DE102006050529B4

DE102006050529B4 - Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebes

Info

Publication number: DE102006050529B4
Application number: DE102006050529.8A
Authority: DE
Inventors: Gerald Kollenda; Karl-Heinz Winkler
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: DE102006050529A1

Abstract

Schaltungsanordnung (10) zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs umfassend
- eine Batterie (12) zur Spannungsversorgung des Elektroantriebs,
- eine von der Batterie (12) gespeiste Leistungselektronik (14) zum Ansteuern eines Elektromotors des Elektroantriebs,
- mindestens ein Schütz (16, 18, 20) zum allpoligen elektrischen Trennen der Batterie (12) von der Leistungselektronik (14),
- eine mit einem Bezugspotential (FZG_GND) verbundene Spannungsquelle (22) zur Erzeugung einer Messspannung (ISO_REF) zur Isolations- und Schützüberwachung,
- drei Spannungsmesseinrichtungen (24, 32, 34) zum Messen eines ersten und eines zweiten, durch die Messspannung (ISO_REF) erzeugten Spannungshubs (BATT_MESS+, BATT_MESS-, ISO_MESS+, ISO_MESS-) in Bezug auf das Bezugspotential (FZG_GND),
- wobei die Spannungsquelle (22) und eine erste der Spannungsmesseinrichtungen (34) mit einem Einspeisepunkt (44) zum Einspeisen der Messspannung (ISO_REF), eine zweite der Spannungsmesseinrichtungen (24) mit einem ersten Messpunkt (28) zum Messen des ersten Spannungshubs (BATT_MESS+, BATT_MESS-), und eine dritte der Spannungsmesseinrichtungen (32) mit einem zweiten Messpunkt (26) zum Messen des zweiten Spannungshubs (ISO_MESS+, ISO_MESS-) elektrisch verbunden sind,
- und der zweite Messpunkt (26) und der erste Messpunkt (28) derart angeordnet sind, dass das mindestens eine Schütz (16, 18, 20) dazwischen geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs gemäß Anspruch 1.
In modernen Hybridantrieben von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Personenkraftwagen (PKW) wird neben einem Verbrennungsmotor ein Elektroantrieb eingesetzt. Der Elektroantrieb besitzt hierzu eine vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs getrennte Stromversorgung. Diese Stromversorgung umfasst eine leistungsfähige elektrische Batterie, die eine hohe Gleichspannung von beispielsweise bis zu 600 V erzeugt, sowie eine Leistungselektronik mit einem Umrichter des Elektroantriebs. Der Antrieb ist mit einem isolierten Netz ausgestattet, damit die Gefährdung z.B. von Servicepersonal reduziert wird. Darüber hinaus führt ein Einzelfehler nicht zu einem Systemausfall, er kann also gemeldet werden ohne dass das Fahrzeug schon ausfällt. Daher sollte die Isolation durch Messung des Isolationswiderstands der Stromversorgung zur Fahrzeugmasse überwacht werden. Allerdings ist nicht nur die Überwachung der Isolation für die Sicherheit wichtig, sondern auch die zuverlässige Trennung der Batterie von der Stromversorgung im Ruhezustand, beispielsweise für Servicezwecke. Hierzu werden Schützen eingesetzt, die im Ruhezustand geöffnet sind, um die Batterie von der Stromversorgung, insbesondere vom Zwischenkreis des Umrichters elektrisch zu trennen, so dass die Leitungen und die Leistungselektronik sowie der Elektromotor spannungsfrei sind.
Eine Patentoffenlegungsschrift DD 2 79 958 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Isolationszustandes eines Fahrstromkreises eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gegenüber anderen Fahrzeugteilen des Fahrzeugs.
Eine weitere Patentoffenlegungsschrift DE 199 50 008 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern und zum Einstellen eines Schaltzustands einer Schaltverbindung zwischen elektrischen Ausgängen einer in einer mobilen Vorrichtung angeordneten Brennstoffzelle und einem in der mobilen Vorrichtung angeordneten Netz, an das von der Brennstoffzelle mit Energie versorgte Verbraucher angeschlossen sind.
Eine weitere Patentoffenlegungsschrift DE 102 05 381 A1 beschreibt ein Verfahren zur Isolationsüberwachung eines elektrisch isolierten Gleichstromverbrauchers und/oder eines über Wechselrichter Wechselstromverbraucher speisenden Gleichstromnetzes, der oder das gegenüber Erde oder einer Masse mit Bezugspotential einen ohmschen und kapazitiven Isolationswiderstand aufweist.
Eine weitere Patentoffenlegungsschrift DE 102 12 493 A1 beschreibt eine Anordnung zur Isolationsüberwachung bei einem Gleichstromnetz, das gegenüber einem Massepotential einer das Gleichstromnetz aufweisenden Einrichtung elektrisch isoliert ist.
Eine weitere Patentoffenlegungsschrift US 2006 / 0 071 618 A1 beschreibt eine Steuervorrichtung für eine Stromversorgung einer Last von einer Batteriebaugruppe. Die Steuervorrichtung steuert die Stromversorgung über einen Kondensator, der zwischen einem ersten und einem zweiten Kontaktanschluss elektrisch angeschlossen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs zu schaffen, mit der insbesondere das sichere Öffnen der Schützen erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, bei einer Schaltungsanordnung für die Isolationsüberwachung eine Anpassung vorzunehmen, die bewirkt, dass die Schützüberwachung mit in die Isolationsüberwachung einbezogen wird. Dadurch kann eine gesonderte Überwachung der Schützen zum Trennen der Batterie von der Stromversorgung eines Elektroantriebs entfallen, die ansonsten aus Sicherheitsgründen erforderlich wäre. Gemäß der Erfindung besteht die Anpassung im Wesentlichen darin, dass zusätzlich zur Einspeisestelle der Isolationsüberwachungsspannung und der Isolationsmessstelle, die beide Fahrzeugseitig nach den Schützen liegen, eine weitere Messstelle vorgesehen ist, über welche die Überwachung der Schützkontakte erfolgen kann. Hierzu ist die weitere Messstelle derart angeordnet, dass sie durch die Schütze zum Trennen der Batterie von der Einspeisestelle getrennt ist. Dadurch ist es möglich, die Überprüfung der Funktion der Schützen, insbesondere von deren Zustand offen oder geschlossen in die Isolationsüberwachung zu integrieren.
Gemäß einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs, die folgendes umfasst:

eine Batterie zur Spannungsversorgung des Elektroantriebs,
eine von der Batterie gespeiste Leistungselektronik zum Ansteuern eines Elektromotors des Elektroantriebs
mindestens ein Schütz zum allpoligen elektrischen Trennen der Batterie von der Leistungselektronik ,
eine mit einem Bezugspotential verbundene Spannungsquelle zur Erzeugung einer Messspannung zur Isolations- und Schützüberwachung,
zwei Spannungsmesseinrichtungen zum Messen eines durch die Messspannung erzeugten Spannungshubs in Bezug auf das Bezugspotential,
wobei die Spannungsquelle und eine erste der Spannungsmesseinrichtungen mit einem Einspeisepunkt zum Einspeisen der Messspannung und eine zweite der Spannungsmesseinrichtungen mit einem Messpunkt zum Messen des Spannungshubs elektrisch verbunden sind, und Einspeisepunkt und Messpunkt derart angeordnet sind, dass das mindestens eine Schütz dazwischen geschaltet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ferner ein Messwiderstand zwischen die Spannungsquelle und die Spannungsmesseinrichtung geschaltet sein. Der Messwiderstand bildet mit einem Isolationswiderstand einen Spannungsteiler, der die Ermittlung des Isolationswiderstands durch eine Spannungsmessung ermöglicht, da sich, abhängig vom aktuellen Isolationswiderstand ein Spannungsteiler zwischen dem Messwiderstand und dem unbekannten Isolationswiderstand ergibt. Aus dem in der Schaltung gemessenen Teilerverhältnis dieses Spannungsteilers kann dann der Isolationswiderstand insbesondere durch Berechnung bestimmt werden.
Der Messwiderstand kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu zwei Zwischenkreisanschlüssen der Leistungselektronik aufgeteilt sein, und die Spannungsquelle kann mit einem Mittelpunkt des Messwiderstands verbunden sein. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass sich durch die Symmetrie der Schaltung die Störspannungen auf der Hochvoltseite weitgehend selbst auslöschen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Spannungsquelle ferner derart ausgebildet sein, dass die Polarität der erzeugten Messspannung periodisch umgeschaltet werden kann. Dadurch kann beispielsweise eine geschaltete Gleichspannung als Messspannung erzeugt werden. Mit einer derartigen geschalteten Gleichspannung stört es die Isolationsmessung nicht, wenn ein Isolationsfehler auf einem beliebigen Potenzial zwischen den Batterieanschlüssen auftritt. Alternativ kann die Spannungsquelle aber auch ausgebildet sein, eine Messspannung mit nur einer Polarität zu erzeugen, was einen geringeren Implementierungsaufwand bedeutet.
Weiterhin kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Spannungsmesseinrichtung derart ausgebildet sein, dass der gemessene Spannungshub nach einer vorgegeben Einschwingzeit periodisch mehrfach abgetastet und für eine weitere Auswertung digitalisiert wird. Dadurch, dass pro Periode mehrere Abtastwerte genommen werden, können durch eine Mittelwertbildung der genommen Abtastwerte Störungen, insbesondere hochfrequente Störungen im Wesentlichen eliminiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die erste der Spannungsmesseinrichtungen zum Messen eines durch die Messspannung erzeugten Spannungshubs vorgesehen sein, die mit mindestens einem Anschluss des Umrichters verbunden ist, und derart ausgebildet sein, dass der gemessene Spannungshub periodisch mehrfach abgetastet und für eine weitere Auswertung digitalisiert wird. Mit der zweiten der Spannungsmesseinrichtungen kann der Spannungshub an einem weiteren Messpunkt gemessen und anschließend ausgewertet werden. Durch den Vergleich der durch die beiden Sapnnungsmesseinrichtungen gewonnenen Messwerte kann der Zustand der Schützkontakte erkannt werden.
Zum weiteren Verarbeiten der von einer Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannungshübe kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Messwertverarbeitungseinrichtung vorgesehen sein, die ferner ausgebildet ist, anhand der digitalisierten Werte der gemessenen Spannungshübe einen Isolationswiderstand zu berechnen. Die Messwertverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise in Form eines Kontrollers implementiert sein, der wiederum die gesamte Elektronik zur Verarbeitung der Messwerte integriert. Um die digitale Verarbeitung der Messwerte zu ermöglichen, können ferner Analog-Digital-Wandler vorgesehen sein, welche die Messwerte, d.h.- die Abtastwerte der Spannungshübe digitalisieren.
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Messwertverarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, aus mehreren aufeinander folgenden digitalisierten Werten der gemessenen Spannungshübe durch eine gleitende Mittelwertbildung Störungen und Schwankungen im Wesentlichen zu eliminieren.
Die Erfindung betrifft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs mittels einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, mit den folgenden Schritten:

Erzeugen der Messspannung zur Isolations- und Schützüberwachung mit der Spannungsquelle,
Aktivieren der zweiten der Spannungsmesseinrichtungen,
Überprüfen der durch die Messspannung erzeugten Spannungshübe am Messpunkt, und
Ermitteln des Zustands des mindestens einen Schütz.

Die durch die Messspannung erzeugten Spannungshübe am Messpunkt können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung überprüft werden, indem sie mit durch die Messspannung an einem zweiten Messpunkt erzeugten Spannungshüben verglichen werden, und bei einem Überschreiten eines Bruchteils der Spannungshübe am zweiten Messpunkt durch die Spannungshübe am Messpunkt kann dann der Zustand des mindestens einen Schützes als geschlossen ermittelt werden.
Dagegen kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei einem Unterschreiten des Bruchteils der Spannungshübe am zweiten Messpunkt durch die Spannungshübe am Messpunkt der Zustand aller Schützen als offen ermittelt werden. Dies ist ein großer Vorteil, da nur der Zustand „alle Schützen sind offen“ als sicher angesehen werden kann.
Das Verfahren kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Algorithmus implementiert sein, der von einem Mikrokontroller ausgeführt wird, der derart konfiguriert ist, dass er die Schaltungsanordnung entsprechend steuert.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen und Abkürzungen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen in:

1 eine Schaltungsanordnung zur Isolationsüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs gemäß der Erfindung;
2 eine Schaltungsanordnung zur.lsolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs gemäß der Erfindung; und
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs gemäß der Erfindung.

Im Folgenden können (funktional) gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Durch die Isolationsüberwachung bzw. -messung kann der Isolationswiderstand der Stromversorgung eines Elektroantriebs, insbesondere von einem Hybridantrieb ermittelt werden. Der Isolationswiderstand wird hierbei gegen die Fahrzeugmasse ermittelt, die beispielsweise durch das Chassis gebildet wird. Das Fahrzeugnetz ist durch die Batterie bedingt ein Gleichspannungsnetz. Zur Isolationsmessung wird daher eine Wechselspannung verwendet. Gemäß der VDE-Norm VDE0413 muss die Isolationsmessung zudem in der Regel unabhängig von der Versorgungsspannung des Stromversorgungsnetzes funktionsfähig sein.
In 1 ist eine Schaltungsanordnung 11 für die Isolationsmessung bzw. - Überwachung in einem Hochvoltnetz des Elektroantriebs eines Hybridantriebs dargestellt. Eine Hochvoltbatterie 12 dient zur Gleichspannungsversorgung einer (nicht gezeigten) Leistungselektronik, über die ein (nicht gezeigter) Elektromotor des Elektroantriebs versorgt wird. Die Leistungselektronik umfasst insbesondere einen Umrichter, über den der Elektromotor gesteuert werden kann. Die Hochvoltbatterie 12 ist über (unerwünschterweise endliche) Isolationswiderstände 36 mit der Fahrzeugmasse FZG_GND, die als Bezugspotential im Fahrzeug vorgesehen ist, elektrisch verbunden. Weiterhin sind im Fahrzeug zur Entstörung parallel zu den Isolationswiderständen 36 Y-Kondensatoren CY geschaltet.
An der Mitte der Batterie 12 ist ein Messwiderstand 30 angeschlossen, der sich zusammen mit den Y-Kondensatoren CY als Tiefpass auswirkt, der die Messgrenzfrequenz begrenzt. Eine umschaltbare Spannungsquelle 22, die eine Spannungsquelle 38 und einem Umschalter 40 umfasst, ist über den Messwiderstand 30 mit der Mitte der Batterie 12 verbunden. Die Spannungsquelle 22 ist mit dem Bezugspotential FZG_GND der Fahrzeugmasse elektrisch verbunden und erzeugt eine Messspannung zur Isolationsüberwachung bzw. -messung in Bezug auf das Bezugspotential FZG_GND. Die umschaltbare Spannungsquelle 22 umfasst hierzu eine bipolare Spannungsquelle 38, die eine positive und negative Spannung +V bzw. -V in Bezug auf das Bezugspotential FZG_GND erzeugt. Diese Spannungsquelle 38 kann beispielsweise in einem Schaltnetzteil der Schaltungsanordnung 11 integriert sein. Weiterhin umfasst die Spannungsquelle 22 einen steuerbaren elektronischen Schalter 40, der von einem (nicht dargestellten) Mikrokontroller über das Signal ISO SWITCH gesteuert werden kann und zwischen der positiven und negativen Spannung +V bzw. -V umschaltet. Über die Spannungsquelle 22 ist daher die Batterie 12 mit einer Wechselspannung in Form einer die Polarität periodisch wechselnden Gleichspannung beaufschlagbar.
Schließlich sind eine erste Spannungsmesseinrichtung 32 und eine zweite Spannungsmesseinrichtung 34 vorgesehen, die zwischen das Bezugspotential FZG_GND und Messpunkte 26 bzw. 44 geschaltet sind. Der Messpunkt 44 bildet zudem einen Einspeisepunkt für die Messspannung. Die erste Spannungsmesseinrichtung 32 dient zur Messung des Spannungshubs ISO_MESS der Messspannung an der Mitte der Batterie 12; die zweite Spannungsmesseinrichtung 34 misst den Spannungshub ISO_REF der von der Spannungsquelle 22 erzeugten Messspannung.
Zur Isolationsmessung wird eine geschaltete Gleichspannung ISO_REF, erzeugt von der Spannungsquelle 22, verwendet. Es stört daher nicht, wenn ein Isolationsfehler auf einem beliebigen Potential zwischen den Anschlüssen der Batterie 12 auftritt. Um konstante Offsetspannungen bei der Isolationsmessung zu kompensieren, werden nur Spannungsdifferenzen zum Ermitteln des Isolationswiderstandes ausgewertet.
Für die Messspannung ISO_MESS bilden der Messwiderstand 30 und die Isolationswiderstände 36 einen Spannungsteiler, aus dessen Teilerverhältnis der Isolationswiderstand ermittelt werden kann, wie im Folgenden erläutert wird. In jedem Messzyklus (Periode) schaltet ein Algorithmus zum Ermitteln der Isolationswiderstände 36 das Signal ISO SWITCH um, wodurch die Spannung ISO_REF zwischen +V und -V hin- und hergeschaltet wird; ebenso folgt die Spannung ISO_MESS diesem Umschalten. Die beiden Spannungen ISO_REF und ISO_MESS nähern sich allerdings aufgrund von Zeitkonstanten ihren Endwerten nur langsam an. Während bei der Spannung ISO_REF Zeitkonstanten von Filtern für eine anschließende Analog-Digital-Wandlung wirken, wird die Zeitkonstante der Spannung ISO_MESS zusätzlich durch die Zeitkonstanten der Y-Kondensatoren CY zusammen mit dem Messwiderstand 30 bestimmt. Aufgrund dieser Zeitkonstanten werden in jeder Periode erst nach einer bestimmten Einschwingzeit der beiden Spannungen ISO_REF und ISO_MESS die eigentlichen Messungen begonnen. Die Messungen umfassen ein Abtasten der beiden Spannungen und Digitalisieren der Abtastwerte durch nicht dargestellte Analog-Digital-Wandler. Aus den in einer Periode erzeugten digitalisierten Abtastwerte wird ein Mittelwert gebildet. Dadurch können insbesondere hochfrequente Störungen aus Umrichtern der Stromversorgung des Elektroantriebs im Wesentlichen beseitigt werden.
2 zeigt nun eine Schaltungsanordnung 10, bei der neben der Isolation auch die Schützen 16, 18, 20 überwacht werden können, welche die Batterie 12 elektrisch von der Leistungselektronik 14 trennen. Die Funktion der Schützen ist besonders wichtig für den Servicefall, bei dem sichergestellt werden muss, dass die Leistungselektronik 14 Hochspannungsfrei ist. Außerdem ist es aus dem im Folgenden erläuterten Grund noch wichtig, sicher feststellen zu können, ob das Schütz 16 geöffnet ist. Die Schützen umfassen zwei Hauptschützen 16 und 18 sowie ein Vorladeschütz 20. Bei einem entladenen Zwischenkreiskondensator ZK eines Umrichters mit Zwischenkreis in der Leistungselektronik 14 sollte eine strombegrenzte Ladung des Zwischenkreiskondensators erfolgen, um die Belastung für die Schützen 16, 18, und 20 sowie die Batterie 12 und den Kondensator ZK selbst möglichst zu verringern. Für die strombegrenzte Ladung ist das Vorladeschütz 20 vorgesehen, das den Kondensator ZK über einen Widerstand RL strombegrenzt laden kann. Beim Laden des Kondensators ZK sollte daher das Schütz 16 geöffnet sein, um Beeinträchtigungen der Batterie 12 und der Schützen 16, 18, und 20 zu vermeiden.
Um die Schützen 16, 18, 20 mit der Schaltungsanordnung zur Isolationsmessung bzw. -überwachung mittesten zu können, ist bei der gezeigten Schaltungsanordnung 10 eine Spannungsmesseinrichtung 24 mit Messpunkten 28 zwischen der Batterie 12 und den Schützen 16, 18, 20 elektrisch verbunden. Die Spannungsmesseinrichtung 24 umfasst Spannungsteiler, um die Spannungen BATT_MESS+ und BATT_MESS- an den Anschlüssen der Batterie 12 zu messen. Um eine dauerhafte Entladung der Batterie 12 über die Spannungsteiler des Spannungsmesseinrichtung 24 zu vermeiden, sind elektrisch steuerbare Schalter 25 zum elektrischen Trennen der Spannungsmesseinrichtung 24 von den Messpunkten 28 vorgesehen. Die Schalter 25 werden über ein Signal UBATT_MESS_EN gesteuert. Die Spannungsteiler der Spannungsmesseinrichtung 24 entsprechen den Spannungsteilern der Spannungsmesseinrichtung 32 zum Messen des durch die Messspannung erzeugten Spannungshubs ISO MESS+, ISO MESS- an den Messpunkten 26 für die Messspannung, die von der Spannungsquelle 22 erzeugt wird. Solange mindestens ein Schütz 16, 20 und 18 geschlossen ist, kann der Spannungshub an den Messpunkten 28 im Wesentlichen wie der Spannungshub vor den Schützen, d.h. an den Messpunkten 26 gemessen werden. Über die Batterie bzw. den Zwischenkreiskondensator sind alle Signale dann AC-mäßig ausreichend niederohmig verbunden. Wird dagegen an den Messpunkten 26 ein Spannungshub gemessen, an den Messpunkten 28 allerdings nicht, kann darauf geschlossen werden, dass die Schützen 16, 18 und 20 geöffnet sind, die Batterie 12 also vom übrigen Stromkreis elektrisch getrennt ist (vorausgesetzt, die Schalter 25 sind geschlossen).
3 zeigt schließlich ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs mit einer Schaltungsanordnung, wie in 2 gezeigt. Die im Flussdiagramm angegebenen absoluten Spannungswerte sind nur Beispiele und schränken die Erfindung nicht ein. Vielmehr kann die Erfindung auch mit anderen Spannungswerten eingesetzt werden.
Zum Starten der Isolations- und Schützüberwachung wird zunächst in einem ersten Schritt das Signal BATT_MESS_EN auf logisch 1 gesetzt, um die Schalter 25 zu schließen und die Spannungsmesseinrichtung 24 mit den Anschlüssen der Batterie 12 zu verbinden. In einem darauf folgenden Schritt S12 wird dann mit der Spannungsmesseinrichtung 34 gemessen, ob die Messspannung ISO_REF in einem Bereich zwischen ±50 V ... 70 V liegt. Liegt die Messspannung ISO_REF nicht in diesem Bereich, ist sie falsch und es kann keine weitere Aussage getroffen werden, d.h. keine Isolations- und Schützüberwachung erfolgen (Schritt S14).
Falls die Messspannung ISO_REF im erforderlichen Bereich liegt, wird in einem Schritt S16 geprüft, ob die Differenz der gemessenen Spannungshübe ΔU ISO_MESS größer ist als ¼ ΔU ISO_REF, d.h. ein Viertel der Differenz der Messspannungshübe. Ist diese Ungleichung nicht erfüllt, ist die Messspannung ISO_REF zu gering und es kann keine weitere Aussage getroffen werden. Die Isolationsüberwachung über Formel funktioniert zwar noch, aber der Isolationswiderstand ist sehr niedrig. Die Schützüberwachung kann nicht mehr eine sichere Aussage liefern. (Schritt S18).
Ist dagegen die Ungleichung erfüllt, wird in einem Schritt S20 geprüft, ob die Differenz der gemessenen Spannungshübe ΔU BATT_MESS an den Batterieanschlüssen größer ist als ¼ ΔU ISO_MESS, d.h. ein Viertel der Differenz der gemessenen Spannungshübe am Messpunkt 26, d.h. vor den Schützen 16, 18 und 20. Ist dies der Fall, wird in einem Schritt S22 festgestellt, dass mindestens ein Schütz geschlossen ist und in einem Schritt S24 geprüft, ob die Spannung UZK am Zwischenkreiskondensator ZK kleiner als die Hälfte der Batteriespannung ½ UBATT ist. Falls dies nicht der Fall ist, ist keine Aussage möglich und es muss abgewartet werden, bis sich der Zwischenkreiskondensator ZK entladen hat (Schritt S26). Dann kann ein neue Messung gestartet werden. Ist dagegen UZK < ½ UBATT, wird in einem Schritt S28 geprüft, ob der Mittelwert der gemessenen Spannungshübe an den Batterieanschlüssen BATT_MESS größer als die halbe Referenzspannung UREF/2 ist. Ist dies nicht der Fall, kann festgestellt werden, dass das Schütz 16 oder 20 geschlossen ist (Schritt S30). Ist dagegen der Mittelwert von UBATT_MESS > UREF/2, kann festgestellt werden, dass das Schütz 18 geschlossen ist (Schritt S32).
Fall im Schritt S20 festgestellt wird, dass die Differenz der gemessenen Spannungshübe ΔU BATT_MESS an den Batterieanschlüssen nicht größer ist als ¼ ΔU ISO_MESS, dann wird in Schritt S34 geprüft, ob die Batteriespannung plausibel ist, d.h. wesentlich größer als 0 V ist. Ist dies nicht der Fall, sind entweder die Schalter 25 nicht geschlossen, d.h. das Signal UBATT_MESS_EN nicht auf logisch 1 gesetzt, oder es liegt ein Schaltungsdefekt vor (Schritt S36). Falls jedoch die Batteriespannung plausibel ist, wird in einem Schritt S38 festgestellt, dass die Schützen 16, 18 und 20 offen sind.
Bezugszeichenliste

10: Schaltungsanordnung zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs
12: (Hochvolt-)Batterie
14: Leistungselektronik (umfassend einen Umrichter mit Zwischenkreis)
16: Schütz auf der +-Seite
18: Schütz auf der -Seite
20: Vorlade-Schütz
22: Spannungsquelle zum Erzeugen einer Messspannung
24: zweite Spannungsmesseinrichtung
26: zweiter Messpunkt
28: erster Messpunkt
30: Messwiderstand
32: dritte Spannungsmesseinrichtung
34: erste Spannungsmesseinrichtung
36: Isolationswiderstand
44: Einspeisepunkt
ISO_REF: eingespeiste Messspannung
BATT_MESS+, BATT_MESS-: erster, durch die Messspannung erzeugter Spannungshub
ISO_MESS+, ISO_MESS-: zweiter, durch die Messspannung erzeugter Spannungshub

Claims

Schaltungsanordnung (10) zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs umfassend - eine Batterie (12) zur Spannungsversorgung des Elektroantriebs, - eine von der Batterie (12) gespeiste Leistungselektronik (14) zum Ansteuern eines Elektromotors des Elektroantriebs, - mindestens ein Schütz (16, 18, 20) zum allpoligen elektrischen Trennen der Batterie (12) von der Leistungselektronik (14), - eine mit einem Bezugspotential (FZG_GND) verbundene Spannungsquelle (22) zur Erzeugung einer Messspannung (ISO_REF) zur Isolations- und Schützüberwachung, - drei Spannungsmesseinrichtungen (24, 32, 34) zum Messen eines ersten und eines zweiten, durch die Messspannung (ISO_REF) erzeugten Spannungshubs (BATT_MESS+, BATT_MESS-, ISO_MESS+, ISO_MESS-) in Bezug auf das Bezugspotential (FZG_GND), - wobei die Spannungsquelle (22) und eine erste der Spannungsmesseinrichtungen (34) mit einem Einspeisepunkt (44) zum Einspeisen der Messspannung (ISO_REF), eine zweite der Spannungsmesseinrichtungen (24) mit einem ersten Messpunkt (28) zum Messen des ersten Spannungshubs (BATT_MESS+, BATT_MESS-), und eine dritte der Spannungsmesseinrichtungen (32) mit einem zweiten Messpunkt (26) zum Messen des zweiten Spannungshubs (ISO_MESS+, ISO_MESS-) elektrisch verbunden sind, - und der zweite Messpunkt (26) und der erste Messpunkt (28) derart angeordnet sind, dass das mindestens eine Schütz (16, 18, 20) dazwischen geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Messwiderstand (30) zwischen die Spannungsquelle (22) und die zweite Spannungsmesseinrichtung (24) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (30) zu zwei Zwischenkreisanschlüssen der Leistungselektronik aufgeteilt ist, und die Spannungsquelle (22) mit einem Mittelpunkt des Messwiderstands (30) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (22) derart ausgebildet ist, dass die Polarität der erzeugten Messspannung (ISO_REF) periodisch umgeschaltet werden kann.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (22) ausgebildet ist, eine Messspannung (ISO_REF) mit nur einer Polarität zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite der Spannungsmesseinrichtungen (24) derart ausgebildet ist, dass der gemessene, erste Spannungshub (BATT_MESS+, BATT_MESS-) nach einer vorgegeben Einschwingzeit periodisch mehrfach abgetastet und für eine weitere Auswertung digitalisiert wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte der Spannungsmesseinrichtungen (32) mit mindestens einem Anschluss der Leistungselektronik (14) verbunden ist, und derart ausgebildet ist, dass der gemessene, zweite Spannungshub (ISO_MESS+, ISO_MESS-) periodisch mehrfach abgetastet und für eine weitere Auswertung digitalisiert wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messwertverarbeitungseinrichtung zum weiteren Verarbeiten der von der zweiten und der dritten Spannungsmesseinrichtung (24, 32) gemessenen Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT_MESS-, ISO_MESS+, ISO_MESS-) vorgesehen ist, die ferner ausgebildet ist, anhand der digitalisierten Werte der gemessenen Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT MESS-, ISO_MESS+, ISO_MESS-) einen Isolationswiderstand (36; R_ISO) zu berechnen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertverarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, aus mehreren aufeinander folgenden digitalisierten Werten der gemessenen Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT_MESS-, ISO_MESS+, ISO_MESS-) durch eine gleitende Mittelwertbildung Störungen und Schwankungen im Wesentlichen zu eliminieren.
Verfahren zur Isolations- und Schützüberwachung der Stromversorgung eines Elektroantriebs mittels einer Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: Erzeugen der Messspannung (ISO_REF) zur Isolations- und Schützüberwachung mit der Spannungsquelle (22), Aktivieren der zweiten der Spannungsmesseinrichtungen (24; S10), Überprüfen der ersten, durch die Messspannung (ISO_REF) erzeugten Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT_MESS-) am ersten Messpunkt (28; S20), und Ermitteln des Zustands des mindestens einen Schütz (16, 18, 20; S22, S30, S32, S38).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, durch die Messspannung (ISO_REF) erzeugten Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT_MESS-) am ersten Messpunkt (28; S20) überprüft werden, indem sie mit zweiten, durch die Messspannung (ISO_REF) an einem zweiten Messpunkt (26; S20) erzeugten Spannungshüben (ISO_MESS+, ISO_MESS-) verglichen werden, und dass bei einem Überschreiten eines Bruchteils der zweiten Spannungshübe (ISO_MESS+, ISO_MESS-) am zweiten Messpunkt (26) durch die ersten Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT_MESS-) am ersten Messpunkt (28) der Zustand des mindestens einen Schütz (16, 18, 20) als geschlossen ermittelt wird (S22, S30, S32).
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Unterschreiten des Bruchteils der Spannungshübe (ISO_MESS+, ISO_MESS-) am zweiten Messpunkt (26) durch die Spannungshübe (BATT_MESS+, BATT_MESS-) am ersten Messpunkt (28) der Zustand des mindestens einen Schütz (16, 18, 20) als offen ermittelt wird (S38).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es als Algorithmus implementiert ist, der von einem Mikrokontroller ausgeführt wird, der derart konfiguriert ist, dass er die Schaltungsanordnung (10) entsprechend steuert.