DE102021214116A1

DE102021214116A1 - Traktionsnetz und Verfahren zur Isolationswiderstandsüberwachung in einem Traktionsnetz

Info

Publication number: DE102021214116A1
Application number: DE102021214116.1A
Authority: DE
Inventors: Marcus Lehnhardt; Holger Näther
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-15
Also published as: CN116394757A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochvoltbatterie (2), wobei das Traktionsnetz (1) eine erste Messeinrichtung (M1) zur Erfassung der Spannung der Hochvoltbatterie (2) sowie eine Messeinrichtung (M3) zur Erfassung einer Spannung zwischen einer positiven Hochvoltleitung (7) und Masse und eine weitere Messeinrichtung (M4) zur Erfassung einer Spannung zwischen einer negativen Hochvoltleitung (8) und Masse aufweist, wobei ein Isolationswiderstand (R_iso_2b_P) zwischen der positiven Hochvoltleitung (7) und Masse und ein Isolationswiderstand (R_iso_2b_N) zwischen der negativen Hochvoltleitung (8) und Masse gleich sind oder durch diskrete Symmetrierungs-Widerstände (R_sym_2b_P, R_sym_2b_N) symmetriert sind, wobei das Traktionsnetz (1) weiter einen Messwiderstand (Rmess) aufweist, der mit Masse verbunden ist, wobei der Messwiderstand (Rmess) über ein erstes Schaltelement (S1) mit der positiven Hochvoltleitung (7) und über ein zweites Schaltelement (S2) mit der negativen Hochvoltleitung (8) verbindbar ist, wobei das Traktionsnetz (1) weiter eine Isolationswächter-Einrichtung (10) aufweist, die derart ausgebildet ist, im Fahrzeugstillstand eine Isolationsüberwachung durch Vergleich der Spannungen zwischen positiver Hochvoltleitung (7) und Masse U_2b_P und zwischen negativer Hochvoltleitung (8) und Masse U_2b_N durchzuführen, wobei im Fahrbetrieb die Isolationswiderstände (R_iso_2b_P und R_iso_2b_N) durch Schließen jeweils eines der ersten oder zweiten Schaltelemente (S1, S2) berechnet werden, sowie ein Verfahren zur Isolationsüberwachung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Isolationswiderstandsüberwachung in einem Traktionsnetz.
Ein bekanntes Verfahren zur Berechnung eines Isolationswiderstandes in einem Traktionsnetz nach ECE-R100 bzw. SAE J1766 erfolgt dadurch, dass ein Messwiderstand, der mit Masse verbunden ist, über ein Schaltelement mit der positiven Hochvoltleitung oder ein weiteres Schaltelement mit der negativen Hochvoltleitung verbunden wird. Aufgrund des zugeschalteten Messwiderstandes ändert sich die Spannung zwischen derjeweiligen Hochvoltleitung und Masse, wobei diese Spannungsänderung zur Berechnung des Isolationswiderstands herangezogen werden kann. Dabei muss nach dem Schließen des Schalters eine gewisse Zeit gewartet werden, bis die Umladung der C_Y-Kondensatoren abgeschlossen ist. Der Isolationswiderstand lässt sich dann berechnen zu: $R_{i s o} = R_{m e s s} \cdot U_{B} \cdot (\frac{1}{U_{1}^{'}} - \frac{1}{U_{1}})$
bzw. $R_{i s o} = R_{m e s s} \cdot U_{B} \cdot (\frac{1}{U_{2}^{'}} - \frac{1}{U_{2}}),$
wobei U_B die Betriebsspannung bzw. im Traktionsnetz die Spannung der Hochvoltbatterie ist. Durch die Aufschaltung des Messwiderstandes kommt es zu einer Asymmetrie, d.h. die Spannungen zwischen den beiden Hochvoltleitungen und Masse sind unterschiedlich, sodass die C_Y-Kondensatoren unterschiedlich stark aufgeladen werden, sodass der Energieinhalt der C_Y-Kondensatoren aufgrund des quadratischen Zusammenhangs mit der Spannung steigt. Dies ist typischerweise bei der Dimensionierung der C_Y-Kondensatoren zu berücksichtigen und begrenzt deren Größe.
Aus der EP 3 637 114 A1 ist ein Hochvoltsystem bekannt, umfassend eine Hochvoltbatterie und einen DC/DC-Wandler, wobei das Hochvoltsystem bei aktivem DC/DC-Wandler zwei unterschiedliche galvanisch verbundene Spannungsebenen aufweist, wobei das Hochvoltsystem eine erste Messeinrichtung zur Erfassung der Spannung der Hochvoltbatterie und eine zweite Messeinrichtung zur Erfassung der Spannung am Ausgang des DC/DC-Wandlers aufweist, wobei das Hochvoltsystem eine Isolationswiderstandsmesseinrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, nur bei deaktiviertem DC/DC-Wandler Isolationswiderstandsmessungen durchzuführen, wobei das Hochvoltsystem weiter eine dritte Messeinrichtung zur Erfassung einer Spannung zwischen einer positiven Hochvoltleitung und Masse und eine vierte Messeinrichtung zur Erfassung einer Spannung zwischen einer negativen Hochvoltleitung und Masse aufweist, wobei das Hochvoltsystem eine Isolationswächter-Einrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, aus den Daten der ersten bis vierten Messeinrichtung die Isolationswiderstände mindestens bei aktivem DC/DC-Wandler zu überwachen.
Aus der DE 10 2017 220 982 A1 ist ein Traktionsnetz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug bekannt, umfassend mindestens eine Hochvoltbatterie, wobei die Hochvoltbatterie über eine positive Hochvoltleitung und eine negative Hochvoltleitung mit mindestens einer Hochvoltkomponente verbunden ist, wobei mindestens ein Y-Kondensator an der positiven Hochvoltleitung und mindestens ein Y-Kondensator an der negativen Hochvoltleitung angeschlossen ist. Dabei ist den Y-Kondensatoren mindestens ein Schaltelement zugeordnet, wobei das mindestens eine Schaltelement durch mindestens eine Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit mindestens eines Betriebszustandes den mindestens einen Y-Kondensator von einem Masseanschluss oder der zugeordneten Hochvoltleitung zu trennen, und/oder den Y-Kondensatoren eines Y-Kondensatorpaares ein gemeinsames Schaltelement zugeordnet ist, das zwischen einem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Y-Kondensatoren und Masse angeordnet ist, wobei das gemeinsame Schaltelement durch mindestens eine Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit mindestens eines Betriebszustandes die Y-Kondensatoren von einem Masseanschluss zu trennen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei dem die Dimensionierung der Y-Kondensatoren weiter vereinfacht wird, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung es technischen Problems ergibt sich durch ein Traktionsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Hochvoltbatterie, wobei das Traktionsnetz eine erste Messeinrichtung zur Erfassung der Spannung der Hochvoltbatterie sowie eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Spannung zwischen einer positiven Hochvoltleitung und Masse und eine weitere Messeinrichtung zur Erfassung einer Spannung zwischen einer negativen Hochvoltleitung und Masse aufweist. Weiter sind ein Isolationswiderstand zwischen der positiven Hochvoltleitung und Masse und ein Isolationswiderstand zwischen der negativen Hochvoltleitung und Masse gleich oder sind durch Symmetrierungs-Widerstände symmetriert. Das Traktionsnetz weist weiter einen Messwiderstand auf, der mit Masse verbunden ist, wobei der Messwiderstand über ein erstes Schaltelement mit der positiven Hochvoltleitung und über ein zweites Schaltelement mit der negativen Hochvoltleitung verbindbar ist. Weiter weist das Traktionsnetz eine Isolationswächter-Einstellung auf, die derart ausgebildet ist, im Fahrzeugstillstand eine Isolationsüberwachung durch Vergleich der Spannungen zwischen positiver Hochvoltleitung und Masse und negativer Hochvoltleitung und Masse durchzuführen, wobei im Fahrbetrieb die Isolationswiderstände durch Schließen jeweils eines der ersten und zweiten Schaltelemente berechnet werden. Hierdurch können die Y-Kondensatoren größer ausgelegt werden, da im Fahrzeugstillstand, wo eine Berührung mit spannungsführenden Teilen möglich wäre, eine Asymmetrierung vermieden wird, wobei im Fahrbetrieb die Asymmetrierung durch die Messung zugelassen werden kann, da eine Berührung ausgeschlossen werden kann. Hinsichtlich der Messung und Berechnung der Isolationswiderstände im Fahrbetrieb wird auf den einleitenden Stand der Technik bzw. ECE-R100 bzw. SAE J1766 verwiesen. Hinsichtlich der weiteren Möglichkeiten, aus reinem Spanungsvergleich Rückschlüsse auf Fehler in der Isolation zu schließen, wird auf die EP 3 637 114 A1 verwiesen. So kann beispielsweise auf einen Isolationsfehler im AC-Teil geschlossen werden, wenn eine Wechselspannung zwischen den Hochvoltleitungen und Masse gemessen wird. Schließlich können ergänzend die Maßnahmen aus der DE 10 2017 220 982 A1 zur Anwendung kommen. Ergibt dann der Vergleich eine Abweichung zwischen den beiden zu vergleichenden Spannungen im Fahrzeugstillstand, so kann dies als Fehler in der Isolation aufgefasst werden.
In einer Ausführungsform ist die Isolationswächter-Einrichtung derart ausgebildet, das Verhältnis zwischen den Spannungen zu bilden, wobei bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes oder Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes auf einen Isolationsfehler geschlossen wird. Der erste Schwellwert ist beispielsweise zwischen 1,1 - 1,2 und der zweite Schwellwert zwischen 0,8 - 0,9. Wird ein Isolationsfehler festgestellt, so wird das Traktionsnetz abgeschaltet und aktiv entladen. Zusätzlich kann eine aktive Entladung der Y-Kondensatoren erfolgen. Ebenso wird das Traktionsnetz bei Berechnung eines zu geringen Isolationswiderstandes in einen sicheren Zustand überführt und dann im Fahrzeugstillstand das Traktionsnetz ausgeschaltet sowie die Y-Kondensatoren aktiv entladen.
Da der Vergleich der Spannungen im Fahrzeugstillstand nur qualitativ ist, die Berechnung der Isolationswiderstände im Fahrbetrieb hingegen sehr genau ist, werden vorzugsweise die Schwellwerte für den Vergleich im Fahrzeugstillstand in Abhängigkeit der berechneten Isolationswiderstände angepasst, um so geringen Abweichungen bei der Symmetrie Rechnung zu tragen.
Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild eines Traktionsnetzes,
2 eine schematische Messschaltung nach ECE-R100 (Stand der Technik) und
3 beispielhafte Umladekurven bei der Messung nach ECE-R100 (Stand der Technik).

Bevor das erfindungsgemäße Traktionsnetz erläutert wird, soll zunächst kurz das Problem der Asymmetrierung der Spannung durch die ECE-R100-Messung erläutert werden, wobei 2 die schematische Messschaltung und 3 die Spannungsverläufe schematisch zeigt. Wird beispielsweise das Schaltelement S1 geschlossen, so reduziert sich der resultierende Isolationswiderstand zwischen positiver Hochvoltleitung und Masse, sodass aufgrund des Spannungsteilers mit dem Isolationswiderstand R_iso zwischen negativer Hochvoltleitung und Masse der Spannungsabfall über dem Isolationswiderstand R_iso- zunimmt, wobei Abfall und Anstieg der Spannung aufgrund der Umladeprozesse in den Y-Kondensatoren exponentiell sind. Im Extremfall liegt also kurzzeitig nahezu die volle Spannung der Batterie Uo an einem Y-Kondensator an, sodass der Energieinhalt sehr hoch ist.
In der 1 ist ein Traktionsnetz 1 dargestellt, das eine Hochvoltbatterie 2, einen Wechselrichter 4 und eine Elektromaschine 5 aufweist. Des Weiteren weist das Traktionssystem 1 zwei Schütze S auf, mittels derer die Hochvoltbatterie 2 allpolig vom übrigen Traktionsnetz 1 galvanisch getrennt werden kann. Zusätzlich ist ein Vorladewiderstand Rv und ein Vorladerelais Sv dargestellt. Anstelle der Schütze S können auch Halbleiterschalter zum Einsatz kommen. Weiter weist das Hochvoltsystem 1 eine erste Messeinrichtung M1 auf, die die Spannung U_2b der Hochvoltbatterie 2 misst. Zwischen einer positiven Hochvoltleitung 7 und Masse sowie einer negativen Hochvoltleitung 8 und Masse ist jeweils ein Y-Kondensator C_Y zur Entstörung angeordnet. Weiter bildet sich zwischen der positiven Hochvoltleitung 7 und Masse ein Isolationswiderstand R_iso_2b_P aus. Entsprechend bildet sich zwischen der negativen Hochvoltleitung 8 und Masse ein Isolationswiderstand R_iso_2b_N aus. Für den Fall, dass die beiden sich ausbildenden Isolationswiderstände R_iso_2b_P und R_iso_2b_N nicht gleich sind, werden diskrete Symmetrierungs-Widerstände R_sym_2b_P, R_sym_2b_N zwischen die Hochvoltleitungen 7, 8 und Masse geschaltet, sodass die beiden Parallelschaltungen einen gleich großen Isolationswiderstand bilden. Weiter ist eine Messeinrichtung M3 vorgesehen, die die Spannung U_2b_P zwischen der positiven Hochvoltleitung 7 und Masse erfasst. Entsprechend ist eine weitere Messeinrichtung M4 vorgesehen, die die Spannung U_2b_N zwischen der negativen Hochvoltleitung 8 und Masse erfasst. Schließlich bilden sich auch Isolationswiderstände R_iso_1 - R_iso_3 zwischen den drei Phasenleitungen der Elektromaschine 5 und Masse aus. Weiter weist das Traktionsnetz 1 eine Isolationswächter-Einrichtung 10 auf, die beispielsweise in einem Motorsteuergerät oder Batteriemanagement-Steuergerät 11 integriert ist.
Weiter weist das Traktionsnetz 1 einen Messwiderstand R_mess sowie ein erstes Schaltelement S1 und ein zweites Schaltelement S2 auf, wobei der Messwiderstand R_mess fest mit Masse verbunden ist und über das erste Schaltelement S1 mit der positiven Hochvoltleitung 7 und über das zweite Schaltelement S2 mit der negativen Hochvoltleitung 8 verbindbar ist. Die Isolationswächter-Einrichtung 10 erhält die Messergebnisse der drei Messeinrichtungen M1, M3, M4 sowie erzeugt Steuersignale für die beiden Schaltelemente S1, S2.
Im Fahrzeugstillstand vor Fahrtbeginn oder beim Laden vergleicht die Isolationswächter-Einrichtung die beiden Spannungen U_2b_P und U_2b_N, indem beispielsweise deren Verhältnis gebildet und mit einem Schwellwert verglichen wird. Im fehlerfreien Zustand sollte das Verhältnis 1 sein, da die Isolationswiderstände symmetrisch sind oder symmetriert sind. Ist hingegen das Verhältnis größer einem ersten Schwellwert oder kleiner als ein zweiter Schwellwert, so wird auf einen Isolationsfehler geschlossen. Das Traktionsnetz 1 wird dann abgeschaltet und aktiv entladen. Zusätzlich kann eine aktive Entladung der Y-Kondensatoren C_Y erfolgen und der Kraftfahrzeugführer informiert werden. Wurde hingegen kein Isolationsfehler festgestellt, so kann das Kraftfahrzeug losfahren. Während der Fahrt erfolgt dann eine Berechnung der Isolationswiderstände gemäß ECE-R100, indem einmal das Schaltelement S1 geschlossen wird und die Spannungsänderung zur Berechnung des Isolationswiderstandes zwischen positiver Hochvoltleitung 7 und Masse verwendet wird. Entsprechend kann dann durch Schließen von dem zweiten Schaltelement S2 aus der Spannungsänderung der Isolationswiderstand zwischen negativer Hochvoltleitung 8 und Masse bestimmt werden. Die derart bestimmten Isolationswiderstände werden abgespeichert und können zur Anpassung der Schwellwerte verwendet werden. Ergibt die Berechnung der Isolationswiderstände einen Isolationsfehler, wird der Kraftfahrzeugführer gewarnt und das Traktionsnetz im Stand abgeschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Traktionsnetz
2: Hochvoltbatterie
4: Wechselrichter
5: Elektromaschine
7: positive Hochvoltleitung
8: negative Hochvoltleitung
10: Isolationswächter-Einrichtung
11: Batteriemanagement-Steuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3637114 A1 [0003, 0007]
DE 102017220982 A1 [0004, 0007]

Claims

Traktionsnetz (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochvoltbatterie (2), wobei das Traktionsnetz (1) eine erste Messeinrichtung (M1) zur Erfassung der Spannung der Hochvoltbatterie (2) sowie eine Messeinrichtung (M3) zur Erfassung einer Spannung zwischen einer positiven Hochvoltleitung (7) und Masse und eine weitere Messeinrichtung (M4) zur Erfassung einer Spannung zwischen einer negativen Hochvoltleitung (8) und Masse aufweist, wobei ein Isolationswiderstand (R_iso_2b_P) zwischen der positiven Hochvoltleitung (7) und Masse und ein Isolationswiderstand (R_iso_2b_N) zwischen der negativen Hochvoltleitung (8) und Masse gleich sind oder durch diskrete Symmetrierungs-Widerstände (R_sym_2b_P, R_sym_2b_N) symmetriert sind, wobei das Traktionsnetz (1) weiter einen Messwiderstand (R_mess) aufweist, der mit Masse verbunden ist, wobei der Messwiderstand (R_mess) über ein erstes Schaltelement (S1) mit der positiven Hochvoltleitung (7) und über ein zweites Schaltelement (S2) mit der negativen Hochvoltleitung (8) verbindbar ist, wobei das Traktionsnetz (1) weiter eine Isolationswächter-Einrichtung (10) aufweist, die derart ausgebildet ist, im Fahrzeugstillstand eine Isolationsüberwachung durch Vergleich der Spannungen zwischen positiver Hochvoltleitung (7) und Masse (U_2b_P) und zwischen negativer Hochvoltleitung (8) und Masse (U_2b_N) durchzuführen, wobei im Fahrbetrieb die Isolationswiderstände (R_iso_2b_P und R_iso_2b_N) durch Schließen jeweils eines der ersten oder zweiten Schaltelemente (S1, S2) berechnet werden.
Traktionsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationswächter-Einrichtung (10) derart ausgebildet sind, das Verhältnis zwischen den Spannungen U_2b_N und U_2b_N zu bilden, wobei bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes oder Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes auf einen Isolationsfehler geschlossen wird.
Traktionsnetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationswächter-Einrichtung (10) derart ausgebildet ist, den ersten und zweiten Schwellwert in Abhängigkeit der berechneten Isolationswiderstände R_iso_2b_P und R_iso_2b_N anzupassen.
Verfahren zur Isolationswiderstandsüberwachung in einem Traktionsnetz für ein Kraftfahrzeug, wobei das Traktionsnetz (1) eine erste Messeinrichtung (M1) zur Erfassung der Spannung der Hochvoltbatterie (2) sowie eine Messeinrichtung (M3) zur Erfassung einer Spannung zwischen einer positiven Hochvoltleitung (7) und Masse und eine weitere Messeinrichtung (M4) zur Erfassung einer Spannung zwischen einer negativen Hochvoltleitung (8) und Masse aufweist, wobei ein Isolationswiderstand (R_iso_2b_P) zwischen der positiven Hochvoltleitung (7) und Masse und ein Isolationswiderstand (R_iso_2b_N) zwischen der negativen Hochvoltleitung (8) und Masse gleich sind oder durch diskrete Symmetrierungs-Widerstände (R_sym_2b_P, R_sym_2b_N) symmetriert sind, wobei das Traktionsnetz (1) weiter einen Messwiderstand R_mess über ein erstes Schaltelement S1 mit der positiven Hochvoltleitung (7) und über ein zweites Schaltelement S2 mit der negativen Hochvoltleitung (8) verbindbar ist, wobei das Traktionsnetz (1) weiter eine Isolationswächter-Einrichtung (10) aufweist, die im Fahrzeugstillstand eine Isolationsüberwachung durch Vergleich der Spannungen U_2b_P und U_2b_N durchführt, wobei im Fahrbetrieb die Isolationswiderstände R_iso_2b_P und R_iso_2b_N durch Schließen jeweils eines der ersten und zweiten Schaltelemente (S1, S2) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationswächter-Einrichtung (10) das Verhältnis zwischen Spannungen U_2b_N und U_2b_P bildet, wobei bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes oder Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes auf einen Isolationsfehler geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationswächter-Einrichtung (10) den ersten und zweiten Schwellwert in Abhängigkeit der berechneten Isolationswidderstände R_iso_2b_P und R_iso_2b_N anpasst.