DE10212493A1

DE10212493A1 - Anordnung zur Isolationsüberwachung eines elektrisch von Massepotential einer Einrichtung isolierten Gleichstromnetzes

Info

Publication number: DE10212493A1
Application number: DE10212493A
Authority: DE
Inventors: Klaus Beutelschiess; Karl-Heinz Landenberger
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-10-02
Also published as: US6864688B2; US20030214306A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Isolationsüberwachung eines gegen Masse einer Einrichtung elektrisch isolierte Gleichstromnetzes (1). Es sind wenigstens zwei Isolationsüberwachungseinrichtungen (17, 18) vorhanden, die verschiedene Netzteile überwachen, die durch Schaltmittel (6) voneinander trennbar sind. Mittels kontaktloser Schalter werden die Meßwiderstände (19) und damit die Isolationsüberwachungseinrichtungen (17, 18) im Wechsel an Masse gelegt und von Masse getrennt, wodurch keine störende Beeinflussung der Messung zwischen den Isolationsüberwachungseinrichtungen (17, 18) stattfinden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich eine Anordnung zur Isolationsüberwachung eines Gleichstromnetzes, das gegenüber dem Massepotential einer das Gleichstromnetz aufweisenden Einrichtung elektrisch isoliert ist.

Es sind bereits ein Verfahren und eine Anordnung zur Isolationsüberwachung eines elektrisch isolierten, Gleichstromverbraucher und/oder über Wechselrichter Wechselstromverbraucher speisenden Gleichstromnetzes bekannt, das gegenüber Erde oder einer Masse mit Bezugspotential einen unvermeidbaren ohmschen und kapazitiven Isolationswiderstand hat. Bei dieser bekannten Anordnung sind eine Impulswechselspannungsquelle und ein Meßwiderstand in Reihenschaltung an das Gleichstromnetz und an Erde bzw. an Masse angekoppelt. In den Meßwiderstand wird von der Impulswechselspannungsquelle eine Impulswechselspannung mit abwechselnd positiver und negativer Polarität eingespeist. Die Messung wird nach der Beaufschlagung des Meßwiderstand mit der jeweiligen Impulswechselspannung erst nach einer Zeitverzögerung freigegeben. In aufeinanderfolgenden Zeitabständen erhaltene Meßwerte von am Meßwiderstand abfallenden Spannungen werden nach Subtraktion voneinander zur Bestimmung des Isolationswiderstand weiterverarbeitet (DE 43 39 945 A1).

Eine andere bekannte Einrichtung zur Isolationsüberwachung ungeerdeter Gleichstromnetze enthält eine wechselweise zwischen die beiden Netzpole und Erde einschaltbare Wicklung als Primärteil, eine galvanisch davon getrennte Sekundärwicklung, die an eine Auswertschaltung angeschlossen ist, und eine zum Kompensieren von Netzspannungsschwankungen verwendete Kompensationswicklung (DE 20 51 836 C2).

Bekannt ist auch ein Fahrzeug mit einem brennstoffzellen- oder batteriegespeisten Energieversorgungsnetz, das als IT-Netz ausgeführt ist. Die mit dem Laststromkreis verknüpften Verbraucher sind niederohmig mit der Fahrzeugkarosserie elektrisch verbunden. Zwischen dem Laststromkreis und der Fahrzeugkarosserie ist eine Isolationsüberwachungseinrichtung eingeschleift, die eine Meßbrückenabgleichstufe und eine meßsignalaufbereitende Trennverstärkerstufe aufweist. Vorzugweise ist ein solcher Energieversorgungsnetz in einem Elektrofahrzeug angeordnet (DE 195 03 749 C1). IT-Netz bedeutet hierbei, daß all Stromverbraucher über die beiden Laststromkreisleitungen gespeist werden, die mit der Fahrzeugkarosserie hochohmig verbunden sind, und als Schutzmaßnahe, vor zu hoher Berührungsspannung sind alle zu schützenden Anlagenteile untereinander niederohmig mit einem Restwiderstand < 1 Ω mit der Fahrzeugkarosserie verbunden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Anordnung zur Isolationsüberwachung eines Gleichstromnetzes, das gegenüber Massepotential einer das Gleichstromnetz aufweisenden Einrichtung elektrisch isoliert ist, derart weiterzuentwickeln, daß bei wenigstens zwei durch Schaltmittel voneinander trennbaren Netzabschnitten unabhängig davon, ab eine oder beide Netzabschnitte miteinander verbunden oder durch Schaltmittel oder getrennt sind, eine Überwachung des Isolationswiderstands der Netzabschnitte gegenüber Massepotential möglich ist.

Das Problem wird bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den mit wenigstens einer Energiequelle verbundenen Netzleitungen wenigstens ein Schaltmittel angeordnet ist, durch dessen Ausschaltstellung wenigstens zwei, elektrisch getrennte Netzteile gebildet sind, von denen jedes jeweils eine eigene Isolationsüberwachungseinrichtung für den Isolationswiderstand gegenüber Masse aufweist, und daß abwechselnd jeweils eine Isolationsüberwachungseinrichtung mit einem Meßwiderstand über ein leitendes kontaktloses Schaltelement mit den Massepotential führenden Teilen verbunden und die andere Isolationsüberwachungseinrichtung mit dem Meßwiderstand durch ein nichtleitendes kontaktloses Schaltelement von den Massepotential führenden Teilen getrennt ist und umgekehrt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Vorteil erreicht, daß der Isolationswiderstand mit der jeweiligen Isolationsüberwachungsanordnung gemessen werden kann, ohne daß die andere Isolationsüberwachungsanordnung die Messung beeinträchtigt oder verfälscht. Aufgrund der kontaktlosen Schaltverbindung lassen sich Meßzyklen in kurzen Zeitabständen erzielen, so daß eine fortlaufende, den aktuellen Isolationszustand wiedergebende Information vorliegt. Die Isolationsmessungen sind mit einer praktisch unbegrenzten Anzahl von Schaltzyklen möglich und unempfindlich gegen mechanische Einflüsse wie Beschleunigungen oder Verzögerungen, denen die Einrichtung ausgesetzt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die kontaktlosen Schaltelemente für alle Isolationsüberwachungsanordnungen Bestandteile eines Halbleiterrelais sind. Mit dem Halbleiterrelais können die Schaltzyklen bei minimalen Raumbedarf ausgeführt werden. Ein geeignetes Haltleiterrelais ist unter der Type NAIS V216S von der Matsushita Electric Works Deutschland kommerziell verfügbar.

Insbesondere sind die jeweils elektrisch leitend und nichtleitend steuerbaren Halbleiterstrecken der Schaltmittel des Halbleiterrelais jeweils im Zuge der Leitung zwischen einem Anschluß eines Meßwiderstands und dem Masseanschluß angeordnet. Durch diese Anordnung wirkt sich der bei gesättigter leitender Halbleiterstrecke noch vorhandenen Widerstand wegen seiner geringen Größe nicht auf das Meßergebnis aus.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind das Halbleiterrelais und die Isolationsüberwachungseinrichtungen mit einem übergeordneten Steuergerät verbunden mit dem die Meßwerte der Isolationswiderstände ausgewertet und auf Plausibilität überwacht werden. Aufgrund der Plausibilitätsauswertung lassen sich Funktionsstörungen sowohl der Isolationsüberwachungseinrichtungen als auch des Halbleiterrelais erkennen und melden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
In der Zeichnung ist schaltplanmäßig ein Energieversorgungsnetz 1 eines Elektrofahrzeugs dargestellt. Das Energieversorgungsnetz 1 ist ein Gleichstromnetz. Als eine erste Energiequelle ist eine Brennstoffzelle 2, die aus einer Reihe von Brennstoffzellen-Modulen besteht, vorgesehen und erzeugt eine Nennspannung im Bereich 200-400 V. Die beiden Ausgänge 3, 4 der Brennstoffzelle 2 je für das positive und negative Potential sind über Sicherungen 5 mit einem Schalter verbunden, bei dem es sich um einen Last- oder Leistungstrennschalter oder Schütz handeln kann. An den Schalter 6 sind auf der, der Brennstoffzelle 2 abgewandten Seite eine positive Leitung 7 bzw. Stromschiene und eine negative Leitung 8 bzw. Stromschiene angeschlossen. Alle Stromverbraucher werden von der Brennstoffzelle 2 über die Leitungen 7, 8 gespeist, die gegen die Masse des Elektrofahrzeugs elektrisch isoliert sind. Auch die Brennstoffzelle 2 ist mir ihren strom- bzw. spannungsführenden Teilen gegen Masse elektrisch isoliert. Alle vor zu hoher Berührungsspannung zu schützenden Teile im Fahrzeug sind untereinander und mit der Fahrzeugkarosserie niederohmig verbunden. Die Karosserie ist in der Zeichnung symbolisch durch das Erdungszeichen dargestellt.
An die Leitungen 7, 8 sind unter Zwischenschaltung von Sicherungen Hilfsantriebe 9 angeschlossen. Die Hilfsantriebe 9werden für den betrieb der Brennstoffzelle 2 benötigt. Ebenfalls an die Leitungen 7, 8 ist über nicht näher bezeichnete Sicherungen ein DC/AC-Wandler 10 angeschlossen, mit dessen Ausgängen ein Fahrmotor 11 verbunden ist, der z. B. mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeist wird.
An die Leitungen 7, 8 ist weiterhin unter Zwischenschaltung von nicht näher bezeichneten Sicherungen ein DC/DC-Wandler 12 angeschlossen. Der DC/DC-Wandler 12 ist einerseits mit dem Energieversorgungsnetz 1 und andererseits mit einem zweiten Energieversorgungsnetz 13 verbunden. Das Energieversorgungsnetz 13 hat eine niedrigere Spannung als das Energieversorgungsnetz 1. Beispielsweise ist die Spannung des Energieversorgungsnetzes 1 400 V, während die Spannung des Energieversorgungsnetzes 13 nur 12 V, 24 V oder 48 V ist. Mit dem Energieversorgungsnetz 13 sind elektrische Verbraucher wie Scheibenwischermotore, Heizwiderstände, Ventilatoren, Fensterscheiben- und Schiebedachantriebsmotoren, Lampen usw. verbunden. Die elektrischen Verbraucher des Energieversorgungsnetzes 13 sind in der Zeichnung schematisch durch eine Block 14 dargestellt. Eigens in der Zeichnung ist eine Steuerung 15 dargestellt, die über nicht näher bezeichnete Sicherungen mit dem Energieversorgungsnetz 13 verbunden und ein vom diesem Netz gespeister Verbraucher ist. Mit dem Netz ist noch einer Energiequelle verbunden, bei der es sich um einer Speicherbatterie 16 handelt.
Mit dem zwischen den Ausgängen 3, 4 der Brennstoffzelle 2 und dem Schalter 6 verlaufenden Teil des Energieersorgungsnetzes 1 ist eine Isolationsüberwachungseinrichtung 17 über nicht näher bezeichnete Sicherungen verbunden. Eine weitere Isolationsüberwachungseinrichtung 18 ist über nicht näher bezeichnete Sicherungen mit den Leitungen 7, 8, d. h. demjenigen Teil des Netzes verbunden, der an den Ausgang des Schalters 6 angeschlossen ist. Die Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 für Gleichstromnetz können in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Vorzugsweise werden aber Isolationsüberwachungseinrichtungen eingesetzt, di je einen mit Masse verbundenen Meßwiderstand aufweisen, der von einer Spannungsquelle während eines Meßvorgangs mit positiven und negativen Impulsen beaufschlagt wird. Der Meßwiderstand ist bei den Isolationsüberwachungseinrichtungen unter Zwischenschaltung eines elektrischen Schaltelements mit der Masse verbunden. Am Meßwiderstand wird dann die bei Beaufschlagung mit der Prüfspannung abfallende Spannung abgegriffen und ausgewertet.
Der Isolationsüberwachungseinrichtung 17 ist ein Meßwiderstand 19 zugeordnet, der an einen Anschluß über einen zwischengeschaltetes kontaktlosen Schaltelement 24 mit Masse verbindbar ist. Vom Meßwiderstand 19 verlaufen zwei Leitungen 20, 21 zur Isolationsüberwachungseinrichtung 17. Die Leitungen 20, 21 sind in der Einrichtung 17 an eine nicht dargestellte Meßanordnung angeschlossen, bei der es sich um einen A/D-Umsetzer handeln kann. Die Isolationsüberwachung 17 gibt auf einer Leitung 22 die Prüfimpulse an dem Meßwiderstand 19 aus. Der kontaktlose Schalter 24 ist Bestandteil eines Halbleiterrelais 23.
Der Isolationsüberwachungseinrichtung 18 ist ein Meßwiderstand 26 zugeordnet, der an einem Anschluß über ein zwischengeschaltetes kontaktloses Schaltelement 29 mit Masse verbindbar ist. Zwei Leitungen 26, 27 greifen die an Meßwiderstand 25 ei Prüfimpulsen abfallenden Spannungen ab und leiten sie zu der Isolationsüberwachungseinrichtung 18 weiter. In der Isolationsüberwachungseinrichtung 18 sind die beiden Leitungen 26, 27 mit einer Meßeinrichtung, z. B. einem A/D-Wandler eines Prozessors, verbunden. Auf einer Leitung 28 gibt die Isolationsüberwachungseinrichtung 18 die Prüfimpulse an den Meßwiderstand 25 aus. Das kontaktlose Schaltelement 26 ist Bestandteil des Halbleiterrelais 23. Die Schaltelemente 24, 29 werden über Optokoppler 30 im Wechsel jeweils derart angesteuert, daß der eine im gesättigten Zustand leitend und der andere nichtleitend ist. Die Steuerung geschieht durch die Steuereinheit 15, die mit dem Halbleiterelement 23 verbunden ist. Weiterhin ist die Steuereinheit 15 mit den Isolationsüberwachungseinrichtungen 17 und 18 verbunden.
Die Steuereinheit 15 versetzt die Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 abwechselnd in den Betriebszustand zur Ausgabe von Prüfimpulsen und zur Erfassung und Auswertung der an den Meßwiderständen 19 und 25 abgegriffenen Spannungen.
Mit der Aktivierung der jeweiligen Isolationsüberwachungseinrichtung 17 bzw. 18 veranlaßt die Steuereinheit 15, daß der zugehörige Schalter 24 bzw. 29 in den leitenden Zustand versetzt wird, während der andere Schalter 29 bzw. 24 nichtleitend ist. Es ist also immer nur eine Isolationsüberwachungseinrichtung in bezug auf die Verbindung mit Masse in gleichen Zeitabschnitt aktiv, so daß keine störende Beeinflussung de Messung durch die nicht aktive Überwachungseinheit stattfindet, die die Verbindung zur Masse abwechselnd im Wechsel zwischen den Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 ein- und ausgeschaltet wird.
Mit dem Relais 23 können die Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 im schnellen Wechsel jeweils mit den zugehörigen Meßwiderständen 19, 25 verbunden werden. Das Halbleiterrelais 23 ist auch mit einem Sensor 30 des Schalters 6 verbunden. Der Sensor 30 zeigt z. B. die Schaltstellung des Schalters 6 an.
Mit den Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 wird der Isolationswiderstand zwischen Masse und dem Leitungsabschnitt zwischen Brennstoffzelle 2 und Schalter 6 bzw. zwischen Schalter 6 und dem übrigen Teil des Hochvoltnetzes von z. B. 400 V überwacht. Falls bei dem DC/AC-Wandler 10 und dem DC/DC-Wandler 12 eine galvanische Trennung der beiderseitigen Netzabschnitte vorgesehen ist, können weitere Isolationsüberwachungseinrichtungen mit dem Drehstromnetz und dem Netz 13 verbunden sein. Solche Isolationsüberwachungseinrichtung sind dann auf die gleiche Weise wie dies im Zusammenhang mit den Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 erläutert ist, mit kontaktlosen Schaltern eines dann auf die Anzahl der Isolationsüberwachungseinrichtungen mit der Anzahl der kontaktlosen Schalter abgestimmten Halbleiterrelais verbunden. Als Halbleiterrelais wird insbesondere ein unter der Type NAIS V216 von der Fa. Matsushita Works Deutschland GmbH kommerziell verfügbares Relais verwendet. Im allgemeines ist das Netz 13, wie in der Zeichnung dargestellt, einpolig an Masse gelegt.
Die Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 enthalten jeweils einen mit dem Ausgang an die Leitung 22 bzw. angeschlossenen, nicht dargestellten Umschalter, der zwei Eingänge hat, von denen der eine mit einem Ausgang und der andere mit dem zweiten Ausgang einer Spannungsquelle verbunden ist, die am einen Ausgang ein positives und am anderen Ausgang ein negative Potential erzeugt. Bezogen sind, diese Potentiale jeweils auf das Potential des Ausgangs 2 bzw. der Leitung 7 an die ein Eingang der Spannungsquelle angeschlossen ist.
Der Umschalter in jeder Überwachungseinrichtung 17, 18 wird on einem Mirkoprozessor bzw. Mikrocontroller periodisch betätigt, so daß am Ausgang des Umschalters abwechselnd positive und negative Impulse, auftreten. Der vom Mikroprozessor gesteuerte Umschalter bildet mit Spannungsquelle somit eine Impulswechselspannungsquelle. Die Leitungen 20, 21 und 26, 27 sind in den Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 insbesondere über Hochpässe an A/D-Umsetzer angeschlossen, die von Mikroprozessoren gesteuert werden. Die A/D-Umsetzer und die Mikroprozessoren in den Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 werden vom Netz 13 mit Betriebsspannung versorgt. Nach jedem an die Widerstände 19, 25 angelegten Meßimpuls werden nach einer Verzögerungszeit die Spannungen auf den Leitungen 20, 21 und 26, 27 in periodischen Zeitabständen gemessen. Aus je zwei aufeinanderfolgenden Meßwerten werden die Differenzen gebildet. Der Isolationswiderstand wird dann nach der Formel

bestimmt, worin mit Uo die Spannungen auf den Leitungen 21 bzw. 26 und mit U_M die Spannungen auf den Leitungen 20, 27 bezeichnet sind.
Die mittels der Isolationsüberwachungseinrichtungen 17, 18 bestimmten Isolationswiderstände werden z. B. über einen nicht dargestellten Bus zu der Steuereinheit 15 übertragen, die ein Plausibilitätsprüfung durchführt. Mit dieser Prüfung können auch Fehler in der jeweiligen Isolationsüberwachungseinrichtung festgestellt werden, die insbesondere auch eine Watch- Dog-Anordnung aufweist.

Claims

1. Anordnung Isolationsüberwachung eins Gleichstromnetzes, das gegenüber dem Massepotential einer das Gleichstromnetz aufweisenden Einrichtung elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den mit wenigstens einer Energiequelle (2; 16) verbundenen Netzleitungen wenigstens ein Schaltmittel (6) angeordnet ist, durch dessen Ausschaltstellung wenigsten zwei elektrisch getrennte Netzteile gebildet sind, von denen jeder eigene Isolationsüberwachungseinrichtung (17) für den Isolationswiderstand gegenüber Massepotential aufweist und daß abwechselnd jeweils eine Isolationsüberwachungsanordnung mit einem Meßwiderstand (19) über ein kontaktloses Schaltelement (24) mit den Massepotential führenden Teilen verbunden und die andere Isolationsüberwachungseinrichtung (18) durch ein nichtleitendes kontaktloses Schaltelement (26) von den Massepotential führenden Teilen getrennt ist und umgekehrt.

2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktlosen Schaltelemente (24, 29) Bestandteile eines Halleiterrelais (23) sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils elektrisch leitend und nichtleitend steuerbaren, kontaktlosen Schaltmittel (24, 29) des Halbleiterrelais jeweils im Zuge der Leitung zwischen einem Anschluß eines Meßwiderstands (19, 25) und dem Massenanschluß angeordnet sind.

4. Anordnung nach zumindest einer der folgenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterrelais (23) und die Isolationsüberwachungseinrichtungen (17, 18) mit einem übergeordneten Steuergerät (15) verbunden sind, mit dem die Meßwerte der Isolationswiderstände ausgewertet und auf Plausibilität überprüft werden.

5. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichstromnetz eine Energiequelle mit einer Nennspannung im Bereich 200 bis 400 V aufweist und über einen DC/DC-Wandler mit einem Gleichstromnetz verbunden ist, das für eine Betriebspannung von weniger als 50 V ausgelegt ist und eine Speicherbatterie (16) als Energiequelle aufweist.

6. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle im Gleichstromnetz mit der Nennspannung im Bereich 200 bis 400 V eine Brennstoffzelle (2) ist.

7. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gleichstromnetz aufweisende Einrichtung mobil ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Automobil ist.