DE102015116106A1

DE102015116106A1 - Sammelschienenisolationswiderstandsschätzung für elektrische isolationsprüfung und -diagnostik

Info

Publication number: DE102015116106A1
Application number: DE102015116106.0A
Authority: DE
Inventors: Allan Roy Gale; Richard William Kautz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2016-04-07
Also published as: US20170326986A1; US9758044B2; CN105486923B; US10406921B2; US11091039B2; US20160096433A1; US20190351771A1; CN105486923A

Abstract

Es wird die elektrische Sammelschienenisolation für ein elektrifiziertes Fahrzeug detektiert, bei dem eine Gleichstromquelle mit einer Plus- und einer Minus-Sammelschiene verbunden ist. Die Plus-Sammelschiene wird mit der Masse verbunden und es wird ein resultierender erster Strom erfasst, der durch einen Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließt. Die Minus-Sammelschiene wird mit der Masse verbunden und es wird ein resultierender zweiter Strom erfasst, der durch einen Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließt. Der Plus- und Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand wird geschätzt in Reaktion auf jeweilige Verhältniszahlen des ersten und zweiten Stroms. Ein Isolationswert wird mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Isolationswert aus einer Spannung der Gleichstromquelle und einem kleineren des Plus- und des Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstands erhalten wird. Eine untypische Isolation wird signalisiert wenn der Isolationswert weniger ist als der Schwellenwert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrifizierte Fahrzeuge, in denen eine Hochspannungssammelschiene verwendet wird, und insbesondere die genaue Schätzung des zwischen jeder Hochleistungssammelschiene und einer Masse vorhandenen wirksamen Isolationswiderstands.
Elektrifizierte Fahrzeuge wie Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge nutzen üblicherweise eine von einer Gleichstromquelle, die Speicher- und/oder Umwandlungseinrichtungen wie einen mehrzelligen Batteriesatz enthalten kann, gespeiste Hochspannungssammelschiene. Das Vorhandensein von Hochspannungssammelschienen schafft einen Bedarf, die elektrische Isolation jeder Sammelschiene gegenüber den elektrisch leitenden Komponenten des Fahrzeugchassis (Masse) zu überwachen.
Zwischen einer Gleichstromsammelschiene und Masse vorhandene Isolationswiderstände müssen ausreichend hoch sein. Bei üblichen Isolationswiderstandsdetektionssystemen wird davon ausgegangen, dass der Isolationswiderstand zwischen der Plus- oder der Minus-Gleichstromsammelschiene und der Masse liegt. Eine typische Isolationsstromdetektorschaltung arbeitet so, dass sie periodisch jeweils zwischen eine einzelne Sammelschiene und die Masse einen Strombegrenzungswiderstand schaltet, und den resultierenden Stromfluss dazu verwendet, den Isolationswiderstand zwischen der entgegengesetzten Sammelschiene und der Masse zu berechnen. Die Batteriespannung dividiert durch den berechneten Isolationswiderstand charakterisiert die elektrische Isolation.
Die Erfindung beruht teilweise auf einer Feststellung, dass herkömmliche Isolationswiderstandsdetektorsysteme, die darauf basieren, einen Strom aus einer Sammelschiene durch einen bekannten Widerstand dem Isolationswiderstand zwischen der Masse und der anderen Sammelschiene zuzuführen, eine potentielle ausgeglichene Komponente des Isolationswiderstands aus beiden Sammelschienen zur Masse außer Acht lassen können, die manchmal aufgrund einer potentiellen Diskrepanz der abgeleiteten Isolationswiderstandswerte zu einer Fehlcharakterisierung der elektrischen Isolation führen kann. Insbesondere können ein Widerstand zwischen der Plus-Sammelschiene und der Masse, sowie ein Widerstand mit demselben Wert zwischen der Minus-Sammelschiene und der Masse vorliegen. Diese Widerstände, die beide denselben Wert haben, werden im Folgenden als symmetrischer oder ausgeglichener Isolationswiderstand bezeichnet. Ein Widerstand an einer Sammelschiene zum Chassis ohne einen übereinstimmenden Wert an der anderen Sammelschiene zum Chassis wird im Folgenden als nichtsymmetrischer oder unausgeglichener Isolationswiderstand bezeichnet. Der zusätzliche Stromfluss durch den ausgeglichenen Isolationswiderstand kann beim Detektionssystem aus dem Stand der Technik zu einem Überschätzen des zusammengesetzten ausgeglichenen und unausgeglichenen Widerstands führen, der zwischen einer Sammelschiene und der Masse liegt. Es ist wünschenswert, diesen letzteren zusammengesetzten Widerstand zu schätzen, um die Isolation präziser bestimmen zu können.
Eine typische Quelle für einen ausgeglichenen Isolationswiderstand wäre ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem ein Ionenaustauscher, der dazu vorgesehen ist, Ionen aus dem als Kühlmittel verwendeten Wasser zu entfernen, keine geeignete Entionisierung aufrechterhält. Mit dem Aufbau von Ionen nimmt die Leitfähigkeit des Kühlwassers zu und die elektrische Isolation zwischen sowohl den positiven als auch den negativen Brennstoffzellenelektroden und der Masse nimmt ab. Eine andere mögliche Quelle für einen ausgeglichenen Isolationswiderstand umfasst ein symmetrisches Versagen von Kabelisolierung.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung erkennt sowohl das Vorhandensein eines ausgeglichenen als auch eines unausgeglichenen Isolationswiderstands, der zwischen der Plus- und Minus-Sammelschiene und der Masse liegt. Dadurch, dass die Erfindung zwischen Isolationswiderständen unterscheidet, die für beide Sammelschienen gleich sind und Isolationswiderständen, die nicht gleich sind, bestimmt sie die elektrische Isolation präziser. Darüber hinaus wird dadurch, dass die ausgeglichenen und unausgeglichenen Isolationswiderstände separat festgestellt werden, eine Detektion und/oder Vorhersage elektrischer oder anderer Fahrzeugzustände ermöglicht.
Bei einem Aspekt der Erfindung umfasst ein elektrifiziertes Fahrzeug eine mit einem Plus-Ausgang einer Gleichstromquelle verbindbare Plus-Sammelschiene und eine mit einem Minus-Ausgang der Gleichstromquelle verbindbare Minus-Sammelschiene. Eine Masse ist innerhalb des Fahrzeugs verteilt. Eine erste Detektorschaltung wird selektierbar aktiviert, um erstens einen ersten festen Widerstand zwischen die Plus-Sammelschiene und die Masse zu schalten, und zweitens einen resultierenden ersten Strom zu erfassen. Eine zweite Detektorschaltung wird selektierbar aktiviert, um erstens einen zweiten festen Widerstand zwischen die Minus-Sammelschiene und die Masse zu schalten, und zweitens einen resultierenden ersten Strom zu erfassen. Eine Steuerschaltung stellt die Isolationswiderstände der Plus- und Minus-Sammelschiene in Reaktion auf eine nichtlineare Funktion (z. B. ein Verhältnis) des ersten und zweiten Stroms fest. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Strömeverhältnisse einen Korrekturfaktor bereit, der auf auf herkömmliche Weise abgeleitete Widerstandswerte angewandt werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Typ von elektrifiziertem Fahrzeug, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird.
2 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine typische Sammelschienenstruktur mit Isolationswiderständen.
3 zeigt in einem Prinzipschaltbild Prüfmessschaltkreise zum Charakterisieren des Sammelschienen-Isolationswiderstands.
4 zeigt in einem Prinzipschaltbild einen idealisierten Stromfluss, der als Grundlage für eine Isolationswiderstandsmessung aus dem Stand der Technik dient.
5 zeigt in einem Prinzipschaltbild einen tatsächlichen Stromfluss während einer Prüfmessung, der eine Grundlage für die Charakterisierung des Isolationswiderstands in der vorliegenden Erfindung bereitstellt.
6 ist ein Flussdiagram einer Ausführungsform der Erfindung, bei der eine elektrische Isolation mit verbesserter Genauigkeit bestimmt wird.
7 ist ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der Schätzungen des ausgeglichenen und/oder unausgeglichenen Isolationswiderstands eine verbesserte Fahrzeugdiagnostik bereitstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Begriff „elektrifiziertes Fahrzeug“ umfasst in der vorliegenden Verwendung Fahrzeuge mit einem Elektromotor für den Fahrzeugantrieb, wie etwa batterieelektrische Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge und Plug-In-Hybridfahrzeuge. Ein batterieelektrisches Fahrzeug enthält einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist, die aus einem externen Elektrizitätsnetz wiederaufladbar ist. Bei einem batterieelektrischen Fahrzeug liefert die Batterie oder eine andere Gleichstromquelle die Energie für den Fahrzeugantrieb. Ein Hybridfahrzeug enthält einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist und die Energiequelle für den Elektromotor eine Gleichstromspeichereinheit, wie etwa eine Batterie. Bei einem Hybridfahrzeug ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie zusätzliche Energie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (zum Beispiel speichert die Batterie Kraftstoffenergie und gewinnt kinematische Energie in elektrischer Form zurück). Ein Plug-In-Hybridfahrzeug ist wie ein Hybridfahrzeug, das Plug-In-Hybridfahrzeug kann aber eine Batterie mit größerer Kapazität aufweisen, die aus dem externen Elektrizitätsnetz wiederaufladbar ist. Bei einem Plug-In-Hybridfahrzeug ist die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, bis sich die Batterie auf ein niedriges Energieniveau entleert, zu welchem Zeitpunkt dann das Plug-In-Hybridfahrzeug für den Fahrzeugantrieb wie ein Hybridfahrzeug arbeitet.
1 zeigt beispielhaft ein Fahrzeug 10 als batterieelektrisches Fahrzeug, das ohne Unterstützung aus einem Verbrennungsmotor von einem Elektromotor 11 angetrieben wird. Der Elektromotor 11 nimmt elektrische Leistung auf und stellt ein Antriebsmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Der Elektromotor 11 wirkt auch als Generator zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Nutzbremsung. Der Elektromotor 11 ist Teil eines Antriebsstrangs 12, in dem ein Getriebe 13 den Elektromotor 11 an angetriebene Räder 14 koppelt. Das Getriebe 13 verstellt das Antriebsdrehmoment und die Drehzahl des Elektromotors 11 um ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis.
Das Fahrzeug 10 enthält ein Batteriesystem 15 mit einem Hauptbatteriesatz 16 und einem Batterie-Energiesteuermodul (battery energy controller module, BECM) 17. Ein Ausgang des Batteriesatzes 16 ist mit einem Wechselrichter (inverter, INV) 18 verbunden, der den von der Batterie gelieferten Gleichstrom (direct current, DC) in Wechselstrom (alternating current, AC) zum Betreiben des Elektromotors 11 gemäß Befehlen von einem Traktionssteuermodul (traction control module, TCM) 20 umwandelt. Das TCM 20 überwacht unter anderem die Stellung, die Drehzahl und den Leistungsverbrauch des Elektromotors 11 und stellt diesen Informationen entsprechend Ausgangssignale an andere Fahrzeugsysteme, einschließlich einer Motorhauptsteuerung 21 (bei der es sich zum Beispiel um ein Antriebsstrangsteuermodul (powertrain control module, PCM) handeln kann) bereit.
2 zeigt eine typische Sammelschienenarchitektur, bei der eine Gleichstromquelle 30 über Schaltschütze 33 selektiv mit einer Plus-Sammelschiene 31 und einer Minus-Sammelschiene 32 gekoppelt wird. Die Sammelschienen 31 und 32 können ferner mit einem Gleichspannungswandler 34, einem Zwischenkreiskondensator 35 und einem Wechselrichter 36, der einen Traktionsmotor 37 antreibt, gekoppelt sein. Eine Masse 40 stellt leitfähige Teile des Fahrzeugs dar, deren elektrisches Potenzial als Referenz genommen wird, und die leitfähig miteinander verbunden sind.
Die elektrische Isolation der Sammelschienen 31 und 32 wird durch den elektrischen Isolationswiderstand zwischen der jeweiligen Sammelschiene und der Masse 40 bestimmt. Ein Isolationswiderstand 41 stellt die Isolationshöhe zwischen der Plus-Sammelschiene 31 und der Masse 40 dar. Der Isolationswiderstand 42 stellt die Isolation zwischen der Minus-Sammelschiene 32 und der Masse 40 dar. Die Isolationswiderstände 41 und 42 sind die unausgeglichenen oder nicht-symmetrischen Isolationswiderstände. Zwar kann der Widerstand 41 oder 42 auftreten, es kann jedoch für den unausgeglichenen Widerstand nur einer davon vorliegen. Außerdem kann zwischen den Sammelschienen 31 und 32, die eine mit dem Chassis 20 verbundene Verbindung zwischen sich aufweisen, ein ausgeglichener Isolationswiderstand, 43a und 43b mit demselben Widerstand, vorliegen. Außerdem kann an den Sammelschienen 31 und 32 in der Gleichstromquelle 30 ein ausgeglichener Widerstand eingebracht werden, was als Isolationswiderstände 44a und 44b dargestellt ist, deren Verbindung an die Masse 40 gekoppelt ist.
3 zeigt Vorrichtungen zum Detektieren von Isolationswiderständen, wobei eine erste Detektorschaltung 45 zwischen der Plus-Sammelschiene 31 und der Masse 40 angeordnet ist, und eine zweite Detektorschaltung 46 zwischen der Minus-Sammelschiene 32 und der Masse 40. Die erste Detektorschaltung 45 umfasst einen Strombegrenzungswiderstand 50 in Reihe mit einem Abtastschalter 51 und einem Strommesswiderstand 52. Eine Steuerschaltung 47 ist mit dem Schalter 51 verbunden, um den Schalter 51 selektiv zu aktivieren, so dass ein resultierender erster Stromfluss durch die Detektorschaltung 45 eine Spannung am Strommesswiderstand 52 erzeugt, die proportional zu dem durch den Widerstand 52 fließenden Strom ist, der der Steuerschaltung 47 bereitgestellt wird. Ebenso enthält die zweite Detektorschaltung 46 eine ähnlich mit der Steuerschaltung 47 verbundene Reihenschaltung eines Strombegrenzungswiderstands 53, Abtastschalters 54 und Strommesswiderstands 55. Die Steuerschaltung 47 kann einen Mikrocontroller enthalten, wie etwa in einem Batterie-Energiesteuermodul.
In dem in 4 gezeigten, auf herkömmlichen Annahmen basierenden Isolationswiderstandsdetektorsystem, durchläuft ein durch einen Strombegrenzungswiderstand R_d und einen Strommesswiderstand R_s fließender Strom einen Isolationswiderstand R_lm, der einen Isolationswiderstand zur Minus-Sammelschiene bezeichnet. Mit einer gemessenen Batteriespannung V_B, dem ersten gemessenen Strom I_rsm und bekannten Widerstandswerten für R_d und R_s, wird der Isolationswiderstand R_lm unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt:
Wie zuvor erläutert, ist in dem für den Isolationswiderstand resultierenden Wert jedoch der ausgeglichene Widerstand nicht berücksichtigt, der stattdessen die in 5 gezeigte komplexere Ersatzschaltung erzeugt. In diesem Fall ist der Messstrom nicht ausschließlich auf die parallelen Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstände R60 und R61a zurückzuführen. Es fließt außerdem ein Strom von der Plus-Sammelschiene durch R61b, der eine entgegenwirkende Komponente des ausgeglichenen Isolationsstroms i_bal bereitstellt. Im erfassten Gesamtstrom ist also der Isolationsstrom der Minus-Sammelschiene unterrepräsentiert.
Wie aus 3 und 5 zu erkennen ist, enthält der durch R_lm (den der Minus-Sammelschiene 32 zugeordneten Isolationswiderstand) fließende Gesamtstrom den ausgeglichenen Teil aus dem Widerstand 61 und einen Messstrom I_RS (d. h. mit den ausgeglichenen und unausgeglichenen Teilen der Widerstände 44, 41 und 42 von 3). Wenn der Abtastschalter geschlossen ist, ist der Strom I_RS
wobei R_lp der Isolationswiderstand 41 und der der Plus-Sammelschiene 31 zugeordnete ausgeglichene Teil 44 (3) ist, R_lm der Isolationswiderstand 42 und der der Minus-Sammelschiene 32 zugeordnete ausgeglichene Teil 44 (3) ist, I_RSM der in 4 gezeigte Messstrom I_RS bei geschlossenem Schalter 51 (3) ist, und der Widerstand R_C ein kombinierter Widerstand (z. B. feste 519 kOhm) ist, der die Summe des Strombegrenzungswiderstands R_D und des Strommesswiderstands R_S enthält. Im folgenden Text wird zwar davon ausgegangen, dass die Werte von R_D und R_S in den Detektorschaltungen 45 und 46 zueinander gleich sind, für den Fachmann können diese Werte jedoch unter Beibehaltung der Absicht dieser Beschreibung verändert werden. Somit kann, wenn der andere Abtastschalter geschlossen ist, der Strom I_dp unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt werden:
Die Gleichungen 2 und 3 werden gleichzeitig nach den Isolationswiderständen R_lp und R_lm aufgelöst wie folgt:
Somit stellen die Verhältnisse der beiden gemessenen Ströme zueinander jeweilige Korrekturfaktoren der herkömmlichen Bestimmung der jeweiligen Isolationswiderstände dar. Die auf den Strömeverhältnissen basierenden resultierenden Werte für den positiven und den negativen Isolationswiderstand R_lp und R_lm stellen eine präzisere Abschätzung der Isolationswiderstände bereit, was folglich eine präzisere Bestimmung einer entsprechenden elektrischen Isolation ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Sammelschiene mit einer niedrigeren Isolation dazu verwendet, einen Isolationswert zu berechnen. Es wird also zur Berechnung des Isolationswerts der kleinere der berechneten Isolationswiderstände gewählt und dann durch eine vorbestimmte Spannung dividiert. Die vorbestimmte Spannung kann aus der gemessenen Spannung (V_B) der Gleichstromquelle oder einer vorbestimmten konstanten Spannung (z. B. der Systemnennspannung oder einem durch Vorschriften vorgegebenen Wert) bestehen. Der Isolationswert kann berechnet werden wie folgt:
Der resultierende Isolationswert wird mit einem Isolationsschwellenwert (z. B. 500 Ohm/Volt) verglichen und falls dieser weniger als der Schwellenwert ist, dann signalisiert die Erfindung, dass ein untypischer Zustand detektiert wurde. Die Signalisierung kann umfassen, einen Fahrer über den Zustand zu informieren und/oder die Gleichstromquelle automatisch von den Energiebussen zu trennen (z. B. die Schaltschütze zu öffnen).
Die berechneten Werte für die Isolationswiderstände R_lp und R_lm können ferner dazu verwendet werden, die ausgeglichenen und unausgeglichenen Komponenten der Widerstände voneinander zu trennen, so dass die Komponenten im Zeitablauf überwacht werden können, um bestimmte potentielle Versagen im elektrischen System zu detektieren oder vorherzusagen. Beispiele für ausgeglichene Isolationswiderstände, die sich im Zeitablauf auf eine Weise verändern können, die ein bevorstehendes Versagen feststellen lässt, umfassen a) Isolierungszerfall und b) Wirksamkeitsverluste eines Kühlwasser-Ionenaustauschers in einem Brennstoffzellensystem. Mehrere Isolationswiderstandsmessungen im Zeitablauf können in ausgeglichene/unausgeglichene Komponenten getrennt und in einer Datenbank gespeichert werden. Sowohl die Größe als auch die Steigung innerhalb der gespeicherten Daten (z. B. entweder der ausgeglichenen oder der unausgeglichenen Komponenten) werden dazu verwendet, potentielle Ausfälle vorherzusagen. Beispiele für unausgeglichene Isolationswiderstände, die sich im Zeitablauf ändern können, umfassen den Kontakt von Batterieanschlussklemmen mit dem Chassis, Drahtkontakt mit dem Chassis und andere Formen von Kontakt.
Die berechneten Werte für die Isolationswiderstände R_lp und R_lm können voneinander getrennt werden wie folgt. Der größere der Isolationswiderstände R_lp und R_lm entspricht dem ausgeglichenen Widerstand, d. h. R_bal = max(R_lp, R_lm). Dies liegt daran, dass definitionsgemäß der Wert von R_bal von der Masse sowohl zur Plus- als auch zur Minus-Sammelschiene derselbe sein muss. Ein unausgeglichener Widerstand besteht parallel zum Wert von R_bal von entweder der Plus- oder der Minus-Sammelschiene zur Masse. Da parallele Widerstände stets zu einem Gesamtwiderstand führen, der niedriger ist als die jeweiligen Parallelwiderstände, entspricht das Maximum für R_lp und R_lm dem ausgeglichenen Widerstand.
Die unausgeglichene Widerstandskomponente kann unter Verwendung von R_lp und R_lm berechnet werden wie folgt:
Ein Verfahren der Erfindung soll nun anhand der Flussdiagramme von 6 und 7 zusammengefasst werden. In Schritt 70 wird die Spannung V_B der Gleichstromquelle gemessen. In Schritt 71 wird die Plus-Spannungsschiene mit der Masse verbunden und ein resultierender Strom gemessen. Die Minus-Schiene wird dann in der Folge mit der Masse verbunden und in Schritt 72 wird ein resultierender Strom gemessen. In Schritt 73 werden die Isolationswiderstände R_LP und R_LM berechnet. Der kleinere der beiden Widerstände wird in Schritt 74 gewählt, um einen Worst-Case-Sammelschienenisolationswiderstand festzustellen. In Schritt 75 wird mit dem gewählten Worst-Case-Widerstand ein Isolationswert berechnet.
In Schritt 76 wird der Isolationswert mit einem Isolationsschwellenwert verglichen. Falls er weniger ist als der Schwellenwert, dann signalisiert die Erfindung in Schritt 77 einen untypischen Zustand (z. B. indem der Fahrer benachrichtigt wird oder der Strom zu den Hochspannungssammelschienen unterbrochen wird). Falls der Isolationswert nicht weniger ist als der Schwellenwert, dann ist das Verfahren bei Schritt 78 abgeschlossen. Wahlweise kann ein zusätzliches Verfahren ausgeführt werden, bei dem der ausgeglichene und der unausgeglichene Widerstandswert bestimmt werden, um eine Vorhersage von potentiellen Versagen bereitzustellen, wie in 7 gezeigt.
In 7 ist in Schritt 80 der größere Widerstandwert als der ausgeglichene Widerstandswert zugeordnet. In Schritt 81 wird ein unausgeglichener Isolationswiderstand berechnet (z. B. mit der Gleichung 7). Die berechneten Werte für den ausgeglichenen und/oder unausgeglichenen Widerstand werden in Schritt 82 im Zeitablauf zusammengestellt. In Schritt 83 können in Reaktion auf vorbestimmte Abnahmen der ausgeglichenen oder der unausgeglichenen Widerstände vorbestimmte potentielle Versagen vorhergesagt werden. Insbesondere kann in Reaktion darauf, dass eine Größe eines Widerstandswert unter einen Schwellenwert fällt, oder in Reaktion darauf, dass im Zeitverlauf angesammelte Datenpunkte eine negative Steigung aufweisen, die auf einen bevorstehenden Abfall des Widerstandswerts unter einen Schwellenwert hindeutet, ein potentielles Versagen vorhergesagt werden. Zum Beispiel kann eine vorbestimmte Abnahme der ausgeglichenen Widerstandkomponente einem bestimmten Verlust an Wirksamkeit der Entionisierung des Kühlwassers für eine Brennstoffzelle entsprechen (was zu einer verringerten Energieerzeugung führt). Durch empirische Tests können die Größe oder Steigungswerte von Interesse festgestellt werden, die dazu verwendet werden können, die Notwendigkeit von Korrekturmaßnahmen zu detektieren, um den Ionenaustauscher zu reparieren oder zu ersetzen. Jedes Mal wenn ein potentielles Versagen detektiert oder vorhergesagt wird, wird der Schritt 84 ausgeführt, um anderen Fahrzeugsystemen (z. B. einem Steuergerät zum Deaktivieren der Hauptschütze zwischen der Gleichstromquelle und den Sammelschienen), dem Fahrer (z. B. über eine Störungsanzeigenleuchte) oder einem entfernten Überwachungssystem (z. B. drahtlos an eine Herstellerdatenbank über eine elektronische Cloud) eine Benachrichtigung bereitzustellen.

Claims

Elektrifiziertes Fahrzeug mit: einer mit einem Plus-Ausgang einer Gleichstromquelle verbindbaren Plus-Sammelschiene, einer mit einem Minus-Ausgang der Gleichstromquelle verbindbaren Minus-Sammelschiene, einer innerhalb des Fahrzeugs verteilten Masse, einer ersten Detektorschaltung, die selektierbar aktiviert wird, umerstens einen ersten festen Widerstand zwischen die Plus-Sammelschiene und die Masse zu schalten, und zweitens einen resultierenden ersten Strom zu erfassen, der durch einen Isolationswiderstand der Minus-Sammelschiene und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließt, einer zweiten Detektorschaltung, die selektierbar aktiviert wird, um erstens einen zweiten festen Widerstand zwischen die Minus-Sammelschiene und die Masse zu schalten, und zweitens einen resultierenden zweiten Strom zu erfassen, der durch einen Isolationswiderstand der Plus-Sammelschiene und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließt, und einer Steuerschaltung, die die Plus- und Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstände in Reaktion auf die jeweiligen Verhältniszahlen des ersten und zweiten Stroms feststellt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Detektorschaltungen jeweilige von der Steuerschaltung geschlossene Abtastschalter umfassen, und wobei die festen Widerstände jeweils einen Begrenzungswiderstand und einen Strommesswiderstand enthalten.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Steuerschaltung ausgestaltet ist, die Plus- und die Minussammelschiene von der Gleichstromquelle zu trennen, wenn ein Isolationswert weniger ist als ein Schwellenwert, wobei der Isolationswert unter Verwendung eines kleineren des Plus- oder Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstands bestimmt wird.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung ausgestaltet ist, einen Fehlerzustand zu detektieren, wenn ein Isolationswert weniger ist als ein Schwellenwert, wobei der Isolationswert unter Verwendung eines kleineren des Plus- oder Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstands bestimmt wird.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Plus-Sammelschienen-Isolationswiderstand gemäß einer Formel
bestimmt wird, wobei R_lp der Plus-Sammelschienen-Isolationswiderstand ist, V_b eine Spannung aus der Gleichstromquelle ist, I_RSP der zweite Strom ist, I_RSM der erste Strom ist und R_C der kombinierte Messschaltungswiderstand ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand gemäß einer Formel
festgestellt wird, wobei R_lm der Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand ist, V_b eine Spannung aus der Gleichstromquelle ist, I_RSM der erste Strom ist, I_RSP der zweite Strom ist, und R_C der kombinierte Messschaltungswiderstand ist.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung einen ausgeglichenen Widerstand als einen höheren des Plus- oder Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstands feststellt und wobei die Steuerschaltung Veränderungen des ausgeglichenen Widerstands im Zeitablauf überwacht, um eine potentielle Fehlfunktion des Fahrzeugs festzustellen.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Gleichstromquelle eine Brennstoffzelle mit einem Ionenaustauscher ist und wobei die Überwachung von Veränderungen des ausgeglichenen Widerstands umfasst, den ausgeglichenen Widerstand mit einem Schwellenwert zu vergleichen, um eine Fehlfunktion des Ionenaustauschers zu detektieren.
Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung einen unausgeglichenen Widerstand gemäß einer Formel
feststellt, wobei R_lp und R_lm jeweils die Plus- und Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstände sind und wobei die Steuerschaltung Veränderungen des unausgeglichenen Widerstands im Zeitablauf überwacht, um eine potentielle Fehlfunktion des Fahrzeugs festzustellen.
Verfahren zum Detektieren von Sammelschienenisolation für ein elektrifiziertes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug eine Gleichstromquelle aufweist, die mit einer Plus-Sammelschiene und einer Minus-Sammelschiene und einer innerhalb des Fahrzeugs verteilten Masse verbindbar ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: einen ersten festen Widerstand zwischen die Plus-Sammelschiene und die Masse zu schalten, einen resultierenden, durch einen Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließenden ersten Strom zu erfassen, einen zweiten festen Widerstand zwischen die Minus-Sammelschiene und die Masse zu schalten, einen resultierenden, durch einen Plus-Sammelschienen-Isolationswiderstand und einen ausgeglichenen Isolationswiderstand fließenden zweiten Strom zu erfassen, den Plus- und Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand in Reaktion auf jeweilige Verhältniszahlen des ersten und zweiten Stroms zu schätzen, einen Isolationswert mit einem Schwellenwert zu vergleichen, wobei der Isolationswert aus einer Spannung der Gleichstromquelle und einem kleineren des Plus- und des Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstands erhalten wird, und Signalisieren einer untypischen Isolation wenn der Isolationswert weniger ist als der Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Signalisieren einer untypischen Isolation umfasst, die Gleichstromquelle von der Plus- und der Minus-Sammelschiene zu trennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, das ferner den Schritt umfasst, die Spannung der Gleichstromquelle zu messen, wobei die gemessene Spannung bei der Bestimmung des Isolationswerts verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die bei der Bestimmung des Isolationswerts verwendete Spannung eine vorbestimmte Konstante umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Plus-Sammelschienen-Isolationswiderstand gemäß einer Formel
geschätzt wird, wobei R_lp der Plus-Sammelschienen-Isolationswiderstand ist, V_b eine gemessene Spannung aus der Gleichstromquelle ist, I_RSP der zweite Strom ist, I_RS der erste Strom ist und R_C der kombinierte Messschaltungswiderstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand gemäß einer Formel
geschätzt wird, wobei R_lm der Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand ist, V_b eine gemessene Spannung aus der Gleichstromquelle ist, I_RSM der erste Strom ist, I_RSP der zweite Strom ist, und R_C der kombinierte Messschaltungswiderstand ist.
Verfahren zum Schätzen von Sammelschienenisolationswiderständen in einem elektrifizierten Fahrzeug, das umfasst: einen ersten und zweiten Isolationsstrom für eine erste und eine zweite Sammelschiene zu messen, indem der Reihe nach jede Sammelschiene mit der Masse verbunden wird, die Sammelschienen-Isolationswiderstände in Reaktion auf eine Sammelschienenspannung dividiert durch den jeweiligen ersten und zweiten Strom und in Reaktion auf jeweilige Verhältniszahlen des ersten und zweiten Stroms zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner die Schritte umfasst: einen ausgeglichenen Isolationswiderstand zu schätzen, indem ein größerer der geschätzten Sammelschienen-Isolationswiderstände gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner den Schritt umfasst: einen unausgeglichenen Isolationswiderstand gemäß einer Formel
zu schätzen, wobei R_lp und R_lm die geschätzten Sammelschienen-Isolationswiderstände sind.
Verfahren zur Vorhersage von Versagen in einem elektrifizierten Fahrzeug, das umfasst: einen ersten und zweiten Isolationsstrom für eine erste und eine zweite mit einer Gleichstromquelle verbundene Sammelschiene zu messen, indem der Reihe nach jede Sammelschiene mit der Masse verbunden wird, den Plus- und Minus-Sammelschienen-Isolationswiderstand in Reaktion auf eine Sammelschienenspannung dividiert durch den jeweiligen ersten und zweiten Strom und in Reaktion auf jeweilige Verhältniszahlen des ersten und zweiten Stroms zu schätzen, einen ausgeglichenen Isolationswiderstand zu schätzen, indem ein größerer der geschätzten Sammelschienen-Isolationswiderstände gewählt wird, und in Reaktion auf vorbestimmte Abnahmen des ausgeglichenen Isolationswiderstands im Zeitablauf ein Versagen vorherzusagen.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: einen unausgeglichenen Isolationswiderstand gemäß einer Formel
zu schätzen, wobei R_lp und R_lm die geschätzten Sammelschienen-Isolationswiderstände sind, und in Reaktion auf vorbestimmte Abnahmen des unausgeglichenen Isolationswiderstands im Zeitablauf ein Versagen vorherzusagen.