DE69503784T2

DE69503784T2 - Fehlererfassungsschaltung zur erfassung des leckstroms zwischen stromversorgung und fahrzeugrahmen

Info

Publication number: DE69503784T2
Application number: DE69503784T
Authority: DE
Inventors: James Louis Dunkirk Maryland 20754 Munro; David Lloyd Jr. Ellicott City Md 21043 Schantz
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: SatCon Technology Corp
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2015-06-02
Also published as: EP0764275B1; WO1995034824A1; EP0764275A1; MY113384A; DE69503784D1; ATE169118T1; TW270976B; US5481194A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Fehlererfassungsschaltung für ein elektrisches Fahrzeug zum Erfassen von Leckströmen. Im Einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Fehlererfassungsschaltung zum Fühlen von Leckströmen zwischen einer Stromquelle und dem Rahmen eines elektrischen Fahrzeugs. Die Erfassung kann in einem weiten Anwendungsbereich eingesetzt werden, sie ist jedoch besonders geeignet zum Einsatz in einem elektrischen Fahrzeug, das Batterien oder eine Kombination von Batterien und anderen Energiequellen benutzt, wie z. B. eine Wärmekraftmaschine, die mit einem Wechselstromgenerator als Stromquelle gekoppelt ist, und wird in diesem Zusammenhang besonders beschrieben.
Für ein wirtschaftlich lebensfähiges elektrisches Fahrzeug müssen Unkosten und Leistung mit denen seiner benzingetriebenen Gegenstücke konkurrenzfähig sein. In der Regel sind Antriebssystem und Batterie des Fahrzeugs die Hauptfaktoren, die zu der Betriebskosten- und Leistungs-Konkurrenzfähigkeit beitragen.
Im allgemeinen muß zum Erreichen der wirtschaftlichen Akzeptanz ein Fahrzeugantriebssystem die folgenden Merkmale · aufweisen: (1) Fahrzeugleistung gleichwertig mit den typischen benzingetriebenen Antriebssystemen; (2) ruckfreie Steuerung des Fahrzeugantriebs; (3) regeneratives Bremsen; (4) hohe Wirtschaftlichkeit; (5) geringe Kosten; (6) Selbstkühlung; (7) elektromagnetische Störsicherheit (EMI); (8) Störungserfassung und Selbstschutz; (9) Selbstüberwachung und Diagnosefähigkeit; (10) Steuer- und Meldesignal-Schnittstellen mit externen Systemen; (11) sicherer Betrieb und Wartung; (12) flexible Batterielademöglichkeiten und (13) Hilfsstromversorgung mit 12 V Spannung von der Hauptbatterie. In der bisherigen Praxis gibt es elektrische Fahrzeugantriebssystem-Konstruktionen, die sich in erster Linie aus dem Angleichen eines Motors und Controllers an einen Satz vorgegebener Ziele für die Fahrzeugleistung bestehen, so daß häufig auf Leistung verzichtet wurde, um eine praktische Motor- und Controller-Konstruktion zu ermöglichen. Ferner wurde den obigen Merkmalen, die die Akzeptanz im Handel erhöhen, wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
Zum Beispiel besteht ein typisches, herkömmliches elektrisches Fahrzeugantriebssystem aus einem Gleichstrommotor, einer zerhackerartigen Motorsteuervorrichtung, einer unabhängigen Batterieladevorrichtung und einem verteilten Steuergerätesatz und Zustandsanzeigern. Die Fahrzeugleistung war in der Regel nicht ausreichend zum Fahren auf Fernstraßen, die Beschleunigung war ungleichmäßig und handbetätigte Gangschaltung war erforderlich. Zusätzlich waren die Fragen der Kosten für die Serienherstellung, EMI, Fehlererfassung, Wartung, Steuerungs- und Meldesignal-Schnittstellen und Sicherheit im allgemeinen nicht genügend angesprochen.
Die Batterien elektrischer Fahrzeuge sind nicht auf das Chassis bezogen wie bei herkömmlichen Motoren mit innerer Verbrennung mit 12 V Speicherbatterien. Insbesondere liegt bei elektrischen Fahrzeugen keine Batterieklemme am Rahmen, so daß verhindert würde, daß der Anwender (vom Chassis) einen elektrischen Schlag bekommt, wenn er eine der Batterieklemmen (Stromschienen) unabhängig berührt. Wenn aber zwischen einer der Batterieklemmen und dem Fahrzeugchassis ein Leckstrom fließt, können gefährliche Strommengen in das Chassis fließen. Wenn dann ein Anwender mit der anderen Klemme in Berührung kommt während er gerade den Rahmen berührt, kann der Schlag zu ernsthaften Verletzungen führen.
Ein Leckstrom von einer Klemme zum Rahmen kann entstehen z. B. durch Korrosion der Klemmen oder fehlerhafte Schaltungen, die einen Strom zwischen den Strompunkten (Schienen) und dem Chassis fließen lassen. Das ist ein ernstes Problem, das erkannt werden muß, um die Sicherheit für jeden zu garantieren, der in Kontakt mit dem Fahrzeugchassis kommt.
US-A-4 253 056, das die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 ist, offenbart eine Fehlererkennungsschaltung, die allein einen Spannungsvergleicher benutzt. FR-A-2 268 270 offenbart eine Schaltung, die Leckströme erfaßt durch Erfassen einer Reduktion des Leckwiderstands.
Ein Schaltkreis ist erforderlich, um Leckströme zu entdecken, bevor sie sich bis zu einem Punkt verstärken, an dem gefährliche Stromstärken in das Chassis fließen, und damit zur Bedrohung für eine Person werden, die mit dem Chassis in Berührung kommt. Ferner ist, nachdem die Schaltung die Sicherheit des Systems bestimmt, ein eingebauter Testkreis erforderlich, der gewährleistet, daß die Schaltung ordentlich arbeitet.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung auf eine Fehlererfassungsschaltung abgestellt, die im wesentlichen eines oder mehrere der Probleme infolge der sich auf dem Stand der Technik ergebenden Einschränkungen und Nachteile beseitigt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Anordnung, die im wesentlichen eine oder mehrere der Einschränkungen und Nachteile auf dem beschriebenen Stand der Technik beseitigt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Fehlererfassungsschaltung zum Erfassen des Leckstroms aus einer der beiden Batterieklemmen zum Chassis eines Fahrzeugs.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer eingebauten Testmöglichkeit, um den sicheren Betrieb der Fehlererfassungsschaltung zu gewährleisten.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung erläutert und werden teilweise durch die Beschreibung deutlich, oder können durch den Umgang mit der Erfindung in der Praxis gelernt werden. Die Aufgaben und weitere Vorteile der Erfindung werden realisiert und erzielt mit dem Gerät und dem Verfahren, die in der schriftlichen Beschreibung und in den Ansprüchen sowie anhand der beiliegenden Zeichnungen besonders hervorgehoben werden.
Um diese und noch weitere Vorteile zu erreichen und in Übereinstimmung mit dem Zweck der Erfindung wie ausgeführt und weitgehend beschrieben, umfaßt eine Elektrofahrzeug-Fehlererfassungsschaltung zur Erfassung von Leckströmen zwischen einer Gleichstrom-Energiequelle und einem Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs einen Spannungssensor, welcher mit der Gleichstrom- Energiequelle gekoppelt ist, wobei der Spannungssensor eine Analogreferenz und eine Fahrzeugrahmenerde enthält; einen Differenzverstärker, welcher mit dem Spannungssensor gekoppelt ist, um Veränderungen in der Analogreferenz und der Fahrzeugrahmenerde zu erfassen; und eine Spannungsvergleichereinheit zum Bestimmen, ob die im Differenzverstärker erfaßten Veränderungen über einem vorbestimmten Schwellwert liegen, und eine eingebaute Testschaltung, die mit dem Differenzverstärker gekoppelt ist, zum Testen, ob die Fehlererfassungsschaltung korrekt arbeitet.
Hier ist darauf hinzuweisen, daß sowohl die obige allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erklärend sind, und noch weitere Erklärungen der beanspruchten Erfindung beabsichtigt sind.
Die begleitenden Zeichnungen liegen bei, um ein näheres Verständnis der Erfindung zu geben, und sind als integrierender Teil der vorliegenden Beschreibung beigelegt, zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines elektrischen Fahrzeugantriebssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Stromverteilerdiagramm des elektrischen Fahrzeugantriebssystems in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Funktionsdiagramm des elektrischen Fahrzeugantriebssystems in Fig. 1;
Fig. 4 ist ein Funktionsdiagramm der Motorsteuerung des elektrischen Fahrzeugantriebssystems in Fig. 1;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist ein Detail-Schaltbild der Fehlererfassungsschaltung in Fig. 5; und
Fig. 7 ist ein Detail-Schaltbild der Bezugsspannungsquellen für die Spannungsvergleichereinheit in Fig. 5.
Jetzt nehmen wir im einzelnen Bezug auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die in den begleitenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt ist.
Fig. 1 stellt ein elektrisches Antriebssystem 10 dar, bestehend aus einer Systemsteuereinheit 12, einer Motorgruppe 24, einem Kühlsystem 32, einer Batterie 40, und einem DC/DC- Umformer 38. Die Systemsteuereinheit 12 beinhaltet eine Kühlplatte 14, ein Batterieladegerät 16, eine Motorsteuerung 18, ein Stromverteilermodul 20 und ein Chassissteuergerät 22. Die Motorgruppe 24 beinhaltet einen Drehmelder 26, einen Motor 28 und einen Filter 30. Das Kühlsystem 32 beinhaltet eine Ölpumpeneinheit 34 und einen Kühler/Ventilator 36.
Fig. 2 ist ein Stromverteilerdiagramm des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10. Wie in Fig. 2 ersichtlich, dient die Batterie 40 als Primärstromquelle für das elektrische Antriebssystem 10. Die Batterie 40 umfaßt z. B. einen abgedichteten Bleiakku, eine einpolige Lithium-Metall-Sulfid- Batterie, eine zweipolige Lithium-Metall-Sulfid-Batterie oder dergl., zum Liefern von 320 V Ausgang. Vorzugsweise arbeitet das elektrische Antriebssystem 10 über einen breiten Spannungsbereich, z. B. 120 V bis 400 V, um Veränderungen der Ausgangsspannung der Batterie 40 aufgrund der Ladung oder des Entladungszustands verkraften zu können. Das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10 ist vorzugsweise auf Nennbatteriespannungen etwa um die 320 V optimiert.
Das Stromverteilermodul 20 liegt am Ausgang der Batterie 40 und beinhaltet u. a. Sicherungen, Verdrahtungen und Anschlüsse zum Verteilen des 320 V Ausgangs von der Batterie 40 zu verschiedenen Komponenten des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10. Z. B. verteilt das Stromverteilermodul 20 die 320 V Ausgangsspannung aus der Batterie 40 an die Motorsteuerung 18, den DC/DC-Umformer 38, die Ölpumpeneinheit 34 und das Batterieladegerät 16. Das Stromverteilermodul 20 verteilt den 320 V Ausgang aus der Batterie 40 auch an verschiedene Fahrzeugzubehörgeräte, die außerhalb des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10 angeordnet sind. Diese Fahrzeugzubehörteile sind u. a. ein Klimaanlagensystem, ein Heizsystem, eine Servolenkung und weitere Zubehörteile, die eine 320 V Stromversorgung brauchen.
Der oben beschriebene DC/DC-Umformer 38 ist an den 320 V Ausgang des Stromverteilermoduls 20 gekoppelt, formt den 320 V Ausgang des Stromverteilermoduls 20 auf 12 V um, Der DC/DC- Umformer legt dann seinen 12 V Ausgang als Betriebsstrom an den Batterielader 16, die Motorsteuerung 18, die Rahmensteuerung 22, die Ölpumpeneinheit 34, und den Kühler/Ventilator 36. Der DC/DC-Umformer liefert seinen 12 V Ausgang als Betriebsstrom auch zu verschiedenen Fahrzeugzubehörteilen, die extern zum elektrischen Fahrzeugantriebssystem gespeist werden. Diese Fahrzeugzubehörteile sind z. B. Wagenbeleuchtung, ein Audiosystem und etwaige weitere Zubehörteile, die eine 12 V Stromzuführung brauchen. Es muß darauf hingewiesen, daß der DC/DC-Umformer 38 die Notwendigkeit für eine gesonderte 12 V Speicherbatterie ausschließt.
Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt wird, sind die Komponenten des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10 über mehrere Datenbusse verschaltet. Die Datenbusse können vom elektrischen, optischen oder elektro-optischen Typ sein, wie sie im Fachgebiet bekannt sind.
Jetzt wird der Betrieb des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10 anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben.
Zum Laden der Batterie erhält der Batterielader 16 Befehlssignale von der Motorsteuerung 18 und sendet Meldesignale an diese. Der Batterielader 16 liefert einen gesteuerten Batterieladestrom aus einer externen AC-Stromquelle (nicht dargestellt). Vorzugswiese wird Wechselstrom von einer externen Stromquelle bezogen mit einem Wirkfaktor nahe Eins und einem geringen harmonischen Klirrfaktor, in Übereinstimmung mit den zu erwartenden künftigen Stromqualitätsstandards. Ferner ist der Batterielader 16 vorzugsweise so konstruiert, daß er kompatibel mit Standard-Erdschlußstrom- Unterbrechern und dem üblicherweise in Wohngebieten vorhandenen Einphasenwechselstrom ist.
Die Ölpumpeneinheit 34 und der Kühler/Ventilator 36 erhalten ebenfalls Befehlssignale von der Motorsteuerung und schicken Meldesignale an diese. Wie nachstehend noch in weiteren Einzelheiten beschrieben, sind die Ölpumpeneinheit 34 und der Kühler/Ventilator 36 Teil des Ölkühlsystems in geschlossener Schleife für das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10.
Wie in Fig. 6A gezeigt, ist der Motor 28 ein Dreiphasen-AC- Induktionsmotor mit zwei identischen, elektrisch isolierten Wicklungen je Phase (Wicklung A1 und A2 für die "A"-Phase, Wicklung B1 und B2 für die "B"-Phase, und Wicklung C1 und C2 für die "C"-Phase, zum Erzeugen eines hohen Drehmoments bei Drehzahl Null, um eine Leistung zu erzeugen, die mit den herkömmlichen benzinbetriebenen Motoren vergleichbar ist. Der Rotor (nicht dargestellt) des Motors 28 ist an die Fahrzeug- Transaxle gekoppelt (nicht dargestellt). Vorzugsweise sind die zwei Wicklungen in jeder Phase des Motors 28 im wesentlichen übereinander ausgerichtet und sind elektronisch in Phase, so daß jede Wicklung etwa die Hälfte der Gesamtenergie der Phase beiträgt. Auch der Motor 28 ist vorzugsweise komplett gekapselt und benutzt Ölspritzkühlung, um die Wärme direkt vom Rotor und den Endwicklungen abzuführen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Der Drehmelder 26 ist in Fig. 6B gezeigt und wird in nächster Nähe zum Motor 28 untergebracht, um die Winkelstellung der Motorwelle zu erfassen und Signale vorzusehen, die hinweisend für die Winkelstellung der Motorwelle zur Motorsteuerung 18 sind. Die Referenzsignalleitung R&sub1;, die am Drehmelder liegt, ist für einen positiven oder negativen Referenzwert, der die Winkelstellung der Motorwelle anzeigt. Die S&sub1; Signalleitung vom Drehmelder liefert einen positiven oder negativen Sinus- Wert für die Winkelposition der Motorwelle, und die S&sub2; Signalleitung vom Drehmelder liefert einen positiven oder einen negativen Cosinus-Wert für die Winkelstellung der Motorwelle.
Der Drehmelder 26 kann ein handelsüblicher Drehmelder oder ein anderer, fachüblicher Drehmelder sein. Referenzsignale für den Drehmelder 26 werden von der Motorsteuerung 18 gegeben.
Der Chassis-Controller 22 und die Motorsteuerung 18 erhalten Signale vom Fahrzeug-Kommunikationsbus. Im allgemeinen dient der Fahrzeugkommunikationsbus als Kommunikationsweg, um verschiedene Fahrzeugsensoren und Steuergeräte über Schnittstelle mit dem Chassis-Controller 22 und der Motorsteuerung 18 zu verbinden, wie nachstehend in weiteren Einzelheiten erklärt wird.
Der Chassis-Controller 22 enthält ein digitales und analoges elektronisches System auf der Grundlage eines Mikroprozessors und sieht Steuer- und Meldesignal-Schnittstellenverbindung mit den Sensoren und Steuergeräten des Fahrzeugs und der Motorsteuerung 18 vor. Zum Beispiel ist der Chassis- Controller 22 über den Fahrzeugkommunikationsbus mit Fahrzeug-Schlüsselschalter, Beschleuninger, Bremse und Antriebswahlschaltern verbunden. Der Chassis-Controller 22 interpretiert Signale von diesen Schaltern, um die Motorsteuerung 18 mit Befehlen zum Anfahren, Antriebsmodus (z. B. vorwärts, rückwärts und neutral), Motordrehmoment, regeneratives Bremsen, Ausschalt- und eingebauten Testbefehlen (BIT - Built-in Test) zu versehen. Vorzugsweise kommuniziert der Chassis-Controller 22 mit der Motorsteuerung 18 über eine optisch-gekoppelte serielle Daten-Schnittstelle und empfängt von der Motorsteuerung 18 Meldesignale für alle gesendete Befehle, um die Kommunikationsverbindungen zwischen dem Chassis-Controller 22, dem Fahrzeug, und der Motorsteuerung 18 zu überprüfen, und um nachzuprüfen, ob das Fahrzeug ordnungsgemäß arbeitet. Hier muß darauf hingewiesen werden, daß das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10 für Anwendungen mit jeder Anzahl unterschiedlicher Fahrzeuge modifiziert werden kann, weil der Chassis-Controller 22 die Steuerung und Meldesignalschnittstelle mit den Fahrzeugsensoren und Controllern und zur Motorsteuerung 18 bildet, einfach durch Modifizieren des Chassis-Controllers 22 für ein bestimmtes Fahrzeug.
Der Chassis-Controller 22 bietet auch Batterie-Verwaltungsfähigkeiten durch Benutzen von Signalen, die über den Fahrzeug-Kommunikationsbus von einem Batteriestromsensor her eingehen, der im Stromverteilermodul 20 angeordnet ist. Der Chassis-Controller 22 interpretiert Signale vom Batteriestromsensor, gibt Ladebefehle an den Motorsteuerung 18, und sendet einen Batterieladezustandswert an eine "Kraftstoff"- Anzeige im Armaturenbrett des Fahrzeugs. Der Chassis- Controller 22 ist ferner über den Fahrzeug-Kommunikationsbus verbunden mit Fahrzeug-Controllern einschließlich Kilometerzähler, Geschwindigkeitsmesser, Beleuchtung, Diagnostik und Emissions-Controller, sowie mit einer R5-232 Schnittstelle für Systementwicklung. Wie in Fig. 4 gezeigt wird, beinhaltet die Motorsteuerung 18 eine Niederspannungsstromversorgung 42, einen Eingangsfilter und eine DC-Relaissteuereinheit 44, eine Vektor-Hauptschalttafel 46 und erste und zweite Strombrücken- und Gattertreiber 48 und 50.
Die Niederspannungsstromversorgung 42 wandelt den 12 V Ausgang vom DC/DC-Umformer 38 und liefert +5 V, +/-15 V und +20 V Ausgänge zum Eingangsfilter und zur DC-Relais-Steuereinheit 44, der Vektorhauptschalttafel 46, der ersten Strombrücke 48, und der zweiten Strombrücke 50. Die Niederspannungsstromversorgung 42 kann enthalten eine handelsübliche Stromversorgung, wie dem Fachmann bekannt.
Der Eingangsfilter und die DC-Relais-Steuereinheit 44 beinhaltet elektrische Verbindungen zum Koppeln des 320 V Ausgangs aus dem Stromverteilermodul 20 an die erste und die zweite Strombrücke 48 und 50. Der Eingangsfilter und die DC- Relais-Steuereinheit 44 beinhaltet EMI-Filterung, eine Relaisschaltung zum Abtrennen der Kopplung des 320 V Ausgangs des Stromverteilermoduls 20 an die erste Strombrücke und die zweite Strombrücke 48 und 50, und verschiedene BIT-Schaltungen einschließlich Spannungsfühlerschaltung, sowie eine Masseschlußschaltung. Vorzugsweise erhält der Eingangsfilter und die DC-Relais-Steuereinheit 44 Steuersignale von der Vektorhauptschalttafel 46 und sendet Meldesignale, z. B. BIT- Signale, an diese.
Jede, die erste und die zweite Strombrücke 48 und 50, beinhaltet Schaltungen mit Isolierschicht-Bipolartransistoren mit zugeordneten Gattertreiberschaltungen zum Anlegen von Treiberströmen an jede Wicklung des Motors 28.
Vorzugsweise liefert jede, die erste und die zweite Strombrücke 48 und 50, die Hälfte des Stroms an die Wicklungen des Motors 28, und ermöglicht somit die Verwendung leicht erhältlicher, preiswerter IGBT-Schaltkreise. Die erste und die zweite Strombrücke 48 und 50, empfangen Steuersignale von der Vektorhauptschalttafel 46 und senden Meldesignale, d. i. BIT- Signale an diese.
Die Vektorhauptschalttafel 46 beinhaltet ein digitales und analoges elektronisches System auf der Grundlage eines Mikroprozessors. Als seine Hauptfunktion empfängt die Vektorhauptschalttafel 46 Treiber-initiierte Beschleunigungs- und Bremsanforderungen vom Chassis-Controller 22. Dann holt die Vektorhauptschalttafel 46 Rotorpositionsmessungen vom Drehmelder 26 und Strommessungen von der ersten und der zweiten Strombrücke 48 und 50 ein und benutzt diese Messungen um Impulsbreiten-modulierte (PWM - Pulse Width Modulated) Spannungswellenformen zum Treiben der ersten und der zweiten Strombrücke 48 und 50 und um die gewünschte Beschleunigungs- oder Bremseffekte im Motor 28 zu produzieren. Die PWM- Spannungswellenformen werden generiert gemäß einem Steuerprogramm, das zur Ausgabe eines gewünschten Drehmoments konstruiert ist. Wie oben beschrieben, hat die Vektorhauptschalttafel 46 auch die Funktion der Steuerung der Eingangsfilter- und DC-Relais-Steuereinheit 44, der Ölpumpeneinheit 34, des Kühlers/Ventilators 36, des Batterieladers 16, des Eingangsfilters und der DC-Relais-Steuereinheit 44, der eingebauten Testschaltung, der Fahrzeugkommunikation und der Fehlererfassung.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 5 gezeigt, und wird allgemein durch die Bezugszahl 115 gekennzeichnet. Die Fehlererfassungsschaltung 115 ist eingeschlossen in einen Eingangsfilter und eine DC-Relais-Steuereinheit 44 (Fig. 4). Erfindungsgemäß beinhaltet die Fehlererfassungsschaltung 115 einen Spannungssensor 112, Stromversorgung 114, Einbautest 110, Differenzverstärker 116, Vergleicher 118 und Ausgang 120.
Die Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Spannungsfühler, der an eine DC Stromquelle gekoppelt ist. Der Spannungsfühler beinhaltet eine Analogreferenz und eine Masse.
Wie hier ausgeführt und unter Bezugnahme auf Fig. 5, empfängt der Spannungsfühler 112 eine Hochleistungs-DC-Spannung von der Stromversorgung 114. Die Stromversorgung 114 ist eine Hochleistungs-DC-Spannungsversorgung, die in der Lage ist, etwa 320 V Gleichstrom zu liefern.
Ein detailliertes Schaltdiagramm des Spannungssensors 112 wird in Fig. 6 gezeigt. Der Spannungssensor 112 beinhaltet einen ersten und einen zweiten Spannungsteiler 109 und 111. Der erste Spannungsteiler 109 beinhaltet Widerstände R5 und R8, und der zweite Spannungsteiler 111 beinhaltet Widerstände R6 und R9. Eine Masse liegt an dem Zusammenschluß 117 zwischen den Widerständen R6 und R9 des ersten Spannungsteilers 109. Eine Schaltung analog zur Referenzschaltung 115 liegt am Zusammenschluß 117 der Widerstände R5 und R8. In der bevorzugten Ausführungsform haben die Widerstände R5, R6, R8, und R9 z. B. jeweils 1 Megohm.
Der erste und der zweite Teiler werden so abgeglichen, daß bei Fehlen weiterer Impedanzen über die positive und die negative Klemme 114' der DC-Stromversorgung 114 die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Zusammenschlüssen - Zusammenschluß 117 entspricht der Masse und der Zusammenschluß 119 entspricht der Schaltungsanalogdifferenz - gleich 0 ist. Wenn aber ein Leck zwischen einer der Spannungsklemmen 114' und dem Chassis des Fahrzeugs auftritt, entwickelt sich somit eine Spannungsdifferenz zwischen der Masse 113 und der Schaltungsanalogreferenz 115.
Die Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet auch einen Differenzverstärker, der an den Spannungssensor gekoppelt ist, um Veränderungen im Analogbezugswert und der Masse zu erreichen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 6 beinhaltet der Differenzverstärker 116 einen Operationsverstärker 122; der die Spannungen an der Masse 113 am Umkehreingang über einen Widerstand R7 (z. B. 1 MOhm) aufnimmt. Der Operationsverstärker 122 erhält die Spannung des Schaltungsanalog- Bezugswert 115 am Nichtumkehreingang 125 über einen Widerstand R10 (20 kOhm, z. B.). Der Operationsverstärker 122 hat eine Rückkopplung vom Ausgang 129 zum Umkehreingang 123 über einen Widerstand R4 (20 kOhm, z. B.). Ein Kondensator C1 (0,1 uF, z. B.) ist mit dem Widerstand R4 parallel geschaltet. Der Operationsverstärker 122 wird betrieben durch positive und negative Spannungen (Marke 27) von ±115 V, zum Beispiel.
Wenn es einen Unterschied zwischen der Massespannung und der Analogschaltungs-Referenzspannung gibt, findet der Differenzverstärker 116 diesen Spannungsunterschied aus den unterschiedlichen Eingangsspannungen am Operationsverstärker 122. Der Operationsverstärker 122 gibt (bei 129) ein Spannungs signal entsprechend dem Unterschied der Eingangsspannungen aus.
Die Fehlererfassungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Spannungsvergleichereinheit zum Bestimmen, ob eine Größenordnung der im Differenzverstärker erfaßten Veränderungen über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Die Spannungsvergleichereinheit beinhaltet einen ersten und einen zweiten Vergleicher zum Vergleichen der vom Differenzverstärker erfaßten Spannungsänderungen mit einem positiven bzw. einem negativen Schwellenwert.
Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 6; die Spannungsvergleichereinheit 118 beinhaltet einen ersten Vergleicher 124 und einen zweiten Vergleicher 126. Der erste Vergleicher erhält einen Spannungsänderungssignalausgang vom Differenzverstärker 116 an einem nichtinvertierenden Eingang 131, während der zweite Vergleicher das gleiche Spannungsveränderungssignal am Umkehreingang 133 aufnimmt. Mit anderen Worten, der Nichtumkehreingang des ersten Vergleichers 124 ist zusammengeschaltet mit dem Umkehreingang des zweiten Vergleichers 126.
Die anderen Eingänge des ersten und des zweiten Vergleichers sind verbunden, um Spannungsreferenzwerte zu setzen, die die Schwellenwertspannungen liefern. Z. B. ist der Umkehreingang des ersten Vergleichers 124 angeschlossen an die Referenzspannungsversorgung VREF 128 als negativer Schwellenspannungswert, während der Nichtumkehreingang des zweiten Vergleichers 126 an die Referenzspannungsversorgung VREF 130 als positive Schwellenspannung angeschlossen ist. Die Ausgänge der beiden Vergleicher sind kurzgeschlossen und liegen an ±15 V, z. B. über einen Widerstand R3. Der erste und der zweite Vergleicher werden z. B. durch positive und negative Spannungen ±15 V betrieben.
Die Referenzspannungsversorgungen VREF 128 und VREF 130 werden in Fig. 7 in Einzelheiten dargestellt. Wie in Fig. 7 gezeigt wird, beinhalten die positive und die negative Spannungsversorgungsschaltung jeweils einen Spannungsregler VR (z. B. 5,1 V). Die Werte für Widerstände und Kondensatoren, die in Fig. 7 gezeigt werden, sind nur beispielhaft und auch andere geeignete Werte können benutzt werden.
Die Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine eingebaute Testschaltung (BIT - Built-in Test) zum Testen, ob die Fehlererfassungsschaltung korrekt arbeitet. Die BIT-Schaltung ist mit dem Differenzverstärker gekoppelt und beinhaltet einen ersten und einen zweiten Abschnitt zum Einspeisen des ersten und des zweiten Testsignals in den Differenzverstärker.
Nehmen wir jetzt Bezug auf Fig. 6; die eingebaute Testschaltung 110 liefert Testsignale an den Differenzverstärker 116, zur Bestimmung, ob die Schaltung korrekt arbeitet. Die BIT-Schaltung beinhaltet einen ersten Abschnitt 132 und einen zweiten Abschnitt 134, die die Testsignale erzeugen. Der erste Abschnitt 132, einschließlich Optokoppler 132A, liefert positive Testsignale an die Spannungsvergleichereinheit 118 zum Bestimmen, ob die Schaltung Spannungsveränderungen richtig erfaßt, die eine höhere Größenordnung aufweisen als die negative Schwellenspannung. Der zweite Abschnitt 134, einschließlich Optokoppler 134A, gibt negative Testsignale an die Spannungsvergleichereinheit 118 zum Bestimmen, ob die Schaltung Spannungsveränderungen richtig erfaßt, die eine höhere Größenordnung aufweisen als die positive Schwellenspannung.
Die Testsignale werden von einem Controller im Elektrowagen (nicht dargestellt) geliefert. Wenn ein Testsignal an die BIT-Schaltung angelegt wird, erzeugt die Spannungsvergleichereinheit 118 ein Ausgangssignal bei 120 entsprechend dem angelegten Testsignal. Das Ausgangssignal von der Spannungsvergleichereinheit 118 wird an den Controller geschickt, der das Ausgangssignal mit einem bekannten Wert entsprechend dem bestimmten Testsignal vergleicht. Die Fehlererfassungsschaltung arbeitet korrekt, wenn das Ausgangssignal mit den bekannten Werten übereinstimmt.
Der Controller testet die Fehlererfassungsschaltung durch Eingeben der Testsignale, um sicherzustellen, daß die Schaltung korrekt arbeitet. Wenn eines der Testsignale im Betrieb der Schaltung einen Fehler produziert, wird der Bediener über den fehlerhaften Zustand der Schaltung unterrichtet.
Jetzt wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 die Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung erklärt.
Der Spannungsfühler 112 erhält eine DC-Spannung von 320 V. Unter normalen Umständen stimmen die Masse 113 und die Schaltungsanalogreferenz 115 im Spannungssensor 112 überein, und der Differenzverstärker 116 findet keine Spannungsabweichung. Wenn aber ein Leckstrom (z. B. aufgrund einer Klemmenkorrosion oder fehlerhafter Schaltkreise) zwischen einer der Batterieklemmen (Stromschienen) und dem Fahrzeugrahmen fließt, entsteht eine Potentialdifferenz zwischen dem Rahmen und der anderen Batterieklemme, und somit eine gefährliche Situation.
Unverzüglich findet der Differenzverstärker 116 diesen Leckstrom aus dem Spannungsunterschied zwischen der Masse und der Schaltungsanalogreferenz.
Sobald der Leckstrom gefunden wird, entscheidet die Spannungsvergleichereinheit 118, ob der Leckstrom eine gefährliche Höhe erreicht hat durch Vergleichen der entsprechenden Spannungsveränderung aufgrund des Leckstroms mit dem positiven und dem negativen Schwellenwert. Wenn der Leckstrom unterhalb der gefährlichen Höhe liegt, d. i. unterhalb des Schwellenwerts, dann gibt die Spannungsvergleichereinheit 118 ein entsprechendes Signal aus, das den Controller darüber informiert, daß der Leckstrom keine gefährliche Höhe erreicht hat. Wenn aber der Leckstrom an oder über der gefährlichen Höhe liegt, d. i. über den Schwellenwerten, dann gibt die Spannungsvergleichereinheit 120 ein entsprechendes Signal aus, das den Controller informiert, daß der Leckstrom auf einer gefährlichen Höhe ist. Der Controller warnt dann den Bediener vor dem gefährlichen Zustand.
Wenn die Fehlererfassungsschaltung einer Einbau-Testoperation unterzogen wird, arbeitet die Schaltung auf eine Weise ähnlich der Überwachung des Spannungsunterschieds zwischen der Masse und der Schaltungsanalogreferenz, mit dem Unterschied, daß der Spannungseingang der Masse an die Stelle des Testspannungssignals tritt.
Dementsprechend wird zum Prüfen, ob die Fehlererfassungsschaltung Leckströme von der positiven Batterieklemme korrekt erfaßt, ein Testsignal mit bekannter Reaktion durch den positiven Abschnitt 132 der BIT-Schaltung 110 an den Differenzverstärker 116 gelegt. Zum Prüfen, ob die Fehlererfassungsschaltung Leckströme von der negativen Batterieklemme korrekt erfaßt, wird ein Testsignal mit bekannter Rückantwort durch den negativen Abschnitt 132 der BIT-Schaltung 110 an den Differenzverstärker 116 gelegt.
Dementsprechend erfaßt die Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung Leckströme von jedem der zwei getrennten Referenzpotentiale zur Fahrzeugmasse. Wenn der Leckstrom auf gefährliche Höhe ansteigt, wird der Bediener über den gefährlichen Zustand unterrichtet. Die vorliegende Erfindung stellt auch durch die eingebaute Testschaltung den ordentlichen Betrieb der Fehlererfassungsschaltung sicher.
Dem Fachmann wird ohne weiteres klar, daß bei der Fehlererfassungsschaltung der vorliegenden Erfindung verschiedene Veränderungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von Umfang und Wesensart der Erfindung gemäß Definition in den nachstehenden Ansprüchen abzuweichen. Damit ist beabsichtigt, daß die vorliegende Erfindung auch diese Änderungen und Variationen der Erfindung abdeckt, unter der Voraussetzung, daß sie unter den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Eine Elektrofahrzeug-Fehlererfassungsschaltung zur Erfassung von Leckströmen zwischen einer Gleichstrom- Energiequelle (114) und einem Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs, umfassend:

einen Spannungssensor (112), welcher mit der Gleichstrom- Energiequelle (114) gekoppelt ist, wobei der Spannungssensor eine Analogreferenz (115) und eine Fahrzeugrahmenerde (113) enthält;

gekennzeichnet durch

einen Differenzverstärker (116), welcher mit dem Spannungssensor gekoppelt ist, um Veränderungen in der Analogreferenz und der Fahrzeugrahmenerde zu erfassen;

eine Spannungsvergleichereinheit (118) zur Bestimmung ob eine Stärke der in dem Differenzverstärker erfaßten Veränderungen über einem vorbestimmten Schwellwert liegt; und

eine eingebaute Testschaltung (110) zum Testen ob die Fehlererfassungsschaltung korrekt arbeitet.

2. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 1, bei welcher die eingebaute Testschaltung (110) mit dem Differenzverstärker (116) gekoppelt ist.

3. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 2, bei welcher die eingebaute Testschaltung (110) umfaßt:

einen ersten Eingangsabschnitt (132) zur Eingabe eines ersten Testsignals an den Differenzverstärker (116); und

einen zweiten Eingangsabschnitt (134) zur Eingabe eines zweiten Testsignals an den Differenzverstärker (116).

4. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 3, bei welcher die ersten und zweiten Eingangsabschnitte (132, 134) optische Koppler (132A, 134A) enthalten.

5. Fehlererfassungsschaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher der Spannungssensor (112) umfaßt:

einen ersten Spannungsteiler (109), welcher erste und zweite Widerstande (R5, R8) hat, wobei die Analogreferenz an einem Verbindungspunkt (119) des ersten und zweiten Widerstands angeschlossen ist; und

einen zweiten Spannungsteiler (111), welcher dritte und vierte Widerstande (R6, R9) hat, wobei die Fahrzeugrahmenerde an einem Verbindungspunkt (117) des dritten und vierten Widerstands angeschlossen ist.

6. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 5, bei welcher jeder der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände (R5, R8, R6, R9) der ersten und zweiten Teiler (109, 111) einen Widerstandswert von ungefähr einem MOhm hat.

7. Fehlererfassungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Differenzverstärker (116) umfaßt:

einen Operationsverstärker (122), welcher invertierende und nicht-invertierende Eingange hat;

einen ersten Widerstand (R7), der mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist;

einen zweiten Widerstand (R10), welcher mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist;

einen dritten Widerstand (R4), welcher zwischen dem nichtinvertierenden Eingang und einem Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist; und

einen Kondensator (C1), welcher parallel zum dritten Widerstand (R4) angeschlossen ist.

8. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 7, wobei der erste Widerstand (R7) ungefähr 1 MOhm beträgt, der zweite Widerstand (R10) ungefähr 20 kOhm beträgt, und der dritte Widerstand (R4) ungefähr 20 kOhm beträgt.

9. Fehlererfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Kondensator (C1) einen Wert von ungefähr 0,1 uF hat.

10. Fehlererfassungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsvergleichereinheit (118) umfaßt:

einen ersten Komparator (124), welcher erste und zweite Eingänge (131, 128) hat, zum Vergleichen der in dem Differenzverstärker (122) erfaßten Veränderungen mit einem positive Schwellwert; und

einen zweiten Komparator (126), welcher erste und zweite Eingänge (133, 130) hat, zum Vergleichen der in dem Differenzverstärker (122) erfaßten Veränderungen mit einem negative Schwellwert.

11. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 10, wobei der erste Komparator (124) eine erste Referenzspannung (128) hat, welche dem positiven Schwellwert entspricht, die an dem ersten Eingang des ersten Komparators angeschlossen ist, der zweite Komparator (126) eine zweite Referenzspannung (130) hat, welche dem negatives Schwellwert entspricht, die an den ersten Eingang des zweiten Komparators angeschlossen ist, und der zweite Eingang (131) des ersten Komparators mit dem zweiten Eingang (133) des zweiten Komparators verbunden ist.

12. Fehlererfassungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichstrom-Energiequelle eine Hochspannungsbatterie (40) ist.

13. Fehlererfassungsschaltung nach Anspruch 12, wobei die Hochspannungsbatterie ungefähr 320 Volt liefert.