DE102019103757B3 - Verfahren, Isolationswächter und System zur Isolationsüberwachung einer dynamisch umkonfigurierbaren modularen Wechselstrombatterie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung einer dynamisch umkonfigurierbaren modularen Wechselstrombatterie, welche eine ganze Zahl M größer eins an Strängen (107) mit einer ganzen Zahl N an in einem jeweiligen Strang angeordneten Modulen (105) umfasst, und eine jeweilige Zahl an Eingängen bzw. Ausgängen eines jeweiligen Moduls eine Zahl an Adern einer Intermodulverbindung (104) in den Strängen festlegt, bei welcher die jeweiligen Adern durch die jeweiligen ersten Enden aller Stränge miteinander in mindestens einem Sternpunkt (106) verbunden sind, und bei welcher die jeweiligen Adern durch die jeweiligen zweiten Enden jeweiliger Stränge zu einer jeweiligen Phase (101, 102, 103) zusammengeschlossen sind, wobei an dem mindestens einen Sternpunkt mit einem Isolationswächter (108) ein Isolationsfehler detektiert wird, indem der Isolationswächter für eine vorgegebene Zeitdauer eine Spannung Vin den mindestens einen Sternpunkt einspeist, indem der Isolationswächter dabei einen Leckstrom Imisst, und indem der Isolationswächter einen Isolationswiderstand R̃=V/Iberechnet und einen Erstfehler durch Unterschreiten des Isolationswiderstandes unter einen vorgegebenen Grenzwiderstand feststellt. Ferner wird ein zugehöriger Isolationswächter und ein dazugehöriges System offenbart.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung einer dynamisch umkonfigurierbaren modularen Wechselstrombatterie. Ferner wird der die Isolationsüberwachung ausführende Isolationswächter und ein dazugehöriges System beansprucht.
• Eine Möglichkeit zu einer Erzeugung von mehrphasiger Wechselspannung, bspw. Dreiphasen- oder Mehrphasenwechselspannung, dem Betrieb von mehreren Mehrphasensystemen, oder allgemein zu einer Konvertierung zwischen mehreren elektrischen Anschlüssen ist durch eine sogenannte Sternverschaltung von Strängen oder Armen mit einer Mehrzahl an Modulen gegeben. Als Module können bspw. diejenigen eines modularen Multilevelkonverters mit serieller und paralleler Konnektivität, auch als MMSPC abgekürzt, gewählt werden. Bei dem bspw. in der Druckschrift DE 10 2016 112250 A1 beschriebenen MMSPC kann eine Parallelverschaltung von Modulen über Stranggrenzen hinweg in einem sogenannten Sternpunkt erfolgen, wenn jeweils zwei elektrische Anschlüsse eines jeweiligen Modulstrangs paarweise untereinander verbunden werden. Die Parallelverschaltung über Stränge hinweg erlaubt vorteilhaft einen Energieaustausch zwischen den Strängen. Genauso wie in mit konventionellen Traktionsbatterien ausgestatteten Elektrofahrzeugen auch, muss jedoch eine Isolationsüberwachung gewährleistet sein.
• In konventionellen Elektrofahrzeugen muss ein eine Hochvolt-Batterie und ein an ihr anliegendes Kabelnetz aufweisendes Hochvolt-System auf vorliegende Isolation von berührgeschützten Teilen, die eine Fahrzeugkarosserie und zumeist auch mindestens einen Pol einer Niedervoltversorgung, wie bspw. ein 12-Volt-Bordnetz, umfassen, überwacht werden. Liegt das Hochvolt-System als ein isoliertes Netz vor, also galvanisch getrennt von einer Fahrzeugmasse und/oder berührbaren Teilen, ist ein Isolationsfehler und damit eine Verbindung des Hochvolt-Systems mit der Fahrzeugmasse oder den voranstehenden Komponenten für einen Benutzer zunächst ungefährlich. Solch ein einfacher Isolationsfehler wird als ein sogenannter Erstfehler bezeichnet. Da aber eine zweite Verbindung mit derselben Fahrzeugmasse oder demselben berührbaren Teil oder einem anderen berührbaren Teil einen Kurzschluss mit potentiellem Batteriebrand oder Lebensgefahr für den Benutzer bedeutet, bezeichnet auch als Zweitfehler, den es unter allen Umständen zu vermeiden gilt, erfolgt bereits bei Eintreten des Erstfehlers ein sofortiges Ausschalten des Hochvolt-Systems.
• Bei konventionellen Elektrofahrzeugen testet ein Isolationswächter regelmäßig, ob die Fahrzeugmasse, d. h. zumeist eine Karosserie, welche als Masse für alle Kleinspannungen verwendet wird und, außer in einem Ladebetrieb, galvanisch von Erde getrennt ausgeführt ist, eine leitende Verbindung zum Hochvolt-System aufweist. Liegt eine solche vor, bedeutet dies auch, dass der Erstfehler eingetreten ist, der erkannt werden muss, um den als kritisch eingestuften Zweitfehler unter allen Umständen zu vermeiden. Ein typischer Messvorgang des Isolationswächters sieht vor, einen Isolationswiderstand festzustellen und eine Reaktion auszulösen, wenn dieser zu niedrig, bspw. unterhalb von 1 MOhm, liegt. Gängig dabei ist, dass ein Isolationsüberwachungssystem einen Strom, bzw. alternativ eine Spannung in ein zu überwachendes System einspeist und dann Spannung, bzw. alternativ Strom, misst. Ebenso kann eine Einspeisung über hohe Widerstände, bspw. einige hundert kOhm, erfolgen. Zumeist misst ein Isolationswächter an zwei Punkten eines Fahrzeuges, bspw. an einem positiven Kontakt des Hochvolt-Systems und an einem negativen Kontakt des Hochvolt-Systems gegen die Karosserie. Ein Potential an dem zu messenden Punkt sollte relativ stabil sein, was bspw. durch an diesem Punkt vorherrschende Gleichspannung gegeben ist, damit nicht bereits eine Wechselspannung zu dem Isolationsfehler führt.
• In der amerikanischen Druckschrift US 2010 / 0 289 516 A1 wird ein Steuergerät offenbart, welches bei Anschluss eines Ladekabels an eine Traktionsbatterie ein Steuersignal in einer eigenen Steuerleitung bereitstellt. Aus einer Unterbrechung des Steuersignals bei gleichzeitig vorliegendem Spannungssignal einer externen Spannungsquelle wird auf einen Isolationsfehler geschlossen.
• Die US-amerikanische Druckschrift US 2011 / 0 049 977 A1 beschreibt eine sicherheitsundleistungsoptimierte Steuerung eines für die Traktion eines Elektrofahrzeuges ausgelegten Batteriesystems. Während einer Kondensatorentladung wird durch eine Impedanzmessung festgestellt, ob ein Isolationsfehler vorliegt.
• In der Druckschrift DE 10 2014 110 410 A1 wird ein modulares Energiespeicher-Direktumrichtersystem offenbart, das eine Steuereinrichtung und mindestens einen eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteten Modulen umfassenden Brückenzweig umfasst. Jedes Modul umfasst ein Speicherelement für elektrische Energie.
• Die Druckschrift DE 692 12 542 T2 beschreibt eine Isolationsüberwachungseinrichtung und Isolationsmesseinrichtung für ein elektrisches Leitungsnetz mit isoliertem Sternpunkt. Zur Erfassung und Messung eines Isolationsfehlers wird von einem zwischen den isolierten Sternpunkt und Erde in Reihe zu einem Messwiderstand geschalteten Isolationswächter eine Referenzspannung getrieben.
• Bei modularen Multilevelkonvertern liegen jedoch bezügliche der Isolationsüberwachung zwei Probleme vor. Zum einen gibt es keinen Pol für einen positiven Hochvolt- oder einen negativen Hochvoltanschluss. Zum andern ist auf Grund einer Rekonfigurierbarkeit einer durch den modularen Multilevelkonverter gebildeten Wechselstrombatterie nicht wie bei einer gewöhnlichen Gleichspannungsbatterie gegeben, dass, außer im Fehlerfall, eine elektrische Verbindung zwischen allen Teilpotentialen des Multilevelkonverters und dem Hochvolt-Plus- und dem Hochvolt-Minus-Kontakt vorliegt. Stattdessen können bei dem MMSPC die elektrischen Verbindungen dynamisch parallel, seriell oder bypass geschaltet oder geöffnet sein. Durch die dynamische Schaltung unterbrochene Stränge sind jedoch nicht mehr der Isolationsüberwachung zugänglich, falls deren Messpunkt vor der Unterbrechung angeordnet ist. Eine Messung an allen Knoten ist andererseits wirtschaftlich nicht vertretbar und auf Grund des Messvorgangs nicht störungsfrei durchführbar.
• Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Isolationsüberwachung eines dynamisch umkonfigurierbaren sternförmig angeordneten modularen Multilevelkonverters sowie von Wechselstrombatterien mit mindestens zwei Strängen zur Verfügung zu stellen. Ferner soll ein die Isolationsüberwachung ausführender Isolationswächter und ein dazugehöriges System vorgestellt werden.
• Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Isolationsüberwachung einer dynamisch umkonfigurierbaren modularen Wechselstrombatterie vorgeschlagen, wobei die Wechselstrombatterie eine ganze Zahl M größer eins an Strängen mit einer ganzen Zahl N an in einem jeweiligen Strang angeordneten Modulen umfasst. Ein jeweiliges Modul weist mindestens zwei durch einen Scheduler gesteuerte Schalter und einen Energiespeicher, sowie mindestens einen elektrischen Eingang und mindestens einen elektrischen Ausgang auf. Eine jeweilige Zahl an Eingängen bzw. Ausgängen eines jeweiligen Moduls entspricht einer Zahl an Adern einer Intermodulverbindung in den Strängen. In einem jeweiligen Strang sind Module jeweilig mit ihrem mindestens einen Eingang mit dem mindestens einen Ausgang des benachbarten Moduls zur einen Seite und mit ihrem mindestens einen Ausgang mit dem mindestens einen Eingang des benachbarten Moduls zur anderen Seite verbunden. Falls zu einer Seite kein Nachbar vorhanden ist, bildet der jeweilig nicht mit einem weiteren Modul des jeweiligen Stranges verbundene Eingang ein erstes Ende des jeweiligen Stranges, und der jeweilig nicht mit einem weiteren Modul des jeweiligen Stranges verbundene Ausgang bildet ein zweites Ende des jeweiligen Stranges. Die jeweiligen Adern sind durch die jeweiligen ersten Enden aller Stränge miteinander in mindestens einem Sternpunkt verbunden, und durch die jeweiligen zweiten Enden der jeweiligen Stränge zu einer jeweiligen Phase zusammengeschlossen. An dem mindestens einen Sternpunkt wird mit einem Isolationswächter ein Isolationsfehler detektiert, indem der Isolationswächter für eine vorgegebene Zeitdauer eine Spannung V_eingespeist in den mindestens einen Sternpunkt einspeist. Weiter misst der Isolationswächter dabei einen Leckstrom /_gemessen, und berechnet einen Isolationswiderstand R̃_iso, wobei gilt $${\tilde{R}}_{iso}=\frac{V_{\text{eingespeist}}}{I_{\text{gemessen}}}.$$

  
• Ein Erstfehler wird dabei durch Unterschreiten des Isolationswiderstandes unter einen vorgegebenen Grenzwiderstand feststellt.
• Bei einer Messung des Isolationsfehlers muss bei der vorliegenden, dynamisch umkonfigurierbaren modularen Wechselstrombatterie beachtet werden, dass eine von Modulen erzeugte jeweilige Wechselspannung zwischen einem jeweiligen Sternpunkt und dem Isolationsfehler neben der eingespeisten Spannung V_eingespeist zusätzlich Strom treibt.
• Es wird durch den Isolationswächter ein Isolationswiderstand gemessen, indem über einen Zeitraum, der ein Vielfaches eines Wechsels der Schaltzustände beträgt, eine durch den Wechsel der Schaltzustände bedingte Schwankung einer von den Modulen bereitgestellten Wechselspannung herausgemittelt wird. Die jeweiligen Energiespeicher der Module stellen Spannungsquellen da, welche je nach Schaltzustand zu der eingespeisten Spannung beitragen oder sie vermindern. Um eine zuverlässige Schätzung des Isolationswiderstandes nach Gl. (1) zu erhalten, muss daher über einen ausreichend langen Zeitraum der Leckstrom gemessen werden, so dass sich Beiträge aus den Energiespeichern der Module in etwa aufheben.
• Erfindungsgemäß wird durch den Isolationswächter ein jeweiliger Isolationswiderstand R̃_iso gemessen, indem dem Isolationswächter von dem Scheduler, der in dem jeweiligen m-ten Strang dem jeweiligen i-ten Modul, mit i ∈ {1,...,N}, einen Schaltzustand s_i = {-1, 0, 11}, mit den Schaltzuständen {-1} seriell-minus oder {0} bypass oder [1} seriell-plus, zuordnet, zu jedem Messzeitpunkt eine aktuelle Konfiguration der Schaltzustände bereitgestellt wird. Weiter wird dem Isolationswächter eine von den jeweiligen Energiespeichern der Module bereitgestellte Spannung V_m,i mitgeteilt, welche bspw. durch Spannungssensoren in den Modulen oder eine Steuereinheit bekannt ist. Der Isolationswiderstand R̃_iso des m-ten Strangs ist dann gegeben durch $${\tilde{R}}_{\text{iso}}=\frac{V_{\text{eingespeist}-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,N}{s}_i{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}}}.$$

  
• Mit der exakten Berechnung des Isolationswiderstandes durch Gl. (2) kann das Vorliegen eines Erstfehlers detektiert werden.
• In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den Isolationswächter in dem Strang m der Isolationswiderstand R̃_iso, $${\tilde{R}}_{\text{iso}}=\frac{V_{\text{eingespeist}-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,n\le N}{s}_i{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}}},$$

  

  mit dem Modul n, mit 1 ≤ n ≤ N, als ein Ort des Isolationsfehlers, berechnet. Das Modul mit n=1 liegt dabei unmittelbar benachbart zu dem mindestens einen Sternpunkt, das Modul mit n=N am zweiten Ende des m-ten Strangs. Liegt der Isolationsfehler nicht am Ende eins jeweiligen Strangs, sondern an einem Modul bzw. einer Intermodulverbindung dazwischen vor, müssen vorteilhaft nur die Schaltzustände vom jeweiligen Sternpunkt bis zum Ort n des Isolationsfehlers ausgewertet werden, um den Isolationswiderstand R̃_iso zu ermitteln.
• In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Strang m durch mindestens zwei unterschiedliche Konfigurationen der Schaltzustände der unbekannte Isolationswiderstand R̃_iso, der bei unterschiedlichen Konfigurationen gleich bleibend angenommen wird, und das Modul n des jeweiligen Stranges als der Ort des Isolationsfehlers berechnet. Die unterschiedlichen Konfigurationen werden jeweils zu unterschiedlichen Zeiten, bspw. t₁ und t₂, erhalten, wobei sich der Isolationswiderstand R̃_iso gemäß Gl. (3) ergibt zu $${\tilde{R}}_{\text{iso}}=\frac{V_{\text{eingespeist}{\text{,t}}_1-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,n\le N}{s}_{i,t_1}{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}{\text{,t}}_1}},$$

  

  $${\tilde{R}}_{\text{iso}}=\frac{V_{\text{eingespeist}{\text{,t}}_2-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,n\le N}{s}_{i,t_2}{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}{\text{,t}}_2}}.$$

  
• Bei zwei Unbekannten, nämlich R̃_iso und n, stellen Gl. (4) und (5) die Mindestzahl an Gleichungen dar, die zu einer Lösung benötigt werden. Je nach Konfiguration der Schaltzustände können jedoch auch mehr Umkonfigurierungen notwendig sein, um den Ort des Isolationsfehlers zweifelsfrei zu bestimmen.
• In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Isolationsfehler vom Isolationswächter als sich am zweiten Ende des jeweiligen Stranges befindlich, also bei n=N, angenommen. Je nach Schaltzustand der Module im m-ten Strang, bspw. bei vielen seriell-positiv geschalteten Modulen, erhöht sich dadurch die Spannung zwischen Sternpunkt und Isolationsfehler. Damit wird entsprechend auch mehr Strom in den Isolationsfehler gespeist und von dem Isolationswächter detektiert. Als Resultat wird ein tatsächlich vorliegender Isolationswiderstand R_iso,real durch den vom Isolationswächter berechneten R̃_iso systematisch unterschätzt: $${\tilde{R}}_{\text{iso}}=\frac{V_{\text{eingespeist}-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,N}{s}_i{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}}}\le \frac{V_{\text{eingespeist}-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,n\le N}{s}_i{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}}}\le R_{\text{iso},real}$$

  
• Dies sichert jedoch vorteilhaft, dass unter dem Grenzwiderstand liegende Isolationswiderstände R_iso,real stets detektiert werden und es damit zu wenigen sogenannten false-negative-Erkennungen kommt.
• In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in allen M Strängen alle Schaltzustände der Module als seriell-positiv angenommen, also s_i=1 ∀ i ∈ {1,..., N}, womit bei der Berechnung des Isolationswiderstandes R̃_iso ein Beitrag der Spannung im Zähler systematisch überschätzt wird: $${\tilde{R}}_{\text{iso}}=\frac{V_{\text{eingespeist}-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,N}{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}}}\le \frac{V_{\text{eingespeist}-{\displaystyle {\sum }_{i=\mathrm{1,}\dots ,n\le N}{V}_{m,i}}}}{I_{\text{gemessen}}}\le R_{\text{iso},real}$$

  
• Auch hierbei wird vorteilhaft sichergestellt, dass unter dem Grenzwiderstand liegende Isolationswiderstände R_iso,real stets detektiert werden.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird innerhalb des Isolationswächters, welcher einer der Zahl an Adern entsprechende Zahl an Eingängen aufweist, eine jeweilige Verbindung zu diesen Eingängen über einen jeweiligen Schalter zusammengelegt und einem ersten Anschluss eines Strommessgerätes zugeführt, wobei ein zweiter Anschluss des Strommessgerätes mit einem an ein Massenpotential angeschlossenen Signalgeber verbunden ist.
• In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen dem jeweiligen Schalter und dem Eingang des Isolationswächters ein jeweiliger Einspeisewiderstand mit einem Wert R_Einspeisung angeordnet und der jeweilige R̃_iso um diesen Wert vermindert. Als Konsequenz dieser Ausführungsform erhält man in den voranstehenden Gleichungen (1) bis (6) zu dem Bruch-Term zusätzlich einen Substraktionsterm mit „-R_Einspeisung“.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die dynamisch umkonfigurierbare modulare Wechselstrombatterie durch einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität realisiert. Letzterer ist bspw.beschrieben in GOETZ, Stefan M.; PETERCHEV, Angel V.; WEYH, Thomas: Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control. In: IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, Vol. 30, Nr. 1, S. 203 - 215. DOI: 10.1109/TPEL.2014.2310225.
• Die Energiespeicher des modularen Multilevelkonverters können bspw. als Kondensatoren ausgeführt sein, während die Energiespeicher der modularen Wechselstrombatterie als Akkumulatoren ausgeführt sein können.
• Ferner wird ein Isolationswächter beansprucht, der dazu konfiguriert ist, mindestens eine der voranstehenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Hierzu kann der erfindungsgemäße Isolationswächter zusätzlich mit einer Recheneinheit ausgestattet sein, welche von dem Scheduler Kenntnis über die aktuelle Konfiguration der jeweiligen Schaltzustände erhält und der die Werte der Spannung V_eingespeist und des Leckstroms I_gemessen vorliegen, so dass je nach Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Berechnung der Gin. 1 bis 6 erfolgen kann.
• Schließlich wird ein System beansprucht, welches eine dynamisch umkonfigurierbare modulare Wechselstrombatterie, einen Isolationswächter, einen Scheduler, einen Modulator, als Last einen Elektromotor oder als Energiereservoir ein Energienetz, eine Motorregelung oder eine Netzregelung, und einen Bustransceiver umfasst. Das erfindungsgemäße System ist dazu konfiguriert ist, mittels des erfindungsgemäßen Isolationswächters mindestens eine der voranstehenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Bei dem vom erfindungsgemäßen System umfassten Elektromotor kann es sich um einen Antriebsmotor eines Elektrofahrzeuges, insbesondere eines Autos, handeln.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
• 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.
• Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
• 1 zeigt schematisch eine zweiadrige Sternschaltung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters.
• 2 zeigt schematisch eine einadrige Sternschaltung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters.
• 3 zeigt schematisch eine einadrige Sternschaltung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters bei vorliegendem Isolationsfehler.
• 4 zeigt schematisch eine zweiadrige Sternschaltung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters mit Direkteinspeisung.
• 5 zeigt schematisch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems.
• In 1 wird schematisch eine zweiadrige Sternschaltung 100 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters 108 gezeigt. Der in Sternschaltung mit einem doppelten Sternpunkt 106 ausgestaltete modulare Multilevelkonverter weist M=3 Stränge 107 mit jeweils N=4 zweiadrigen Modulen 105 auf, deren zwei Ein- und Ausgänge jeweils mit benachbarten Modulen über eine zweiadrige Intermodulverbindung 104 miteinander verbunden sind. Die Stränge bilden an ihrem jeweiligen äußeren Ende 101, 102, 103 einen Phasenabgriff für drei Phasen U, V, W. An den Phasenabgriffen 101, 102, 103 kann bspw. eine elektrische Maschine oder ein Energienetz, bspw. bei Konvertern für einen Netzbetrieb, angeschlossen werden. Ein Modul 105 kann bspw. durch eine Halbbrücke oder eine Doppel-Halbbrücke von Leistungstransistoren gebildet werden. Der Isolationswächter 108 umfasst mindestens ein Strommessgerät 109 zur Messung eines Leckstroms I_gemessen, sowie einen Signalgeber 112 zur Bereitstellung einer Einspeisespannung V_eingespeist. Weiter ist jeder Anschluss an den doppelten Sternpunkt 106 im Isolationswächter mit einem Einspeisewiderstand 110 versehen und über einen jeweiligen Schalter 111, der eine Einzelmessung eines jeweiligen Stranges ermöglicht, zusammengelegt dem Strommessgerät 109 zugeführt.
• In 2 wird schematisch eine einadrige Sternschaltung 200 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters gezeigt. Ist ein jeweiliges Modul 205 lediglich als Halbbrücken-Modul, auch als Chopper-Modul oder H-Brücken-Modul bezeichnet, mit einadriger Intermodulverbindung 204 ausgestaltet, wird ein Isolationswächter 208 nur an einem einfachen Sternpunkt 206 angeschlossen.
• In 3 wird schematisch eine Sternschaltung 300 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters bei einem vorliegenden Isolationsfehler gezeigt. Liegen die Module zwischen dem Sternpunkt und einem Ort des Isolationsfehlers in einem Serien-, Bypass- oder Parallel-Modus vor, so wird der Isolationsfehler vom Sternpunkt aus sichtbar. Der Leckstrom 311 fließt bei durch den Signalgeber des Isolationswächters 208 eingespeister Spannung und für einen Messvorgang geschlossenem Schalter 111 des Isolationswächters 208 über die gezeigten drei Module und einen Isolationswiderstand 310 an eine Masse ab. Der Isolationswiderstand steht hier symbolisch für einen Gesamtwiderstand bei Schließung eines Leckstromkreises (abzüglich Einspeisewiderstand) durch den Isolationsfehler.
• In 4 wird schematisch eine zweiadrige Sternschaltung 400 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß angeordneten Isolationswächters mit Direkteinspeisung 411 gezeigt. Die Direkteinspeisung 411 der Einspeisespannung durch den Signalgeber 112 des Isolationswächters 108 erfolgt gleichzeitig in beide Anschlüsse an den doppelten Sternpunkt 106.
• In 5 wird schematisch eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Systems 500 gezeigt. Die drei Phasenabgriffe der Sternschaltung sind mit einem jeweilig zugeordneten Anschluss an eine Wechselspannungsphase U 501, eine Wechselspannungsphase V 502 und eine Wechselspannungsphase W 503 eines Elektromotors 518 oder eines Energienetzes 518 - je nach Systemanwendung - verbunden. Der Elektromotor 518 kann bspw. den Antrieb in einem Elektrofahrzeug bilden. Das Energienetz 518 kann bspw. ein Mittelspannungsnetz oder ein Niederspannungsnetz, auch Ortsnetz genannt, sein. Eine Maschinenregelung 516 oder eine Netzregelung 516 - im Weiteren kurz Regelung - erhält einerseits eine Leistungsanforderung 520, z. B. bei einem Elektromotor 518 eine gewünschte Drehzahl oder ein gewünschtes Drehmoment, oder bei einem Energienetz 518 eine gewünschte Stromstärke. Andererseits verfügt die Regelung über Sensoren, von denen sie einen Stromwert I_U 521 und einen Stromwert I_V 522 erhält, und von einem Resolver bzw. Rotorlagegeber 517 oder einer Netzsynchronisierung 517 Kenntnis über einen Rotorwinkel 519 oder einen Netzphasenwinkel 519 erlangt. Aus der Leistungsanforderung 520 und den Sensordaten 519, 521, 522 errechnet die Regelung eine drei-phasige kontinuierliche Spannungsanforderung 523, welche von einem Modulator 515 in eine quantisierte Spannungsanforderung 524 umgewandelt wird. Daraus errechnet schließlich ein Scheduler 514 alle Schaltzustände {s_i} 525 der Module. Die Schaltzustände {s_i} 525 werden nun an einen Bustransceiver 513 übermittelt, der diese über einen Steuerbus 512 an die einzelnen Module weitergibt. Erfindungsgemäß erhält aber auch der Isolationswächter 508 Kenntnis über die Schaltzustände {s_i} 525 und kann damit den Isolationsfehler und seinen Ort detektieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Isolationsüberwachung einer dynamisch umkonfigurierbaren modularen Wechselstrombatterie, welche eine ganze Zahl M größer eins an Strängen (107) mit einer ganzen Zahl N an in einem jeweiligen Strang (107) angeordneten Modulen (105, 205) umfasst, wobei ein jeweiliges Modul (105, 205) mindestens zwei durch einen Scheduler (514) gesteuerte Schalter und einen Energiespeicher sowie mindestens einen elektrischen Eingang und mindestens einen elektrischen Ausgang aufweist, bei welcher eine jeweilige Zahl an Eingängen bzw. Ausgängen eines jeweiligen Moduls (105, 205) eine Zahl an Adern einer Intermodulverbindung (104, 105) in den Strängen festlegt, bei welcher in einem jeweiligen Strang (107) die Module (105, 205) jeweilig mit ihrem mindestens einen Eingang mit dem mindestens einen Ausgang des benachbarten Moduls zur einen Seite und mit ihrem mindestens einen Ausgang mit dem mindestens einen Eingang des benachbarten Moduls zur anderen Seite verbunden sind und, falls zu einer Seite kein Nachbar vorhanden ist, ihr jeweilig nicht mit einem weiteren Modul des jeweiligen Stranges (107) verbundener Eingang ein erstes Ende des jeweiligen Stranges (107) bildet und ihr jeweilig nicht mit einem weiteren Modul des jeweiligen Stranges (107) verbundener Ausgang ein zweites Ende des jeweiligen Stranges (107) bildet, bei welcher die jeweiligen Adern durch die jeweiligen ersten Enden aller Stränge (107) miteinander in mindestens einem Sternpunkt (106, 206) verbunden sind, und bei welcher die jeweiligen Adern durch die jeweiligen zweiten Enden jeweiliger Stränge (107) zu einer jeweiligen Phase (101, 102, 103) zusammengeschlossen sind, wobei an dem mindestens einen Sternpunkt (106, 206) mit einem Isolationswächter (108, 208, 508) ein Isolationsfehler detektiert wird, indem der Isolationswächter (108, 208, 508) für eine vorgegebene Zeitdauer eine Spannung V_eingespeist in den mindestens einen Sternpunkt (106, 206) einspeist, indem der Isolationswächter (108, 208, 508) dabei einen Leckstrom I_gemessen misst, und indem der Isolationswächter (108, 208, 508) einen Isolationswiderstand (310) R̃_iso = V_eingespeist/I_gemessen berechnet und einen Erstfehler durch Unterschreiten des Isolationswiderstandes (310) unter einen vorgegebenen Grenzwiderstand feststellt, und bei dem durch den Isolationswächter (108, 208, 508) ein jeweiliger Isolationswiderstand (310) gemessen wird, indem dem Isolationswächter (108, 208, 508) von dem Scheduler (514), der in dem jeweiligen m-ten Strang (107) dem jeweiligen i-ten Modul (105, 205, mit i ∈ {1,...,N}, einen Schaltzustand (525) s_i = {-1, 0, 1}, mit den Schaltzuständen {-1} seriell-minus oder {0} bypass oder [1} seriell-plus, zuordnet, zu jedem Messzeitpunkt eine aktuelle Konfiguration der Schaltzustände (525) bereitgestellt wird, sowie dem Isolationswächter (108, 208, 508) eine an den jeweiligen Energiespeichern der Module (105, 205) bereitgestellte Spannung V_m,i mitgeteilt wird..
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch den Isolationswächter (108, 208, 508) in dem Strang (107) m der Isolationswiderstand (310) R̃_iso = (V_eingespeist-∑_{i=1,...,n≤N} s_i V_m,i)/I_gemessen, mit dem Modul (105, 205) n, mit 1 ≤ n ≤ N, als ein Ort des Isolationsfehlers, berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem in dem Strang (107) m durch mindestens zwei unterschiedliche Konfigurationen der Schaltzustände (525) der unbekannte Isolationswiderstand (310) R̃_iso bei unterschiedlichen Konfigurationen gleich bleibt und das Modul (105, 205) n des jeweiligen Stranges (107) als der Ort des Isolationsfehlers berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Isolationsfehler vom Isolationswächter (108, 208, 508) als sich am zweiten Ende des jeweiligen Stranges (107) befindlich angenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schaltzustände (525) der Module (105, 205) als seriell-positiv angenommen werden und damit bei der Berechnung des Isolationswiderstandes (310) R̃_iso ein Beitrag der Spannung im Zähler des Bruchterms systematisch überschätzt wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem innerhalb des Isolationswächters (108, 208, 508), welcher einer der Zahl an Adern entsprechende Zahl an Eingängen aufweist, eine jeweilige Verbindung zu diesen Eingängen über einen jeweiligen Schalter (111) zusammengelegt wird und einem ersten Anschluss eines Strommessgerätes (109) zugeführt werden, wobei ein zweiter Anschluss des Strommessgerätes (109) mit einem an ein Massenpotential angeschlossenen Signalgeber (112) verbunden ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zwischen dem jeweiligen Schalter (111) und dem Eingang des Isolationswächters (108, 208, 508) ein jeweiliger Einspeisewiderstand (110) mit einem Wert R_Einspeisung angeordnet wird und der jeweilige R̃_iso um diesen Wert vermindert wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die dynamisch umkonfigurierbare modulare Wechselstrombatterie durch einen modularen Multilevelkonverter mit serieller und paralleler Konnektivität realisiert wird.
9. Isolationswächter (108, 208, 508) der dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
10. System (500), welches eine dynamisch umkonfigurierbare modulare Wechselstrombatterie, einen Isolationswächter (108, 208, 508), einen Scheduler (514), einen Modulator (515), als Last einen Elektromotor (518) oder als Energiereservoir ein Energienetz (518), eine Motorregelung (516) oder eine Netzregelung (516), und einen Bustransceiver (513) umfasst, wobei das System dazu konfiguriert ist, mittels des Isolationswächters (108, 208, 508) nach Anspruch 9 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.

Images