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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem mit Wechselrichter, der einen ein- oder mehrphasigen Verbraucher über ein Phasenkabel ansteuern kann.
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Auf dem technischen Gebiet der elektrischen Hochvoltsysteme muss die Betriebssicherheit zu jeder Zeit zuverlässig gewährleistet werden. Dazu werden solche Hochvoltsysteme als IT (Isolé Terre)-Systeme aufgebaut, bei denen alle aktiven Teile entweder gegen das HV-Grundpotential GND isoliert oder über ausreichend hohe Impedanzen mit dem HV-Grundpotential GND verbunden sind.
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Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden und aus einer elektrische Batterie, eine Brennstoffzelle oder eine Kombination daraus gespeist werden.
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Da in einem solchen IT-System ein erster Isolationsfehler gegebenenfalls toleriert werden kann, weil beim ersten Isolationsfehler kein geschlossener Stromkreis aufgebaut wird, ist mit so einem System eine größere Ausfallsicherung verbunden. Es muss aber sichergestellt werden, dass ein solcher Isolationsfehler identifiziert und gemeldet wird. Dazu muss das gesamte elektrische Netz auch während des Betriebs des Fahrzeuges, zumindest periodisch, überwacht werden.
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Durch Isolationsfehler können zusätzliche Spannungen und Ströme an Schaltungsteilen auftreten, die dafür nicht ausgelegt sind und einer damit verbundenen Belastung auf Dauer nicht standhalten können. Ein Beispiel sind die Y-Kondensatoren, die gemäß den EMV-Anforderungen (Elektromagnetische Verträglichkeit) zwischen den Hochvolt-potentialen und einem Bezugspotential wie der Fahrzeugmasse geschaltet sind. Ein Isolationsfehler kann hohe Umladeströme hervorrufen, die das Bauteil zerstören.
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Stand der Technik
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Für die Detektion von Isolationsfehlern können sogenannte Isolationswächter eingesetzt werden, die durch kleine überlagerte Spannungen zwischen einem Hochvoltpotential und einem Bezugspotential Veränderungen des Isolationswiderstandes verfolgen. Für die Fehlerüberprüfung der Isolation eines Phasenkabels, das einen Wechselrichter mit einem Verbraucher verbindet, erschwert ein dem Hochvoltpotential überlagertes Schaltsignal des Wechselrichters diese Fehlerdetektion.
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Aus der
DE 10 2010 030 079 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Isolationswiderstandes in einem ungeerdeten elektrischen Netz mit einem Gleichspannungszwischenkreis und mindestens einem daran angeschlossenen Wechselrichter, zur Steuerung eines n-phasigen elektrischen Verbrauchers in einem n-Phasen-Netz bekannt. Dabei wird während des Betriebs des Verbrauchers eine zu überwachende Spannung bestimmt, welche eine Spannungsschwankung von Versorgungsspannungspotentialen des Gleichspannungszwischenkreises gegen ein Bezugspotenzial repräsentiert. Außerdem wird eine, eine elektrische Frequenz des elektrischen Verbrauchers charakterisierende Größe, insbesondere eine elektrische Winkelgeschwindigkeit des elektrischen Verbrauchers, bestimmt. Eine erste Spektralamplitude der zu überwachenden Spannung bei der n-fachen elektrischen Frequenz des elektrischen Verbrauchers wird mit einem ersten Referenzwert verglichen und ein symmetrischer Isolationsfehler in dem Gleichspannungszwischenkreis oder dem n-Phasen-Netz wird detektiert, wenn der Vergleich eine Abweichung der ersten Spektralamplitude von dem ersten Referenzwert ergibt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine einfache Schaltungsanordnung anzugeben, die das Hochvoltsystem mit angeschlossenem Wechselrichter im Betrieb auf Fehler, insbesondere Isolationsfehler des Wechselrichters, des Phasenkabels und damit verbundener Aggregate, belastungsspezifisch prüft und gegebenenfalls signalisiert, dass ein Fehler vorliegt, auch um Überlastungen und damit verbundene Folgefehler z. B. an Y-Kondensatoren zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung, ein System zur Fehlererkennung , ein Verfahren zur Fehlererkennung sowie ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Speichermedium gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben, die zumindest zum Teil die genannten Wirkungen aufweisen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Isolationsfehler, z. B. an einem Phasenkabel, einen Spannungsabfall an Symmetrier-Widerständen hervorruft, der die Belastung von Y-Kondensatoren durch Umladeströme charakterisieren kann.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem mit angeschlossenem Wechselrichter vorgesehen, wobei das Hochvoltsystem zumindest einen Widerstand zwischen einem Hochvoltpotential des Hochvoltsystems und einem Bezugspotential aufweist. Eine Erfassungsschaltung der Schaltungsanordnung greift eine Spannung von dem Widerstand ab und generiert daraus eine erste Maßgröße. Diese Maßgröße wird am Ausgang der Erfassungsschaltung bereitgestellt. Eine solche Maßgröße leitet sich von der abgegriffenen Spannung ab, um einen Vergleich in einer Auswerteeinrichtung vorzubereiten. Der Widerstand kann zwischen einem der zwei Hochvoltpotentiale zur Symmetrierung der Hochvoltpotentiale angeordnet sein, und ein sogenannter Symmetrier-Widerstand einer Reihe von mehreren Symmetrier-Widerständen zur Spannungssymmetrierung zwischen jeweils einem der Hochvoltpotentiale und einem Bezugspotential sein. Ein solches Bezugspotential kann z. B. durch einen Gehäusekontakt gebildet werden, wobei das Gehäuse zum Beispiel Teile des Hochvoltsystems umschließt. Eine solche Maßgröße kann zum Beispiel durch eine zeitliche Integration einer gleichgerichteten Spannung, die am Widerstand abfällt, gebildet werden. Außerdem weist die Schaltungsanordnung eine Auswerteeinrichtung auf, die mit einem Ausgang der Erfassungsschaltung verbunden ist. Diese Auswerteeinrichtung ist eingerichtet sowohl die erste Maßgröße mit einem ersten Grenzwert zu vergleichen als auch ein erstes Signal auszugeben, wenn die erste Maßgröße den ersten Grenzwert überschreitet. Dabei definiert sich das Hochvoltpotential als ein elektrisches Potential des Hochvoltsystems, das aus dem elektrischen Kontakt mit dem positiven Hochvoltanschluss HV+ oder einem negativen Hochvoltanschluss HV- des Hochvoltsystems resultiert und entsprechend ein positives oder negatives Hochvoltpotential definiert.
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Im Falle eines Isolationsfehlers z. B. am Phasenkabel, bewirkt die Taktung des Wechselrichters, der für jede Phase des Verbrauchers abwechselnd das positive Hochvoltpotential und das negativen Hochvoltpotential mit dem Verbraucher verbindet, einen hohen Umladestrom in den EMV-Y-Kondensatoren, die zwischen einem Hochvoltpotential und einem Bezugspotential, wie der Gehäusemasse geschaltet sind.
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Bei einem solchen Fehler können die Y-Kondensatoren, die für diese Art von Fehler üblicherweise nicht ausgelegt sind, abhängig von der Hochvolt-Umladespannung an den Y-Kondensatoren und der Pulsweitenmodulations-Frequenz, thermisch überlastet werden.
Mit einem solchen Isolationsfehler geht eine entsprechende Spannungsänderung in Bezug auf die Höhe und/oder den zeitlichen Verlauf an den Symmetrier-Widerständen einher, da die Symmetrier-Widerstände parallel zu den Y-Kondensatoren geschaltet sind.
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Typischerweise setzen sich die Symmetrier-Widerstände aus einer Vielzahl von Einzelwiderständen zusammen, so dass sich beim Abgriff der Spannung an einem einzelnen dieser Vielzahl von Symmetrier-Widerständen eine für die Erfassungsschaltung günstige Reduzierung der Spannung ergeben kann. Aus dieser Spannung generiert die Erfassungsschaltung eine erste Maßgröße, die dann in der Auswerteeinrichtung mit einem ersten Grenzwert, der in der Auswerteeinrichtung gespeichert ist, verglichen wird. Dieser erste Grenzwert kann somit, durch Ersetzen des gespeicherten Wertes, unterschiedlichen Betriebsszenarien angepasst werden. Erfindungsgemäß kann ein solcher Widerstand zwischen einem Hochvoltpotential des Hochvoltsystems und einem Bezugspotential auch zusätzlich zu Symmetrier-Widerständen oder alternativ zu Symmetrier-Widerständen angeordnet sein.
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Diese Spannung an dem Widerstand variiert im Takt der Wechselrichterphasen und kann auf Grund eines Fehlers der Isolation, an z. B. einer Phase des Phasenkabels, sowohl in der Höhe ansteigen, als auch einen anderen zeitlichen Verlauf aufweisen. In beiden Fällen ergibt die erste Maßgröße der Erfassungsschaltung einen höheren Wert und der Vergleich mit einem ersten Grenzwert ergibt ein Überschreiten, wenn der erste Grenzwert entsprechend der zu prüfenden Szenarien ausgesucht wird. Auf Grund der Überschreitung des ersten Grenzwertes gibt die Auswerteeinrichtung ein erstes Signal aus.
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Mit dieser Schaltungsanordnung wird also erreicht, dass eine sichere und einfache Detektion eines ansonsten schwierig im laufenden Betrieb zu detektierenden Isolationsfehlers gewährleistet ist. Außerdem erfolgt mit der Schaltungsanordnung eine frühe Identifizierung von möglichen Überlastzuständen von peripheren Bauteilen oder Aggregaten.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Schaltungsanordnung für ein Hochvoltsystem einzusetzen, bei dem der verbundene Wechselrichter durch eine Steuereinrichtung gesteuert wird. Die Auswerteeinheit ist in dieser Ausgestaltung eingerichtet, ein Triggersignal für die Steuereinrichtung (3) auszugeben.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, das erste Signal als Triggersignal für die Steuereinrichtung des Wechselrichters auszugeben.
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Der Wechselrichter kann so konfiguriert sein, dass er bei Empfang des Triggersignals von der Auswerteeinrichtung für ein vordefiniertes Zeit-Intervall in einen Sonder-Betrieb schaltet. Als ein solcher Sonder-Betrieb kann wahlweise, je nach Maschinentyp und Sicherheitskonzept, ein Freischalt-Betrieb, ein unteren Kurzschluss, ein oberen Kurzschluss des Wechselrichters oder ein anderer Sonderbetriebe vorgesehen sein. Je nach Dauer des Sonder-Betriebs kann damit schon eine Reduzierung der Belastung der peripheren Bauteile oder Aggregate erreicht werden. Die Dauer des Sonderbetriebs kann aber auch den zu detektierenden Szenarien und der Empfindlichkeit der Auswerteeinrichtung angepasst werden.
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Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist nachfolgend der Ausgabe des Triggersignals für die Steuereinrichtung eine zweite Maßgröße, die von der Erfassungsschaltung, nach Abgreifen einer weiteren Spannung, generiert wird, mit einem zweiten Grenzwert zu vergleichen, und bei Unterschreiten des zweiten Grenzwertes ein zweites Signal auszugeben.
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Damit kann erreicht werden, dass während des Sonder-Betriebes des Wechselrichters eine, von der Erfassungseinrichtung generierte, zweite Maßgröße mit dem zweiten Grenzwert zu vergleichen. Sofern die zweite Maßgröße jetzt den zweiten Grenzwert unterschreitet, gibt die Auswerteeinrichtung ein zweites Signal aus.
Der erste Grenzwert kann gleich groß dem zweiten Grenzwert gewählt werden.
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Sofern ein solches zweites Signal von der Auswerteeinrichtung ausgegeben wird, wenn sie auf Grund der Überschreitung des ersten Grenzwertes vorher den Wechselrichter getriggert hat in den Sonder-Betrieb zu schalten, bedeutet es, dass der Isolationsfehler in der Einheit von Wechselrichter, Phasenkabel zum Aggregat oder im Aggregat selber vorliegt, denn er tritt ja nur bei laufendem Betrieb des Wechselrichters auf. Damit ist also ein Fehler in der Isolation auf einfache Weise nachgewiesen und die Ursache zumindest auf einen Teilbereich des Hochvoltsystems zurückgeführt worden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Erfassungsschaltung eingerichtet ist, die erste und zweite Maßgröße als eine charakterisierende Größe für eine Bauteilebelastung zu generieren. Das heißt, dass die erste Maßgröße auf eine solche Weise aus dem Spannungssignalverlauf generiert wird, dass die Höhe der Maßgröße charakteristisch für die Belastung eines Bauteils des Hochvoltsystems ist. Ein solches Bauteil kann z. B. ein Y-Kondensator sein.
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Die Schaltungsanordnung kann mit der entsprechend eingerichteten Steuereinrichtung des Wechselrichters so zusammenwirken, dass beim Empfang des zweiten Signals der Betrieb des Wechselrichters dauerhaft unterbrochen wird.
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Die Auswerteeinrichtung kann entsprechend eines Ausführungsbeispiels der Erfindung eine digitale Signalverarbeitungseinheit aufweisen. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Mikroprozessor aufweisen. Damit lassen sich auch andere komplexe Auswerteverfahren, die sich aus dem Grundgedanken und der Lehre dieser Erfindung nahegelegt werden, leicht implementieren. Über einen AD-Wandlerkanal kann die erste oder zweite Maßgröße, welche den Grad der Belastung des Y-Kondensators anzeigen kann, eingelesen und entsprechenden Softwarefunktionen als Wert zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuerung zwischen der Auswerteeinrichtung und der Steuereinrichtung, so wie die Steuerung der Auswerteeinrichtung selbst von einer separaten z. B. zentralen Steuereinrichtung durchgeführt werden.
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Die Erfindung umfasst außerdem ein System zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem mit einem positiven und einem negativen Hochvoltpotential, wobei das Hochvoltsystem mit einem Wechselrichter verbunden ist. Das System weist zumindest eine Reihenschaltung von Widerständen zwischen einem der Hochvoltpotentiale des Hochvoltsystems und einem Bezugspotential auf und zumindest eine Kapazität ist zwischen einem der Hochvoltpotentiale des Hochvoltsystems und dem Bezugspotential angeordnet.
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Außerdem umfasst das System eine Schaltungsanordnung mit einer Erfassungsschaltung und einer Auswerteeinrichtung. Die Erfassungsschaltung greift eine Spannung von dem Widerstand ab und generiert daraus eine erste Maßgröße. Diese Maßgröße wird am Ausgang der Erfassungsschaltung bereitgestellt. Eine solche Maßgröße leitet sich von der abgegriffenen Spannung ab, um einen Vergleich in einer Auswerteeinrichtung vorzubereiten. Der Widerstand kann zwischen einem der zwei Hochvoltpotentiale zur Symmetrierung der Hochvoltpotentiale angeordnet sein, und ein sogenannter Symmetrier-Widerstand einer Reihe von mehreren Widerständen zur Spannungssymmetrierung zwischen jeweils einem der Hochvoltpotentiale und einem Bezugspotential sein.
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Ein solches Bezugspotential kann durch einen Gehäusekontakt gebildet werden, wobei das Gehäuse zum Beispiel Teile des Hochvoltsystems umschließt. Eine solche Maßgröße kann zum Beispiel durch eine zeitliche Integration der Spannung an dem Widerstand gebildet werden.
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Außerdem weist das System eine Auswerteeinrichtung auf, die mit einem Ausgang der Erfassungsschaltung verbunden ist. Diese Auswerteeinrichtung ist eingerichtet sowohl die erste Maßgröße mit einem ersten Grenzwert zu vergleichen als auch ein erstes Signal auszugeben, wenn die erste Maßgröße den ersten Grenzwert überschreitet. Dabei definiert sich das Hochvoltpotential als ein elektrisches Potential des Hochvoltsystems, das aus dem elektrischen Kontakt mit dem positiven Hochvoltanschluss HV+ oder einem negativen Hochvoltanschluss HV- des Hochvoltsystems resultiert und entsprechend ein positives oder negatives Hochvoltpotential definiert.
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Weiterhin weist das System eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Wechselrichters auf, und die Auswerteeinrichtung der Schaltungsanordnung ist eingerichtet, Triggersignale für die Steuereinrichtung auszugeben.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinrichtung des Systems eingerichtet ist, aufgrund eines Triggersignals von der Auswerteeinrichtung, den dem mit der Steuereinrichtung verbundenen Wechselrichter ein Ansteuersignal zu liefern, um den Wechselrichter in einem Sonderbetrieb zu betreiben.
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Als ein solcher Sonder-Betrieb kann wahlweise, je nach Maschinentyp und Sicherheitskonzept, ein Freischalt-Betrieb, ein unteren Kurzschluss des Wechselrichters, ein oberen Kurzschluss des Wechselrichters oder ein anderer Sonderbetrieb des Wechselrichters vorgesehen sein. Je nach Dauer des Sonder-Betriebs kann damit schon eine Reduzierung der Belastung der peripheren Bauteile oder Aggregate erreicht werden. Die Dauer des Sonderbetriebs kann aber auch den zu detektierenden Szenarien und der Empfindlichkeit der Auswerteeinrichtung angepasst werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das System zumindest eine Kapazität aufweist, die parallel zu dem Symmetrier-Widerstand geschaltet ist. Solche Y-Kapazitäten werden regelmäßig auf Grund der EMV-Vorschriften verbaut und können bei Anwendung dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kostengünstiger ausgelegt werden, da eine Überlastung dieser Kapazitäten schnell detektiert wird.
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Das System kann entsprechend anderer Ausgestaltungen der Erfindung auch weitere Merkmale der oben beschriebenen Schaltungsanordnung einzeln oder gemeinsam aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Erfassungsschaltung der Schaltungsanordnung oder des Systems eine Reihenschaltung aus Koppelkondensator, Diode, Begrenzungswiderstand und Ladekondensator aufweist, und diese Reihenschaltung elektrisch mit dem ersten und zweiten Kontakt des Widerstandes verbunden ist. Zusätzlich ist ein Entladewiderstand parallel zur Ladekapazität geschaltet, wobei die beiden Anschlüsse des Entladewiderstandes den Ausgang der Erfassungsschaltung bilden. Eine solche Erfassungsschaltung, die nur aus wenigen Bauteilen zusammengesetzt ist, ist wirtschaftlich besonders günstig und einfach zu implementieren.
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Durch den Koppelkondensator wird in der Erfassungsschaltung ein Hochpass gebildet, so dass höhere Frequenzen einen höheren Ladestrom bewirken. Über die Spitzenwertgleichrichtung durch die Diode wird die maximale Spannungsänderung im Ladekondensator gespeichert. Der Entladewiderstand entlädt den Ladekondensator, wenn die Spannung am Symmetrier-Widerstand wieder abnimmt. Der Begrenzungswiderstand dient der Ladestrombegrenzung des Ladekondensators und kann ggf. entfallen. Somit wird die über die Symmetrier-Widerstandskette herunter geteilte Spannung des Y-Kondensators an einen Spitzenwertgleichrichter mit Tiefpassverhalten geführt. Eine solche Erfassungsschaltung generiert somit an ihrem Ausgang eine Maßgröße, die die Belastung z. B. eines Y-Kondensators charakterisiert und kann schaltungstechnisch mit einer Vielzahl von Schaltungsvarianten realisiert werden.
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Die Erfindung gibt außerdem ein Verfahren zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem mit angeschlossenem Wechselrichter an, wobei das Hochvoltsystem zumindest einen Widerstand zwischen einem Hochvoltpotential und einem Bezugspotential aufweist. Dabei wird mittels einer Erfassungsschaltung eine Spannung von dem Widerstand abgegriffen und daraus eine erste Maßgröße generiert, und mittels einer Auswerteeinrichtung wird verglichen, ob die erste Maßgröße einen ersten Grenzwert überschreitet. Bei Überschreiten des ersten Grenzwertes durch die erste Maßgröße wird ein erstes Signal von der Auswerteeinheit ausgegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das erste Signal von der Auswerteeinrichtung an eine Steuereinrichtung ausgegeben wird mit der der Wechselrichter verbunden ist, und die Steuereinrichtung auf Grund des Empfangs des ersten Signales den Wechselrichter in einen Sonder-Betrieb schaltet.
Dieser Sonderbetreib kann zumindest für ein vorher definiertes Zeitintervall aufrecht erhalten werden. Je nach Anwendung des Verfahrens und Betriebszustand des Gesamtsystems kann dieses Zeitintervall auch, z. B. durch die Auswerteeinheit, verlängert werden, um eine sichere Detektion von Isolationsfehlern zu gewährleisten. Denn ein besonders kurzes Zeitintervall kann ggf. nicht ausreichen eine zweite Maßgröße, die den geänderten Zustand charakterisiert, sicher zu detektieren.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass nachfolgend dem Ausgeben des ersten Signales, mittels der Erfassungsschaltung eine weitere Spannung am Widerstand abgegriffen wird, eine zweite Maßgröße generiert wird, und mittels der Auswerteschaltung verglichen wird, ob die zweite Maßgröße kleiner als ein zweiter Grenzwert ist, und ein zweites Signal ausgegeben wird, wenn die zweite Maßgröße den zweiten Grenzwert unterschreitet.
Das bedeutet dann, das die Ursache für ein erhöhtes Spannungsintegral am Widerstand auf einen Isolationsfehler am Wechselrichter, dem mit diesem verbundenen Phasenkabel oder dem Aggregat zurückgeführt werden kann.
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Die Erfindung gibt außerdem ein Computerprogrammprodukt an, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Die Erfindung gibt außerdem ein Computerlesbares Speichermedium an, welches Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 und 2 dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Fehlererkennung, eingefügt in ein ungeerdetes Hochvoltsystem mit angeschlossenem Wechselrichter;
- 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem mit angeschlossenem Wechselrichter.
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Die 1 zeigt ein exemplarisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 10 zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem 20 mit integriertem Wechselrichter 4, wobei die eigentliche Energiequelle 11 des Hochvoltsystems 20 in diesem Ausführungsbeispiel als wiederaufladbare Batterie z. B. eines Elektrofahrzeugs ausgeführt ist. Alternativ kann eine Brennstoffzelle via DC/DC Wandler an die wiederaufladbare Gleichspannungsquelle gekoppelt sein oder es kann eine Brennstoffzelle an Stelle der HV-Batterie vorgesehen werden.
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Das Hochvoltsystem 20 weist ein positives Hochvoltpotential 7a und einen negatives Hochvoltpotential 7b auf und ist als IT-System ausgeführt, so dass die aktiven Elemente isoliert von dem Grundpotential GND der Erde verbunden sind. Diese Hochvoltpotentiale sind elektrisch leitend mit einem positiven Hochvoltanschluß HV+ bzw. einem negativen Hochvoltanschluß HV- des Hochvoltsystems verbunden. Parallel zu diesen Hochvoltpotentialen 7a, 7b des Hochvoltsystems 20 ist mindestens ein Wechselrichter 4 geschaltet, der in der 1 nur als einphasiger Wechselrichter 4 repräsentiert ist, aber durch Vervielfältigung auch als ein mehrpoliges Wechselrichtersystem ausgestaltet sein kann.
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Ein Verbraucher kann mit dem Wechselrichter 4 über den Anschluss 12 gekoppelt werden, der zwischen die in Reihe zwischen die Hochvoltpotentiale geschalteten Schaltelementen 9a und 9b des Wechselrichters 4 angeschlossen ist.
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Mindestens ein Y-Kondensator 6a und 6b und mindestens ein Symmetrier-Widerstand 5 verbinden jeweils ein Hochvoltpotential 7a oder 7b mit einem Bezugspotential 8, wie z. B. einer Gehäusemasse. Die als Reihenschaltung von Widerständen skizzierten Symmetrier-Widerstände 5, die in Serie zwischen die beiden Hochvoltpotentiale 7a oder 7b geschaltet sind, bewirken durch eine elektrische Verbindung ihres Knotenpunktes mit dem Grundpotential eine Symmetrierung der Potentiale gegen das Grundpotential. Typische Werte für die Symmetrier-Widerstände 5 sind im Bereich von 0,5 MOhm bis 5 MOhm.
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Eine Steuereinrichtung 3 des Wechselrichters 4 steuert die Schaltelemente 9a und 9b des Wechselrichters 4 entsprechend den Betriebsbedingungen eines Verbrauchers, der über den Anschluss 12 an den Wechselrichter 4 angeschlossen werden kann. In der 1 ist mit einem gezackten Pfeil, zwischen dem Phasenanschluss 12 und dem Bezugspotential 8, angedeutet, zwischen welchen Teilen eines Hochvoltsystems beispielsweise ein Isolationsfehler vorliegen könnte.
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Eine Erfassungsschaltung 1 greift über seine Eingangsanschlüsse 1a und 1b eine Spannung von mindestens einem der Widerstände 5, der in Reihe geschalteten Symmetrier-Widerständen 5, ab und generiert daraus eine erste Maßgröße, die die Erfassungsschaltung 1 an ihren Ausgangsanschlüssen 1c und 1d bereitstellt.
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Die Auswerteeinrichtung 2 ist mit ihren Eingangskontakten 2a und 2b mit den Ausgangsanschlüssen 1c und 1d der Erfassungsschaltung verbunden. Die Auswerteeinrichtung 2 übernimmt die von der Erfassungseinheit 1 bereitgestellte erste Maßgröße und vergleicht diesen mit einem gespeicherten ersten Grenzwert 2e. Sofern aus diesem Vergleich eine Überschreitung des ersten Grenzwertes 2e durch die erste Maßgröße resultiert, gibt die Auswerteeinrichtung 2 an ihrem Ausgang 2c ein erstes Signal aus.
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Über den Anschluss 2d kann die Auswerteeinrichtung 2 ein Triggersignal an die Steuereinrichtung 3 des Wechselrichters 4 ausgeben, sofern aus dem Vergleich von erster Maßgröße der Erfassungsschaltung mit dem gespeicherten ersten Grenzwert 2e eine Überschreitung des ersten Grenzwertes 2e durch die erste Maßgröße resultiert.
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Die Steuereinrichtung 3 des Wechselrichters 4 kann konfiguriert sein, aufgrund des ersten Signals von der Auswerteeinrichtung 2, für ein vordefiniertes Zeitintervall die Steuerungseinheit 4 in einen Sonder-Betrieb zu schalten. Dabei bedeutet der Sonder-Betrieb, dass die Schaltelemente 9a und 9b, bzw. bei mehrphasigem Betrieb auch die weiteren Schaltelemente der anderen Phasen, in eine offene Schaltstellung schalten. Wahlweise kann im Sonder-Betrieb der Wechselrichter auch, je nach Maschinentyp und Sicherheitskonzept, in einen unteren oder oberen Kurzschluss oder einen anderen Sonderbetrieb geschaltet werden.
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Dieses Offenschalten der Schaltelemente 9a und 9b z. B. im Sonder-Betrieb unterbindet den durch einen Isolationsfehler hervorgerufenen Kontakt vom Ausgang des Wechselrichters mit dem Bezugspotential, woraufhin die Erfassungsschaltung 1 eine kleinere Spannung am Symmetrier-Widerstand 5 misst und dementsprechend eine kleinere zweite Maßgröße am Ausgang 1c und 1d bereitstellt. Diese zweite Maßgröße wird dann von der Auswerteeinrichtung 2 mit dem zweiten Grenzwert verglichen und als unter dem zweiten Grenzwert liegend bestimmt, sofern der Isolationsfehler vom Wechselrichter 4 selbst, einer Verbindungsleitung zum Verbraucher oder vom Verbraucher verursacht wurde.
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Die Auswerteeinrichtung 2 ist so eingerichtet, dass sie in diesem Fall ein zweites Signal ausgeben kann, um entweder einen entsprechenden identifizierenden Fehler zu melden oder die Steuereinrichtung 3 des Wechselrichters 4 kann so konfiguriert sein, dass mittels diesem zweiten Signal der Wechselrichter 4 permanent freigeschaltet wird, um einen sicheren Betreib des Hochvoltsystems 20 zu erreichen. Das zweite Signal kann alternativ aber auch einer übergeordneten Steuereinheit zugeleitet werden, die abhängig vom Betriebszustand des Gesamtsystems, wie z. B. eines Fahrzeuges, in das das Hochvoltsystem integriert ist, entscheidet, ob der Wechselrichter aufgrund des identifizierten Fehlers freigeschaltet werden soll. Gegebenenfalls kann auch erst eine Warnung erfolgen und anschließend das Gesamtsystem „weich“, also ohne ggf. schädigende Wirkung auf Batterie oder Brennstoffzelle, heruntergefahren werden.
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Als ein Ausführungsbeispiel ist in der 1 die Erfassungsschaltung 1 als eine Reihenschaltung aus erstem Eingangsanschluss 1a, einem Koppelkondensator 13, einer Diode 14, einem Begrenzungswiderstand 15, einem Ladekondensator 16 und einem zweiten Eingangsanschluss 1b ausgebildet. Die Ausgangsanschlüsse 1c der Erfassungseinrichtung 2 sind elektrisch parallel mit dem Ladekondensator 16 verschaltet, dem ein Entladewiderstand 18 elektrisch parallel geschaltet ist. Somit wird die über die Symmetrier-Widerstandskette 5 herunter geteilte Spannung des Y-Kondensators 6a, 6b an einen Spitzenwertgleichrichter mit Tiefpassverhalten geführt. Am Ladekondensator 16 wird dann die Maßgröße der Erfassungsschaltung 1 bereitgestellt.
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Die 2 dient der Erläuterung des Verfahrens zur Fehlererkennung in einem ungeerdeten Hochvoltsystem 20 mit angeschlossenem Wechselrichter 4, wobei das Hochvoltsystem 20 zumindest einen Symmetrier-Widerstand 5 zwischen einem Hochvoltpotential 7a, 7b und einem Bezugspotential 8 aufweist. Nach dem Start S1 des Verfahrens wird mittels einer Erfassungsschaltung 1 eine Spannung von dem Symmetrie-Widerstand 5 abgegriffen S2 und erste Maßgröße generiert S3. Mittels einer Auswerteeinrichtung 2 wird dann verglichen S4, ob die erste Maßgröße einen ersten Grenzwert 2e überschreitet, und bei Überschreiten des ersten Grenzwertes 2e wird ein erstes Signal ausgegeben S5. Sofern der erste Grenzwert nicht überschritten wird, erfolgt ein weiteres Abgreifen einer Spannung S2. Das Signal stellt somit nur eine Warnung bzw. ein Alarmsignal dar.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann von einer übergeordneten Steuerschaltung oder bei Betriebsbegin eingestellt werden, ob ein weiterer Teil des Verfahrens durchlaufen werden soll S6. Wenn der weitere Teil des Verfahrens nach der Ausgabe eines ersten Signals S5 nicht durchlaufen werden soll, erfolgt wieder ein neues Abgreifen einer Spannung S2. Wenn der weitere Teil des Verfahrens durchlaufen werden soll, erfolgt eine Ausgabe des ersten Signals S7 an die Steuereinrichtung 3 durch die Auswerteeinheit 2, woraufhin die Steuereinrichtung 3 den Wechselrichter 4 für ein vordefiniertes Zeitintervall in einen Sonder-Betrieb schaltet.
Während des Sonder-Betriebes des Wechselrichters 4 wird eine weitere Spannung am Symmetrier-Widerstand 5 abgegriffen S8 und eine zweite Maßgröße generiert S9. Im nächsten Schritt wird verglichen S10, ob die zweite Maßgröße kleiner als der zweite Grenzwert ist. Sofern die zweite Maßgröße kleiner als der zweite Grenzwert ist, folgt daraus, dass ein Isolationsfehler in dem Versorgungszweig des Verbrauchers, der mit dem Wechselrichter 4 über den Anschluss 12 und ein Kabel verbunden ist, oder im Wechselrichter 4 selbst vorliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010030079 A1 [0007]
