Beschreibung:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isolationsüberwachung in einem Hoch spannungssystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.

In modernen Nutzfahrzeugen werden zunehmend Hochspannungssysteme eingesetzt, die mehrere hochspannungsführende Hochspannungskomponen ten aufweisen. Hierbei ist es wichtig, dass die Hochspannungskomponenten einen ausreichenden Isolationswiderstand gegenüber Masse aufweisen. Es ist deshalb bekannt, den Isolationswiderstand der Hochspannungskompo- nenten durch ein Isolationsmessgerät zu messen, wobei eine Überwa chungseinheit den gemessenen Isolationswiderstand überwacht. Bisher wurde der Messwert des Isolationswiderstands jedoch nur in relativ großen Zeitabständen gemessen.

Eine jede Isolierung beginnt sich mit zunehmendem Alter zu verschlechtern, sobald sie das erste Mal in Gerbrauch ist. Isolierungen in jedem gegebenen Anwendungsbereich sind so konstruiert, dass sie viele Jahre lang unter nor malen Betriebsverhältnissen gute Dienste leisten. Jedoch haben abnormale Arbeitsverhältnisse oder zum Beispiel Unfälle bei Fahrzeugen einen schädi genden Effekt, welcher, wenn unkontrolliert gelassen, die Verschlechterung beschleunigt, schließlich einen Defekt in der Isolierung verursachen oder gar zu gefährlichen Zuständen in Fahrzeugen führen. In elektromechanischen Batteriesystemen, insbesondere in elektrisch betrie benen Fahrzeugen, werden elektrische Lasten mit großen elektrischen Schaltern (Relais, Schütz) geschaltet. In gefährlichen Situationen, die durch Unfälle oder auch durch fehlerhafte Betriebsbedingungen entstehen können, müssen die Batteriesysteme und die außerhalb der Batteriesysteme an diese angeschlossenen Systeme (Leitungs- oder Verbraucher) geschützt werden, insbesondere auch vor einem Brand der sich dann im ganzen Fahrzeug aus breiten kann. Der Schutz kann mit bekannten Abschaltsystemen abgesichert werden, allerdings ist dazu erforderlich, möglichst zeitnah eine Information über die Flochspannungsisolierung zu erhalten.

Ein erforderlicher Schutz ist der Hochvolt-Spannungsschutz. Dieser wird durch die Hochvoltisolierung zur umgebenden Masse sichergestellt. Durch eine abnehmende oder fehlende Hochvoltisolierung zur Masse können ge fährliche Umgebungen oder Situationen, insbesondere für Personen entste hen. Ein möglicher Isolationsfehler kann unterschiedliche Ursachen haben, wie zum Beispiel Herstellung der Einzelkomponenten, Zusammenführung der Komponenten, das Zusammenschalten der Komponenten, die bereits er wähnte Alterung sowie eine fehlerhafte Bedienung Beim Automobil wird die Masse herstellerübergreifend mit „Klemme 31“ be zeichnet (Klemmenbezeichnung). Ein Isolationsfehlerverursacht einen Feh lerstrom vom Hochvolt-Plus zum Hochvolt-Minus über die Klemme 31 und er zeugt dadurch Spannungsabfälle im System die gefährlich sein können. Dadurch entstehen lebensgefährliche Fehlerquellen.

Es gibt die Hochvoltbatterie als abgeschlossene Komponente selbst und die Hochvoltbatterie mit zugeschaltetem Stromkreis (über galvanische Trennele mente in Hochvolt-Plus und -Minus) mit den elektrischen Verbrauchern. Die Hochvoltbatterie für sich selbst hat im Normalfail keine Kapazitäten zur Fahr- zeug-Masse. Die Hochvoltbatterie mit zugeschalteten Verbrauchern hat eine parasitäre Kapazität von der Masse zum Hochvolt-Plus und -Minus.

Die Isolationsmessung muss mit sehr kleinen Kapazitäten (wenigen nF) und mit großen Kapazitäten (einige pF) zuverlässige Messergebnisse erzeugen die das Maß für die Isolation sind. Die Isolierung wird als fehlerhaft erachtet, wenn sie den Stromfluss in ungewünschte Bahnen nicht angemessen verhin dert. Das schließt Stromfluss über die inneren und äußeren Oberflächen der Isolation (Kriechstrom) und viele andere Gründe mit ein. Nadellöcher und Risse zum Beispiel können sich in der Isolierung entwickeln, oder Feuchtig- keit und andere Sachen können die Oberfläche(n) durchdringen. Diese

Schadstoffe ionisieren leicht unter einer angelegten Spannung, die einen Weg für den geringen Widerstand von Kriechstrom schafft, der sich abhängig von der Verschmutzung und Umgebungsfeuchte verändern kann, verglichen mit trockenen, nicht verunreinigten Oberflächen. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Ströme bekannt, dessen Termi nologie kurz erläutert wird. Der kapazitive Ladestrom ist der Strom, der erfor derlich ist, um die Kapazität der zu prüfenden Isolation aufzuladen. Der Strom ist zunächst groß, aber relativ kurzlebig und in die Nähe des Nullwer- tes fallend, je nachdem wie der zu testende Gegenstand geladen ist. Ein Iso lationsmaterial wird dabei genauso geladen wie ein Nichtleiter in einem Kon densator. Ein Absorptionsstrom besteht aus bis zu drei Strömen, die bei ab nehmender Geschwindigkeit über einige Minuten nahe dem Nullwert fallen. Ein Oberflächenkriechstrom ist dann vorhanden, wenn die Oberfläche der Isolierung z. B. mit Feuchtigkeit oder Salzen verunreinigt ist. Der Strom ist mit der Zeit konstant und hängt von dem Grad der vorhandenen Verschmut zung ab, die ihrerseits von der Temperatur abhängt. Dieser wird aber oft als ein einzelner Strom einschließlich mit dem Leitungsstrom unter dem gesam- ten Kriechstrom ignoriert. Das ist jedoch der ISO-Strom der relevant ist.

Der Isolationsmessstrom ist durch die zu betrachtende Isolierung stetig und ist normalerweise durch einen sehr hohen Widerstand parallel zur Isolie rungskapazität dargestellt. Er ist Bestandteil des Kriechstroms, welcher der Strom ist, der gemessen wird, wenn die Isolierung ganz aufgeladen ist und vollständige Absorption stattgefunden hat.

Die Isolationswiderstandsmessung für elektrische Systeme nach Voltage dass B (Spannungsklasse B) muss auch während der Fahrzeugkonditionie- rung gemessen werden unter den Bedingungen unter denen der niedrigste Wert erwartet wird. Dies erfolgt im Stand der Technik mit einem Isolations messgerät nach DIN EN 61557-2 VDE 0413-2:2008-02 (Elektrische Sicher heit in Niederspannungsnetzen bis AC 1 000 V und DC 1 500 V - Geräte zum Prüfen, Messen oder Überwachen von SchutzmaßnahmenTeil 2) durch messen des Isolationswiderstands bei einer Messspannung, die der HV- Spannung des Systems entspricht, so dass z. B. bei 500 V der Widerstands wert R iso 5oo ermittelt wird.

Nachteilig bei der Isolationsmessung ist ferner, dass eine Strommessung, an einem der Batteriepole erforderlich ist, um z. B. die Fahrstörungen zu kom pensieren. Ferner muss die Strom- und Spannungsmessung an der Batterie synchronisiert werden, der vom Arbeitspunkt abhängige Widerstand der Bat terie muss aus diesen Werten ermittelt werden und mit den ermittelten Wer ten können dann die Spannungsschwankungen rechnerisch kompensiert werden. Ferner wird die Kenntnis über die Kapazitäten benötigt.

Die kleinen und großen Kapazitäten im System beeinflussen ferner die zeitli che Dauer der Isolationsauswertung. Die Isolationsmessungen erfolgen in ty pischerweise zu langen Zeitfenstern bis 30 Sekunden und mehr. In der auto- mobilen Fahrzeugtechnik hat die Isolationsauswertung in wenigen Sekunden zur Verfügung zu stehen. Die klassischen und bekannten Messmethoden mit langen Messzeiten sind nicht zielführend.

Ferner besteht ein Bedürfnis danach die Bestimmung der Isolation ohne Vor- gäbe der Kapazitätswerte durchführen zu können, so dass die genaue

Kenntnis der Kapazität, egal ob groß oder klein, nicht notwendig ist. Ferner sollen Störungen, wie Fahrstörungen auf dem Messsignal, Laden oder Ent ladevorgänge nicht die Messung negativ beeinflussen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannten Hochspan nungssysteme entsprechend sicher zu gestalten. Weiterhin liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Überwachungsverfahren anzugeben, welches eine schnelle Ermittlung des Zustands der Isolierung in DC-Hochspannungssystemen in Fahrzeugen ermöglicht, ohne die Kapazität des Fahrzeugs zu kennen. Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Hochspannungssystem bzw. durch ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren gemäß den un abhängigen Ansprüchen gelöst.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung lässt sich in die folgenden As pekte gliedern:

Eine Isolationsbestimmung mit erhöhter Genauigkeit und verkürzter Bestim- mungszeit, kombiniert mit einer Kapazitätsberechnung in einem dreistufigen Konzept:

1) Kompensation der Fahrstörungen

2) Endwertabschätzung einer e-Funktion als Vorabberechnung 3) Iterative Optimierung des zu bestimmenden Isolationswiderstandes auf den Wert mit dem kleinsten quadratischen Fehler

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betreffend der Endwertab schätzung des Isolationswiderstandes besteht darin, einen erst mit statischen Methoden nach einem bestimmten Zeitablauf (Messzeit z.B. von 30 s) ermit telbaren Wert (Isolationswert) auf Basis von Messwerten, die in kurzen Ab ständen (zum Beispiel alle 500 ms) ermittelt werden, als Stützstellen einer e- Funktion anzunehmen, daraus die e-funktion und deren Grenzwert zu be stimmen und aus dem Grenzwert der e-Funktion den Isolationswert (Isolati- onswiderstand jeweils für entweder HV-Plus zu Masse oder HV-Minus zu

Masse) des Hochspannungssystems zu ermitteln. Aufgrund des jeweils cha rakteristischen Verlaufs der entsprechenden e-Funktion, lässt sich der Grenzwert aus einer e-Funktion extrapolieren und kann daher eine End wertabschätzung als Vorberechnung durchgeführt werden. Die mit der Erfindung zu erzielenden weiteren Vorteile lassen sich wie folgt angeben:

- Der ermittelte Widerstands-Isolationswert weist geringe Toleranz auf und damit eine hohe Ergebnisqualität

- Bestimmung der Kapazitäten möglich

- Isolationswertermittlung unabhängig von den Kapazitätswertangaben welche im System (Fahrzeug) verbaut sind

- Die Isolationswertbestimmung reagiert auf sich verändernde Kapazi- tätswerte (Kapazitätswertänderungen durch Alterungsvorgänge des

Fahrzeuges, bauliche Veränderungen zum Beispiel des Kabelbaumes, Einbau von Zusatzgeräten)

- Mit dem ermittelten Endwert wird das System informiert ob die Isolati onsqualität ausreichend ist und ob der Antrieb gestartet werden kann und im laufenden Betrieb weiterverwendet werden kann.

Die vorliegende Erfindung schlägt hierzu für das dreistufige Verfahren fol gende Vorgehensweise vor: 1) Kapazitätsberechnung

Hierzu sind folgende Messgrößen heran zu ziehen:

Messwerte der Batteriespannung zwischen HV-Pluspol und HV- Minuspol der Batterie erfassen - Messwerte für die Spannung von Fahrzeugmasse zum Batteriepotential

(HV-Pluspol) bzw. HV-Minus in Bezug auf Klemme 31 aufnehmen. Filterung des Messwertes der Batteriespannung, so dass das Frequenzverhalten je nach Fahrzustand, Laden/Entladen und Belastung der Batteriespannung der Spannung Fahrzeugmasse zum Batteriepol (HV-Pluspol) entspricht. Anders ausgedrückt bedeutet dies, den Wert zu erhalten, bei dem die Spannung zwischen HV-Pluspol und HV- Minuspol der Spannung zwischen Masse und HV-Pluspol entspricht.

Somit ist es nach der Idee der Erfindung vorgesehen die folgenden Messwerte zu erfassen: Den ungefilterter Batteriespannungsmesswert, den gefil- terten Batteriespannungsmesswert mit gleichem Verhalten bzw. Frequenzverhalten wie die Batteriespannung zwischen Fahrzeugmasse zum Batterie pol HV-Plus und die Spannung zwischen Fahrzeugmasse zum Batteriepol

HV-Minus.

Es erfolgt auf dieser Basis eine Berechnung nach einem geeigneten Berech- nungsalgorithmus, der bevorzugt wie folgt aussehen kann:

Erfassen der Spannung von Fahrzeugmasse zum Batteriepotential (HV- Pluspol) aufnehmen

Berechnung der Größe Vx_comp [n] wie folgt:

1

Vx_comp[ n] = - ( Vbatmean [n] — Vbat_dc[n] ) + Vx_dc[n] wobei

Vx_comp [n]: die kompensierte Messspannung darstellt, bei der die Spannungen bedingt durch Fahrstörungen bereits her ausgerechnet sind

Vbatmean [m]: Gefilterter Batteriespannungsmesswert mit Frequenzverhalten gleich der Batteriespannung Fahrzeugmasse zum Batteriepol

Vbat_dc [n]: Ungefilterter Batteriespannungsmesswert Vx_dc[n]: Ungefilterte Spannung Fahrzeugmasse zum Batteriepol 2) Endwertabschätzung einer e-Funktion als Vorabberechnung

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die e-Funktion zu nutzen um mit deren Eigenschaft die Endwerte vorher zu bestimmen.

Die e-Funktion kann zum Beispiel mittels geeigneter Stützstellen bestimmt werden. Mit der Endwertabschätzung ist die iterative Endwertberechnung in verkürzter Zeit unterstützt. 3) Iterative Optimierung des zu bestimmenden Isolationswiderstandes

In diesem Schritt nähert man sich iterativ dem optimierten Endwert der e- Funktion an, um daraus den Isolationswiderstand möglichst genau zu bestim men. Die Endwertabschätzung ist der Startwert für die nachfolgende End- Wertberechnung und hat den Vorteil, dass die Endwertberechnung auf einem reduzierten quadratischen Fehlerniveau beginnt.

Dazu kann mit Vorteil die folgende Gleichung herangezogen werden: wobei folgende Größen betrachtet werden: Y : Messwerte

A : Parameter

Tau : Parameter Zeitkonstante EE : Endwert e-Funktion t : Messzeit.

Man geht von einer vorberechneten Pseudoinversen aus. Für EE wird ein Startwert für die iterative Berechnung verwendet. In der Regel ein vergleichs weise großer Anfangswert für den Isolationswiderstand. Die vorstehend offenbarten Merkmale sind dabei beliebig kombinierbar, so weit dies technisch bei der Umsetzung der Erfindung sinnvoll möglich ist und diese nicht im technischen Widerspruch zueinanderstehen, auch wenn diese Kombination der Merkmale nicht ausdrücklich offenbart ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische konstruktive Ausgestaltung der Erfindung

Fig. 2 eine Flow-Chart, welches die Verfahrensschritte zur Ermittlung der Isolationsfestigkeit zeigt und

Fig. 3 schematische Kurven 1 bis 4, welche zur Erläuterung der iterati ven Berechnung herangezogen wurden.

Die Figuren und Kurven sind lediglich beispielhaft schematisch. Gleiche Be- zugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder struktu relle Merkmale hin. Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert.

Die Fig. 2 zeigt einen Flow-Chart, welcher die dreistufige Konzeption zur Er- mittlung der Isolationsfestigkeit zeigt.

In der Figur 1 ist eine rein schematische konstruktive Ausgestaltung der Er findung anhand einem beispielhaften DC-Hochspannungssystem, insbeson dere in einem Kraftfahrzeug, mit mehreren Flochspannungskomponenten 10 11, 12 gezeigt, wobei ein nicht näher dargestellter Hochspannungsenergie speicher vorgesehen ist, der jeweils über eine elektrische Leitung mit den die Hochspannungskomponenten 10, 11, 12 verbunden ist, sowie eine Isolati onsmesseinrichtung 20 zur Messung der Spannung zwischen HV-Plus bzw. HV-Minus der Hochspannungskomponenten 10, 11, 12 und jeweils der Fahrzeugmasse und mindestens eine Auswerteeinheit 30 zur Ermittlung des Isolationswiderstands auf Basis einer iterativen Berechnung, wie diese im fol genden beispielhaften Algorithmus zur iterativen Optimierung des zu bestim menden Isolationswiderstandes erläutert ist. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf genau diese Lösung, sondern es sind auch andere iterative Ansätze denkbar.

Dazu kann mit Vorteil die folgende Gleichung herangezogen werden:

Y t) = A e^tL· + EE wobei folgende Größen betrachtet werden:

Y : Messwerte

A : Parameter

Tau : Parameter Zeitkonstante EE : Endwert e-Funktion t : Messzeit.

Man geht von einer vorberechneten Pseudoinversen aus. Für EE wird ein Startwert für die iterative Berechnung verwendet. In der Regel ein vergleichs weise großer Anfangswert für den Isolationswiderstand.

Schritt 1:

In einem ersten Schritt erfolgt nun die Linearisierung der e-Funktion durch Logarithmierung, wie folgt:

In (Y (t) — EE) = ln(A) + t/tau

Dadurch hat das Lösungssystem nun die Form einer linearen Gleichung der allgemeinen Form:

B = A * x

Matrix 1

Schritt 2:

In einem nachfolgenden Schritt erfolgt die Matrix-Multiplikation mit der Pseudoinversen, wobei das Ergebnis tau und ln(A) ist. Schritt 3:

In einem weiteren nachfolgenden Schritt erfolgt die Berechnung des quadra tischen Fehlers (linke Seite und rechte Seite der Matrix 1).

Schritt 4: In einem weiteren Schritt erfolgt die Iteration von EE:

Schritt 5:

In diesem Schritt erfolgt der Vergleich, ob die Kurve noch besser als Gerade genähert werden kann (bei sehr kleinen Zeitkonstanten hat das System sprungförmiges Verhalten, wobei eine Geradenlösung der bessere Ansatz ist). Iteration mit EE = 0 Tau = 0

Exp (ln(A)) ist die Lösung für die Gerade Quadratischer Fehler der Geradenlösung berechnen

Schritt 6:

Derjenige iterativ ermittelte Wert für EE, der den jeweils kleinsten quadrati schen Fehler besitzt, wird für die weitere nachfolgende Berechnung verwen det. Die Parameter EE und tau werden für die Widerstandsberechnung (EE), für die Kapazitäten (Tau) berechnen. Tau bestimmt das Zeitverhalten des Systems und stellt die Filterkonstante dar.

Das Zeitverhalten des Systems in Laplace ist wie folgt:

(Beispielhaft für die Spannung zum negativen Batteriepol)

U _m ass_bat = Spannung der Batteriemasse zum negativen Batteriepol

U _bat = Batteriespannung

R _n e _g = negativer Isolationswiderstand R _pos = positiver Isolationswiderstand

C _ne g = negative Kapazität

C _{p os} = positive Kapazität

Es erfolgt eine iterative Berechnung um die optimale Kombination der Werte für EE, C, A und Tau zu finden (nach dem Prinzip des kleinsten quadrati- sehen Fehlers). Dabei wird EE pro Iteration verändert. Es könnte auch tau o- der ln(A) iteriert werden. Über die Pseudoinverse wird zu einem jeweils vor gegebenen EE, das Parameterpaar A und tau berechnet, welches den kleinsten quadratischen Fehler hat. Für die steigende und fallende Kurve wird je ein separates tau berechnet (tau1 und tau2). Um die Zeitkonstante des Mittelwert-Filters einzustellen wer den beide Berechnungen von tau1 und tau2 miteinander kombiniert. Im ers ten Schritt wird ein Mittelwert verwendet. In den Kurven 3 und 4 sind die quadratischen Fehler angegeben. Mit der Endwertabschätzung wird die iterative Endwertberechnung nahe dem Optimum gestartet, d.h. mit minimalem quadratischem Fehler, wodurch das Ziel der Erfindung mit einem minimierten Zeitbedarf der Iteration, somit der Berechnung des Isolationswiderstandes möglich ist.

Mit den Ergebnissen der iterativen Endwerberechnungen (Kurven 1 und 2 bzw. Kurven 3 und 4, steigend und fallende Kurve) wird der Widerstandswert der Isolation berechnet. Mit dem Tau und den berechneten Widerstandswerten der Isolation kann man auch die Kapazitäten berechnen. Die Kurven 1 , 2, 3 und 4 sind beispielhaft, wobei in den Kurven eine theoretische Kurve identisch mit der dargestellten berechneten Kurve mit dem optimalen Parameter EE ist. Die Kurven 3 und 4 zeigen den quadratischen Fehler bei jeweils dem verwendeten EE. Die Y-Achse zeigt die Spannung Fahrzeugmasse zum Bat teriepol geteilt durch die Batteriespannung.

Die Widerstandsberechnung kann mit einer oder zwei Kurven erfolgen. Die Isolationsmesseinrichtung 20 aus der Figur 1 ist demnach nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Bestimmung der Isolationsfestigkeit der elektrischen Isolation von den DC-Hochspannungskomponenten 10, 11, 12 in dem DC-Hochspannungssystem ausgebildet, insbesondere für ein sol ches Hochspannungssystem in einem Fahrzeug aufweisend einen elektrischen DC-Energiespeicher, wobei die Auswerteeinheit 30 konkret ausgebil det ist, die Messwerte von der Isolationsmesseinrichtung 20 gemäß dem zu- vor beschriebenen Verfahren zu verarbeiten, um daraus den Isolationswider stand des DC-Hochspannungssystems zu bestimmen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung insofern nicht auf die vor stehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.