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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem Halbleiterschalter zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes, einer Steuereinheit zum Schalten des Halbleiterschalters und einer Überspannungsschutzeinheit, welche dazu ausgelegt ist, eine Ausgangsspannung an dem Halbleiteschalter beim Abschalten des Halbleiterschalters zum Unterbrechen der Versorgungsleitung auf einen vorbestimmten Klemmspannungswert unterhalb einer Durchbruchspannung des Halbleiterschalters zu begrenzen. Außerdem weist die Schutzschaltung eine Messeinrichtung zum Erfassen eines Stroms über die Versorgungsleitung auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterschalters, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Hochvoltbordnetze bzw. Hochvoltsysteme für Kraftfahrzeuge, beispielsweise elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge. Solche Hochvoltbordnetze weisen Hochvoltkomponenten, beispielsweise Elektromotoren, Klimaanlagen, Scheinwerfer, Hochvoltspeicher, etc. auf, welche über Versorgungsleitungen elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einem Defekt oder Fehler einer Hochvoltkomponente kann es vorkommen, dass über die zugehörige Versorgungsleitung ein Fehlerstrom in Form von einem Überstrom fließt, welcher die Versorgungsleitungen der defekten Hochvoltkomponente sowie die defekte Hochvoltkomponente selbst weiter schädigen kann.
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Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schutzschaltungen zu verwenden, welche bei Vorliegen des Überstroms auslösen und die defekte Hochvoltkomponente von dem Hochvoltbordnetz trennen können. Solche Schutzschaltungen können Halbleiterschalter aufweisen, welche zum Unterbrechen der Versorgungsleitung und damit zum Trennen der elektrischen Verbindung zwischen den Hochvoltkomponenten geöffnet bzw. ausgeschaltet werden können. Solche Halbleiterschalter ermöglichen ein präzises Auslösen bei Überstrom. Für eine einwandfreie Funktion der Schutzschaltung ist jedoch die Einhaltung gewisser Parameter des Hochvoltbordnetzes wichtig, sodass deren Diagnose wünschenswert ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hochvoltbordnetz zum Gewährleisten einer Funktionstüchtigkeit einer Schutzschaltung des Hochvoltbordnetzes auf einfache Weise diagnostizieren zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzschaltung, ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterschalters, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Schutzschaltung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs weist zumindest einen Halbleiterschalter zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes, eine Steuereinheit zum Schalten des Halbleiterschalters sowie eine Überspannungsschutzeinheit auf. Die Überspannungsschutzeinheit ist dazu ausgelegt, eine Ausgangsspannung an dem Halbleiteschalter beim Abschalten des Halbleiterschalters zum Unterbrechen der Versorgungsleitung auf einen vorbestimmten Klemmspannungswert unterhalb einer Durchbruchspannung des Halbleiterschalters zu begrenzen. Außerdem weist die Schutzschaltung eine Messeinrichtung zum Erfassen eines Stroms über die Versorgungsleitung auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, den angeschalteten Halbleiterschalter in einen Überprüfungsmodus zu versetzen und dazu den Halbleiterschalter für einen vorbestimmten, die Versorgung von Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes über die Versorgungsleitung nicht beeinflussenden Zeitraum abzuschalten. Die Messeinrichtung ist dazu ausgelegt, einen ersten Stromwert zu Beginn des Zeitraumes und einen zweiten Stromwert am Ende des Zeitraumes zu erfassen. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, anhand des ersten und des zweiten Stromwertes sowie des vorbestimmten Zeitraumes einen Stromgradienten zu bestimmen, anhand des Stromgradienten sowie des Klemmspannungswertes eine Induktivität des Hochvoltbordnetzes zu bestimmen und anhand der bestimmten Induktivität einen Fehler in dem Hochvoltbordnetz zu erkennen.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterschalters, welcher zum Unterbrechen einer Versorgungsleitung eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Bei dem Verfahren wird der angeschaltete Halbleiterschalter in einen Überprüfungsmodus durch Abschalten des Halbleiterschalters für einen vorbestimmten, die Versorgung von Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes über die Versorgungsleitung nicht beeinflussenden Zeitraum überführt. Beim Ausschalten wird eine Ausgangsspannung an dem Halbleiteschalter auf einen vorbestimmten Klemmspannungswert unterhalb einer Durchbruchspannung des Halbleiterschalters begrenzt. Zu Beginn des Überprüfungsmodus, als beispielsweise kurz vor oder kurz nach dem Ausschalten des Halbleiterschalters, wird ein erster Stromwert eines Stromes über die Versorgungsleitung erfasst. Am Ende des Überprüfungsmodus wird ein zweiter Stromwert über die Versorgungsleitung erfasst. Schließlich werden ein Stromgradient anhand des ersten und des zweiten Stromwertes sowie des vorbestimmten Zeitraumes und eine Induktivität des Hochvoltbordnetzes anhand des Stromgradienten sowie des Klemmspannungswertes bestimmt. Anhand der bestimmten Induktivität wird ein Fehler in dem Hochvoltbordnetz erkannt.
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Das Hochvoltbordnetz kann eine Vielzahl von Hochvoltkomponenten, beispielsweise einen Hochvoltakkumulator bzw. eine Hochvoltbatterie, einen Elektromotor, eine Klimaanlage, einen Scheinwerfer, etc. aufweisen. Dazu können erste Pole, beispielsweise Pluspole, der Hochvoltkomponenten über jeweils eine erste elektrische Versorgungsleitung elektrisch miteinander verbunden sein und zweite Pole, beispielsweise Minuspole, der Hochvoltkomponenten über jeweils eine zweite elektrische Versorgungsleitung elektrisch miteinander verbunden sein.
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Die Schutzschaltung, welche den zumindest einen Halbleiterschalter („Solid State Circuit Breaker“- SSCB) aufweist, kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, die Hochvoltkomponenten allpolig oder einpolig zu trennen. Zum allpoligen Trennen ist zumindest ein Halbleiterschalter in jeder der Versorgungsleitungen angeordnet. Zum einpoligen Trennen ist zumindest ein Halbleiterschalter in einer der Versorgungsleitungen angeordnet. Auch kann die Schutzschaltung dazu ausgelegt sein, die jeweilige Versorgungsleitung unidirektional oder bidirektional zu trennen. Beim bidirektionalen Unterbrechen kann die Schutzschaltung einen Stromfluss in beide Richtungen unterbinden. Beim unidirektionalen Unterbrechen kann die Schutzschaltung einen Stromfluss in nur eine Richtung unterbinden. Zum bidirektionalen Trennen kann die Schutzschaltung zumindest zwei antiserielle Halbleiterschalter aufweisen. Auch kann es sein, dass eine Versorgungsleitung aufgrund hoher Stromanforderungen eine Parallelschaltung mehrerer Halbleiterschalter aufweist.
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Der zumindest eine Halbleiterschalter ist vorzugsweise als ein Leistungshalbleiterschalter in Form von einem IGBT („Insulated Gate Bipolar Transistor“) oder einem Leistungs-MOSFET ausgebildet. Der Halbleiterschalter umfasst einen Steueranschluss, welchem ein Steuersignal zugeführt wird. Im Falle eines IGBTs und eines Leistungs-MOSFETs wird der Steueranschluss durch eine Gate-Elektrode bzw. einen Gate-Anschluss gebildet. Der Halbleiterschalter ist insbesondere ein spannungsgesteuerter Halbleiterschalter, welchem ein Steuersignal in Form von einer Steuerspannung bzw. Gate-Spannung zugeführt wird. Um dem Steueranschluss bzw. Gate-Anschluss die Steuerspannung zuzuführen, weist die Schutzschaltung die Steuereinheit auf, welche insbesondere einen Gate-Treiber aufweist. Die Steuereinheit kann beispielsweise in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs integriert sein. Die Steuereinheit kann aber auch eigenständig sein und beispielsweise über einen Bus mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs kommunizieren. Auch kann die Steuereinheit zumindest teilweise als ASIC ausgebildet sein. Durch unterschiedliche Signalwerte des Steuersignals kann der Halbleiterschalter in unterschiedlichen Betriebsbereichen betrieben werden.
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Wenn der Signalwert, beispielsweise die Steuerspannung, oberhalb eines Grenzwertes, beispielsweise einer Grenzspannung, liegt, so wird der Halbleiterschalter in einem Einschaltbereich betrieben. Der Einschaltbereich kann auch, je nach verwendetem Halbleiterschalter, als Sättigungsbereich, Aktivbereich oder Durchsteuerbereich bezeichnet werden. In diesem Einschaltbereich leitet der Halbleiterschalter einen Strom bzw. Laststrom über die Versorgungsleitung und verbindet damit die Hochvoltkomponenten elektrisch, wobei die Ausgangsspannung des Halbleiterschalters minimal gegenüber einer Versorgungsspannung bzw. Bordnetzspannung des Hochvoltbordnetzes, beispielsweise kleiner als 2 V, ist. Die Bordnetzspannung kann beispielsweise von der Hochvoltbatterie bereitgestellt werden und beispielsweise zumindest 400 V betragen. Der Einschaltbereich entspricht einem geschlossenen bzw. angeschalteten Schaltzustand des Halbleiterschalters. Wenn der Signalwert unterhalb eines Schwellenwertes, beispielsweise einer Schwellenspannung bzw. einer Thresholdspannung, liegt, so wird der Halbleiterschalter in einem Sperrbereich bzw. Abschaltbereich betrieben. Die Steuerspannung kann zum Abschalten des Halbleiterschalters beispielsweise 0 V betragen. Der Halbleiterschalter leitet in dem Sperrbereich, bis auf einen Leckstrom, keinen Strom und unterbricht somit die Versorgungsleitung. Der Sperrbereich bzw. Sperrbetrieb entspricht einem geöffneten bzw. ausgeschalteten Schaltzustand des Halbleiterschalters, wobei in diesem Sperrbereich die Ausgangsspannung des Halbleiterschalters der Bordnetzspannung entspricht.
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Im Normalbetrieb des Hochvoltbordnetzes, in welchem die Hochvoltkomponenten elektrisch verbunden sein sollen und kein Fehlerfall, beispielsweise ein Überstrom, vorliegt, ist der Halbleiterschalter angeschaltet. Um eine Funktionstüchtigkeit der Schutzschaltung gewährleisten zu können, wird im Betrieb des Hochvoltbordnetzes ein Parameter des Hochvoltbordnetzes in Form von einer Induktivität, insbesondere einer Streuinduktivität der Versorgungsleitung, bestimmt. Anhand der Streuinduktivität kann beispielsweise eine defekte Schirmung der Versorgungsleitung erkannt werden.
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Zum Bestimmen des Parameters wird der Halbleiterschalter in den Überprüfungsmodus versetzt. Durch den Überprüfungsmodus wird der Halbleiterschalter kurzzeitig abgeschaltet, also von dem Einschaltbereich in den Sperrbereich versetzt, beispielsweise indem die Steuereinheit das Steuersignal auf den Wert unterhalb des Schwellenwertes absenkt. Der vorbestimmte Zeitraum ist insbesondere derart, insbesondere höchstens 3 µs, gewählt, dass trotz Abschalten des Halbleiterschalters eine Versorgung der Hochvoltkomponenten des Hochvoltbordnetzes über die Versorgungsleitung gewährleistet ist. Der Zeitraum ist also derart kurz, dass die Versorgung der Hochvoltkomponenten durch das Abschalten des Halbleiterschalters nicht beeinflusst wird. Das Hochvoltbordnetz „merkt“ das Abschalten des Halbleiterschalters also nicht. Nach Bereitstellen des Überprüfungsmodus wird der Halbleiterschalter wieder eingeschaltet.
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Durch Bereitstellen des ausgeschalteten Zustands des Halbleiterschalters wird die Überspannungsschutzeinheit aktiviert. Diese begrenzt während des Ausschaltens die über dem Halbleiterschalter abfallende Ausgangsspannung auf einen Wert unterhalb der Durchbruchspannung des Halbleiterschalters. Die Ausgangsspannung des Halbleiterschalters ist eine Drain-Source-Spannung bei einem Leistungs-MOSFET und eine Kollektor-Emitter-Spannung bei einem IGBT. Durch das Aktivieren der Überspannungsschutzeinheit verringert sich auch der Strom über die Versorgungsleitung. Für den Fall, dass die Versorgungsleitung dauerhaft unterbrochen wird und der Halbleiterschalter über einen längeren Zeitraum in dem abgeschalteten Zustand verbleiben soll, würde der Strom auf nahezu 0 A absinken.
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Um die Induktivität zu bestimmen, wird zunächst eine Stromdifferenz zwischen dem Strom zu Beginn des Zeitraumes, in welchem der Halbleiterschalter noch angeschaltet ist, und dem Strom am Ende des Zeitraumes, in welchem der Halbleiterschalter noch ausgeschaltet ist und sich in dem Überprüfungsmodus befindet, bestimmt. Dazu wird zu einem ersten Zeitpunkt, insbesondere beim Übergang von dem eingeschalteten Zustand in den Überprüfungsmodus, der erste Stromwert bestimmt und zu einem zweiten Zeitpunkt, insbesondere beim Übergang von dem Überprüfungsmodus in den eingeschalteten Zustand, der zweite Stromwert bestimmt. Aus dem ersten und dem zweiten Stromwert wird die Stromdifferenz bestimmt. Die Differenz des ersten und des zweiten Zeitpunktes entspricht dem Zeitraum bzw. der Zeitdauer des Überprüfungsmodus. Die Messeinrichtung kann zur Erfassung des über die Versorgungsleitung fließenden Stroms einen seriell zu dem Halbleiterschalter geschalteten Stromsensor, beispielsweise einen Strommesswiderstand, aufweisen. Der Stromgradient wird als der Quotient zwischen Stromdifferenz und Zeitraum bestimmt. Zur Bestimmung der Induktivität wird beispielsweise der Quotient aus dem Klemmspannungswert und dem Stromgradienten bestimmt. Als der Klemmspannungswert kann beispielsweise der vorbestimmte Klemmspannungswert verwendet werden. Auch kann der Klemmspanungswert während des Überprüfungsmodus durch Erfassen der Ausgangsspannung des Halbleiterschalters gemessen bzw. erfasst werden. Die Steuereinheit ist insbesondere dazu ausgelegt, zu überprüfen, ob die Induktivität innerhalb eines vorbestimmten Induktivitätsbereichs liegt, und falls die Induktivität außerhalb des Induktivitätsbereichs liegt, den Fehlerfall zu erkennen. Bei Erkennen des Fehlerfalls kann die Steuereinheit den Halbleiterschalter zum Unterbrechen der Versorgungsleitung beispielsweise dauerhaft abschalten. Auch kann die Steuereinheit, beispielsweise über einen Bus, den Fehlerfall an ein übergeordnetes Steuergerät kommunizieren. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die bestimmte Induktivität zu hoch wäre und dadurch der Halbleiterschalter beim Trennen unter Last geschädigt werden würde. So kann eine Trennung des Halbleiterschalters beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt bei geringem Laststrom erfolgen.
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Das Bestimmen der Induktivität durch Überführen des Halbleiterschalters in den Überprüfungsmodus kann auf einfache Weise, insbesondere ohne zusätzliche Hardware, erfolgen. Die Steuereinheit, die Messeinrichtung sowie die Überspannungsschutzeinheit sind üblicherweise bereits vorhanden und werden in vorteilhafter Weise mitgenutzt, um die Induktivität zu bestimmen. Darüber hinaus kann das Bestimmen der Induktivität erfolgen, ohne den Normalbetrieb des Hochvoltbordnetzes zu beeinflussen bzw. zu stören.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Hochvoltkomponenten vor dem Überführen des Halbleiterschalters in den Überprüfungsmodus in einen Betriebsmodus versetzt werden, in welchem sie eine vorbestimmte Mindestleistung beziehen bzw. nur einen vorbestimmten Anteil eines Nennstromes führen. Die Mindestleistung kann beispielsweise mindestens 50% einer Nennleistung sein, bei welcher der Laststrom möglichst konstant ist. Auch kann der Betriebsmodus dadurch gekennzeichnet sein, dass er eine geringe Stromwelligkeit zur Folge hat, um die Strommessung in dem Überprüfungsmodus nicht zu stören. Das Überprüfen der Induktivität mittels des Überprüfungsmodus des Halbleiterschalters und des eingeschränkten Betriebsmodus der Hochvoltkomponenten kann beispielsweise direkt nach dem Einschalten des Hochvoltbordnetzes oder direkt vor dem Ausschalten des Hochvoltbordnetzes erfolgen.
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Beispielsweise kann die Steuereinheit zur Bestimmung der Induktivität auch zwei Komparatoren aufweisen. Ein erster Komparator wird bei einer ersten Stromschwelle getriggert, z.B. 50% des Nennstroms. Ein zweiter Komparator wird bei einer zweiten Stromschwelle getriggert, z.B. 30% des Nennstroms. Die Steuereinheit überführt die Hochvoltkomponenten in den eingeschränkten Betriebsmodus, in welchem sie mehr als 50% des Nennstroms führen. Dann überführt sie den Halbleiterschalter in den Überprüfungsmodus, bis der zweite Komparator getriggert wird. Ein Timer der Steuereinheit misst einen Zeitwert, also eine Anzahl an Clock-Zyklen, zwischen dem Auslösen bzw. Triggern des ersten Komparators und des zweiten Komparators. Für einen gegebenen Klemmspannungswert ist der Zeitwert direkt proportional mit der Induktivität.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Überspannungsschutzeinheit eine parallel zu dem Halbleiterschalter geschaltete Klemmschaltung zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Halbleiterschalters aufweist. Die Klemmschaltung kann beispielsweise zumindest einen Varistor und/oder zumindest eine Suppressordiode aufweisen. Sobald der Halbleiterschalter abgeschaltet wird und die Ausgangsspannung am Halbleiterschalter ansteigt, wird die Klemmschaltung aktiviert, indem der zumindest eine Varistor und/oder die zumindest eine Suppressordiode leitfähig wird. Dann kommutiert der Strom auf die Klemmschaltung über. Die Klemmschaltung reduziert durch das Ableiten des Stroms auch die Ausgangsspannung an dem Halbleiterschalter und „klemmt“ diese auf den vorbestimmten Klemmspannungswert fest.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Überspannungsschutzeinheit eine auf den Steueranschluss des Halbleiterschalters wirkende Steuerschaltung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, den Halbleiterschalter beim Abschalten durch die Steuereinheit in einen Linearbetrieb zu versetzen, in welchem der Halbleiterschalter einen Strom zum Energieabbau bei Begrenzung der Ausgangsspannung auf den Klemmspannungswert leitet. Der Linearbetrieb bzw. ohmsche Bereich des Halbleiterschalters wird bereitgestellt, indem das Steuersignal mit einem Signalwert unterhalb des Grenzwertes und oberhalb des Schwellenwertes an dem Steueranschluss des Halbleiterschalters bereitgestellt wird. Dazu wirkt die Steuerschaltung auf den Steueranschluss. Die Steuerschaltung kann beispielsweise auch in die Steuereinheit integriert sein. In dem linearen Bereich verhält sich der Halbleiterschalter wie ein ohmscher Widerstand, wobei der durch den Leistungshalbleiterschalter fließende Strom abhängig von dem Signalwert des Steuersignals ist und somit begrenzt werden kann. Der lineare Bereich bzw. Linearbetrieb entspricht einem geschlossenen Zustand des Schalters mit Strom- und Spannungsbegrenzungsfunktion.
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Auch kann die Überspannungsschutzeinheit als der Halbleiterschalter selbst, ohne eine zusätzliche Beschaltung oder Steuerung oder Regelung, ausgeführt sein. Hier wird der Halbleiterschalter aufgrund des Avalanche-Effekts bzw. Lawinendurchbruchs wieder leitend, wenn die Ausgangsspannung die Durchbruchspannung überschreitet. Durch diesen leitfähigen Zustand wird die Ausgangsspannung begrenzt und wieder abgebaut.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, während des Überprüfungsmodus die Ausgangsspannung des Halbleiterschalters zu erfassen, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit der Überspannungsschutzeinheit die Ausgangsspannung mit dem vorbestimmten Klemmspannungswert zu vergleichen. Dieser gemessene Wert der Ausgangsspannung kann somit zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Überspannungsschutzeinheit als auch zur Bestimmung der Induktivität verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochvoltbordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend zumindest zwei Hochvoltkomponenten, zumindest eine die Hochvoltkomponenten elektrisch verbindende Versorgungsleitung sowie eine erfindungsgemäße Schutzschaltung oder eine vorteilhafte Ausführungsform davon. Die zumindest zwei Hochvoltkomponenten können beispielsweise eine Hochvoltbatterie, eine Klimaanlage, ein Elektromotor, ein Scheinwerfer oder dergleichen sein.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Hochvoltbordnetz. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schutzschaltung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 ein Ersatzschaltbild eines Hochvoltbordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer Schutzschaltung;
- 2a eine Darstellung eines Verlaufes von Schaltzuständen eines Halbleiterschalters der Schutzschaltung;
- 2b eine Darstellung eines Verlaufes einer Ausgangsspannung des Halbleiterschalters; und
- 2c eine Darstellung eines Verlaufs eines Stroms über eine Versorgungsleitung des Hochvoltbordnetzes.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Hochvoltbordnetzes 1 für ein hier nicht gezeigtes Kraftfahrzeug. Das Hochvoltbordnetz 1 weist eine erste Hochvoltkomponente 2 in Form von einer Hochvoltbatterie 3 sowie eine zweite Hochvoltkomponente 4 in Form von einer durch die Hochvoltbatterie 3 versorgten Last 5 auf. Die Hochvoltkomponenten 2, 4 sind über eine Versorgungsleitung 6 elektrisch verbunden. In der Versorgungsleitung 6 ist eine Schutzschaltung 7 angeordnet, welche dazu ausgelegt ist, die Hochvoltkomponenten 2, 4 abzuschalten. Die Schutzschaltung 7 weist einen hier vereinfacht dargestellten Halbleiterschalter SSCB auf, welcher dazu ausgelegt ist, die Hochvoltkomponenten 2, 4 zum Abschalten voneinander zu trennen und dazu die Versorgungsleitung 6 zu unterbrechen. Der Halbleiterschalter SSCB ist insbesondere als ein Leistungshalbleiterschalter in Form von einem Leistungs-MOSFET oder einem IGBT ausgebildet. Der Halbleiterschalter SSCB kann von einer Steuereinheit 8 in unterschiedlichen Schaltzuständen betrieben werden. Die Steuereinheit 8 kann den Halbleiterschalter SSCB in einem angeschalteten Zustand ON betreiben, in welchem der Halbleiterschalter SSCB die Versorgungsleitung 6 verbindet und einen Strom iL(t) führt, und in einem abgeschalteten Zustand OFF betreiben, in welchem der Halbleiterschalter SSCB die Versorgungsleitung 6 unterbricht. Einen beispielhaften Verlauf der Schaltzustände ON, OFF des Halbleiterschalters 6 über die Zeit t sind in 2a gezeigt.
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Darüber hinaus weist die Schutzschaltung 7 eine Überspannungsschutzeinheit 9 auf, welche hier eine parallel zu dem Halbleiterschalter SSCB geschaltete Suppressordiode 10 aufweist. Die Überspannungsschutzeinheit 9 ist dazu ausgelegt, eine über dem Halbleiterschalter SSCB abfallende Ausgangsspannung USSCB(t) beim Abschalten des Halbleiterschalters SSCB zu begrenzen. Sobald beim Abschalten des Halbleiterschalters SSCB die Ausgangsspannung USSCB(t) über eine Durchbruchspannung der Suppressordiode 10 hinaus ansteigt, wird die Suppressordiode 10 leitfähig und führt den Strom iL(t). Ein Verlauf der Ausgangsspannung USSCB(t) über die Zeit t ist in 2b gezeigt. Dabei begrenzt die Überspannungsschutzeinheit 9 die Ausgangsspannung USSCB(t) auf einen Klemmspannungswert UACPL unterhalb einer Durchbruchspannung des Halbleiterschalters SSCB. Der Klemmspannungswert UACPL ist durch die Dimensionierung der Überspannungsschutzeinheit 9, hier durch die Durchbruchspannung der Suppressordiode 10, vorgegeben.
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Auch weist die Schutzschaltung 7 eine Messeinrichtung 11 auf, welche hier einen seriell zu der Parallelschaltung aus Halbleiterschalter SSCB und Suppressordiode 10 geschalteten Strommesswiderstand 12 aufweist. Die Messeinrichtung 11 ist dazu ausgelegt, den über die Versorgungsleitung 6 fließenden Strom iL(t) zu erfassen, dessen beispielhafter Verlauf in 2c gezeigt ist. Die Steuereinheit 8 ist dazu ausgelegt, eine Induktivität L der Versorgungsleitung 6 zu bestimmen und anhand der Induktivität L einen Fehlerfall in dem Hochvoltbordnetz 1 zu erkennen, welcher sich auf die Funktionstüchtigkeit der Schutzschaltung 7 auswirken kann. Ein solcher Fehlerfall kann beispielsweise eine defekte Schirmung der Versorgungsleitung 6 sein, aufgrund welcher die Induktivität L einen vorbestimmten Maximalwert für die Induktivität L überschreitet.
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Der Halbleiterschalter SSCB wird zunächst, wie anhand 2a erkennbar, in dem angeschalteten Zustand ON betrieben, in welchem der Halbleiterschalter SSCB die Versorgungsleitung 6 elektrisch verbindet. Dann wird der Halbleiterschalter SSCB in einen Überprüfungsmodus 13 überführt, in welchem der Halbleiterschalter SSCB über einen vorbestimmten Zeitraum dt in dem ausgeschalteten Zustand OFF betrieben wird. Der Zeitraum dt führt aufgrund seiner Kürze zu keiner Unterbrechung der Stromversorgung der Last 5 durch die Hochvoltbatterie 3, eine von der Traktionsbatterie 3 bereitgestellte Bordnetzspannung UN sowie eine Spannung ULoad(t) an der Last 5 sind konstant. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 beim Überführen des Halbleiterschalters SSCB in den Überprüfungsmodus 13, also am Übergang zwischen dem eingeschalteten Zustand ON und dem Überprüfungsmodus 13, wird ein erster Stromwert IL1 des Stroms iL(t) erfasst. Durch Überführen des Halbleiterschalters SSCB in den Überprüfungsmodus 13 durch Abschalten des Halbleiterschalters SSCB steigt die Ausgangsspannung USSCB(t) über die von der Hochvoltbatterie 3 bereitgestellte Bordnetzspannung UN, beispielsweise 475 V, an. Die Überspannungsschutzeinheit 9 wird aktiviert, sodass sie die Ausgangsspannung USSCB(t) während des Überprüfungsmodus 13 auf den Klemmspannungswert UACPL, beispielsweise 625 V, begrenzt. Dann wird der Halbleiterschalter SSCB wieder in den eingeschalteten Zustand ON überführt. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2, am Übergang zwischen dem Überprüfungsmodus 13 und dem eingeschalteten Zustand ON, wird ein zweiter Stromwert IL2 des Stroms iL(t) erfasst.
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Aus dem ersten Stromwert IL1 und dem zweiten Stromwert IL2 wird eine Stromdifferenz di=IL1-IL2 bestimmt und aus der Stromdifferenz di und dem Zeitraum dt=t1-t2 wird ein Stromgradient di/dt bestimmt. Dann wird der Quotient aus dem Klemmspannungswert UACPL und dem Stromgradienten di/dt bestimmt. Dieser Quotient entspricht der Induktivität L=UACPL/(di/dt). Der Klemmspannungswert UACPL kann beispielsweise als vorbestimmt und konstant angenommen werden oder durch Messen der Ausgangsspannung USSCB(t) während der Überprüfungsmodus 13, in welchem die Ausgangsspannung USSCB(t) dem Klemmspannungswert UACPL entspricht, bestimmt werden. Durch das Messen der Ausgangsspannung USSCB(t) und Vergleichen mit dem Klemmspannungswert UACPL kann außerdem in vorteilhafter Weise überprüft werden, ob die Überspannungsschutzeinheit 9 funktionstüchtig ist.
