eine zweite Leitung mit einem zweiten Spannungswert HV- aufweist, bei dem das HV-System einen ersten Potentialunterschied zwischen HV+ und Masse bildet, bei dem das HV-System einen zweiten Potentialunterschied zwischen HV- und Masse bildet, wobei der Isolationswächter eine zwischen HV+ und Masse angeordnete erste Serienschaltung eines ersten Halbleiterschalters mit einem ersten Widerstand aufweist, wobei der Isolationswächter eine zwischen HV- und Masse angeordnete zweite Serienschaltung eines zweiten Halbleiterschalters mit einem zweiten Widerstand aufweist, wobei der Isolationswächter ein zwischen HV+ und Masse angeordnetes erstes Spannungsmessgerät aufweist, welches dazu konfiguriert ist, den ersten Potentialunterschied zu ermitteln, wobei der Isolationswächter ein zwischen HV- und Masse angeordnetes zweites Spannungsmessgerät aufweist, welches dazu konfiguriert ist, den zweiten Potentialunterschied zu ermitteln, wobei der Isolationswächter ein Steuergerät aufweist, welches dazu ausgelegt ist, auf den beiden Halbleiterschaltern eine erste und eine zweite Pulsweitenmodulation auszuführen, welche ein erstes und ein zweites Paar an Widerstandswerten der beiden Serienschaltungen modulieren, und wobei der Isolationswächter eine Auswerteeinheit aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zu dem ersten Paar an Widerstandswerten aus einer ersten Spannungsmessung ein erstes Wertepaar aus erstem und zweitem Potentialunterschied zu ermitteln, zu dem zweiten Paar an Widerstandswerten aus einer zweiten Spannungsmessung ein zweites Wertepaar aus erstem und zweitem Potentialunterschied zu ermitteln, und mit den ermittelten Potentialunterschieden einen ersten Isolationswiderstand der ersten Leitung und einen zweiten Isolationswiderstand der zweiten Leitung zu berechnen.
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In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Isolationswächters ist der Isolationswächter von einem übergeordneten elektronischen Gesamtsystem umfasst und das Steuergerät des Isolationswächters dazu konfiguriert, ein voranstehendes Verfahren in kontinuierlicher Abfolge auszuführen.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Isolationswächters ist die Auswerteeinheit dazu konfiguriert, bei einer Unterschreitung eines der beiden berechneten Isolationswiderstände unter einen vorbestimmten Wert eine Warnung an ein übergeordnetes elektronisches Gesamtsystem auszulösen.
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In noch weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Isolationswächters ist das Steuergerät dazu konfiguriert, mittels der jeweiligen Pulsweitenmodulation die jeweiligen Potentialunterschiede zu verändern.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
- 1 zeigt schematisch ein Potentialbild eines HV-Systems in einem Normalbetrieb mit erfindungsgemäßer aktiver Isolationsüberwachung samt Symmetrierfunktion in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt schematisch ein Potentialbild eines HV-Systems bei einem Ladevorgang mit erfindungsgemäßer aktiver Symmetrierfunktion und inaktiver Isolationsüberwachung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 wird schematisch ein Potentialbild 100 eines HV-Systems in einem Normalbetrieb mit erfindungsgemäßer aktiver Isolationsüberwachung samt Symmetrierfunktion in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Zwei Leitungen eines HV-Systems, bspw. jeweilig an zwei Pole einer Hochvolt-Batterie mit einer Klemmenspannung UHV 104 angeschlossen, weisen jeweils einen Spannungswert HV+ 110 und einen Spannungswert HV- 120 auf. Ein erster Potentialunterschied 118 ergibt sich aus einer Differenz von dem Spannungswert HV+ 110 gegenüber einem Massenpotential. Ein zweiter Potentialunterschied 128 ergibt sich aus einer Differenz von Massenpotential gegenüber dem Spannungswert HV- 120. Ein in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer aktiven Isolationsüberwachung samt Symmetrierfunktion beaufschlagter Teil 101 des HV-Systems wird auf der linken Seite des Potentialbildes 100 gezeigt, während die rechte Seite einen Potentialverlauf in einem restlichen HV-System 102 darstellen soll. Der linke Teil 101 umfasst ein erstes Spannungsmessgerät 112, ein zweites Spannungsmessgerät 122, eine erste Serienschaltung mit einem ersten Widerstand 116 und einem Halbleiterschalter, der mit einer ersten Pulsweitenmodulation 114 angesteuert wird, und eine zweite Serienschaltung mit einem zweiten Widerstand 126 und einem Halbleiterschalter, der mit einer zweiten Pulsweitenmodulation 124 angesteuert wird. Die aktive Symmetrierfunktion trägt durch eine Modulierung der jeweiligen Pulsweitenmodulation 114 und 124 dafür Sorge, dass die beiden Potentialunterschiede 118 und 128 sich entsprechen, und damit jeder etwa einen Spannungswert UHV/2 einnehmen. Die Potentialverläufe gelten dann auch für das restliche HV-System 102.
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In 2 wird schematisch ein Potentialbild 200 eines HV-Systems bei einem Ladevorgang mit erfindungsgemäßer aktiver Symmetrierfunktion und inaktiver Isolationsüberwachung in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das HV-System 201, 102 ist an eine Gleichspannungsladesäule 206 angeschlossen. Während des Ladevorgangs übernimmt die Gleichspannungsladesäule 206 die Isolationsüberwachung, so dass der erfindungsgemäße Isolationswächter 201 nur die Symmetrierfunktion ausführt.
