DE102009012078A1

DE102009012078A1 - Vorrichtung zur Verteilung von elektrischer Energie und Verfahren zur Energieverteilungsüberwachung

Info

Publication number: DE102009012078A1
Application number: DE200910012078
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Mittnacht
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit zumindest einer Energieversorgungseinheit (EV) und einer Verteileinheit (VE) zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher (AV, PV) in einem Fahrzeug, wobei die elektrischen Verbraucher (AV, PV) über Leitungen (L) mit der Verteileinheit (VE) verbindbar sind, wobei an die Leitungen (L) angeschlossene Anschlussteilhälften (AHL) Leitung Öffnen eines Leitungsabschnitts eines Diagnosestromkreises (DSK) dienen, wobei zwischen der Energieversorgungseinheit (EV) und der Verteileinheit (VE) ein Schaltmittel (SM) angeordnet ist, welches über eine Steuereinheit (SE) ansteuerbar ist, und wobei dem Diagnosestromkreis (DSK) ein Signalgenerator (SG) zur Erzeugung und Einspeisung eines Diagnosesignals (DS) und zumindest eine Auswerteeinheit (AE) zugeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung der Vorrichtung. Erfindungsgemäß ist der Signalgenerator (SG) als ein Generator zur Erzeugung und Einspeisung eines bidirektionalen pulsweitenmodulierten unipolaren Spannungspuls-Signals in den Diagnosestromkreis (DSK) ausgebildet und ein bidirektionales pulsweitenmoduliertes unipolares Spannungspuls-Signal wird als stromschleifengeführtes Diagnosesignal (DS) in den Diagnosestromkreis (DSK) eingespeist und von zumindest einer Auswerteeinheit (AE) ausgewertet, wobei ein Fehlerzustand diagnostiziert wird, wenn eine Stromstärke des Diagnosesignals ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit zumindest einer Energieversorgungseinheit und einer Verteileinheit zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Überwachung der Vorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 102 10 665 C1 beschrieben, eine Vorrichtung zur Verteilung von elektrischer Energie und ein Verfahren zur Energieverteilungsüberwachung bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Energieerzeugungseinheit und eine Verteileinheit zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher. Die elektrischen Verbraucher sind über Leitungen, an deren Enden Anschlussteilhälften angeordnet sind, mit Anschlussteilhälften der Verteileinheit verbindbar. An den verbraucherseitigen Enden der Leitungen angeordnete Anschlussteilhälften sind mit Anschlussteilhälften der Verbraucher verbindbar. Die an die Leitungen angeschlossenen Anschlussteilhälften weisen Leitungsbrücken auf, welche dem Schließen oder Öffnen eines Leitungsabschnitts eines Diagnosestromkreises dienen. Zwischen der Energieerzeugungseinheit und der Verteileinheit ist ein Schaltmittel angeordnet, welches über eine Steuereinheit ansteuerbar ist. Dem Diagnosestromkreis sind ein Signalgenerator und eine Auswerteeinheit zugeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung mit zumindest einer Energieversorgungseinheit und einer Verteileinheit zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher und ein verbessertes Verfahren zur Überwachung der Vorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit zumindest einer Energieversorgungseinheit und einer Verteileinheit zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zur Überwachung der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Vorrichtung umfasst zumindest eine Energieversorgungseinheit und eine Verteileinheit zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher in einem Fahrzeug, wobei die elektrischen Verbraucher über Leitungen, an deren Enden Anschlussteilhälften angeordnet sind, mit Anschlussteilhälften der Verteileinheit verbindbar sind, wobei an den verbraucherseitigen Enden der Leitungen angeordnete Anschlussteilhälften mit Anschlussteilhälften der elektrischen Verbraucher verbindbar sind, wobei die an die Leitungen angeschlossenen Anschlussteilhälften Leitungsbrücken aufweisen, welche dem Schließen oder Öffnen eines Leitungsabschnitts eines Diagnosestromkreises dienen, wobei zwischen der Energieversorgungseinheit und der Verteileinheit ein Schaltmittel angeordnet ist, welches über eine Steuereinheit ansteuerbar ist, und wobei dem Diagnosestromkreis ein Signalgenerator zur Erzeugung und Einspeisung eines Diagnosesignals und zumindest eine Auswerteeinheit zugeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist der Signalgenerator als ein Generator zur Erzeugung und Einspeisung eines bidirektionalen pulsweitenmodulierten unipolaren Spannungspuls-Signals in den Diagnosestromkreis ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist ein pulsweitenmoduliertes unipolares Spannungspuls-Signal in den Diagnosestromkreis einspeisbar, welcher als geschlossene Stromschleife ausgebildet ist. Dadurch sind eine Unterbrechung des Diagnosestromkreises, ein Kurzschluss durch eine Verbindung zu einem Massepotential, eine Verbindung zu einem Niedervolt-Bordspannungsnetz und insbesondere auch Querverbindungen innerhalb des Diagnosestromkreises ermittelbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das vom Signalgenerator erzeugte Diagnosesignal eine Frequenz aus einem Frequenzbereich von 79 Hz bis 97 Hz, insbesondere 88 Hz, auf. Dadurch ist eine Funktionsfähigkeit des Diagnosestromkreises sichergestellt, da das Diagnosesignal in diesem Frequenzbereich unanfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen ist und gleichzeitig eine ausreichend schnelle Auswertung des Diagnosesignals und somit eine ausreichend schnelle Fehlererkennung und entsprechende Reaktion sichergestellt ist.
Die Energieversorgungseinheit ist zweckmäßigerweise eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, eine Brennstoffzelleneinheit und/oder ein elektrischer Generator. Insbesondere in einem Hybridfahrzeug, in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder in einem Elektrofahrzeug sind mehrere dieser Energieversorgungseinheiten angeordnet, welche eine für Personen gefährliche Gleichspannung über 60 V liefern. Daher sind diese Energieversorgungseinheiten sinnvollerweise in den Diagnosestromkreis eingebunden, so dass der Diagnosestromkreis eine zentrale Sicherheitseinrichtung darstellt, welche eine Berührungssicherheit sicherstellt.
Zweckmäßigerweise sind der Signalgenerator und/oder zumindest eine Auswerteeinheit in einem Batteriemanagementsystem der Hochvolt-Batterie integriert. Dadurch ist die Hochvolt-Batterie als Energiequelle zur Speisung des Diagnosestromkreises nutzbar und das Diagnosesignal in der Auswerteeinheit auswertbar.
Die elektrischen Verbraucher sind zweckmäßigerweise aktive elektrische Verbraucher und/oder passive elektrische Verbraucher, wobei zweckmäßigerweise in zumindest einem aktiven elektrischen Verbraucher, vorzugsweise in allen in den Diagnosestromkreis eingebundenen aktiven elektrischen Verbrauchern, eine Auswerteeinheit angeordnet ist. In einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug ist ein solcher elektrischer Verbraucher beispielsweise eine elektrische Maschine mit einer Ansteuerelektronik. Dadurch ist das Diagnosesignal an mehreren Stellen des Diagnosestromkreises auswertbar und bei einem erkannten Fehlerzustand der Fehler beispielsweise einem der aktiven elektrischen Verbraucher zuordbar, so dass eine schnelle Fehlerortung und Fehlerbehebung sichergestellt ist.
Der Signalgenerator ist zweckmäßigerweise kurzschlussfest ausgelegt, so dass eine Beschädigung des Signalgenerators bei einem auftretenden Fehlerzustand im Diagnosestromkreis, beispielsweise bei einem Kurzschluss, vermeidbar ist. Dadurch ist nach einer Behebung eines mittels des Diagnosestromkreises diagnostizierten Fehlerzustands eine ordnungsgemäße Funktion des Diagnosestromkreises sichergestellt.
Da der Signalgenerator geschützt ist und daher durch einen Kurzschluss im Diagnosestromkreis nicht beschädigbar ist, sind ein mit einem Austausch des Signalgenerators verbundene hohe Kosten und ein hoher Aufwand vermeidbar.
In einem Verfahren zur Überwachung der Vorrichtung wird erfindungsgemäß ein bidirektionales pulsweitenmoduliertes unipolares Spannungspuls-Signal als stromschleifengeführtes Diagnosesignal bidirektional in den Diagnosestromkreis eingespeist und von zumindest einer Auswerteeinheit ausgewertet, wobei ein Fehlerzustand diagnostiziert wird, wenn eine Stromstärke des Diagnosesignals einen vorgegebenen Wert unterschreitet und/oder wenn eine Abweichung einer von der Auswerteeinheit ermittelten Periodendauer des Diagnosesignals eine vorgegebene Toleranzschwelle überschreitet.
Dadurch sind eine Unterbrechung des Diagnosestromkreises, ein Kurzschluss durch eine Verbindung zu einem Massepotential, eine Verbindung zu einem Niedervolt-Bordspannungsnetz und insbesondere auch Querverbindungen innerhalb des Diagnosestromkreises als Fehlerzustand ermittelbar und können, wenn mehrere Auswerteeinheiten im Diagnosestromkreis angeordnet sind, durch Feststellung der Auswerteeinheit, in welcher der Fehlerzustand ermittelt wurde, auch örtlich zugeordnet werden.
Vorzugsweise wird beim Auftreten eines Fehlerzustandes das Schaltmittel angesteuert und die Verteileinheit von der Energieversorgungseinheit getrennt und/oder die Energieversorgungseinheit wird abgeschaltet. Sind mehrere Energieversorgungseinheiten mit der Verteileinheit verbunden und durch entsprechende ansteuerbare Schaltmittel von dieser trennbar, so werden diese zweckmäßigerweise alle durch Ansteuerung der Schaltmittel von der Verteileinheit getrennt und/oder abgeschaltet und dadurch die Sicherheit insbesondere von Personen sichergestellt. In einem Hybridfahrzeug, einem Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug sind derartige Energieversorgungseinheiten beispielsweise Hochvolt-Batterien, Brennstoffzellen oder elektrische Generatoren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Diagnosesignal mit einer Frequenz aus einem Frequenzbereich von 79 Hz bis 97 Hz, insbesondere 88 Hz, und einer Flankensteilheit von kleiner 0,1 V/μs in den Diagnosestromkreis eingespeist. Dadurch ist das Diagnosesignal unanfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen. Gleichzeitig kann das Diagnosesignal aber noch ausreichend schnell ausgewertet werden, so dass eine schnelle Fehlererkennung und daraus resultierend eine schnelle Trennung und/oder Abschaltung der Energieversorgungseinheiten sichergestellt ist. Auf diese Weise wird eine Gefährdung von Personen durch eine Nichterkennung von Fehlerzuständen oder durch eine zu späte Erkennung, d. h. durch eine zu späte Trennung und/oder Abschaltung der Energieversorgungseinheiten ausgeschlossen.
Zweckmäßigerweise entsprechen ein Minimalwert und ein Maximalwert des bidirektionalen pulsweitenmodulierten unipolaren Spannungspuls-Signals Potentialen einer Niedervolt-Bordnetzspannung des Fahrzeugs, da der Diagnosestromkreis aufgrund der geringen Spannung, eine Bordnetzspannung eines Fahrzeugs beträgt beispielsweise in etwa 12 Volt, kein zusätzliches Gefährdungspotential für Personen darstellt. Des Weiteren werden durch die geringe Spannung von dem Diagnosestromkreis ausgehende elektromagnetische Störungen vermieden.
Da die Hochvolt-Batterie über ein leistungsfähiges Energiemanagement verfügt, in welches zweckmäßigerweise sowohl der Signalgenerator als auch die Auswerteeinheit des Diagnosestromkreises integriert sind, erfolgt vorzugsweise eine Energieversorgung des Diagnosestromkreises über die Hochvolt-Batterie.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Diagnosestromkreises, und
2 eine schematische Darstellung einer Auswerteeinheit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagnosestromkreises DSK in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug, einem Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug. Der Diagnosestromkreis DSK ist als geschlossene Stromschleife, als so genannte Interlock-Schleife, über mehrere dargestellte aktive elektrische Verbraucher AV und passive elektrische Verbraucher PV und deren Anschlüsse zu einer Verteileinheit VE geführt. Die elektrischen Verbraucher AV, PV sind rein schematisch dargestellt und dienen nur der Verdeutlichung, dass die Anzahl der elektrischen Verbraucher AV, PV, welche durch die Verteileinheit VE mit elektrischer Energie versorgt werden können und vom Diagnosestromkreis DSK überwacht werden können, die Anzahl der dargestellten elektrischen Verbraucher AV, PV übersteigen kann.
Die Verteileinheit VE ist mit einer Energieversorgungseinheit EV, beispielsweise mit einer Hochvolt-Batterie, verbunden, so dass elektrische Energie der Energieversorgungseinheit EV auf die elektrischen Verbraucher AV, PV verteilbar ist. Zwischen der Energieversorgungseinheit EV und der Verteileinheit VE ist ein Schaltmittel SM angeordnet, mittels welchem die Energieversorgungseinheit EV von der Verteileinheit VE und somit von den elektrischen Verbrauchern AV, PV trennbar ist. Dieses Schaltmittel SM ist über eine Steuereinheit SE ansteuerbar. Die Steuereinheit SE ist über eine Datenleitung DL mit einer Auswerteeinheit AE des Diagnosestromkreises DSK verbunden. Bei einer von der Auswerteeinheit AE erkannten Fehlfunktion im Diagnosestromkreis DSK ist auf diese Weise mittels der Steuereinheit SE das Schaltmittel SM ansteuerbar und die Energieversorgungseinheit EV von der Verteileinheit VE trennbar.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Auswerteeinheit AE mit der Steuereinheit SE verbunden. Die anderen Auswerteeinheiten AE können ebenfalls mit dieser Steuereinheit SE oder in anderen Ausführungsformen mit weiteren, hier nicht dargestellten Steuereinheiten SE verbunden sein. Insbesondere die aktiven elektrischen Verbraucher AV können zumindest zeitweise als weitere Energieversorgungseinheiten EV, beispielsweise als elektrischer Generator, fungieren, so dass beispielsweise auch zwischen den aktiven elektrischen Verbrauchern AV und der Verteileinheit VE ansteuerbare Schaltmittel SM zu deren Trennung von der Verteileinheit VE bei einer erkannten Fehlfunktion im Diagnosestromkreis DSK angeordnet sein können.
Eine Unterbrechung des Diagnosestromkreises DSK, beispielsweise ein Abtrennen einer Anschlussteilhälfte AHL einer Leitung L von einer Anschlussteilhälfte AHV an einem elektrischen Verbraucher AV, PV, ist ermittelbar. Auch ein Kurzschluss in einer Anschlussteilhälfte AHL einer Leitung L ist erkennbar, da in den Anschlussteilhälften AHL Leitungsbrücken LB als ein Bestandteil des Diagnosestromkreises DSK angeordnet sind.
Des Weiteren sind auch ein Kurzschluss durch eine Verbindung zu einem Massepotential, ein Kurzschluss durch eine Verbindung zu einem Niedervolt-Bordspannungsnetz und insbesondere auch eine Querverbindung innerhalb des Diagnosestromkreises DSK ermittelbar, da die Stromschleife dann veränderte elektrische Potentiale aufweist, welche von den Auswerteeinheiten AE auswertbar sind.
Dadurch sind Energieversorgungseinheiten EV, wie beispielsweise die Hochvolt-Batterie, durch Ansteuerung des Schaltmittels SM von der Verteileinheit VE abtrennbar und oder abschaltbar und somit die Sicherheit insbesondere von Personen sicherstellbar, insbesondere wenn es sich, wie im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, um elektrische Verbraucher AV, PV handelt, welche an eine Hochvolt-Energieversorgung, d. h. an die Hochvolt-Batterie, angeschlossen sind. Derart hohe Spannungen, ab in etwa 60 V, stellen für Personen eine erhebliche Gefährdung dar, weshalb spezielle Sicherheitsvorkehrungen unerlässlich sind. Daher ist ein solcher Diagnosestromkreis DSK eine zentrale Sicherheitseinrichtung in einem solchen Fahrzeug.
In einem Batteriemanagementsystem BMS der Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs sind ein Signalgenerator SG und eine Auswerteeinheit AE des Diagnosestromkreises DSK integriert, so dass die Hochvolt-Batterie auch zur Energieversorgung des Diagnosestromkreises DSK nutzbar ist und einen Wechselstrom mit einer Stromstärke von beispielsweise 20 mA im Diagnosestromkreis DSK erzeugt. Die Hochvoltbatterie dient beispielsweise zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs. Der Signalgenerator SG ist kurzschlussfest ausgelegt, beispielsweise durch einen hochohmigen Vorschaltwiderstand, so dass eine Beschädigung des Signalgenerators SG bei einem auftretenden Fehlerzustand im Diagnosestromkreis DSK, beispielsweise bei einem Kurzschluss, vermeidbar ist.
Dadurch ist nach einer Behebung eines mittels des Diagnosestromkreises DSK diagnostizierten Fehlerzustands eine ordnungsgemäße Funktion des Diagnosestromkreises DSK sichergestellt. Da der Signalgenerator SG geschützt ist und daher durch einen Kurzschluss im Diagnosestromkreis DSK nicht beschädigbar ist, sind mit einem Austausch des Signalgenerators SG verbundene hohe Kosten und ein hoher Aufwand vermeidbar.
Weitere Auswerteeinheiten AE sind in den aktiven elektrischen Verbrauchern AV angeordnet, welche ein Diagnosesignal DS an einem im Diagnosestromkreis DSK seriell angeordneten Nebenwiderstand R auswerten. Dadurch können auftretende Fehlerzustände im Diagnosestromkreis DSK örtlich zugeordnet werden, so dass eine schnelle Reparatur ermöglicht ist. Aktive elektrische Verbraucher AV sind beispielsweise eine elektrische Antriebseinheit mit Umrichtereinheit oder ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler.
Zur Unterscheidung, ob es sich um einen Kurzschluss durch eine Verbindung zu einem Massepotential oder durch eine Verbindung zu einem Niedervolt-Bordspannungsnetz handelt, wird das Diagnosesignal DS bidirektional in den Diagnosestromkreis DSK eingespeist.
Der Signalgenerator SG ist als ein Generator zur Erzeugung und Einspeisung eines bidirektionalen pulsweitenmodulierten unipolaren Spannungspuls-Signals als stromschleifengeführtes Diagnosesignal DS in den Diagnosestromkreis DSK ausgebildet. Ein Minimalwert U_min und ein Maximalwert U_max des Diagnosesignals DS entsprechen Potentialen einer Niedervolt-Bordnetzspannung U_bat des Fahrzeugs, beispielsweise 0 V und 12 V. Der Signalgenerator SG steuert dazu zwei in diesem integrierte und mit jeweils einem Ende des Diagnosestromkreises DSK verbundene komplementäre geschaltete Stromquellen OS, US, eine obere Stromquelle OS und eine untere Stromquelle US, abwechselnd an, so dass sich eine Kreisstromrichtung des Diagnosestromkreises DSK regelmäßig ändert und sich so das bidirektionale Diagnosesignal DS ausbildet, welches in eine Kreisstromrichtung eine um eine halbe Periodendauer verschobene Periode im Vergleich zur anderen Kreisstromrichtung aufweist. So bildet sich eine obere Periode und eine untere Periode des Diagnosesignals DS aus.
Um elektromagnetische Störungen auf das Diagnosesignal DS zu vermeiden, wird das Diagnosesignal DS vom Signalgenerator SG mit einer Frequenz aus einem Frequenzbereich von 79 Hz bis 97 Hz und einer Flankensteilheit von kleiner 0,1 V/μs generiert und in den Diagnosestromkreis DSK eingespeist. Bevorzugt wird eine Frequenz von 88 Hz. D. h. der Diagnosestromkreis DSK wird mit einer rechteckförmigen Wechselspannung von in etwa 88 Hz symmetrisch bestromt. Dadurch ist das Diagnosesignal DS unanfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen, eine Auswertung des Diagnosesignals DS kann aber noch ausreichend schnell erfolgen, so dass eine schnelle Fehlererkennung und daraus resultierend eine schnelle Trennung und/oder Abschaltung der Energieversorgungseinheiten EV sichergestellt ist. Auf diese Weise wird eine Gefährdung von Personen durch eine Nichterkennung von Fehlerzuständen oder durch eine zu späte Erkennung, d. h. durch eine zu späte Trennung und/oder Abschaltung der Energieversorgungseinheiten EV, ausgeschlossen.
Eine Auswertung des Diagnosesignals DS in der im Batteriemanagement BMS angeordneten Auswerteeinheit AE sowie in den in weiteren aktiven elektrischen Verbrauchern AV angeordneten Auswerteeinheiten AE beruht auf einer Überwachung des Kreiswechselstroms des Diagnosestromkreises DSK. Ein auftretender Fehlerzustand wird durch einen Abfall einer Stromstärke und/oder eine Abweichung einer Periodendauer des Diagnosesignals DS erkannt. Da der Signalgenerator SG das Diagnosesignal DS mit der Frequenz 88 Hz und einem Tastenverhältnis, d. h. mit einer Ein-/Ausschaltdauer von 50% erzeugt, beträgt eine Periodendauer des Diagnosesignals DS 11,36 ms und eine Pulsbreite des Diagnosesignals DS 5,68 ms. Eine Fehlererkennung erfolgt aufgrund der Frequenz des Diagnosesignals DS von 88 Hz spätestens nach 15 ms, so dass unmittelbar nachdem ein Fehlerzustand eingetreten ist, eine Reaktion erfolgen kann. An der im Batteriemanagement BMS angeordneten Auswerteeinheit AE ist dazu schematisch die Datenleitung DL zur Steuereinheit SE dargestellt, welche das Schaltmittel SM ansteuert, um die Energieversorgungseinheit EV bei einem erkannten Fehlerzustand von der Verteileinheit VE zu trennen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer in den Diagnosestromkreis DSK eingebundenen Auswerteeinheit AE. Dies kann sowohl die im Batteriemanagement BMS integrierte Auswerteeinheit AE als auch eine in einem aktiven elektrischen Verbraucher AV angeordnete Auswerteeinheit AE sein. In der Auswerteeinheit AE wird ein stromproportionaler Spannungsabfall an dem im Diagnosestromkreis DSK seriell angeordneten Nebenwiderstand R verstärkt und einer Signalaufbereitung zugeführt. Die Signalaufbereitung erfolgt mit einem oberen Komparator OK und einem unteren Komparator UK, die Spannungspulse der oberen Periode bzw. der unteren Periode des bidirektionalen Diagnosesignals DS auf Eingänge von zwei Zählern OZ, UZ eines Mikrocontrollers MC geben, dessen Abtastfrequenz 10 kHz beträgt.
Die Spannungspulse müssen dabei in einem Spannungsbereich zwischen 1/3 und 2/3 der Niedervolt-Bordnetzspannung U_bat liegen. Dies wird erreicht, indem auf den oberen Komparator OK eine Spannung aufgeschaltet wird, welche 2/3 der Niedervolt-Bordnetzspannung U_bat beträgt und auf den unteren Komparator UK eine Spannung aufgeschaltet wird, welche 1/3 der Niedervolt-Bordnetzspannung U_bat beträgt. Auf diese Weise entspricht ein Minimalwert U_min und ein Maximalwert U_max des Diagnosesignals DS am Ausgang der Komparatoren OK, UK nicht mehr Potentialen der Niedervolt-Bordnetzspannung U_Bat _, sondern das Diagnosesignal DS ist zwischen 1/3 und 2/3 der Niedervolt-Bordnetzspannung U_Bat gepulst. Tritt ein Fehlerzustand im Diagnosestromkreis DSK auf, werden diese Grenzen des Spannungsbereiches zumindest in einem Komparator OK, UK verletzt. In diesem Fall gibt der entsprechende Komparator OK, UK keinen Spannungspuls, sondern konstant ein niedriges Potential an den Mikrocontroller MC weiter.
Die Signalauswertung erfolgt mittels eines fenstergesteuerten Auswertealgorithmus, da dieser störunanfälliger ist als ein flankengesteuerter Auswertealgorithmus. Ein Zählvorgang erfolgt innerhalb einer festen Fensterbreite von 11,36 ms. Eine Auswertung erfolgt am Ende eines Zählfensters. Aufgrund der Abtastfrequenz des Mikrocontrollers MC erreichen beide Zähler OZ, UZ des Mikrocontrollers MC innerhalb einer Periode des Diagnosesignals DS einen Zählerstand von größer 50, wenn kein Fehlerzustand im Diagnosestromkreis DSK eintritt. Bei einer Unterbrechung des Diagnosestromkreises DSK oder wenn der Signalgenerator SG kein Diagnosesignal DS in den Diagnosestromkreis DSK einspeist, bleiben die Zählerstände beider Zähler OZ, UZ auf Null.
Bei einem Kurzschluss durch eine Verbindung zum Niedervolt-Bordspannungsnetz weist, abhängig vom Ort des Kurzschlusses, einer der beiden Zähler OZ, UZ einen Zählerstand von 0 und der andere Zähler OZ, UZ einen Zählerstand von größer 50 auf. Auf diese Weise ist der Kurzschluss auch örtlich zuordbar. Bei einem Kurzschluss durch eine Verbindung zu einem Massepotential weist ebenfalls einer der beiden Zähler OZ, UZ einen Zählerstand von 0 und der andere Zähler OZ, UZ einen Zählerstand von größer 50 auf, jedoch der jeweils andere Zähler OZ, UZ im Vergleich zum oben geschilderten Fall des Kurzschluss durch eine Verbindung zum Niedervolt-Bordspannungsnetz.
Treten derart ermittelte Fehlerzustände im Diagnosestromkreis DSK auf, wird das Schaltmittel SM zur Abtrennung der Energieversorgungseinheiten EV von der Verteileinheit VE angesteuert und dadurch die Energieversorgungseinheiten EV von der Verteileinheit VE getrennt und oder abgeschaltet und somit die Sicherheit insbesondere von Personen sichergestellt, insbesondere wenn es sich, wie im hier dargestellten Ausführungsbeispiel, um elektrische Verbraucher AV, PV handelt, welche an eine Hochvolt-Energieversorgung, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie, angeschlossen sind. Derart hohe Spannungen, ab in etwa 60 V, stellen für Personen eine erhebliche Gefährdung dar, weshalb spezielle Sicherheitsvorkehrungen unerlässlich sind. Daher ist ein solcher Diagnosestromkreis DSK eine zentrale Sicherheitseinrichtung in einem solchen Fahrzeug.

AE: Auswerteeinheit
AHL, AHV: Anschlussteilhälften
AV, PV: Verbraucher
BMS: Batteriemanagementsystem
DL: Datenleitung
DS: Diagnosesignal
DSK: Diagnosestromkreis
EV: Energieversorgungseinheit
L: Leitungen
LB: Leitungsbrücken
MC: Mikrocontroller
OK, UK: Komparator
OS, US: Stromquellen
OZ, UZ: Zähler
SE: Steuereinheit
SG: Signalgenerator
SM: Schaltmittel
R: Nebenwiderstand
U_Bat: Niedervolt-Bordnetzspannung
U_min: Minimalwert
U_mar: Maximalwert
VE: Verteileinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10210665 C1 [0002]

Claims

Vorrichtung mit zumindest einer Energieversorgungseinheit (EV) und einer Verteileinheit (VE) zur Verteilung von elektrischer Energie an elektrische Verbraucher (AV, PV) in einem Fahrzeug, wobei die elektrischen Verbraucher (AV, PV) über Leitungen (L), an deren Enden Anschlussteilhälften angeordnet sind, mit Anschlussteilhälften der Verteileinheit (VE) verbindbar sind, wobei an den verbraucherseitigen Enden der Leitungen (L) angeordnete Anschlussteilhälften (AHL) mit Anschlussteilhälften (AHV) der elektrischen Verbraucher (AV, PV) verbindbar sind, wobei die an die Leitungen (L) angeschlossenen Anschlussteilhälften (AHL) Leitungsbrücken (LB) aufweisen, welche dem Schließen oder Öffnen eines Leitungsabschnitts eines Diagnosestromkreises (DSK) dienen, wobei zwischen der Energieversorgungseinheit (EV) und der Verteileinheit (VE) ein Schaltmittel (SM) angeordnet ist, welches über eine Steuereinheit (SE) ansteuerbar ist, und wobei dem Diagnosestromkreis (DSK) ein Signalgenerator (SG) zur Erzeugung und Einspeisung eines Diagnosesignals (DS) und zumindest eine Auswerteeinheit (AE) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (SG) als ein Generator zur Erzeugung und Einspeisung eines bidirektionalen pulsweitenmodulierten unipolaren Spannungspuls-Signals in den Diagnosestromkreis (DSK) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Signalgenerator (SG) erzeugte Diagnosesignal (DS) eine Frequenz aus einem Frequenzbereich von 79 Hz bis 97 Hz, insbesondere 88 Hz, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (EV) eine Batterie, insbesondere eine Hochvolt-Batterie, eine Brennstoffzelleneinheit und/oder ein elektrischer Generator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (SG) und/oder zumindest eine Auswerteeinheit (AE) in einem Batteriemanagementsystem (BMS) der Hochvolt-Batterie integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbraucher (AV, PV) aktive elektrische Verbraucher (AV) und/oder passive elektrische Verbraucher (PV) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem aktiven elektrischen Verbraucher (AV) eine Auswerteeinheit (AE) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (SG) kurzschlussfest ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Verbraucher (AV, PV) eine elektrische Maschine mit einer Ansteuerelektronik ist.
Verfahren zur Überwachung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein bidirektionales pulsweitenmoduliertes unipolares Spannungspuls-Signal als stromschleifengeführtes Diagnosesignal (DS) in den Diagnosestromkreis (DSK) eingespeist wird und von zumindest einer Auswerteeinheit (AE) ausgewertet wird, und dass ein Fehlerzustand diagnostiziert wird, wenn eine Stromstärke des Diagnosesignals (DS) einen vorgegebenen Wert unterschreitet und/oder wenn eine Abweichung einer von der Auswerteeinheit (AE) ermittelten Periodendauer des Diagnosesignals (DS) eine vorgegebene Toleranzschwelle überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten eines Fehlerzustandes das Schaltmittel (SM) angesteuert wird und die Verteileinheit (VE) von der Energieversorgungseinheit (EV) getrennt wird und/oder die Energieversorgungseinheit (EV) abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosesignal (DS) mit einer Frequenz aus einem Frequenzbereich von 79 Hz bis 97 Hz, insbesondere 88 Hz, und einer Flankensteilheit von kleiner 0,1 V/μs in den Diagnosestromkreis (DSK) eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Minimalwert (U_min) und ein Maximalwert (U_max) des bidirektionalen pulsweitenmodulierten unipolaren Spannungspuls-Signals Potentialen einer Niedervolt-Bordnetzspannung (U_Bat) des Fahrzeugs entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieversorgung des Diagnosestromkreises (DSK) über die Hochvolt-Batterie erfolgt.