DE19618897A1 - Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes einer Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswider­ standes einer Akkumulatorenbatterie im Inselbetrieb durch Messung von Leerlaufspannung und Belastungsspannung.

Akkumulatoren-Batterien bestehen aus der Reihenschaltung einer Vielzahl einzelner Akkumu­ latorzellen. Die einzelnen Akkumulatorzellen sind über Zellenverbinder miteinander verbunden. Durch Materialfehler, Störungen oder mechanische Überbeanspruchung können Leckagen der Zellengehäuse auftreten, so daß gegen den Batterietrog aus. Metall oder anderem leitfähigem Material eine Verbindung mit niedrigem Isolationswiderstand entstehen kann. Ebenso können über leitende Flüssigkeiten bzw. Elektrolyte Verbindungen von den Zellenverbindern zum Batterietrog entstehen. Ein derartiger erster Isolationsfehler kann in einem Inselnetz, wie z. B. im Elektrofahrzeug, noch nicht zu einer Betriebsstörung führen. Ein zweiter Isolationsfehler im gesamten Fahrzeugsystem kann jedoch einen erheblichen Leckstrom auslösen, der zu einer Betriebsstörung führt. Ein erster Isolationsschluß muß deshalb schnellstmöglich behoben wer­ den.

Es ist bekannt, daß in einem Netz der Innenwiderstand durch eine Leerlaufmessung und eine Belastungsmessung berechnet werden kann. Mit der Leerlaufspannung U₀, dem Innenwider­ stand R_i, der Klemmenspannung U_k und dem Lastwiderstand R_L errechnet sich der Innenwi­ derstand zu:

Bei einer Akkumulatorenbatterie ohne Masseverbindung kann der Isolationswiderstand gegen den Trog oder eine andere Bezugsmasse als Innenwiderstand der obigen Formel gesehen werden. Ein Isolationsschaden mit einem definierten Isolationswiderstand kann allerdings auf verschiedener Potentialebene erfolgen. Zur Bestimmung eines solchen Isolationswiderstandes ist es deshalb zweckmäßig, sowohl eine Messung vom Pluspol zum Massepunkt als auch eine Messung vom Minuspol zum Massepol durchzuführen. Zur Verwendung der obigen Formel ist es zweckmäßig, den größeren von beiden Meßwerten auszuwählen und die Messung dement­ sprechend an dem Punkt der höheren Spannung gegen Masse durchzuführen.

Für eine ständig wiederkehrende Messung im Fahrzeug ist dazu ein Meßsystem mit einem sehr hohen Innenwiderstand (< 10 MΩ) und einem großen Bereich vorzusehen. Die Berechnung des Innenwiderstandes könnte dann nach Durchführung der entsprechenden Messungen durch ein Rechnersystem erfolgen. Über die Höhe der Meßspannung kann im Verhältnis zur Gesamt­ batteriespannung eine direkte Zuordnung des Isolationswiderstandes bei niedrigen Werten erfolgen. Ist der Widerstand größer als 1 MΩ oder hat das Meßgerät nicht den erforderlichen Innenwiderstand, so kann der Meßfehler beträchtlich werden.

Es wurden bereits Systeme entwickelt, die es gestatten, die Isolation eines Inselnetzes ständig zu überprüfen. Diese zum Teil mit Hochfrequenz arbeitenden Geräte stellen generell den Iso­ lationsschaden fest und weisen insgesamt einen bestehenden Isolationswiderstand aus. Eine direkte Zuordnung des Ortes ist allerdings nicht gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die eine Isolationsüber­ wachung des Akkumulatorenbatterie-Systems ermöglicht, den Isolationswert errechnet und den Ort des möglichen Isolationsschlusses angibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung gelöst, wie sie im Patent­ anspruch 1 definiert ist. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Schaltungsanordnung.

Die Initialisierung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung kann z. B. mit Betätigung des Zünd­ schlüssels im Kraftfahrzeug erfolgen. Dabei wird eine Isolationsmessung vor Zuschalten des Antriebes durchgeführt, so daß auf diese Weise nur der Isolationswert der Batterie gemessen wird. Mit dem System ist weiterhin eine wiederkehrende Isolationsmessung der gesamten An­ lage auf eine weitere Initialisierung möglich. Diese Initialisierung kann gegebenenfalls auch periodisch im Fahrbetrieb, z. B. nach einer bestimmten Zeit, erfolgen. Die neue Schaltungsan­ ordnung ist nicht an einen definierten hochohmigen Innenwiderstand der Meßeinrichtung ge­ bunden und sie beherrscht einen weiten möglichen Spannungsbereich bei der Isolationsmessung mit vertretbaren Mitteln.

Damit die Messung des Isolationswiderstandes für ein Meßsystem mit Innenwiderstand < 10 MΩ nicht verfälscht wird, werden erfindungsgemäß zwei Kondensatoren (C₁ und C₂) mit einem Ableitwiderstand R_m an die Batterieklemmen angeschlossen. Die Teilspannungen an den Kondensatoren stellen sich auf die Teilspannungen ein, die durch den gesamten Isolations­ widerstand der Batterie zwischen den Anschlüssen der Batterie und der Bezugsmasse entste­ hen. Die Zeitkonstante für die Aufladung ergibt sich zu (R_iso + R_m) × (C₁ + C₂). Die Messung des Isolationswiderstandes erfolgt durch Anschalten eines Zusatzwiderstandes an den Pol der Batterie, dessen dort angeschlossener Kondensator auf die höhere Teilspannung aufgeladen ist. Die Errechnung des Innenwiderstandes erfolgt erfindungsgemäß entsprechend der eingangs angegebenen Formel mit Hilfe eines Mikrorechners. In einer weiteren Berechnung kann der Ort ermittelt werden, an dem sich der Ableitwiderstand R_iso gebildet hat.

Im folgenden ist anhand der Figuren der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Akkumulatoren-Batterie mit den erfindungsgemäßen Meßkon­ densatoren.

Fig. 2 zeigt eine detaillierte Schaltung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zur Auswertung der Meßspannungen.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild für die gesamte Meß- und Anzeigeschaltung.

Gemäß Fig. 1 besteht die Akkumulatoren-Batterie 1 aus einer nicht näher genannten Vielzahl von einzelnen Akkumulatoren-Zellen. Der Isolationswiderstand 2 (R_iso) kann an einer Stelle konzentriert oder aber als gesamter Ableitwiderstand von allen Zellen gesehen werden. An die Batterieklemmen + und - werden die Kondensatoren 4 und 5 (C₁ und C₂) geschaltet. Die Ver­ bindung dieser Kondensatoren wird über den Ableitwiderstand 3 (R_m) mit der Masse verbunden. Nach Anschluß dieser in Reihe geschalteten Kondensatoren 4 und 5 laden sie sich auf die Teilspannungen U₁′ = U₁ und U₂′ = U₂ auf. Die Kondensatoren 4 und 5 mit etwa dem gleichen Kapazitätswert werden so bemessen, daß bei einem sehr hohen Isolationswiderstand von 10 MΩ eine Aufladezeit von etwa 100 ms notwendig ist. Die Kondensatoren sind in einer Größen­ ordnung von 1-3 nF.

Durch Messung der Leerlaufspannungen und Messung der Belastungsspannungen bei zu­ sätzlicher Belastung der Akkumulatorenbatterie läßt sich der Isolationswiderstand gemäß der eingangs angegebenen Formel berechnen.

Gemäß Fig. 2 können mittels Schaltmitteln, insbesondere in Form von Relaiskontakten 6 und 7, Operationsverstärkerschaltungen an die Klemmen der Batterie 1 gelegt werden. Bei gleich­ zeitigem Schließen der Kontakte 6 und 7 werden mit Hilfe der Operationsverstärker 12 und 13 sowie deren Beschaltung die Teilspannungen bzw. Leelaufspannungen -U₁′′ und +U₂′′ gemes­ sen. Der Ableitwiderstand 3 in Fig. 1 entspricht in Fig. 2 den Widerständen 3a und 3b zur Beschaltung der Verstärker 12 und 13. Die Widerstände 14a und 14b dienen zur Beschaltung des Verstärkers 12, die Widerstände 15a und 15b zur Beschaltung des Verstärkers 13. Diese Widerstandswerte werden so gewählt, daß eine hohe Batteriespannung auf eine niedrige Spannung übertragen wird. Die Widerstände 17a, 17b, 18a und 18b dienen der Beschaltung des Verstärkers 16. Wenn diese Widerstände den gleichen Wert haben, so ist die Verstärkung v = 1. Mit Hilfe des Verstärkers 16 und dessen Beschaltungen ergibt sich die Summe der Teil­ spannungen U₁′′ + U₂′′. Wird nur einer der Kontakte 6 oder 7 geschlossen, so ergibt sich die jeweils andere Teilspannung über den Ruhekontakt zu 0. Am Ausgang des Verstärkers 16 erscheint dann diese Teilspannung. Mit Hilfe des Relaiskontakts 8 kann der Belastungswider­ stand 10 an den Pluspol der Batterie sowie mit Hilfe des Relaiskontakts 9 der Belastungswider­ stand 11 an den Minuspol der Batterie geschaltet werden. Aufgrund einer größeren Zeitkon­ stante ist der anschließende Meßvorgang mit einer Verzögerung (etwa 100 ms) durchzuführen.

Wenn die Teilspannung U₁′ größer als die Teilspannung U₂′ ist, wird der Pluspol der Batterie über Relaiskontakt 8 mit dem Widerstand 10 belastet. Wenn die Teilspannung U₂′ größer als die Teilspannung U₁′ ist, erfolgt die Belastung über Relaiskontakt 9 mit dem Widerstand 11. Bei Belastung des Pluspols wird der Meßvorgang mit Hilfe des Relaiskontakts 6 und des Operationsverstärkers 12 durchgeführt. Am Ausgang des Verstärkers 16 ergibt sich ein propor­ tionaler Wert der Spannung des belasteten Systems.

Bei Belastung des Minuspols (Teilspannung U₂′ größer als die Teilspannung U₁′), wird der Meß­ vorgang mit Betätigung des Relaiskontaktes 7 und des Operationsverstärkers 13 durchgeführt. Am Ausgang des Verstärkers 16 ergibt sich eine proportionale Spannung. Mit Hilfe der eingangs genannten Formel kann der Isolationswiderstand bestimmt werden.

Gemäß Fig. 3 werden die Meßwerte der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung 19 von einem Mikrorechner 20 gemessen und ausgewertet. Der Isolationswiderstand wird von der Display- Einheit 21 angezeigt. Eine Weitergabe des Isolationswertes über einen angeschlossenen Da­ tenbus 201 gegebenenfalls an einen Datenspeicher ist ebenfalls möglich. Die Anzeige des Isolationswiderstandswertes kann im Wechsel mit der Anzeige einer Zellenzahl erfolgen, an der der Isolationswiderstand gegen Masse konzentriert ist. Dazu wird die Teilspannung U₁ durch die Gesamtspannung U₁ + U₂ dividiert und mit der Zellenzahl Z multipliziert entsprechend der For­ mel

Diese Messung wird mit einem getrennten Signal initialisiert. Diese Initialisierung kann auch über einen angeschlossenen Datenbus 202 erfolgen.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes einer Akkumulatoren­ batterie im Inselbetrieb durch Messung von Leerlaufspannung und Belastungsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß an die Akkumulatorenbatterie (1) die Reihenschaltung von zwei Kondensatoren (4 und 5) geschaltet ist, deren gemeinsamer Punkt mit einem Ableit­ widerstand (3) verbunden ist, welche die Spannungswerte während der Messung speichern, und daß zur Messung der Belastungsspannung Operations-verstärker vorgesehen sind, de­ ren Innenwiderstand jeweils sehr viel kleiner als 10 MΩ ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Schaltmittel (6, 7) enthält, über welche Meßverstärker (12, 13) für eine vorbestimmte Zeitdauer zur Messung der Teilspannungen (U₁′′, U₂′′) gegen Masse an die Batteriepole anschaltbar sind und daß anschließend über weitere Schaltmittel (8, 9) der Batteriepol mit der höheren Teilspannung mit einem Belastungswiderstand (10, 11) belastbar ist, so daß nach vorgegebener Einstell­ zeit die Belastungsspannung meßbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einen Mikrorechner (20) angeschlossen ist, über den aus den gemessenen Spannungswerten und dem Wert des Belastungswiderstands der Isolationswiderstand berechnet wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Display (21) zur Anzeige des Isolationswiderstandes und/oder Zellenfehlerorts und/oder einem Datenbus oder Datenspeicher verbunden ist.