Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Isolationsmessung eines Batteriegespeisten HV-Systerm, z.B. eines HV-Antriebssysterms, wie es in E- Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Derartige Systeme haben Betriebsspannungen UB von mehreren hundert Volt. Sie können sogar bis zu 1000 V und mehr betragen. Aus Sicherheitsgründen ist daher eine niederohmige Verbindung zwischen dem HV- System und Masse, z.B. einem Gehäuse oder Fahrzeugchassis rechtzeitig zu erkennen, um so Sicherheitsmaßnahmen einleiten zu können, z.B. die Batterie von dem Antriebssystem zu trennen.

Daher sind für derartige Systeme Isolationsmessungen vorgeschrieben, um den Isolationswiderstand des Systems zu erfassen, der bestimmte Grenzen einhalten muss. Eine derartige Isolationsmessung ist in der ECE R100 beschrieben. Das Prinzipschaltbild einer derartigen Messung nach ECE R100 ist in den aus Anhang 4 der ECE R100 entnommenen Figuren 1 bis 3 zu entnehmen. H Ierfür werden die Spannungen zwischen der positiven Sammelschiene und Masse als auch zwischen der negativen Sammelschiene und Masse erfasst. Derartige Messungen werden dann noch einmal durchgeführt, wenn zwischen der entsprechenden Sammelschiene und Masse ein bekannter Vergleichswiderstand geschaltet ist, der vorzugsweise dem vorgeschriebenen Mindestwert des Isolationswiderstandes multipliziert mit der Betriebsspannung des Systems entspricht.

Die EP 1 857 825 Bl beschreibt ein Verfahren, um die Isolationsmessung nach ECE R100 automatisiert durchzuführen. H Ierfür sind mechanische Schalter oder Ha Ibleiterscha Iter vorgesehen, die den Vergleichswiderstand automatisch abwechselnd zwischen der positiven und negativen Sammelschiene zuschalten. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass in die Messung nun zwei Schalter eingebunden sind, und dass statt eines Vergleichswiderstandes, der abwechselnd zwischen der positiven oder negativen Schiene und Masse zugeschaltet wird, zwei identische Vergleichswiderstände vorzusehen sind, die durch die Schalter mit Masse verbunden werden. Sowohl die Schalter als auch das Vorsehen von zwei identischen Widerständen können Auswirkungen auf das Messergebnis haben, was wiederum die Zuverlässigkeit einer derartigen automatischen Messung beeinträchtigt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Zuverlässigkeit einer automatisierten Messung des Isolationswiderstandes erhöht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Eigendiagnose der Schaltung zur Isolationswiderstandsmessung, insbesondere zur Überprüfung und damit zur Sicherstellung der Funktionalität der in dieser Schaltung verbauten Schalter als auch der Vergleichswiderstände.

Die Schaltung zur Isolationswiderstandsmessung selbst enthält folgende Komponenten: einen ersten Schalter, der den Pluspol des Batteriesystems über einen in Reihe geschalteten ersten Vergleichswiderstand mit Masse verbindet und einen zweiten Schalter, der den Minuspol des Batteriesystems über einen in Reihe geschalteten zweiten Vergleichswiderstand mit Masse verbindet, wobei der Widerstandswert der beiden Vergleichswiderstände identisch ist und insbesondere dem vorgeschriebenen Mindestwert des Isolationswiderstandes multipliziert mit der Betriebsspannung des Systems entspricht.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun Strommessungen über den geschlossenen ersten Schalter zum Erhalt eines gemessenen ersten Stromflusses und über den geschlossenen zweiten Schalter zum Erhalt eines gemessenen zweiten Stromflusses durchgeführt, wobei immer nur einer der beiden Schalter geschlossen ist.

Zudem wird der theoretische Stromfluss über die Schalter basierend auf der Betriebsspannung des Systems und der Größe des entsprechenden Vergleichswiderstands berechnet. Schließlich wird der gemessene Stromfluss mit dem zugehörigen theoretischen Stromfluss verglichen, und es wird ein Fehlersignal abgegeben und/oder eine Fehleraktion durchgeführt, wenn das Vergleichsergebnis einen vorbestimmten Referenzwertbereich überschreitet oder unterschreitet.

Auf diese Weise kann zum einen verifiziert werden, dass die Schalter sicher funktionieren, d.h. öffnen und schließen. Zum anderen kann hierdurch erfasst werden, ob die beiden Vergleichswiderstände in Ordnung sind. Es kann somit durch das erfindungsgemäße Verfahren die Schaltung zur automatischen

Isolationswiderstandsmessung komplett auf die Funktionalität ihrer Komponenten überprüft werden, was die Zuverlässigkeit der Messergebnisse der Isolationswiderstandmessung verbessert. Ein Defekt des Schalters könnte zum Beispiel sein:

Schalter schaltet nicht zu -> Schalter ist nichtleitend Durch den Schalter fließt ein zu hoher Leckstrom (überwiegend bei Halbleiterschalter)

Schalter schaltet nicht ab -> Schalter ist immer leitend

Ein Defekt des Vergleichswiderstandes Rs könnte sein:

Widerstandsdrift nach oben -> größerer Widerstand Widerstandsdrift nach unten -> kleinerer Widerstand Widerstandsbruch -> unendlicher Widerstand - Kurzschluss

Weiterhin kann anhand der Strommessung, wenn diese genau genug ist, das Ergebnis der Isolationsmessung plausibilisiert werden, was wiederum die Zuverlässigkeit der Isolationsmessung selbst verbessert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Leerlaufstrommessung durchgeführt wird, bei der beide Schalter geöffnet sind. Es wird dann ein Fehlersignal abgegeben und/oder eine Fehleraktion durchgeführt, wenn der Leerlaufstrom einen vorbestimmten Referenzwert überschreitet.

Wenn beide Schalter geöffnet sind, d.h. kein Schalter aktiviert ist, sollte abzüglich den Messungenauigkeiten - Genauigkeit der Strommessung und/oder Leckstrom der Ha Ibleiterscha Iter - kein Strom messbar sein. Überschreitet der gemessene Strom dennoch den Referenzwert, ist zum Beispiel auf einen zu hohen Leckstrom der Halbleiterschalter zu schließen.

Vorzugsweise wird der Referenzwertbereich derart gewählt wird, dass temperaturbedingte Schwankungen der Messergebnisse oder Messwerttoleranzen berücksichtigt werden, um eine Fehleraktion oder ein Fehlersignal nur dann zu generieren, wenn eine fehlerbedingte Abweichung der ermittelten Werte auftritt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden folgende Fehler angenommen, wenn der gemessene Stromfluss den vorbestimmten Referenzwertbereich unterschreitet:

Der Schalter schließt nicht korrekt

Der Widerstandswert von R _s ist zu groß (Drift)

Der Widerstand von R _s ist hochohmig (Bruch). Entsprechende Maßnahmen zur Behebung der Fehler können dann sofort eingeleitet werden, z.B. Austausch der defekten Komponenten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden folgende Fehler angenommen, wenn der gemessene Stromfluss den vorbestimmten Referenzwertbereich überschreitet:

Der Widerstandswert von R _s ist zu klein (Drift)

Der Widerstand Rs ist niederohmig (Kurzschluss).

Mit diesem Verfahren können somit einfach und schnell konkrete Fehlersituationen erfasst und entsprechend auf diese reagiert werden.

Vorzugsweise wird die Spannungsdifferenz des Pluspols des Batteriesystems zu Masse als auch die Spannungsdifferenz des Minuspols des Batteriesystems zu Masse gemessen und der Stromfluss wird wie folgt berechnet:

Itl = UP / R _s - It2 = UM / Rs.

Hierdurch lassen sich auf einfach Weise die theoretischen Stromwerte erhalten, die dann als Referenzwerte verwendet werden können. Vorzugsweise werden die Werte aus der Spannungsmessung und/oder der

Strommessung einem AD-Wandler zugeführt und die Verarbeitung der Signale erfolgt digital in einem Microcontroller. Auf diese Weise lässt sich die gesamte Auswertung der Signale und die Speicherung von Toleranzen etc. für die Bewertung der Signale, die Erfassung von Driften etc. einfacher und programmgesteuert durchführen.

Folgende Ausdrücke werden synonym verwendet: Pluspol - positive Sammelschiene; Minuspol - negative Sammelschiene; HV - Hochspannung; Widerstand - Vergleichswiderstand - Vergleichsmesswiderstand;

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 Schaltbilder für das Verfahren der Isolationswiderstandmessung nach ECE R100; und

Fig. 4 ein Schaltbild zur automatischen Erfassung des Isolationswiderstandes und zur Erfassung des Stromflusses zur Eigendiagnose der Schaltung zur Erfassung des Isolationswiderstandes;

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 4 zeigt das Ersatzschaltbild eines HV(Hochspannungs)-Antriebssystems 10 mit einer HV-Batterie 12, insbesondere auf Li-Basis mit einer Ausgangsspannung im Bereich von 60 bis 1500 V, und einem Antrieb 14, das von der HV-Batterie 12 gespeist wird. Batterie 12 und Antrieb 14 sind über eine positive Sammelschiene 16 und eine negative Sammelschiene 18 verbunden. Aus Gründen der Sicherheit ist es höchst wichtig, dass die beiden Sammelschienen 16, 18 gegenüber Masse 20 isoliert sind. Der Fehlerwiderstand RFP zwischen Masse 20 und positiver Sammelschiene 16 als auch der Fehlerwiderstand RFM zwischen Masse 20 und negativer Sammelschiene 18 müssen daher äußerst hochohmig sein, da eine niederohmige Verbindung des Systems 10 zu Masse 20, z.B. dem Chassis eines Kraftfahrzeugs, bei den vorliegenden Systemspannungen lebensgefährlich sein kann. Aus Sicherheitsgründen ist deshalb eine niederohmige Verbindung (z.B. < 100 Ohm/V) zwischen Batterie und Gehäuse rechtzeitig zu erkennen und die Batterie vom Kreis zu trennen.

Gemäß der Erfindung werden alle nach ECE R 100 notwendigen Messungen zur Isolationswiderstandsmessung Spannungsmessungen über eine Messschaltung 22 durchgeführt, die aus zwei identischen Vergleichswiderständen R _Si , Rs2 besteht, die in einer Spannungsteilerschaltung in Reihe mit jeweils einem zugehörigen Schalter Si, S ₂ mit Masse 20 verbunden sind. Die Schalter Si, S ₂ sind vorzugsweise durch Halbleiterschalter gebildet. Die beiden Messwiderstände Rsi, Rs2 werden nachfolgend nur mit Rs bezeichnet.

Durch wechselseitiges Öffnen und Schließen der beiden Schalter Si und S ₂ können damit über Spannungsmessgeräte 26a, b erfasst werden:

- UP, d.h. der Spannungsabfall zwischen positiver Sammelleitung 16 und Masse 20 über R _s und den Schalter Si, wobei der Spannungsabfall am Schalter SI vernachlässigbar sein sollte und

- UM, d.h. der Spannungsabfall zwischen negativer Sammelleitung 18 und Masse 20 über R _s und den Schalter S ₂ , wobei auch am Schalter S ₂ der Spannungsabfall vernachlässigbar sein sollte.

Die Batteriespannung UB kann durch Differenzbildung der beiden Spannungen UP und UM errechnet werden.

Es ist anzumerken, dass die beiden Spannungsmessungen UP und UM in der Praxis digital durchgeführt werden, d.h. in bekannter Weise unter Verwendung eines AD- Wandlers und eines Microcontrollers.

Durch die obigen Spannungsmessungen kann mit Hilfe der Formeln aus der ECE R100 der Isolationswiderstand berechnet werden, wobei der Innenwiderstand des Spannungsmessgeräts bei der Berechnung zu berücksichtigen ist.

Insofern bildet die Messschaltung 22 exakt die Messvorgänge ab, die nach ECE R 100 gemäß den Figuren 1 bis 3 für die Erfassung des Isolationswiderstandes erforderlich sind. Die Berechnung des Isolationswiderstandes erfolgt dabei nach den in der ECE R 100 angegebenen mathematischen Formeln.

Da durch die Messschaltung 22 Schaltungskomponenten Si und S ₂ eingeführt werden, die bei der ursprünglichen Schaltung nach ECE R 100 gemäß den Figuren 1 bis 3 nicht vorgesehen waren, ist es Ziel der Erfindung die Schaltung so weiterzubilden, um eventuelle Fehler, die durch diese zusätzlichen Komponenten einfließen könnten, rechtzeitig zu erkennen und gegebenenfalls darauf zu reagieren. Erfindungsgemäß werden die Stromflüsse in Verbindung mit der oben genannten Spannungsmessung theoretisch errechnet und auch praktisch über ein Strommessgerät 24 erfasst.

Die theoretischen Stromwerte Itl und It2 können einfach nach den Formeln Itl = UP / R _s und It2 = UM / RS aus den ermittelten Spannungswerten U _P , U _M und dem Wert der Vergleichswiderstände Rs berechnet werden.

Zudem wird erfindungsgemäß bei der obigen alternierenden Erfassung der beiden Spannungen U _P und U _M über die beiden Vergleichswiderstände R _s mittels des Strommessgeräts 24 der tatsächlich fließende Strom I _Gi , I _G 2 ermittelt.

Wenn Si geschlossen wird, muss der gemessene Strom I _Gi mit Itl übereinstimmen. Gleiches gilt für S ₂ , I _G2 und It2. Wenn der gemessene Strom I _Gi , I _G2 zu stark vom Sollwert Itl, It2 abweicht, kann von einem Defekt der Schalter Si, S ₂ bzw. des Messwiderstands Rs ausgegangen werden.

Ein Defekt des Schalters könnte sein:

Schalter schaltet nicht zu -> Schalter ist nichtleitend - Durch den Schalter fließt ein zu hoher Leckstrom (überwiegend bei

Halbleiterschalter)

Schalter schaltet nicht ab -> Schalter ist immer leitend

Ein Defekt des Widerstandes könnte sein: - Widerstandsdrift nach oben -> größerer Widerstand

Widerstandsdrift nach unten -> kleinerer Widerstand Widerstandsbruch -> unendlicher Widerstand Kurzschluss Weiterhin kann anhand der Strommessung (wenn diese genau genug ist) das Ergebnis der Isolationsmessung plausibilisiert werden.

Beispiel: Batteriespannung U _B = 600 V Vergleichswiderstände R _s = 1 MW 1. Zustand: Ein Schalter aktiviert

Wird ein Schalter aktiviert, stellt sich durch das Spannungsteilerverhältnis eine Spannung über die Seite mit dem aktivierten Schalter von UP bzw. UM ein.

Der theoretische Strom Itl/It2 über den aktivierten Schalter S1/S2 errechnet sich aus Itl = UP/RS, It2 = UM/RS, was den Sollwert des zu erwartenden gemessenen Stroms IGI/IG2 darstellt.

Ist der gemessene Strom I _G I/IG2 über den ersten/zweiten Schalter S1/S2 zuzüglich sämtlicher Messungenauigkeiten (Genauigkeit der Spannungsmessung, Genauigkeit der Strommessung, Toleranz des Widerstandes R _s , Temperaturdrift) kleiner als der Sollwert Itl/It2, so ist auf folgende Fehler zu schließen:

Schalter schaltet nicht zu Widerstandswert von R _s ist zu groß (Drift)

Widerstand Rs ist hochohmig (Bruch)

Ist der gemessene Strom IGI/IG2 abzüglich sämtlicher Messungenauigkeiten (Genauigkeit der Spannungsmessung, Genauigkeit der Strommessung, Toleranz des Widerstandes R _s , Temperaturdrift) größer als der Sollwert Itl/It2, so ist auf folgende Fehler zu schließen: - Widerstandswert von R _s ist zu klein (Drift)

Widerstand Rs ist niederohmig (Kurzschluss)

2. Zustand: Kein Schalter aktiviert Wenn kein Schalter aktiviert ist, sollte abzüglich den Messungenauigkeiten

(Genauigkeit der Strommessung, Leckstrom der Halbleiterschalter) kein Strom messbar sein. Ist der gemessene Strom dennoch zu groß, ist auf einen zu hohen Leckstrom der Ha Ibleiterscha Iter zu schließen. Bezugszeichenliste

10 Hochspannungs-Antriebssystem,

12 HV-Batterie

14 Antrieb

16 positive Sammelschiene

18 negative Sammelschiene

20 Masse - Gehäuse - Kfz-Chassis

22 Messschaltung

24 Strommessgerät

26a, b Spannungsmessgerät

R _s Vergleichswiderstand

5 ₁ erster Schalter

5 zweiter Schalter

UP Spannung zwischen positiver Sammelschiene und Masse

UM Spannung zwischen negativer Sammelschiene und Masse RFP Fehlerwiderstand zwischen positiver Sammelschiene und Masse RFM Fehlerwiderstand zwischen negativer Sammelschiene und Masse 1 /2 gemessener Strom

U _B Betriebsspannung des Systems