DE102022100296A1

DE102022100296A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten Gleichspannungsnetzen

Info

Publication number: DE102022100296A1
Application number: DE102022100296.9A
Authority: DE
Inventors: Julian Faulhaber
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung (UHV) gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes, insbesondere Hochvolt-Gleichspannungsnetz eines Elektrofahrzeugs (2), bei dem eine Widerstandsmessschaltung (4) einerseits mit einem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) des Gleichspannungsnetzes und andererseits mit einem gegenüber dem Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) isolierten Erdungspotential (GND) elektrisch wirksam gekoppelt wird, die speisende Hochvoltspannung (UHV,1) erfasst wird und mehrere Messspannungen (Ua,1, Ub,1, Uc,1) mittels der Widerstandsmessschaltung (4) während eines Messzeitraums (Δt) nach dem Koppeln der Widerstandsmessschaltung (4) und vor Erreichen eines auf eine Endspannung (Ue,1) eingeschwungenen Spannungszustands erfasst werden und ein zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) wirksamer Isolationswiderstand (Riso,p, Riso,n, Riso,parallel) basierend auf der eingeschwungenen Endspannung (Ue,1) sowie der erfassten Hochvoltspannungen (UHV,1) berechnet wird, wobei die eingeschwungene Endspannung (Ue,1) aus den mehreren erfassten Messspannungen (Ua,1, Ub,1, Uc,1) extrapoliert wird.Die Erfindung betrifft ferner einer Vorrichtung (1) zur Isolationsüberwachung sowie ein Elektrofahrzeug (2) mit einer derartigen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten Gleichspannungsnetzen, insbesondere Hochvolt-Gleichspannungsnetzen in Elektrofahrzeugen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Elektrofahrzeuge, beispielsweise batteriebetriebene Fahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, weisen gewöhnlich eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) als Energiespeicher mit beispielsweise 400 V oder 800 V Nennspannung auf. Als Hochvoltspannung bzw. Hochvoltpotential (hierin auch kurz mit „HV“ bezeichnet) wird im Sinne der Erfindung - wie auch im Automotive-Bereich - eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1500 V. Als Niedervoltspannung bzw. Niedervoltpotential wird dementsprechend eine elektrische Spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, z. B. 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V. Die Begriffe Hochvolt- und Niedervoltspannung werden hierin im Zusammenhang mit der Erfindung synonym zu den Begriffen Hochvolt-/Niedervoltpotential mit den vorstehend angegebenen Spannungsebenen bzw. Spanungsbereichen verwendet.
Bei einem aus einer Hochvoltbatterie elektrisch gespeisten HV-Gleichspannungsnetz, beispielsweise ein HV-Bordnetz eines Elektrofahrzeugs, handelt es sich gewöhnlich um ein so genanntes IT-Netz (franz. Isole Terre), d. h. um ein ungeerdetes Gleichspannungsnetz. In dieser speziellen Netzform ist beispielsweise ein Chassis (d. h. Fahrzeugmasse, Erdungspotential) eines Elektrofahrzeugs elektrisch von den Polen, d. h. den aktiven Leitern, der HV-Batterie isoliert. Diese Isolation muss während des Betriebs stetig überwacht und geprüft werden. Fällt der Widerstandswert der Isolation zwischen den HV-Potentialen und der Fahrzeugmasse unter einen definierten Schwellenwert, muss dies detektiert und gemeldet werden. Bei kritisch geringen Isolationswerten wird die Fahrt unterbrochen und die elektrische Verbindung zwischen Batterie und elektrischen Verbrauchern, z. B. Antriebsmotor, getrennt.
Es ist bekannt, zur Bestimmung des Isolationswiderstands in einem Elektrofahrzeug die Spannung zwischen dem positiven Hochvoltpotential HV+ und Chassis (GND) sowie zwischen dem negativen Hochvoltpotential HV- und Chassis (GND) durch einen Messwiderstand zu beeinflussen. Aus der resultierenden Spannungsänderung kann der Isolationswiderstand bestimmt werden. Die zu ermittelnde Spannungsänderung wird durch im Fahrzeug wirksame elektrische Kapazitäten sehr stark beeinflusst. Ein eingeschwungener Spannungszustand liegt nicht sofort nach dem Anlegen des Messwiderstands an. Abhängig von den wirksamen Kapazitäten zwischen HV+ und GND und HV- und GND sowie dem Wert des Messwiderstands benötigt ein Lade- bzw. Umladevorgang der Kapazitäten im Normalfall etwa 15-60 Sekunden oder sogar zwischen 30-120 Sekunden. Diese Zeitdauer stellt eine Mindestzeitdauer zur Bestimmung des Isolationswiderstands dar, um diesen mit einer vorgegebenen Genauigkeit ermitteln zu können. Zusätzlich steigt mit zunehmender Spannungshöhe im Gleichspannungsnetz (z. B. von 400 V auf 800 V in einem Elektrofahrzeug bei Verwendung entsprechender HV-Batterien) auch der erforderliche Wert des Messwiderstands und damit die Zeitdauer bis zum Erreichen des eingeschwungenen Spannungszustands.
EP 2 256 506 A1 beschreibt beispielsweise eine Überwachungsvorrichtung zur Isolationsüberwachung von ungeerdeten Gleichspannungsnetzen, bei welcher über einen Messwiderstand eine einen Gleichanteil und einen Wechselanteil aufweisende, auf ein vorbestimmtes Massepotential bezogene Gesamtmessspannung in das Gleichspannungsnetz eingekoppelt wird. Eine am Messwiderstand abfallende Spannung liefert den Gesamtmessstrom, der von der Überwachungsvorrichtung in einen tiefpassgefilterten Gleichanteil und einen bandpassgefilterten Wechselanteil getrennt wird, um den Isolationswiderstand mit zwei verschiedenen Methoden zu bestimmen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Isolationsüberwachung von Gleichspannungsnetzen, insbesondere von HV-Gleichspannungsnetzen beispielsweise in E Elektrofahrzeugen, sowie ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, bei denen ein Messzeitraum zur genauen Bestimmung eines Isolationswiderstands gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich reduziert ist. Für eine sichere und zuverlässige Isolationsüberwachung soll die Bestimmung von Isolationswiderständen trotz deutlich verkürzter Bestimmungsdauer mit hoher Genauigkeit erfolgen. Der Isolationswiderstand soll während des Netzbetriebs in wesentlich kürzeren Intervallen und damit in einem vorgegebenen Zeitraum häufiger geprüft werden können, um die Betriebssicherheit des Spannungsnetzes weiter zu verbessern. Eine schnelle und genaue Erfassung von Isolationsfehlern soll bereitgestellt werden, um Unterbrechungen oder Störungen des Netzes, eine Gefährdung der Nutzer durch Fehlfunktion, ein Entstehen gefährlicher Berührungsspannung, den Verlust von Energie, Brand oder Explosion durch Funkenbildung oder Korrosion durch Fehlerströme effizient zu vermeiden. Nicht zuletzt sollen das Verfahren und die Vorrichtung technisch einfach, kompakt und kostengünstig implementierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.
Relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen, sind im Rahmen der Erfindung so auszulegen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist eine Größe eines Merkmals erst dann als z. B. „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ u. dgl. anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung (hierin auch abgekürzt mit HV bezeichnet) gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes, insbesondere Hochvolt-Gleichspannungsnetz eines Elektrofahrzeugs, das beispielsweise - jedoch ohne zwingende Beschränkung hierauf - durch eine HV-Batterie (ohne Beschränkung beispielsweise mit 400 V oder 800 V) gespeist ist, wird eine Widerstandsmessschaltung einerseits mit einem positiven und/oder negativen Hochspannungspotential bzw. Hochvoltpotential des Gleichspannungsnetzes und andererseits mit einem gegenüber dem Hochspannungspotential bzw. Hochvoltpotential isolierten Erdungspotential (hierin auch abgekürzt mit GND bezeichnet) elektrisch wirksam gekoppelt. Das ungeerdete Gleichspannungsnetz ist ein so genanntes IT-Netz (franz. Isole Terre). Das Erdungspotential kann beispielsweise durch ein von dem Hochvoltpotential des HV-Netzes elektrisch isoliertes Chassis eines Fahrzeugs bereitgestellt sein.
Die Widerstandsmessschaltung stellt im Sinne der Erfindung eine elektrische Widerstandswirkung (z. B. mittels wenigstens eines ohmschen Widerstands) zwischen vorgesehenen Anschlusspunkten bereit, über welche die Kopplung an das HV-Netz erfolgt. Das elektrisch wirksame Koppeln der Widerstandsmessschaltung mit dem HV-Netz, das heißt das elektrische Verbinden der Messschaltung mit dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential des HV-Netzes einerseits und dem isolierten Erdungspotential andererseits, um einen Messstromkreis zu bilden, führt dazu, dass die Spannung des HV-Netzes gegenüber dem Erdungspotential verändert wird. Mit anderen Worten bewirkt die elektrisch wirksame Kopplung im Sinne der Erfindung eine messbare Veränderung wenigstens einer elektrischen Größe im HV-Netz. Abhängig von im HV-Netz wirksamen elektrischen Kapazitäten, z. B. sogenannte Y-Kapazitäten, und einem elektrisch wirksamen Widerstand der Messschaltung beginnt nach dem Koppeln der Messschaltung und dem Schließen des Messstromkreises ein dynamischer Lade- bzw. Umladevorgang der elektrisch wirksamen Kapazitäten. Dieser Ausgleichsvorgang benötigt eine gewisse Zeitspanne, die durch den Wert der Kapazität(en) und dem elektrischen Widerstand bestimmt wird. Ein eingeschwungener Spannungszustand, das heißt ein Zustand, in dem sich eine gemessene Spannung in der Messschaltung im Wesentlichen nicht mehr ändert, also im Wesentlichen konstant ist, liegt folglich nicht sofort an der Messschaltung an.
Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht weiterhin ein Erfassen der speisenden Hochvoltspannung sowie ein Erfassen mehrerer Messspannungen mittels der Widerstandsmessschaltung während eines Messzeitraums nach dem Koppeln der Messschaltung und vor Erreichen eines auf eine Endspannung an der Messschaltung eingeschwungenen Spannungszustands vor. Auf diese Erfassungsschritte kann hierin in kompakter Weise auch als erster Messvorgang Bezug genommen werden.
Erfindungsgemäß wird ein zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential wirksamer Isolationswiderstand basierend auf der eingeschwungenen Endspannung sowie der erfassten Hochvoltspannungen berechnet, wobei die eingeschwungene Endspannung aus den mehreren erfassten Messspannungen extrapoliert, d. h. berechnend vorhergesagt wird, ohne dass der komplette Lade-/Umladevorgang abgewartet werden muss.
Hierdurch kann die Zeit für einen Messzyklus massiv reduziert werden. Anstatt von gewöhnlich etwa 15-120 Sekunden für einen Messzyklus ermöglicht die Erfindung Messzyklen im Bereich von etwa ein bis zwei Sekunden und sogar weniger als eine Sekunde. Die Reduktion des Messzeitraums führt zu schnellen Messzyklen. Isolationsfehler im IT-Netz können schneller aufgedeckt werden. Der wirksame Isolationswiderstand zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug kann somit vor Fahrtbeginn geprüft werden, ohne dass die Fahrbereitschaft beeinträchtigt wird.
Steigt beispielsweise die Netzspannung bei Elektrofahrzeugen von 400 V auf 800 V, muss ebenfalls eine wirksame Widerstandswirkung der Widerstandsmessschaltung zunehmen. Dementsprechend nimmt die benötigte Zeitspanne zum Messen des Isolationswiderstandes zu, so dass herkömmliche Überwachungssysteme eine noch langsamere Reaktionszeit aufweisen und für einen vollständigen Messzyklus wenigstens 1-2 Minuten oder mehr benötigen. Die Erfindung bietet daher besondere Vorteile im Anwendungsbereich von Elektrofahrzeugen, insbesondere mit 800 V-Netzen, ohne jedoch zwingend auf die Verwendung in Elektrofahrzeugen beschränkt zu sein.
Die Bestimmung des Isolationswiderstands kann trotz der deutlich kürzeren Bestimmungsdauer mit sehr hoher Genauigkeit durchgeführt werden, so dass die Betriebssicherheit des HV-Netzes sowohl durch die in einem vorgegebenen Zeitraum mögliche häufigere Widerstandsüberprüfung als auch durch die genaue Widerstandsbestimmung verbessert wird. Unterbrechungen oder Störungen des Netzes, eine Gefährdung von Nutzern durch Fehlfunktion, ein Entstehen gefährlicher Berührungsspannung, der Verlust von Energie, Brand oder Explosion durch Funkenbildung oder Korrosion durch Fehlerströme können effizient vermieden werden. Nicht zuletzt kann die Erfindung mit technisch einfachen Mitteln und damit kostengünstig implementiert werden, da die Vorhersage der Endspannung anhand der mehreren erfassten Messspannungen auf rechnerischem Weg erfolgt und beispielsweise von einer einfach und kompakt bauenden elektronischen Steuereinrichtung durchgeführt werden kann.
In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgegenstands werden die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential nach dem Erfassen der (ersten) mehreren Messspannungen verändert, die speisende Hochvoltspannung (ein zweites Mal) erfasst und mehrere zweite Messspannungen mittels der Widerstandsmessschaltung während eines zweiten Messzeitraums nach dem Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Messschaltung und vor Erreichen eines auf eine zweite Endspannung eingeschwungenen Spannungszustands erfasst. Auf diese Erfassungsschritte kann hierin auch zusammenfassend als zweiter Messvorgang Bezug genommen werden.
Es wird weiterhin - ähnlich der vorbeschriebenen Extrapolation der eingeschwungenen Endspannung im ersten Messvorgang - die eingeschwungene zweite Endspannung aus den mehreren zweiten Messspannungen extrapoliert und damit auf rechnerische Weise vorhergesagt, ohne dass der durch die Veränderung der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung verursachte Umladevorgang der Kapazitäten im Gleichspannungsnetz vollständig abgewartet werden muss.
Als Änderung der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung an das Gleichspannungsnetz, das heißt zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem isolierten Erdungspotential, ist insbesondere eine Änderung einer Widerstandswirkung der Messschaltung auf das Gleichspannungsnetz zu verstehen. Dies kann beispielsweise eine Änderung des Anschlusspunkts am Gleichspannungsnetz und/oder eine Widerstandsänderung der Messschaltung selbst umfassen. Dementsprechend gelten auch das Zuschalten (d. h. Koppeln) und Abschalten (d. h. Entkoppeln) der Widerstandsmessschaltung an bzw. vom Gleichspannungsnetz als Änderung der Kopplung im Sinne der Erfindung, da das Zuschalten bzw. Abschalten elektrisch wirksam, das heißt messbar, auf das HV-Netz Einfluss nimmt.
Weiterhin wird der zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential wirksame Isolationswiderstand bei der vorliegenden Ausgestaltung zusätzlich basierend auf der eingeschwungenen zweiten Endspannung sowie der zugehörigen (d. h. zweitmalig) erfassten Hochvoltspannung berechnet. Damit geht in die Berechnung des Isolationswiderstands eine weitere, durch die Widerstandsmessschaltung im HV-Netz bewirkte Zustandsänderung ein, wodurch die Genauigkeit des Berechnungsergebnisses weiter erhöht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential nach dem Erfassen der zweiten Messspannungen (d. h. nach dem zweiten Messvorgang) verändert, die speisende Hochvoltspannung erfasst und mehrere dritte Messspannungen mittels der Messschaltung während eines dritten Messzeitraums nach dem Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung und vor Erreichen eines auf eine dritte Endspannung eingeschwungenen Spannungszustands erfasst (hierin auch als dritter Messvorgang bezeichnet). Die eingeschwungene dritte Endspannung wird aus den mehreren dritten Messspannungen extrapoliert und dementsprechend mit rechnerischen Mitteln vorherbestimmt, ohne dass der komplette Umladevorgang abgewartet werden muss. Anschließend wird der zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential wirksame Isolationswiderstand basierend auf der zweiten und dritten eingeschwungenen Endspannungen sowie den zugehörigen erfassten Hochvoltspannungen berechnet.
Mit anderen Worten wird in diesem Fall die eingeschwungene Endspannung aus dem ersten Messvorgang durch die eingeschwungene Endspannung aus dem dritten Messvorgang ersetzt, ebenfalls die zugehörige speisende Hochvoltspannung. Das heißt, die im ersten Messvorgang erfassten Spannungswerte werden verworfen und durch die während des dritten Messvorgangs erfassten Spannungswerte ersetzt. Auf diese Weise kann das Berechnungsergebnis weiter verbessert werden, insbesondere in einem solchen Fall, in dem die erfassten Spannungswerte während des ersten Messvorgangs, das heißt nach dem erstmaligen Ankoppeln der Widerstandsmessschaltung an das HV-Netz, möglicherweise keine genaue Berechnung des Isolationswiederstands ermöglichen, z. B. aufgrund einer zu geringen Spannungsänderung im HV-Netz. Dies kann in seltenen Fällen beispielsweise auftreten, wenn ein Teilungsverhältnis zwischen Isolationswiderstand und Widerstandsmessschaltung sich trotz Änderung der Widerstandskopplung nicht verändert. Beim dritten Messvorgang befindet sich das HV-Netz hingegen in einem anderen elektrischen Zustand, ausgehend von welchem sicher Spannungswerte erfasst werden können, die zur genauen Berechnung des Isolationswiderstands geeignet sind. Es wird auf diese Weise eine zuverlässige Isolationsüberwachung in jedem Messzyklus gewährleistet.
Eine ebenfalls in diesem Sinne vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die veränderte elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung für das Erfassen der dritten Messspannungen (d. h. im dritten Messvorgang) derjenigen Kopplung der Widerstandsmessschaltung für das erstmalige Erfassen der Messspannungen (d. h. im ersten Messvorgang) entspricht. Hieraus folgt, dass die dritte Endspannung der Endspannung des ersten Messvorgangs entspricht, da widerstandsseitig nach dem zweiten Messvorgang wieder der Schaltungszustand des ersten Messvorgangs hergestellt wird. Da sich das HV-Netz nach dem zweiten Messvorgang in einem anderen elektrischen Zustand befindet als vor dem ersten Messvorgang, können im dritten Messvorgang dennoch Spannungswerte erfasst werden, die eine genaue Berechnung des Isolationswiderstands ermöglichen. Die im dritten Messvorgang im Wesentlichen durchgeführte Wiederholung des ersten Messvorgangs, jedoch ausgehend von einem anderen Systemzustand, erfordert keinen zusätzlichen Schaltungsaufwand und ist daher einfach und kostengünstig zu implementieren.
Der Messzeitraum (d. h. des ersten Messvorgangs) und/oder der zweite Messzeitraum (d. h. des zweiten Messvorgangs) und/oder der dritte Messzeitraum (d. h. des dritten Messvorgangs) können für eine besonders einfache Implementierbarkeit dieselbe Dauer aufweisen. Die Erfindung ist jedoch nicht zwingend hierauf beschränkt. So können einzelne Messzeiträume auch kürzer oder länger gewählt werden als andere, was abhängig von der tatsächlich vorgesehenen Änderung der Widerstandskopplung zwischen einzelnen Messvorgängen in Bezug auf die Gesamtmessdauer und/oder die angestrebte Messgenauigkeit von Vorteil sein kann.
Nach einer anderen Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird/werden der Messzeitraum (d. h. des ersten Messvorgangs) und/oder der zweite Messzeitraum (d. h. des zweiten Messvorgangs) und/oder der dritte Messzeitraum (d. h. des dritten Messvorgangs) kürzer gewählt als ein 3-faches, bevorzugt kürzer als ein 2-faches und noch bevorzugter kürzer als ein 1-faches einer das mit der Widerstandsmessschaltung gekoppelte Gleichspannungsnetz charakterisierenden Zeitkonstante. Als Zeitkonstante ist in allgemein bekannter Weise eine charakteristische Größe eines (linearen) dynamischen Systems zu verstehen, das durch eine gewöhnliche Differentialgleichung (mit konstanten Koeffizienten) oder durch eine zugehörige Übertragungsfunktion beschrieben wird. Es wurde herausgefunden, dass ein derart kurzer Messzeitraum dennoch eine genaue Berechnung des Isolationswiderstands mit Hilfe der extrapolierten (eingeschwungenen) Endspannung gewährleistet. Die Überwachung des Isolationswiderstands mit hoher Frequenz trägt wesentlich zur Verbesserung der Betriebssicherheit des HV-Netzes bei.
Bei einer weiteren vorteilhaften Abwandlung des Erfindungsgegenstands wird die Widerstandsmessschaltung aus einem Widerstandsnetzwerk mit mehreren Einzelwiderständen gebildet. Diese können in einer Reihen-, Parallel- oder einer kombinierten Reihen- und Parallelschaltung untereinander verschaltet sein. Das positive und/oder negative Hochvoltpotential des Gleichspannungsnetzes und das Erdungspotential werden hierbei jeweils über unterschiedliche Einzelwiderstände an das Widerstandsnetzwerk gekoppelt. Dies ermöglicht in einfacher Weise, Änderungen der elektrisch wirksamen Kopplung zwischen der Widerstandsmessschaltung und dem Gleichspannungsnetz durchzuführen. Beispielsweise kann die interne Verschaltung des Widerstandsnetzwerks durch elektronische Schaltelemente wie z. B. Transistoren gesteuert verändert werden, um die elektrische Wirkung der Messschaltung bzw. des Widerstandsnetzwerks auf das Gleichspannungsnetz zu verändern. Insbesondere können über das veränderbare Widerstandsnetzwerk an den Anschlusspunkten des Gleichspannungsnetzes wirkende Widerstandsverhältnisse verändert werden, um auf diese Art ein Widerstandsverhältnis vorgeben zu können, dass sich sicher von einem durch die Isolationswiderstände vorgegebenen Widerstandsverhältnis unterscheidet, um durch die Kopplung der Widerstandsmessschaltung in jedem Fall eine messbare elektrische Reaktion im Gleichspannungsnetz herbeizuführen.
In diesem Sinn beinhaltet das Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands ein Ändern einer Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks. Hierzu können Schaltelemente vorgesehen sein, mit denen die interne Verschaltung der Einzelwiderstände geändert wird. Um beispielsweise den ersten, zweiten und ggfs. dritten Messvorgang durchzuführen, kann für jeden Messvorgang eine unterschiedliche Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks geschaltet werden. Beruht der dritte Messvorgang auf derselben elektrischen Kopplung wie der erste Messvorgang, ist es möglich, lediglich zwei unterschiedliche Schaltungstopologien des Widerstandsnetzwerks vorzusehen und lediglich zwischen diesen beiden umzuschalten.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung werden die Messspannungen lediglich an einem Teil aller das Widerstandsnetzwerk bildenden Einzelwiderstände, bevorzugt nur an einem Einzelwiderstand, erfasst, wodurch das änderbare Widerstandsnetzwerks bereits aus wenigen Einzelwiderständen (z. B, vier Einzelwiderstände) gebildet werden kann und dennoch einen ausreichend großen Freiheitsgrad für unterschiedliche Verschaltungsanordnungen bietet.
Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die jeweiligen Messspannungen in äquidistanten Zeitabständen zu erfassen. Die Messspannungen jedes Messvorgangs werden in diesem Fall in äquidistanten Abständen erfasst, beispielsweise in einem Abstand von jeweils 500 ms, so dass nach dem Verändern der Widerstandskopplung eine jeweilige erste Messspannung nach 500 ms, eine zweite nach 1000 ms, eine dritte Messspannung nach 1500 ms usw. erfasst wird. Bevorzugt liegt der äquidistante Zeitabstand in einem Bereich zwischen etwa 1 ms und 500 ms. Dies stellt sicher, dass einerseits eine ausreichend große Zeitspanne (z. B. wenigstens 1 ms) für eine messbare Änderung der Messspannungen nach dem Einsetzen des Einschwingvorgang bereitgestellt wird und andererseits der gesamte Messvorgang mit beispielsweise drei Messspannungen nach einigen wenigen Millisekunden bis max. 1500 ms abgeschlossen wird.
Vorzugsweise werden bei jedem Messvorgang jeweils wenigstens drei Messspannungen erfasst, ohne jedoch zwingend auf lediglich drei Messspannungen begrenzt zu sein. Es können auch mehr als drei Messspannungen bei einem Messvorgang erfasst werden, um die Genauigkeit der Berechnung des Isolationswiderstands mit Hilfe der jeweils extrapolierten Endspannung ggfs. noch weiter zu erhöhen.
Der Isolationswiderstand kann einen zwischen dem positiven Hochvoltpotential und dem Erdungspotential wirksamen ersten Widerstandsteil und einen zwischen dem negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential wirksamen zweiten Widerstandsteil aufweisen. In diesem Fall wird der Isolationswiderstand nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands als Parallelschaltung des ersten und des zweiten Widerstandsteils in Bezug auf das gemeinsame Erdungspotential berechnet. Es kann vorteilhafterweise darauf verzichtet werden, jeden Isolationswiderstand einzeln zu berechnen. Die Berechnung der Parallelschaltung der mehreren Isolationswiderstände erlaubt dennoch einen Fehlerzustand eines einzelnen Isolationswiderstands sicher zu erkennen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes, insbesondere Hochvolt-Gleichspannungsnetz eines Elektrofahrzeugs, eine Widerstandsmessschaltung, die einerseits mit einem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential des Gleichspannungsnetzes und andererseits mit einem gegenüber dem Hochvoltpotential isolierten Erdungspotential elektrisch wirksam gekoppelt ist, und Erfassungsmittel zur Erfassung der speisenden Hochvoltspannung und zur Erfassung von Messspannungen mittels der Widerstandsmessschaltung auf sowie eine Steuereinrichtung, die ausgelegt und eingerichtet ist, die Widerstandsmessschaltung gesteuert mit dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential des Gleichspannungsnetzes und dem Erdungspotential zu koppeln und ein Verfahren nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen auszuführen, um einen zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential und dem Erdungspotential wirksamen Isolationswiderstand zu überwachen.
Es ist zu verstehen, dass bezüglich vorrichtungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile vorrichtungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile kann somit zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für einen der offenbarten Erfindungsgegenstände auszulegen wären.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Widerstandsmessschaltung aus einem Widerstandsnetzwerk mit mehreren Einzelwiderständen gebildet ist, wobei das positive und/oder negative Hochvoltpotential des Gleichspannungsnetzes und das Erdungspotential jeweils über unterschiedliche Einzelwiderstände an das Widerstandsnetzwerk gekoppelt sind.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks mittels durch die Steuereinrichtung gesteuerter Schaltelemente (z. B. Transistoren) änderbar. Die Schaltelemente können auch zur elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung an das Gleichspannungsnetz dienen.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Elektrofahrzeug offenbart, das eine Hochvoltbatterie zur Speisung eines ungeerdeten Hochvolt-Gleichspannungsnetzes für einen Elektroantrieb aufweist. Weiter weist das Elektrofahrzeug eine Vorrichtung nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen zur Isolationsüberwachung des ungeerdeten Hochvolt-Gleichspannungsnetzes auf. Hinsichtlich weiterer Merkmale, Vorteile und Wirkungen des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs kann abermals auf die Merkmale, Vorteile und Wirkungen der hierin offenbarten Vorrichtung und des Verfahrens zur Isolationsüberwachung zurückgegriffen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Isolationsüberwachung gemäß der Erfindung,
2 ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften IT-Netzes,
3 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Isolationsüberwachung gemäß der Erfindung,
4 eine Berechnungsvorschrift zur Berechnung des Isolationswiderstands aus 3,
5 einen Spannungsverlauf eines Einschwingvorgangs,
6 eine Berechnungsvorschrift zur Extrapolation einer eingeschwungenen Endspannung gemäß der Erfindung für den Einschwingvorgang aus 5 und
7 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Isolationsüberwachung gemäß der Erfindung.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Isolationsüberwachung gemäß der Erfindung dar. Die Vorrichtung 1 wird vorliegend beispielhaft in einem Elektrofahrzeug 2 verwendet, ohne zwingend auf die Verwendung in Elektrofahrzeugen beschränkt zu sein, wenngleich diese Art der Verwendung als besonders bevorzugt angesehen wird.
Das Elektrofahrzeug 2 ist in 1 lediglich mit den für die Erfindung wesentlichen Komponenten dargestellt und weist eine nicht dargestellte Hochvoltbatterie zur Speisung eines ungeerdeten Hochvolt-Gleichspannungsnetzes auf. Die Hochvoltbatterie stellt eine Hochvoltspannung U_HV (ohne Beschränkung z. B. 400 V oder 800 V) über ein positives Hochvoltpotential Bat+ und ein negatives Hochvoltpotential Bat- bereit, aus denen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel u. a. ein Elektroantrieb (ebenfalls nicht dargestellt) des Elektrofahrzeugs 2 gespeist ist.
In 1 ist eine elektrische Isolierung 3 dargestellt, die eine Hochvoltseite HV des Fahrzeugs 2 von einer Niedervoltseite NV elektrisch isoliert. Die Vorrichtung 1 zur Isolationsüberwachung des aus der HV-Batterie gespeisten ungeerdeten HV-Gleichspannungsnetzes weist eine Widerstandsmessschaltung 4 auf, die vorliegend mit dem positiven Hochvoltpotential Bat+, dem negativen Hochvoltpotential Bat- des Gleichspannungsnetzes sowie mit einem gegenüber den Hochvoltpotentialen Bat+, Bat- isolierten Erdungspotential GND elektrisch wirksam gekoppelt ist. Bei dem beispielhaften Anwendungsfall des Elektrofahrzeugs 2 ist das Erdungspotential GND durch ein Chassis des Fahrzeugs 2 bereitgestellt. Selbstverständlich kann das Erdungspotential in anderen Hochvoltspannungsnetzen, z. B. in Photovoltaik-Anlagen, durch andere elektrisch leitfähige Körper bereitgestellt werden.
Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 Erfassungsmittel (nicht dargestellt) zur Erfassung der speisenden Hochvoltspannung U_HV und zur Erfassung von Messspannungen U_ADC,X (vgl. 3) mittels der Widerstandsmessschaltung 4 auf. Außerdem ist eine Steuereinrichtung µC vorgesehen, die ausgelegt und eingerichtet ist, die Widerstandsmessschaltung 4 gesteuert mit dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential Bat+, Bat- des Gleichspannungsnetzes und dem Erdungspotential GND zu koppeln und ein Verfahren zur Isolationsüberwachung gemäß der hierin offenbarten Erfindung auszuführen, um vorliegend jeweils einen zwischen den positiven und negativen Hochvoltpotentialen Bat+, Bat- und dem Erdungspotential GND wirksamen Isolationswiderstand R_iso,p, R_iso,n (s. 2 und 3) zu überwachen. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Verfahrens wird nachstehend ausführlich für die in 1 gezeigte, beispielhafte Vorrichtung 1 dargelegt werden.
Die Steuereinrichtung µC ist vorliegend in Form eines Mikrocontrollers als Recheneinheit ausgeführt, die zusätzlich eine Speichereinheit (nicht dargestellt), z. B. RAM, ROM, Flash und dergleichen, aufweisen kann, um das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren auszuführen. Selbstverständlich ist die Recheneinheit nicht auf Mikrocontroller beschränkt. Andere Recheneinheiten wie z. B. Mikroprozessoren, DSPs und dergleichen können ebenfalls verwendet werden, sofern sie das erfindungsgemäße Verfahren ausführen können.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Steuereinrichtung µC auf der NV-Seite des Elektrofahrzeugs 2. Neben GND wird der Steuereinrichtung µC für ihren Betrieb weiterhin eine NV-Stromversorgung 5 zugeführt. Außerdem steht die Steuereinrichtung µC in kommunikativer Verbindung 6 mit weiteren, vorliegend nicht dargestellten Einrichtungen des Fahrzeugs 2, um beispielsweise Befehle von einer solchen Einrichtung zu erhalten und/oder Ergebnisse der Überwachung der Isolationswiderstände an andere Fahrzeugeinrichtungen zu übermitteln.
In 1 ist weiter zu erkennen, dass die Steuereinrichtung µC mit einer auf der Hochvoltseite HV des Fahrzeugs 2 angeordneten Steuerschaltung 7 in kommunikativer Verbindung 8 steht. Die Steuerschaltung 7 ist vorliegend beispielhaft als ASIC (anwenderspezifische integrierte Schaltung) implementiert, ohne hierauf zwingend beschränkt zu sein. Andere Implementierungsformen (z. B. FPGA o. ä.) sind ebenfalls denkbar. Da die Kommunikationsverbindung 8 die Isolation zwischen der NV-Seite und der HV-Seite überbrücken muss, ist die Kommunikationsverbindung 8 bevorzugt galvanisch getrennt ausgeführt, beispielsweise mit Hilfe von Optokopplern, elektromagnetischen Übertragern o. ä.
Die Steuerschaltung 7 steuert bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 1 auf der HV-Seite die Messschaltung 4 über Steuersignale 9 und nimmt Messergebnisse 10 von der Messschaltung 4 entgegen. Weiterhin ist die Steuerschaltung 7 vorliegend ausgelegt, die Hochvoltspannung U_HV zu erhalten und entsprechend dem hierin beschriebenen Überwachungsverfahren auszuwerten. Außerdem ist die Steuerschaltung 7 des gezeigten Ausführungsbeispiels betriebsmäßig über die NV-Stromversorgung 5 versorgt. Die der HV-Seite zugeordnete Steuerschaltung 7 vereinfacht die Implementierung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens, z. B. hinsichtlich des erforderlichen Isolationsaufwands, da sie die Messschaltung 4 direkt auf der HV-Seite ansteuern und Messergebnisse von dieser zurückerhalten kann, ohne die Isolierung 3 überbrücken zu müssen. Hierzu ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Überwachungsvorrichtung 1 lediglich die eine Kommuni¬ kationsverbindung 8 zwischen der Steuerschaltung 7 und der Steuereinrichtung µC vorgesehen.
Die Steuerschaltung 7 kann als reine Schnittstelleneinheit für die Durchleitung und ggfs. Konvertierung der von der Steuereinrichtung µC ausgegebenen Steuerbefehle einerseits und für die Rückübermittlung der von der Messschaltung 4 erhaltenen Messergebnisse 10 andererseits ausgebildet sein. Die Steuerschaltung 7 kann alternativ oder zusätzlich auch ausgebildet sein, auf Anforderung durch die Steuereinrichtung µC in sich abgeschlossene Steuerteilaufgaben, beispielsweise einen oder mehrerer Messvorgänge, selbständig auszuführen und erst das Gesamtergebnis der Durchführung an die Steuereinrichtung µC zurückzugeben. Hierdurch lässt sich der Kommunikationsaufwand 8 insgesamt und ggfs. auch die erforderliche Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen der Steuereinrichtung µC und Steuerschaltung 7 reduzieren, was den Aufbau der Vorrichtung 1 sowie die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter vereinfacht. Die Steuerschaltung 7 kann beispielsweise eingerichtet sein, einen mehrere Messvorgänge beinhaltenden Messzyklus selbständig durchzuführen, wobei die einzelnen Messvorgänge wiederum die Erfassung mehrerer Messspannungen beinhalten können. Das Gesamtergebnis des Messzyklus kann anschließend an die Steuereinrichtung µC zurückgemeldet werden.
Auch wenn das vorliegende Ausführungsbeispiel in 1 die Steuereinrichtung µC und Steuerschaltung 7 wie dargestellt aufweist, ist zu verstehen, dass die Erfindung alternativ auch lediglich mit der Steuerschaltung 7 als eine Steuereinrichtung im erfindungsgemäßen Sinn ausgeführt sein kann. In diesem Fall könnte die in 1 dargestellte Steuereinrichtung µC entfallen, wobei die Steuerschaltung 7 als Steuereinrichtung im erfindungsgemäßen Sinn alle erforderlichen Steuer- und Berechnungsschritte übernehmen würde. Zusätzlich würde die Steuerschaltung 7 auch die Kommunikationsverbindung 6 bereitstellen, um mit den übergeordneten Einrichtungen des Fahrzeugs 2 kommunizieren zu können, wie dies in 1 für den Fall der vorhandenen Steuereinrichtung µC dargestellt und weiter oben beschrieben ist.
2 stellt ein allgemeines Schaltungsdiagramm eines beispielhaften IT-Netzes dar, z. B. das Hochvoltspannungsnetz des Fahrzeugs 2 aus 1, in dem neben einer aus der Hochvoltspannung U_HV gespeisten Last R_L (z. B. Elektromotor) zusätzlich elektrisch wirksame Kapazitäten C_Y,p, C_Y,n, C_x dargestellt sind. Die Hochvoltspannung U_HV ist gegenüber dem Erdungspotential GND über je einen Isolationswiderstand R_iso,p und R_iso,n elektrisch isoliert. Die Kapazitäten C_Y,p, C_Y,n stellen so genannte Y-Kapazitäten dar, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen und weiteren Hochvoltspannungsnetzen vorzufinden sind. Bei Elektrofahrzeugen kann das Erdungspotential GND durch das Chassis des Fahrzeugs bereitgestellt sein. Wie bereits im allgemeinen Teil dieser Beschreibung erläutert, verursachen insbesondere die Kapazitäten C_Y,p und C_Y,n in Kombination mit in 2 nicht dargestellten Messwiderständen einer Isolationsüberwachungsvorrichtung wie z. B. die Vorrichtung 1 aus 1 eine Zeitverzögerung bei elektrischen Einschwingvorgängen, wie er bei der Ermittlung und Überwachung der Isolationswiderstände R_iso,p und R_iso,n gewöhnlich auftritt. Die Erfindung stellt eine hierin offenbarte Lösung bereit, die die für die Überwachung der Isolationswiderstände R_iso,p und R_iso,n erforderliche Zeitdauer erheblich reduziert.
3 stellt ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Isolationsüberwachung gemäß der Erfindung dar. Vorliegend und ohne Beschränkung hierauf entspricht die in 3 gezeigte Überwachungsvorrichtung im Wesentlichen der Vorrichtung 1 aus 1. 4 stellt lediglich die Widerstandsmessschaltung 4 ohne Steuereinrichtung µC und ohne Steuerschaltung 7 dar.
In 3 ist zu erkennen, dass die Widerstandsmessschaltung 4 aus einem Widerstandsnetzwerk mit mehreren Einzelwiderständen R_a, R_b, R_c, R_d gebildet ist. Das positive und negative Hochvoltpotential Bat+, Bat- des Gleichspannungsnetzes sowie das Erdungspotential GND sind jeweils über unterschiedliche Einzelwiderstände R_a, R_b, R_c, R_d an das Widerstandsnetzwerk gekoppelt. So ist Bat+ über den Widerstand R_a, Bat- über den Widerstand R_d und GND über die Widerstände R_b und R_c an die Widerstandsmessschaltung 4 gekoppelt. Weiterhin weist das Widerstandsnetzwerk in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Schaltelemente (z. B. Transistoren, Relais und dgl.) S₁, S₂ und S₃ auf, ohne jedoch zwingend auf diese konkrete Anzahl und/oder Verschaltungsanordnung in 3 beschränkt zu sein. Die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ ermöglichen, die Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks R_a, R_b, R_c, R_d zu ändern, indem die in 1 dargestellte Steuereinrichtung µC und/oder Steuerschaltung 7 die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ entsprechend steuert. Auf diese Weise kann eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der Einzelwiderstände R_a, R_b, Rc, R_d geändert und damit eine vom Widerstandsnetzwerk auf das HV-Netz U_HV wirkende Widerstandsgröße gezielt vorgegeben bzw. geändert werden. Weiterhin kann das Zuschalten (Koppeln) und Trennen (Entkoppeln) der Widerstandsmessschaltung 4 an das bzw. vom HV-Netz U_HV über die Schaltelemente S₁, S₂ und S₃ gesteuert werden.
Die von der Widerstandsmessschaltung 4 gemessene Messspannung U_ADC,x wird vorliegend lediglich an einem Einzelwiderstand R_d des Widerstandsnetzwerks 4 erfasst. Hierzu kann beispielsweise ein entsprechend ausgebildeter Analog-Digital-Wandler (ADC) als Erfassungsmittel vorgesehen sein, mit welchem die über dem Widerstand R_d anliegende Spannung erfasst und in ein für eine anschließende Datenverarbeitung digitales Format konvertiert wird. Es ist zu verstehen, dass die Erfassung der Messspannungen U_ADC,x nicht zwingend auf einen einzigen Widerstand der Widerstandsmessschaltung 4 wie vorliegend gezeigt beschränkt ist. Die Messspannung U_ADC,X kann auch an einer Schaltungskombination aus mehreren Einzelwiderständen erfasst werden, wenn dies zweckdienlich ist.
4 stellt in der untersten Zeile eine Berechnungsvorschrift zur Berechnung der Isolationswiderstände R_iso,p und R_iso,n aus 3 bzw. deren Parallelschaltung Ri_so,pa- _rallel bezogen auf das Erdungspotential GND dar, wie sie in dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Überwachungsverfahrens gemäß der Erfindung verwendet wird.
5 stellt einen typischen Spannungsverlauf u(t) eines Einschwingvorgangs dar, wie er nach der elektrisch wirksamen Kopplung einer Widerstandsmessschaltung an ein HV-Netz, in dem zusätzlich elektrische Kapazitäten wirksam sind, sowie bei Änderungen der Widerstandskopplung während eines elektrischen Ausgleichsvorgangs auftritt. Ausgehend von einer Startspannung U₀ erreicht die Spannung nach einer gewissen Zeit einen eingeschwungenen, konstanten Endwert U_e. Der Zeitverlauf ist in 5 als Vielfache einer Zeitkonstanten τ angegeben, die das elektrische System aus HV-Netz einschließlich der wirksamen Kapazitäten und gekoppelten Widerstandsmessschaltung eindeutig charakterisiert. In 5 ist zu erkennen, dass die eingeschwungene Endspannung U_e mit ausreichender Genauigkeit nach einer Zeitdauer von etwa 5τ als erreicht angesehen werden kann.
6 stellt eine Berechnungsvorschrift zur Extrapolation der eingeschwungenen Endspannung U_e für einen in 5 dargestellten Einschwingvorgang gemäß der Erfindung dar. In 6 ist zu erkennen, dass die Endspannung U_e deutlich vor Erreichen der Zeitdauer 5τ berechnet und vorhergesagt werden kann. Im vorliegend dargestellten Beispiel werden hierzu drei Messspannungen U_a, U_b und U_c verwendet, die jeweils zu den Zeitpunkten t_a, t_b bzw. t_c erfasst werden. Ausgehend von der Startspannung U₀ zum Zeitpunkt t=0 ergibt die bis zum Zeitpunkt t_c vergangene Zeit einen Messzeitraum Δt. Der Messzeitraum Δt kann erfindungsgemäß kürzer gewählt werden als ein 3-faches der Zeitkonstanten τ. Bevorzugt wird der Messzeitraum Δt kürzer als ein 2-faches der Zeitkonstanten τ und am meisten bevorzugt kürzer als ein 1-faches der Zeitkonstanten τ gewählt.
Weiter ist 6 zu entnehmen, dass die wenigstens drei Messspannungen U_a, U_b und U_c in äquidistanten Zeitabständen erfasst werden. Der Zeitabstand vom Startpunkt des Ausgleichsvorgangs bei t=0 bis zum Zeitpunkt t_a ist damit so groß wie der Zeitabstand zwischen t_a und t_b sowie t_b und t_c. Bei der Erfassung von mehr als drei Messspannungen erfolgen die weiteren Spannungsmessungen bevorzugt ebenfalls in äquidistanten Zeitabständen. Der äquidistante Zeitabstand kann beispielsweise 500 ms betragen. Bevorzugt liegt der äquidistante Zeitabstand in einem Bereich zwischen einer oder einigen wenigen Millisekunden und einigen hundert Millisekunden, beispielsweise zwischen etwa 1 ms und 500 ms.
7 stellt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Isolationsüberwachung gemäß der Erfindung dar. Das im Folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel des Überwachungsverfahrens ist passend zur Überwachungsvorrichtung 1 aus 1 mit der in 3 detailliert dargestellten Widerstandsmessschaltung 4 gewählt, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Im Folgenden wird bei der Beschreibung des in 7 dargestellten Beispiels des Überwachungsverfahrens ebenfalls Bezug auf die 1-6 genommen.
Vor dem Start des in 7 gezeigten Verfahrens seien alle Schaltelemente S₁, S₂, S₃ geöffnet. Das heißt, die Widerstandsmessschaltung 4 ist zu diesem Zeitpunkt nicht elektrisch wirksam mit dem HV-Netz U_HV gekoppelt. In 3 ist zu erkennen, dass die Einzelwiderstände R_a und R_d zwar mit den entsprechenden HV-Potentialen Bat+ bzw. Bat- verbunden sind, jedoch nicht mit dem Erdungspotential GND (z. B. Fahrzeugmasse bzw. Fahrzeugchassis), da S1 geöffnet ist. Darüber hinaus findet in dem geöffneten Zustand der Schaltelemente S1, S2 uns S3 auch keine Entladung der HV-Batterie statt, da die offenen Schaltelemente S2 und S3 einen effektiven Stromfluss zwischen Bat+ und Bat- unterbinden.
Nach dem Start des Verfahrens zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung U_HV gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes in Schritt 20, vorliegend beispielhaft das HV-Gleichspannungsnetz des Elektrofahrzeugs 2 aus 1, werden in Schritt 21 die Schaltelemente S₁ uns S₂ geschlossen. Hierdurch wird die Widerstandsmessschaltung 4 einerseits mit dem positiven Hochvoltpotential Bat+ und mit dem negativen Hochvoltpotential Bat- des Gleichspannungsnetzes U_HV und andererseits mit dem gegenüber den Hochvoltpotentialen Bat+, Batisolierten Erdungspotential GND elektrisch wirksam gekoppelt. Dies verursacht einen Ausgleichsvorgang im HV-Netz, der von den im HV-Netz wirksamen Kapazitäten sowie der Widerstandswirkung der mit dem HV-Netz gekoppelten Widerstandsmessschaltung 4 bestimmt ist. Die Widerstandsmessschaltung 4 ist vorliegend beispielhaft wie in 3 aus mehreren Einzelwiderständen R_a, R_b, R_c, R_d aufgebaut.
In Schritt 22 werden in einem ersten Messvorgang die speisende Hochvoltspannung U_HV,1 sowie mehrere - vorliegend drei - Messspannungen U_a,1, U_b,1, U_c,1 mittels der Widerstandsmessschaltung 4 während eines Messzeitraums Δt nach dem Koppeln der Widerstandsmessschaltung 4 und vor Erreichen eines auf eine Endspannung U_e,1 eingeschwungenen Spannungszustands erfasst. Die drei Messspannungen U_a,1, U_b,1, U_c,1 werden vorliegend wie in 3 dargestellt am Einzelwiderstand R_d erfasst.
In Schritt 23 wird das Schaltelement S₃ geschlossen und dadurch die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung 4 zwischen dem positiven und negativen Hochvoltpotential Bat+, Bat- und dem Erdungspotential GND nach dem Erfassen der mehreren Messspannungen U_a,1, U_b,1, U_c,1 im vorausgegangenen ersten Messvorgang verändert.
In Schritt 24 werden in einem zweiten Messvorgang erneut die speisende Hochvoltspannung U_HV,2 und mehrere zweite - vorliegend drei - Messspannungen U_a,2, U_b,2, U_c,2 mittels der Widerstandsmessschaltung 4 während eines zweiten Messzeitraums Δt, der vorliegend so groß gewählt ist wie der (erste) Messzeitraum Δt während des ersten Messvorgangs, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein, nach dem Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung 4 und vor Erreichen eines auf eine zweite Endspannung U_e,2 eingeschwungenen Spannungszustands erfasst. Die Messspannungen U_a,2, U_b,2, U_c,2 werden wieder wie in 3 dargestellt am Einzelwiderstand R_d erfasst.
In Schritt 25 wird geprüft, ob der Nenner der Berechnungsvorschrift aus 6 zur Extrapolation der ersten eingeschwungenen Endspannung U_e,1 des ersten Messvorgangs ungleich null ist. Ebenfalls wird geprüft, ob die im ersten Messvorgang erfassten Messspannungen U_b,1 und U_c,1 im Wesentlichen gleich sind. Ist der Nenner ungleich null oder sind die Messspannungen U_b,1, U_c,1 gleich, fährt das Verfahren mit Schritt 26 fort, andernfalls mit Schritt 30.
In Schritt 26 wird die erste eingeschwungene Endspannung U_e,1 nach der Berechnungsvorschrift aus 6 berechnet, das heißt aus den mehreren erfassten Messspannungen U_a,1, U_b,1, U_e,1 des ersten Messvorgangs extrapoliert.
In Schritt 27 wird geprüft, ob der Nenner der Berechnungsvorschrift aus 6 zur Extrapolation der zweiten eingeschwungenen Endspannung U_e,2 des zweiten Messvorgangs ungleich null ist. Ebenfalls wird geprüft, ob die im zweiten Messvorgang erfassten Messspannungen U_b,2 und U_c,2 im Wesentlichen gleich sind. Ist der Nenner ungleich null oder sind die Messspannungen U_b,2, U_e,2 gleich, fährt das Verfahren mit Schritt 28 fort, andernfalls mit Schritt 34.
In Schritt 28 wird die zweite eingeschwungene Endspannung U_e,2 nach der Berechnungsvorschrift aus 6 berechnet, das heißt aus den mehreren erfassten Messspannungen U_a,2, U_b,2, U_d,2 des zweiten Messvorgangs extrapoliert.
In Schritt 29 wird der zwischen dem positiven und negativen Hochvoltpotential Bat+, Bat- und dem Erdungspotential GND wirksame Isolationswiderstand R_iso,pa- _rallel basierend auf der eingeschwungenen Endspannung U_e,1 des ersten Messvorgangs sowie der hierbei erfassten Hochvoltspannungen U_HV,1 berechnet. Zusätzlich werden hierbei auch die eingeschwungene zweite Endspannung U_e,2 des zweiten Messvorgangs sowie die im zweiten Messvorgang zugehörig erfasste Hochvoltspannung U_HV,2 berücksichtigt. Die Berechnung des Isolationswiderstand R_iso,pa- _rallel erfolgt nach der Berechnungsvorschrift aus 4. In dem vorliegenden Beispiel wird der Isolationswiderstand R_iso,parallel als Parallelschaltung des ersten und des zweiten Widerstandsteils R_iso,p, R_iso,n berechnet, die jeweils zwischen dem positiven Hochvoltpotential Bat+ und dem Erdungspotential GND bzw. dem negativen Hochvoltpotential Bat- und dem Erdungspotential GND wirksam sind.
Falls in Schritt 25 ermittelt wurde, dass der Nenner der Berechnungsvorschrift aus 6 mit den im ersten Messvorgang erfassten Messspannungen U_a,1, U_b,1, U_c,1 gleich null ist und die Messspannungen U_b,1 und U_c,1 ungleich sind, wird in Schritt 30 das Schaltelement S₃ geöffnet. Hierdurch wird die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung 4 zwischen dem positiven und negativen Hochvoltpotential Bat+, Bat- und dem Erdungspotential GND nach dem Erfassen der zweiten Messspannungen U_a,2, U_b,2, U_c,2 in Schritt 24 erneut verändert. Es ist zu erkennen, dass bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Schaltungszustand wie nach Schritt 21 hergestellt wird. Jedoch befindet sich das Gesamtsystem aus HV-Netz, Kapazitäten und Widerstandsmessschaltung 4 in Schritt 30 in einem anderen elektrischen Zustand, der im nachfolgenden Schritt 31 sicher zur Erfassung von sinnvollen Messspannungen führt, was möglicherweise in Schritt 22 nicht der Fall war, wenn zum Beispiel in dem selten auftretenden Fall das Teilungsverhältnis zwischen den Isolationswiderständen R_iso,p, R_iso,n und den Messwiderständen R_a, R_b, R_c, R_d der Widerstandsmessschaltung 4 gleich ist. Es kann dann vorkommen, dass in Schritt 21 keine Spannungsänderung gemessen wird, Durch das zuvor in Schritt 23 geschlossene Schaltelement S₃ wurde jedoch das Widerstandsverhältnis der Widerstandsmessschaltung 4 geändert, so dass der anschließende Schritt 31 sicher zu einem technisch sinnvollen Ergebnis führt.
In Schritt 31 werden die speisende Hochvoltspannung U_HV,1* und mehrere - vorliegend drei - dritte Messspannungen U_a,1*, U_b,1*, U_c,1* mittels der Widerstandsmessschaltung 4 während eines dritten Messzeitraums Δt, der vorliegend, jedoch ohne zwingende Beschränkung hierauf, der Größe des ersten und zweiten Messzeitraums entspricht, nach dem Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung 4 in Schritt 30 und vor Erreichen eines auf eine dritte Endspannung U_e,1* eingeschwungenen Spannungszustands erfasst. Die dritten Messspannungen U_a,1*, U_b,1*, U_c,1* werden wieder wie in 3 dargestellt am Einzelwiderstand R_d erfasst.
Die in Schritt 30 hergestellte Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks aus R_a, R_b, R_c, R_d der Widerstandsmessschaltung 4 entspricht vorliegend der Schaltungstopologie nach Schritt 21. Folglich entspricht die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung 4 für das Erfassen der dritten Messspannungen U_a,1*, U_b,1*, U_c,1* derjenigen wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung 4 beim erstmaligen Erfassen der Messspannungen U_a,1, U_b,1, U_e,1 im ersten Messvorgang.
In Schritt 32 wird geprüft, ob der Nenner der Berechnungsvorschrift aus 6 zur Extrapolation der dritten eingeschwungenen Endspannung U_e,1* des dritten Messvorgangs ungleich null ist. Ebenfalls wird geprüft, ob die im dritten Messvorgang erfassten Messspannungen U_b,1* und U_c,1* im Wesentlichen gleich sind. Ist der Nenner ungleich null oder sind die Messspannungen U_b,1*, U_c,1* gleich, fährt das Verfahren mit Schritt 33 fort, andernfalls mit Schritt 34.
In Schritt 33 wird die eingeschwungene dritte Endspannung U_e,1* aus den mehreren dritten Messspannungen U_a,1*, U_b,1*, U_e,1* gemäß der Berechnungsvorschrift aus 6 extrapoliert. Anschließend fährt das Verfahren mit Schritt 27 fort, in dem die Messspannungen des zweiten Messvorgangs überprüft werden, wie vorstehend beschrieben wurde.
In Schritt 29 wird nach dem Ausführen der Schritte 30-33 der zwischen dem positiven und negativen Hochvoltpotential Bat+, Bat- und dem Erdungspotential GND wirksame Isolationswiderstand R_iso,paralle, nun basierend auf der zweiten und dritten eingeschwungenen Endspannungen U_e,2, U_e,1* sowie den zugehörig erfassten Hochvoltspannungen U_HV,2, U_HV,1* berechnet. Mit anderen Worten wird in Schritt 31 die Messung des Schritts 22 für den Fall wiederholt (jedoch ausgehend von unterschiedlichen elektrischen Systemzuständen), in dem das Ergebnis der Spannungsmessung in Schritt 22 aus den hierein genannten Gründen nicht verwendbar ist. Das heißt, das technisch zunächst nicht verwendbare Messergebnis aus Schritt 22 wird durch das Messergebnis aus Schritt 31 ersetzt.
Zu Schritt 34 gelangt das Verfahren lediglich in einem kritischen Fehlerzustand, in dem kein gültiges Ergebnis ermittelt werden kann. Der Fehlerzustand wird in Schritt 34 angezeigt, zum Beispiel durch entsprechende Rückmeldung an die Steuereinheit µC übermittelt. Andernfalls wird das gültige Ergebnis der Isolationsüberwachung aus Schritt 29 an die Steuereinheit µC zurückgemeldet.
Die zwischen den Schritten 20 und 29 und ggfs. 30 bis 33 ausgeführten Messvorgänge bilden einen Messzyklus, der aufgrund der hierin offenbarten schnellen Ermittlung (d. h. Vorhersage/Extrapolation) der eingeschwungenen Endspannungen deutlich gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Isolationsüberwachung verkürzt ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebene Reihenfolge der Verfahrensschritte nicht zwingend auf die in 7 dargestellte Abfolge beschränkt ist, sondern in technisch sinnvoller Abwandlung auch verändert werden kann. So können gewisse Schritte beispielsweise vorgezogen oder nachgeordnet werden, sofern der Isolationswiderstand gemäß der erfindungsgemäßen Offenbarung bestimmt werden kann.
Das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Isolationsüberwachung eines ungeerdeten Gleichspannungsnetzes sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In besonders bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes in einem Elektrofahrzeug mit einer Hochvoltbatterie, z. B. Traktionsbatterie mit 400 V oder 800 V zur Versorgung eines Elektroantriebs, verwendet, wobei die Hochvoltbatterie die das Gleichspannungsnetz speisende Hochvoltspannung bereitstellt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Isolationsüberwachung
2: Elektrofahrzeug
3: Elektrische Isolierung
4: Widerstandsmessschaltung
5: Niedervoltstromversorgung
6: Kommunikationsverbindung
7: Steuerschaltung
8: Kommunikationsverbindung
9: Steuersignale
10: Messergebnisse
20-34: Verfahrensschritte
ADC: Analog-Digital-Wandler
Bat+: Positives Hochvoltspannungs- bzw. Hochvoltpotential
Bat-: Negatives Hochvoltspannungs- bzw. Hochvoltpotential
µC: Steuereinrichtung (Mikrocontroller)
Cx: Kapazität
CY,x: Y-Kapazität
GND: Erdungspotential, z. B. Fahrzeugmasse
HV: Hochvolt
NV: Niedervolt
Riso,x: Isolationswiderstand
RL: Last
Rx: Messwiderstand
Sx: Schaltelement
t: Zeit
tx: Zeitpunkt
τ: Zeitkonstante
Δt: Messzeitraum
UADC,X: Messspannung
UHV: Hochvoltspannung
UHV,x: Hochvoltspannungsmesswert
Ux: Spannung
U0: Startspannung
Ue: Endspannung
Yx: Leitwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2256506 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung (U_HV) gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes, insbesondere Hochvolt-Gleichspannungsnetz eines Elektrofahrzeugs (2), bei dem eine Widerstandsmessschaltung (4) einerseits mit einem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) des Gleichspannungsnetzes und andererseits mit einem gegenüber dem Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) isolierten Erdungspotential (GND) elektrisch wirksam gekoppelt wird, die speisende Hochvoltspannung (U_HV,1) erfasst wird und mehrere Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1) mittels der Widerstandsmessschaltung (4) während eines Messzeitraums (Δt) nach dem Koppeln der Widerstandsmessschaltung (4) und vor Erreichen eines auf eine Endspannung (U_e,1) eingeschwungenen Spannungszustands erfasst werden und ein zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) wirksamer Isolationswiderstand (R_iso,p, R_iso,n, R_iso,parallel) basierend auf der eingeschwungenen Endspannung (U_e,1) sowie der erfassten Hochvoltspannungen (U_HV,1) berechnet wird, wobei die eingeschwungene Endspannung (U_e,1) aus den mehreren erfassten Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1) extrapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) nach dem Erfassen der mehreren Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1) verändert wird, die speisende Hochvoltspannung (U_HvV,z) erfasst wird und mehrere zweite Messspannungen (U_a,2, U_b,2, U_c,2) mittels der Widerstandsmessschaltung (4) während eines zweiten Messzeitraums (Δt) nach dem Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) und vor Erreichen eines auf eine zweite Endspannung (U_e,2) eingeschwungenen Spannungszustands erfasst werden, wobei die eingeschwungene zweite Endspannung (U_e,1) aus den mehreren zweiten Messspannungen (U_a,2, U_b,2, U_c,2) extrapoliert wird und der zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) wirksame Isolationswiderstand (R_iso,p, R_iso,n, R_lso,parallel) zusätzlich basierend auf der eingeschwungenen zweiten Endspannung (U_e,2) sowie der zugehörigen erfassten Hochvoltspannung (U_HV,2) berechnet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) nach dem Erfassen der zweiten Messspannungen (U_a,2, U_b,2, U_c,2) verändert wird, die speisende Hochvoltspannung (U_HV,1*) erfasst wird und mehrere dritte Messspannungen (U_a,1*, U_b,1*, U_c,1*) mittels der Widerstandsmessschaltung (4) während eines dritten Messzeitraums (Δt) nach dem Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) und vor Erreichen eines auf eine dritte Endspannung (U_e,1*) eingeschwungenen Spannungszustands erfasst werden, wobei die eingeschwungene dritte Endspannung (U_e,1*) aus den mehreren dritten Messspannungen (U_a,1*, U_b,1*, U_c,1*) extrapoliert wird und der zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) wirksame Isolationswiderstand (R_iso,p, R_iso,n, R_iso,parallel) basierend auf der zweiten und dritten eingeschwungenen Endspannungen (U_e,2, U_e,1*) sowie den zugehörigen erfassten Hochvoltspannungen (U_HV,2, U_HV,1*) berechnet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte elektrisch wirksame Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) für das Erfassen der dritten Messspannungen (U_a,1*, U_b,1*, U_c,1*) derjenigen wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) für das erstmalige Erfassen der Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messzeitraum (Δt) und/oder der zweite Messzeitraum ζΔt) und/oder der dritte Messzeitraum (Δt) dieselbe Dauer aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messzeitraum (Δt) und/oder der zweite Messzeitraum (Δt) und/oder der dritte Messzeitraum (Δt) kürzer gewählt wird/werden als ein 3-faches, bevorzugt kürzer als ein 2-faches und noch bevorzugter kürzer als ein 1-faches einer das mit der Widerstandsmessschaltung (4) gekoppelte Gleichspannungsnetz charakterisierenden Zeitkonstante (τ).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessschaltung (4) aus einem Widerstandsnetzwerk mit mehreren Einzelwiderständen (R_a, R_b, R_c, R_d) gebildet wird, wobei das positive und/oder negative Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) des Gleichspannungsnetzes und das Erdungspotential (GND) jeweils über unterschiedliche Einzelwiderstände (R_a, R_b, R_c, R_d) an das Widerstandsnetzwerk gekoppelt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1, U_a,2, U_b,2, U_b,2, U_a,1*, U_b,1*, U_c,1*) lediglich an einem Teil der Einzelwiderstände (R_a, R_b, R_c, R_d) des Widerstandsnetzwerks, bevorzugt nur an einem einzigen Einzelwiderstand (R_d), erfasst werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verändern der elektrisch wirksamen Kopplung der Widerstandsmessschaltung (4) zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) ein Ändern einer Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1, U_a,2, U_b,2, U_c,2, U_a,1*, U_b,1* U_c,1*) in äquidistanten Zeitabständen erfasst werden, wobei der äquidistante Zeitabstand bevorzugt zwischen 1 ms und 500 ms gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens drei Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1, U_a,2, U_b,2, U_c,2, U_a,1*, U_b,1*, U_c,1*) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationswiderstand einen zwischen dem positiven Hochvoltpotential (Bat+) und dem Erdungspotential (GND) wirksamen ersten Widerstandsteil (R_iso,p) und einen zwischen dem negativen Hochvoltpotential (Bat-) und dem Erdungspotential (GND) wirksamen zweiten Widerstandsteil (R_iso,n) aufweist, wobei der Isolationswiderstand (R_is0,parallel) als Parallelschaltung des ersten und des zweiten Widerstandsteils (R_iso,p, Ri_so,n) berechnet wird.
Vorrichtung (1) zur Isolationsüberwachung eines mit einer Hochvoltspannung (U_HV) gespeisten ungeerdeten Gleichspannungsnetzes, insbesondere Hochvolt-Gleichspannungsnetz eines Elektrofahrzeugs (2), aufweisend eine Widerstandsmessschaltung (3), die einerseits mit einem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) des Gleichspannungsnetzes und andererseits mit einem gegenüber dem Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) isolierten Erdungspotential (GND) elektrisch wirksam gekoppelt ist, und Erfassungsmittel (ADC) zur Erfassung der speisenden Hochvoltspannung (U_HV) und zur Erfassung von Messspannungen (U_a,1, U_b,1, U_c,1, U_a,2, U_b,2, U_c,2, U_a,1*, U_b,1*, U_c,1*) mittels der Widerstandsmessschaltung (4), gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (µC), die ausgelegt und eingerichtet ist, die Widerstandsmessschaltung (4) gesteuert mit dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) des Gleichspannungsnetzes und dem Erdungspotential (GND) zu koppeln und ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, um einen zwischen dem positiven und/oder negativen Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) und dem Erdungspotential (GND) wirksamen Isolationswiderstand (R_iso,p, R_iso,n, R_iso,parallel) zu überwachen.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessschaltung (4) aus einem Widerstandsnetzwerk mit mehreren Einzelwiderständen (R_a, R_b, R_c, R_d) gebildet ist, wobei das positive und/oder negative Hochvoltpotential (Bat+, Bat-) des Gleichspannungsnetzes und das Erdungspotential (GND) jeweils über unterschiedliche Einzelwiderstände (R_a, R_b, R_c, R_d) an das Widerstandsnetzwerk gekoppelt sind.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungstopologie des Widerstandsnetzwerks (R_a, R_b, R_c, R_d) mittels durch die Steuereinrichtung (µC) gesteuerter Schaltelemente (S₁, S₂, S₃) änderbar ist.
Elektrofahrzeug (2), aufweisend eine Hochvoltbatterie zur Speisung eines ungeerdeten Hochvolt-Gleichspannungsnetzes für einen Elektroantrieb, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Isolationsüberwachung des ungeerdeten Hochvolt-Gleichspannungsnetzes.