DE102021203706A1

DE102021203706A1 - Verfahren zur Isolationsprüfung eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE102021203706A1
Application number: DE102021203706.2A
Authority: DE
Inventors: Udo Schriever
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-04-14
Filing date: 2021-04-14
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsprüfung eines elektrischen Energiespeichers (1), insbesondere eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Energiespeicher (1) einen elektrisch positiven Pol (5) und einen elektrisch negativen Pol (6) aufweist, mit einer Messschaltung (9), wobei die Messschaltung (9) in Reihe geschaltet einen mit einem Bezugspotential (Gnd) verbundenen Referenzwiderstand (Rref), einen mit dem Referenzwiderstand (Rref) verbundenen Spannungsteilerwiderstand (Rst) und einen mit dem Spannungsteilerwiderstand einerseits (Rst) und mit einem der Pole (5,6) des Energiespeichers (1) andererseits verbundenen, ansteuerbaren Schalter (Smess+, Smess-) aufweist, und wobei der Schalter (Smess+, Smess-) in einem geschlossenen Zustand den Spannungsteilerwiderstand (Rst) mit dem Pol (5,6) elektrisch verbindet und in einem geöffneten Zustand den Spannungsteilerwiderstand (Rst) von dem Pol (5,6) elektrisch trennt. Erfindungsgemäß sind die folgenden Schritte vorgesehen: Schließen des Schalters (Smess+, Smess-), Ermitteln eines ersten Stromwertes eines durch den Referenzwiderstand (Rref) und den Spannungsteilerwiderstand (Rst) fließenden elektrischen Stroms zu einem ersten Zeitpunkt nach Schließen des Schalters (Smess+, Smess-), Geschlossenhalten des Schalters (Smess+, Smess-) und Ermitteln eines zweiten Stromwertes des elektrischen Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt, und Prüfen des Energiespeichers (1) auf einen Leckage-bedingten Isolationsfehler durch Vergleichen der ermittelten Stromwerte miteinander.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsprüfung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Energiespeicher einen elektrisch positiven Pol und einen elektrisch negativen Pol aufweist, mit einer Messschaltung, wobei die Messschaltung in Reihe geschaltet einen mit einem Bezugspotential verbundenen Referenzwiderstand, einen mit dem Referenzwiderstand verbundenen Spannungsteilerwiderstand und einen mit dem Spannungsteilerwiderstand einerseits und mit einem der Pole des Energiespeichers andererseits verbundenen, ansteuerbaren Schalter aufweist, und wobei der Schalter in einem geschlossenen Zustand den Spannungsteilerwiderstand mit dem Pol elektrisch verbindet und in einem geöffneten Zustand den Spannungsteilerwiderstand von dem Pol elektrisch trennt.
Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird üblicherweise die Isolation zwischen einem der Pole des Energiespeichers und dem Bezugspotential auf einen Isolationsfehler geprüft. Mithilfe derartiger Verfahren lassen sich für einen elektrisch sicheren Betrieb des Energiespeichers kritische Isolationsfehler des Energiespeichers feststellen und im Rahmen von gesetzlichen Diagnoseanforderungen und/oder der Erfüllung von Gebrauchssicherheitsbestimmungen Maßnahmen ergreifen, insbesondere zum Vermeiden kritischer Körperströme beim Berühren des Energiespeichers oder anderer elektrisch leitfähiger Bauteile des Kraftfahrzeugs durch einen Benutzer.
Üblicherweise weist ein derartiger Energiespeicher eine Vielzahl miteinander verschalteter galvanischer Zellen auf, wobei in den Zellen jeweils ein flüssiger Elektrolyt zwischen zwei Elektroden wirkt. Die Zellen sind zudem zu ihrem Schutz üblicherweise in einem Gehäuse angeordnet. Dies verhindert beispielsweise, dass Flüssigkeit zu den Zellen, der Verschaltung oder den elektrisch leitfähigen Kontaktstellen gelangt, oder dass bei einem Schadensfall Elektrolyt aus den Zellen in die Umgebung austritt. Die Zellen und sämtliche elektrische Leitungen sind elektrisch von dem Gehäuse isoliert. Gelangt nun beispielsweise in einem Fehlerfall aufgrund einer Beschädigung einer der Zellen das flüssige Elektrolyt oder aufgrund einer Beschädigung des Gehäuses oder aufgrund von Kondensatbildung aus Luftfeuchtigkeit eine andere ionenleitende Flüssigkeit zwischen zumindest eine der Zellen und das Gehäuse oder zumindest zwischen eine der elektrischen Leitungen und das Gehäuse, so kann eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Zelle und dem Gehäuse oder zwischen der elektrischen Leitung und dem Gehäuse hergestellt werden. Es liegt dann ein Leckage-bedingter Isolationsfehler vor.
Die Offenlegungsschrift US 2013/0049971 A1 beschreibt ein System zum Erfassen eines Versagens, insbesondere eines Kurzschlusses, einer Zelle eines elektrischen Energiespeichers. Um den Grund des Versagens zu ermitteln, werden insbesondere eine Temperatur des Energiespeichers und/oder eine Feuchtigkeit in dem Energiespeicher überwacht und ausgewertet, wozu entsprechende Sensoren benötigt werden. Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 012 927 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Detektion von Undichtigkeiten in einem elektrochemischen System mit zwei elektrischen Leitern, die durch eine im trockenen Zustand elektrisch isolierende und im feuchten Zustand elektrisch leitende Zwischenschicht voneinander beabstandet sind. Zum Prüfen auf die Undichtigkeit wird ein Stromfluss zwischen den Leitern gemessen. Mit dieser zusätzlichen Vorrichtung sind also unter Zuhilfenahme zusätzlicher Bauteile Leckage-bedingte Isolationsfehler erkennbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die herkömmliche Durchführung einer elektrischen Isolationsprüfung eines Energiespeichers derart weiter zu verbessern, dass vorteilhaft verschiedene Arten von Isolationsfehlern ohne zusätzliche Vorrichtungen erkannt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind hierbei die folgenden Schritte vorgesehen: Schließen des Schalters, Ermitteln eines ersten Stromwertes eines durch den Referenzwiderstand und den Spannungsteilerwiderstand fließenden elektrischen Stroms zu einem ersten Zeitpunkt nach Schließen des Schalters, Geschlossenhalten des Schalters und Ermitteln eines zweiten Stromwertes des elektrischen Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt, und Prüfen des Energiespeichers auf einen Leckage-bedingten Isolationsfehler durch Vergleichen der ermittelten Stromwerte miteinander. Durch diese Verfahrensschritte wird vorteilhafterweise eindeutig festgestellt, ob ein Leckage-bedingter Isolationsfehlers vorliegt. Ebenso werden nicht nur vorteilhaft die elektrische Sicherheit des Energiespeichers weiter erhöht, sondern auch Reparaturkosten verringert, beispielsweise durch frühzeitiges Erkennen Leckage-bedingter Korrosionsprozesse. Im Unterschied zu einem nicht-Leckage-bedingten Isolationsfehler, beispielsweise bei einem Versagen von elektrischen Isolationsschichten und/oder dem Vorliegen von elektronenleitenden Verunreinigungen, ist bei dem Leckage-bedingten Isolationsfehler der zeitliche Verlauf des Stromflusses nicht konstant, sondern ändert sich zeitabhängig, insbesondere aufgrund von elektrochemischen Effekten beziehungsweise Prozessen zwischen einem Leckagefluid, beispielsweise Elektrolyt oder Wasser, und dem metallischen Gehäuse des Energiespeichers. Hier wirken sich insbesondere Reaktionskinetik, Veränderung der ionischen Leitfähigkeit durch Stoffumwandlung und/oder verschiedene Transportphänomene aus, beispielsweise fortschreitende Korrosion und/oder galvanische Auflösung und Abscheidung von Metallen. Durch die Ermittlung des zweiten Stromwerts, ohne dass der Schalter zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt geöffnet wird, wird der Leckage-bedingte Isolationsfehler vorteilhaft von dem nicht-Leckage-bedingten Isolationsfehler unterschieden, weil insbesondere die vorgenannten elektrochemischen Effekte ohne Unterbrechung ablaufen und den Stromwert zu dem zweiten Zeitpunkt erkennbar beeinflussen. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Stromwert zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt zum Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des Stromwerts kontinuierlich ermittelt wird, sodass die genannten Effekte anhand einer Auswertung des Stromverlaufs erkannt werden. So wird vorteilhaft die Erkennungsgenauigkeit des Leckage-bedingten Isolationsfehlers erhöht. Vorzugsweise ist das Bezugspotential zum Feststellen des Isolationsfehlers ein als elektrische Masse dienendes metallisches Gehäuse des Energiespeichers. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass jeweils eine der vorstehend beschriebenen Reihenschaltungen aus Schalter, Spannungsteilerwiderstand und Referenzwiderstand zwischen dem positiven Pol und dem Bezugspotential sowie zwischen dem negativen Pol und dem Bezugspotential angeordnet ist, und dass die Isolationsprüfung abwechselnd zwischen den beiden Polen und dem Bezugspotential durchgeführt wird. So sind Isolationsfehler zwischen beiden Polen und dem Bezugspotential sicher erkennbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Isolationswiderstandswert in Abhängigkeit von dem ersten Stromwert ermittelt wird, dass der Isolationswiderstandswert zum Erkennen eines Isolationsfehlers mit einem vorgegebenen Widerstandswert verglichen wird, und dass der zweite Stromwert nur dann ermittelt wird, wenn der Isolationswiderstandswert kleiner ist als der vorgegebene Widerstandswert. Durch das Ermitteln und Vergleichen des Isolationswiderstandswerts mit dem vorgegebenen Isolationswiderstandswert ist vorteilhaft sichergestellt, dass erkannt wird, ob überhaupt ein Isolationsfehler vorliegt. Vorzugsweise wird das Vorliegen des Isolationsfehlers bereits als Warnmeldung ausgegeben, bevor die Art des Isolationsfehlers bestimmt wird. So wird beispielsweise ein Fahrer des Kraftfahrzeugs vorteilhaft unmittelbar über das Vorliegen des Isolationsfehlers informiert. Durch das von dem Vergleichsergebnis abhängige, also lediglich bedingte Ermitteln des zweiten Stromwerts ist vorteilhaft sichergestellt, dass das Verfahren effizient nur bedarfsweise durchgeführt wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der vorgegebene Widerstandswert ein gesetzlich vorgegebener, insbesondere aus einer Prüfnorm oder Zulassungsvorschrift entnommener, Widerstandswert ist. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der vorgegebene Isolationswiderstandswert abhängig von einer Prüfspannung oder Betriebsspannung des Energiespeichers ist. Der vorgegebene Widerstandswert weist beispielsweise einen Wert von 500 Ohm pro Volt Batteriespannung auf, sodass, solange der Isolationswiderstandswert den vorgegebenen Widerstandswert übertrifft, für einen Benutzer beim Berühren gefährliche Stromwerte vorteilhaft sicher vermieden werden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Leckage-bedingte Isolationsfehler festgestellt wird, wenn der zweite Stromwert von dem ersten Stromwert, insbesondere über einen vorgegebenen Toleranzbereich hinaus, abweicht, insbesondere wenn der zweite Stromwert kleiner ist als der erste Stromwert, und dass ansonsten ein nicht-Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird. Durch das Feststellen des Leckage-bedingten Isolationsfehlers bei Abweichen des zweiten Stromwerts von dem ersten Stromwert ist ein vorteilhaftes Kriterium geschaffen, das mit geringem Aufwand auswertbar ist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Abweichen mit einer vorgegebenen Toleranz bestimmt wird, um zu verhindern, dass beispielsweise aufgrund von Messunsicherheiten der Leckage-bedingte Isolationsfehler fälschlicherweise festgestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand wiederholt wird, und dass ein Elektrolytaustritt aus dem Energiespeicher als Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird, wenn zumindest einer der bei der Wiederholung ermittelten Stromwerte kleiner ist als der jeweilige ursprünglich ermittelte Stromwert. Es ist also der bei der Wiederholung des Verfahrens ermittelte erste Stromwert kleiner als der bei der ursprünglichen Durchführung des Verfahrens ermittelte erste Stromwert und/oder der bei der Wiederholung des Verfahrens ermittelte zweite Stromwert kleiner als der bei der ursprünglichen Durchführung des Verfahrens ermittelte zweite Stromwert. Dadurch ist ein vorteilhaftes Kriterium zum Erkennen eines Elektrolytaustritts geschaffen, weil bei einem Elektrolytaustritt der Stromfluss aufgrund elektrochemischer Prozesse im zeitlichen Verlauf stetig abnimmt. Ein abnehmender Stromwert bei der Wiederholung des Verfahrens ist also ein Indiz für das Vorliegen eines Elektrolytaustritts. Vorzugsweise ist der vorgegebene zeitliche Abstand deutlich größer als ein zeitlicher Abstand zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt bei einer Durchführung des Verfahrens. Dadurch ist der Elektrolytaustritt besonders vorteilhaft sicher erkennbar. Wenn der Stromwert, wie vorstehend beschrieben, bei der Durchführung des Verfahrens jeweils kontinuierlich ermittelt wird, ist der Isolationsfehler vorteilhaft analysierbar, beispielsweise die Menge des ausgetretenen Elektrolyten abschätzbar.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand wiederholt wird, und dass ein Wassereintritt in den Energiespeicher als Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird, wenn zumindest einer der bei der Wiederholung ermittelten Stromwerte größer ist als der jeweilige ursprünglich ermittelte Stromwert. Dadurch ist ein vorteilhaftes Kriterium zum Erkennen eines Wassereintritts geschaffen, weil bei einem Wassereintritt der Stromfluss, insbesondere aufgrund von lonisationsprozessen, im zeitlichen Verlauf stetig zunimmt. Vorzugsweise ist der vorgegebene zeitliche Abstand deutlich größer als ein zeitlicher Abstand zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt bei einer Durchführung des Verfahrens. Dadurch ist der Wassereintritt besonders vorteilhaft sicher erkennbar. Die Herkunft des Wassers ist dabei unerheblich. Insbesondere handelt es sich bei dem Wasser um ein aus einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Energiespeichers ausgetretenes Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. So ist vorteilhaft eine Leckage des Kühlkreislaufs feststellbar, sofern das dort austretende Kühlmittel in den Energiespeicher gelangt. Ebenso kann das Wasser von außen durch eine Öffnung in dem Gehäuse des Energiespeichers, beispielsweise einen Riss oder andere Undichtigkeiten, in den Energiespeicher gelangt sein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stromwert zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt zum Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des Stromwerts kontinuierlich ermittelt wird, dass eine Ladungsmenge aus der Integration des zeitlichen Verlaufs des Stromwerts zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ermittelt wird, dass der Leckage-bedingte Isolationsfehler festgestellt wird, wenn die Ladungsmenge nicht linear ansteigt, und dass ansonsten ein nicht-Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird. Durch die Auswertung der Ladungsmenge ist vorteilhaft sichergestellt, dass die Art des Isolationsfehlers mit hoher Genauigkeit festgestellt wird. Insbesondere ist eine genauere Auswertung möglich, beispielsweise durch Vergleich mit vorab hinterlegten oder bekannten zeitlichen Verläufen von Ladungsmengen bei unterschiedlich starkem Elektrolytaustritt oder Wassereintritt.
Alternativ wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch ein Verfahren gelöst, bei dem die Messschaltung zumindest einen ersten Referenzwiderstand mit einem ersten Referenzwiderstandswert und einen zweiten Referenzwiderstand mit einem von dem ersten Referenzwiderstandswert abweichenden zweiten Referenzwiderstandswert aufweist, wobei die beiden Referenzwiderstände derart schaltbar in der Messschaltung angeordnet sind, dass nur jeweils einer der beiden Referenzwiderstände mit einem der Pole des Energiespeichers verbindbar ist. Insbesondere sind die beiden Referenzwiderstände dazu anstelle des vorstehend beschriebenen Referenzwiderstands in der Messschaltung angeordnet, parallel zueinander geschaltet und jeweils in Reihe mit einem ansteuerbaren Schalter verbunden. Analog zu dem vorstehend beschriebenen Verfahren werden durch entsprechendes Ansteuern der Schalter der erste Stromwert durch den ersten Referenzwiderstand und der zweite Stromwert durch den zweiten Referenzwiderstand ermittelt. Bei nicht-Leckage-bedingten Isolationsfehlern ändert sich der zweite Stromwert proportional zu dem zweiten Referenzwiderstandswert. Hingegen führen bei einem Leckage-bedingten Isolationsfehler die vorstehend beschriebenen elektrochemischen Prozesse zu einem geringeren zweiten Stromwert, als das Verhältnis des ersten Referenzwiderstandswerts zu dem zweiten Referenzwiderstandswert erwarten lassen würde. Es ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit von dem Verhältnis der beiden Referenzwiderstandswerte ein erwarteter zweiter Stromwert berechnet wird, dass der Leckage-bedingte Isolationsfehler festgestellt wird, wenn der zweite Stromwert von dem erwarteten Stromwert abweicht, und dass ansonsten ein nicht-Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Art des Isolationsfehlers mit hoher Genauigkeit festgestellt wird. Insbesondere ist eine genauere Auswertung möglich, beispielsweise durch Vergleich mit vorab hinterlegten oder bekannten Stromwerten bei unterschiedlich starkem Elektrolytaustritt oder Wassereintritt in Abhängigkeit von unterschiedlichen Referenzwiderstandswerten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach Feststellen eines der Isolationsfehler eine Fehlermeldung und/oder ein Warnhinweis, insbesondere als Diagnoseersatzreaktion, insbesondere auf einer einem Fahrer des Kraftfahrzeugs zugewandten Anzeigevorrichtung, ausgegeben wird. Durch das Ausgeben der Fehlermeldung oder des Warnhinweises ist vorteilhaft sichergestellt, dass der Isolationsfehler für den Fahrer erkennbar ist, um diesen beispielsweise zum Fahrtabbruch und/oder zu einem Werkstattbesuch aufzufordern. Insbesondere wird die Diagnoseersatzreaktion unabhängig von dem tatsächlichen elektrischen Gefährdungspotential ausgelöst, wenn ein Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wurde.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass nach Feststellen eines der Isolationsfehler eine Notfallreaktion, insbesondere nach Abschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs, ausgelöst wird. Durch das Auslösen der Notfallreaktion ergibt sich der Vorteil, dass ein potentiell gefährlicher Betrieb des Kraftfahrzeugs verhindert wird. Vorzugsweise wird dazu nach Fahrtende ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs angewiesen, kein erneutes Zuschalten des Energiespeichers an ein dem Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs zugeordnetes Traktionsnetz und damit keinen erneuten Motorstart zuzulassen und/oder eine Sicherheitsabschaltung des Energiespeichers durchzuführen, beispielsweise den Energiespeicher vom Traktionsnetz des Kraftfahrzeugs zu trennen. Weiterhin unterscheidet sich die Notfallreaktion bevorzugt in Abhängigkeit von dem erkannten Isolationsfehler, es wird also insbesondere nur bei einem besonders kritischen Isolationsfehler eine Sicherheitsabschaltung des Energiespeichers durchgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Isolationsprüfung eines elektrischen Energiespeichers mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich durch ein Steuergerät aus, das speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile. Vorzugsweise weist die Vorrichtung auch die vorstehend beschriebene Messschaltung auf.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 einen elektrischen Energiespeicher mit einem Isolationsfehler,
2 eine Messschaltung zur Isolationsprüfung des Energiespeichers, und
3 ein Verfahren zur Isolationsprüfung des Energiespeichers.

1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1. Der Energiespeicher 1 ist als eine Zusammenschaltung, im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Reihenschaltung, mehrerer galvanischer Zellen 2,3 ausgebildet. Exemplarisch sind eine erste Zelle 2 und eine letzte Zelle 3 der Reihenschaltung dargestellt. Ein positiver Anschluss + der ersten Zelle 2 ist aus einem Gehäuse 4 des Energiespeichers 1 als elektrisch positiver Pol 5 des Energiespeichers 1 herausgeführt. Ein negativer Anschluss - der letzten Zelle 3 ist aus dem Gehäuse 4 als elektrisch negativer Pol 6 des Energiespeichers 1 herausgeführt. Zwischen dem elektrisch positiven Pol 5 und dem elektrisch negativen Pol 6 sind durch einen Lastwiderstand 7 dargestellte elektrische Verbraucher angeschlossen. Aufgrund eines Isolationsfehlers in einem Bereich 8, beispielsweise durch Elektrolytaustritt aus einer der Zellen 2,3, ist das Gehäuse 4 zumindest mit der ersten Zelle 2 elektrisch leitend verbunden.
Wird nun eine in 2 näher beschriebene Messschaltung 9 zwischen dem elektrisch positiven Pol 5 und dem Gehäuse 4 als Bezugspotential angeordnet, so findet aufgrund des Isolationsfehlers eine Elektronenleitung e- zu dem negativen Anschluss der ersten Zeile 2 statt. Dies ist mit der Messschaltung als Stromfluss messbar.
Die 2 zeigt die Messschaltung 9 zur Isolationsprüfung des Energiespeichers 1. der Energiespeicher 1 ist nunmehr lediglich als vereinfachtes Schaltzeichen mit seinem positiven Pol 5 und seinem negativen Pol 6 dargestellt. Zwischen dem positiven Pol 5 und dem negativen Pol 6 ist ein Spannungsmessgerät 10 zum Ermitteln eines Spannungsabfalls U_messHV angeordnet.
Die Messschaltung 9 selbst weist in Reihe geschaltet einen mit einem Bezugspotential, im vorliegenden Fall einer Gehäusemasse Gnd des Energiespeichers 1, verbundenen Referenzwiderstand Rref mit einem bekannten Referenzwiderstandswert, einen mit dem Referenzwiderstand Rref verbundenen Spannungsteilerwiderstand Rst mit einem bekannten Widerstandswert und einen mit dem Spannungsteilerwiderstand Rst einerseits und mit dem positiven Pol 5 des Energiespeichers 1 andererseits verbundenen, ansteuerbaren Schalter S_mess+ auf. Der Spannungsteilerwiderstand Rst und der Referenzwiderstand Rref bilden also einen Spannungsteiler. Der Schalter S_mess+ verbindet in einem geschlossenen Zustand den Referenzwiderstand Rref und den Spannungsteilerwiderstand Rst mit dem positiven Pol 5 elektrisch. In einem geöffneten Zustand trennt der Schalter S_mess+ den Referenzwiderstand Rref und den Spannungsteilerwiderstand Rst von dem positiven Pol 5 elektrisch. In der 2 ist der Schalter S_mess+ in dem geöffneten Zustand dargestellt. Parallel zu dem Referenzwiderstand Rref ist ein Spannungsmessgerät 11 zum Ermitteln eines Spannungsabfalls U_messSA angeordnet.
Die Messschaltung 9 weist außerdem spiegelbildlich dazu in Reihe geschaltet einen mit dem Referenzwiderstand Rref verbundenen weiteren Spannungsteilerwiderstand Rst sowie einen mit dem Spannungsteilerwiderstand Rst einerseits und mit dem negativen Pol 6 des Energiespeichers 1 andererseits verbundenen, ansteuerbaren Schalter Smess- auf. Der Schalter Smess- verbindet in einem geschlossenen Zustand den Referenzwiderstand Rref und den weiteren Spannungsteilerwiderstand Rst mit dem negativen Pol 6 elektrisch. In einem geöffneten Zustand trennt der Schalter Smess- den Referenzwiderstand Rref und den weiteren Spannungsteilerwiderstand Rst von dem negativen Pol 6 elektrisch. In der 2 ist der Schalter Smess- ebenfalls in dem geöffneten Zustand dargestellt.
Wird nun einer der beiden Schalter S_mess+,S_mess- geschlossen, ist ein Stromwert eines durch den Referenzwiderstand Rref und den jeweiligen Spannungsteilerwiderstand Rst fließenden elektrischen Stroms ermittelbar. In Abhängigkeit von diesem Stromwert beziehungsweise den Spannungsabfällen U_messHV und U_messSA ist dann ein Isolationswiderstandswert eines Isolationswiderstands R_iso+, R_iso- zwischen dem jeweiligen Pol 5, 6 und der Gehäusemasse Gnd ermittelbar.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 3 ein vorteilhaftes Verfahren zur Isolationsprüfung des Energiespeichers 1 beschrieben. Hierzu zeigt die 3 das Verfahren anhand eines Flussdiagramms. Insbesondere wird durch das Verfahren gewährleistet, dass erkannt wird, ob ein Leckage-bedingter Isolationsfehler vorliegt. Es wird im Folgenden lediglich die Isolationsprüfung zwischen dem positiven Pol 5 und der Gehäusemasse Gnd beschrieben. Die Isolationsprüfung zwischen dem negativen Pol 6 und der Gehäusemasse Gnd funktioniert analog mit den vorstehend beschriebenen Bauteilen.
Das Verfahren beginnt mit dem Ermitteln der elektrischen Spannung U_messHV des Energiespeichers und dem Schließen des Schalters S_mess+ in einem Schritt S1. So wird der Spannungsteilerwiderstand Rst mit dem Pol 5 elektrisch verbunden. In einem Schritt S2 wird ein erster Stromwert eines durch den Referenzwiderstand Rref und den Spannungsteilerwiderstand Rst fließenden elektrischen Stroms zu einem ersten Zeitpunkt nach Schließen des Schalters Smess+ ermittelt.
In einem optionalen Schritt S3 wird ein Isolationswiderstandswert in Abhängigkeit von dem ersten Stromwert ermittelt. Der Isolationswiderstandswert wird dann zum Erkennen eines Isolationsfehlers mit einem vorgegebenen Widerstandswert verglichen. Wenn erkannt wird, dass der Isolationswiderstandswert mindestens so groß ist wie der vorgegebene Widerstandswert, endet das Verfahren in einem Schritt S6. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Isolationsprüfung abwechselnd zwischen den beiden Polen 5,6 und der Gehäusemasse Gnd durchgeführt wird. Insbesondere ist es dann denkbar, dass das Verfahren nicht, wie vorstehend beschrieben, nach Erkennen eines ausreichend großen Isolationswiderstandswerts zwischen einem der Pole 5,6 und der Gehäusemasse Gnd in dem Schritt S6 beendet wird, sondern dass die Isolationsprüfung zwischen dem jeweils anderen Pol 5,6 und der Gehäusemasse Gnd durchgeführt wird, das Verfahren also von vorn beginnt.
Wird hingegen festgestellt, dass der Isolationswiderstandswert kleiner ist als der vorgegebene Widerstandswert, wird das Verfahren mit einem Schritt S4 fortgesetzt. In dem Schritt S4 wird ein zweiter Stromwert des elektrischen Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt ermittelt, wobei der Schalter S_mess+ zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt geschlossen gehalten wird. Der zweite Stromwert wird dann mit dem ersten Stromwert verglichen, um den Energiespeicher 1 auf einen Leckage-bedingten Isolationsfehler zu prüfen. Vorzugsweise wird der Leckage-bedingte Isolationsfehler festgestellt, wenn der zweite Stromwert von dem ersten Stromwert abweicht. Ansonsten wird bevorzugt ein nicht-Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt. Bevorzugt beträgt der Zeitraum zwischen dem ersten Zeitpunkt dem zweiten Zeitpunkt mehrere Sekunden, sodass der Zeitraum ausreichend lang ist, damit der Einfluss elektrochemischer Prozesse auf den Isolationsfehler vorteilhaft abgebildet wird beziehungsweise erkennbar ist.
Alternativ wird der Stromwert zwischen den Schritten S2 und S4 zum Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des Stromwerts kontinuierlich ermittelt. Aus der Integration des zeitlichen Verlaufs des Stromwerts wird dann eine Ladungsmenge ermittelt. Der Leckage-bedingte Isolationswiderstandswert wird dann in dem Schritt S4 festgestellt, wenn die Ladungsmenge nicht linear ansteigt.
In einem Schritt S5 wird nach Feststellen eines der Isolationsfehler eine Fehlermeldung und/oder ein Warnhinweis ausgeben. Alternativ oder zusätzlich wird eine Notfallreaktion ausgelöst. Je nach Schwere des Isolationsfehlers beziehungsweise dessen Relevanz für die elektrische Sicherheit des Energiespeichers 1 handelt es sich bei der Notfallreaktion insbesondere um eine Sicherheitsabschaltung des Energiespeichers 1. Das Verfahren endet dann mit dem Schritt S6, in dem der Schalter S_mess+ wieder geöffnet wird.
Bezugszeichenliste

1: Energiespeicher
2: erste Zelle
3: letzte Zelle
4: Gehäuse
5: positiver Pol
6: negativer Pol
7: Lastwiderstand
8: Bereich
9: Messschaltung
10: Spannungsmessgerät
11: Spannungsmessgerät
Gnd: Gehäusemasse
Riso+: Isolationswiderstand
Riso-: Isolationswiderstand
Rref: Referenzwiderstand
Rst: Spannungsteilerwiderstand
Smess+: Schalter
Smess-: Schalter
UmessHV: Spannungsabfall
UmessSA: Spannungsabfall

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0049971 A1 [0004]
DE 102010012927 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Isolationsprüfung eines elektrischen Energiespeichers (1), insbesondere eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Energiespeicher (1) einen elektrisch positiven Pol (5) und einen elektrisch negativen Pol (6) aufweist, mit einer Messschaltung (9), wobei die Messschaltung (9) in Reihe geschaltet einen mit einem Bezugspotential (Gnd) verbundenen Referenzwiderstand (R_ref), einen mit dem Referenzwiderstand (R_ref) verbundenen Spannungsteilerwiderstand (R_st) und einen mit dem Spannungsteilerwiderstand einerseits (R_st) und mit einem der Pole (5,6) des Energiespeichers (1) andererseits verbundenen, ansteuerbaren Schalter (Smess+, Smess-) aufweist, und wobei der Schalter (Smess+, Smess-) in einem geschlossenen Zustand den Spannungsteilerwiderstand (R_st) mit dem Pol (5,6) elektrisch verbindet und in einem geöffneten Zustand den Spannungsteilerwiderstand (R_st) von dem Pol (5,6) elektrisch trennt, mit folgenden Schritten: - Schließen des Schalters (S_mess+, S_mess-), - Ermitteln eines ersten Stromwertes eines durch den Referenzwiderstand (R_ref) und den Spannungsteilerwiderstand (R_st) fließenden elektrischen Stroms zu einem ersten Zeitpunkt nach Schließen des Schalters (S_mess+, S_mess-), - Geschlossenhalten des Schalters (S_mess+, Smess-) und Ermitteln eines zweiten Stromwertes des elektrischen Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt, und - Prüfen des Energiespeichers (1) auf einen Leckage-bedingten Isolationsfehler durch Vergleichen der ermittelten Stromwerte miteinander.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationswiderstandswert in Abhängigkeit von dem ersten Stromwert ermittelt wird, dass der Isolationswiderstandswert zum Erkennen eines Isolationsfehlers mit einem vorgegebenen Widerstandswert verglichen wird, und dass der zweite Stromwert nur dann ermittelt wird, wenn der Isolationswiderstandswert kleiner ist als der vorgegebene Widerstandswert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckage-bedingte Isolationsfehler festgestellt wird, wenn der zweite Stromwert von dem ersten Stromwert abweicht, insbesondere wenn der zweite Stromwert kleiner ist als der erste Stromwert, und dass ansonsten ein nicht-Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand wiederholt wird, und dass ein Elektrolytaustritt aus dem Energiespeicher (1) als Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird, wenn zumindest einer der bei der Wiederholung ermittelten Stromwerte kleiner ist als der jeweilige ursprünglich ermittelte Stromwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand wiederholt wird, und dass ein Wassereintritt in den Energiespeicher (1) als Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird, wenn zumindest einer der bei der Wiederholung ermittelten Stromwerte größer ist als der jeweilige ursprünglich ermittelte Stromwert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwert zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt zum Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des Stromwerts kontinuierlich ermittelt wird, dass eine Ladungsmenge aus der Integration des zeitlichen Verlaufs des Stromwerts zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ermittelt wird, dass der Leckage-bedingte Isolationsfehler festgestellt wird, wenn die Ladungsmenge nicht linear ansteigt, und dass ansonsten ein nicht-Leckage-bedingter Isolationsfehler festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Feststellen eines der Isolationsfehler eine Fehlermeldung und/oder ein Warnhinweis, insbesondere auf einer einem Fahrer des Kraftfahrzeugs zugewandten Anzeigevorrichtung, ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Feststellen eines der Isolationsfehler eine Notfallreaktion, insbesondere nach Abschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs, ausgelöst wird.
Vorrichtung zur Isolationsprüfung eines elektrischen Energiespeichers (1), gekennzeichnet durch ein Steuergerät, das speziell dazu hergerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.