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Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb weisen einen Akkumulator auf, der Energie speichert zum Betrieb des elektrischen Antriebs. Um den Akkumulator aufzuladen, kann dieser über eine gleichrichtende Ladeschaltung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden werden. Derartige Ladeschaltungen können auch in umgekehrter Energieflussrichtung betrieben werden, um am Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung abzugeben, die, ausgehend von der Batteriespannung, von dem Gleichrichter erzeugt wird. Der Gleichrichter arbeitet in diesem Fall als Wechselrichter und ist bidirektional ausgebildet. Er kann daher als bidirektionaler Stromrichter bezeichnet werden.
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Um die erforderlichen Ladeleistungen zu ermöglichen, werden Betriebsspannungen eingesetzt, die eine Gefährdung für den Menschen darstellen. Daher sind Sicherungsmechanismen notwendig, beispielweise die Isolierung der Potentiale, zumindest der Gleichspannungspotentiale, gegenüber Chassis- oder Erdungspotentialen. Es ist bekannt, die Funktion der Isolierung mittels Isolationswächter zu erfassen, indem aktiv der Isolationswiderstand zwischen den Hochvoltpotentialen und einem Masse- oder Chassispotential gemessen wird, wobei aus einem eingeprägten Teststrom und der sich ergebenden Spannung der Isolationswiderstand errechnet wird. Da diese Überprüfung einen Teststrom erfordert und somit nicht für eine kontinuierliche (ungestörte) Überwachung eingesetzt werden kann, besteht eine Aufgabe darin, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich ein Isolationsfehler zuverlässig und nicht nur zu bestimmten Zeitpunkten erfassen lässt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, bei der Übertragung von elektrischer Leistung zwischen einer Wechselstromkomponente, etwa eine externe Wechselstromlast oder eine externe Wechselspannungsquelle, und einer Batterie eines Fahrzeugs, etwa einer Hochvolt-Traktionsbatterie, in einer Schaltung wechselspannungsseitig die Spannung zwischen einer Phase einerseits und dem Masse- bzw. Chassis-Potential (des Fahrzeugs bzw. eines Fahrzeugbordnetzes) andererseits zu erfassen. Diese Wechselspannung hat bei fehlerfreier Isolation die Signalform der Wechselspannung, wie sie am Wechselstromanschluss der Schaltung anliegt. Dies entspricht üblicherweise einer Sinusform mit einer Frequenz, die von einem Versorgungsnetz vorgegeben ist. Liegt ein Isolationsfehler gegenüber Masse vor, dann ändert sich die Signalform, so dass anhand der Signalform auf den Zustand (fehlerfrei oder fehlerbehaftet) die Isolation geschlossen werden kann. Es wurde erkannt, dass bei einem Isolationsfehler, der auf die Schaltung wirkt, der ursprüngliche Wechselstrom verformt wird und Störungen erhält, wodurch sich höhere Änderungsraten bzw. Steigungen in der Wechselspannung bzw. Frequenzanteile oberhalb der Grundfrequenz des Wechselstroms ergeben. Wird beispielsweise die Schaltung mit einer (Sinus-)Wechselspannung von 50 oder 60 Hz (oder auch 150 oder 400 Hz) betrieben, dann ist die Signalform entsprechend sinusförmig, und die maximale Steigung bzw. die Frequenzanteile bestimmen sich durch den betreffenden Sinusstrom. Insbesondere besteht im Wesentlichen nur die Grundfrequenz (mit der genannten Frequenz von 50 Hz, ...). Besteht ein Isolationsfehler zwischen einem Hochvolt-Potential und Masse- bzw. Chassis (das heißt ein Fehler zwischen den genannten Potentialen gegenüber Masse bzw. Chassis), dann ist im Zeitbereich eine höhere maximale Steigerung zu erkennen. Es ergeben sich daher steilere Flanke bzw. Steigungen als bei einer Sinuswelle mit der genannten Frequenz. Für den Frequenzbereich betrachtet ergeben sich Oberschwingungen oberhalb der genannten Grundfrequenz.
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Als Isolationsfehler, der mit der hier beschriebenen Vorgehensweise und Vorrichtungen erfasst werden kann, ist insbesondere ein Fehler zwischen einer Wechselstromseite der Schaltung, die mit dem Wechselstromanschluss verbunden ist, und einer Gleichstromseite, die mit dem Bordnetz-Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Die Wechselstromseite führt mindestens ein Wechselspannungspotential. Die Gleichstromseite führt mindestens ein Gleichspannungspotential. Zwischen den beiden Seiten ist eine Isolation vorgesehen, wobei ein Isolationsfehler abgegeben wird, wenn die Isolation defekt ist. Insbesondere gibt der Isolationsfehler an, dass die Isolation zwischen einer Wechselstromseite eines Stromrichters und einer Gleichstromseite des Stromrichters fehlerhaft ist oder ein Fehler auf diese Isolation dementsprechend wirkt.
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Es wird daher vorgeschlagen, die Signalform zu betrachten, indem im Zeitbereich die Steigung oder im Frequenzbereich Wechselspannungsanteile mit einer Frequenz oberhalb der Grundfrequenz betrachtet werden. Ist die Steigung höher als die maximale Steigung des ungestörten Sinussignals, bzw. liegen Oberstörungsanteile bzw. Allgemeinfrequenzanteile oberhalb der Grundfrequenz (mit einer gewissen Mindestleistung oder -amplitude) vor, dann kann daraus geschlossen werden, dass ein Isolationsfehler besteht.
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Da es sich hierbei um eine passive Überwachung handelt, und somit kein aktives Testsignal eingespeist werden muss, kann die Überwachung dauerhaft ausgeführt werden und auch ohne den Aufwand einer Testsignalerzeugung. Insbesondere eignet sich die Erfindung für Ladeschaltungen, die an eine externe Wechselspannungsquelle angeschlossen werden, die als IT-System ausgelegt ist. Darüber hinaus ist die Betrachtung der Signalform (gegenüber dem üblichen Sinus) mit einfachen Mitteln durchzuführen. Zudem bietet die Betrachtung der Signalform eine sichere Art und Weise, um Isolationsfehler zu erkennen.
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Es wird ein Verfahren zur Erfassung eines Isolationsfehlers vorgeschlagen, der in der Fahrzeugladeschaltung selbst auftritt oder auf diese wirkt. Das Verfahren betrifft somit die Erfassung von Isolationsfehlern, die in einer Fahrzeugladeschaltung selbst verursacht sind, oder die in einem angeschlossenen Bordnetz oder in einer angeschlossenen Komponente vorliegen, wobei sich auf Grund der Anbindung an die Fahrzeugladeschaltung der Isolationsfehler auf dieses Bordnetz bzw. auf diese Komponente auswirkt. Auf Grund der Verbindung mit anderen Komponenten ist es daher im Hinblick auf den Isolationsfehler gleich, wo dieser auftritt, solange auf Grund der Verbindung der Isolationsfehler auf die Fahrzeugladeschaltung wirkt.
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Die Fahrzeugladeschaltung ist insbesondere eine Hochvolt-Ladeschaltung. Die Fahrzeugladeschaltung ist eine Wechselstrom-Fahrzeugladeschaltung und hat einen Wechselstromanschluss. Dieser dient zur Anbindung von externen Wechselstromquellen oder auch von externen Komponenten, die von der Fahrzeugladeschaltung versorgt werden können, wenn dieser bidirektional ausgestaltet ist. Der Wechselstromanschluss weist einen Schutzleiteranschluss auf, der zur Anbindung eines Schutzleiterpotentials, etwa einer Wechselstromquelle oder einer Komponente, die von der Fahrzeugladeschaltung mit Wechselstrom versorgt wird. Die Fahrzeugladeschaltung weist ferner einen Bordnetz-Gleichspannungsanschluss auf. Die Fahrzeugladeschaltung führt eine Gleichrichtung der Spannung am Wechselstromanschluss auf, wobei diese (spannungsgewandelt oder nicht spannungsgewandelt) an den Bordnetz-Gleichspannungsanschluss übertragen wird, vorzugweise innerhalb der Fahrzeugladeschaltung. Bei einer bidirektionalen Ausführung der Fahrzeugladeschaltung kann diese ferner eine am Gleichspannungsanschluss anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung richten, die an den Wechselstromanschluss abgegeben wird. Die Fahrzeugladeschaltung liegt innerhalb eines Fahrzeugs vor bzw. wird innerhalb eines Fahrzeugs betrieben. Alternativ ist die Fahrzeugladeschaltung extern zu einem Fahrzeug vorgesehen, wobei erst am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss ein Bordnetz eines Fahrzeugs angeschlossen ist.
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Als Isolationsfehler, der mit der hier beschriebenen Vorgehensweise und Vorrichtungen erfasst werden kann, ist insbesondere ein Fehler zwischen einer Wechselstromseite der Schaltung, die mit dem Wechselstromanschluss verbunden ist, und einer Gleichstromseite, die mit dem Bordnetz-Gleichspannungsanschluss verbunden ist. Die Wechselstromseite führt mindestens ein Wechselspannungspotential. Die Gleichstromseite führt mindestens ein Gleichspannungspotential. Zwischen den beiden Seiten ist eine Isolation vorgesehen, wobei ein Isolationsfehler abgegeben wird, wenn die Isolation defekt ist. Insbesondere gibt der Isolationsfehler an, dass die Isolation zwischen einer Wechselstromseite eines Stromrichters und einer Gleichstromseite des Stromrichters fehlerhaft ist oder ein Fehler auf diese Isolation dementsprechend wirkt. Wenn ein Isolationsfehler auftritt, kann der Wechselrichter deaktiviert werden, so dass dieser keine Wechselspannung mehr abgibt.
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Das hier beschriebene Verfahren kann in einer Fahrzeugladeschaltung angewandt werden, die unidirektional ist und Wechselstrom, der im Wechselstromanschluss anliegt, gleichrichtet, um diesen spannungsgewandelt oder nicht spannungsgewandelt am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss abzugeben. Die Fahrzeugladeschaltung kann auch bidirektional ausgestattet sein, und kann so zusätzlich die Funktion aufweisen, eine am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss anliegende Gleichspannung zu richten in eine Wechselspannung, die am Wechselstromanschluss abgegeben wird, etwa an eine externe Last oder zur Rückspeisung in ein angeschlossenes Versorgungsnetz. Die hier beschriebene Schaltung kann ferner eine Fahrzeugversorgungsschaltung sein, die eingerichtet ist, eine Gleichspannung am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss in eine Wechselspannung zu richten, die am Wechselstromanschluss abgegeben wird. Die so vorgesehene Speisung einer externen Komponente mit Wechselspannung, der sich durch Stromrichtung aus der Gleichspannung des Bordnetz-Gleichspannungsanschlusses ergibt, wird auch als „Vehicle-to-Load-Funktion“ bezeichnet, das heißt, eine Funktion, mittels der die im Fahrzeug bzw. in dessen Akkumulator gespeicherte elektrische Energie zum Betreiben einer externen Komponente über einen Wechselstromanschluss bereitgestellt wird. Die Fahrzeugversorgungsschaltung kann somit unidirektional ausgebildet sein, um Energie vom Gleichspannungsanschluss in einen Wechselstrom zu richten, um diesen am Wechselstromanschluss abzugeben. Es sind auch bidirektionale Ausführungen von Fahrzeugversorgungsschaltungen denkbar. Der Wechselstromanschluss einer Fahrzeugversorgungsschaltung kann gemäß einer Norm für übliche Haushaltssteckdosen ausgebildet sein. Der Wechselstromanschluss einer Fahrzeugladeschaltung ist vorzugsweise gemäß einer Norm zur Ausbildung von kabelgebundenen Fahrzeugladeanschlüssen ausgebildet.
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Das Verfahren sieht vor, dass die Wechselspannung zwischen dem Schutzleiteranschluss und einem Phasenanschluss des Wechselstromanschlusses erfasst wird. Der Wechselstromanschluss kann ein oder mehrere Phasenanschlüsse aufweisen, das heißt eine, zwei oder drei Phasen, unter anderem abhängig von der Ausprägung von zur Verfügung stehenden Versorgungsnetzen. Die Wechselspannung wird erfasst, indem diese gemessen wird, wobei hierbei die Spannung insbesondere zunächst über einen Spannungsteiler verringert wird und dann erfasst wird, etwa mittels einer Messeinrichtung wie einem Analog-Digital-Wandler.
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Zur Ermittlung von Signalcharakteristika der Wechselspannung wird eine Größe ermittelt, die den maximalen Betrag der Steigung in der Wechselspannung wiedergibt. Dadurch können Steigungen erfasst werden, die größer sind als die bei einem reinen Sinusverlauf, wobei dies als Signal bzw. Zeichen für einen Isolationsfehler verwendet wird. Dies betrifft die Betrachtung der Wechselspannung im Zeitbereich.
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Zur Betrachtung der Wechselspannung im Frequenzbereich kann eine Größe ermittelt werden, die den Anteil von Frequenzkomponenten in der Wechselspannung kennzeichnen, die über einer Grundfrequenz der Wechselspannung liegen. Beispielsweise eine Fouriertransformation kann verwendet werden, um die Anteile der Frequenzkomponenten zu erfassen. Alternativ kann auch ein Hochpass verwendet werden, um so Frequenzkomponenten zu erfassen, die größer sind als die Grundfrequenz der Wechselspannung.
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Es kann somit eine Größe ermittelt werden, die den Anteil von Frequenzkomponenten in der Wechselspannung kennzeichnen, deren Frequenz über der Grundfrequenz liegt, wobei der Anteil vorzugsweise die Leistung oder die Amplitude der entsprechenden Frequenzkomponente (mit einer Frequenz über der Grundfrequenz) widerspiegelt. Wie erwähnt muss hierbei nicht die Wechselspannung am Wechselstromanschluss selbst betrachtet werden, sondern es kann aus der Wechselspannung eine Wechselspannung mit geringerer Amplitude abgeleitet werden, etwa mittels eines Spannungsteilers.
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Ferner wird die so ermittelte Größe (die die Wechselspannung im Zeitbereich oder im Frequenzbereich wiedergibt oder kennzeichnet) mit einem zugehörigen Schwellenwert verglichen. Bezieht sich die Größe auf die Steigung der Wechselspannung, dann ist der zugehörige Schwellenwert ein Steigungsschwellenwert. Betrifft die Größe den Anteil von Frequenzkomponenten, dann betrifft der Schwellenwert einen Amplituden- oder Leistungsschwellenwert für mindestens eine Frequenzkomponente. Bei dem Vergleich der Größe, die sich auf die Steigung der Wechselspannung bezieht, wird beim Vergleich die Amplitude der erfassten Wechselspannung normierend berücksichtigt. Ein entsprechender Vergleich sieht daher vor, dass der maximale Betrag der Steigung sich auf eine Wechselspannung bezieht, deren Amplitude im Wesentlichen der Amplitude eines ungestörten Sinussignals entspricht, etwa der Nennspannung des angeschlossenen Versorgungsnetzes, ggf. multipliziert mit einem vorgegebenen Faktor. Als ungestört wird hierbei der Zustand bezeichnet, dass kein Isolationsfehler vorliegt. Bei der Betrachtung der maximalen Steigung wird daher berücksichtigt, dass sich eine Steigung auch durch eine höhere Amplitude ergibt, wobei durch Anpassung der Amplituden beim Vergleich der Einfluss von grundsätzlich unterschiedlichen Effektivwerten oder Amplituden etwa durch Normierung herausgerechnet wird bzw. kompensiert wird.
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Es ist vorgesehen, dass ein Isolationsfehlersignal abgegeben wird, wenn die Größe den zugehörigen Schwellenwert übersteigt. Insbesondere wird dann ein Isolationsfehlersignal abgegeben, wenn die Größe den zugehörige Schwellenwert durchgehend für eine bestimmte Zeitdauer übersteigt, das heißt, dass das Isolationsfehlersignal entprellt werden kann. Es wird kein Isolationsfehlersignal abgegeben, wenn die Größe den zugehörigen Schwellenwert nicht übersteigt. Es kann auch ein Signal abgegeben werden, das eine fehlerfreie Isolierung wiedergibt, wenn die Größe den zugehörigen Schwellenwert nicht übersteigt.
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Die Betrachtung der Größe anhand der Steigung der Wechselspannung kann sich auf eine Steigungsberechnung beziehen, das heißt die Ermittlung der Flankensteilheit, oder kann auch als eine Korrelation der Signalformen (das heißt zur Relation mit einem reinen Sinussignal) entsprechen. Da eine Steigung, die auf Grund des Isolationsfehlers und der damit einhergehenden Verzerrungen in der Signalform eine höhere maximale Steigung aufweist, ergibt sich bei der Korrelation im Zeitbereich mindestens eine Komponente außerhalb der Grundkomponente der Korrelation (am Zeitverschiebungspunkt Null), so dass bei Auftreten einer derartigen zusätzlichen Korrelationsergebniskomponente auf ein Isolationsfehler geschlossen werden kann. Der maximale Betrag der Steigung kann sich auf den Betrag beziehen, der über eine gesamte Periode maximal ist, oder kann sich auf eine Steigung beziehen, der sich auf einen bestimmten Zeitpunkt in der Phase bezieht. Die Betrachtung der ganzen Periode und die Ermittlung der Steigung, die über die ganze Periode den Maximalwert darstellt, ist jedoch auch durchführbar ohne Berücksichtigung der Phase zwischen erfasster Wechselspannung und ungestörter Spannung. Der zugehörige Schwellenwert ist vorzugsweise vorgegeben, kann jedoch auch ermittelt werden aus der momentan am Wechselstrom anliegenden Spannung, das heißt einer Spannung zwischen den Phasen oder insbesondere zwischen einer Phase und einem Neutralleiteranschluss des Wechselstromanschlusses. Da jedoch etwa bei Anschluss von öffentlichen Stromnetzen sowohl Frequenz, Signalform als auch Amplitude bekannt sind, kann der Schwellenwert auch als Konstante hinterlegt sein.
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Das Erfassen der Wechselspannung kann ausgeführt werden durch Erfassen einer Wechselspannung, die an dem Wechselstromanschluss selbst anliegt, das heißt durch Erfassen einer Spannung an Potentialen, die direkt mit den Potentialen des Wechselstromanschlusses verbunden sind. Alternativ kann die Wechselspannung erfasst werden als eine Wechselspannung, die an einer Wechselstromseite eines Gleichrichters anliegt, wobei zwischen der Wechselstromseite und dem Wechselstromanschluss etwa ein Netzfilter vorgesehen sein kann. Der Stromrichter bzw. Gleichrichter dient zur Gleichrichtung innerhalb des Verfahrens, insbesondere wenn die Fahrzeugladeschaltung Energie vom Wechselstromanschluss zum Bordnetz-Gleichspannungsanschluss überträgt. Im Falle einer Spannungsversorgungsschaltung wird der Stromrichter bzw. Gleichrichter als Wechselrichter betrieben, das heißt in umgekehrter Richtung im Vergleich zum üblichen Betrieb eines Gleichrichters, um so aus dem Bordnetz-Gleichspannungsanschluss eine Wechselspannung zu erzeugen. Je nach Ausprägung als Versorgungs- oder als Ladeschaltung kann der Gleichrichter somit als Gleichrichter selbst ausgebildet sein, oder auch als Stromrichter, das heißt als steuerbare Gleichrichterschaltung, die zur Übertragung von der Wechselstromseite zur Gleichstromseite hin ausgebildet ist oder betrieben wird. Der Gleichrichter ist vorzugsweise ein- oder mehrphasig ausgebildet, und kann beispielsweise als BnC-Brücke ausgebildet sein, wobei n das Doppelte der Phasenanzahl ist.
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Sofern die Schaltung als Fahrzeugversorgungsschaltung ausgebildet ist, so ist die Grundfrequenz der Wechselspannung diejenige, gemäß der der als Wechselrichter betriebene Gleichrichter angesteuert wird, das heißt entspricht im Wesentlichen einer Soll-Frequenz der Spannung, die von dem Gleichrichter auf der Wechselstromseite erzeugt wird. Da hierin bei einer Fahrzeugladeschaltung der Gleichrichter als gleichrichtende Schaltung verwendet wird und bei der Ausbildung als Fahrzeugversorgungsschaltung der Gleichrichter in umgekehrter Richtung als Inverter oder Wechselrichter bezeichnet wird, kann der Begriff „Gleichrichter“ in einigen Ausführungsformen auch gleichgesetzt werden mit dem Begriff „Stromrichter“.
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Die Schaltung kann betrieben werden, um die Spannung am Wechselstromanschluss gleichzurichten. Insbesondere wird die Schaltung betrieben, die gleichgerichtete Spannung am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss (spannungsgewandelt oder nicht spannungsgewandelt) abzugeben. Ferner kann die Schaltung betrieben werden, die Spannung am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss in eine Wechselspannung zu richten und am Wechselstromanschluss abzugeben. In diesem Fall wird der Gleichrichter als Wechselrichter betrieben, das heißt in eine Richtung umgekehrt zur Richtung, in der der Gleichrichter betrieben wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Schaltung an einem Ladenetz betrieben wird, das als Wechselstromkomponente an den Wechselstromanschluss angeschlossen ist, wobei das Ladenetz als IT-System ausgebildet ist (und so auf der erzeugenden Seite keine Erdung aufweist). Das Ladenetz entspricht insbesondere einem öffentlichen Versorgungsnetz, kann jedoch auch ein Inselnetz sein. Der Wechselstromanschluss ist dann mit einem lokal vorgesehenen Erdungsanschluss verbunden, wobei jedoch erzeugerseitig ein ein- oder mehrphasiges System vorliegt, dessen Sternpunkt nicht geerdet ist. Dies betrifft insbesondere Ladenetze mit zwei Phasen, die zudem einen Neutralleiter aufweisen können.
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Um die Verzerrungen in der Wechselspannung besser zu erkennen, die sich durch den Isolationsfehler ergeben, kann die Wechselspannung im Rahmen der Erfassung, Ermittlung oder im Rahmen des Vergleichens gefiltert werden. Die Größe kann gefiltert werden, indem die Grundfrequenz der Größe mehr gedämpft oder weniger verstärkt wird als die Frequenzen, die über der Grundfrequenz der Wechselspannung liegen. Dies kann ausgeführt werden bei Verfahren, die die Größe als eine Größe ermitteln, die den Anteil von Frequenzkomponenten in der Wechselspannung kennzeichnet, oder die die Größe als eine Größe ermitteln, die den maximalen Betrag der Steigung wiedergibt. In beiden Fällen dient das Filtern zum Hervorheben der Signalkomponenten, die sich durch das Verzerren auf Grund des Isolationsfehlers ergeben. Dadurch wird die Steigung im Zeitbereich verstärkt bzw. werden die Frequenzkomponenten ober der Grundfrequenz hervorgehoben.
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Das Filterns kann ausgeführt werden durch einen Bandsperrenfilter, der die Grundfrequenz unterdrückt, oder kann ausgeführt werden durch einen Hochpass, der die Frequenzkomponenten oberhalb der Grundfrequenz stärker hervorhebt als die Frequenzkomponenten der Grundfrequenz. Die Größe wird somit gefiltert, indem die Komponente, die der Grundfrequenz der Wechselspannung entspricht, stärker gedämpft wird als die Frequenzkomponenten über der Grundfrequenz, oder indem die Frequenzkomponenten der Grundfrequenz weniger verstärkt wird als die Frequenzkomponenten, die über der Grundfrequenz liegen. Insbesondere kann zum Filtern ein RC-Glied verwendet werden, das als Hochpass ausgestaltet ist.
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Weiterhin wird eine Isolationsüberwachungsvorrichtung beschrieben, die eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Die Isolationsüberwachungseinrichtung hat einen Eingang, der eingerichtet ist zum Anschluss an einen Schutzleiter und (mindestens) eine Wechselstromphase einer Versorgungs- oder Ladeschaltung. Diese Schaltung kann insbesondere der hier beschriebenen Schaltung entsprechen. Die Isolationsüberwachungseinrichtung hat eine Ermittlungsschaltung, die dem Eingang nachgeschaltet ist, und die zum Ausführen des Schritts des Ermittelns der Größe ausgebildet ist. Die Ermittlungsschaltung ist eingerichtet, mittels einer Größe, die den maximalen Betrag der Steigung wiedergibt, der in der Wechselspannung vorliegt, welche zwischen dem Schutzleiter und der Wechselstromphase herrscht. Die Ermittlungsschaltung kann ferner eingerichtet sein zum Ermitteln einer Größe, die den Anteil von Frequenzkomponenten in der Wechselspannung kennzeichnet, die über einer Grundfrequenz der Wechselspannung liegen. Als Anteil kann insbesondere hier der Amplituden- oder Leistungsanteil dienen.
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Ein Vergleich der Isolationsüberwachungsvorrichtung ist zur Ausführung des Schritts des Vergleichens ausgebildet. Der Vergleicher ist dem Eingang nachgeschaltet. Der Vergleicher ist eingerichtet, die Größe mit dem Schwellenwert zu vergleichen. Die Isolationsüberwachungsvorrichtung hat einen Ausgang, der dem Vergleicher nachgeschaltet ist bzw. der an einer Ausgangsseite des Vergleichers liegt. Die Isolationsüberwachungsvorrichtung und somit auch der Vergleicher sind eingerichtet, ein Isolationsfehlersignal abzugeben, wenn die Größe den zugehörigen Schwellenwert übersteigt. Der Ausgang ist eingerichtet, kein Isolationsfehlersignal abzugeben, wenn die Größe nicht den Schwellenwert übersteigt. Der Vergleicher bzw. die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in diesem Fall ein Signal abzugeben, das wiedergibt, dass kein Isolationsfehler besteht.
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Die Isolationsüberwachungsvorrichtung kann mit einem Filter ausgestattet sein. Der Filter kann zwischen der Ermittlungsschaltung und dem Vergleicher vorliegen, kann jedoch auch ein Teil des Vergleichers sein oder ein Teil der Ermittlungsschaltung sein. Der Filter kann insbesondere zwischen der Ermittlungsschaltung und dem Eingang vorgesehen sein. Der Filter dient, wie vorangehend genannt, der Filterung und somit zur Hervorhebung von Signalkomponenten, die sich durch die Verzerrungen auf Grund des Isolationsfehlers ergeben. Der Filter sieht für Frequenzkomponenten der Grundfrequenz der Wechselspannung eine stärkere Dämpfung oder eine geringere Verstärkung vor als für die Frequenzkomponenten, die über der Grundfrequenz liegen.
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Die Grundfrequenz kann beispielsweise 50 oder 60 Hz betragen, wobei die Frequenzkomponenten über der Grundfrequenz Oberschwingungen hiervon entsprechen können. Die Frequenzen der Frequenzkomponenten, die über der Grundfrequenz liegen, betragen beispielsweise mindestens das Doppelte der Grundfrequenz oder zumindest das 1,5-fache.
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Ferner ist eine Fahrzeugversorgungs- oder Fahrzeugladeschaltung vorgesehen, insbesondere wie sie hierin beschrieben ist. Die Schaltung weist eine Isolationsüberwachungsvorrichtung auf, insbesondere eine Vorrichtung, wie sie hierin beschrieben ist. Die Schaltung verfügt über einen Stromrichter. Der Stromrichter ist vorzugsweise als Gleichrichter (vorzugsweise gesteuert) ausgebildet, wenn es sich um eine Fahrzeugladeschaltung handelt. Dieser Gleichrichter kann insbesondere bidirektional oder auch unidirektional ausgebildet sein (zur Gleichrichtung zum Gleichspannungsanschluss hin). Insbesondere bei der Ausprägung als Fahrzeugversorgungsschaltung (zur Versorgung externer Verbraucher durch das Fahrzeugbordnetz) kann der Stromrichter als Wechselrichter ausgebildet sein. Dadurch kann von dem Wechselrichter elektrische Energie des Gleichspannungsanschlusses in einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung am Wechselstromanschluss umgewandelt werden.
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Der Wechselstromanschluss ist über den Stromrichter mit dem Bordnetz-Gleichspannungsanschluss der Schaltung verbunden. Der Eingang der Isolationsvorrichtung ist mit dem Schutzleiteranschluss und mindestens einem der Phasenanschlüsse (des Wechselspannungsanschlusses) verbunden. Die Schaltung ist derart ausgebildet, dass der Eingang die Wechselspannung erhält, die zwischen dem Schutzleiteranschluss und dem mindestens einen Phasenanschluss anliegt. Alternativ ist die Schaltung derart ausgebildet, dass der Eingang ein Signal erhält, das diese Wechselspannung (vollständig oder teilweise) kennzeichnet. Insbesondere kann der Eingang eine Wechselspannung erhalten, die der Wechselspannung zwischen Schutzleiter und Phasenanschluss entspricht, die jedoch mittels eines Spannungsteilers gedämpft wurde.
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Die Schaltung kann eine Trenneinrichtung aufweisen. Die Trenneinrichtung ist insbesondere eine Leistungstrenneinrichtung. Die Trenneinrichtung ist einer Wechselstromseite des Stromrichters vorgeschaltet. Der Ausgang (der Überwachungsvorrichtung) ist ansteuernd mit der Trenneinrichtung verbunden. Diese Verbindung kann direkt oder indirekt sein und kann insbesondere nur einer logischen Verbindung entsprechen. Der Ausgang bzw. die Überwachungsvorrichtung ist eingerichtet, die Trenneinrichtung zu öffnen, wenn ein Isolationsfehlersignal abgegeben wird. Ansonsten kann vorgesehen sein, dass die Trenneinrichtung von dem Ausgang geschlossen gestellt wird, wenn kein Isolationsfehlersignal vorliegt, oder wenn ein Signal vorliegt, das eine fehlerfreie Isolation kennzeichnet. Es kann eine logische Verknüpfung vorgesehen sein, die weitere Signale oder Ereignisse mit dem Isolationsfehlersignal (bzw. Signal, das einen fehlerfreien Betrieb kennzeichnet) verknüpft, beispielsweise, um bei einem abgestellten Fahrzeug die Trenneinrichtung zu öffnen, auch wenn kein Isolationsfehlersignal vorliegt.
- Die 1 bis 3 dienen zur Erläuterung von Ausführungsformen der hier beschriebenen Verfahren, Schaltungen und Vorrichtungen.
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Die 1 zeigt beispielhaft eine Schaltung innerhalb einer Anwendung und zeigt insbesondere in symbolischer Weise eine Isolationsüberwachungsvorrichtung.
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Die 2 und 3 dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung im Hinblick auf die Signalbetrachtungen im Zeitbereich (2) und im Frequenzbereich (3).
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Die in 1 dargestellte Schaltung umfasst eine Fahrzeugladeschaltung FL, die über den Wechselstromanschluss WA mit einer externen Wechselstromkomponente WK verbunden ist. Die Wechselstromkomponente WK ist hierbei eine Wechselstromquelle, beispielsweise eine Wechselstrom-Ladestation. Die Fahrzeugladeschaltung FL ist zwischen der Wechselstromquelle WK und den Bordnetz-Gleichspannungsanschlüssen B+, B-angeschlossen. An die Fahrzeugladeschaltung FL, insbesondere an deren Bordnetz-Gleichspannungsanschluss, ist ein Akkumulator A (symbolhaft dargestellt) angeschlossen. Die Fahrzeugladeschaltung FL und der angeschlossene Akkumulator sind insbesondere Teil eines Fahrzeugs, wobei der Wechselstromanschluss WA dem von außen kontaktierbaren AC-Ladeanschluss entspricht.
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Der Wechselspannungsanschluss WA weist in dem dargestellten Beispiel zwei Phasenanschlüsse L1 und L2 auf sowie einen Schutzleiteranschluss PE. Anstatt der Phase L2 kann auch ein neutraler Anschluss vorgesehen sein. Es schließt sich ein Stromrichter GR an, der als Gleichrichter ausgebildet ist. Der Gleichrichter weist eine Wechselspannungsseite WS und eine Gleichspannungsseite GS auf. Die Wechselspannungsseite WS ist mit dem Wechselstromanschluss WA verbunden, und die Gleichspannungsseite GS ist mit dem Bordnetz-Gleichspannungsanschluss verbunden. Diese Verbindung kann auch einen Gleichspannungswandler enthalten, ist hier jedoch als wandlerlose Verbindung dargestellt.
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Beim Laden legt die Ladestation WK eine Wechselspannung zwischen den Anschlüssen L1 und L2 an, wobei der Gleichrichter GR diese Wechselspannung vorzugsweise gesteuert in eine Gleichspannung DC gleichrichtet und an der Gleichspannungsseite abgibt. Die Gleichspannung DC liegt an dem Bordnetz-Gleichspannungsanschluss B+, B-, um so den Akkumulator A zu laden. Es ist auch ein umgekehrter Leistungsfluss denkbar, wenn der Stromrichter GR bidirektional ausgebildet ist. In diesem Fall würde eine Spannung DC am Bordnetz-Gleichspannungsanschluss in eine gewünschte Spannung der Wechselspannungsseite WS gewandelt werden, um etwa elektrische Energie in die angeschlossene Ladestation einzuspeisen (oder auch um eine externe Komponente zu betreiben). Der Stromrichter ist galvanisch isolierend aufgebaut. An der symbolisch dargestellten Stelle T kann eine vorzugsweise allphasige Trenneinrichtung vorgesehen sein.
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Die Ladestation weist eine Erdung GND auf. Ein mit der Ladestation verbundenes Versorgungsnetz weist nicht notwendigerweise ebenso eine Erdung auf, sondern kann als IT-System ausgebildet sein und keine erzeugerseitige Erdung aufweisen. Auf der Seite des Fahrzeugs besteht ein Chassis-Potential bzw. Massepotential, das mit dem Bezugszeichen CH bezeichnet ist. Über den Anschluss PE sind die Potentiale GND und CH miteinander verbunden. Auch der Akkumulator bzw. der Stromrichter GR können wie dargestellt, geerdet sein, wobei insbesondere deren Gehäuse mit dem Chassis- bzw. Massepotential CH verbunden ist.
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Die Isolationsüberwachungsvorrichtung IE verfügt über einen Eingang E, der zu einer Ermittlungsschaltung ER führt. Der Ermittlungsschaltung ER ist ein optionaler Filter F nachgeschaltet. Die Ermittlungsschaltung ER gibt eine Größe ab, die den maximalen Betrag der Steigung der Spannung zwischen dem Schutzschalter und der Wechselstromphase oder den Anteil von Frequenzkomponenten in der Wechselspannung kennzeichnet, wobei die Frequenzen der Frequenzkomponenten über der Grundfrequenz der Wechselspannung liegen. Hierzu sei auf die Spannung AC verwiesen, die zwischen dem Schutzleiterpotential PE und einem Phasenpotential L1 oder L2 anliegt. Dargestellt sind die entsprechenden Verbindungen, wobei so die Spannungen zwischen L1 und PE sowie zwischen L2 und PE dem Eingang E zugeführt werden. Die Ermittlungsschaltung ist eingerichtet, um Signalcharakteristika in der Spannung AC zu ermitteln, die sich durch die Verzerrung ergeben, welche mit einem Isolationsfehler einhergeht. Die von der Ermittlungsschaltung ER abgegebene Größe G wird durch den Filter F geführt, der Grundschwingungsanteile der Größe G (mit der Grundfrequenz f0) stärker dämpft als darüberliegende Anteile (vgl. f1 - f4 der 3). Die sich ergebende Größe G wird an einen Vergleicher V der Isolationsüberwachungsvorrichtung IE weitergegeben.
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Der Vergleicher V vergleicht diese (gefilterte) Größe G mit einem Schwellenwert SW, der beispielsweise in der Isolationsüberwachungsvorrichtung IE vorliegt (oder auch gebildet werden kann aus der aktuellen Spannung zwischen L1 und PE bzw. L2 und PE), wenn kein Isolationsfehler vorliegt.
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Der optionale Filter F verstärkt die Detektierbarkeit der Größe G, indem Frequenzkomponenten der Grundwelle weniger stark übertragen werden als Frequenzkomponenten, deren Frequenz über der Grundschwingung liegt.
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Die Isolationsüberwachungsvorrichtung IE hat ferner einen Fehlerausgang FA, an dem ein Isolationsfehler IF als Signal ausgegeben werden kann, wenn der Vergleicher V ermittelt, dass die Größe G über dem Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert ist bei einer Betrachtung der Größe im Zeitbereich im Wesentlichen die maximale Steigung in einem Sinussignal, das sich bei isolationsfehlerfreiem Betrieb ergibt, das heißt die Steigung im Nulldurchgang. Der Schwellenwert ist bei der Betrachtung der Größe im Frequenzbereich (das heißt bei der Betrachtung von Frequenzkomponenten oberhalb der Grundfrequenz) im Wesentlichen Null. Der Vergleicher kann eine Sicherheitsmarge aufweisen, die zusätzlich zum Schwellenwert zu überschreiten ist, um so bei geringfügigen Störungen, die nicht auf einen Isolationsfehler zurückgehen, ein falschpositives Isolationsfehlersignal zu unterdrücken. Der Vergleicher kann ferner eine Entprellung aufweisen.
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Die dargestellte Ladeschaltung FL weist eine Wechselstromseite WS und eine Gleichstromseite auf. Die zur Isolationsüberwachung verwendeten Signale stammen aus der Wechselspannungsseite und werden als Wechselsignale betrachtet.
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Anstatt einer Ladeschaltung kann auch eine Wechselrichterschaltung zum Versorgen von externen Komponenten vorgesehen sein, die in gleicher Weise wie in 1 dargestellt aufgebaut ist. In diesem Fall ist der Stromrichter GR ein Inverter bzw. Wechselrichter, der eingerichtet ist, aus der Spannung DC an dem Wechselspannungsanschluss WA eine Spannung zu erzeugen. Eine Last, die dann wie die Wechselstromkomponente WK an den Wechselspannungsanschluss WA angeschossen ist, kann dann mit der entsprechenden Wechselspannung versorgt werden zwischen den Leitern L1 und L2 (bzw. L1 und Neutralleiter N statt L2). Auch hier ist eine Isolation erforderlich, da der Akkumulator 400 oder 800 Volt beispielsweise als Betriebsspannung aufweist, und daher eine potentielle Gefahr für einen Nutzer bei Isolationsfehlern darstellt.
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Die 2 zeigt an einem Beispiel die Verzerrungen, die in der Spannung AC (zwischen einem Phasenpotential und Chassis) auftreten, wenn ein Isolationsfehler besteht. Es ist zu erkennen, dass im Zeitbereich anhand der Steigungen diese Verzerrungen und somit auch der Isolationsfehler erfasst werden kann.
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Dargestellt ist die Wechselspannung AC (zwischen L1 und PE), die bis zum Zeitpunkt t1, zu dem noch kein Isolationsfehler aufgetreten ist, einen üblichen Verlauf hat. Im Nullpunkt ergibt sich die dargestellte Steigung S1, die beispielsweise erfasst wurde mittels zweier Spannungswerten zu verschiedenen Zeiten, um aus der jeweiligen Differenz das Steigungsdreieck zu bilden bzw. die Steigung oder Flankensteilheit zu erfassen. Zum Zeitpunkt t1 tritt ein Isolationsfehler auf. Es zeigt sich ab dem Zeitpunkt t1 eine starke Verzerrung des eigentlich zu erwartenden Sinussignals. Dies geht einher mit Stellen, an denen besonders hohe Steigungen zu sehen sind, beispielsweise die Steigung S2 und S3, die sichtbar über der Steigung S1 liegt. Im dargestellten Beispiel ist der Abstand in der y-Achse (AC) zwischen zwei Linien 200 Volt, während der Abstand zwischen zwei Teillinien in der t-Achse bzw. in der Zeitachse 5 ms entspricht. Es ergibt sich für die Steigung S1 ein Wert von ca. 44 kV/s. Zum Zeitpunkt S2 ergibt sich hingegen eine Steigung von 283 kV/s und somit ein Wert, der ca. dem 5-fachen des Werts S1 entspricht. Auch zum Zeitpunkt S3 besteht auf Grund der Verzerrung, bedingt durch Isolationsfehler, eine hohe Flankensteilheit von ca. 237 kV/s. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die deutlich höheren Steigungen S2 und S3 gut gegenüber der üblichen Steigung S1 erkannt werden können. Die Steigung S1 kann hierbei ein Kennzeichen für den Schwellenwert dienen, während die Steigungen S2 und S3 der Größe G entsprechen. Der Vergleicher kann somit auf einfache Weise den Isolationsfehler anhand der Größen G und SW (hier: S1) erkennen.
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Die 3 zeigt eine Auswertung im Frequenzbereich, das heißt anhand einer Größe G, die den Anteil von Frequenzkomponenten mit einer Frequenz größer als die Grundfrequenz verwendet. Die obere Darstellung zeigt eine Spektralanalyse einer ungestörten Spannung, entsprechend der Spannung der 2 vor dem Zeitpunkt t1. Abgesehen von einer zu vernachlässigenden Gleichspannungskomponente ergibt sich für die Grundfrequenz f0 (50 Hz, wie auch in 2) ein einzelner Peak und ansonsten keinerlei wesentliche Frequenzkomponenten. Die unterste Darstellung zeigt eine Spannung AC2, die gegenüber der Frequenz aufgetragen ist. Die Spannung AC2 zeigt die Spannung AC im Falle eines Isolationsfehlers, entsprechend dem Signal der 2 ab dem Zeitpunkt t1 (gegebenenfalls bis zur Steigung S3). Klar zu erkennen sind nach wie vor die Grundkomponente f0 mit einer Frequenz von 50 Hz, wobei jedoch zusätzliche Frequenzkomponenten f1 bis f4 hinzugetreten sind (die die Verzerrung widerspiegeln). Zumindest eine dieser Frequenzkomponenten oder alle zusammen bilden die Größe G, die Aufschluss über das Vorliegen eines Isolationsfehlers gibt, da die betreffenden Frequenzkomponenten das Resultat einer Verzerrung sind, die aus dem Isolationsfehler resultiert. Die Frequenzkomponenten f1 bis f4 sind Oberschwingungen, das heißt Vielfache der Grundfrequenz f0. Die Frequenz f1 entspricht der dritten Oberschwingung, die Frequenz f2 entspricht der fünften Oberschwingung, die Frequenz f3 der siebenten Oberschwingung und f4 der neunten Oberschwingung. Es kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln einer Größe G, die den Anteil von Frequenzkomponenten in der Wechselspannung kennzeichnet, mit Frequenzkomponenten der ungeraden Oberschwingungen durchgeführt wird, d.h. mittels der 3. Oberschwingung, ggf. in Kombination mit mindestens einer weiteren ungeraden Oberschwingung.
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Es ist auch in geringfügigem Maße die zweite Oberschwingung zwischen f0 und f1 zu erkennen, die in der obersten Darstellung (isolationsfehlerfrei) nicht vorhanden ist. Die Darstellung der Spannung AC2 entspricht der Spannung AC in ungefilterter Weise.
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Die mittlere Darstellung AC1 zeigt eine gefilterte Spannung AC, wobei der Filter als Hochpass ausgelegt ist. Es ist zu erkennen, dass durch die Hochpassfilterung die Komponenten der Grundfrequenz f0 deutlich stärker gedämpft sind als die Frequenzen der Frequenzkomponenten f1 bis f4. Es ergibt sich durch die Filterung, dass die Grundfrequenzkomponente f0, die in der untersten Darstellung noch die Frequenzkomponente f1 dominiert, durch die Filterung in der mittleren Darstellung von der dort dargestellten Frequenzkomponente f1 dominiert wird. Es ist somit zu erkennen, dass durch die Filterung in der mittleren Darstellung eine gute Trennung zwischen den Oberschwingungskomponenten f1 und f4 einerseits und der Grundwellenkomponente f0 andererseits ausgeführt werden kann.
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Die Frequenzanteile sind mit Bezugszeichen gekennzeichnet, die mit einem kleinen f beginnen, entsprechend der Frequenz f in der Abszisse der Darstellungen der 3. Daher können die Bezugszeichen f0 bis f4 auch zur Bezeichnung der betreffenden Frequenzen der jeweiligen Frequenzkomponenten verwendet werden.
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Schließlich sei bemerkt, dass in der 2 ungefähr eine Zeiteinteilungseinheit der t-Achse nach dem Punkt, an dem die Steigerung S3 eingezeichnet ist, der Isolationsfehler wieder aufgehoben ist. Es zeigt sich ein transientes Signalverhalten, wobei mit dem Ende des Isolationsfehlers auch die Verzerrung deutlich abnimmt, und lediglich eine abnehmende DC-Komponente (abnehmender Offset) zu erkennen ist. Daher kann sowohl durch die Betrachtung im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich auch erkannt werden, wenn ein Isolationsfehler nicht mehr besteht, da durch die beschriebenen Mechanismen der Erkennung das transiente Verhalten nach einem Isolationsfehler nicht zu einer fehlerhaften Ausgabe eines Isolationsfehlers führt.
