Die Erfindung betrifft einen Isolationswächter für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Aus DE 102019202892 A1 ist eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei die Bordnetzanordnung einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines ersten Hochvolt-Potentials und eines zweiten vom ersten verschiedenen Hochvolt- Potentials aufweist, sodass zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Potential eine Gesamtspannung abgreifbar ist. Weiterhin weist die Bordnetzanordnung einen ersten Isolationswiderstand zwischen dem ersten Hochvolt-Potential und einer vorbestimmten elektrischen Masse sowie einen zweiten Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der vorbestimmten elektrischen Masse und eine Isolationsüberwachungseinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, den ersten und zweiten Isolationswiderstand zu überwachen. 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 komplett galvanisch getrennt von der Fahrzeugmasse. Über parasitäre Widerstände in den Kabeln, HV-Verbrauchern, der Batterie und so weiter, ergibt sich jedoch eine hochimpedante Verbindung zwischen dem positiven beziehungsweise negativen Hochvolt-Potential und der Fahrzeugmasse, der sogenannte Isolationswiderstand, beziehungsweise der oben genannte jeweilige erste und zweite Isolationswiderstand. Solange dieser Widerstand hochohmig, das heißt im Megaohmbereich, ist, besteht keine Gefährdung. Aus Sicherheitsgründen wird mittels einer Isolationsüberwachungseinrichtung, auch Isolationswächter genannt, dieser Isolationswiderstand permanent überwacht. Bei Unterschreitung eines definierten Schwellwerts kann eine Warnung generiert und je nach Betriebszustand das HV-Bordnetz von der Batterie über die Batterieschütze abgetrennt und ein sicherer Zustand hergestellt werden. Neben dem Isolationswiderstand existieren in jedem HV-Bordnetz Kapazitäten, 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(elektromagnetische Verträglichkeit)-Verhalten zu verbessern. Nach der Formel E = J C U ² ist in diesen Kondensatoren der Kapazität C bei einer anliegenden Spannung U eine Energie E gespeichert. Wird dann von einer Person ein Hochvolt-Kontakt und die Fahrzeugmasse gleichzeitig berührt, werden diese Kondensatoren über den Körper entladen bzw. umgeladen und könnten prinzipiell, d.h. wenn diese Ströme zu hoch wären, zu einer Gefährdung führen. Um das Gefährdungspotential gering zu halten, existieren daher in unterschiedlichen Normen Grenzwerte für die maximal erlaubte gespeicherte, oder besser 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 unsymmetrischen 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 oben beschriebene Beschränkung der maximal zulässigen Gesamtkapazität besteht damit auch bei unsymmetrischem Bordnetz, das heißt wenn die Spannungen zwischen dem positiven Hochvolt-Potential und der Masse sowie zwischen dem negativen Hochvolt-Potential und der Masse unterschiedlich sind, kein Gefährdungspotential. Neben dem Nachteil der Begrenzung der maximal zulässigen Gesamtkapazität kann es zudem in diesem Fall, d.h. bei unsymmetrischem Bordnetz, Vorkommen, dass beim Verbinden des Fahrzeugs, zum Beispiel über die DC- Ladeschnittstelle, mit einer Ladesäule das positive beziehungsweise negative Spannungspotential gegenüber Erde von Ladesäule und Fahrzeug unterschiedlich ist. Dies kann beim Zuschalten der Ladesäule zu unerwünschten, Undefinierten Ausgleichsvorgängen führen, welche im schlimmsten Fall ein Laden verhindern können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Isolationswächter für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und ein verbessertes Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Isolationswächter für ein Hochvolt- Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb eines Isolationswächters für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Isolationswächter für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei das Bordnetz eine HV-Batterie umfasst und von einer Fahrzeugmasse galvanisch getrennt ist, wobei zwischen einem positiven Potenzial der HV-Batterie und der Fahrzeugmasse sowie zwischen einem negativen Potenzial der HV-Batterie und der Fahrzeugmasse durch parasitäre Effekte jeweils ein Isolationswiderstand vorliegt, wobei zwischen dem positiven Potenzial und der Fahrzeugmasse sowie zwischen dem negativen Potenzial und der Fahrzeugmasse jeweils eine Y-Kapazität vorgesehen ist, wobei der Isolationswächter eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle zur Umladung der Y-Kapazitäten aufweist, wobei die Stromquelle zwischen der Fahrzeugmasse und einem der Potenziale geschaltet ist, wobei der Isolationswächter ferner einen Spannungsmesser zum Messen mindestens eines der Potenziale umfasst.

Erfindungsgemäß ist die Stromquelle oder die Spannungsquelle ferner zur Symmetrierung der Potenziale konfiguriert, wobei der Isolationswächter dazu konfiguriert ist, bei Überschreiten eines vorgegebenen oberen Wertes durch das vom Spannungsmesser gemessene Potenzial mittels der Stromquelle einen negativen Strom aufzuprägen und bei Unterschreiten eines vorgegebenen unteren Wertes durch das vom Spannungsmesser gemessene Potenzial mittels der Stromquelle einen positiven Strom aufzuprägen, der auf einen maximal zulässigen Berührstrom im Falle eines Isolationsfehlers begrenzt ist, und anhand der vom Spannungsmesser gemessenen Spannung und anhand des eingespeisten Umladestroms auf die Größe der Isolationswiderstände zu schließen.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Isolationswächters ist die Abweichung der HV- Potenzialverteilung von einer symmetrischen HV-Potenzialverteilung sehr gering. Somit ist der in den Y-Kapazitäten gespeicherte Energiegehalt/die Ladung immer sehr nahe an einem erreichbaren Minimum. Dadurch kann im HV-System eine größere Y-Kapazität erlaubt werden, um trotzdem die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich der gespeicherten Energie/Ladung zu erfüllen. Eine günstigere/bessere EMV-Filterung in den HV- Komponenten ist somit möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Isolationswächters für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, und

Fig. 2 schematische Diagramme zur Darstellung eines Ausgangs eines Relais, eines von einer Stromquelle aufgeprägten Stroms, und von Potenzialen über der Zeit.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Isolationswächters 1, insbesondere für ein Bordnetz 2 eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs mit Elektroantrieb.

Das Bordnetz 2 ist beispielsweise ein HV(Hochvolt)-Bordnetz und umfasst typischerweise mindestens eine HV-Batterie 3 sowie HV-Verbraucher, die hier nicht dargestellt sind. In der Figur ist weiterhin ein Innenwiderstand Ra _batt der HV-Batterie 3 dargestellt. In der Regel ist das Bordnetz 2 galvanisch getrennt von einer Fahrzeugmasse PA. Zwischen einem positiven Potenzial H+ und der Fahrzeugmasse PA sowie zwischen einem negativen Potenzial H- und der Fahrzeugmasse PA ergibt sich durch parasitäre Effekte jeweils ein Isolationswiderstand Ri _S0 _p, Riso_N. Aus Sicherheitsgründen ist ein Isolationswächter 1 vorgesehen, der die Isolationswiderstände Ri _S0 _p, R _ISO _N überwacht. Ferner sind zwischen dem positiven Potenzial H+ und der Fahrzeugmasse PA sowie zwischen dem negativen Potenzial H- und der Fahrzeugmasse PA jeweils Y- Kapazitäten CY_P, CY_N vorgesehen. In der Figur sind die zu den CY_P, CY_N gehörige Leitungswiderstände zwar nicht explizit dargestellt, wobei diese in realen Schaltungen aber unvermeidlich auftreten, ebenso wie der Innenwiderstand Ra _batt der HV-Batterie 3 auch nicht absichtlich separat eingebaut ist.

Die Hochvolt-Batterie 3 kann beispielsweise eine Nennspannung von 800 V aufweisen.

Der Isolationswächter 1 umfasst eine Stromquelle 4, beispielsweise eine galvanisch getrennte Stromquelle zur Umladung der Y-Kapazitäten CY_P, CY_N und zur Symmetrierung der Potenziale H+ und H-. Die Stromquelle 4 ist hierzu zwischen der Fahrzeugmasse PA und einem der Potenziale H+ oder H-, im vorliegenden Fall dem Potenzial H+, geschaltet. Der Isolationswächter 1 umfasst ferner einen Spannungsmesser 5 zum Messen eines der Potenziale H+ oder H-, im vorliegenden Fall des Potenzials H+. Ferner umfasst der Isolationswächter 1 eine Steuereinrichtung, die einen von der Stromquelle 4 aufzuprägenden Umladestrom I abhängig vom Wert des durch den Spannungsmesser 5 gemessenen Potenzials H+ steuert oder regelt. Die Steuereinrichtung wird in der Abbildung durch ein Relais 6, ein Additionsglied 7, zwei Multiplikationsglieder 8, 9 sowie drei Konstantwerte 10, 11, 12 repräsentiert, kann jedoch auch auf irgendeine andere geeignete Art und Weise ausgebildet sein. Der Isolationswächter 1 oder seine Steuereinrichtung ist so konfiguriert, dass bei Überschreiten des Wertes des durch den Spannungsmesser 5 gemessenen Potenzials H+ von beispielsweise 440 V von der Stromquelle 4 ein Strom I von beispielsweise -40mA aufgeprägt wird, während bei Unterschreiten des Wertes des durch den Spannungsmesser 5 gemessenen Potenzials H+ von beispielsweise 360 V von der Stromquelle 4 ein Strom I von beispielsweise +40mA aufgeprägt wird. Der Isolationswächter 1 ist derart konfiguriert, dass er einen Strom I bis zu einer Maximalstromstärke aufprägen kann, welche insbesondere bis zu einem Bereich von +/- 10mA gehen kann. In Ausnahmefällen aber kann die Konfiguration des Isolationswächter 1 auch noch höhere Stromstärken aufprägen.

Figur 2 zeigt schematische Diagramme zur Darstellung eines Ausgangs A des Relais 6, des von der Stromquelle 4 aufgeprägten Stroms I, des gemessenen Potenzials H+ und des Potenzials H- über der Zeit t.

Nach einer Spannungsmessung zur Bestimmung der HV-Potenzialverteilung mittels des Spannungsmessers 5 zum Start des Bordnetzes 2 wird durch Aufprägen eines Stromes I mittels der Stromquelle 4 zunächst eine bezüglich der Fahrzeugmasse PA symmetrische Verteilung der Potenziale H+, H- hergestellt. Der von der Stromquelle 4 aufgebrachte konstante Strom I, bei dem die symmetrische Potenzialverteilung beibehalten wird, wird zur späteren Berechnung der Isolationswiderstände Ri _S0 _p, ermittelt. Aus dieser symmetrischen Verteilung der Potenziale H+, H- erfolgt durch Einspeisen eines weiteren additiven Stromes I aus der Stromquelle 4 eine kleinere Umladung der Potenziale H+, H- um einen kleineren positiven und/oder negativen Wert um die symmetrische Verteilung. Der von der Stromquelle 4 aufgebrachte Strom I ist dabei auf einen maximal zulässigen Berührstrom im Falle eines Isolationsfehlers begrenzt. Anhand der gemessenen Spannung zwischen dem positiven Potenzial H+ und der Fahrzeugmasse PA oder zwischen dem negativen Potenzial H- und der Fahrzeugmasse PA und anhand des eingespeisten Umladestroms I kann auf die Isolationswerte, das heißt die Größe der Isolationswiderstände Ri _S0 _p, R _ISO _N geschlossen werden. Dabei wechselt die Potenzialverteilung mit einem definierten Spannungshub um die symmetrische Potenzialverteilung. Somit ist der Isolationswächter dazu konfiguriert, die Verteilung der Potenziale (H+, H-) mit einem definierten Spannungshub um die symmetrische Verteilung zu variieren, wobei der Spannungshub beispielsweise eine hohe zweistellige Spannung sein kann und insbesondere bis zu einem Bereich von +/-50V liegen kann. In Ausnahmefällen aber kann die Konfiguration des Isolationswächter 1 auch noch höhere Spannungshübe aufprägen.

In einer alternativen Ausführungsform kann der Isolationswächter 1 statt einer Stromquelle 4 eine Spannungsquelle, beispielsweise eine galvanisch getrennte Spannungsquelle, aufweisen und die Größe der Isolationswiderstände Ri _S0 _p, durch Anlegen einer Spannung ermitteln.

Figur 2 zeigt Simulationsergebnisse für den Fall, dass der Isolationswiderstand Ri _S0 _p 30 MOhm und beträgt und dass der Isolationswiderstand R _SO _N 10 MOhm beträgt. Ausgehend von einer sehr unsymmetrischen Verteilung der Potenzial H+, H- (das heißt einem hohen Energiegehalt in den Y-Kapazitäten CY_P, CY_N) stellt der Isolationswächter 1 aktiv eine symmetrische Verteilung der Potenziale H+, H- her. Es ist erkennbar, dass zum Reduzieren des positiven Potenzials H+ ein negativer Strom I für eine längere Zeitdauer erforderlich ist als ein positiver Strom I zum Reduzieren des negativen Potenzials H-, was durch die unsymmetrische Widerstandsverteilung verursacht ist. Dennoch kann der Isolationswächter 1 anhand ermittelter Größen wie Umladezeit und Verteilung der Potenziale H+, H- die Werte der Isolationswiderstände Ri _S0 _p, bestimmen. Anstelle der Information über die unsymmetrische Ruhelage verfügt er nun über eine Information überdas unterschiedliche Tastverhältnis der Umladeströme I.

Bezugszeichenliste

1 Isolationswächter

2 Bordnetz, HV-Bordnetz

3 HV-Batterie

4 Stromquelle

5 Spannungsmesser

6 Relais 7 Additionsglied

8, 9 Multiplikationsglied

10, 11, 12 Konstantwert

CY_P, CY_N Y-Kapazität

H+, H- Potenzial I Strom, Umladestrom

A Ausgang

PA Fahrzeugmasse

Ri_bat Innenwiderstand

Riso_P, Riso_N Isolationswiderstand t Zeit