WO2020011458A1 - Bordnetzanordnung für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und verfahren zum überwachen einer bordnetzsymmetrie - Google Patents

Bordnetzanordnung für ein kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und verfahren zum überwachen einer bordnetzsymmetrie Download PDF

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WO2020011458A1
WO2020011458A1 PCT/EP2019/064962 EP2019064962W WO2020011458A1 WO 2020011458 A1 WO2020011458 A1 WO 2020011458A1 EP 2019064962 W EP2019064962 W EP 2019064962W WO 2020011458 A1 WO2020011458 A1 WO 2020011458A1
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electrical system
insulation resistance
voltage
system arrangement
vehicle
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PCT/EP2019/064962
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Tobias Graßl
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Audi Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/005—Testing of electric installations on transport means
    • G01R31/006—Testing of electric installations on transport means on road vehicles, e.g. automobiles or trucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/025—Measuring very high resistances, e.g. isolation resistances, i.e. megohm-meters

Definitions

  • the invention relates to an on-board electrical system arrangement for a motor vehicle, the on-board electrical system arrangement having a high-voltage energy store for providing a first high-voltage potential and a second high-voltage potential different from the first, so that a total voltage, in particular one, between the first and the second high-voltage potential HV voltage, can be tapped. Furthermore, the vehicle electrical system arrangement has a first insulation resistance between the first high-voltage potential and a predetermined electrical mass and a second insulation resistance between the second high-voltage potential and the predetermined electrical mass.
  • the invention also includes a motor vehicle, such as a method for monitoring vehicle electrical system symmetry.
  • the HV (high-voltage) electrical system of a vehicle with an electric drive typically consists of at least one HV battery with battery protectors and HV consumers, for example a pulse-controlled inverter.
  • the high-voltage on-board electrical system is implemented as an IT (Isole Terre) network and is therefore completely electrically isolated from the vehicle mass.
  • IT Isole Terre
  • Via parasitic resistances in the cables, HV consumers, the battery, etc. there is nevertheless a high-impedance connection between the positive or negative high-voltage potential and the vehicle ground, the so-called insulation resistance, or the above respective first and second insulation resistance.
  • this resistance is high-resistance, ie in the megohm range, there is no danger.
  • this insulation resistance is permanently monitored using an insulation monitor. A warning is generated if the value falls below a defined threshold and depending on the operating state, disconnect the on-board electrical system from the battery via the battery contactors and establish a safe state.
  • DE 10 2015 018 000 A1 describes a method for discharging Y capacitors in vehicles with a high-voltage electrical system, the Y capacitors being installed to suppress interference. These Y capacitances are to be discharged as quickly as possible within a predetermined period of time after the battery has been switched off or the battery has been disconnected.
  • a measuring device such as an insulation monitor, is provided, which is changed from an inactive state to an active state when the energy store, i.e. the HV battery is disconnected from the high-voltage electrical system.
  • This transfer into the active state includes in particular switching on one or more switchable elements, for example a resistor. Nevertheless, the problem still remains as to how an on-board electrical system can be provided, which allows the use of the largest possible capacities and high voltages the effective energy content can still be kept low.
  • DE 10 2013 226 595 A1 describes a device for insulation monitoring between a low-voltage network and a high-voltage network, the device being connectable both to a high-voltage plus connection and to a high-voltage minus connection and to the low-voltage network, and a plurality of electrical contacts for coupling Has monitoring connections to the high-voltage circuit by means of a high-voltage plus connection and by means of a high-voltage minus connection, which can be connected in different sections of the HV network.
  • An on-board electrical system arrangement for a motor vehicle has a high-voltage energy store for providing a first high-voltage potential, for example an HV plus potential, and a second high voltage potential different from the first, for example an HV minus potential. so that a total voltage can be tapped between the first and the second high-voltage potential.
  • the electrical system has a first insulation resistance between the first high-voltage potential and a predetermined electrical mass, for example the vehicle body.
  • the electrical system arrangement also has a second insulation resistance between the second high-voltage potential and the predetermined electrical ground.
  • the vehicle electrical system arrangement is designed symmetrically such that, at least in a certain state of the vehicle electrical system arrangement, the first insulation resistance differs from the second insulation resistor by a maximum of a predeterminable amount, the vehicle electrical system arrangement furthermore having a symmetry monitoring device which is used to monitor the vehicle electrical system symmetry is designed to check whether the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predeterminable amount, and in the event that the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predeterminable amount, to trigger a predetermined measure.
  • the essentially symmetrical design of the on-board electrical system arrangement advantageously makes it possible for the capacitors or capacitors of both poles, ie the respective high-voltage potentials, to always have a similar voltage level with respect to ground, which, given the same total HV voltage, ie between the first and second high-voltage potential, total earth capacities allowed. Since, in particular, a low effective energy is permissible, a certain degree of asymmetry can also occur depending on the design of the vehicle electrical system, for example depending on the level of the total voltage or depending on the size of the required capacities, for example for EMC filters , ie within the predeterminable measure, are tolerated.
  • the predetermined state in which the on-board power supply system is located as long as the predeterminable dimension is not exceeded can thus represent a normal state or an operational or proper state or an error-free state. Since due to defects, for example aging processes or external influences, such as an asymmetrical DC charging station, the on-board electrical system can become asymmetrical, in particular beyond this predeterminable amount, it is particularly advantageous that a symmetry monitoring device for monitoring this Electrical system symmetry is seen before. In particular, the latter can check the vehicle electrical system symmetry by repeatedly checking whether the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predeterminable amount.
  • an inadmissible asymmetry of the on-board power supply system is accordingly detected by the symmetry monitoring device, then this can advantageously trigger a predetermined measure.
  • a measure can, for example, transfer the Show order in a safe state, for example by opening the main contactors, via which the high-voltage energy storage device can be connected to the rest of the electrical system.
  • other predetermined measures are also conceivable, such as issuing a warning signal or activating a compensation mechanism, as will be described below.
  • the at least essentially symmetrical design of the on-board electrical system arrangement can be implemented in a simple manner by a symmetrical design of the on-board electrical system and the high-voltage components connected to it.
  • EMC measures such as the provision of EMC filters
  • Expensive and larger common mode chokes can thus be avoided for EMC filtering.
  • the maximum permissible capacity can be enormously increased for a given high-voltage total voltage. This simplifies the design of the complete high-voltage electrical system or the electrical system arrangement.
  • the installation space and the costs for the individual high-voltage components, for example through simpler EMC filters, and the high-voltage cabling, for example the design of the cable shield, are significantly reduced.
  • the predeterminable measure can also be defined in adaptation to the design of the system, for example the total voltage tapped between the high-voltage potentials and the total capacities present in the system and / or also represent a percentage value.
  • the symmetry monitoring device has a compensation circuit which is designed to at least partially compensate for a difference between the first insulation resistance and the second insulation resistance.
  • the predetermined measure for example by leading the vehicle electrical system arrangement to a safe state, it can advantageously be ensured that, for example, in the event of a fault, the effective energy in the earth's capacities of the vehicle electrical system arrangement does not exceed the permissible limit value.
  • an additional circuit namely the compensation circuit
  • asymmetries that advantageously occur can be actively compensated.
  • an equalization circuit can advantageously also be used for active discharge when the HV vehicle electrical system is switched off, i.e. with decoupled high-voltage energy storage, can be used by means of the active balancing circuit, which is provided by the compensating circuit, advantageously occurring asymmetries can be at least compensated to a certain extent, whereby the reliability of the system is further improved.
  • a charging process on an asymmetrical charging station does not immediately result in the high-voltage energy store being decoupled from the on-board power supply system due to the detected asymmetry by the symmetry monitoring device, but rather that an asymmetry caused by such a charging process advantageously results from the Compensation circuit can be compensated.
  • the equalization circuit can have a first current source which is connected between the first high-voltage potential and the predetermined electrical ground, and in particular also have a second current source which is between the second high-voltage potential and the predetermined electrical ground is switched.
  • Such power sources can cause earth capacities, at least when they occur Asymmetry, actively reloaded, which in turn leads to active symmetry of the electrical system arrangement.
  • Such current sources can be provided, for example, by converter devices.
  • the compensation circuit has a first variable resistor, which is connected between the first high-voltage potential and the predetermined electrical ground, and moreover, in particular, a second variable resistor, which is between the second high-voltage potential and the predetermined electrical ground is connected.
  • changeable resistances can also cause asymmetrical on-board electrical system conditions, i.e. Excessive deviations between the first and second insulation resistance can be appropriately compensated.
  • a combination of a transistor circuit and resistors can be used to implement such variable resistors. This also advantageously allows earth capacities to be reloaded when an asymmetry occurs and the on-board electrical system arrangement to be actively symmetrized.
  • Age-related asymmetries can also be compensated for by the compensation circuit.
  • this compensation circuit can accordingly also be permanently active and, for example, continuously adapt to changes in the symmetry due to aging in order to compensate for them.
  • the activation of the equalization circuit can also represent the above-mentioned predetermined measure, which is triggered in such a case by the symmetry monitoring device.
  • the symmetry monitoring device is used to check whether the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predeterminable one Dimension differs, designed to check whether there is a difference between a first potential difference between the first high-voltage potential and the predetermined electrical mass and a second potential difference between the second high-voltage potential and the predetermined electrical mass exists, exceeds a predeterminable limit value. If the first and / or second insulation resistance differ, then the respective voltages also differ between the first high-voltage potential and the ground and between the second high-voltage potential and the ground, that is to say the above-mentioned first potential difference and the second potential difference from each other. Conversely, with ideal symmetry, the first and the second potential difference would be the same.
  • the difference between these in the potential differences can thus advantageously also be used to detect a difference between the first and second insulation resistance and thus an asymmetry.
  • a corresponding limit value can easily be defined, from which an inadmissible asymmetry is deemed to be detected.
  • This predeterminable limit value can also be predetermined, for example in adaptation to the total voltage that can be tapped between the high-voltage potentials and / or in adaptation to the maximum available earth capacities.
  • This predeterminable limit value can also represent a percentage limit value, for example the first one Potential difference and the second potential difference from each other by more than 10%, for example based on the total voltage, so an impermissible asymmetry can be considered detected.
  • the total capacitance per pole ie the respective total capacitance between the HV plus potential and the mass and between the HV minus potential and the mass
  • the symmetry monitoring device ie the respective total capacitance between the HV plus potential and the mass and between the HV minus potential and the mass
  • the vehicle electrical system stored or effective energy via the voltage level ie the first potential difference and the second potential difference
  • External influences such as those caused by a DC charging station, could also be taken into account during the charging process. In this way, the asymmetry of the on-board electrical system can be detected by a simple voltage measurement.
  • the symmetry monitoring device is designed to check whether the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predetermined limit value, the first potential difference and / or the second To measure potential difference.
  • the voltage between the HV plus potential and the ground and / or between the HV minus potential and the ground can simply be measured.
  • the measurement of one of these potential differences is also sufficient, since the second can then be computed simply by subtraction using knowledge of the high-voltage total voltage, which is available between the two HV potentials.
  • the predetermined measure can be triggered again and the system can be switched off, for example.
  • the switch-off can also take place only when the voltage at a pole measured to earth, that is to say, for example, the first potential difference or the second potential difference, exceeds a predeterminable (second) limit value.
  • the limit values mentioned are selected so that the effective energy in the earth capacitors does not exceed a predetermined maximum permissible value as long as the limit values mentioned are not exceeded.
  • the on-board network arrangement has an insulation monitor.
  • this can be designed to monitor the respective insulation resistances, that is to say the first and the second insulation resistance, in particular permanently. If a defined threshold value is undershot, a warning can be generated and, depending on the operating state, the on-board electrical system arrangement can be separated from the high-voltage energy store via the battery contactors, and a safe state can thus be established.
  • Such insulation monitors can work with different measuring principles.
  • this insulation monitor is designed to monitor the first and second insulation resistance by means of a measurement principle that does not asymmetrically load the on-board electrical system arrangement.
  • Some insulation monitors are based on measuring principles, in which, for example, resistors are alternately switched between the respective HV potentials and the ground, as a result of which the total insulation resistance, ie the first and the second insulation resistance, change, asymmetrically or alternately, whatever is not desired.
  • This can advantageously be avoided by using an insulation monitor based on a symmetrical measurement principle.
  • the insulation monitor can be designed such that it applies a measurement voltage with a specific frequency to monitor the first and second insulation resistance. which does not lead to an enlargement of the difference between the first and the second insulation resistance, and thus maintains the symmetry or does not adversely affect it.
  • the insulation monitor has at least a part of the symmetry monitoring device, in particular if the symmetry monitoring device is integrated in the insulation monitor.
  • the number of additional components can thus advantageously be reduced to a minimum.
  • the voltage measurements and the optional balancing circuit can thus advantageously also be used additionally for insulation monitoring by the insulation monitor.
  • the invention also relates to a motor vehicle with an electrical system arrangement according to the invention or one of its embodiments.
  • the advantages mentioned for the vehicle electrical system arrangement and its embodiments therefore apply in the same way to the motor vehicle according to the invention
  • the invention also relates to a method for monitoring an on-board electrical system symmetry of an on-board electrical system arrangement with a high-voltage energy store for providing a first high-voltage potential and a second high voltage potential different from the first, so that a total voltage between the first and the second high voltage potential can be tapped, as well as with a first insulation resistance between the first high-voltage potential and a predetermined electrical ground, and a second insulation resistance between the second high-voltage potential and the predetermined electrical ground.
  • the vehicle electrical system arrangement is designed symmetrically in such a way that, at least in a certain state of the vehicle electrical system arrangement, the first insulation resistance differs from the second insulation resistor by a maximum of a predeterminable amount, the vehicle electrical system arrangement furthermore having a symmetry monitoring device which checks symmetry for monitoring the vehicle electrical system, whether the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predeterminable amount, and if the first insulation resistance differs from the second insulation resistance by more than the predeterminable amount, a predetermined measure triggers.
  • the invention also includes combinations of the features of the described embodiments.
  • the invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as have already been described in connection with the further developments of the motor vehicle according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an electrical system arrangement with a symmetry monitoring device and an out DC circuit with current sources according to an embodiment example of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electrical system arrangement with a symmetry monitoring device and an equalization circuit with variable resistors according to an exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of an electrical system arrangement with a symmetry monitoring device and an equalization circuit, in which the variable resistors are implemented by means of a transistor circuit, according to an embodiment of the invention.
  • the embodiments explained below are preferred embodiments of the invention the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, and each further develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described. In the figures, the same reference numerals designate elements that have the same function.
  • the electrical system arrangement 10a has a high-voltage energy store in the form of an HV battery 18, which provides 2 HV potentials HV +, HV- at which a total voltage UG is available.
  • the electrical system arrangement 10a has one or more HV consumers, which are not shown here for reasons of clarity.
  • HV consumers can represent, for example, a pulse inverter, an air conditioning compressor, a DC / DC converter or the like.
  • the electrical system arrangement 10a has an electrical mass, which is referred to below as the vehicle mass 20 and which can be provided, for example, by the vehicle body.
  • the vehicle electrical system arrangement 10a has a first insulation resistance R + between the vehicle ground 20 and the positive high-voltage potential HV +, and a second insulation resistance R- between the vehicle ground 20 and the negative HV potential.
  • this insulation resistance R +, R- is permanently monitored by means of the insulation monitor 14.
  • These earth capacitances C +, C- are also between the vehicle mass 20 and the respective high-voltage potentials HV +, HV-. These earth capacitances C +, C- result from parasitic effects, for example the cable shield, and are sometimes also consciously installed in order to improve the EMC behavior. Since C +, C- energy can be stored in these earth capacitances, if a person touches a high-voltage contact HV + or HV- and the vehicle mass 20 at the same time, by discharging these contacts capacitors C +, C- a current flowing over the body. Therefore, there are regulations that define the corresponding limit values for the maximum permissible effective energy that can be stored in such earth capacities C +, C-.
  • the electrical system or the electrical system arrangement 10a is essentially symmetrical.
  • An insulation monitor concept for monitoring the insulation resistances R +, R- has also been selected, so that there is no asymmetrical load on the electrical system 10a.
  • the symmetry here relates both to the size of the capacitances C +, C-, which are also essentially the same, and also to the insulation resistances R +, R-, which accordingly may only differ from one another to a certain extent in order to still meet the symmetry requirement become.
  • the symmetry monitoring device 12 is provided. If it detects an asymmetry of the on-board electrical system arrangement 10a that exceeds the predeterminable amount, it can advantageously initiate one or more predetermined measures, such as controlling the contactors 22, in order to to disconnect the HV battery 18 from the rest of the electrical system 10a.
  • the symmetry monitoring by the symmetry monitoring device 12 can be based on a voltage measurement.
  • the symmetry monitoring device 12 can be operated by means of a first voltage measuring device 24, which measures the voltage U1 between the vehicle mass 20 and the positive high-voltage potential HV +, and by means of a second voltage measuring device 26, which measures the voltage U2 between the vehicle mass 20 and the negative high-voltage -Potential HV-, measure these two voltages U1, U2 and compare them.
  • these two voltages U 1, U2 are also the same.
  • a certain limit value can be defined for the maximum permitted difference between the two voltages U 1, U2.
  • limit values can generally also relate, for example, as a percentage to the total voltage UG.
  • the size of the earth's capacities C +, C- can also be taken into account when dimensioning the limit value, so that it is advantageously ensured that a predetermined maximum effective energy is not exceeded as long as this limit value is maintained, and at the same time it could also decrease Total voltage UG larger clock symmetries may be permissible.
  • External influences, such as those caused by a DC charging station, can also be taken into account during the charging process.
  • an equalization circuit 16 can also be provided, which represents an additional circuit to compensate for any asymmetry that occurs.
  • the equalization circuit 16 has two current sources 28, 30 for this purpose on, one of which is a current source 28 between the vehicle ground 20 and the positive high-voltage potential HV + angeord net, and the other current source 30 between the vehicle ground 20 and the negative high-voltage potential HV-.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a further embodiment of the vehicle electrical system 10b, which can be designed exactly as described in Fig. 1, except that now in this example, the compensation circuit 16 has two variable resistors 32, 34, one of which is variable Resistors 32 between the vehicle ground 20 and positive high-voltage potential HV + is arranged, and the other of the two resistors 34 between the vehicle ground 20 and the negative high-voltage potential HV- is arranged.
  • These variable resistors 32, 34 can be implemented by a circuit as shown in FIG. 3.
  • the compensation circuit 16 as shown in FIG.
  • FIG. 3 has for this purpose a transistor circuit comprising an npn transistor 32a and a pnp transistor 34a with a symmetrical one Resistor divider comprising two identical resistors 32b, 34b.
  • the on-board electrical system arrangement 10b shown in FIG. 3 can be designed in the same manner as described for FIG. 1.
  • This equalization circuit 16 can advantageously be used to reload the earth capacitances C +, C- in the event of an asymmetry occurring.
  • these circuits can also be used for insulation monitoring by the insulation monitor 14, as a result of which the additional costs are lower.
  • the current carrying capacity can advantageously only be designed for the maximum leakage current, which can occur with a still permissible insulation resistance R +, R- between the high-voltage potentials HV + or HV- and the vehicle ground 20.
  • the examples show how an on-board electrical system arrangement is provided by the invention, which makes it possible, by monitoring and guaranteeing a certain high-voltage symmetry, to enormously increase the maximum permissible earth capacity for a given high-voltage total voltage.
  • the installation space and the costs for the individual HV components, for example through simpler EMC filters, and the HV cabling are significantly reduced.
  • the active balancing circuit which is provided by the balancing circuit, asymmetries that occur can be compensated to a certain extent, which further improves the reliability of the system.
  • the voltage measurements and the balancing circuit can also be used for insulation monitoring.
  • the balancing circuit can be used for active discharge when the HV vehicle electrical system is switched off.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung (10a, 10b) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Hochvolt-Energiespeicher (18) zur Bereitstellung eines ersten und eines zweiten Hochvolt-Potentials (HV+, HV-), zwischen welchen eine Gesamtspannung (UG) abgreifbar ist, einen ersten Isolationswiderstand (R+) zwischen dem ersten Hochvolt-Potential (HV+) und einer Masse (20), und einen zweiten Isolationswiderstand (R-) zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential (HV-) und der Masse (20). Dabei ist die Bordnetzanordnung (10a, 10b) derart symmetrisch ausgebildet, dass sich zumindest in einem bestimmten Zustand der Bordnetzanordnung (10a, 10b) der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswiderstand (R-) maximal um ein vorbestimmbares Maß unterscheidet, wobei die Bordnetzanordnung (10a, 10b) eine Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) aufweist, die zum Überwachung der Bordnetzsymmetrie dazu ausgelegt ist, zu überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswiderstand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, und falls sich der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswiderstand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, eine vorbestimmte Maßnahme auszulösen.

Description

Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Verfahren zum
Überwachen einer Bordnetzsymmetrie
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Bordnetzanordnung einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt-Potentials und eines zweiten vom ersten verschiede nen Hochvolt-Potentials aufweist, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspannung, insbesondere eine HV- Spannung, abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung einen ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse sowie einen zweiten Isolationswi derstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse auf. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug, so wie ein Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie.
Das HV(Hochvolt)-Bordnetz eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb besteht typischerweise mindestens aus einer HV-Batterie mit Batterieschützen und HV-Verbrauchern, zum Beispiel einem Puls-Wechselrichter. In der Regel ist das Hochvolt-Bordnetz als IT (Isole Terre)-Netz umgesetzt und somit kom plett galvanisch getrennt von der Fahrzeugmasse. Über parasitäre Wider stände in den Kabeln, HV-Verbrauchern, der Batterie, usw., ergibt sich je doch eine hochimpedante Verbindung zwischen dem positiven bzw. negati- ven Hochvolt-Potential und der Fahrzeugmasse, der sogenannte Isolations widerstand, bzw. der oben genannte jeweilige erste und zweite Isolationswi derstand. Solange dieser Widerstand hochohmig, d.h. im Megaohmbereich, ist, besteht keine Gefährdung. Aus Sicherheitsgründen wird mittels eines Isolationswächters dieser Isolationswiderstand permanent überwacht. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts wird eine Warnung generiert und je nach Betriebszustand das HV- Bord netz von der Batterie Ober die Batterieschütze abgetrennt und ein sicherer Zustand hergestellt.
Neben dem Isolationswiderstand existieren in jedem HV-Bordnetz Kapazitä- ten, insbesondere sogenannte Erdkapazitäten, die zwischen den HV- Anschlüssen und der Fahrzeugmasse liegen. Diese ergeben sich durch parasitäre Effekte, zum Beispiel bedingt durch Kabelschirme, und werden sogar bewusst eingebaut, um das EMV(eIektromagnetische Verträglichkeit)- Verhalten zu verbessern. Nach der Formel E = !4 C U2 ist in diesen Konden satoren der Kapazität C bei einer anliegenden Spannung U eine Energie E gespeichert. Wird dann von einer Person ein Hochvolt-Kontakt und die Fahr zeugmasse gleichzeitig berührt, werden diese Kondensatoren über den Kör per entladen bzw umgeladen und können somit zu einer Gefährdung führen. Um das Gefährdungspotential gering zu halten, existieren in unterschiedli chen Normen Grenzwerte für die maximal erlaubte gespeicherte, oder bes ser gesagt wirksame Energie in den Kondensatoren Dies hat direkt eine Begrenzung der maximal zulässigen Gesamtkapazität in Abhängigkeit von der HV-Gesamtspannung zur Folge. Zudem muss aus Sicherheitsgründen der schlimmste Fall angenommen werden, und von einem maximal unsym metrischen HV-Bordnetz ausgegangen werden, welches vorliegt, wenn die Spannung eines HV-Pols gemessen gegen Erde nahezu der gesamten HV- Spannung entspricht. Dies kann unter anderem durch Schmutzwiderstände oder Leckströme über die Lebensdauer auftreten.
Durch die Notwendigkeit der Berücksichtigung der maximal möglichen HV- Bordnetz-Unsymmetrie reduziert sich entsprechend die maximal zulässige Erdkapazität drastisch. Dies hat zur Folge, dass für EMV-Filter deutlich ge ringere Kapazitätswerte gewählt und durch deutlich teurere und größere Gleichtaktdrosseln ersetzt werden müssen. Vor allem in einem 800V- Bordnetz stellt dies eine Herausforderung dar, da dort bereits aufgrund der erhöhten Bordnetzspannung nur deutlich geringere Kapazitätswerte möglich sind. Insgesamt führt dies dazu, dass in allen HV-Komponenten die Kapazitäts werte der EMV-Filter beschränkt werden müssen, um die Grenzwerte einzu halten Die somit notwendigen Gleichtaktdrosseln in den einzelnen Kompo nenten haben einen größeren Bauraumbedarf sowie deutlich höhere Teile kosten zur Folge Des Weiteren muss bei der Hardwareauslegung darauf geachtet werden, dass die parasitären Erdkapazitäten bewusst gering gehal- ten und die Störaussendungen mittels anderer Maßnahmen reduziert wer den. Dies kompliziert den Aufbau der Komponenten und erhöht somit direkt die Teilekosten.
Die DE 10 2015 018 000 A1 beschreibt ein Verfahren zur Entladung von Y- Kapazitäten in Fahrzeugen mit Hochvolt-Bordnetz, wobei die Y-Kapazitäten zur Entstörung verbaut werden. Diese Y-Kapazitäten sollen innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nach Abschalten der Batterie bzw Abklemmen der Batterie möglichst schnell entladen werden. Zu diesem Zweck ist eine Messeinrichtung, wie beispielsweise ein Isolationswächter bereitgestellt, der von einem inaktiven Zustand in einen aktiven Zustand überführt wird, wenn der Energiespeicher, d.h. die HV-Batterie, vom Hochvolt-Bordnetz getrennt wird. Dieses Überführen in den aktiven Zustand beinhaltet dabei insbesonde re das Einschalten eines oder mehrerer schaltbare Elemente, zum Beispiel eines Widerstands Nichtsdestoweniger bleibt auch hierbei das Problem bestehen, wie ein Bordnetz bereitgestellt werden kann, welches die Verwen dung möglichst großer Kapazitäten und hoher Spannungen erlaubt und bei dem dennoch der wirksame Energieinhalt gering gehalten werden kann.
Die DE 10 2015 225 441 A1 beschreibt ein Energiespeicherzellenaus gleichssystem, um einen Austausch von elektrischer Energie zwischen ein zelnen Energiespeichermodulen einer Batterie zu ermöglichen.
Weiterhin beschreibt die DE 10 2013 226 595 A1 eine Vorrichtung zur Isola tionsüberwachung zwischen einem Niedervoltnetz und einem Hochvoltnetz, wobei die Vorrichtung sowohl mit einer Hochvoltplusverbindung als auch mit einer Hochvoltminusverbindung als auch mit dem Niedervoltnetz verbindbar ist, und eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten zur Ankopplung von Überwachungsverbindungen an den Hochvoltkreis mittels jeweils einer Hochvoltplusverbindung und mittels jeweils einer Hochvoltminusverbindung aufweist, die in verschiedenen Abschnitten des HV-Netzes verbindbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bordnetzanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie bereitzustellen, welche eine möglichst kostengünstige Ausbildung des Bord- netzes erlauben, insbesondere welche es ermöglichen, möglichst große Erdkapazitäten im Bordnetz vorzusehen und dabei gleichzeitig den wirksa- men Energieinhalt möglichst gering zu halten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahr zeug, durch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Überwachung einer Bordnetzsymmetrie mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen stand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung, sowie der Figu- ren.
Eine erfindungsgemäße Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug weist ei nen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt- Potentials, zum Beispiel eines HV-Plus-Potentials, und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt-Potentials, zum Beispiel eines HV-Minus- Potentials, auf, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt- Potential eine Gesamtspannung abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetz anordnung einen ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt- Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse, zum Beispiel der Fahrzeugkarosserie, auf. Darüber hinaus weist die Bordnetzanordnung auch einen zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse auf. Weiterhin ist die Bordnetz anordnung derart symmetrisch ausgebildet, dass sich zumindest in einem bestimmten Zustand der Bordnetzanordnung der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand maximal um ein vorbestimmbares Maß unterscheidet, wobei die Bordnetzanordnung weiterhin eine Symmetrieüber wachungseinrichtung aufweist, die zum Überwachen der Bordnetzsymmetrie dazu ausgelegt ist, zu Oberprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, und im Fall, dass sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unter scheidet, eine vorbestimmte Maßnahme auszulösen.
Durch die im Wesentlichen symmetrische Auslegung der Bordnetzanordnung wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass die Kapazitäten bzw Kondensa- toren beider Pole, d.h. der jeweiligen Hochvolt-Potentiale, gegenüber der Masse immer einen ähnlichen Spannungspegel aufweisen, was bei gleicher gegebener HV-Gesamtspannung, d.h der zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential abgreifbaren Gesamtspannung, größere Erdka pazitäten erlaubt. Da insbesondere eine geringe wirksame Energie zulässig ist, kann auch je nach Auslegung der Bordnetzanordnung, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Höhe der Gesamtspannung, oder in Abhängigkeit von der Größe der benötigten Kapazitäten, zum Beispiel für EMV-Filter, auch ein gewisses Maß an Unsymmetrie, also innerhalb des vorbestimmbaren Ma ßes, toleriert werden. Der vorbestimmte Zustand, in welchem sich die Bord netzanordnung befindet, solange das vorbestimmbare Maß nicht überschrit ten ist, kann also einen Normalzustand oder betriebsgemäßen oder ord nungsgemäßen Zustand oder einen fehlerfreien Zustand darstellen. Da auf grund von Defekten, zum Beispiel Alterungsvorgängen oder externer Einflüs se, wie zum Beispiel einer unsymmetrischen DC-Ladesäule, die Bordnetzan ordnung unsymmetrisch werden kann, insbesondere über dieses vorbe stimmbare Maß hinaus, ist es besonders vorteilhaft, dass eine Symmetrie überwachungseinrichtung zur Überwachung dieser Bordnetzsymmetrie vor gesehen ist. Insbesondere kann diese die Bordnetzsymmetrie durch wieder holtes überprüfen, ob sich der erste wird Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, überwachen. Wird entsprechend bei Überschreiten dieses vorbestimmbaren ersten Grenzwert entsprechend eine unzulässige Unsymmetrie der Bord netzanordnung durch die Symmetrieüberwachungseinrichtung detektiert, so kann diese vorteilhafterweise eine vorbestimmte Maßnahme auslösen. Eine solche Maßnahme kann zum Beispiel das Überführen der der Bordnetzan- Ordnung in einen sicheren Zustand darsteilen, zum Beispiel durch Öffnen der Hauptschütze, über welche der Hochvolt-Energiespeicher mit dem restlichen Bordnetz koppelbar ist. Aber auch andere vorbestimmte Maßnahmen sind denkbar, wie das Ausgeben eines Warnsignals oder das Aktivieren eines Ausgleichsmechanismus, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird. Das zumindest im Wesentlichen symmetrische Ausbilden der Bordnetzanordnung kann auf einfache Weise durch ein symmetrisches Design des Bordnetzes und der daran angeschlossenen Hochvolt-Komponenten realisiert werden. Je kleiner zum Beispiel der vorbestimmbare Grenzwert gewählt wird, desto größer können bei gegebener Gesamtspannung effektiv die Kapazitäten der Bordnetzanordnung gewählt werden, wodurch sich das Bordnetz zur Reali sierung bestimmter EMV-Maßnahmen, wie das Vorsehen von EMV-Filtern, auf deutlich kostengünstigere Weise ausgestalten lässt. Teure und größere Gleichtaktdrosseln können damit für die EMV-Filterung vermieden werden. Durch die Überwachung und die dadurch bereitstellbare Gewährleistung einer gewissen Hochvolt-Symmetrie kann somit insgesamt die maximal zu lässige Kapazität bei gegebener Hochvolt-Gesamtspannung enorm erhöht werden. Dadurch vereinfacht sich die Auslegung des kompletten Hochvolt- Bordnetzes bzw. der Bordnetzanordnung. Der Bauraum und die Kosten für die einzelnen Hochvolt-Komponenten, zum Beispiel durch einfachere EMV- Filter, sowie der Hochvolt-Verkabelung, zum Beispiel der Auslegung des Kabelschirms, werden deutlich reduziert.
Das vorbestimmbare Maß kann darüber hinaus in Anpassung auf die Ausle gung des Systems, zum Beispiel der zwischen den Hochvolt-Potentialen abgreifbare Gesamtspannung sowie die im System vorhandenen Gesamtka pazitäten festgelegt sein und/oder auch einen prozentualen Wert darstellen. Weiterhin muss zur Symmetrieüberwachung nicht der erste und zweite Isola tionswiderstand direkt ermittelt und deren Differenz mit einem Grenzwert verglichen werden, sondern eine unzulässig hohe Abweichung der Isolati onswiderstände voneinander, das heiß über das vorbestimmbare Maß hin aus, kann auch mittelbar über die Betrachtung jeweiliger Spannungspegel erfolgen, wie dies nachfolgend noch näher beschrieben wird. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Symmetrieüberwachungseinrichtung eine Ausgleichsschaltung auf, die dazu ausgelegt ist, einen Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand und dem zweiten Isolationswiderstand zumindest zum Teil zu kompensieren.
Durch das Auslösen der vorbestimmten Maßnahme, zum Beispiel das über führen der Bordnetzanordnung in einen sicheren Zustand, kann vorteilhaf- terweise gewährleistet werden, dass zum Beispiel im Fehlerfall die wirksame Energie in den Erdkapazitäten der Bordnetzanordnung den zulässigen Grenzwert nicht überschreitet.
Durch eine zusätzliche Beschaltung, nämlich der Ausgleichsschaltung, kön- nen so vorteilhafterweise auftretende Unsymmetrien aktiv ausgeglichen werden. Zudem kann eine solche Ausgleichsschaltung vorteilhafterweise zusätzlich auch zur aktiven Entladung bei abgeschaltetem HV-Bordnetz, d.h. bei abgekoppeltem Hochvolt-Energiespeicher, genutzt werden Mittels der aktiven Symmetrierungschaltung, die durch die Ausgleichsschaltung bereit gestellt ist, können vorteilhafterweise auftretende Unsymmetrien in einem bestimmten Maß zumindest ausgeglichen werden, wodurch die Zuverlässig keit des Systems weiter verbessert wird. Auch kann hierdurch zum Beispiel erreicht werden, dass ein Ladevorgang an einer unsymmetrischen Ladesäule nicht gleich zu einem Abkoppeln des Hochvolt-Energiespeichers vom Bord netz aufgrund der detektierten Unsymmetrie durch die Symmetrieüberwa chungseinrichtung führt, sondern dass eine durch einen solchen Ladevor gang verursachte Unsymmetrie vorteilhafterweise durch die Ausgleichsschal tung ausgeglichen werden kann.
Zur Umsetzung einer solchen Ausgleichsschaltung gibt es verschiedene Möglichkeiten Beispielsweise kann die Ausgleichsschaltung eine erste Stromquelle aufweisen, die zwischen das erste Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist, und insbesondere auch eine zweite Stromquelle aufweisen, die zwischen das zweite Hochvolt- Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist. Durch solche Stromquellen können Erdkapazitäten, zumindest bei auftretender Unsymmetrie, aktiv umgeladen werden, was wiederum zu einer aktiven Symmetrierung der Bordnetzanordnung führt. Solche Stromquellen können beispielsweise durch Wandlereinrichtungen bereitgestellt sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Ausgleichs- Schaltung einen ersten veränderbaren Widerstand auf, der zwischen das erste Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschal- tet ist, und zudem insbesondere einen zweiten veränderbaren Widerstand auf, der zwischen das zweite Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse geschaltet ist. Auch durch solche veränderbaren Wider stände können ganz analog auftretende unsymmetrische Bordnetzverhält nisse, d.h. zu starke Abweichungen zwischen dem ersten und zweiten Isola tionswiderstand, geeignet ausgeglichen werden. Zur Realisierung solcher veränderbaren Widerstände kann beispielsweise eine Kombination aus einer Transistorschaltung und Widerständen verwendet werden. Auch hierdurch lassen sich nun vorteilhafterweise Erdkapazitäten bei einem Auftreten einer Unsymmetrie umladen und die Bordnetzanordnung aktiv symmetriesieren.
Auch alterungsbedingte Unsymmetrien können durch die Ausgleichsschal tung kompensiert werden. Weiterhin kann diese Ausgleichsschaltung ent sprechend auch permanent aktiv sein und sich beispielsweise so an alte rungsbedingte Veränderungen der Symmetrie kontinuierlich anpassen, um diese zu kompensieren. Denkbar ist es allerdings auch, die Ausgleichsschal tung nur dann zu aktivieren, wenn die Symmetrieüberwachungseinrichtung eine unzulässige Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Isolati onswiderstand, und damit eine unzulässig hohe Unsymmetrien der Bord netzanordnung detektiert. Mit anderen Worten kann die Aktivierung der Aus gleichsschaltung auch die oben genannte vorbestimmte Maßnahme, die in einem solchen Fall von der Symmetrieüberwachungseinrichtung ausgelöst wird, darstellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Symmet rieüberwachungseinrichtung zum Überprüfen, ob sich der erste Isolationswi derstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, dazu ausgelegt, zu Oberprüfen, ob ein Unterschied zwi schen einer ersten Potentialdifferenz, die zwischen dem ersten Hochvolt- Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse besteht, und einer zwei ten Potentialdifferenz, die zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse besteht, einen vorbestimmbaren Grenz- wert überschreitet. Unterscheiden sich der erste und/oder zweite Isolations- widerstand, so unterscheiden sich auch die jeweiligen Spannungen zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und der Masse sowie zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der Masse, also die oben genannte erste Potentialdif ferenz und die zweite Potentialdifferenz voneinander. Umgekehrt, bei idealer Symmetrie wären die erste und die zweite Potentialdifferenz gleich. Damit lässt sich vorteilhafterweise anhand des Unterschieds zwischen diesen bei den Potentialdifferenzen auch ein Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Isolationswiderstand und damit eine Unsymmetrie detektieren. Somit kann einfach ein korrespondierender Grenzwert definiert werden, ab wel chem eine unzulässige Unsymmetrie als detektiert gilt. Auch dieser vorbe stimmbare Grenzwert kann wiederum vorgegeben sein, zum Beispiel in An passung auf die gesamte zwischen den Hochvolt-Potentialen abgreifbare Gesamtspannung und/oder in Anpassung an die maximal vorhandenen Erd kapazitäten Dieser vorbestimmbare Grenzwert kann auch einen prozentua len Grenzwert darstellen Weisen beispielsweise die erste Potentialdifferenz und die zweite Potentialdifferenz voneinander um mehr als 10 %, zum Bei spiel bezogen auf die Gesamtspannung, ab, so kann eine unzulässige Un symmetrie als detektiert gelten. Dies hat den Vorteil, dass mit abnehmender Gesamtspannung zwischen den Hochvolt-Potentialen größere Unsymmet rien zulässig wären. Insbesondre kann es auch vorgesehen sein, dass die Gesamtkapazität je Pol, d.h. die jeweilige Gesamtkapazität zwischen dem HV-Plus-Potential und der Masse sowie zwischen dem HV-Minus-Potential und der Masse, in der Symmetrieüberwachungseinrichtung hinterlegt ist und permanent die in der Bordnetzanordnung gespeicherte bzw. wirksame Ener gie über die Spannungspegel, d.h. die erste Potentialdifferenz und die zweite Potentialdifferenz, ermittelt wird. Auch könnten somit wiederum externe Ein flüsse, wie zum Beispiel durch eine DC-Ladesäule während des Ladevor gangs berücksichtigt werden. Die Detektion der Unsymmetrien der Bordnetzanordnung lässt sich auf diese Weise durch eine einfache Spannungsmessung bewerkstelligen. Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Sym- metrieüberwachungseinrichtung zum Überprüfen, ob sich der erste Isolati onswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als den vorbe stimmten Grenzwert unterscheidet, dazu ausgelegt ist, die erste Potentialdif ferenz und/oder die zweite Potentialdifferenz zu messen. Mit anderen Worten kann also beispielsweise einfach die Spannung zwischen dem HV-Plus- Potential und der Masse und/oder zwischen dem HV-Minus-Potential und der Masse gemessen werden. Insbesondere reicht dabei auch die Messung einer dieser Potentialdifferenzen aus, da die zweite dann über Kenntnis der Hochvolt-Gesamtspannung, die zwischen den beiden HV-Potentialen ab greifbar ist, rechnerisch einfach durch Subtraktion ermittelt werden kann. Diese beiden Potentialdifferenzen, können dann miteinander verglichen werden und weichen diese voneinander ab, liegt eine Unsymmetrie vor. Ist dieser Unterschied zu groß, d.h. größer als der vorbestimmbare Grenzwert, so kann wiederum die vorbestimmte Maßnahme ausgelöst und zum Beispiel System abgeschaltet werden. Alternativ dazu kann die Abschaltung auch erst dann erfolgen, wenn die Spannung an einem Pol gemessen gegen Erde, d.h also zum Beispiel die erste Potentialdifferenz oder die zweite Potential differenz, einen vorbestimmbaren (zweiten) Grenzwert überschreitet. Die genannten Grenzwerte sind so gewählt, dass die wirksame Energie in den Erdkondensatoren einen vorbestimmten maximal zulässigen Wert nicht überschreitet, solange die genannten Grenzwerte nicht überschritten werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Bord netzanordnung einen Isolationswächter auf. Dieser kann beispielsweise, wie üblich, dazu ausgelegt sein, die jeweiligen Isolationswiderstände, das heißt den ersten und den zweiten Isolationswiderstand, zu überwachen, insbeson dere permanent. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts kann eine Warnung generiert werden und je nach Betriebszustand die Bordnetz anordnung von dem Hochvolt-Energiespeicher über die Batterieschütze abgetrennt und damit ein sicherer Zustand hergestellt werden. Solche Isolationswächter können dabei mit unterschiedlichen Messprinzipien arbeiten. Gerade im Zusammenhang mit der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Isolationswächter dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswiderstand mittels eines die Bordnetzanordnung nicht asymmetrisch belastenden Messprinzips zu überwachen. Manche Isolati- onswächter basieren auf Messprinzipien, bei welchen beispielsweise zwi- schen die jeweiligen HV-Potentiale und der Masse alternierend Widerstande geschaltet werden, wodurch sich der Gesamtisolationswiderstand, d.h. der erste und der zweite Isolationswiderstand ändern, und zwar unsymmetrisch bzw im Wechsel, was gerade nicht gewünscht ist. Dies kann vorteilhafter- weise durch die Verwendung eines Isolationswächters, der auf einem sym- metrischen Messprinzip beruht, vorteilhafterweise vermieden werden Bei- spielsweise kann der Isolationswächter so ausgestaltet sein, dass dieser zum Überwachen des ersten und zweiten Isolationswiderstands eine Mess spannung mit bestimmter Frequenz aufträgt, was nicht zu einer Vergröße rung des Unterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Isolationswi derstand führt, und somit die Symmetrie erhält bzw nicht negativ beeinflusst.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Isolationswächter zumindest einen Teil der Symmetrieüberwachungseinrichtung aufweist, insbesondere wenn die Symmetrieüberwachungseinrichtung in den Isolationswächter inte griert ist. Somit kann vorteilhafterweise die Anzahl zusätzlicher Komponenten auf ein Minimum reduziert werden. Die Spannungsmessungen sowie die optionale Symmetrierungschaltung können somit vorteilhafterweise auch zusätzlich für die Isolationsüberwachung durch den Isolationswächter ge nutzt werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfin dungsgemäßen Bordnetzanordnung oder eines ihrer Ausgestaltungen Die für die erfindungsgemäße Bordnetzanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten somit in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie einer Bordnetzanordnung mit einem Hochvolt- Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt-Potentials und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt-Potentials, sodass zwi schen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspan nung abgreifbar ist, sowie mit einem ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse, und einem zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt- Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse. Weiterhin ist die Bord netzanordnung derart symmetrisch ausgebildet, dass sich zumindest in ei nem bestimmten Zustand der Bordnetzanordnung der erste Isolationswider stand vom zweiten Isolationswiderstand maximal um ein vorbestimmbares Maß unterscheidet, wobei die Bordnetzanordnung weiterhin eine Symmetrie überwachungseinrichtung aufweist, die zum Überwachung der Bordnetz symmetrie überprüft, ob sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswiderstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, uns und falls sich der erste Isolationswiderstand vom zweiten Isolationswi derstand um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, eine vorbe stimmte Maßnahme auslöst.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschrie benen Ausführungsformen.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Symmetrieüberwachungseinrichtung und einer Aus- gleichsschaltung mit Stromquellen gemäß einem Ausführungs beispiel der Erfindung;
Fig 2 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Symmetrieüberwachungseinrichtung und einer Aus- gleichsschaltung mit veränderbaren Widerständen gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig 3 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einer Symmetrieüberwachungseinrichtung und einer Aus gleichsschaltung, bei welcher die veränderbaren Widerständen mittels einer Transistorschaltung umgesetzt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Bei den Ausführungsbeispie len stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschrie benen Merkmale der Erfindung ergänzbar In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
Fig 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung 10a mit eine Symmetrieüberwachungseinrichtung 12, die in einen Isolationswächter 14 integriert ist, sowie mit einer Ausgleichsschaltung 16 gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung Die Bordnetzanordnung 10a weist einen Hochvolt-Energiespeicher in Form einer HV-Batterie 18 auf, welche 2 HV- Potentiale HV+, HV- bereitstellt, an welchen eine Gesamtspannung UG ab greifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung 10a einen oder mehrere HV-Verbraucher auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht darge stellt sind. Solche HV-Verbraucher können zum Beispiel einen Puls- Wechselrichter darstellen, einen Klimakompressor, einen DC/DC-Wandler oder ähnliches. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung 10a eine elektrische Masse auf, die im Folgenden als Fahrzeugmasse 20 bezeichnet wird und welche beispielsweise durch die Fahrzeugkarosserie bereitgestellt werden kann. Durch parasitäre Widerstände in Kabeln, HV-Verbrauchern, der Batte- rie 18, usw. besteht zwischen den Hochvolt-Potentialen HV+, HV- und der Fahrzeugmasse 20 jeweils eine hochimpedante Verbindung, nämlich der Isolationswiderstand R+, R-. Insbesondere weist die Bordnetzanordnung 10a zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem positiven Hochvolt-Potential HV+ einen ersten Isolationswiderstand R+ auf, und zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen HV-Potential HV- einen zweiten Isolationswiderstand R- auf. Aus Sicherheitsgründen wird mittels des Isolationswächters 14 dieser Isolationswiderstand R+, R- permanent überwacht. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts wird eine Warnung generiert und je nach Betriebs zustand das Hochvolt-Bordnetz bzw. die Hochvoltbordnetzanordnung 10a von der Batterie 18 durch Ansteuerung der Batterieschütze 22 abgetrennt und damit ein sicherer Zustand hergestellt. Neben dem Isolationswiderstand R+, R- existieren zudem auch sogenannte Erdkapazitäten C+, C-. Wenn gleich sich diese Erdkapazitäten C+, C- durch einzelne Kondensatoren und Kapazitäten in der Bordnetzanordnung 10a zusammensetzen, so sind in Fig. 1 diese Er kapazitäten C+, C- durch je einen einzelnen Kondensator C+, C- veranschaulicht. Ebenso sind in der Darstellungen Fig. 1 die den Gesamtisolationswiderstand R+, R- bildenden Einzelisolationswiderstände durch je nur einen einzelnen Isolationswiderstand R+, R- veranschaulicht.
Diese Erdkapazitäten C+, C- liegen ebenfalls zwischen der Fahrzeugmasse 20 und den jeweiligen Hochvolt-Potentialen HV+, HV-. Diese Erdkapazitäten C+, C- ergeben sich durch parasitäre Effekte, zum Beispiel den Kabelschirm, und werden zum Teil aber auch bewusst eingebaut, um das EMV-Verhalten zu verbessern. Da in diesen Erdkapazitäten C+, C- Energie gespeichert werden kann, kann, wenn eine Person ein Hochvolt-Kontakt HV+ oder HV- und die Fahrzeugmasse 20 gleichzeitig berührt, durch Entladen dieser Kon- densatoren C+, C- ein Strom Ober den Körper fließen. Daher gibt es Vor schriften, die entsprechende Grenzwerte für die maximal zulässige wirksame Energie, die in solchen Erdkapazitäten C+, C- gespeichert werden darf, fest- legen. Sind beispielsweise diese Erdkapazitäten C+ und C- zwischen der Fahrzeugmasse 20 und den jeweiligen Hochvolt-Potentialen HV+, HV- genau gleich groß und ist auf diesen auch genau die gleiche Ladungsmenge ge speichert, so wäre die von diesen Erdkapazitäten C+, C- gespeicherte wirk same Energie am geringsten.
Bei einem unsymmetrischen Bordnetz jedoch ist die gespeicherte wirksame Energie je nach Größe der an den HV-Potentialen abgreifbaren Ge samtspannung sowie der Größe dieser Erdkapazitäten entsprechend höher. Um gerade bei großen Gesamtspannungen die Vorschriften bezüglich der maximalen wirksamen Energie einzuhalten, ist es bei üblichen Bordnetzen erforderlich, die Erdkapazitäten in ihrer Höhe zu begrenzen, was massive Nachteile nach sich zieht, da beispielsweise für die EMV-Filterung dann teurere und große Gleichtaktdrosseln verwendet werden müssen anstelle von deutlich kostengünstigeren und kleineren Filterkondensatoren
Diese Nachteile können durch die Erfindung und ihre Ausgestaltungen vor teilhafterweise wie folgt vermieden werden: Zum einen ist das Bordnetz bzw die Bordnetzanordnung 10a im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Dies bedeutet, dass auch die mit der Bordnetzanordnung 10a gekoppelten HV- Komponenten im Wesentlichen symmetrisch ausgelegt werden. Ebenso ist ein Isolationswächterkonzept zur Überwachung der Isolationswiderstände R+, R- gewählt, so dass keine unsymmetrische Belastung der Bordnetzan ordnung 10a auftritt. Je nach Auslegung kann aber ein gewisses Maß an Unsymmetrie toleriert werden. Die Symmetrie bezieht sich hierbei sowohl auf die Größe der Kapazitäten C+, C-, die ebenfalls im Wesentlichen gleich sind, sowie auch auf die Isolationswiderstände R+, R- die entsprechend ebenfalls nur bis zu einem gewissen Maß voneinander abweichen dürfen um dem Symmetrieerfordernis noch gerecht zu werden. Denn bei einem wie oben beschriebenen ideal symmetrischen Bordnetz ist die in den Erdkapazitäten C+, C- gespeicherte wirksame Energie am geringsten. Durch eine im We- sentlichen symmetrische Bordnetzanordnung 10a kann somit vorteilhafter- weise die wirksame Energie minimiert werden, was sogar bei sehr hohen Gesamtspannungen UG noch große Erdkapazitäten C+, C- erlaubt. Somit wird es also vorteilhafterweise ermöglicht, auch unter Einhaltung der Be grenzung der maximalen wirksamen Energie Kondensatoren für die EMV- Filterung einzusetzen, wodurch Kosten und Bauraum gespart werden kann und sich der Aufbau des der gesamten Bordnetzanordnung 10a deutlich vereinfacht.
Um die Anforderungen an die Einhaltung dieser Bordnetzsymmetrie immer zu gewährleisten, ist die Symmetrieüberwachungseinrichtung 12 vorgese hen Delektiert diese eine über das vorbestimmbare Maß hinausgehende Unsymmetrie der Bordnetzanordnung 10a, so kann diese vorteilhafterweise eine oder mehrere vorbestimmte Maßnahmen einleiten, wie beispielsweise die Schütze 22 ansteuern, um die HV-Batterie 18 vom restlichen Bordnetz 10a abzutrennen.
Die Symmetrieüberwachung durch die Symmetrieüberwachungseinrichtung 12 kann auf einer Spannungsmessung beruhen. Zu diesem Zweck kann die Symmetrieüberwachungseinrichtung 12 mittels einer ersten Spannungsmes seinrichtung 24, welche die Spannung U1 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem positiven Hochvolt-Potential HV+ misst, sowie mittels einer zweiten Spannungsmesseinrichtung 26, welche die Spannung U2 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen Hochvolt-Potential HV- misst, diese beiden Spannungen U1 , U2 erfassen und miteinander vergleichen. Bei idea ler Symmetrie sind auch diese beiden Spannungen U 1 , U2 gleich. Für den maximal erlaubten Unterschied zwischen den beiden Spannungen U 1 , U2 kann ein bestimmter Grenzwert definiert sein Weichen nun diese beiden Spannungen U1 , U2 um mehr als dieser vorbestimmter Grenzwert vonei nander ab, so kann eine unzulässige Unsymmetrie als delektiert gelten. Alternativ kann auch nur eine von den diesen beiden Spannungen U1 , U2 gemessen werden. Die andere dieser beiden Spannungen kann über Kennt nis der Gesamtspannung UG berechnet werden, da die Summe dieser bei den Spannungen U1 , U2 die Gesamtspannung U G ergibt. Auch kann bei- spielsweise nur eine dieser beiden Spannungen U1 ermittelt werden und mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen werden.
Diese Grenzwerte können sich im Allgemeinen zum Beispiel auch prozentual auf die Gesamtspannung UG beziehen. Zudem kann bei der Bemessung des Grenzwerts auch die Größe der Erdkapazitäten C+, C- berücksichtigt wer den, sodass vorteilhafterweise gewährleistet wird, dass eine vorgegebene maximale wirksame Energie nicht überschritten wird, solange dieser Grenz- wert eingehalten wird, und gleichzeitig könnten so auch bei abnehmender Gesamtspannung UG größere Uhrensymmetrien zulässig sein. Auch können somit externe Einflüsse, wie zum Beispiel durch eine DC-Ladesäule während des Ladevorgangs berücksichtigt werden.
Um die Zuverlässigkeit weiter zu verbessern, kann weiterhin eine Aus- gleichsschaltung 16 vorgesehen sein, die eine zusätzliche Beschaltung dar- stellt, um eine auftretende Unsymmetrie auszugleichen ln dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel weist die Ausgleichsschaltung 16 zu diesem Zweck zwei Stromquellen 28, 30 auf, von denen die eine Stromquelle 28 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem positiven Hochvolt-Potential HV+ angeord net ist, und die andere Stromquelle 30 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen Hochvolt-Potential HV-.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Bordnetzanordnung 10b, welche genauso wie zu Fig. 1 beschrieben ausgebildet sein kann, außer dass nun in diesem Beispiel die Ausgleichs schaltung 16 zwei veränderbare Widerstände 32, 34 aufweist, von denen einer der beiden veränderbaren Widerstände 32 zwischen der Fahrzeug masse 20 und positiven Hochvolt-Potential HV+ angeordnet ist, und der andere der beiden Widerstände 34 zwischen der Fahrzeugmasse 20 und dem negativen Hochvolt-Potential HV- angeordnet ist. Diese veränderbaren Widerstände 32, 34 können durch eine Schaltung wie in Fig. 3 dargestellt realisiert sein. Insbesondere weist die Ausgleichsschaltung 16 wie in Fig. 3 dargestellt zu diesem Zweck eine Transistorschaltung aus einem npn- Transistor 32a und einem pnp-Transistor 34a mit einem symmetrischen Widerstandsteiler auf, der zwei gleiche Widerstände 32b, 34b umfasst. An sonsten kann auch die in Fig 3 dargestellte Bordnetzanordnung 10b in glei cher weise wie zu Fig 1 beschrieben ausgebildet sein.
Durch diese Ausgleichsschaltung 16 kann vorteilhafterweise ein Umladen der Erdkapazitäten C+, C- im Falle einer auftretenden Unsymmetrie bewerk stelligt werden. Zudem können diese Beschaltungen dabei auch zur Isolati onsüberwachung durch den Isolationswächter 14 genutzt werden, wodurch die Mehrkosten geringer ausfallen. Die Stromtragfähigkeit kann dabei vorteil- hafterweise nur auf den maximalen Leckstrom ausgelegt werden, welcher bei einem noch zulässigen Isolationswiderstand R+, R- zwischen den Hoch- volt-Potentialen HV+ bzw HV- und der Fahrzeugmasse 20 auftreten kann.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Bordnetzan ordnung bereitgestellt wird, welche es durch eine Überwachung und Gewähr leistung einer bestimmten Hochvolt-Symmetrie ermöglicht, die maximal zu lässige Erdkapazität bei gegebener Hochvolt-Gesamtspannung enorm zu erhöhen. Dadurch vereinfacht sich die Auslegung des kompletten HV- Bordnetzes. Der Bauraum und die Kosten für die einzelnen HV- Komponenten, zum Beispiel durch einfachere EMV-Filter, sowie der HV- Verkabelung werden deutlich reduziert. Mittels der aktiven Symmetrierungs schaltung, die durch die Ausgleichsschaltung bereitgestellt ist, können zu dem auftretende Unsymmetrien in einem bestimmten Maß ausgeglichen werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems weiter verbessert wird. Die Spannungsmessungen sowie die Symmetrierungsschaltung können je nach Auslegung auch zusätzlich für die Isolationsüberwachung genutzt wer den. Des Weiteren kann die Symmetrierungschaltung zur aktiven Entladung bei abgeschaltetem HV-Bordnetz genutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Bordnetzanordnung (10a, 10b) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend:
- einen Hochvolt-Energiespeicher (18) zur Bereitstellung eines ers ten Hochvolt-Potentials (HV+) und eines zweiten vom ersten ver schiedenen Hochvolt-Potentials (HV-), so dass zwischen dem ers ten und dem zweiten Hochvolt-Potential (HV+, HV-) eine Ge samtspannung (UG) abgreifbar ist,
- einen ersten Isolationswiderstand (R+) zwischen dem ersten Hochvolt-Potential (HV+) und einer vorbestimmten elektrischen Masse (20);
- einen zweiten Isolationswiderstand (R-) zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential (HV-) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20);
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bordnetzanordnung (10a, 10b) derart symmetrisch ausgebildet ist, dass sich zumindest in einem bestimmten Zustand der Bordnetzanord nung (10a, 10b) der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isola tionswiderstand (R-) maximal um ein vorbestimmbares Maß unter scheidet, wobei die Bordnetzanordnung (10a, 10b) weiterhin eine Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) aufweist, die zum Überwa chung der Bordnetzsymmetrie dazu ausgelegt ist, zu überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswider stand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, und falls sich der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswi derstand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, ei ne vorbestimmte Maßnahme auszulösen
Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) eine Ausgleichsschaltung (18) aufweist, die dazu ausgelegt ist, einen Unterschied zwischen dem ersten Isolationswiderstand (R+) und dem zweiten Isolationswiderstand (R-) zumindest zum Teil zu kompensieren. Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsschaltung (18) eine erste Stromquelle (28) aufweist, die zwischen das erste Hochvolt-Potential (HV+) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20) geschaltet ist, und insbesondere eine zweite Stromquelle (30) aufweist, die zwischen das zweite Hochvolt-Potential (HV-) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20) geschaltet ist.
Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden An sprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgleichsschaltung (18) einen ersten veränderbaren Widerstand (32, 32a, 32b) aufweist, der zwischen das erste Hochvolt-Potential (HV+) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20) geschaltet ist, und insbesondere einen zweiten veränderbaren Widerstand (34, 34a, 34b) aufweist, der zwischen das zweite Hochvolt-Potential (HV-) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20) geschaltet ist.
Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) zum Überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand (R+, R-) vom zweiten Isolationswider stand (R+, R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, dazu ausgelegt ist, zu überprüfen, ob ein Unterschied zwischen einer ersten Potentialdifferenz (Ul ), die zwischen dem ersten Hochvolt- Potential (HV+) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20) be steht, und einer zweiten Potentialdifferenz (U2), die zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential (HV-) und der vorbestimmten elektrischen Masse (20) besteht, einen vorbestimmbaren Grenzwert überschreitet.
Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) zum Überprüfen, ob sich der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswiderstand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, dazu ausge legt ist, die erste Potentialdifferenz (U1 ) und/oder die zweite Potential- differenz (U2) zu messen Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bordnetzanordnung (10a, 10b) einen Isolationswächter (14) auf weist, der dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswider- stand (R+, R-) mittels eines die Bordnetzanordnung (10a, 10b) nicht asymmetrisch belastenden Messprinzips zu überwachen Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bordnetzanordnung (10a, 10b) einen Isolationswächter (14) auf weist, der dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswider stand (R+, R-) zu überwachen, wobei der Isolationswächter (14) zumin dest einen Teil der Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) aufweist Kraftfahrzeug mit einer Bordnetzanordnung (10a, 10b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 0 Verfahren zum Überwachen einer Bordnetzsymmetrie einer Bordnetz anordnung (10a, 10b) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Bordnetzanord nung (10a, 10b) aufweist:
- einen Hochvolt-Energiespeicher (18) zur Bereitstellung eines ers ten Hochvolt-Potentials (HV+) und eines zweiten vom ersten ver schiedenen Hochvolt-Potentials (HV-), so dass zwischen dem ers ten und dem zweiten Hochvolt-Potential (HV+, HV-) eine Ge samtspannung (UG) abgreifbar ist, - einen ersten Isolationswiderstand (R+) zwischen dem ersten Hochvolt-Potential (HV+) und einer vorbestimmten elektrischen Masse (20);
- einen zweiten Isolationswiderstand (R-) zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential (HV-) und der vorbestimmten elektrischen
Masse (20);
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bordnetzanordnung (10a, 10b) derart symmetrisch ausgebildet ist, dass sich zumindest in einem bestimmten Zustand der Bordnetzanord- nung (10a, 10b) der erste Isolationswiderstand (R+) vom zweiten Isola tionswiderstand (R-) maximal um einen vorbestimmbaren ersten Grenzwert unterscheidet, wobei die Bordnetzanordnung (10a, 10b) wei terhin eine Symmetrieüberwachungseinrichtung (12) aufweist, die zum Überwachung der Bordnetzsymmetrie überprüft, ob sich der erste Isola- tionswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswiderstand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, und falls sich der erste Iso lationswiderstand (R+) vom zweiten Isolationswiderstand (R-) um mehr als das vorbestimmbare Maß unterscheidet, eine vorbestimmte Maß nahme auslöst.
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