DE102017009355A1

DE102017009355A1 - Verfahren zum Betreiben von elektrischen Bordnetzen

Info

Publication number: DE102017009355A1
Application number: DE102017009355.5A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; André Haspel; Jörg Weigold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung (U₁) beaufschlagten ersten Bordnetzes (12) und eines mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung (U₂) beaufschlagten zweiten Bordnetzes (14), wobei das erste und das zweite Bordnetz (12, 14) mittels eines einen ersten getakteten Energiewandler (16) aufweisenden Energiekopplers (50) elektrisch gekoppelt werden, wobei die erste und die zweite elektrische Gleichspannung (U₁, U₂) mittels einer elektrischen Isolationseinrichtung gegenüber einem elektrischen Bezugspotential (20) elektrisch isoliert sind und die elektrische Isolationseinrichtung überwacht wird, wobei das erste und das zweite Bordnetz (12, 14) mittels des Energiekopplers (50) galvanisch gekoppelt werden, wobei bei einer Störung der Isolationseinrichtung in einem Bereich eines der beiden Bordnetze (12, 14) der Energiekoppler (50) elektrische Potentiale des jeweiligen anderen der beiden Bordnetze (12, 14) derart steuert, dass jeweilige Potentialdifferenzen von diesen elektrischen Potentialen zum Bezugspotential (20) kleiner als ein vorgegebener Vergleichswert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes und eines mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten Bordnetzes, wobei das erste und das zweite Bordnetz mittels eines einen ersten getakteten Energiewandler aufweisenden Energiekopplers elektrisch gekoppelt werden, wobei die erste und die zweite elektrische Gleichspannung mittels einer elektrischen Isolationseinrichtung gegenüber einem elektrischen Bezugspotential elektrisch isoliert sind und die elektrische Isolationseinrichtung überwacht wird.
Gattungsgemäße Energiekoppler finden insbesondere dann Einsatz, wenn wenigstens zwei elektrische Bordnetze, die mit unterschiedlichen elektrischen Gleichspannungen beaufschlagt sind, elektrisch miteinander gekoppelt werden sollen. Mittels des Energiekopplers kann elektrische Energie zwischen den zu koppelnden elektrischen Bordnetzen ausgetauscht werden. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiekoppler mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind. Gattungsgemäße Energiekoppler können für eine unidirektionale oder auch eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein. Um die Energiekopplung realisieren zu können, weist der Energiekoppler in der Regel wenigstens einen ersten getakteten Energiewandler auf. Mittels des getakteten Energiewandlers wird die gewünschte elektrische Kopplungsfunktion bereitgestellt. Zu diesem Zweck kann der getaktete Energiewandler in geeigneter Weise mittels einer Steuereinheit gesteuert werden.
Elektrische Bordnetze sowie auch Kraftfahrzeuge mit solchen elektrischen Bordnetzen sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die WO 2013/010693 A1 ein System mit Batterieladegerät und Bordnetzversorgungsstufe. Kraftfahrzeuge weisen in der Regel wenigstens ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und Einheiten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz sind zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs.
Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel zumindest ein zweites Bordnetz vorgesehen, wobei häufig wenigstens eines der beiden Bordnetze für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet ist. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.
Mittlerweile kommt es bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen vermehrt vor, dass ein erstes und ein zweites Bordnetz vorgesehen sind, die beide für Hochvolt ausgelegt sind, jedoch für unterschiedliche Gleichspannungen im Bereich Hochvolt. So kann zum Beispiel das erste elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 800 V beaufschlagt sein, wohingegen das zweite elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 400 V beaufschlagt sein kann. Natürlich können die Werte der Gleichspannungen auch abweichend gewählt sein. Grundsätzlich ergeben sich die vorgenannten Spannungswerte jedoch unter Berücksichtigung von standardisierten Bauteilen sowie elektrischen Einrichtungen, die für derartige elektrische Spannungen ausgelegt sind.
Um die beiden elektrischen Bordnetze elektrisch miteinander koppeln zu können, ist es im Stand der Technik üblich, die beiden elektrischen Bordnetze galvanisch getrennt miteinander elektrisch zu koppeln. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist eine galvanische Verbindung zwischen diesen beiden Bordnetzen, insbesondere im Bereich „Hochvolt“, in der Regel nicht gewünscht beziehungsweise nicht zulässig. Darüber hinaus kann bei Bordnetzen, die für „Hochvolt“ ausgelegt sind und darüber hinaus in der Regel gegenüber einem elektrischen Bezugspotential, beispielsweise einer Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs oder dergleichen, elektrisch isoliert sind, die Funktion eines Isolationswächters beeinträchtigt sein. Dies kann durch eine Unsymmetrie der elektrischen Potentiale der ersten und der zweiten Gleichspannung in Bezug auf das elektrische Bezugspotential verursacht sein. Die Kopplung der beiden Bordnetze erfolgt deshalb beim Stand der Technik in der Regel mittels eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers. Ein solcher galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ist unter anderem wegen der Bereitstellung der elektrischen Isolation, groß, teuer, schwer und erlaubt nur einen begrenzten Wirkungsgrad. Darüber hinaus sind insbesondere bei Anwendung im Bereich „Hochvolt“ zur Überwachung der beiden Bordnetze dann auch in der Regel zwei separate Isolationswächter erforderlich.
Das erste und das zweite elektrische Bordnetz sind üblicherweise, besonders bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, gegenüber dem Bezugspotential wie beispielsweise der Fahrzeugmasse elektrisch isoliert ausgeführt. Solche Netze werden auch IT-Netze genannt, weil die elektrischen Potentiale solcher Netzte gegenüber dem Bezugspotential elektrisch isoliert ausgebildet sind. Hierdurch kann eine gewünschte Sicherheit bezüglich des Personenschutzes sowie auch bezüglich des Betriebs der Bordnetze erreicht werden.
Zum Bereitstellen einer elektrischen Isolation zwischen den elektrischen Potentialen der jeweiligen Bordnetze gegenüber dem Bezugspotential dient in der Regel die Isolationseinrichtung. Die Isolationseinrichtung kann dadurch gebildet sein, dass zum Beispiel elektrisch isolierende Werkstoffe zwischen dem Bezugspotential und den Potentialen der Bordnetze angeordnet sind, mittels denen eine gewünschte elektrische Isolation bereitgestellt werden kann. Ergänzend oder alternativ kann auch Luft als Werkstoff der elektrischen Isolationseinrichtung zum Einsatz kommen, wobei abhängig von einem Abstand eine gewünschte elektrische Isolation erreicht werden kann.
Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist aktuell ein Verbinden von zwei Bordnetzen, die bezüglich eines Betriebs bei unterschiedliche Gleichspannungen elektrisch isoliert sind, ein galvanisches Koppeln in der Regel nicht erlaubt, weil im Falle eines Isolationsfehlers bei demjenigen der Bordnetze, welches für die höhere elektrische Isolation ausgelegt ist, zugleich auch die Isolation des anderen der Bordnetze, bei welchem die elektrische Isolation nur für eine geringere Beanspruchung ausgelegt ist, durch ein entsprechendes Potential von dem Bordnetz mit der höheren Gleichspannung belastet sein kann. Dadurch können Einrichtungen im Bereich des Bordnetzes mit der kleineren elektrischen Isolation überlastet werden, wodurch sich gegebenenfalls Beschädigungen oder sogar eine Zerstörung ergeben kann. Es besteht ferner die Gefahr von Folgefehlern, zum Beispiel indem bei der geringer ausgelegten Isolation ein Isolationsfehler auftreten kann, beispielsweise ein elektrischer Überschlag, ein Kurzschluss und/oder dergleichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei reduziertem Aufwand für elektrisch gekoppelte Bordnetze die Sicherheit zu verbessern.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass das erste und das zweite Bordnetz mittels des Energiekopplers galvanisch gekoppelt werden, wobei bei einer Störung der Isolationseinrichtung in einem Bereich eines der beiden Bordnetze der Energiekoppler elektrische Potentiale des jeweiligen anderen der beiden Bordnetze derart steuert, dass jeweilige Potentialdifferenzen von diesen elektrischen Potentialen zum Bezugspotential kleiner als ein vorgegebener Vergleichswert sind.
Mittels des Energiekopplers kann also erreicht werden, dass die über den Energiekoppler galvanisch gekoppelten Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes derart eingestellt werden, dass bei dem noch intakten Bordnetz, bei dem keine Störung aufgetreten ist, die Potentiale so eingestellt werden, dass der vorgegebene Vergleichswert nicht überschritten wird. Der vorgegebene Vergleichswert kann zum Beispiel durch eine Isolationsfestigkeit der Isolationseinrichtung gegeben sein. Häufig kann der Vergleichswert in Form einer Isolationsspannung oder dergleichen angegeben sein, mit dem angegeben wird, welche Potentialdifferenz beziehungsweise Isolationsspannung die Isolationseinrichtung im bestimmungsgemäßen Betrieb zuverlässig standhalten kann.
Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung also dann, wenn in dem Bordnetz die Störung auftritt, welches mit der größeren Gleichspannung beaufschlagt ist, wobei die Isolationseinrichtung im Bereich dieses Bordnetzes eine entsprechend geeignet ausgebildete Isolationsfestigkeit bereitstellt. Mittels des Energiekopplers können dann die elektrischen Potentiale des anderen der Bordnetze, welches mit einer kleineren Gleichspannung beaufschlagt ist, wodurch die Isolationseinrichtung für dieses Bordnetz nur eine geringere Isolationsfestigkeit bereitzustellen braucht, gegenüber dem Bezugspotential so eingestellt werden, dass die Isolationseinrichtung im Bereich dieses Bordnetzes möglichst nicht überlastet wird. Dadurch kann ein zuverlässiger Betrieb der gekoppelten Bordnetze trotz galvanischer Kopplung auch bei Auftreten einer Störung in einem der Bordnetze weiter aufrechterhalten werden. Es ist also gegenüber dem Stand der Technik nicht mehr erforderlich, die Bordnetze über einen galvanisch isolierenden Energiekoppler miteinander elektrisch zu verbinden. Dadurch kann der Energiekoppler erheblich kleiner und günstiger ausgebildet sein. Dies kann auch zu einem höheren Wirkungsgrad führen.
Darüber hinaus erlaubt es die galvanische Kopplung der beiden Bordnetze, dass die Bordnetze beziehungsweise deren Isolationseinrichtung mit lediglich einem einzigen Isolationswächter überwacht werden kann. Es ist also ebenfalls nicht erforderlich, separate Isolationswächter bezüglich der Bordnetze vorzusehen.
Die Isolationseinrichtung kann dadurch überwacht beziehungsweise geprüft werden, dass eine elektrische Spannung an ihr überwacht wird. Zu diesem Zweck können die elektrischen Potentiale der Bordnetze in Bezug auf das elektrische Bezugspotential erfasst werden. Beispielsweise kann dies mittels jeweiliger Spannungsmessungen erfolgen, indem die elektrischen Spannungen zwischen einem jeweiligen der Bordnetzpotentiale und dem elektrischen Bezugspotential erfasst werden. Zu diesem Zweck kann wenigstens ein entsprechender Spannungssensor vorgesehen sein.
Die erste und die zweite elektrische Gleichspannung ergeben sich durch jeweilige Potentialdifferenzen beziehungsweise Spannungen zwischen den entsprechenden elektrischen Potentialen des ersten und des zweiten Bordnetzes. So ist die erste elektrische Gleichspannung ein Maß für die Potentialdifferenz der beiden zugehörigen elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes. Entsprechendes gilt für die zweite elektrische Gleichspannung des zweiten Bordnetzes.
Die Störung der Isolationseinrichtung ist ein Ereignis, welches die Funktionalität der Isolationseinrichtung beeinträchtigt. Die Störung kann dadurch gebildet sein, dass ein elektrischer Überschlag oder auch ein Durchschlag durch einen elektrischen Isolationswerkstoff oder dergleichen erfolgt. Darüber hinaus kann die Störung natürlich auch durch äußere Einwirkungen verursacht sein, beispielsweise durch elektrisch leitfähige Stoffe, die in dem Bereich der Isolationseinrichtung eindringen und die Isolationsfähigkeit der Isolationseinrichtung reduzieren, wenn nicht sogar gänzlich aufheben. Die Störung kann aber auch durch eine thermische Einwirkung auf die Isolationseinrichtung erfolgen, beispielsweise indem die Isolationseinrichtung eine vorgegebene maximale Temperatur überschreitet, bei deren Überschreitung sie die Isolationsfähigkeit zumindest teilweise einbüßt. Eine Vielzahl weiterer Störungen kann sich auf die Isolationseinrichtung auswirken.
Der Energiekoppler dient dazu, die elektrischen Potentiale der Bordnetze in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln, sodass die Bordnetze bestimmungsgemäß betrieben werden können, wobei zugleich mittels des Energiekopplers eine galvanische energietechnische Kopplung bereitgestellt wird, über die die Bordnetze elektrische Energie austauschen können. Zu diesem Zweck umfasst der Energiekoppler zumindest einen getakteten Energiewandler, der je nach Bedarf eine Hochsetzstellfunktion und/oder eine Tiefsetzstellfunktion bereitzustellen vermag. Darüber hinaus kann der getaktete Energiewandler bedarfsweise für eine unidirektionale Energiewandlung oder auch für eine bidirektionale Energiewandlung ausgebildet sein.
Besonders vorteilhaft kann der Energiekoppler zwei getaktete Energiewandler aufweisen, die über einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis miteinander elektrisch gekoppelt sind, um eine galvanische elektrische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Bordnetz zu realisieren. Dabei können ein erster getakteter Energiewandler an das erste Bordnetz und ein zweiter getakteter Energiewandler an das zweite Bordnetz angeschlossen sein. Dies erlaubt es, obwohl die Bordnetze galvanisch miteinander elektrisch verbunden sind, die Potentiale der Bordnetze in einem weiten Bereich nahezu unabhängig voneinander einstellen zu können. Es ist somit möglich, die bei der elektrischen Kopplung der beiden Bordnetze aufgrund der unterschiedlichen Gleichspannungen in der Regel bei einer galvanischen Kopplung entstehende Unsymmetrie bei einer Störung, wie sie zuvor beschrieben wurde, in Bezug auf das elektrische Bezugspotential auszugleichen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass mittels des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers die elektrischen Potentiale des Gleichspannungszwischenkreises nahezu schwimmend gegenüber den elektrischen Potentialen des ersten und des zweiten Bordnetzes eingestellt werden können. Dadurch ist es möglich, einen Ausgleich in Bezug auf das Bezugspotential zwischen den elektrischen Potentialen des ersten und des zweiten Bordnetzes zu realisieren.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das erste elektrische Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Minuspotential ist, das an ein Minuspotential des ersten Bordnetzes angeschlossen ist, und wenn das zweite elektrische Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Pluspotential ist, das an ein Pluspotential des zweiten Bordnetzes angeschlossen ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die elektrischen Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes durch die über den Gleichspannungszwischenkreis verketteten ersten und zweiten getakteten Energiewandler voneinander elektrisch getrennt sind. Dies erlaubt es, die elektrischen Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes nahezu unabhängig voneinander einstellen zu können.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn auch nach Auftreten der Störung der Energiekoppler die elektrischen Potentiale derart steuert, dass die Potentialdifferenzen in Bezug auf das Bezugspotential möglichst gleich groß sind. Vorzugsweise werden die Potentialdifferenzen mittels des Energiekopplers symmetrisch in Bezug auf das Bezugspotential eingestellt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass bei einer Störung in einem der Bordnetze die Beaufschlagung der Isolationseinrichtung im Bereich des anderen der Bordnetze weiterhin im Wesentlichen gleichmäßig erfolgen kann. Unzulässige Überlastungen der Isolationseinrichtung im ungestörten Bordnetz können dadurch weitgehend vermieden werden.
Die Erfindung erlaubt es also, einen Isolationsfehler beziehungsweise eine Störung, insbesondere bei dem der Bordnetze, welches mit einer höheren elektrischen Gleichspannung beaufschlagt ist, zu erkennen und einen Potentialversatz bei einer Störung in diesem Bordnetz so auszuregeln, sodass das andere der Bordnetze möglichst wenig beeinträchtigt wird, insbesondere die Isolationseinrichtung bei diesem der Bordnetze.
Darüber hinaus ist es natürlich möglich, die Isolationseinrichtung mithilfe eines anderen Steuergerätes zu überwachen, welches zum Beispiel eine Spannungsmessung beziehungsweise eine Isolationsmessung durchführen kann. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn eine Überwachungseinrichtung genutzt wird, die eine möglichst schnelle Verfahrensführung erlaubt, sodass etwaige Auswirkungen aufgrund der Störung möglichst schnell erkannt und beseitigt werden können. Dadurch kann eine Gefahr für eine Überlastung der Isolationseinrichtung möglichst gering gehalten werden. Darüber hinaus kann die elektrische Sicherheit gerade bei Einsatz der Erfindung im Bereich „Hochvolt“ vorteilhaft genutzt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten bidirektionalen Energiekoppler gemäß dem Stand der Technik, der für einen Einsatz bei unterschiedlichen Spannungslagen von angeschlossenen Bordnetzen ausgebildet ist,
2 Ein schematisches Prinzipschaltbild für den Energiekoppler gemäß 1, wobei ein Isolationsfehler als Störung bei einem der angeschlossenen Bordnetze aufgetreten ist,
3 Ein schematisches Spannungs-Diagramm für den Energiekoppler gemäß 1, welches elektrische Potentiale der Bordnetze in Bezug auf eine Fahrzeugmasse nach Auftreten des Isolationsfehlers darstellt,
4 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten bidirektionalen Energiekoppler gemäß der Erfindung, der für einen Einsatz bei unterschiedlichen Spannungslagen von angeschlossenen Bordnetzen ausgebildet ist,
5 Ein schematisches Spannungs-Diagramm für den Energiekoppler gemäß 4,
6 Ein schematisches Prinzipschaltbild für den Energiekoppler gemäß 4, wobei ein Isolationsfehler als Störung bei einem der angeschlossenen Bordnetze aufgetreten ist,
7 Ein schematisches Spannungs-Diagramm für den Energiekoppler gemäß 6, welches elektrische Potentiale der Bordnetze in Bezug auf eine Fahrzeugmasse nach Auftreten des Isolationsfehlers gemäß einer ersten Ausgestaltung darstellt,
8 Ein schematisches Spannungs-Diagramm für den Energiekoppler gemäß 6, welches elektrische Potentiale der Bordnetze in Bezug auf eine Fahrzeugmasse nach Auftreten des Isolationsfehlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung darstellt,
9 Eine schematische Diagrammdarstellung einer ersten Gleichspannung an einem ersten Bordnetz gemäß 6,
10 Eine schematische Diagrammdarstellung einer Zwischenkreisgleichspannung an einem Gleichspannungszwischenkreis gemäß 6,
11 Eine schematische Diagrammdarstellung einer zweiten Gleichspannung an einem zweiten Bordnetz gemäß 6,
12 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Pluspotentials der ersten Gleichspannung gemäß 6,
13 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Minuspotentials der ersten Gleichspannung gemäß 6,
14 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Pluspotentials der zweiten Gleichspannung gemäß 6, und
15 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Minuspotentials der zweiten Gleichspannung gemäß 6.

1 zeigt einen Energiekoppler 10 gemäß dem Stand der Technik, der zum Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung U₁ beaufschlagten ersten Bordnetzes 12 mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung U₂ beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz 14 dient. Der Energiekoppler 10 weist einen getakteten Energiewandler 16 auf, der vorliegend ein bidirektionaler Energiewandler ist, der sowohl eine Hochsetzstellfunktion als auch eine Tiefsetzstellfunktion bereitstellen kann.
Zu diesem Zweck umfasst der getaktete Energiewandler 16 vier Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38, die vorliegend durch Metaloxide- Semiconductor-Field-Effect-Transistoren (MOSFET) gebildet sind, die nach Art einer H-Brückenschaltung verschaltet sind. Die H-Brückenschaltung umfasst ferner eine Induktivität 30, die der Energiewandlung dient. Der getaktete Energiewandler 16 ist dem Grunde nach eine bekannte Schaltungstopologie, weshalb zu Ausführungen bezüglich der Funktionalität dieser Schaltung auf den diesbezüglichen Stand der Technik verwiesen wird.
Der Energiekoppler 10 ist in einem Metallgehäuse 18 angeordnet, welches elektrisch leitend mit einer Fahrzeugmasse 20 eines nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, vorliegend ein Elektrofahrzeug, verbunden ist. Alternativ kann es sich bei dem Kraftfahrzeug aber auch um ein Hybridfahrzeug oder dergleichen handeln.
Mit einem Anschluss ist der getaktete Energiewandler 16 an das erste Bordnetz 12 und mit einem zweiten Anschluss an das zweite Bordnetz 14 angeschlossen. Die erste und die zweite elektrische Gleichspannung U₁, U₂, sind unterschiedlich. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die elektrische Gleichspannung U₁ etwa 800 V beträgt, wohingegen die elektrische Gleichspannung U₂ etwa 400 V beträgt. Die erste und die zweite elektrische Gleichspannung U₁, U₂ sind mittels einer nicht weiter dargestellten elektrischen Isolationseinrichtung elektrisch isoliert gegenüber einer Fahrzeugmasse 20. Die elektrische Isolationseinrichtung ist dabei an die Beaufschlagung mit der jeweiligen der elektrischen Gleichspannungen U₁, U₂ angepasst ausgebildet, das heißt, für das erste Bordnetz 12 ist eine Isolationsfähigkeit von mindestens etwa 800 V vorgesehen, wohingegen für das zweite Bordnetz 14 eine Isolationsfähigkeit von mindestens etwa 400 V vorgesehen ist.
Anschlussseitig umfasst der Energiekoppler 10 jeweilige Stützkondensatoren 26, 28. Mit dem getakteten Energiewandler 16 kann somit durch geeignete Taktmuster für die Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38 eine vorgegebene Energiewandlung erreicht werden. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38 mittels einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit in geeigneter Weise im Taktbetrieb gesteuert.
Zum Zwecke der Funkentstörung sind Y-Kondensatoren 22 vorgesehen, wobei jedes der elektrischen Potentiale HV₁+, HV- sowie HV₂+ im Bereich des Anschlusses an das jeweilige der Bordnetze 12, 14 über einen jeweiligen Y-Kondensator 22 mit dem Gehäuse 18 elektrisch leitend verbunden ist. Parallel zu jedem der Y-Kondensatoren 22 ist mittels eines elektrischen Widerstands 24 ein jeweiliger Isolationswiderstand dargestellt.
Wie 1 zeigt, wird bei galvanisch gekoppelten Energiekopplern, wie dem Energiekoppler 10, der vorliegend als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, eines der verwendeten elektrischen Potentiale, hier HV-, direkt von einem der Bordnetzanschlüsse zu dem anderen der Bordnetzanschlüsse durchgeschleift. Die jeweilige mittels des Energiekopplers 10 erreichbare Spannungsanpassung betrifft also lediglich die entsprechenden Hochvoltpotentiale HV+ der ersten und der zweiten elektrischen Gleichspannung U₁, U₂. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit sind zumindest bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen sämtliche Hochvoltpotentiale von Niedervoltpotentialen, insbesondere von der Fahrzeugmasse 20, elektrisch getrennt beziehungsweise isoliert. Eine elektrische Verbindung besteht daher lediglich über die Y-Kondensatoren 22 sowie die elektrischen Widerstände 24, die die Isolationswiderstände repräsentieren.
Durch die Y-Kondensatoren 22 sowie die elektrischen Widerstände 24, die in der Regel die gleichen Werte aufweisen, liegt das elektrische Potential der Fahrzeugmasse 20 bei einem Hochvolt-System normalerweise im Wesentlichen etwa zwischen den beiden Hochvolt-Potentialen HV- und HV+. Bei einem galvanisch gekoppelten Energiekoppler, wie dem Energiekoppler 10 gemäß 1, wird jedoch eine Unsymmetrie innerhalb der Fahrzeugmasse 20 erzeugt. Dies kann dazu führen, dass sich die Y-Kondensatoren 22 ungleichmäßig Aufladen, Isolationsüberwachungen gestört werden und sich im ungünstigsten Fall sogar unterschiedliche Massepotentiale innerhalb der Fahrzeugmasse 20 ausbilden können. Dadurch können hohe elektrische Spannungen zwischen unterschiedlichen elektrischen Einrichtungen, beispielsweise deren Gehäusen oder dergleichen vorliegen, wodurch zum Beispiel ein permanenter elektrischer Strom, zum Beispiel über eine Potentialausgleichsleitung oder eine Schirmung, insbesondere von mit Hochvolt beaufschlagten Leitungen, bewirkt werden kann.
2 zeigt den Energiekoppler 10 gemäß 1, wobei im Bereich des ersten Bordnetzes 12 ein Isolationsfehler 58 als Störung aufgetreten ist. 3 zeigt beispielhaft in einem schematischen Spannungsdiagramm für den Energiekoppler 10 gemäß 2, wie sich die unterschiedlichen elektrischen Potentiale aufgrund des Isolationsfehlers 58 einstellen können. Durch den Isolationsfehler 58 zwischen dem elektrischen Pluspotential HV₁+ des ersten Bordnetzes 12 und der Fahrzeugmasse 20 ergibt sich eine Potentialverschiebung bezüglich des gemeinsamen Minuspotentials HV-, sodass eine Isolationsspannung U_Iso zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem gemeinsamen Minuspotential HV- etwa -800 V beträgt.
Aufgrund des gemeinsamen Minuspotentials HV- wirkt sich dies auch im zweiten Bordnetz 14 aus, indem die beiden Potentiale HV₂+ und HV- entsprechend verschoben werden. Die Isolationsspannung des Pluspotentials HV₂+ gegenüber der Fahrzeugmasse 20 beträgt nun -400 V und die Isolationsspannung U_Iso des Minuspotentials HV-, so wie bei dem ersten Bordnetz 12, -800V. Hierfür ist die Isolationseinrichtung jedoch nicht ausgelegt, weshalb hier weitere Schäden aufgrund einer Überlastung der Isolationseinrichtung zu befürchten sind.
4 zeigt nun einen Energiekoppler 50 gemäß der Erfindung, mit dem die vorgenannten Probleme vermieden werden können. Der Energiekoppler 50 der Erfindung umfasst einen zweiten getakteten Energiewandler 56, der hinsichtlich seiner Schaltungsstruktur dem getakteten Energiewandler 16, wie er bereits anhand von 1 erläutert wurde, entspricht. Entsprechend ist eine H-Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern 42, 44, 46, 48 vorgesehen, wobei die H-Brückenschaltung eine Induktivität 40 zum Zwecke der Realisierung der Wandlungsfunktion umfasst.
Der erste und der zweite getaktete Energiewandler 16, 56 weisen jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss auf, wobei der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers 16 an das erste Bordnetz 12 und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers 56 an das zweite Bordnetz 14 angeschlossen ist. Die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers 16, 56 sind an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 54 angeschlossen.
Die Schaltungstopologie des Energiekopplers 50 gemäß der Erfindung sieht vor, dass ein erstes elektrisches Potential 68 des Gleichspannungszwischenkreises 54 mittels des ersten getakteten Energiewandlers 16 mit einem der elektrischen Potentiale HV₁ des ersten Bordnetzes 12 und ein zweites elektrisches Potential 66 des Gleichspannungszwischenkreises 54 mittels des zweiten getakteten Energiewandlers 56 mit einem der elektrischen Potentiale HV₂ zweiten Bordnetzes 14 elektrisch verbunden ist.
Der Gleichspannungszwischenkreis 54 umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator 52, an dem eine Zwischenkreisgleichspannung Uz anliegt. Die weiteren Elemente bezüglich der Y-Kondensatoren 22, den elektrischen Widerständen 24, dem Gehäuse 18 sowie der Fahrzeugmasse 20 und der Bordnetze 12, 14 entsprechen dem, was bereits anhand von 1 zuvor erläutert wurde, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Der Energiekoppler 50 gemäß 4 ist ausgebildet, das erste und das zweite Bordnetz 12, 14 bidirektional elektrisch zu koppeln. Darüber hinaus ist der Energiekoppler 50 gemäß 4 ausgebildet, in jede der Kopplungsrichtungen sowohl als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller betrieben werden zu können. Dies kann durch die nicht dargestellte Steuereinheit erreicht werden, die die Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38 des ersten getakteten Energiewandlers 16 sowie die weiteren Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 des zweiten getakteten Energiewandlers 56 in entsprechender Weise im Taktbetrieb betreibt. Der Energiekoppler 50 ist somit zweistufig aufgebaut, nämlich hinsichtlich des Energieflusses durch die beiden getakteten Energiewandler 16, 56. Alternativ kann an deren Stelle jedoch ein jeweiliger Energiewandler für eine unidirektionale Energiekopplung und/oder nur für Hoch- und/oder Tiefsetzstellen vorgesehen sein. Die Schaltungsstruktur der Energiewandler kann dann entsprechend angepasst werden.
Aufgrund des speziellen Aufbaus des Energiekopplers 50 braucht keines der elektrischen Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes 12, 14 durch den Energiekoppler 50 hindurchgeschleift zu werden. An dieser Stelle unterscheidet sich die Schaltungstopologie daher deutlich von der, wie sie in Bezug auf den Stand der Technik gemäß 1 erläutert wurde. Dadurch können bei dem Energiekoppler 50 nämlich die HV-Potentiale nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden. In der in 4 dargestellten Schaltungstopologie wird mittels des ersten getakteten Energiewandlers 16 das elektrische Potential HV₁+ des ersten Bordnetzes 12 und mittels des zweiten getakteten Energiewandlers 56 das elektrische Potential HV₂- des Bordnetzes 14 eingestellt. Je nach Bedarf und Anwendung kann die Schaltungstopologie jedoch entsprechend variiert werden.
Die Auswirkungen bezüglich des Potentialverlaufs durch den Energiekoppler 50 hindurch sind anhand von 5 schematisch dargestellt. Aus 5 ist ersichtlich, dass bei dem Energiekoppler gemäß 4 Massebezüge auf den Anschlussseiten zu den Bordnetzen 12, 14 im Wesentlichen dem gleichen elektrischen Potential entsprechen. Ein geringer Versatz zwischen den elektrischen Potentialen kann auf den Zwischenkreiskondensator 52 zurückgeführt werden und braucht sich an den Anschlüssen an die Bordnetze 12, 14 nicht auszuwirken. Ein Einfluss aufgrund einer Unsymmetrie in der Fahrzeugmasse 20 bezüglich der Hochvoltpotentiale innerhalb des Energiekopplers 50 kann dadurch sehr gering, insbesondere vernachlässigbar klein gehalten werden, insbesondere indem die Y-Kondensatoren 22 zum Gehäuse 18 deutlich reduziert werden können und indem die Isolationswiderstände 24 im Inneren des Gehäuses 18 wesentlich größer gehalten werden können als an den Anschlüssen. Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch größere Abstände von spannungsführenden Teilen des Energiekopplers 50 zum Gehäuse 18.
6 zeigt den Energiekoppler 50 gemäß 4, wobei auch hier im Bereich des ersten Bordnetzes 12 ein Isolationsfehler 58 als Störung aufgetreten ist. 7 zeigt beispielhaft in einem schematischen Spannungsdiagramm für den Energiekoppler 50 gemäß 6, wie sich die unterschiedlichen elektrischen Potentiale aufgrund des Isolationsfehlers 58 einstellen können. Durch den Isolationsfehler 58 zwischen dem elektrischen Pluspotential HV₁+ des ersten Bordnetzes 12 und der Fahrzeugmasse 20 wird auch eine Potentialverschiebung des Minuspotentials HV₁- bewirkt, sodass eine Isolationsspannung U_Iso zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem Minuspotential HV₁- etwa -800 V beträgt.
7 zeigt gemäß einer ersten Ausgestaltung die zur vorangegangenen Darstellung gemäß 5 gehörenden Potentialverläufe mit einer veränderten Wandlertaktung der Energiewandler 16, 56. In diesem Fall schaltet der erste Energiewandler 16 dauerhaft durch und verändert das Potential gar nicht. Der zweite Energiewandler 56 setzt das fehlerhafte Potential hoch, stellt damit die zweite Gleichspannung U₂ und vermeidet gleichzeitig ein gefährliches Ausgangspotential HV₂ -. Grundsätzlich können beide Stufen verschiedene Spannungen hochsetzen (Boost-Betrieb) oder tiefsetzen (Buck-Betrieb). Dies kann je nach aktuellem Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Gleichspannung U₁, U₂ im Fehlerfall nötig sein.
Die Isolationsspannung des Pluspotentials HV₂+ gegenüber der Fahrzeugmasse 20 beträgt nun null V und die Isolationsspannung des Minuspotentials HV₂- -400V. Hierfür ist die Isolationseinrichtung aber ausgelegt, weshalb hier keine weiteren Schäden aufgrund der Belastung der Isolationseinrichtung befürchtet zu werden brauchen.
8 zeigt in einem schematischen Spannungsdiagramm für den Energiekoppler 50 gemäß 6 in einer zweiten Ausgestaltung, wie sich die unterschiedlichen elektrischen Potentiale aufgrund des Isolationsfehlers 58 einstellen können, wenn der Energiekoppler 50 ausgebildet ist, intern, das heißt, insbesondere in Bezug auf den Gleichspannungszwischenkreis 54, mit einer größeren Zwischenkreisspannung Uz betrieben werden zu können. Dann kann sogar eine Symmetrie in Bezug auf die Fahrzeugmasse 20 für die Potentiale HV₂- und HV₂+ des zweiten Bordnetzes 14 erreicht werden. Dieser Anwendungsfall ist in 8 dargestellt. Der erste Energiewandler 16 hebt dabei das fehlerhafte HV+-Potential an. Am Gleichspannungszwischenkreis 54 kann hierfür eine höhere Spannung anliegen (hier zum Beispiel 1000 V). Der zweite Energiewandler 56 passt entsprechend das HV--Potential an.
Der hier dargestellte Fall wurde in einer Simulation nachgestellt, wie anhand der folgenden 9 bis 15 beschrieben ist. Nach 0,5s wird hier ein Isolationsfehler 58 aufgeschaltet. Die Ergebnisse bestätigen die Arbeitsweise der Erfindung.
Die 9 bis 15 zeigen schematische Diagrammdarstellungen bezüglich der Wirkung des Energiekopplers 50 gemäß 6. 9 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung einen Spannungsverlauf der ersten Gleichspannung U₁ mit einem Graphen 74. Daraus ist ersichtlich, dass die erste Gleichspannung U₁ etwa 800 V beträgt. Eine Abszisse 70 ist der Zeit zugeordnet, wohingegen eine Ordinate 72 der elektrischen Spannung in Volt zugeordnet ist. Dies gilt auch für die weiteren Diagramme.
10 zeigt in einem vergleichbaren Diagramm wie in 6 schematisch mit einem Graphen 76 einen Spannungsverlauf der Zwischenkreisspannung Uz. Aus 10 ist ersichtlich, dass sich im Mittel eine Gleichspannung von etwa 600 V bis zu einem Zeitpunkt von etwa 0,5 s einstellt. Danach beträgt die Zwischenkreisspannung Uz etwa 1000 V. 11 zeigt in einem Diagramm wie in den 9 und 10 schematisch mit einem Graphen 78 den Spannungsverlauf der zweiten Gleichspannung U₂. Es ist zu erkennen, dass sich eine Spannung in Höhe von etwa 400 V einstellt, die im Wesentlichen über den Zeitverlauf konstant ist.
Die 12 bis 15 zeigen in schematischen Diagrammen wie die 9 bis 11 Spannungsverläufe, wie sie sich bezüglich der verschiedenen Hochvoltpotentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes 12, 14 gegenüber der Fahrzeugmasse 20 einstellen. Zum Zeitpunkt 0,5 s tritt der Isolationsfehler 58 im Bereich des ersten Bordnetzes 12 auf.
12 zeigt mittels eines Graphen 80 eine Spannung zwischen dem elektrischen Potential HV₁+ des ersten Bordnetzes 12 und der Fahrzeugmasse 20. Zu erkennen ist, dass sich bis zum Zeitpunkt 0,5 s eine Spannung von etwa 400 V einstellt. Dann springt das elektrische Potential HV₁+ auf null V aufgrund der Störung. 13 zeigt eine Darstellung wie 12, wobei sich hier jedoch eine elektrische Spannung des ersten Bordnetzes 12 zwischen dem elektrischen Potential HV₁- zur Fahrzeugmasse 20 einstellt. Zu erkennen ist, dass sich bis zum Zeitpunkt 0,5 s eine elektrische Spannung von etwa - 400 V einstellt. Dies ist mit einem Graphen 82 dargestellt. Danach springt die elektrische Spannung auf etwa -800 V.
Die 14 und 15 beziehen sich auf die entsprechende Darstellung bezüglich des zweiten Bordnetzes 14. Entsprechend den Diagrammen gemäß der 12 und 13 ist in 14 mit einem Graphen 84 schematisch die elektrische Spannung zwischen dem elektrischen Potential HV₂+ und der Fahrzeugmasse 20 sowie in 15 mit einem Graphen 86 schematisch der Spannungsverlauf des elektrischen Potentials HV₂- in Bezug auf die Fahrzeugmasse 20 dargestellt. Der Graph 84 zeigt, dass sich eine Spannung von etwa 200 V einstellt. Aus 15 ist mit dem Graphen 86 ersichtlich, dass sich eine Spannung von etwa - 200 V einstellt. Die elektrischen Potentiale HV₂+ und HV₂-sind also - bis auf eine kleine Abweichung im Bereich von etwa 0,5 s - im Wesentlichen unverändert konstant.
Die 9 bis 15 zeigen also, dass sich unabhängig von einer Störung bei der ersten Gleichspannung U₁ die zweite Gleichspannung U₂ hinsichtlich ihrer elektrischen Potentiale symmetrisch zur Fahrzeugmasse 20 als Bezugspotential einstellen lässt.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Energiekoppler
12: erstes Bordnetz
14: zweites Bordnetz
16: Energiewandler
18: Gehäuse
20: Fahrzeugmasse
22: Y-Kondensator
24: Widerstand
26: Stützkondensatoren
28: Stützkondensatoren
30: Induktivität
32: Halbleiterschalter
34: Halbleiterschalter
36: Halbleiterschalter
38: Halbleiterschalter
40: Induktivität
42: Halbleiterschalter
44: Halbleiterschalter
46: Halbleiterschalter
48: Halbleiterschalter
50: Energiekoppler
52: Zwischenkreiskondensator
54: Gleichspannungszwischenkreis
56: Energiewandler
58: Isolationsfehler
60: Energiekoppler
62: Energiekoppler
64: Energiekoppler
66: Potential
68: Potential
70: Abszisse
72: Ordinate
74: Graph
76: Graph
78: Graph
80: Graph
82: Graph
84: Graph
86: Graph

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/010693 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung (U₁) beaufschlagten ersten Bordnetzes (12) und eines mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung (U₂) beaufschlagten zweiten Bordnetzes (14), wobei das erste und das zweite Bordnetz (12, 14) mittels eines einen ersten getakteten Energiewandler (16) aufweisenden Energiekopplers (50) elektrisch gekoppelt werden, wobei die erste und die zweite elektrische Gleichspannung (U₁, U₂) mittels einer elektrischen Isolationseinrichtung gegenüber einem elektrischen Bezugspotential (20) elektrisch isoliert sind und die elektrische Isolationseinrichtung überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bordnetz (12, 14) mittels des Energiekopplers (50) galvanisch gekoppelt werden, wobei bei einer Störung der Isolationseinrichtung in einem Bereich eines der beiden Bordnetze (12, 14) der Energiekoppler (50) elektrische Potentiale des jeweiligen anderen der beiden Bordnetze (12, 14) derart steuert, dass jeweilige Potentialdifferenzen von diesen elektrischen Potentialen zum Bezugspotential (20) kleiner als ein vorgegebener Vergleichswert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiekoppler (50) elektrische Potentiale derart steuert, dass die Potentialdifferenzen gleich groß sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenzen mittels des Energiekopplers (50) symmetrisch in Bezug auf das Bezugspotential (20) eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nur durchgeführt wird, wenn die Störung im Bereich desjenigen der Bordnetze (12, 14) mit der größeren der ersten und der zweiten Gleichspannung (U₁, U₂) auftritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Koppeln der beiden Bordnetze (12, 14) der erste getaktete Energiewandler (16) mit der ersten elektrischen Gleichspannung (U₁) und ein zweiter getakteter Energiewandler (56) des Energiekopplers (50) mit der zweiten elektrischen Gleichspannung (U₂) beaufschlagt wird, wobei der zweite getaktete Energiewandler (56) über einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (54) mit dem ersten getakteten Energiewandler (16) elektrisch derart gekoppelt wird, dass ein erstes elektrisches Potential (68) des Gleichspannungszwischenkreises (54) mittels des ersten getakteten Energiewandlers (16) mit einem der elektrischen Potentiale (HV₁) des ersten Bordnetzes (12) und ein zweites elektrisches Potential (66) des Gleichspannungszwischenkreises (54) mittels des zweiten getakteten Energiewandlers (56) mit einem der elektrischen Potentiale (HV₂) des zweiten Bordnetzes (14) elektrisch verbunden wird