WO2011047952A1 - Überwachungseinrichtung für ein elektrisches hochspannungsnetz eines fahrzeuges - Google Patents

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WO2011047952A1
WO2011047952A1 PCT/EP2010/064725 EP2010064725W WO2011047952A1 WO 2011047952 A1 WO2011047952 A1 WO 2011047952A1 EP 2010064725 W EP2010064725 W EP 2010064725W WO 2011047952 A1 WO2011047952 A1 WO 2011047952A1
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conductor loop
monitoring device
monitoring
switches
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PCT/EP2010/064725
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Christian Dengler
Christian Kuschnarew
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates generally to electrical supply systems in vehicles and in particular a surveil ⁇ monitoring device for an electrical high-voltage system of a vehicle according to the preamble of claim 1.
  • HVIL Hazardous voltage interlock loop
  • high voltage interlock loop high voltage interlock loop
  • hybrid vehicles In vehicles with an electric drive device, ie z. B. in electric vehicles or so-called hybrid vehicles (eg., With an internal combustion engine and at least one
  • an electric supply system provided for the electric drive is usually operated with a relatively high voltage of typically a few 100 V (eg about 400 V).
  • a relatively high voltage typically a few 100 V (eg about 400 V).
  • any high-voltage power ⁇ source should be separated from the high-voltage network of the vehicle and discharge any optionally locally stored electrical energy before a person (eg. As a workshop technician) can come into contact with an otherwise live part of the high-voltage network. This can be accomplished in a simple manner with the aid of a generic monitoring device.
  • the switches arranged in the high-voltage components are designed as "mechanical switches" in the broadest sense.
  • a switch used in DE 10 2008 022 982 A1 consists of a plug connection which is forcibly disconnected in the event of an access attempt to the relevant high-voltage component (high-voltage cable connection).
  • a disadvantage of known monitoring devices of this kind is that when detecting an error case no closer information about its cause or nature can be obtained. It is an object of the present invention to provide a moni ⁇ monitoring device of the type mentioned with regard to the so ascertainable information to improve.
  • the monitoring device is characterized in that the switch as electrically controllable Switch is formed, and that the monitoring unit is further adapted to diagnose the operability of the electrically controllable switch and / or the functionality of the conductor loop and / or a fault.
  • Diagnosemög ⁇ possibilities are given in a simple manner, as will be discussed in below.
  • Such diagnoses can z. B. during commissioning and / or performed during normal monitoring operation.
  • High-voltage networks of the type of interest here generally have a plurality of components for which monitoring of the type according to the invention is expedient. Accordingly, it is most preferred if one of several components of the
  • High voltage network extending conductor loop is provided, and a plurality, each arranged in the course of the conductor loop in the components switches are provided which are opened in case of failure of the respective component to interrupt the conductor loop.
  • one of the switches is then constructed as an electrically controllable switch.
  • several, and preferably all of the switches can be designed as electrically controllable switch.
  • the switches can z. B. be designed as transistors. According to one embodiment, z. B. provided that the (at least one) electrically controllable switch is a Tran ⁇ sistor of the self-locking type. This has z. B. the advantage that in case of failure of the transistor holding in its conductive state holding this transistor automatically enters a blocking state, so that (due to the interruption of the conductor loop) the Sprintwa- unit detects a fault ("fail safe" behavior).
  • the (at least one) electrically controllable switch can be actuated via a further switch which is arranged in the same component and is sensitive to the error.
  • This additional switch can be connected in series and z. B. structurally combined with the electrically controllable switch and can in particular a mechanical switch or z. B. be a Hall sensor.
  • An additional An Tavernpfad for driving the electrically controllable switch, regardless of the switching state and the operability of the mechanical switch, is advantageous.
  • the functionality of the at least one electrically controllable switch is checked by the monitoring unit for its brief activation. If a plurality of electrically controllable switches are provided, then in particular all these switches can be tested for their functionality at the beginning of the monitoring operation. Each switch can be checked by being electrically energized to its open state for a short time, and monitoring the conductor loop to detect a corresponding break in the conductor loop. A lack of functionality of the switch is evident from the fact that the corresponding interruption of the conductor loop is omitted.
  • the conductor loop runs through a plurality of components of the high-voltage network and a plurality of the switches are designed as electrically controllable switches and is tested in an error case by sequential control of these switches on which component the conductor loop has been interrupted. In case of error, the conductor loop is interrupted. Now, if detected for sequential control of all switches that these Un ⁇ interruption when controlling a particular switch
  • the activation of the (at least one) electrically controllable switch can be effected by means of a control command transmitted via an electronic communication bus of the vehicle.
  • the components of the electrical high-voltage network are often already connected to an electronic communication bus (eg, CAN bus) for other reasons, so that the activation of the switch via this communication bus does not entail any significant additional expenditure.
  • the actuation of the (at least one) electrically controllable switch can be effected by means of (at least) one electrical line leading to the relevant component.
  • the electrical line may be provided specifically for this purpose.
  • this come for. B. lines into consideration which is used for electrical supply provided in the region of the relevant high-voltage component electrical device, which is normally supplied continuously, however can also be switched off for a short time without any problems.
  • Fig. 1 is a block diagram illustrating a trained in a conventional manner monitoring device for a high voltage electrical network of a motor vehicle
  • Fig. 2 is a representation corresponding to FIG. 1 of a trained in accordance with the invention system.
  • an electronic control unit 10 is shown, which z. B. for controlling the operation of an electric motor 12 and / or a (not shown) internal combustion engine of a hybrid vehicle is used.
  • the vehicle includes an electrical high-voltage network with associated high voltage components, of which in the example shown, the electric motor 12, such a high-voltage component is ⁇ represents (z. B. having about 400 V operated). Further, not shown components of the high voltage network are z.
  • the high-voltage electric source ⁇ traction battery
  • possible other electrical machines such as the electric motor 12, these associated electrical converters, electrical connectors (for carrying a high voltage cable) etc.
  • HVIL monitoring device comprising
  • the conductor loop 16 is connected ⁇ extends from a port 20 of the surveil ⁇ monitoring unit 18, which is also connected to an electrical supply potential Ubat (z. B. 14 V) is connected via a first resistor Rl, further via the high voltage components 14 and 12, to a terminal 22 of the monitoring unit 18, which terminal 22 is connected via a second resistor R2 to an electrical ground GND (0 V).
  • the monitoring unit 18 is electrically powered.
  • the resistance values of R1 and R2 are chosen to be equal.
  • the potential at port 22 is normally 0.5 x Ubat. It can then z.
  • this potential may be monitored by the monitoring unit 18 to determine if an upper threshold of e.g. B. 2/3 x Ubat exceeded or below threshold of z. B. 1/3 x Ubat is exceeded.
  • the monitoring unit 18 outputs fault signals fl, f2 and f3 to a driver unit 24, a driver unit 26 and a discharge unit 28.
  • the driver unit 24 provides for the control (eg PWM control) of switching elements of a DC / AC converter for providing phase currents for the electric motor 12 designed as a multi-phase three-phase motor.
  • control eg PWM control
  • the driver unit 26 provides drive signals for a
  • DC / DC converter ready, by means of which a transfer of electrical energy between the high-voltage network and a low-voltage network (voltage Ubat) is accomplished.
  • the discharge unit 28 is normally inactive.
  • the driver units 24 and 26 are deactivated, that is, in particular the electric motor 12 "abge ⁇ switches", and the discharge unit 28 is activated, which via terminals 30 and 32, a decoupling of the (not shown) traction battery from the high-voltage network and a rapid, but controlled discharge of a DC link capacitor of the high voltage network is effected.
  • the normally high-voltage lines of the high-voltage network after a short time are safe.
  • the switches S12 and S14 are designed as mechanical switches in the broadest sense. Each access attempt on the relevant high voltage component 12 or 14 provides an "event of a fault" and leads to a separation of the two depending ⁇ assi switch contacts. With regard to the design of the switches S12 and S14, the arrangement shown in Fig. 1 of conventional type.
  • Fig. 1 also housed in the control unit 10 temperature measuring unit 34 can be seen, over two electrical lines with a temperature sensor 36 (temperature-dependent resistor) is connected.
  • a temperature sensor 36 temperature-dependent resistor
  • a disadvantage of the system shown in Fig. 1 is that no further Informa ⁇ functions can be determined by the monitoring unit 18, apart from the existence of an error case (Interr ⁇ calculation of the conductor loop 16).
  • An electronic control unit 10 shown in FIG. 2 has substantially the same structure and the same function as the control unit already described above with reference to FIG. 1. However, the monitoring unit 18 has further described below, extended diagnostic options. An essential difference to the already described above
  • Embodiment is that the switches S12 and S14 as electrically controllable switch (here: self-locking FETs) are formed.
  • the electrical control of the switches S12 and S14 can be effected by the control unit 10, with corresponding control signals (here: gate control signals) arranged on the respective one of the components 12 and 14, respectively Error case sensitive further switch S12 'or S14' are performed.
  • the switch S12 is thus not immediately brought into its open state, but first directly the z. B. designed as a mechanical switch or as a Hall sensor further switch S12 'in its opening state ge ⁇ introduced, whereupon the associated electrically controllable switch S12 is brought into electrical manner in its opening state, and thus the conductor loop 16 interrupts.
  • the combination here: series connection
  • the two switches S14 and S14 'in the other component 14 also works.
  • Diagnostic mode of the monitoring unit or even during the actual monitoring operation to be performed. In ⁇ sbesondere diagnoses of interest can be carried out immediately after the occurrence of a "fault situation.”
  • Switch S12 is also effected by means of a leading to the respective component, so the electric motor 12 electrical line. However, it is one of the two supply lines, which run between the temperature measuring unit 34 and the temperature sensor 36 and thus are anyway available for the temperature measurement. Switching off the temperature measurement for a short time is unproblematic and is advantageously used here for the test-wise opening of the switch S12.
  • the monitoring according to the invention at several components is performed, the invention is in principle applicable to a single component of a high voltage network.
  • the application is preferred for a plurality of components, wherein at least a part and In particular, all in the course of the conductor loop arranged in these components switch of the described, electrically controllable type can be.
  • monitoring unit 18 and that these surveil ⁇ monitoring unit 18 containing control unit 10 is shown separately from the components 12, 14 of the high-voltage network, it shall not be excluded that the monitoring unit (or even is more in the exemplary embodiment be written ⁇ circuit components, in particular a control device) are integrated in one of the components of the high voltage network or structurally summarized with such a component.
  • the electrical conductor loop 16 can be passed through all the relevant high-voltage components, which are at the potential risk of becoming a
  • the purpose for the electrical controllability modified switch can, for. B. as a self-locking
  • MOSFET switching transistors are formed and coupled in the manner described with based on a mechanical principle switches, as they are known per se from the field of HVIL monitoring devices. If a relevant high-voltage component is not connected to an electronic communication bus, there is often the possibility of an electrical controllability means of a switched power supply to an anyway (another purpose serving) device within the component in question to realize.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für ein elektrisches Hochspannungsnetz eines Fahrzeuges, umfassend eine durch wenigstens eine Komponente (12, 14) des Hochspannungsnetzes verlaufende Leiterschleife (16), einen für jede Komponente (12, 14) im Verlauf der Leiterschleife (16) angeordneten Schalter (S12, S14), der in einem Fehlerfall an der jeweiligen Komponente (12, 14) geöffnet wird, um die Leiterschleife (16) zu unterbrechen, und eine an die Leiterschleife (16) angeschlossene Überwachungseinheit (18), welche im Falle einer Unterbrechung der Leiterschleife (16) ein Fehlerfallsignal (f1-f3) ausgibt. Um die Überwachungseinrichtung hinsichtlich der damit ermittelbaren Informationen zu verbessern, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Schalter (S12, S14) als elektrisch ansteuerbarer Schalter ausgebildet ist, und dass die Überwachungseinheit (18) ferner dazu ausgebildet ist, die Funktionsfähigkeit des elektrisch ansteuerbaren Schalters (S12, S14) und/oder die Funktionsfähigkeit der Leiterschleife (16) und/oder einen Fehlerfall zu diagnostizieren.

Description

Beschreibung
Überwachungseinrichtung für ein elektrisches Hochspannungsnetz eines Fahrzeuges
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Versorgungsnetze in Fahrzeugen und insbesondere eine Überwa¬ chungseinrichtung für ein elektrisches Hochspannungsnetz eines Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Überwachungseinrichtung ist aus dem Stand der Technik auch als HVIL-Einrichtung bekannt. HVIL steht für "hazardous voltage interlock loop", manchmal auch "high voltage interlock loop" .
Bei Fahrzeugen mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, also z. B. bei Elektrofahrzeugen oder so genannten Hybridfahrzeugen (z. B. mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem
Elektromotor) , wird ein für den elektrischen Antrieb vorge- sehenes elektrisches Versorgungssystem zumeist mit einer relativ hohen Spannung von typischerweise einigen 100 V (z. B. etwa 400 V) betrieben. Vorteilhaft werden mit einer solchen "Hochspannung" elektrische Leitungsverluste reduziert. Problematisch ist jedoch das erhebliche Gefährdungspotential einer derart hohen Spannung. Daher sollte jegliche Hochspannungsenergie¬ quelle vom Hochspannungsnetz des Fahrzeuges getrennt und jegliche gegebenenfalls lokal gespeicherte elektrische Energie entladen sein, bevor eine Person (z. B. ein Werkstatttechniker) in Kontakt mit einem ansonsten spannungsführenden Teil des Hochspannungsnetzes kommen kann. Dies kann in einfacher Weise mit Hilfe einer gattungsgemäßen Überwachungseinrichtung bewerkstelligt werden. Sobald eine Person einen Zugriffsversuch im Bereich einer der Komponenten des Hochspannungsnetzes unternimmt (z. B. eine Deckelverschraubung an einer Hochspannungsbatterie löst), stellt dies einen "Fehlerfall" dar, der einen in der Komponente angeordneten Schalter öffnet, um eine durch die Komponenten verlaufende Leiterschleife zu unterbrechen. Mit einer an der Leiterschleife angeschlossenen Überwachungseinheit lässt sich jeder derartige Fehlerfall somit leicht detektieren. Ein daraufhin von der Überwachungseinheit ausgegebenes Feh¬ lerfallsignal kann sodann zur Einleitung geeigneter Gefahrenabwehrmaßnahmen genutzt werden, insbesondere z. B. für eine Trennung der Hochspannungsquelle (z. B. Traktionsbatterie in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug) vom Hochspannungsnetz.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten HVIL-Systemen sind die in den Hochspannungskomponenten angeordneten Schalter als "mechanische Schalter" im weitesten Sinne ausgebildet. Bei- spielsweise besteht ein in der DE 10 2008 022 982 AI verwendeter Schalter aus einer Steckverbindung, die bei einem Zugriffsversuch an der betreffenden Hochspannungskomponente (Hochspannungskabelverbindung) zwangsweise getrennt wird. Nachteilig ist bei bekannten Überwachungseinrichtungen dieser Art, dass bei der Detektion eines Fehlerfalles keine näheren Informationen über dessen Ursache oder Art gewonnen werden können . Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Überwa¬ chungseinrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich der damit ermittelbaren Informationen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Überwa- chungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen
Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter als elektrisch ansteuerbarer Schalter ausgebildet ist, und dass die Überwachungseinheit ferner dazu ausgebildet ist, die Funktionsfähigkeit des elektrisch ansteuerbaren Schalters und/oder die Funktionsfähigkeit der Leiterschleife und/oder einen Fehlerfall zu diagnostizieren.
Damit sind in einfacher Weise eine Reihe von Diagnosemög¬ lichkeiten gegeben, auf die unten noch eingegangen wird. Derartige Diagnosen können z. B. bei einer Inbetriebnahme und/oder während des normalen Überwachungsbetriebes durchgeführt werden.
Hochspannungsnetze der hier interessierenden Art besitzen in der Regel eine Mehrzahl von Komponenten, für die eine Überwachung der erfindungsgemäßen Art zweckmäßig ist. Dementsprechend ist es zumeist bevorzugt, wenn eine durch mehrere Komponenten des
Hochspannungsnetzes verlaufende Leiterschleife vorgesehen ist, und mehrere, jeweils im Verlauf der Leiterschleife in den Komponenten angeordnete Schalter vorgesehen sind, die in einem Fehlerfall an der jeweiligen Komponente geöffnet werden, um die Leiterschleife zu unterbrechen. In diesem Fall ist dann we¬ nigstens einer der Schalter als elektrisch ansteuerbarer Schalter ausgebildet . Insbesondere können natürlich mehrere, und bevorzugt sämtliche der Schalter als elektrisch ansteuerbare Schalter ausgebildet sein.
Die Schalter können z. B. als Transistoren ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist z. B. vorgesehen, dass der (wenigstens eine) elektrisch ansteuerbare Schalter ein Tran¬ sistor vom selbstsperrenden Typ ist. Dies besitzt z. B. den Vorteil, dass bei Ausfall einer den Transistor in seinem leitenden Zustand haltenden Ansteuerung dieser Transistor automatisch in einen sperrenden Zustand gelangt, so dass (aufgrund der Unterbrechung der Leiterschleife) die Überwa- chungseinheit einen Fehlerfall detektiert ("fail sa- fe"-Verhalten) .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der (wenigstens eine) elektrisch ansteuerbare Schalter über einen in derselben Komponente angeordneten, auf den Fehlerfall sensitiven weiteren Schalter ansteuerbar ist. Dieser weitere Schalter kann hierfür in Reihe geschaltet und z. B. baulich mit dem elektrisch ansteuerbaren Schalter zusammengefasst sein und kann insbe- sondere ein mechanischer Schalter oder z. B. ein Hallsensor sein. Ein zusätzlicher Ansteuerpfad zum Ansteuern des elektrisch ansteuerbaren Schalters, unabhängig vom Schalt zustand und von der Funktionsfähigkeit des mechanischen Schalters, ist von Vorteil .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zu Beginn eines Überwachungsbetriebes zunächst die Funktionsfähigkeit des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Schalters durch dessen kurzzeitige Ansteuerung von der Überwachungseinheit geprüft wird. Wenn mehrere elektrisch ansteuerbare Schalter vorgesehen sind, so können insbesondere alle diese Schalter zu Beginn des Überwachungsbetriebes auf ihre Funktionsfähigkeit hin geprüft werden. Jeder Schalter kann überprüft werden, indem er kurzzeitig elektrisch in seinen Öffnungszustand angesteuert wird, und anhand der Überwachung der Leiterschleife eine entsprechende Unterbrechung der Leiterschleife detektiert wird. Eine mangelnde Funktionsfähigkeit des Schalters ist daran erkennbar, dass die entsprechende Unterbrechung der Leiterschleife unterbleibt. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leiterschleife durch mehrere Komponenten des Hochspannungsnetzes verläuft und mehrere der Schalter als elektrisch ansteuerbare Schalter ausgebildet sind und in einem Fehlerfall durch sequenzielle Ansteuerung dieser Schalter geprüft wird, an welcher Komponente die Leiterschleife unterbrochen wurde. Im Fehlerfall ist die Leiterschleife unterbrochen. Wenn nun beim sequenziellen Ansteuern aller Schalter festgestellt wird, dass diese Un¬ terbrechung bei Ansteuerung eines bestimmten Schalters
(zwangsweises Schließendes Schalters) aufgehoben wird, so lässt dies den Rückschluss auf die den Fehlerfall auslösende Komponente zu .
Für die elektrische Ansteuerung der Schalter gibt es vielfältige Möglichkeiten.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ansteuerung des (wenigstens einen) elektrisch ansteuerbaren Schalters mittels eines über einen elektronischen Kommunikationsbus des Fahrzeuges übertragenen Ansteuerbefehls bewirkbar ist. In der Praxis sind die Komponenten des elektrischen Hochspannungsnetzes oftmals ohnehin bereits aus anderen Gründen an einen elektronischen Kommunikationsbus (z. B. CAN-Bus) angeschlossen, so dass die Ansteuerung des Schalters über diesen Kommunikationsbus keinen nennenswerten Mehraufwand bedeutet.
Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Ansteuerung des (wenigstens einen) elektrisch ansteuerbaren Schalters mittels (wenigstens) einer zu der betreffenden Komponente führenden elektrischen Leitung bewirkbar ist. Die elektrische Leitung kann eigens hierfür vorgesehen sein. In der Praxis führen jedoch zumeist ohnehin elektrische Leitungen zu den Komponenten des Hochspannungsnetzes, so dass unter Umständen, und sehr vorteilhaft, eine derartige ohnehin (zu einem anderen Zweck) vorhandene Leitung hierfür genutzt werden kann. Insbesondere kommen hierfür z. B. Leitungen in Betracht, welche zur elektrischen Versorgung einer im Bereich der betreffenden Hochspannungskomponente vorgesehenen elektrischen Einrichtung dient, die im Normalfall kontinuierlich versorgt wird, die jedoch problemlos auch kurzzeitig abgeschaltet werden kann. Dies ist z. B. oftmals bei Sensoren, insbesondere z. B. Temperatursensoren oder Drucksensoren möglich. Das (kurzzeitige) Abschalten der Versorgung kann dann zur Ansteuerung des Schalters genutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer nach herkömmlicher Art ausgebildeten Überwachungseinrichtung für ein elektrisches Hochspannungsnetz eines Kraftfahrzeuges, und
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten Systems.
In Fig. 1 ist ein elektronisches Steuergerät 10 dargestellt, welches z. B. zur Steuerung des Betriebes eines Elektromotors 12 und/oder einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeuges dient.
Die Art und Weise der Motorsteuerung, z. B. mittels Bestromung des Elektromotors 12 über einen von dem Steuergerät 10 an¬ gesteuerten Wechselrichter, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nebensächlich und bedarf angesichts des diesbezüglichen Stands der Technik auch keiner näheren Erläuterung. Wesentlich ist im Rahmen der Erfindung, dass das Fahrzeug ein elektrisches Hochspannungsnetz mit zugehörigen Hochspannungskomponenten aufweist, von denen im dargestellten Beispiel der Elektromotor 12 eine solche Hochspannungskomponente dar¬ stellt (z. B. mit etwa 400 V betrieben) . Weitere, nicht dargestellte Komponenten des Hochspannungsnetzes sind z. B. die elektrische Hochspannungsquelle (Traktions¬ batterie) , etwaige weitere elektrische Maschinen wie der Elektromotor 12, diesen zugeordnete elektrische Umrichter, elektrische Steckverbinder (für hochspannungsführende Kabel) etc .
In Fig. 1 ist der Einfachheit der Darstellung halber lediglich eine einzige solche weitere Komponente 14 des Hochspannungs¬ netzes eingezeichnet.
Aufgrund der von diesen Komponenten 12 und 14 ausgehenden Gefahr ist eine so genannte HVIL-Überwachungseinrichtung vorgesehen, umfassend
- eine durch die Komponenten 12 und 14 des Hochspannungsnetzes verlaufende Leiterschleife 16, - jeweils im Verlauf der Leiterschleife 16 in den Komponenten 12 und 14 angeordnete mechanische Schalter S12 bzw. S14, die in einem Fehlerfall an der jeweiligen Komponente (12 bzw. 14) geöffnet werden (vgl. in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Pfeile) , um die Leiterschleife 16 zu unterbrechen, und
- eine an die Leiterschleife 16 angeschlossene Überwachungs¬ einheit 18 zur Überwachung der Leiterschleife 16, und zur Ausgabe von Fehlerfallsignalen fl, f2 und f3 im Falle einer Unterbrechung der Leiterschleife 16.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Leiter¬ schleife 16 ausgehend von einem Anschluss 20 der Überwa¬ chungseinheit 18, der außerdem mit einem elektrischen Versorgungspotential Ubat (z. B. 14 V) verbunden ist, über einen ersten Widerstand Rl, weiter über die Hochspannungskomponenten 14 und 12, zu einem Anschluss 22 der Überwachungseinheit 18, wobei dieser Anschluss 22 über einen zweiten Widerstand R2 mit einer elektrischen Masse GND (0 V) verbunden ist.
Über den Anschluss 20 wird die Überwachungseinheit 18 elektrisch versorgt .
Durch die Anordnung der Widerstände Rl und R2 kann eine
Überwachung der Leiterschleife 16 (hinsichtlich deren Unterbrechung) in einfacher Weise durch eine Überwachung des Potentials am Anschluss 22 erfolgen: Wenn die Leiterschleife 16 nicht unterbrochen ist, d. h. sämtliche Schalter S12, S14 geschlossen sind, so besitzt dieses Potential einen Wert von R2 / (Rl + R2 ) x Ubat, wohingegen bei unterbrochener Leiterschleife 16 dieses Potential auf den Wert GND (elektrische Masse) absinkt. Vorteilhaft gestattet die dargestellte Anbindung der Leiter¬ schleife 16 auch eine Detektion eines Kurzschlusses irgendeiner Stelle der Leiterschleife 16 zum Versorgungspotential Ubat hin. In diesem Fall steigt auch das Potential am Anschluss 22 auf Ubat .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Widerstandswerte von Rl und R2 gleich groß gewählt sind. In diesem Fall beträgt das Potential am Anschluss 22 normalerweise 0,5 x Ubat. Es kann dann z. B. dieses Potential von der Überwachungseinheit 18 daraufhin überwacht werden, ob eine obere Schwelle von z. B. 2/3 x Ubat überschritten oder eine unter Schwelle von z. B. 1/3 x Ubat unterschritten wird. Zumindest bei letzterer Unterschreitung gibt die Überwachungseinheit 18 Fehlerfallsignale fl, f2 und f3 an eine Treibereinheit 24, eine Treibereinheit 26 und einen Entladungseinheit 28 aus.
Im Normalbetrieb sorgt die Treibereinheit 24 für die Ansteuerung (z. B. PWM-Ansteuerung) von Schaltelementen eines DC/AC-Umrichters zur Bereitstellung von Phasenströmen für den als mehrphasigen Drehstrommotor ausgebildeten Elektromotor 12.
Die Treibereinheit 26 stellt Ansteuersignale für einen
DC/DC-Umrichter bereit, mittels welchem ein Transfer von elektrischer Energie zwischen dem Hochspannungsnetz und einem Niederspannungsnetz (Spannung Ubat) bewerkstelligt wird.
Die Entladungseinheit 28 ist normalerweise inaktiv.
Wenn jedoch die Fehlerfallsignale fl bis f3 zu diesen Einheiten ausgegeben werden, so werden die Treibereinheiten 24 und 26 deaktiviert, also insbesondere der Elektromotor 12 "abge¬ schaltet", und die Entladungseinheit 28 aktiviert, wodurch über Anschlüsse 30 und 32 eine Abkoppelung der (nicht dargestellten) Traktionsbatterie vom Hochspannungsnetz und eine rasche, jedoch kontrollierte Entladung eines Zwischenkreiskondensators des Hochspannungsnetzes bewirkt wird. Durch diese Maßnahmen werden die normalerweise hochspannungsführenden Leitungen des Hochspannungsnetzes nach kurzer Zeit gefahrlos.
Die Schalter S12 und S14 sind als mechanische Schalter im weitesten Sinne ausgeführt. Jeder Zugriffsversuch auf die betreffende Hochspannungskomponente 12 bzw. 14 stellt einen "Fehlerfall" dar und führt zu einer Trennung der beiden je¬ weiligen Schalterkontakte. Im Hinblick auf die Ausbildung der Schalter S12 und S14 ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung von herkömmlicher Art.
Schließlich ist in Fig. 1 noch eine im Steuergerät 10 untergebrachte Temperaturmesseinheit 34 zu erkennen, die über zwei elektrische Leitungen mit einem Temperatursensor 36 (temperaturabhängiger Widerstand) verbunden ist.
Ein Nachteil des in Fig. 1 dargestellten Systems besteht darin, dass abgesehen von der Existenz eines Fehlerfalles (Unterb¬ rechung der Leiterschleife 16) keine weitergehenden Informa¬ tionen von der Überwachungseinheit 18 ermittelt werden können.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 2 ein modifiziertes
Überwachungssystem beschrieben, welches vorteilhaft die Ermittlung weitergehender Informationen insbesondere im Fehlerfall bietet. Bei dieser Beschreibung werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.
Ein in Fig. 2 dargestelltes elektronisches Steuergerät 10 besitzt im Wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie das oben mit Bezug auf Fig. 1 bereits beschriebene Steuergerät. Die Überwachungseinheit 18 besitzt jedoch nachfolgend noch beschriebene, erweiterte Diagnosemöglichkeiten. Ein wesentlicher Unterschied zum oben bereits beschriebenen
Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Schalter S12 und S14 als elektrisch ansteuerbare Schalter (hier: selbstsperrende FETs) ausgebildet sind. Die elektrische Ansteuerung der Schalter S12 und S14 kann durch das Steuergerät 10 bewirkt werden, wobei entsprechende Ans- teuersignale (hier: Gate-Ansteuersignale ) über einen jeweiligen in derselben Komponente 12 bzw. 14 angeordneten, auf den Fehlerfall sensitiven weiteren Schalter S12' bzw. S14' geführt werden .
Wenn ein Zugriffsversuch z. B. auf die Komponente 12 unternommen wird, so wird der Schalter S12 dadurch nicht unmittelbar in seinen Öffnungszustand gebracht, sondern zunächst unmittelbar der z. B. als ein mechanischer Schalter oder als ein Hallsensor ausgebildete weitere Schalter S12' in seinen Öffnungszustand ge¬ bracht, woraufhin der zugeordnete elektrisch ansteuerbare Schalter S12 in elektrischer Weise in seinen Öffnungszustand gebracht wird und somit die Leiterschleife 16 unterbricht. In analoger Weise funktioniert auch die Verknüpfung (hier: Reihenschaltung) der beiden Schalter S14 und S14' in der anderen Komponente 14.
Die Bereitstellung der elektronisch ansteuerbaren Schalter S12 und S14 und deren Verknüpfung mit herkömmlichen mechanischen Schaltern stellt keinen nennenswerten Mehraufwand dar, eröffnet jedoch sehr vorteilhafte Diagnosemöglichkeiten. Entsprechende Diagnosen können z. B. in einem eigens hierfür vorgesehenen
"Diagnosemodus" der Überwachungseinheit, oder auch während des eigentlichen Überwachungsbetriebes durchgeführt werden. In¬ sbesondere können unmittelbar nach Auftreten eines "Fehlerfalles" durchgeführte Diagnosen von Interesse sein.
Zu Beginn eines eigentlichen Überwachungsbetriebes wird zunächst die Funktionsfähigkeit sämtlicher im Verlauf der Leiterschleife 16 angeordneten Schalter, hier also der Schalter S12 und S14, durch deren kurzzeitige Ansteuerung mit einem diese in den Öffnungszustand bringenden Ansteuersignal geprüft.
Für die Ansteuerung des Schalters S14 ist eine zu der betreffenden Komponente 14 führende elektrische Leitung L14 vorgesehen. Über diese Leitung L14 kann das den Schalter S14 testweise öffnende Signal von dem Steuergerät 10 übertragen werden, woraufhin die Überwachungseinheit 18 bei Funktionsfähigkeit des Schalters S14 eine Unterbrechung der Leiterschleife 16 feststellen wird. Falls der Schalter S14 defekt ist, so wird die Unterbrechung un- terbleiben. In dieser Weise ist vorteilhaft auch ein Kurzschluss zwischen den innerhalb der Komponente 14 zum Schalter S14 verlaufenden Leitungsabschnitten der Leiterschleife 16 defektierbar . Anhand des Elektromotors 12 ist in Fig. 2 beispielhaft eine alternative Realisierung der elektrischen Ansteuerbarkeit des betreffenden Schalters dargestellt. Die Ansteuerung des
Schalters S12 ist ebenfalls mittels einer zu der betreffenden Komponente, also dem Elektromotor 12 führenden elektrischen Leitung bewirkbar. Es handelt sich jedoch um eine der beiden Versorgungsleitungen, die zwischen der Temperaturmesseinheit 34 und dem Temperatursensor 36 verlaufen und somit ohnehin für die Temperaturmessung vorhanden sind. Ein kurzzeitiges Ausschalten der Temperaturmessung ist unproblematisch und wird hier vor- teilhaft zum testweisen Öffnen des Schalters S12 genutzt.
Durch eine sequenzielle Ansteuerung sämtlicher Schalter S12, S14 vor einem eigentlichen Überwachungsbetrieb kann somit die Funktionsfähigkeit sämtlicher Schalter geprüft werden.
Alternativ zu einer Ansteuerung der Schalter mittels einer zu der betreffenden Komponente führenden Ansteuerleitung, wie in Fig. 2 für die Schalter S12 und S14 veranschaulicht, kommt auch in Betracht, die Ansteuerung eines betreffenden Schalters mittels eines über einen elektronischen Kommunikationsbus (z. B.
CAN-Bus) des Fahrzeuges übertragenen Ansteuerbefehls zu be¬ wirken . Der Einfachheit der Darstellung von Fig. 2 halber sind für jeden der Schalter S12 und S14 jeweils vorgesehene weitere Ans¬ teuerpfade, welche eine zwangsweise Ansteuerung dieser Schalter S12 und S14 auch unter "Umgehung" der in Reihe geschalteten mechanischen Schalter S12' bzw. S14' ermöglichen, weggelassen. Tatsächlich sind bei dem in Fig. 2 dargestellten System also für jeden der Schalter, welche die Leiterschleife 16 unterbrechen können, hier also die Schalter S12 und S14, weitere Leitungen zwischen dem Steuergerät 10 und dem Steueranschluss (hier: Gate-Anschluss ) des betreffenden Schalters S12 bzw. S14 vor¬ gesehen. Über diese weiteren Ansteuerpfade lassen sich die Schalter S12 und S14 unabhängig vom Schalt zustand der mechanischen Schalter S12' bzw. S14' zwangsweise schließen. Somit besteht ein weiterer Vorteil des Systems darin, dass in einem Fehlerfall auch Diagnosemöglichkeiten hinsichtlich der Art des Fehlers gegeben sind. So kann z. B. ermittelt werden, an welcher Komponente des Hochspannungsnetzes die Leiterschleife 16 un¬ terbrochen wurde. Dies kann in einfacher Weise durch sequenzielle Ansteuerung der betreffenden Schalter, hier S12 und S14, über den "weiteren Ansteuerpfad" geprüft werden. Damit kann ein auf¬ tretender Fehler vorteilhaft lokalisiert werden. Falls die elektrische Ansteuerbarkeit der Schalter S12 und S14 nicht wie dargestellt über elektrische Ansteuerleitungen, sondern mittels einer Ansteuerbarkeit über einen elektronischen Kommunikati- onsbus zur Datenübertragung (z. B. CAN-Bus) realisiert ist, so kann insbesondere auf zusätzliche Ansteuerleitungen für die "weiteren Ansteuerpfade" verzichtet werden.
Wenngleich bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Überwachung an mehreren Komponenten (symbolisiert durch die Komponenten 12 und 14) durchgeführt wird, so ist die Erfindung prinzipiell auch für eine einzige Komponente eines Hochspannungsnetzes anwendbar. Bevorzugt ist jedoch die Anwendung für mehrere Komponenten, wobei zumindest ein Teil und insbesondere auch alle im Verlauf der Leiterschleife in diesen Komponenten angeordneten Schalter von der beschriebenen, elektrisch ansteuerbaren Art sein können. Wenngleich bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel in den Figuren die Überwachungseinheit 18 bzw. das diese Überwa¬ chungseinheit 18 enthaltende Steuergerät 10 separat von den Komponenten 12, 14 des Hochspannungsnetzes dargestellt ist, so soll keineswegs ausgeschlossen sein, dass die Überwachungs- einheit (bzw. noch weitere der im Ausführungsbeispiel be¬ schriebenen Schaltungskomponenten, insbesondere auch ein Steuergerät) in einer der Komponenten des Hochspannungsnetzes integriert bzw. baulich mit einer solchen Komponente zusam- mengefasst wird.
Zusammenfassend bietet das mit Fig. 2 veranschaulichte Über¬ wachungskonzept mit geringfügigem Mehraufwand sehr vorteilhafte Diagnosemöglichkeiten. Die elektrische Leiterschleife 16 kann durch alle relevanten Hochspannungskomponenten geführt werden, bei denen die potenzielle Gefahr besteht, dass es zu einer
Berührung von Hochspannung kommen kann. Wird die Schleife 16 geöffnet, oder kurzgeschlossen (z. B. gegen Masse oder ein positives Versorgungspotential wie Ubat), so werden geeignete Schutzmaßnahmen getroffen. Auf diese Weise wird in einer vorgegebenen Zeit ein berührungssicherer Zustand erreicht
(Spannung < 60 V) . Die hierfür zur elektrischen Ansteuerbarkeit modifizierten Schalter können z. B. als selbstsperrende
MOSFET-Schalttransistoren ausgebildet und in der beschriebenen Weise mit auf einem mechanischen Wirkungsprinzip beruhenden Schaltern gekoppelt werden, wie sie an sich aus dem Bereich von HVIL-überwachungseinrichtungen bekannt sind. Sofern eine betreffende Hochspannungskomponente nicht an einen elektronischen Kommunikationsbus angeschlossen ist, besteht oftmals die Möglichkeit, eine elektrische Ansteuerbarkeit mittels einer geschalteten Spannungsversorgung einer ohnehin (einem anderen Zweck dienenden) Einrichtung innerhalb der betreffenden Komponente zu realisieren.

Claims

Uberwachungseinrichtung für ein elektrisches Hochspannungsnetz eines Fahrzeuges, umfassend
- eine durch wenigstens eine Komponente (12, 14) des Hochspannungsnetzes verlaufende Leiterschleife (16),
- einen für jede Komponente (12, 14) im Verlauf der Lei¬ terschleife (16) angeordneten Schalter (S12, S14), der in einem Fehlerfall an der jeweiligen Komponente (12, 14) geöffnet wird, um die Leiterschleife (16) zu unterbrechen, und
- eine an die Leiterschleife (16) angeschlossene Überwa¬ chungseinheit (18) zur Überwachung der Leiterschleife (16), und zur Ausgabe eines Fehlerfallsignals (fl-f3) im Falle einer Unterbrechung der Leiterschleife (16), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Schalter (S12, S14) als elektrisch ansteuerbarer Schalter ausgebildet ist, und dass die Überwachungseinheit (18) ferner dazu ausgebildet ist, die Funktionsfähigkeit des elektrisch ansteuerbaren Schalters (S12, S14) und/oder die Funktionsfähigkeit der Leiterschleife (16) und/oder einen Feh¬ lerfall zu diagnostizieren.
Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrisch ansteuerbare Schalter (S12, S14) ein Transistor vom selbstsperrenden Typ ist.
3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei der
elektrisch ansteuerbare Schalter (S12, S14) über einen in derselben Komponenten angeordneten, auf den Fehlerfall sensitiven weiteren Schalter (S12', S14') ansteuerbar ist.
Überwachungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei der weitere Schalter (S12', S14') ein mechanischer Schalter oder eine Hallsensor ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zu Beginn eines Überwachungsbetriebes zunächst die Funktionsfähigkeit des elektrisch ansteuer¬ baren Schalters (S12, S14) durch dessen kurzzeitige Ans- teuerung von der Überwachungseinheit (18) geprüft wird.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterschleife (16) durch mehrere Komponenten (12, 14) des Hochspannungsnetzes verläuft und mehrere der Schalter (S12, S14) als elektrisch ansteuerbare Schalter ausgebildet sind und in einem Fehlerfall durch sequenzielle Ansteuerung dieser Schalter (S12, S14) geprüft wird, an welcher Komponente (12, 14) die Leiterschleife (16) unterbrochen wurde.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerung des elektrisch ans¬ teuerbaren Schalters (S12, S14) mittels einer über einen elektronischen Kommunikationsbus des Fahrzeuges übertra¬ genen Ansteuerbefehl bewirkbar ist.
Überwachungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerung des elektrisch ans¬ teuerbaren Schalters (S12, S14) mittels einer zu der betreffenden Komponente (12, 14) führenden elektrischen Leitung (L14) bewirkbar ist.
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