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Die Erfindung betrifft ein Isolationsprüfgerät zum Prüfen eines elektrischen Prüfobjekts nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2013 013 950 B4 beschrieben, ein Verfahren, eine Messanordnung und ein Messgerät zur Bestimmung von Isolationswiderständen von Einzelzellen einer Hochvoltbatterie bekannt. In dem Verfahren zum Bestimmen eines Isolationswiderstandes von mindestens einer Einzelzelle mit einer vorgegebenen Zellenspannung, die in einer Hochvoltbatterie montiert ist, wobei mit der Hochvoltbatterie eine Batteriespannung bereitstellbar ist, werden mindestens drei Zuständen der Hochvoltbatterie berücksichtigt, um mindestens einen Isolationswiderstand einer Einzelzelle anhand von Spannungsmessungen zu ermitteln. Des Weiteren werden Quellenspannungen bereitgestellt, die Teil einer Stufenspannung sind, wobei die Anzahl der Stufen der Anzahl der vorhandenen Einzelzellen entspricht. Zudem wird eine Wechselspannung als weitere Quellenspannung bereitgestellt, wobei die Wechselspannung der Stufenspannung überlagert ist und die Amplituden der Wechselspannung in ihrer Höhe variieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Isolationsprüfgerät zum Prüfen eines elektrischen Prüfobjekts anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Isolationsprüfgerät zum Prüfen eines elektrischen Prüfobjekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruchs.
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Ein Isolationsprüfgerät zum Prüfen eines elektrischen Prüfobjekts, insbesondere zum Prüfen von Isolationseigenschaften des elektrischen Prüfobjekts und/oder elektrischer Komponenten des elektrischen Prüfobjekts, weist eine insbesondere als Hochvoltspannungsquelle ausgebildete und insbesondere gesteuerte Prüfspannungsquelle mit einer integrierten Spannungsmessvorrichtung auf. Das zu prüfende elektrische Prüfobjekt ist insbesondere eine als ein Hochvoltenergiespeicher ausgebildete Fahrzeugantriebsbatterie oder ein daraus bestehendes oder die Fahrzeugantriebsbatterie umfassendes elektrisches System.
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Erfindungsgemäß weist die Prüfspannungsquelle eine integrierte Strommessvorrichtung auf. Das Isolationsprüfgerät weist des Weiteren ein schaltbares Widerstandsarray mit einer weiteren integrierten schaltbaren Spannungsmessvorrichtung auf. Die Prüfspannungsquelle mit integrierter Spannungsmessvorrichtung und integrierter Strommessvorrichtung wird auch als HV-Quelle (Hochvoltquelle) bezeichnet. Das schaltbare Widerstandsarray mit integrierter schaltbarer Spannungsmessvorrichtung wird auch als HV-Senke (Hochvoltsenke) bezeichnet.
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Zudem weist das Isolationsprüfgerät mindestens ein als Hochvoltrelais ausgebildetes Relais mit zwangsgeführten Kontakten auf, mittels welchem die Prüfspannungsquelle und das Widerstandsarray derart an Pole des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts führbar sind, dass umschaltbar ein Pol des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts mit der Prüfspannungsquelle, d. h. mit der HV-Quelle, verbunden ist und der andere Pol des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts mit dem Widerstandsarray, d. h. mit der HV-Senke, verbunden ist. Des Weiteren ist insbesondere vorgesehen, dass in anderen Schaltstellungen des mindestens einen Relais eine sichere, allpolige Trennung unter interner Kalibrierung und Verifizierung erfolgt.
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In einem Verfahren zum Prüfen des elektrischen Prüfobjekts mittels des erfindungsgemäßen Isolationsprüfgeräts werden somit diese Baugruppen, d. h. die HV-Quelle und die HV-Senke, über das mindestens eine Relais mit den zwangsgeführten Kontakten derart an die Pole des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts geführt, dass umschaltbar der eine Pol des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts mit der HV-Quelle verbunden ist, während der andere Pol des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts mit der HV-Senke verbunden ist, wobei ein Kurzschluss des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts durch das Isolationsprüfgerät mechanisch ausgeschlossen ist.
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Das zu prüfende elektrische Prüfobjekt, insbesondere die zu prüfende Fahrzeugantriebsbatterie, wird hierzu, ebenso wie die HV-Quelle und die HV-Senke, in sternförmiger Erdung ausgehend vom elektrischen Prüfobjekt betrieben (funktionale Erde). Überspannungen in Daten- und Hilfsspannungsleitungen zum Betrieb des elektrischen Prüfobjekts werden durch eine Schutzbeschaltung im Prüfaufbau gegen die funktionale Erde abgeleitet.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Detektion von Abweichungen und Defekten am Prüfaufbau und/oder am Isolationsprüfgerät und/oder am zu prüfenden elektrischen Prüfobjekt und eine automatisierte Sicherheitsprüfung.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Isolationsprüfung an elektrischen Prüfobjekten, insbesondere an als Hochvoltbatterie ausgebildeten Fahrzeugantriebsbatterien, für die keine perfekte Isolation ihres Massepotentials (Klemme 31) erreicht werden kann, hinsichtlich eines Isolationswiderstandes und einer Spannungsfestigkeitsprüfung/Stehspannungsprüfung. Dies entspricht praktisch jeglicher Anwendung in einem Prüfumfeld unter Nachbildung von Teilsystemen, beispielsweise einer Fahrzeugsimulation.
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Die Isolationsprüfung passiver elektrischer Baugruppen folgt einem in Fachnormen genau festgelegten und durch entsprechende Prüfgeräte implementierten Stand der Technik. Wesentliches Merkmal solcher Baugruppenprüfungen ist, dass alle Potentiale eines Potentialgebiets leitfähig verbunden werden, beispielsweise Phase und Nullleiter bei SchuKo-Steckern. Eine derartige Anordnung ist jedoch für als elektrochemische Spannungsquelle ausgebildete Hochvoltbatterien nicht möglich, da ein Kurzschluss irreversibel zerstörende Wirkung auf Hochvoltbatterien hat. Somit ist die bisher bekannte Isolationsprüfung für solche elektrischen Prüfobjekte, insbesondere Fahrzeugantriebsbatterien, nicht geeignet, im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Lösung.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die sichere, redundante Prüfung von elektrischen Prüfobjekten und deren elektrischen Komponenten, insbesondere von Fahrzeugantriebsbatterien und daraus gebildeten oder diese umfassenden elektrischen Systemen, auf ihren Isolationswiderstand sowie die Stehspannungsfestigkeit, wobei zu jedem Zeitpunkt des Prüfablaufs eine redundante Überwachung der Komponenten wechselseitig besteht. Erst durch diesen Aufbau wird funktional ein automatisiertes „vier-Augen-Prinzip“ zur Prüfung eines sicherheitsrelevanten Merkmals erreicht.
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Die Fahrzeugantriebsbatterie wird auch als Hochvoltspeicher, Hochvoltenergiespeicher, Hochvoltbatterie, Traktionsbatterie oder Zyklenbatterie bezeichnet. Sie ist zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, vorgesehenen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 schematisch ein als eine Fahrzeugantriebsbatterie ausgebildetes elektrisches Prüfobjekt und ein Isolationsprüfgerät.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Isolationsprüfgeräts 1 zum Prüfen eines ebenfalls in 1 gezeigten elektrischen Prüfobjekts 2. Das zu prüfende elektrische Prüfobjekt 2 ist beispielsweise als Teilsystem eines Fahrzeugantriebs ausgebildet. Es ist insbesondere als ein Hochvoltenergiespeicher, insbesondere als eine Fahrzeugantriebsbatterie, ausgebildet oder umfasst einen solchen Hochvoltenergiespeicher, insbesondere eine Fahrzeugantriebsbatterie.
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Das Isolationsprüfgerät 1 weist eine Prüfspannungsquelle 3 mit einer integrierten Hochvoltspannungsquelle, Strommessvorrichtung 4 und Spannungsmessvorrichtung 12 auf. Diese Prüfspannungsquelle 3 wird auch als HV-Quelle 3 bezeichnet.
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Das Isolationsprüfgerät 1 weist des Weiteren ein schaltbares Widerstandsarray 5 mit einer integrierten, schaltbaren Spannungsmessvorrichtung 6 auf. Das schaltbare Widerstandsarray 5 mit integrierter schaltbarer Spannungsmessvorrichtung 6 wird auch als HV-Senke 5 bezeichnet.
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Zudem weist das Isolationsprüfgerät 1 ein Relais 7 mit zwangsgeführten Kontakten auf, mittels welchem die Prüfspannungsquelle 3 und das Widerstandsarray 5 derart an Pole P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 führbar sind, dass umschaltbar ein Pol P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 mit der Prüfspannungsquelle 3 verbunden ist und der andere Pol P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 mit dem Widerstandsarray 5 verbunden ist. Das Relais 7 ist somit ein Polaritätswechsler, da je nach Schaltstellung des Relais 7 entweder der eine Pol P oder der andere Pol P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 mit der Prüfspannungsquelle 3 verbunden ist, wobei entsprechend der jeweils andere Pol P, d. h. derjenige, der nicht mit der Prüfspannungsquelle 3 verbunden ist, mit dem Widerstandsarray 5 verbunden ist, und wobei durch die Zwangsführung eine direkte Verbindung der Pole P mechanisch ausgeschlossen ist.
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Im dargestellten Beispiel weist das Isolationsprüfgerät 1 noch ein weiteres Relais 8 auf, ebenfalls mit zwangsgeführten Kontakten. Mittels dieses weiteren Relais 8 kann umschaltbar jeweils ein Anschluss der Prüfspannungsquelle 3 mit dem zu prüfenden elektrischen Prüfobjekt 2 und der jeweilige andere Anschluss der Prüfspannungsquelle 3 mit der funktionalen Erde FE verbunden werden. Auch dieses weitere Relais 8 ist somit ein Polaritätswechsler.
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Darüber hinaus weist das Isolationsprüfgerät 1 im dargestellten Beispiel ein weiteres Relais 13 mit zwangsgeführten Kontakten auf, mittels welchem die Prüfspannungsquelle 3 und das Widerstandsarray 5 schaltbar entweder voneinander getrennt an die Pole P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 geführt sind oder miteinander verbunden von dem zu prüfenden elektrischen Prüfobjekt 2 getrennt sind. Das Relais 13 ist somit ein allpoliges Trennelement des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2, insbesondere der Fahrzeugantriebsbatterie, wobei so insbesondere auch der an den Polen P allpolig getrennte Zustand von einer externen Spannungsquelle sowohl durch die Prüfspannungsquelle 3 als auch das Widerstandsarray 5 verifizierbar ist durch Spannungsgleichheit an den Polen P und einem Stromfluss entsprechend der intern geschalteten Widerstände R. Zugleich ermöglicht deren interne Verbindung eine vollständige interne Kalibrierung beispielsweise des Widerstandsarrays 5 durch die Prüfspannungsquelle 3 in wahlfreiem Arbeitspunkt unter Verifizierung des Zustands weiterer interner Trennelemente, insbesondere Sicherheitstrennelemente.
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Im dargestellten Beispiel ist zudem ein als Sicherheitstrennschalter ausgebildetes weiteres Relais 9 vorgesehen, um die Prüfspannungsquelle 3, überwacht durch zwangsgeführte Hilfskontakte, sicher zu trennen. Das Trennen der Hochspannung von den Polen P ist so redundant zu Relais 13.
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In einem Verfahren zum Prüfen des elektrischen Prüfobjekts 2 mittels dieses Isolationsprüfgeräts 1 werden somit diese Baugruppen, d. h. die Prüfspannungsquelle 3 und das Widerstandsarray 5, über die Relais 7, 8, 9, 13 mit den zwangsgeführten Kontakten derart an die Pole P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 geführt, dass umschaltbar der eine Pol P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 mit der Prüfspannungsquelle 3 verbunden ist, während der andere Pol P des zu prüfenden elektrischen Prüfobjekts 2 mit dem Widerstandsarray 5 verbunden ist.
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Das elektrische Prüfobjekt 2, im dargestellten Beispiel die zu prüfende Fahrzeugantriebsbatterie, wird hierzu, ebenso wie die Prüfspannungsquelle 3 und das Widerstandsarray 5, in sternförmiger Erdung ausgehend vom elektrischen Prüfobjekt 2 betrieben (funktionale Erde FE). Überspannungen in Daten- und Hilfsspannungsleitungen zum Betrieb des elektrischen Prüfobjekts 2 werden durch eine Schutzbeschaltung im Prüfaufbau gegen die funktionale Erde FE abgeleitet.
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Das schaltbare Widerstandsarray 5 weist beispielhaft durch Relaisschalter 10 schaltbare Widerstände R auf. Sie ermöglichen das Stellen verschiedener, diskreter, kalibrierbarer Werte als resultierenden Gesamtwiderstand des Widerstandsarrays 5. Neben der Anlegekontrolle eines elektrischen Prüfobjekts 2 an den Polen P ermöglicht das Widerstandsarray 5 das Entladen einer insbesondere durch die Prüfspannungsquelle 3 aufgeladenen Y-Kapazität, einer kapazitiven Eigenschaft des elektrischen Prüfobjekts 2 zwischen den Polen P und der funktionalen Erde FE. Zudem ermöglicht das Widerstandsarray 5 das Schalten verschiedener durch das insbesondere als Fahrzeugantriebsbatterie ausgebildete elektrische Prüfobjekt 2 als Isolationsfehler sichtbarer Widerstandswerte an schaltbar einem der Pole P gegenüber der funktionalen Erde FE und damit eine Funktionsprüfung oder Kalibrierung einer Isolationsüberwachungseinheit als anzunehmenden Bestandteil des elektrischen Prüfobjekts 2, welches sich insbesondere durch einen aktiven Hochvoltenergiespeicher auszeichnet.
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Während sich eine dauerhaft anliegende Spannung innerhalb des elektrischen Prüfobjektes 2, im dargestellten Beispiel der zu prüfenden Fahrzeugantriebsbatterie, bei einer Isolations- oder Spannungsfestigkeitsprüfung als so störend erweist, dass eine Prüfung durch Kurzschließen der Potentialgebiete, wie aus dem Stand der Technik für passive Zweipole bekannt, unmöglich wird, ist diese unter Verwendung des vorgestellten Prüfaufbaus, insbesondere des hier beschriebenen Isolationsprüfgeräts 1, notwendig und hinreichend zum Nachweis einer korrekten Kontaktierung während der Prüfung.
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Sicherungen und allpolige Trennschütze innerhalb des elektrischen Prüfobjekts 2, im dargestellten Beispiel der zu prüfenden Fahrzeugantriebsbatterie, sowie Leitungsschutzsicherungen 11 in der Prüfumgebung müssen neben einer fehlerhaften automatischen Kontaktierung als wahrscheinliche Fehler angenommen werden, die zu einer falsch-positiven Bewertung der Isolationseigenschaften des elektrischen Prüfobjekts 2, hier der zu prüfenden Fahrzeugantriebsbatterie, führen können, d. h. das elektrische Prüfobjekt 2 war nicht mit der Prüfeinrichtung, d. h. mit dem Isolationsprüfgerät 1, kontaktiert.
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Bei Anlegen einer Prüfspannung durch die Prüfspannungsquelle 3 wird durch Messung einer um die Spannung des elektrischen Prüfobjekts 2 abweichenden Spannung durch das Widerstandsarray 5 nachgewiesen, dass eine elektrische Verbindung zur Prüfspannungsquelle 3 über das elektrische Prüfobjekt 2, hier die zu prüfende Fahrzeugantriebsbatterie, besteht.
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Umgekehrt kann durch Schalten verschiedener Widerstände R im Widerstandsarray 5 durch den Stromfluss der Prüfspannungsquelle 3 neben der elektrischen Verbindung auch die Strommessung verifiziert werden.
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So wird für jede Prüfung ohne weitere Hilfsmittel die Spannungsmessung verifiziert, mittels der beiden Spannungsmessvorrichtungen 6, 12 sowie die Strommessung verifiziert, durch eine Stromänderung bei Zuschalten eines bekannten Widerstandswerts in Form des Widerstandsarrays 5, die elektrische Verbindung des elektrischen Prüfobjekts 2, hier der zu prüfenden Fahrzeugantriebsbatterie, redundant festgestellt, und das Entladen des elektrischen Prüfobjekts 2, hier der zu prüfenden Fahrzeugantriebsbatterie, durch die beiden redundanten Spannungsmessvorrichtungen 6, 12 in unabhängig abgesicherten Leitungen durchgeführt und festgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolationsprüfgerät
- 2
- Prüfobjekt
- 3
- Prüfspannungsquelle, HV-Quelle
- 4
- Strommessvorrichtung
- 5
- Widerstandsarray, HV-Senke
- 6
- Spannungsmessvorrichtung
- 7
- Relais
- 8
- Relais
- 9
- Relais
- 10
- Relaisschalter
- 11
- Leitungsschutzsicherung
- 12
- Spannungsmessvorrichtung
- 13
- Relais
- FE
- funktionale Erde
- P
- Pol
- R
- Widerstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013013950 B4 [0002]
