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Die Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Bordnetzanordnung einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt-Potentials und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt-Potentials aufweist, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspannung, insbesondere eine HV-Spannung, abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung einen ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse sowie einen zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse auf. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie.
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Das HV(Hochvolt)-Bordnetz eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb besteht typischerweise mindestens aus einer HV-Batterie mit Batterieschützen und HV-Verbrauchern, zum Beispiel einem Puls-Wechselrichter. In der Regel ist das Hochvolt-Bordnetz als IT(lsole Terre)-Netz umgesetzt und somit komplett galvanisch getrennt von der Fahrzeugmasse. Über parasitäre Widerstände in den Kabeln, HV-Verbrauchern, der Batterie, usw., ergibt sich jedoch eine hochimpedante Verbindung zwischen dem positiven bzw. negativen Hochvolt-Potential und der Fahrzeugmasse, der sogenannte Isolationswiderstand, bzw. der oben genannte jeweilige erste und zweite Isolationswiderstand. Solange dieser Widerstand hochohmig, d.h. im Megaohmbereich, ist, besteht keine Gefährdung. Aus Sicherheitsgründen wird mittels eines Isolationswächters dieser Isolationswiderstand permanent überwacht. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts wird eine Warnung generiert und je nach Betriebszustand das HV-Bordnetz von der Batterie über die Batterieschütze abgetrennt und ein sicherer Zustand hergestellt.
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Neben dem Isolationswiderstand existieren in jedem HV-Bordnetz Kapazitäten, insbesondere sogenannte Erdkapazitäten, die zwischen den HV-Anschlüssen und der Fahrzeugmasse liegen. Diese ergeben sich durch parasitäre Effekte, zum Beispiel bedingt durch Kabelschirme, und werden sogar bewusst eingebaut, um das EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Verhalten zu verbessern. Nach der Formel E = ½ C U2 ist in diesen Kondensatoren der Kapazität C bei einer anliegenden Spannung U eine Energie E gespeichert. Wird dann von einer Person ein Hochvolt-Kontakt und die Fahrzeugmasse gleichzeitig berührt, werden diese Kondensatoren über den Körper entladen bzw. umgeladen und können somit zu einer Gefährdung führen. Um das Gefährdungspotential gering zu halten, existieren in unterschiedlichen Normen Grenzwerte für die maximal erlaubte gespeicherte, oder besser gesagt wirksame Energie in den Kondensatoren. Dies hat direkt eine Begrenzung der maximal zulässigen Gesamtkapazität in Abhängigkeit von der HV-Gesamtspannung zur Folge. Zudem muss aus Sicherheitsgründen der schlimmste Fall angenommen werden, und von einem maximal unsymmetrischen HV-Bordnetz ausgegangen werden, welches vorliegt, wenn die Spannung eines HV-Pols gemessen gegen Erde nahezu der gesamten HV-Spannung entspricht. Dies kann unter anderem durch Schmutzwiderstände oder Leckströme über die Lebensdauer auftreten.
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Durch die Notwendigkeit der Berücksichtigung der maximal möglichen HV-Bordnetz-Unsymmetrie reduziert sich entsprechend die maximal zulässige Erdkapazität drastisch. Dies hat zur Folge, dass für EMV-Filter deutlich geringere Kapazitätswerte gewählt und durch deutlich teurere und größere Gleichtaktdrosseln ersetzt werden müssen. Vor allem in einem 800V-Bordnetz stellt dies eine Herausforderung dar, da dort bereits aufgrund der erhöhten Bordnetzspannung nur deutlich geringere Kapazitätswerte möglich sind.
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Insgesamt führt dies dazu, dass in allen HV-Komponenten die Kapazitätswerte der EMV-Filter beschränkt werden müssen, um die Grenzwerte einzuhalten. Die somit notwendigen Gleichtaktdrosseln in den einzelnen Komponenten haben einen größeren Bauraumbedarf sowie deutlich höhere Teilekosten zur Folge. Des Weiteren muss bei der Hardwareauslegung darauf geachtet werden, dass die parasitären Erdkapazitäten bewusst gering gehalten und die Störaussendungen mittels anderer Maßnahmen reduziert werden. Dies kompliziert den Aufbau der Komponenten und erhöht somit direkt die Teilekosten.
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Die
DE 10 2015 016 000 A1 beschreibt ein Verfahren zur Entladung von Y-Kapazitäten in Fahrzeugen mit Hochvolt-Bordnetz, wobei die Y-Kapazitäten zur Entstörung verbaut werden. Diese Y-Kapazitäten sollen innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach Abschalten der Batterie bzw. Abklemmen der Batterie möglichst schnell entladen werden. Zu diesem Zweck ist eine Messeinrichtung, wie beispielsweise ein Isolationswächter bereitgestellt, der von einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand überführt wird, wenn der Energiespeicher, d.h. die HV-Batterie, vom Hochvolt-Bordnetz getrennt wird. Dieses Überführen in den aktiven Zustand beinhaltet dabei insbesondere das Einschalten eines oder mehrerer schaltbare Elemente, zum Beispiel eines Widerstands. Nichtsdestoweniger bleibt auch hierbei das Problem bestehen, wie ein Bordnetz bereitgestellt werden kann, welches die Verwendung möglichst großer Kapazitäten und hoher Spannungen erlaubt und bei dem dennoch der wirksame Energieinhalt gering gehalten werden kann.
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Die
DE 10 2015 225 441 A1 beschreibt ein Energiespeicherzellenausgleichssystem, um einen Austausch von elektrischer Energie zwischen einzelnen Energiespeichermodulen einer Batterie zu ermöglichen.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2013 226 595 A1 eine Vorrichtung zur Isolationsüberwachung zwischen einem Niedervoltnetz und einem Hochvoltnetz, wobei die Vorrichtung sowohl mit einer Hochvoltplusverbindung als auch mit einer Hochvoltminusverbindung als auch mit dem Niedervoltnetz verbindbar ist, und eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten zur Ankopplung von Überwachungsverbindungen an den Hochvoltkreis mittels jeweils einer Hochvoltplusverbindung und mittels jeweils einer Hochvoltminusverbindung aufweist, die in verschiedenen Abschnitten des HV-Netzes verbindbar sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bordnetzanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie bereitzustellen, welche eine möglichst kostengünstige Ausbildung des Bordnetzes erlauben, insbesondere welche es ermöglichen, möglichst große Erdkapazitäten im Bordnetz vorzusehen und dabei gleichzeitig den wirksamen Energieinhalt möglichst gering zu halten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug, durch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Überwachung einer Bordnetzsymmetrie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug weist einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt-Potentials, zum Beispiel eines HV-Plus-Potentials, und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt-Potentials, zum Beispiel eines HV-Minus-Potentials, auf, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspannung abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung einen ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse, zum Beispiel der Fahrzeugkarosserie, auf. Darüber hinaus weist die Bordnetzanordnung auch einen zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse auf. Weiterhin ist die Bordnetzanordnung derart symmetrisch ausgebildet, dass sich zumindest in einem bestimmten Zustand der Bordnetzanordnung der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand maximal um ein vorbestimmbares Maß unterscheidet, wobei die Bordnetzanordnung weiterhin eine Symmetrieüberwachungseinrichtung aufweist, die zum Überwachen der Bordnetzsymmetrie dazu ausgelegt ist, zu überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, und im Fall, dass sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, eine vorbestimmte Maßnahme auszulösen.
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Durch die im Wesentlichen symmetrische Auslegung der Bordnetzanordnung wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass die Kapazitäten bzw. Kondensatoren beider Pole, d.h. der jeweiligen Hochvolt-Potentiale, gegenüber der Masse immer einen ähnlichen Spannungspegel aufweisen, was bei gleicher gegebener HV-Gesamtspannung, d.h. der zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential abgreifbaren Gesamtspannung, größere Erdkapazitäten erlaubt. Da insbesondere eine geringe wirksame Energie zulässig ist, kann auch je nach Auslegung der Bordnetzanordnung, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Höhe der Gesamtspannung, oder in Abhängigkeit von der Größe der benötigten Kapazitäten, zum Beispiel für EMV-Filter, auch ein gewisses Maß an Unsymmetrie, also innerhalb des vorbestimmbaren Maßes, toleriert werden. Der vorbestimmte Zustand, in welchem sich die Bordnetzanordnung befindet, solange das vorbestimmbare Maß nicht überschritten ist, kann also einen Normalzustand oder betriebsgemäßen oder ordnungsgemäßen Zustand oder einen fehlerfreien Zustand darstellen. Da aufgrund von Defekten, zum Beispiel Alterungsvorgängen oder externer Einflüsse, wie zum Beispiel einer unsymmetrischen DC-Ladesäule, die Bordnetzanordnung unsymmetrisch werden kann, insbesondere über dieses vorbestimmbare Maß hinaus, ist es besonders vorteilhaft, dass eine Symmetrieüberwachungseinrichtung zur Überwachung dieser Bordnetzsymmetrie vorgesehen ist. Insbesondere kann diese die Bordnetzsymmetrie durch wiederholtes überprüfen, ob sich der erste wird Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, überwachen. Wird entsprechend bei Überschreiten dieses vorbestimmbaren ersten Grenzwert entsprechend eine unzulässige Unsymmetrie der Bordnetzanordnung durch die Symmetrieüberwachungseinrichtung detektiert, so kann diese vorteilhafterweise eine vorbestimmte Maßnahme auslösen. Eine solche Maßnahme kann zum Beispiel das Überführen der der Bordnetzanordnung in einen sicheren Zustand darstellen, zum Beispiel durch Öffnen der Hauptschütze, über welche der Hochvolt-Energiespeicher mit dem restlichen Bordnetz koppelbar ist. Aber auch andere vorbestimmte Maßnahmen sind denkbar, wie das Ausgeben eines Warnsignals oder das Aktivieren eines Ausgleichsmechanismus, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird. Das zumindest im Wesentlichen symmetrische Ausbilden der Bordnetzanordnung kann auf einfache Weise durch ein symmetrisches Design des Bordnetzes und der daran angeschlossenen Hochvolt-Komponenten realisiert werden. Je kleiner zum Beispiel der vorbestimmbare Grenzwert gewählt wird, desto größer können bei gegebener Gesamtspannung effektiv die Kapazitäten der Bordnetzanordnung gewählt werden, wodurch sich das Bordnetz zur Realisierung bestimmter EMV-Maßnahmen, wie das Vorsehen von EMV-Filtern, auf deutlich kostengünstigere Weise ausgestalten lässt. Teure und größere Gleichtaktdrosseln können damit für die EMV-Filterung vermieden werden. Durch die Überwachung und die dadurch bereitstellbare Gewährleistung einer gewissen Hochvolt-Symmetrie kann somit insgesamt die maximal zulässige Kapazität bei gegebener Hochvolt-Gesamtspannung enorm erhöht werden. Dadurch vereinfacht sich die Auslegung des kompletten Hochvolt-Bordnetzes bzw. der Bordnetzanordnung. Der Bauraum und die Kosten für die einzelnen Hochvolt-Komponenten, zum Beispiel durch einfachere EMV-Filter, sowie der Hochvolt-Verkabelung, zum Beispiel der Auslegung des Kabelschirms, werden deutlich reduziert.
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Das vorbestimmbare Maß kann darüber hinaus in Anpassung auf die Auslegung des Systems, zum Beispiel der zwischen den Hochvolt-Potentialen abgreifbare Gesamtspannung sowie die im System vorhandenen Gesamtkapazitäten festgelegt sein und/oder auch einen prozentualen Wert darstellen. Weiterhin muss zur Symmetrieüberwachung nicht der erste und zweite Isolationswiderstand direkt ermittelt und deren Differenz mit einem Grenzwert verglichen werden, sondern eine unzulässig hohe Abweichung der Isolationswiderstände voneinander, das heiß über das vorbestimmbare Maß hinaus, kann auch mittelbar über die Betrachtung jeweiliger Spannungspegel erfolgen, wie dies nachfolgend noch näher beschrieben wird.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Symmetrieüberwachungseinrichtung eine Ausgleichsschaltung auf, die dazu ausgelegt ist, einen Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand und dem zweiten Isolationswiderstand zumindest zum Teil zu kompensieren.
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Durch das Auslösen der vorbestimmten Maßnahme, zum Beispiel das überführen der Bordnetzanordnung in einen sicheren Zustand, kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass zum Beispiel im Fehlerfall die wirksame Energie in den Erdkapazitäten der Bordnetzanordnung den zulässigen Grenzwert nicht überschreitet.
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Durch eine zusätzliche Beschaltung, nämlich der Ausgleichsschaltung, können so vorteilhafterweise auftretende Unsymmetrien aktiv ausgeglichen werden. Zudem kann eine solche Ausgleichsschaltung vorteilhafterweise zusätzlich auch zur aktiven Entladung bei abgeschaltetem HV-Bordnetz, d.h. bei abgekoppeltem Hochvolt-Energiespeicher, genutzt werden. Mittels der aktiven Symmetrierungschaltung, die durch die Ausgleichsschaltung bereitgestellt ist, können vorteilhafterweise auftretende Unsymmetrien in einem bestimmten Maß zumindest ausgeglichen werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems weiter verbessert wird. Auch kann hierdurch zum Beispiel erreicht werden, dass ein Ladevorgang an einer unsymmetrischen Ladesäule nicht gleich zu einem Abkoppeln des Hochvolt-Energiespeichers vom Bordnetz aufgrund der detektierten Unsymmetrie durch die Symmetrieüberwachungseinrichtung führt, sondern dass eine durch einen solchen Ladevorgang verursachte Unsymmetrie vorteilhafterweise durch die Ausgleichsschaltung ausgeglichen werden kann.
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Zur Umsetzung einer solchen Ausgleichsschaltung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Ausgleichsschaltung eine erste Stromquelle aufweisen, die zwischen das erste Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist, und insbesondere auch eine zweite Stromquelle aufweisen, die zwischen das zweite Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist. Durch solche Stromquellen können Erdkapazitäten, zumindest bei auftretender Unsymmetrie, aktiv umgeladen werden, was wiederum zu einer aktiven Symmetrierung der Bordnetzanordnung führt. Solche Stromquellen können beispielsweise durch Wandlereinrichtungen bereitgestellt sein.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ausgleichsschaltung einen ersten veränderbaren Widerstand auf, der zwischen das erste Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist, und zudem insbesondere einen zweiten veränderbaren Widerstand auf, der zwischen das zweite Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist. Auch durch solche veränderbaren Widerstände können ganz analog auftretende unsymmetrische Bordnetzverhältnisse, d.h. zu starke Abweichungen zwischen dem ersten und zweiten Isolationswiderstand, geeignet ausgeglichen werden. Zur Realisierung solcher veränderbaren Widerstände kann beispielsweise eine Kombination aus einer Transistorschaltung und Widerständen verwendet werden. Auch hierdurch lassen sich nun vorteilhafterweise Erdkapazitäten bei einem Auftreten einer Unsymmetrie umladen und die Bordnetzanordnung aktiv symmetriesieren.
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Auch alterungsbedingte Unsymmetrien können durch die Ausgleichsschaltung kompensiert werden. Weiterhin kann diese Ausgleichsschaltung entsprechend auch permanent aktiv sein und sich beispielsweise so an alterungsbedingte Veränderungen der Symmetrie kontinuierlich anpassen, um diese zu kompensieren. Denkbar ist es allerdings auch, die Ausgleichsschaltung nur dann zu aktivieren, wenn die Symmetrieüberwachungseinrichtung eine unzulässige Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Isolationswiderstand, und damit eine unzulässig hohe Unsymmetrien der Bordnetzanordnung detektiert. Mit anderen Worten kann die Aktivierung der Ausgleichsschaltung auch die oben genannte vorbestimmte Maßnahme, die in einem solchen Fall von der Symmetrieüberwachungseinrichtung ausgelöst wird, darstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Symmetrieüberwachungseinrichtung zum Überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, dazu ausgelegt, zu überprüfen, ob ein Unterschied zwischen einer ersten Potentialdifferenz, die zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse besteht, und einer zweiten Potentialdifferenz, die zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse besteht, einen vorbestimmbaren Grenzwert überschreitet. Unterscheiden sich der erste und/oder zweite Isolationswiderstand, so unterscheiden sich auch die jeweiligen Spannungen zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und der Masse sowie zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der Masse, also die oben genannte erste Potentialdifferenz und die zweite Potentialdifferenz voneinander. Umgekehrt, bei idealer Symmetrie wären die erste und die zweite Potentialdifferenz gleich. Damit lässt sich vorteilhafterweise anhand des Unterschieds zwischen diesen beiden Potentialdifferenzen auch ein Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Isolationswiderstand und damit eine Unsymmetrie detektieren. Somit kann einfach ein korrespondierender Grenzwert definiert werden, ab welchem eine unzulässige Unsymmetrie als detektiert gilt. Auch dieser vorbestimmbare Grenzwert kann wiederum vorgegeben sein, zum Beispiel in Anpassung auf die gesamte zwischen den Hochvolt-Potentialen abgreifbare Gesamtspannung und/oder in Anpassung an die maximal vorhandenen Erdkapazitäten. Dieser vorbestimmbare Grenzwert kann auch einen prozentualen Grenzwert darstellen. Weisen beispielsweise die erste Potentialdifferenz und die zweite Potentialdifferenz voneinander um mehr als 10 %, zum Beispiel bezogen auf die Gesamtspannung, ab, so kann eine unzulässige Unsymmetrie als detektiert gelten. Dies hat den Vorteil, dass mit abnehmender Gesamtspannung zwischen den Hochvolt-Potentialen größere Unsymmetrien zulässig wären. Insbesondre kann es auch vorgesehen sein, dass die Gesamtkapazität je Pol, d.h. die jeweilige Gesamtkapazität zwischen dem HV-Plus-Potential und der Masse sowie zwischen dem HV-Minus-Potential und der Masse, in der Symmetrieüberwachungseinrichtung hinterlegt ist und permanent die in der Bordnetzanordnung gespeicherte bzw. wirksame Energie über die Spannungspegel, d.h. die erste Potentialdifferenz und die zweite Potentialdifferenz, ermittelt wird. Auch könnten somit wiederum externe Einflüsse, wie zum Beispiel durch eine DC-Ladesäule während des Ladevorgangs berücksichtigt werden.
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Die Detektion der Unsymmetrien der Bordnetzanordnung lässt sich auf diese Weise durch eine einfache Spannungsmessung bewerkstelligen. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Symmetrieüberwachungseinrichtung zum Überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als den vorbestimmten Grenzwert unterscheidet, dazu ausgelegt ist, die erste Potentialdifferenz und/oder die zweite Potentialdifferenz zu messen. Mit anderen Worten kann also beispielsweise einfach die Spannung zwischen dem HV-Plus-Potential und der Masse und/oder zwischen dem HV-Minus-Potential und der Masse gemessen werden. Insbesondere reicht dabei auch die Messung einer dieser Potentialdifferenzen aus, da die zweite dann über Kenntnis der Hochvolt-Gesamtspannung, die zwischen den beiden HV-Potentialen abgreifbar ist, rechnerisch einfach durch Subtraktion ermittelt werden kann. Diese beiden Potentialdifferenzen, können dann miteinander verglichen werden und weichen diese voneinander ab, liegt eine Unsymmetrie vor. Ist dieser Unterschied zu groß, d.h. größer als der vorbestimmbare Grenzwert, so kann wiederum die vorbestimmte Maßnahme ausgelöst und zum Beispiel System abgeschaltet werden. Alternativ dazu kann die Abschaltung auch erst dann erfolgen, wenn die Spannung an einem Pol gemessen gegen Erde, d.h. also zum Beispiel die erste Potentialdifferenz oder die zweite Potentialdifferenz, einen vorbestimmbaren (zweiten) Grenzwert überschreitet. Die genannten Grenzwerte sind so gewählt, dass die wirksame Energie in den Erdkondensatoren einen vorbestimmten maximal zulässigen Wert nicht überschreitet, solange die genannten Grenzwerte nicht überschritten werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Bordnetzanordnung einen Isolationswächter auf. Dieser kann beispielsweise, wie üblich, dazu ausgelegt sein, die jeweiligen Isolationswiderstände, das heißt den ersten und den zweiten Isolationswiderstand, zu überwachen, insbesondere permanent. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts kann eine Warnung generiert werden und je nach Betriebszustand die Bordnetzanordnung von dem Hochvolt-Energiespeicher über die Batterieschütze abgetrennt und damit ein sicherer Zustand hergestellt werden.
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Solche Isolationswächter können dabei mit unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten. Gerade im Zusammenhang mit der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Isolationswächter dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswiderstand mittels eines die Bordnetzanordnung nicht asymmetrisch belastenden Messprinzips zu überwachen. Manche Isolationswächter basieren auf Messprinzipien, bei welchen beispielsweise zwischen die jeweiligen HV-Potentiale und der Masse alternierend Widerstände geschaltet werden, wodurch sich der Gesamtisolationswiderstand, d.h. der erste und der zweite Isolationswiderstand ändern, und zwar unsymmetrisch bzw. im Wechsel, was gerade nicht gewünscht ist. Dies kann vorteilhafterweise durch die Verwendung eines Isolationswächters, der auf einem symmetrischen Messprinzip beruht, vorteilhafterweise vermieden werden. Beispielsweise kann der Isolationswächter so ausgestaltet sein, dass dieser zum Überwachen des ersten und zweiten Isolationswiderstands eine Messspannung mit bestimmter Frequenz aufträgt, was nicht zu einer Vergrößerung des Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Isolationswiderstand führt, und somit die Symmetrie erhält bzw. nicht negativ beeinflusst.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Isolationswächter zumindest einen Teil der Symmetrieüberwachungseinrichtung aufweist, insbesondere wenn die Symmetrieüberwachungseinrichtung in den Isolationswächter integriert ist. Somit kann vorteilhafterweise die Anzahl zusätzlicher Komponenten auf ein Minimum reduziert werden. Die Spannungsmessungen sowie die optionale Symmetrierungschaltung können somit vorteilhafterweise auch zusätzlich für die Isolationsüberwachung durch den Isolationswächter genutzt werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung oder eines ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Bordnetzanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten somit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie einer Bordnetzanordnung mit einem Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt-Potentials und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt-Potentials, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspannung abgreifbar ist, sowie mit einem ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse, und einem zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse. Weiterhin ist die Bordnetzanordnung derart symmetrisch ausgebildet, dass sich zumindest in einem bestimmten Zustand der Bordnetzanordnung der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand maximal um ein vorbestimmbares Maß unterscheidet, wobei die Bordnetzanordnung weiterhin eine Symmetrieüberwachungseinrichtung aufweist, die zum Überwachung der Bordnetzsymmetrie überprüft, ob sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, uns und falls sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, eine vorbestimmte Maßnahme auslöst.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Symmetrieüberwachungseinrichtung und einer Ausgleichsschaltung mit Stromquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Symmetrieüberwachungseinrichtung und einer Ausgleichsschaltung mit veränderbaren Widerständen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Symmetrieüberwachungseinrichtung und einer Ausgleichsschaltung, bei welcher die veränderbaren Widerständen mittels einer Transistorschaltung umgesetzt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung 10a mit eine Symmetrieüberwachungseinrichtung 12, die in einen Isolationswächter 14 integriert ist, sowie mit einer Ausgleichsschaltung 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Bordnetzanordnung 10a weist einen Hochvolt-Energiespeicher in Form einer HV-Batterie 18 auf, welche 2 HV-Potentiale HV+, HV- bereitstellt, an welchen eine Gesamtspannung UG abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung 10a einen oder mehrere HV-Verbraucher auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt sind. Solche HV-Verbraucher können zum Beispiel einen Puls-Wechselrichter darstellen, einen Klimakompressor, einen DC/DC-Wandler oder ähnliches. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung 10a eine elektrische Masse auf, die im Folgenden als Fahrzeugmasse 20 bezeichnet wird und welche beispielsweise durch die Fahrzeugkarosserie bereitgestellt werden kann. Durch parasitäre Widerstände in Kabeln, HV-Verbrauchern, der Batterie 18, usw. besteht zwischen den Hochvolt-Potentialen HV+, HV- und der Fahrzeugmasse 20 jeweils eine hochimpedante Verbindung, nämlich der Isolationswiderstand R+, R-. Insbesondere weist die Bordnetzanordnung 10a zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem positiven Hochvolt-Potential HV+ einen ersten Isolationswiderstand R+ auf, und zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen HV-Potential HV- einen zweiten Isolationswiderstand R- auf. Aus Sicherheitsgründen wird mittels des Isolationswächters 14 dieser Isolationswiderstand R+, R- permanent überwacht. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts wird eine Warnung generiert und je nach Betriebszustand das Hochvolt-Bordnetz bzw. die Hochvoltbordnetzanordnung 10a von der Batterie 18 durch Ansteuerung der Batterieschütze 22 abgetrennt und damit ein sicherer Zustand hergestellt. Neben dem Isolationswiderstand R+, R- existieren zudem auch sogenannte Erdkapazitäten C+, C-. Wenngleich sich diese Erdkapazitäten C+, C- durch einzelne Kondensatoren und Kapazitäten in der Bordnetzanordnung 10a zusammensetzen, so sind in 1 diese Erdkapazitäten C+, C- durch je einen einzelnen Kondensator C+, C- veranschaulicht. Ebenso sind in der Darstellungen 1 die den Gesamtisolationswiderstand R+, R- bildenden Einzelisolationswiderstände durch je nur einen einzelnen Isolationswiderstand R+, R- veranschaulicht.
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Diese Erdkapazitäten C+, C- liegen ebenfalls zwischen der Fahrzeugmasse 20 und den jeweiligen Hochvolt-Potentialen HV+, HV-. Diese Erdkapazitäten C+, C- ergeben sich durch parasitäre Effekte, zum Beispiel den Kabelschirm, und werden zum Teil aber auch bewusst eingebaut, um das EMV-Verhalten zu verbessern. Da in diesen Erdkapazitäten C+, C- Energie gespeichert werden kann, kann, wenn eine Person ein Hochvolt-Kontakt HV+ oder HV- und die Fahrzeugmasse 20 gleichzeitig berührt, durch Entladen dieser Kondensatoren C+, C- ein Strom über den Körper fließen. Daher gibt es Vorschriften, die entsprechende Grenzwerte für die maximal zulässige wirksame Energie, die in solchen Erdkapazitäten C+, C- gespeichert werden darf, festlegen. Sind beispielsweise diese Erdkapazitäten C+ und C- zwischen der Fahrzeugmasse 20 und den jeweiligen Hochvolt-Potentialen HV+, HV- genau gleich groß und ist auf diesen auch genau die gleiche Ladungsmenge gespeichert, so wäre die von diesen Erdkapazitäten C+, C- gespeicherte wirksame Energie am geringsten.
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Bei einem unsymmetrischen Bordnetz jedoch ist die gespeicherte wirksame Energie je nach Größe der an den HV-Potentialen abgreifbaren Gesamtspannung sowie der Größe dieser Erdkapazitäten entsprechend höher. Um gerade bei großen Gesamtspannungen die Vorschriften bezüglich der maximalen wirksamen Energie einzuhalten, ist es bei üblichen Bordnetzen erforderlich, die Erdkapazitäten in ihrer Höhe zu begrenzen, was massive Nachteile nach sich zieht, da beispielsweise für die EMV-Filterung dann teurere und große Gleichtaktdrosseln verwendet werden müssen anstelle von deutlich kostengünstigeren und kleineren Filterkondensatoren.
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Diese Nachteile können durch die Erfindung und ihre Ausgestaltungen vorteilhafterweise wie folgt vermieden werden: Zum einen ist das Bordnetz bzw. die Bordnetzanordnung 10a im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass auch die mit der Bordnetzanordnung 10a gekoppelten HV-Komponenten im Wesentlichen symmetrisch ausgelegt werden. Ebenso ist ein Isolationswächterkonzept zur Überwachung der Isolationswiderstände R+, R- gewählt, so dass keine unsymmetrische Belastung der Bordnetzanordnung 10a auftritt. Je nach Auslegung kann aber ein gewisses Maß an Unsymmetrie toleriert werden. Die Symmetrie bezieht sich hierbei sowohl auf die Größe der Kapazitäten C+, C-, die ebenfalls im Wesentlichen gleich sind, sowie auch auf die Isolationswiderstände R+, R- die entsprechend ebenfalls nur bis zu einem gewissen Maß voneinander abweichen dürfen um dem Symmetrieerfordernis noch gerecht zu werden. Denn bei einem wie oben beschriebenen ideal symmetrischen Bordnetz ist die in den Erdkapazitäten C+, C- gespeicherte wirksame Energie am geringsten. Durch eine im Wesentlichen symmetrische Bordnetzanordnung 10a kann somit vorteilhafterweise die wirksame Energie minimiert werden, was sogar bei sehr hohen Gesamtspannungen UG noch große Erdkapazitäten C+, C- erlaubt. Somit wird es also vorteilhafterweise ermöglicht, auch unter Einhaltung der Begrenzung der maximalen wirksamen Energie Kondensatoren für die EMV-Filterung einzusetzen, wodurch Kosten und Bauraum gespart werden kann und sich der Aufbau des der gesamten Bordnetzanordnung 10a deutlich vereinfacht.
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Um die Anforderungen an die Einhaltung dieser Bordnetzsymmetrie immer zu gewährleisten, ist die Symmetrieüberwachungseinrichtung 12 vorgesehen. Detektiert diese eine über das vorbestimmbare Maß hinausgehende Unsymmetrie der Bordnetzanordnung 10a, so kann diese vorteilhafterweise eine oder mehrere vorbestimmte Maßnahmen einleiten, wie beispielsweise die Schütze 22 ansteuern, um die HV-Batterie 18 vom restlichen Bordnetz 10a abzutrennen.
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Die Symmetrieüberwachung durch die Symmetrieüberwachungseinrichtung 12 kann auf einer Spannungsmessung beruhen. Zu diesem Zweck kann die Symmetrieüberwachungseinrichtung 12 mittels einer ersten Spannungsmesseinrichtung 24, welche die Spannung U1 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem positiven Hochvolt-Potential HV+ misst, sowie mittels einer zweiten Spannungsmesseinrichtung 26, welche die Spannung U2 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen Hochvolt-Potential HV- misst, diese beiden Spannungen U1, U2 erfassen und miteinander vergleichen. Bei idealer Symmetrie sind auch diese beiden Spannungen U1, U2 gleich. Für den maximal erlaubten Unterschied zwischen den beiden Spannungen U1, U2 kann ein bestimmter Grenzwert definiert sein. Weichen nun diese beiden Spannungen U1, U2 um mehr als dieser vorbestimmter Grenzwert voneinander ab, so kann eine unzulässige Unsymmetrie als detektiert gelten. Alternativ kann auch nur eine von den diesen beiden Spannungen U1, U2 gemessen werden. Die andere dieser beiden Spannungen kann über Kenntnis der Gesamtspannung UG berechnet werden, da die Summe dieser beiden Spannungen U1, U2 die Gesamtspannung UG ergibt. Auch kann beispielsweise nur eine dieser beiden Spannungen U1 ermittelt werden und mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen werden.
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Diese Grenzwerte können sich im Allgemeinen zum Beispiel auch prozentual auf die Gesamtspannung UG beziehen. Zudem kann bei der Bemessung des Grenzwerts auch die Größe der Erdkapazitäten C+, C- berücksichtigt werden, sodass vorteilhafterweise gewährleistet wird, dass eine vorgegebene maximale wirksame Energie nicht überschritten wird, solange dieser Grenzwert eingehalten wird, und gleichzeitig könnten so auch bei abnehmender Gesamtspannung UG größere Uhrensymmetrien zulässig sein. Auch können somit externe Einflüsse, wie zum Beispiel durch eine DC-Ladesäule während des Ladevorgangs berücksichtigt werden.
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Um die Zuverlässigkeit weiter zu verbessern, kann weiterhin eine Ausgleichsschaltung 16 vorgesehen sein, die eine zusätzliche Beschaltung darstellt, um eine auftretende Unsymmetrie auszugleichen. In dem in 1 dargestellten Beispiel weist die Ausgleichsschaltung 16 zu diesem Zweck zwei Stromquellen 28, 30 auf, von denen die eine Stromquelle 28 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem positiven Hochvolt-Potential HV+ angeordnet ist, und die andere Stromquelle 30 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen Hochvolt-Potential HV-.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Bordnetzanordnung 10b, welche genauso wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein kann, außer dass nun in diesem Beispiel die Ausgleichsschaltung 16 zwei veränderbare Widerstände 32, 34 aufweist, von denen einer der beiden veränderbaren Widerstände 32 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und positiven Hochvolt-Potential HV+ angeordnet ist, und der andere der beiden Widerstände 34 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen Hochvolt-Potential HV- angeordnet ist. Diese veränderbaren Widerstände 32, 34 können durch eine Schaltung wie in 3 dargestellt realisiert sein. Insbesondere weist die Ausgleichsschaltung 16 wie in 3 dargestellt zu diesem Zweck eine Transistorschaltung aus einem npn-Transistor 32a und einem pnp-Transistor 34a mit einem symmetrischen Widerstandsteiler auf, der zwei gleiche Widerstände 32b, 34b umfasst. Ansonsten kann auch die in 3 dargestellte Bordnetzanordnung 10b in gleicher Weise wie zu 1 beschrieben ausgebildet sein.
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Durch diese Ausgleichsschaltung 16 kann vorteilhafterweise ein Umladen der Erdkapazitäten C+, C- im Falle einer auftretenden Unsymmetrie bewerkstelligt werden. Zudem können diese Beschaltungen dabei auch zur Isolationsüberwachung durch den Isolationswächter 14 genutzt werden, wodurch die Mehrkosten geringer ausfallen. Die Stromtragfähigkeit kann dabei vorteilhafterweise nur auf den maximalen Leckstrom ausgelegt werden, welcher bei einem noch zulässigen Isolationswiderstand R+, R- zwischen den Hochvolt-Potentialen HV+ bzw. HV- und der Fahrzeugmasse 20 auftreten kann.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Bordnetzanordnung bereitgestellt wird, welche es durch eine Überwachung und Gewährleistung einer bestimmten Hochvolt-Symmetrie ermöglicht, die maximal zulässige Erdkapazität bei gegebener Hochvolt-Gesamtspannung enorm zu erhöhen. Dadurch vereinfacht sich die Auslegung des kompletten HV-Bordnetzes. Der Bauraum und die Kosten für die einzelnen HV-Komponenten, zum Beispiel durch einfachere EMV-Filter, sowie der HV-Verkabelung werden deutlich reduziert. Mittels der aktiven Symmetrierungsschaltung, die durch die Ausgleichsschaltung bereitgestellt ist, können zudem auftretende Unsymmetrien in einem bestimmten Maß ausgeglichen werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems weiter verbessert wird. Die Spannungsmessungen sowie die Symmetrierungsschaltung können je nach Auslegung auch zusätzlich für die Isolationsüberwachung genutzt werden. Des Weiteren kann die Symmetrierungschaltung zur aktiven Entladung bei abgeschaltetem HV-Bordnetz genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015016000 A1 [0006]
- DE 102015225441 A1 [0007]
- DE 102013226595 A1 [0008]
