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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 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 und eine Isolationsüberwachungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswiderstand zu überwachen. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Bordnetzanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Bordnetzanordnung.
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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 (Isole Terre)-Netz umgesetzt und somit komplett galvanisch getrennt von der Fahrzeugmasse. Über parasitäre Widerstände in den Kabeln, HV-Verbrauchern, der Batterie und so weiter, ergibt sich jedoch eine hochimpedante Verbindung zwischen dem positiven beziehungsweise negativen Hochvolt-Potential und der Fahrzeugmasse, der sogenannte Isolationswiderstand, beziehungsweise der oben genannte jeweilige erste und zweite Isolationswiderstand. Solange dieser Widerstand hochohmig, das heißt im Megaohmbereich, ist, besteht keine Gefährdung.
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Aus Sicherheitsgründen wird mittels einer Isolationsüberwachungseinrichtung, auch Isolationswächter genannt, dieser Isolationswiderstand permanent überwacht. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts kann eine Warnung generiert und je nach Betriebszustand das HV-Bordnetz von der Batterie über die Batterieschütze abgetrennt und ein sicherer Zustand hergestellt werden.
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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 könnten prinzipiell, d.h. wenn diese Ströme zu hoch wären, zu einer Gefährdung führen. Um das Gefährdungspotential gering zu halten, existieren daher 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 oben beschriebene Beschränkung der maximal zulässigen Gesamtkapazität besteht damit auch bei unsymmetrischem Bordnetz, das heißt wenn die Spannungen zwischen dem positiven Hochvolt-Potential und der Masse sowie zwischen dem negativen Hochvolt-Potential und der Masse unterschiedlich sind, kein Gefährdungspotential. Neben dem Nachteil der Begrenzung der maximal zulässigen Gesamtkapazität kann es zudem in diesem Fall, d.h. bei unsymmetrischem Bordnetz, vorkommen, dass beim Verbinden des Fahrzeugs, zum Beispiel über die DC-Ladeschnittstelle, mit einer Ladesäule das positive beziehungsweise negative Spannungspotential gegenüber Erde von Ladesäule und Fahrzeug unterschiedlich ist. Dies kann beim Zuschalten der Ladesäule zu unerwünschten, undefinierten Ausgleichsvorgängen führen, welche im schlimmsten Fall ein Laden verhindern können.
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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.
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Nichtsdestoweniger kann keines der oben genannten Probleme durch diese Maßnahme gelöst werden. Eine weitere Möglichkeit bestünde zudem darin, das Bordnetz des Kraftfahrzeugs möglichst symmetrisch auszulegen. Dadurch ergeben sich jedoch mitunter sehr starke Einschränkungen bezüglich der Auslegung des Bordnetzes. Beispielsweise würde dies auch eine symmetrische Ausbildung der Isolationsüberwachung erfordern, was den Einsatz bewährter und kostengünstiger Isolationswächterkonzepte verhindert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bordnetzanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Bordnetzanordnung bereitzustellen, die es auf möglichst effiziente Weise ermöglichen, durch ein allzu unsymmetrisches Bordnetz bedingte Funktionseinschränkungen, zum Beispiel beim Laden, zu verhindern oder zumindest in ihrem Ausmaß zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bordnetzanordnung, durch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren 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 und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt-Potentials auf, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspannung abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung einen Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse, einen zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse und eine Isolationsüberwachungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswiderstand zu überwachen. Dabei weist die Isolationsüberwachungseinrichtung eine Ausgleichsschaltung auf, die dazu ausgelegt ist, einen aktiven Symmetriervorgang durchzuführen, sodass durch den aktiven Symmetriervorgang ein Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand und dem zweiten Isolationswiderstand zumindest reduziert wird.
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Durch eine solche Ausgleichsschaltung lässt sich vorteilhafterweise eine aktive Symmetrierung des Bordnetzes durchführen, die damit gezielt dann eingesetzt werden kann, wenn eine Symmetrierung des Bordnetzes gewünscht oder erforderlich ist, wie zum Beispiel beim Laden, genauer gesagt vor einem Ladevorgang. Aber auch in anderen Situationen kann diese aktive Symmetrierung durchgeführt werden, um den Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Isolationswiderstand zumindest zu reduzieren, wodurch entsprechend auch ein Unterschied zwischen einer ersten Potentialdifferenz, die zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse, die zum Beispiel durch eine Kraftfahrzeugkarosserie bereitgestellt werden kann, und einer zweiten Potentialdifferenz, die zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse besteht, reduziert werden kann. Bei der Auslegung des Bordnetzes kann zwar dennoch auf ein symmetrisches Design geachtet werden, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da eine Symmetrierung des Bordnetzes nunmehr vorteilhafterweise aktiv durch die Ausgleichsschaltung vorgenommen werden kann. Der besonders große Vorteil der Erfindung besteht jedoch vor allem darin, dass das Vorsehen dieser aktiven Ausgleichsschaltung die Verwendung eines beliebigen Isolationswächterkonzepts erlaubt, insbesondere die Verwendung eines asymmetrischen Isolationswächterkonzepts, da eine durch die Überwachung der Isolationswiderstände mittels der Isolationsüberwachungseinrichtung induzierte Asymmetrie nun vorteilhafterweise durch die Ausgleichsschaltung zumindest zum Teil ausgeglichen bzw. kompensiert und in ihrem Ausmaß reduziert werden kann. Dadurch lässt sich gleichzeitig eine Isolationsüberwachung auf besonders effiziente und kostengünstige Weise umsetzen. Zudem lässt sich eine solche Ausgleichsschaltung, wie diese später näher erläutert wird, auf besonders einfache Weise ohne oder nur mit sehr geringfügigem Mehraufwand durch die Isolationsüberwachungseinrichtung selbst umsetzen. Damit kann letztendlich vorteilhafterweise ohne Mehrkosten eine Anpassung der Symmetrie an eine jeweilige Situation durchgeführt werden und dadurch Funktionseinschränkungen, die durch eine zu starke Unsymmetrie des Bordnetzes bedingt sein können, wie zum Beispiel ein Abbrechen eines Ladevorgangs beim Laden des Hochvolt-Energiespeichers, vorteilhafterweise verhindert werden.
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Der Hochvolt-Energiespeicher kann dabei als eine Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann der Hochvolt-Energiespeicher mehrere Batteriemodule umfassen, die wiederum mehrere Batterieeinzelzellen aufweisen können, wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt, den aktiven Symmetriervorgang unabhängig von einem Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand und dem zweiten Isolationswiderstand zu aktivieren. Mit anderen Worten kann ein aktiver Symmetriervorgang ausgelöst werden, sowohl wenn der Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Isolationswiderstand nur gering ist, als auch wenn ein sehr großer Unterschied zwischen den beiden Isolationswiderständen und damit eine besonders große Asymmetrie des Bordnetzes vorliegt. Stattdessen kann der aktive Symmetriervorgang zum Beispiel ereignisgetriggert sein, wie dies später näher erläutert wird, und zum Beispiel immer gezielt vor einem Ladevorgang ausgelöst werden und/oder der aktive Symmetriervorgang kann auch dauerhaft aktiv sein und zum Beispiel wiederholt, zum Beispiel in regelmäßigen Zeitabständen, durchgeführt werden. Dies hat den großen Vorteil, dass eine Symmetrieüberwachung selbst unnötig ist. Da bedingt durch die Auslegung des Bordnetzes, insbesondere normkonforme Auslegung des Bordnetzes, ohnehin keine Gefährdung von Personen aufgrund einer zu hohen Unsymmetrie entstehen kann und eine solche Unsymmetrie lediglich zur Beeinträchtigung von Funktionen, wie zum Beispiel beim Laden des Kraftfahrzeugs, führen kann, was nunmehr durch die erfindungsgemäße Ausgleichsschaltung und die gezielte Aktivierungsmöglichkeit des Symmetriervorgangs ohnehin verhindert werden kann, können durch einen Verzicht auf eine Symmetrieüberwachung zusätzlich Kosten und Aufwand gespart werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt, den ersten und zweiten Isolationswiderstand mittels eines zeitlich asymmetrischen Messprinzips zu vermessen. Wie bereits erwähnt, lässt sich dadurch die Isolationsüberwachungseinrichtung besonders einfach und kostengünstig ausgestalten. Gemäß einem solchen asymmetrischen Messprinzip wird während der Vermessung der jeweiligen Isolationswiderstände das Bordnetz asymmetrisch belastet, insbesondere im zeitlichen Verlauf betrachtet. Ein solches asymmetrisches Messprinzip kann also zum Beispiel eine zeitlich asymmetrische Änderung des ersten Isolationswiderstands zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse und des zweiten Isolationswiderstands zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse bedingen. Diese asymmetrische Äderung kann dadurch hervorgerufen werden, indem zeitlich sequentiell jeweilige Messwiderstände bekannter Größe zwischen die jeweiligen HV-Potentiale und Masse geschaltet werden, was entsprechend auch die jeweiligen Isolationswiderstände verändert, wodurch diese bestimmt werden können. Auf diese Weise wird eine Vermessung der jeweiligen Isolationswiderstände auf besonders einfache Weise ermöglicht. Es können aber auch beliebig andere Verfahren zur Ermittlung und Überwachung der Isolationswiderstände verwendet und durch die Isolationsüberwachungseinrichtung ausführbar sein. Die Verwendung zweier Messwiderstände stellt lediglich eine bevorzugte und besonders einfach und kostengünstig umsetzbare Möglichkeit zur Isolationsüberwachung dar.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Isolationsüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Vermessen des ersten Isolationswiderstands einen ersten Messwiderstand zwischen das erste Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse zu schalten und zum Vermessen des zweiten Isolationswiderstands einen zweiten Messwiderstand zwischen das zweite Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse zu schalten. Das Vermessen des ersten Isolationswiderstands und des zweiten Isolationswiderstands erfolgt dabei zeitlich sequentiell, sodass auch die beiden genannten Messwiderstände zeitlich sequentiell zwischen die betreffenden Hochvolt-Potentiale und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet werden, zum Beispiel alternierend im Wechsel. Durch das Zuschalten dieser Messwiderstände wird eine Asymmetrie induziert. Dies ist dadurch bedingt, dass sich durch das Zuschalten dieser Messwiderstände die jeweiligen Isolationswiderstände zeitlich sequentiell ändern und dadurch auch der Unterschied zwischen den beiden Isolationswiderständen auf HV-Plus- und HV-Minus-Seite. Das Zuschalten eines solchen Widerstands kann beispielsweise die oben definierte erste bzw. zweite Potentialdifferenz zwischen dem betreffenden HV-Potential und Masse von zum Beispiel 200 Volt auf 15 Volt absenken. Diese Asymmetrie lässt sich nun vorteilhafterweise durch die Aktivierung des aktiven Symmetriervorgangs ausgleichen, sodass dieses asymmetrische Isolationswächterkonzept nicht zu einer Beeinträchtigung bestimmter Bordnetzfunktionen in bestimmten Situationen, wie zum Beispiel beim Laden, führt.
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Dabei ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Ausgleichsschaltung den ersten und zweiten Messwiderstand aufweist und die Ausgleichsschaltung dazu ausgelegt ist, den Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand und dem zweiten Isolationswiderstand mittels des ersten und zweiten Messwiderstands zu reduzieren. Mit anderen Worten können die Messwiderstände, die zum Vermessen der jeweiligen Isolationswiderstände verwendet werden, gleichzeitig auch für die Symmetrierung des Bordnetzes während des aktiven Symmetriervorgangs verwendet werden, wodurch sich diese aktive Symmetrierung besonders einfach und kostengünstig in das Isolationswächterkonzept integrieren lässt. Mit anderen Worten kann der Isolationswächter, beziehungsweise im Allgemeinen die Isolationsüberwachungseinrichtung, ohne nennenswerte hardwareseitige Änderung die Funktion dieser aktiven Symmetrierung ausführen. Diese Messwiderstände können dabei beispielsweise auch als jeweilige veränderbare Widerstände bereitgestellt sein. Zur Realisierung solcher veränderbaren Widerstände kann beispielsweise eine Kombination aus einer Transistorschaltung und Widerständen verwendet werden. Hierdurch lassen sich auf besonders vorteilhafte Weise Erdkapazitäten bei einem Auftreten einer Unsymmetrie umladen, um die Bordnetzanordnung aktiv zu symmetrisieren, während die genannten Widerstände gleichzeitig von der Isolationsüberwachungseinrichtung zur Vermessung der jeweiligen Isolationswiderstände verwendet werden können.
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Zur Umsetzung der Ausgleichsschaltung gibt es allerdings auch noch andere Möglichkeiten. Beispielsweise kann die Ausgleichsschaltung auch eine erste Stromquelle aufweisen, die zwischen das erste Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist und insbesondere auch eine zweite Stromquelle, die zwischen das zweige Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist. Durch solche Stromquellen können Erdkapazitäten aktiv umgeladen werden, was wiederum zu einer aktiven Symmetrierung der Bordnetzanordnung führt. Solche Stromquellen können beispielsweise durch Wandlereinrichtungen bereitgestellt sein.
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Die Isolationsüberwachung beziehungsweise die zur wiederholten Ermittlung der Isolationswiderstände erforderlichen Maßnahmen können dabei parallel zur aktiven Symmetrierung betrieben werden. Eine besonders effiziente und einfache Umsetzung der Isolationsüberwachungseinrichtung mit integrierter Ausgleichsschaltung wird jedoch ermöglicht, wenn diese beiden Funktionen abwechselnd ablaufen.
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Daher stellt es eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Isolationsüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswiderstand in jeweiligen Isolationsmessintervallen zu vermessen und den aktiven Symmetriervorgang zwischen zumindest zwei der Isolationsmessintervalle durchzuführen. Beispielsweise kann die aktive Symmetrierung auch wiederholt erfolgen, zum Beispiel zwischen je zwei Isolationsmessintervallen. Die Isolationsüberwachungseinrichtung kann also beispielsweise den ersten Isolationswiderstand bestimmen, anschließend eine aktive Symmetrierung mittels der Ausgleichsschaltung durchführen, dann den zweiten Isolationswiderstand bestimmen, dann wiederum eine aktive Symmetrierung durchführen, dann wieder den ersten Isolationswiderstand bestimmen, und so weiter. Ein gesamter Messzyklus, der sich aus einem Isolationsmessintervall und einem aktiven Symmetriervorgang zusammensetzt, kann beispielsweise zwischen 30 und 40 Sekunden andauern, während das Isolationsmessintervall selbst davon lediglich zwei bis fünf Sekunden beanspruchen kann. Entsprechend kann eine Unsymmetrie im Bordnetz vorteilhafterweise nur für eine relativ kurze Zeitspanne während der Isolationsmessintervalle auftreten.
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Eine aktive Symmetrierung kann aber auch gezielt in bestimmten Situationen ausgelöst werden, wie dies bereits erwähnt wurde. Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Isolationsüberwachung dazu ausgelegt ist, den aktiven Symmetriervorgang nur unter zumindest einer vorbestimmten Auslösebedingung durchzuführen. Wie dies ebenfalls bereits erwähnt wurde, ist es besonders vorteilhaft, eine solche Symmetrierung gezielt vor einem Ladevorgang durchzuführen, da sich hierdurch insbesondere, wie dies nachfolgend noch näher beschrieben ist, sogar eine Anpassung an die Symmetrie der Ladesäule bereitstellen lässt.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Isolationsüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt ist, bei erkannter Kopplung der Bordnetzanordnung mit einer externen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Ladesäule, zum Laden des Hochvolt-Energiespeichers den aktiven Symmetriervorgang auszulösen und vor dem Starten eines Ladevorgangs durchzuführen. Dadurch lässt sich vorteilhafterweise der Ladevorgang stabiler gestalten und die Verfügbarkeit des Elektrofahrzeugs kann erhöht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Isolationsüberwachungseinrichtung dazu ausgelegt, in einem mit der externen Energiequelle gekoppelten Zustand der Bordnetzanordnung eine Symmetrieeigenschaft der Energiequelle zu ermitteln, insbesondere zu messen, und den aktiven Symmetriervorgang in Abhängigkeit von der ermittelten Symmetrieeigenschaft der externen Energiequelle durchzuführen. Hierdurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass ein Ladevorgang an einer unsymmetrischen Ladesäule nicht gleich zu einem Abkoppeln des Hochvolt-Energiespeichers oder einem anderweitigen Abbruch des Ladevorgangs führt. Insbesondere kann die Ausgleichsschaltung nicht nur eine Reduktion eines Unterschieds zwischen den beiden Isolationswiderständen bewirken, wenn das Bordnetz nicht mit der externen Energiequelle gekoppelt ist, sondern auch dann, wenn das Bordnetz beziehungsweise die Bordnetzanordnung mit dieser externen Energiequelle gekoppelt ist. Mit anderen Worten können durch die Ausgleichsschaltung auch durch die Kopplung mit der externen Energiequelle induzierte Asymmetrien ausgeglichen werden. Es kann also beispielsweise die Symmetrie oder Unsymmetrie der Ladesäule gemessen werden und das Fahrzeugbordnetz entsprechend angepasst werden. Die Vermessung der Symmetrieeigenschaft der Ladesäule kann beispielsweise wiederum dadurch erfolgen, dass gezielt die Widerstände zwischen dem positiven Ladepotential und der vorbestimmten elektrischen Masse sowie dem negativen Ladepotential und der vorbestimmten elektrischen Masse der Ladesäule ermittelt werden können. Dies kann ebenfalls von der Isolationsüberwachungseinrichtung durchgeführt werden, wenn die externe Energiequelle mit der Bordnetzanordnung gekoppelt ist, insbesondere ganz analog zur Bestimmung des ersten und zweiten Isolationswiderstands zwischen dem HV-Plus-Potential und der elektrischen Masse sowie zwischen dem HV-Minus-Potential und der elektrischen Masse.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung oder einer 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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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Bordnetzanordnung eine Isolationsüberwachungseinrichtung zum Überwachen eines ersten Isolationswiderstands zwischen einem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse und zum Überwachen eines zweiten Isolationswiderstands zwischen einem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse aufweist. Dabei weist die Isolationsüberwachungseinrichtung eine Ausgleichsschaltung auf, die zumindest in einem aktiven Zustand einen aktiven Symmetriervorgang durchführt, mittels welchem ein Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand und dem zweiten Isolationswiderstand zumindest reduziert wird.
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Auch hier gelten die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Bordnetzanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Isolationsüberwachungseinrichtung mit integrierter Ausgleichsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Isolationsüberwachungseinrichtung und einer integrierten Ausgleichsschaltung gemäß einem weiteren 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 einer Isolationsüberwachungseinrichtung 14, welche im Folgenden teilweise auch als Isolationswächter 14 bezeichnet wird, und welche eine Ausgleichsschaltung 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst.
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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 HVeinen 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.
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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. Bei einem asymmetrischen Bordnetz kommt es entsprechend dann zu einem Unterschied in den jeweiligen Isolationswiderständen R+ und R-, sowie auch dazu, dass die jeweiligen Spannungen U1, U2 gemessen vom positiven HV-Potential HV+ zu Masse 20 und gemessen vom negativen HV-Potential HV- zu Masse 20 unterschiedlich sind. Daher gibt es Vorschriften, die entsprechende Grenzwerte für die maximal zulässige wirksame Energie, die in solchen Erdkapazitäten C+, C- gespeichert werden darf, unter Annahme einer maximal möglichen Asymmetrie festlegen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass auch im Falle einer Asymmetrie des Bordnetzes keine Gefährdung von Personen entstehen kann.
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Beim Verbinden des Fahrzeugs zum Beispiel über eine DC-Ladeschnittstelle mit einer Ladeeinrichtung kann es bei herkömmlichen Bordnetzen jedoch dazu kommen, dass das Spannungspotential HV+ beziehungsweise HVgegenüber Erde beziehungsweise Masse von Ladesäule und Fahrzeug unterschiedlich ist. Dies kann beim Zuschalten der Ladesäule zu unterwünschten undefinierten Ausgleichsvorgängen führen, welche im schlimmsten Fall ein Laden verhindern können.
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Dies kann nun vorteilhafterweise mittels der genannten Ausgleichsschaltung 16 verhindert werden, mittels welcher vorteilhafterweise eine auftretende Unsymmetrie ausgeglichen werden kann. Diese Ausgleichsschaltung 16 ermöglicht vorteilhafterweise zudem die Verwendung eines asymmetrischen Isolationswächterkonzepts, wie dies ebenfalls in 1 veranschaulicht ist, wobei die Isolationsüberwachung in diesem Beispiel mittels zweiter schaltbarer Widerstände 32, 34 und einer Spannungsmessung 24, 26 erfolgt. Im einfachsten Fall kann die Isolationsüberwachungseinrichtung 14 zur Überwachung der jeweiligen ersten und zweiten Isolationswiderstände R+, R-also zwei Messwiderstände 32, 34 aufweisen, die zeitlich sequentiell zwischen das jeweilige Hochvolt-Potential HV+ beziehungsweise HV- und der Masse 20 geschaltet werden können. Zum Schalten dieser Widerstände 32, 34 kann die Isolationsüberwachungseinrichtung 14 entsprechende Schalter 36 aufweisen. Diese Schalter können dabei ebenfalls als elektronisch steuerbare Schalter ausgebildet sein. Die Überwachung der Isolationswiderstände R+, R- sowie die aktive Symmetrierung mittels der Ausgleichsschaltung 16 können dabei abwechselnd ablaufen oder eventuell mit bestimmten Maßnahmen sogar parallel betrieben werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei beispielsweise, wenn eine aktive Symmetrierung mittels der Ausgleichsschaltung 16 zwischen zwei Messintervallen zum Vermessen eines jeweiligen Isolationswiderstands R+, R- erfolgt.
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Die Umsetzung der aktiven Symmetrierung ist vorteilhafterweise ohne oder nur mit geringem Mehraufwand innerhalb der Isolationsüberwachungseinrichtung 14 möglich. Die zur aktiven Symmetrierung erforderlichen Komponenten können somit durch die Isolationsüberwachungseinrichtung 14 bereitgestellt werden, und ebenso zur Isolationsüberwachung verwendet werden, wie zum Beispiel die Messwiderstände 32, 34. Diese können insbesondere auch als veränderbare Widerstände 32, 34 bereitgestellt sein, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Im Übrigen kann die in 2 dargestellte Bordnetzanordnung 10b in gleicher Weise wie zur 1 beschrieben ausgebildet sein. Zum Bereitstellen dieser veränderbaren Widerstände 32, 34 kann die Ausgleichsschaltung 16 zudem eine Transistorschaltung aus einem npn-Transistor 32a und einem pnp-Transistor 34a mit einem symmetrischen Widerstandsteiler aufweisen, der zwei gleiche Widerstände 32b, 34b umfasst.
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Die aktive Symmetrierung des HV-Bordnetzes 10a, 10b kann zum Beispiel gezielt dann aktiviert werden, wenn ein Ladevorgang bevorsteht. Zu diesem Zweck kann auch eine Symmetrieeigenschaft der externen Energiequelle, wie zum Beispiel einer DC-Ladesäule, vermessen werden und bei der aktiven Symmetrierung durch die Ausgleichsschaltung 16 berücksichtigt werden. Entsprechend kann also die Symmetrie der Ladesäule gemessen werden und das Fahrzeugbordnetz 10a, 10b entsprechend angepasst werden. Somit kann ohne Mehrkosten eine Anpassung der Symmetrie an die Ladesäule durchgeführt werden und somit der Ladevorgang stabiler gestaltet und die Verfügbarkeit des Elektrofahrzeugs erhöht werden. Durch die Ausgleichsschaltung 16, die vorteilhafterweise in die Isolationsüberwachungseinrichtung 14 integriert sein kann, können so vorteilhafterweise auftretende Unsymmetrien aktiv ausgeglichen werden. Zudem kann eine solche Ausgleichsschaltung 16 vorteilhafterweise zusätzlich auch zur aktiven Entladung bei abgeschaltetem Hochvolt-Bordnetz 10a, 10b, das heißt bei abgekoppeltem Hochvolt-Energiespeicher 18, genutzt werden. Mittels dieser aktiven Symmetrierungsschaltung, die durch die Ausgleichsschaltung 16 bereitgestellt ist, können vorteilhafterweise auftretende Unsymmetrien in einem bestimmten Maß zumindest ausgeglichen werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems weiter verbessert wird. Insbesondere lässt sich dadurch vorteilhafterweise gewährleisten, dass ein Ladevorgang an einer unsymmetrischen Ladesäule nicht gleich zu einem Abkoppeln des Hochvolt-Energiespeichers 18 oder einer anderen Unterbrechungsmaßnahme zum Unterbrechen des Ladevorgangs führt, da durch die Berücksichtigung diese Unsymmetrie der Ladesäule durch die Ausgleichsschaltung, diese durch den beschriebenen Ausgleich kompensiert werden kann.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Isolationswächter mit aktiver Symmetrierung bereitgestellt werden kann, der vorteilhafterweise zum Überwachen der Isolationswiderstände auf effiziente, kostengünstige und asymmetrische Messprinzipien zurückgreifen kann, da durch die aktive Symmetrierung eine Beeinträchtigung bestimmter Funktionen bedingt durch ein unsymmetrisches Bordnetz zumindest in manchen Situationen gezielt verhindert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015016000 A1 [0006]
