DE102008006223A1

DE102008006223A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung einer Spannung zwischen zwei Messpunkten in einem elektrischen System

Info

Publication number: DE102008006223A1
Application number: DE200810006223
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr. Hommel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Spannung (U2, U2') zwischen zwei Messpunkten (MP1, MP2; MP3, MP4) in einem elektrischen System, wobei die Vorrichtung eine Referenzspannung (U1) und eine Einrichtung zur zweidimensionalen Darstellung der Spannung (U2, U2') und der Referenzspannung (U1) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Spannung zwischen zwei Messpunkten in einem elektrischen System.
Insbesondere bei elektrischen Systemen, deren Komponenten mit lebensgefährlichen Spannungen betrieben werden, ist es zu gewissen Zeitpunkten notwendig, zweifelsfrei die Spannungslage festzustellen. Ein Beispiel für solche elektrische Systeme sind Kraftfahrzeuge mit alternativen Antriebssträngen wie beispielsweise Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge oder Brennstofffahrzeuge. Diese weisen häufig Komponenten auf, die mit über 60 V Gleichspannung betrieben werden. Soll nun beispielsweise nach einem Unfall das Kraftfahrzeug bewegt werden oder Komponenten des Hochvoltsystems (> 60 V) in einer Werkstatt ausgetauscht werden, so muss die Spannungslage einfach und sicher ermittelt werden können. Bekannte Methoden zum Ermitteln des Spannungswertes sind das Nachmessen oder die Anzeige eines verbauten, einfachen Messgerätes (z. B. Voltmeter, Drehspulmesswerk), welches die Spannung selbstständig misst. Der erste Fall erfordert geschultes Personal in den Werkstätten. Im zweiten Fall ist nicht sichergestellt, dass die Anzeige sicher funktioniert.
Prinzipiell könnte mit denen im Fahrzeug verbauten Steuergeräten über eine Diagnosesession eine Plausibilisierung der jeweils getrennt gemessenen Spannungen erfolgen. Allerdings funktioniert der Diagnosetester nur bei Zündung-Ein. Der Kraftfahrzeug-Mechaniker nimmt jedoch Arbeiten am Fahrzeug nur bei ausgeschalteter Zündung vor, so dass nicht sichergestellt ist, dass bei Zündung-Aus nicht doch Schütze angesteuert wurden oder sich im ausgeschalteten Zustand die Spannung verändert hat.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer Spannung zwischen zwei Messpunkten in einem elektrischen System zu schaffen, mittels derer die Spannungslage einfach und eigensicher dargestellt werden kann.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu umfasst die Vorrichtung zur Erfassung einer Spannung zwischen zwei Messpunkten in einem elektrischen System eine Referenzspannung und eine Einrichtung zur zweidimensionalen Darstellung der Spannung und der Referenzspannung. Hierdurch wird erreicht, dass bei Vorhandensein einer Spannung Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung möglich sind. Des Weiteren kann über die Relation der Spannung zur bekannten Referenzspannung die angezeigte Spannung plausibilisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Referenzspannung aus der zu messenden Spannung abgeleitet, was weiter vorzugsweise durch Spannungsteiler, insbesondere ohmsche Spannungsteiler erfolgt. In diesem Fall ist zwar die Absolutgröße der Referenzspannung nicht bekannt, aber deren Relation zur Spannung. Geht diese Relation bei der Darstellung verloren, so liegt ein Fehler vor.
In einer alternativen Ausführungsform wird als Referenzspannung eine unabhängige Spannung gewählt, beispielsweise die 12 V-Bordnetzspannung in einem Kraftfahrzeug. Weisen dann die zu messende Spannung und die Referenzspannung unterschiedliche Bezugspotentiale auf, so werden diese vorzugsweise durch einen ohmschen Widerstand miteinander verbunden. Dieser ohmsche Widerstand ist sehr hochohmig, beispielsweise im MΩ-Bereich, um die Ströme gering zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung zur zweidimensionalen Darstellung als matrixförmige elektrische Anzeigeeinrichtung ausgebildet, wobei dabei unterschiedlichste Technologien zur Anwendung kommen können, beispielsweise LED-, LCD-, OLED-, FED-, SED-, oder TFT-Displays. Hierzu werden die Spannung und die Referenzspannung durch weitere Spannungsteiler in den zulässigen Spannungsbereich des Displays heruntergeteilt und angezeigt.
Alternativ zu den digitalen matrixförmigen elektrischen Anzeigeeinrichtungen sind auch analoge Darstellungen möglich. Beispielsweise kann die Ablenkung eines Öltropfens zwischen elektrischen Feldern oder die Ablenkung eines Stromes in elektrischen Röhren zur kontinuierlichen Darstellung der Spannung bzw. Referenzspannung genutzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Schaltelement vorgesehen, mittels derer die Einrichtung bedarfsweise zu- oder abgeschaltet werden kann. Hierdurch kann insbesondere der Ruhestrombedarf reduziert werden, insbesondere bei Ausführungsformen, wo die Referenzspannung aus der Bordnetzbatterie abgeleitet wird.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der Einsatz in dem Hochvoltteil eines Kraftfahrzeuges. Beispielsweise kann das Hochvoltteil eine Batterie, ein Supercap oder eine Brennstoffzelle umfassen, die mit einem Elektromotor oder einem Generator oder einer umschaltbaren Elektromaschine verbunden sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das elektrische System mindestens einen Schütz oder einen vergleichbaren Schalter auf, der zwischen einer Last und einer Spannungsquelle angeordnet ist, wobei die Spannung vor und/oder hinter dem Schütz gemessen wird. Vor dem Schütz bedeutet dabei, dass die Spannung an der Spannungsquelle gemessen wird. Die Spannungsquelle ist dabei beispielsweise eine Batterie, ein Supercap oder eine Brennstoffzelle. Die Last ist beispielsweise ein Elektromotor, ein Generator oder eine umschaltbare Elektromaschine.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Hochvoltsystems in einem Kraftfahrzeug (Stand der Technik)
2 eine erste Messeinrichtung zur Erfassung einer Spannung und
3 eine zweite Messeinrichtung zur Erfassung einer Spannung.
Das Hochvoltsystem umfasst eine Elektromaschine 1 als Generator, die eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt, die durch einen Wechselrichter 2 in eine Gleichspannung von größer/gleich 60 V umgewandelt wird. Am Ausgang des Wechselrichters 2 ist ein Kondensator C angeordnet, der parallel zu einer Traktionsbatterie 3 geschaltet ist. Die Traktionsbatterie 3 kann dabei durch eine Vielzahl von in Reihe geschalteter Zellen ausgebildet sein. Zwischen dem Kondensator C und der Traktionsbatterie 3 sind Schütze 4.1, 4.2 angeordnet, mittels derer die Traktionsbatterie 3 von dem Wechselrichter 2 getrennt werden kann. Allerdings kann an den Kondensator C weiterhin auch über längere Zeit eine Spannung von 60 V und höher anliegen. Daher ist die Kenntnis der Spannung U2 zwischen den Messpunkten MP1 und MP2 für die Sicherheit von Servicetechnikern wichtig. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Spannung U2' an der Traktionsbatterie 3 selbst von Interesse sein, die zwischen den Messpunkten MP3 und MP4 anliegt. In diesem Fall wird die Spannung U2' zwischen den Messpunkten MP3, MP4 gemessen.
In der 2 ist schematisch eine Messanordnung dargestellt. Hierzu wird die Spannung zwischen den Messpunkten MP1 und MP2 erfasst und an die Anschlüsse einer ersten Dimension einer matrixförmigen Anzeigeeinrichtung angelegt. Eine Referenzspannung U1, beispielsweise die Bordnetzspannung von 12 V wird an die zweite Dimension der matrixförmigen Anzeigeeinrichtung angelegt. Als Ergebnis dieser beiden Spannungen bzw. Felder bei nahezu stromlos betriebenen, feldgesteuerten Anzeigen ergibt sich je nach Ausführung ein ausgefülltes Rechteck, dessen Kantenlängen den Spannungsäquivalenten entspricht oder ein entsprechend der Spannungsverhältnisse gebogener oder schräger Strich auf dem Display. Durch Präsenz und Größe der Seitenverhältnisse der Darstellung wird indirekt die Wahrheit der Aussage wiedergegeben. Nur im unwahrscheinlichen Fall eines Doppelfehlers kann nicht mehr zwischen wahrer und falscher Aussage unterschieden werden. Der Widerstand R dient dabei zur Verbindung der beiden Bezugspotentiale. Liegen sowohl U1 als auch U2 auf gleichen Bezugspotentialen, so kann der Widerstand R entfallen. Ist die Größe der Referenzspannung bekannt, so kann über das Verhältnis der Kanten auch eine quantitative Aussage über die Größe der Spannung U2 getroffen werden. Analog gilt das zuvor Gesagte, wenn die Spannung U2' gemessen werden soll.
In der 3 ist eine alternative Messanordnung dargestellt, bei der die Referenzspannung U1 durch einen Spannungsteiler aus R1 und R2 aus der Spannung U2 bzw. U2' abgeleitet wird. Ist beispielsweise das Verhältnis von R1 und R2 1:1, so muss auf der Anzeigeeinrichtung beispielsweise ein Rechteck mit Seitenverhältnissen von 1:2 dargestellt werden. Ist dies nicht der Fall, kann auf einen Fehler geschlossen werden.
Wie bereits zu 1 ausgeführt, kann alternativ oder zusätzlich die Spannung U2' zwischen den Messpunkten MP3 und MP4 von Interesse sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweils den Messpunkten MP1 und MP2 sowie MP3 und MP4 eine eigene Einrichtung zur zweidimensionalen Darstellung zugeordnet ist oder diese über weitere Schalter wechselweise auf die Einrichtung geschaltet werden können, wenn beide Spannungen U2, U2' angezeigt werden sollen.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung einer Spannung (U2, U2') zwischen zwei Messpunkten (MP1, MP2; MP3, MP4) in einem elektrischen System, umfassend eine Referenzspannung (U1) und eine Einrichtung zurzweidimensionalen Darstellung der Spannung (U2, U2') und der Referenzspannung (U1).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U1) aus der zu messenden Spannung (U2, U2') abgeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung durch einen Spannungsteiler (R1, R2) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Spannung (U2, U2') und die Referenzspannung (U1) unterschiedliche Bezugspotentiale aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Bezugspotentiale durch einen ohmschen Widerstand (R) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als matrixförmige elektrische Anzeigeeinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über ein Schaltelement zu- oder abgeschaltet werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil eines Hochvoltsystems eines Kraftfahrzeuges ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System mindestens einen Schütz (4.1, 4.2) aufweist, der zwischen einer Last (1, 2, C) und einer Spannungsquelle (3) angeordnet ist, wobei die Spannung (U2') vor und/oder die Spannung (U2) hinter dem Schütz (4.1, 4.2) gemessen wird.
Verfahren zur Erfassung einer Spannung (U2, U2') zwischen zwei Messpunkten (MP1, MP2; MP3, MP4) in einem elektrischen System, mittels einer Referenzspannung (U1) und einer Einrichtung zur zweidimensionalen Darstellung der Spannung (U2, U2') und der Referenzspannung (U1).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U1) aus der zu messenden Spannung (U2, U2') abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der Referenzspannung durch einen Spannungsteiler (R1, R2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Spannung (U2, U2') und die Referenzspannung (U1) unterschiedliche Bezugspotentiale aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Bezugspotentiale durch einen ohmschen Widerstand (R) miteinander verbunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als matrixförmige elektrische Anzeigeeinrichtung ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung durch einen Schalter zu- oder abgeschaltet werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Spannung (U2, U2') in einem Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeuges erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System mindestens einen Schütz (4.1, 4.2) aufweist, der zwischen einer Last (1, 2, C) und einer Spannungsquelle (3) angeordnet ist, wobei die Spannung (U2') vor und/oder die Spannung (U2) hinter dem Schütz (4.1, 4.2) gemessen wird.