DE19618897B4

DE19618897B4 - Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes einer Akkumulatorenbatterie

Info

Publication number: DE19618897B4
Application number: DE19618897A
Authority: DE
Inventors: Hans Prof. Dr.-Ing. Kahlen; Bernhard Dr.-Ing. Hauck
Original assignee: VARTA Automotive Systems GmbH
Current assignee: Clarios Technology and Recycling GmbH
Priority date: 1996-05-10
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2016-05-11
Also published as: DE19618897A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (R_iso) einer Akkumulatorenbatterie (1) im Inselbetrieb durch Messung einer Leerlaufspannung (U₀) und einer Belastungsspannung (U_k), wobei an die Batterieklemmen der Akkumulatorenbatterie (1) eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren (4 und 5) zur Speicherung der Spannungswerte während der Messung geschaltet ist und der gemeinsame Punkt der Kondensatoren (4, 5) mit einem Ableitwiderstand (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (6, 7) über welche Messverstärker (12, 13) für eine vorbestimmte Zeitdauer zur Messung der sich an dem ersten Kondensator (4) einstellenden Teilspannung (U₁') und der sich an dem zweiten Kondensator (5) einstellenden Teilspannung (U₂') gegen Masse an die Batteriepole anschaltbar sind und dass über weitere Schaltmittel (8, 9) der Batteriepol mit der höheren Teilspannung zur Messung der Belastungsspannung (U_k) mit einem Belastungswiderstand (10, 11) belastbar ist, so dass ohne Belastung der Batteriepole mit einem Belastungswiderstand (10, 11) die Leerlaufspannung (U₀) und anschließend mit Belastung des ausgewählten Batteriepols mit...

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes einer Akkumulatorenbatterie im Inselbetrieb durch Messung einer Leerlaufspannung und einer Belastungsspannung, wobei an die Batterieklemmen der Akkumulatorenbatterie eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren zur Speicherung der Spannungswerte während des Messung und der gemeinsame Punkt der Kondensatoren mit einem Ableitwiderstand verbunden ist.
Akkumulatoren-Batterien bestehen aus der Reihenschaltung einer Vielzahl einzelner Akkumulatorzellen. 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 werden.
Es ist bekannt, daß in einem Netz der Innenwiderstand durch eine Leerlaufmessung und eine Belastungsmessung berechnet werden kann. Mit der Leerlaufspannung U₀, dem Innenwiderstand R_i, der Klemmenspannung U_k und dem Lastwiderstand R_L errechnet sich der Innenwiderstand 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 dementsprechend 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 Gesamtbatteriespannung 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 Isolationsschaden fest und weisen insgesamt einen bestehenden Isolationswiderstand aus. Eine direkte Zuordnung des Ortes ist allerdings nicht gegeben.

In der DE 23 57 081 C3 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes von ungeordneten Gleichstromnetzen beschrieben. Eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren ist an die Klemmen des Gleichstromnetzes geschaltet. An dem gemeinsamen Punkt der Kondensatoren ist ein Spannungsteilerkondensator gegen Erde geklemmt. Es wird eine gegenüber Erdpotential überlagerte Messspannung in Form einer Rechteckspannung konstanter Amplitude der Netzspannung des Gleichstromnetzes überlagert. Die nach einem Einschwingvorgang am Ausgang des Messverstärkers gemessene Spannung wird als Maß für den Isolationswiderstand genutzt.

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

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

Die Initialisierung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung kann z. B. mit Betätigung des Zündschlüssels 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 Anlage auf eine weitere Initialisierung möglich. Diese Initialisierung kann gegebenenfalls auch periodisch im Fahrbetrieb, z. B. nach einer bestimmten Zeit, erfolgen. Die neue Schaltungsanordnung ist nicht an einen definierten hochohmigen Innenwiderstand der Meßeinrichtung gebunden 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 Isolationswiderstand der Batterie zwischen den Anschlüssen der Batterie und der Bezugsmasse entstehen. 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.
1 zeigt schematisch eine Akkumulatoren-Batterie mit den erfindungsgemäßen Meßkondensatoren.
2 zeigt eine detaillierte Schaltung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung zur Auswertung der Meßspannungen.
3 zeigt ein Blockschaltbild für die gesamte Meß- und Anzeigeschaltung.
Gemäß 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 Verbindung 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 Größenordnung von 1 - 3 nF.
Durch Messung der Leerlaufspannungen und Messung der Belastungsspannungen bei zusätzlicher Belastung der Akkumulatorenbatterie läßt sich der Isolationswiderstand gemäß der eingangs angegebenen Formel berechnen.
Gemäß 2 können mittels Schaltmitteln, insbesondere in Form von Relaiskontakten 6 und 7, Operationsverstärkerschaltungen an die Klemmen der Batterie 1 gelegt werden. Bei gleichzeitigem Schließen der Kontakte 6 und 7 werden mit Hilfe der Operationsverstärker 12 und 13 sowie deren Beschattung die Teilspannungen bzw. Leerlaufspannungen -U₁'' und +U₂'' gemessen. Der Ableitwiderstand 3 in 1 entspricht in 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 Teilspannungen 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 Belastungswiderstand 10 an den Pluspol der Batterie sowie mit Hilfe des Relaiskontakts 9 der Belastungswiderstand 11 an den Minuspol der Batterie geschaltet werden. Aufgrund einer größeren Zeitkonstante 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 proportionaler Wert der Spannung des belasteten Systems.
Bei Belastung des Minuspols (Teilspannung U₂' größer als die Teilspannung U₁'), wird der Meßvorgang 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 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 Datenbus 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 Formel
Diese Messung wird mit einem getrennten Signal initialisiert. Diese Initialisierung kann auch über einen angeschlossenen Datenbus 202 erfolgen.

Claims

Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Isolationswiderstandes (R_iso) einer Akkumulatorenbatterie (1) im Inselbetrieb durch Messung einer Leerlaufspannung (U₀) und einer Belastungsspannung (U_k), wobei an die Batterieklemmen der Akkumulatorenbatterie (1) eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren (4 und 5) zur Speicherung der Spannungswerte während der Messung geschaltet ist und der gemeinsame Punkt der Kondensatoren (4, 5) mit einem Ableitwiderstand (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel (6, 7) über welche Messverstärker (12, 13) für eine vorbestimmte Zeitdauer zur Messung der sich an dem ersten Kondensator (4) einstellenden Teilspannung (U₁') und der sich an dem zweiten Kondensator (5) einstellenden Teilspannung (U₂') gegen Masse an die Batteriepole anschaltbar sind und dass über weitere Schaltmittel (8, 9) der Batteriepol mit der höheren Teilspannung zur Messung der Belastungsspannung (U_k) mit einem Belastungswiderstand (10, 11) belastbar ist, so dass ohne Belastung der Batteriepole mit einem Belastungswiderstand (10, 11) die Leerlaufspannung (U₀) und anschließend mit Belastung des ausgewählten Batteriepols mit dem Belastungswiderstand (10, 11) nach vorgegebener Einstellzeit die Belastungsspannung (U_k) messbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 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.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Display (21) zur Anzeige des Isolationswiderstandes und/oder Zellenfehlerorts und/oder einem Datenbus oder Datenspeicher verbunden ist.