Schaltunqsanordnunq zur Bestimmung einer Spannunqsschwankunq von

Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer

Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz.

Stand der Technik

Für den Antrieb in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen werden in der Regel elektrische Maschinen in Form von Drehfeldmaschinen eingesetzt, welche in Verbindung mit Wechselrichtern - häufig auch als Inverter bezeichnet - betrieben werden. Die elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine wird dabei aus einer vom Bordnetz des Fahrzeugs getrennten, nicht geerdeten Stromversorgung, z.B. in Form einer leistungsfähigen Hochvoltbatterie, geliefert. Das auf diese Weise geschaffene ungeerdete elektrische Netz - häufig auch als IT-Netz (Isole Terre) bezeichnet - reduziert die Gefährdung z.B. von Servicepersonal, da bei einem Einzelfehler, wie z.B. einem Isolationsfehler, kein geschlossener Stromkreis aufgebaut wird. Darüber hinaus muss der Betrieb bei Auftreten eines Einzelfehlers nicht eingestellt werden, so dass ein Isolationsfehler gemeldet werden kann, ohne dass es schon einen Systemausfall zur Folge hat. Dafür ist es jedoch erforderlich, dass der Isolationswiderstand des elektrischen Netzes auch während des Betriebs des Fahrzeuges kontinuierlich oder zumindest periodisch überwacht wird, was beispielsweise anhand einer Spannungsschwankung der Leiterpotentiale des IT- Netzes möglich ist.

Aus der DE 10 2006 031 663 B3 ist ein Verfahren zur Messung des

Isolationswiderstands in einem IT-Netz mit einem Gleichspannungszwischenkreis und mindestens einem selbstgeführten Stromrichter sowie einer Messanordnung zur Messung der Zwischenkreisspannung gegen Grundpotential bekannt, bei dem eine Offline- und eine Online-Messung vorgesehen sind. Dabei werden während der Offline-Messung, während derer alle Leistungsschalter des Stromrichters geschlossen sind, die Potentiale Up und Um sowie die Zwischenkreisspannung gemessen und daraus der Isolationswiderstand bestimmt. Während der Online- Messung werden die Potentiale Up und Um gemessen und der zeitliche Verlauf der Messungen bewertet. Dazu werden insbesondere die beiden Potentiale summiert, die Summe fourier-transformiert und die Änderung des Frequenzspektrums in ihrem zeitlichen Verlauf bewertet.

Aus der EP 1 909 369 A2 ist ein Verfahren zur Isolationsüberwachung für im Betrieb befindliche Umrichteranordnungen bekannt, wobei die Umrichteranordnung einen

Spannungszwischenkreis mit mindestens einem positiven Zweig und einem negativen Zweig, mindestens ein elektrisches Gerät, welches mindestens zwei Phasenanschlüsse aufweist, und mindestens einen Umrichter mit Schaltelementen zur elektrischen

Verbindung der Phasenanschlüsse mit dem positiven Zweig oder dem negativen Zweig des Spannungszwischenkreises umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass ein

Betriebszustand des Umrichters während dem der Umrichter in Betrieb ist und das elektrische Gerät, welches dabei ebenfalls in einem Normalbetrieb ist, speist, durch Erfassen von Parametern einer Umrichtersteuerung bestimmt wird. Außerdem werden zumindest eine der Spannungen des positiven Zweiges oder des negativen Zweiges gemessen. Schließlich werden nach Maßgabe der gemessenen Spannung oder

Spannungen und des Betriebszustandes des Umrichters Isolationsdefekte am

Spannungszwischenkreis und/oder an den Phasenanschlüssen und/oder am elektrischen Gerät bestimmt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung einer Spannungsschwankung von Leiterpotentialen in einem ungeerdeten elektrischen Netz, wobei das Netz einen Gleichspannungszwischenkreis, ein n-Phasen-Netz mit einem n-phasigen elektrischen Verbraucher, mit n>1 , und mindestens einen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter zur Steuerung des elektrischen Verbrauchers umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Spannungsteiler, insbesondere ein symmetrischer Spannungsteiler, vorgesehen, welcher zwischen Versorgungsspannungspotentialen des Gleichspannungszwischenkreises

angeschlossen ist. Der Spannungsteiler weist dabei einen Mittelabgriff auf, an welchem mit Hilfe einer Messeinrichtung eine, eine Messspannung charakterisierende Größe gemessen wird, wobei die Messspannung die

Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale des

Gleichspannungszwischenkreises gegen ein Bezugspotenzial repräsentiert. Während des Betriebs des elektrischen Verbrauchers und damit während des Betriebs des Wechselrichters sind den Gleichspannungspotentialen der

Versorgungsspannungsschienen des Gleichspannungszwischenkreises

Wechselspannungsanteile überlagert, welche zu einer Spannungsschwankung der Versorgungsspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gegen ein Bezugspotenzial, welches z.B. durch eine Fahrzeugkarosserie gebildet wird, führen. Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass der Mittelabgriff eines

Spannungsteilers, welcher zwischen die beiden Versorgungsspannungsschienen des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen ist, sein Potential gegenüber den Leiterpotentialen, also den Potentialen der Versorgungsspannungsschienen nicht ändert, so dass das Potential des Mittelabgriffs gegen das Bezugspotential in demselben Maß schwankt wie die Leitungspotentiale. Somit kann an dem

Mittelabgriff mittels einer einzigen Messung direkt eine Spannung gemessen werden, welche unmittelbar eine Spannungsschwankung der

Versorgungsspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gegen das Bezugspotenzial repräsentiert. Potentielle Fehler durch weitere Messungen oder nachgehende Berechnungen werden damit sicher vermieden. Alternativ zur unmittelbaren Messung der Messspannung kann auch eine andere von der

Messspannung abgeleitete Größe, welche damit die Messspannung charakterisiert, gemessen werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Messbereich der Messeinrichtung an eine maximale Amplitude der Spannungsschwankung angepasst, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen: ein schematisches Blockschaltbild eines ungeerdeten Netzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, einem daran

angeschlossenen Wechselrichter, einer 3-phasigen elektrischen Maschine und einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der

Messspannung im Normalbetrieb ohne Isolationsfehler, eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der

Messspannung gemäß Fig. 2, eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der

Messspannung bei Auftreten eines einphasigen unsymmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz, eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der

Messspannung gemäß Fig. 4, eine grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der

Messspannung bei Auftreten eines symmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz und eine grafische Darstellung des Frequenzspektrums der

Messspannung gem. Fig. 6.

Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines 3-Phasen-Netzes 1 mit einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2, welche beispielsweise als Synchron-, Asynchron- oder Reluktanz-Maschine ausgeführt sein kann, mit einem daran angeschlossenen Pulswechselrichter 3. Der Pulswechselrichter 3 umfasst

Schaltelemente 4a^lf in Form von Leistungsschaltern, welche mit einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 2 verbunden sind und die Phasen U, V, W entweder gegen ein an einer positiven Versorgungsspannungsschiene 5 eines Gleichspannungszwischenkreises 6 anliegendes positives

Versorgungsspannungspotential T+ oder ein an einer negativen

Versorgungsspannungsschiene 7 des Gleichspannungszwischenkreises 6 anliegendes negatives Versorgungsspannungspotential T- schalten. Die mit der positiven Versorgungsspannungsschiene 5 verbundenen Schaltelemente 4a-4c werden dabei auch als„High-Side-Schalter" und die der negativen

Versorgungsspannungsschiene 7 verbundenen Schalter 4d-4f als„Low-Side- Schalter" bezeichnet und können beispielsweise als Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) oder als Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ausgeführt sein. Der Pulswechselrichter 3 umfasst ferner mehrere Freilaufdioden 8a-8f, welche jeweils parallel zu einem der Schaltelemente 4a-4f angeordnet sind.

Der Pulswechselrichter 3 bestimmt Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 2 und wird von einem Steuergerät 9, z.B. in Form eines MikroControllers, entsprechend angesteuert. Die elektrische Maschine 2 kann dabei wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb betrieben werden.

Der Pulswechselrichter 3 umfasst außerdem einen sogenannten

Zwischenkreiskondensator 10, welcher im Wesentlichen zur Stabilisierung einer Spannung eines Hochvolt-Energiespeichers in Form einer Hochvolt-Batterie 11 in dem Gleichspannungszwischenkreis 6 dient. Ein Bordnetz 12 des Fahrzeugs mit einem Niedervolt-Energiespeicher in Form einer Niedervolt-Batterie 13 ist über einen Gleichspannungswandler 14 parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 6 geschaltet.

Die elektrische Maschine 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgeführt, kann aber auch nur zwei oder mehr als drei Phasen aufweisen.

Vorzugsweise ist die Anzahl der Phasen aber gleich drei oder zumindest durch der teilbar.

Beispielsweise für Servicezwecke ist es erforderlich, die Hochvolt-Batterie 1 im Ruhezustand von dem Gleichspannungszwischenkreis 6 - häufig auch als

Traktionsnetz oder Hochvoltkreis bezeichnet - zu trennen. Dazu sind zwei Hauptschütze 15 und 16 sowie ein Vorladeschütz 17 vorgesehen. Das Vorladeschütz ermöglicht dabei eine strombegrenzte Ladung des

Zwischenkreiskondensators über einen Vorladewiderstand 18.

Des Weiteren ist in dem Gleichspannungszwischenkreis 6 parallel zu dem

Zwischenkreiskondensator 10 ein Spannungsteiler 30 vorgesehen, welcher bevorzugt symmetrisch ausgelegt ist. An einem Mittelabgriff M wird mit Hilfe einer Messeinrichtung 31 gegenüber dem Bezugspotential eine Messspannung U _M gemessen werden, welche unmittelbar eine Spannungsschwankung der

Versorgungsspannungspotentiale T+ und T- des Gleichspannungszwischenkreises 6 gegen das Bezugspotenzial repräsentiert. Dabei ist der Messbereich der

Spannungsmesseinrichtung 31 vorteilhaft an eine maximale Amplitude der

Spannungsschwankung angepasst. Der Spannungsteiler 30 kann, wie dargestellt, aus ohmschen Widerständen 32 und 33 oder auch mit Hilfe von Kapazitäten und/oder Induktivitäten gebildet werden. Entscheidend für die Verwendbarkeit ist lediglich die spannungsteilende Funktion. Selbstverständlich kann der

Spannungsteiler 30 auch aus mehr als zwei Komponenten gebildet werden.

Alternativ zur unmittelbaren Messung der Messspannung U _M kann auch eine andere von der Messspannung U _M abgeleitete Größe, welche damit die Messspannung U _M charakterisiert, gemessen werden.

Im Folgenden wird beispielhaft eine Verwendung der gemessenen Messspannung U _M bei der Überwachung des Isolationswiderstandes in dem ungeerdeten elektrischen Netz näher ausgeführt. Durch eine Auswerteeinheit 23, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 in das Steuergerät 8 integriert ist, alternativ dazu aber auch als eigenständige Einheit realisiert sein kann, wird die Messspannung U _M einer Frequenztransformation, vorzugsweise einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) unterzogen, um auf diese Weise das Frequenzspektrum der Messspannung U _M zu berechnen. Durch Auswertung der betragsmäßigen Spektralamplituden bei vorgegebenen elektrischen Frequenzen bzw. Winkelgeschwindigkeiten, kann dann ein Isolationsfehler detektiert werden. Dabei sind jedoch die vorgegebenen elektrischen Frequenzen bzw. Winkelgeschwindigkeiten keine Fixwerte, sondern abhängig von einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit co _el der elektrischen Maschine 2, welche proportional zur elektrischen Frequenz der elektrischen Maschine 2 ist. Daher wird eine die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine 2 charakterisierende Größe, wie z.B. die elektrische Winkelgeschwindigkeit co _el , bestimmt. Diese Bestimmung kann auf Basis messtechnischer Ergebnisse erfolgen. Häufig wird die elektrische Frequenz der elektrischen Maschine 2 aber auch vorgegeben, so dass diese vorbekannt ist.

Ein Isolationsfehler, das heißt eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes macht sich dadurch bemerkbar, dass sich die Spektralamplitude U _M (jK ^■ co _el ) bei bestimmten Frequenzen betragsmäßig ändert. Abhängig davon, ob es sich um einen symmetrischen oder einen unsymmetrischen Isolationsfehler handelt, ergibt sich die Veränderung der Spektralamplitude bei der 3-fachen elektrischen

Winkelgeschwindigkeit ω _ε1 , also bei K=3, bzw. bei der (1-fachen) elektrische

Winkelgeschwindigkeit ω _ε1 , also bei K=1. Dieser Zusammenhang wird aber im Folgenden noch detailliert erläutert. Die betragsmäßige Änderung der

Spektralamplitude ist dabei jeweils ein Maß für die Verschlechterung des

Isolationswiderstandes.

Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Messspannung U _M im Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2 und damit des Pulswechselrichters 3 ohne Isolationsfehler. Die Messspannung U _M verläuft dabei in Form einer Wechselspannung um eine Nulllinie, welche dem Bezugspotential, also z.B. Fahrzeugmasse, entspricht. Dieser Verlauf rührt daher, dass während des Pulswechselrichterbetriebs den

Versorgungsspannungspotentialen T+ und T- der Versorgungsspannungsschienen 5 bzw. 7 Wechselspannungsanteile überlagert sind.

Eine Fast-Fourier-Transformation der in Figur 2 dargestellten Messspannung ergibt eine in Figur 3 schematisch dargestellte Spektralverteilung (Frequenzspektrum). Dabei ist zu erkennen, dass bei der (1 -fachen) elektrischen Winkelgeschwindigkeit co _el kein Signalanteil vorhanden ist und bei der 3-fachen elektrischen

Winkelgeschwindigkeit 3*co _el ein Signalanteil mit einer Spektralamplitude von A ₀ vorhanden ist. Tritt nun im Bereich des 3-Phasen-Netzes 1 ein einphasiger unsymmetrischer Isolationsfehler auf, das heißt eine Verschlechterung des Isolationswiderstandes auf einer der drei Phasen U, V oder W, so ergibt sich ein veränderter zeitlicher Verlauf der essspannung U _M (vgl. Figur 4) und auch eine veränderte Spektralverteilung (vgl. Figur 5). Insbesondere tritt bei der (1 -fachen) elektrischen

Winkelgeschwindigkeit co _el nun ein Signalanteil mit einer Spektralamplitude von auf, welche im fehlerfreien Fall nicht auftrat oder zumindest in einem

Grundrauschen unterging. Vergleicht man folglich die Spektralamplitude A ₁ mit der als Referenzwert dienenden entsprechenden Spektralamplitude im fehlerfreien Fall, in diesem Fall also einer Spektralamplitude von 0, so kann im Falle einer

Abweichung ein unsymmetrischer Isolationsfehler zuverlässig detektiert werden. Die betragsmäßige Amplitudenänderung, das heißt in diesem Fall also der

Amplitudenwert selbst, ist dabei ein Maß für die Verschlechterung des

Isolationswiderstandes. Dabei, wie auch bei den noch folgenden Detektionen von Isolationsfehlern, kann selbstverständlich auch ein Mindestwert für die Abweichung vorgegeben werden, welcher überschritten sein muss, bevor ein Isolationsfehler detektiert wird.

In den Figuren 6 und 7 sind der zeitliche Verlauf der Messspannung U _M bzw. die sich daraus ergebende Spektralverteilung bei Auftreten eines symmetrischen Isolationsfehlers im 3-Phasen-Netz 1 dargestellt. Dabei wirkt sich die

Verschlechterung des Isolationswiderstandes auf alle drei Phasen in analoger Weise aus. Aus Figur 7 erkennt man, dass sich ein derartiger Isolationsfehler dadurch bemerkbar macht, dass sich die Spektralamplitude bei der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3* o _el von einem Wert A ₀ auf einen Wert A ₂ erhöht hat. Der betragsmäßige Anstieg ist dabei wiederum ein Maß für die

Verschlechterung des Isolationswiderstandes. Durch Vergleich der

Spektralamplitude der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 3* ω _β/ mit der als Referenzwert dienenden entsprechenden Spektralamplitude im fehlerfreien Fall, in diesem Fall also A ₀ , kann somit auch ein symmetrischer Isolationsfehler sicher detektiert werden.

Ein ähnlicher Effekt zeigt sich auch bei Auftreten eines symmetrischen

Isolationsfehlers im Gleichspannungszwischenkreis 6. Auch dabei ergibt sich eine Veränderung der Spektralverteilung im Bereich der 3-fachen elektrischen Winkelgeschwindigkeit 2>* (D _el , allerdings in Form eines Absinkens des

Amplitudenwertes auf einen niedrigeren Wert als im Normalbetrieb, als niedriger als A ₀ . In diesem Fall ist der betragsmäßige Abfall ein Maß für die Verschlechterung des Isolationswiderstandes.

Für die Anwendbarkeit der Erfindung ist es lediglich entscheidend, die

Spektralamplituden bei der 1 -fachen und 3-fachen, oder im Fall eines n-Phasen- Netzes der n-fachen elektrischen Frequenz oder auch Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen. Insofern können anstelle einer Frequenztransformation auch

Bandpassfilterungen mit entsprechenden Mittelfrequenzen bei co _el und 3*a> _el

(n* 6) _e/ ) eingesetzt werden und die benötigten Amplitudenwerte anschließend aus den gefilterten Messspannungen berechnet werden.