Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von y-Kapazitäten in einem Kraftfahrzeug.

In Elektrofahrzeugen (xEV), also Kraftfahrzeugen, die zumindest eine Batterie und einen Traktionsantrieb, ggf. auch weitere Antriebe, aufweisen, sind die Hochvoltsysteme als IT-Netz ausgeführt, damit im ersten Fehlerfall (ein Hochvoltpotential ist für eine Person zugänglich) keine Gefährdung entsteht. Sogenannte y-Kapazitäten (z. B. Funkentstörkondensatoren in einer Leistungselektronik eines Kraftfahrzeugs) befinden sich zwischen einem Hochvoltpotential und einer Fahrzeug-Masse. Ihre Größe ist normativ begrenzt (z. B. SAE J1772-2014, ISO 6469-3, GB/T 18483-3, IEC 60479-1/2), damit ihre gespeicherte elektrische Energie im ersten Fehlerfall keine Gefahr darstellt.

Der Summenenergiegehalt aller y-Kondensatoren ist auf begrenzt, so dass keine Gefahr für Leib und Leben besteht, z. B. auf höchstens 0,2 Joule oder anderen Werte.

Gerade bei modernen Fahrzeugen mit leistungsstarken elektrischen Systemen bzw. Hochvoltsystemen kann dieser Summenenergiegehalt nun annährend erreicht werden.

Zu den wirksamen y-Kapazitäten tragen neben den dafür im Kraftfahrzeug vorgesehenen Kondensatoren mit definierter Kapazität auch parasitäre Anteile, z. B. in der HV-Batterie, und y- Kondensatoren in einer Lade Infrastruktur für das DC-Laden, z. B. in kraftfahrzeugexternen Ladestationen, bei. Die jeweils aktuell wirksame y-Kapazität ist zum Beispiel von Umwelteinflüssen, einem Betriebszustand (insbesondere durch Einfluss einer Ladeinfrastruktur) und Alterung abhängig. Damit müssen für die Auslegung der Kondensatoren für die Funkentstörung im Kraftfahrzeug Sicherheitsreserven vorgehalten und der Einfluss parasitärer Effekte berücksichtigt werden, so dass unter keinen Umständen personengefährdende Energien aus y-Kapazitäten im ersten Fehlerfall abgegeben werden können.

Es ist bisher lediglich bekannt, die einzelnen elektrischen Bauteile eines elektrischen Systems unter gegenseitiger Berücksichtigung so auszulegen, dass eine y-Gesamtkapazität einen vorgeschriebenen Grenzwert nicht überschreitet, dass also ein Summenenergiegehalt von z. B. 0,2 Joule nicht erreicht wird. Aus der DE 102011 116 968 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kühlmittelleckverlustes in der Batterie eines Fahrzeugantriebs bekannt.

Aus der DE 10 2018 008 603 A1 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Laden einer Batterieanordnung bekannt.

Aus der DE 10 2014 207 478 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Isolationswiderstandes bekannt.

Aus der DE 10 2015 016 000 A1 sind eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung bekannt. Dabei wird eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Isolationswiderstände beschrieben. Es soll eine möglichst schnelle Entladung der y- Kapazitäten ermöglicht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll auch im Betrieb eines Kraftfahrzeuges und möglichst über Laufzeit sichergestellt werden, dass eine y-Gesamtkapazität einen vorgeschriebenen Grenzwert zu keinem Zeitpunkt überschreitet. Weiter soll sichergestellt werden, dass im Betrieb eines Kraftfahrzeuges eine Überschreitung eines Grenzwerts möglichst schnell erkannt wird.

Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.

Es wird ein Verfahren zur Überwachung von y-Kapazitäten in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Das Kraftfahrzeug weist zumindest eine Batterie und einen, durch in der Batterie gespeicherte elektrische Energie antreibbaren, Traktionsantrieb sowie zumindest ein elektrisches System zum Betrieb zumindest der Batterie und des Traktionsantriebs auf. Das elektrische System weist ein erstes Hochvoltpotential, ein zweites Hochvoltpotential und eine Fahrzeug-Masse auf. Das elektrische System weist zwischen dem ersten Hochvoltpotential und der Fahrzeug-Masse eine erste y-Kapazität und einen ersten Isolationswiderstand sowie einen ersten Schalter und zwischen dem zweiten Hochvolt-Potential und der Fahrzeug-Masse eine zweite y-Kapazität und einen zweiten Isolationswiderstand sowie einen zweiten Schalter auf.

Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) aufeinanderfolgendes Betreiben des elektrischen Systems in

• einem ersten Zustand mit einem geöffneten zweiten Schalter, wobei der erste Schalter betätigt wird, und

• in einem zweiten Zustand mit einem geöffneten ersten Schalter, wobei der zweite Schalter betätigt wird, und dadurch wechselweises Umladen der ersten y-Kapazität und der zweiten y-Kapazität; b) Bestimmen der y-Gesamtkapazität, umfassend die erste y-Kapazität und die zweite y- Kapazität, aus dem Umladen der y-Kapazitäten; c) Vergleich der y-Gesamtkapazität mit einem Grenzwert für die y-Gesamtkapazität und, wenn die y-Gesamtkapazität den Grenzwert übersteigt, d) Einleiten einer Schutzmaßnahme für das Kraftfahrzeug.

Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis d) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte z. B. während der Einrichtung und/oder des Betriebes des elektrischen Systems kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt finden die Verfahrensschritte b) und c) während Schritt a) statt. Schritt d) kann bedingt sein und ggf. nur dann ausgeführt werden, wenn Schritt c) ein nicht erwartetes oder nicht tolerierbares Ergebnis liefert, also z. B. das Überschreiten des Grenzwertes. Insbesondere werden die Schritte a) bis d) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt. Insbesondere wird das Verfahren zumindest teilweise oder insgesamt kontinuierlich oder periodisch, also in bestimmten Zeitabständen durchgeführt.

Die hier genannten y-Kapazitäten bezeichnen insbesondere jeweils die gesamten y-Kapazitäten in diesem Teil des elektrischen Systems, also jeweils alle zwischen dem jeweiligen Hochvoltpotential und der Fahrzeug-Masse vorliegenden bzw. wirksamen y-Kapazitäten.

Das erste Hochvoltpotential ist insbesondere ein positiver Pol, z. B. mit einer Anode der Batterie elektrisch leitend verbunden. Die Fahrzeug-Masse ist insbesondere neutral. Das zweite Hochvoltpotential ist insbesondere ein negativer Pol, z. B. mit einer Kathode der Batterie elektrisch leitend verbunden. Es war bisher nur bekannt, die Isolationswiderstände eines elektrischen Systems zu überwachen. Eine Überwachung einer y-Kapazität bzw. der im elektrischen System aktuell vorliegenden y-Kapazität war bisher nicht bekannt.

Die jeweils aktuell vorliegende y-Kapazität eines elektrischen Systems kann sich im Betrieb eines Kraftfahrzeuges aufgrund von Umwelteinflüssen, Alterung oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand ändern. Ein solcher Betriebszustand liegt z. B. dann vor, wenn das Kraftfahrzeug bzw. die Batterie durch eine kraftfahrzeugexterne Ladestation aufgeladen werden soll. Infolge der elektrischen Verbindung der Ladestation mit dem elektrischen System des Kraftfahrzeuges kann sich die y-Kapazität sprunghaft erhöhen. Diese setzt sich dann zusammen aus der y-Kapazität des elektrischen System des Kraftfahrzeuges und des elektrischen Systems der Ladestation.

Mit dem vorliegenden Verfahren sollen derartige Zustände, also das Überschreiten eines Grenzwertes für die y-Gesamtkapazität durch eine aktuell vorliegende y-Kapazität erkannt werden, insbesondere möglichst schnell. Damit soll eine Gefährdung von Personen minimiert oder ausgeschlossen werden.

Insbesondere umfasst die Schutzmaßnahme einen Abbruch eines Ladevorgangs an einer kraftfahrzeugexternen Ladestation oder eine Abschaltung des elektrischen Systems. Insbesondere umfasst die Schutzmaßnahme alternativ oder zusätzlich eine Übermittlung einer Information an einen Nutzer des Kraftfahrzeuges und/oder an einen Fehlerspeicher, der ggf. durch ein Diagnosegerät auslesbar ist oder dessen Inhalt an ein Diagnosegerät übermittelbar ist. Insbesondere umfasst die Schutzmaßnahme alternativ oder zusätzlich eine elektrische Entladung zumindest eines Teils der y-Kapazitäten, so dass der Grenzwert möglichst schnell unterschritten wird.

Insbesondere ist zwischen den Hochvoltpotentialen und der Fahrzeug-Masse ein definierter Widerstand angeordnet.

Insbesondere liegt in dem elektrischen System über den y-Kapazitäten eine Spannung an, deren Höhe sich aus der Systemspannung und dem Verhältnis der Isolationswiderstände der Hochvoltpotentiale ergibt. Eine Überwachung des Isolationswiderstandes in Kraftfahrzeugen wird häufig über die Anordnung eines definierten Widerstandes, also eines Widerstandes mit bekanntem Widerstandswert, zwischen den Hochvoltpotentialen und der Fahrzeug-Masse realisiert, z. B. gemäß ECE R-100. Dadurch wird eine Potentialverschiebung hervorgerufen, aus der sich der Isolationswiderstand des jeweiligen Hochvoltpotentials berechnen lässt. Bei Aufschaltung des definierten Widerstandes kommt es zu einer Umladung der y-Kapazitäten in dem elektrischen System.

Insbesondere ist der definierte Widerstand zwischen der Batterie und einem die Batterie von dem elektrischen System trennenden Schütz angeordnet, wobei das Verfahren bei offenem oder geschlossenem Schütz durchgeführt wird.

Insbesondere kann, wenn der Widerstand und die Schalter in der Batterie angeordnet sind, bei geöffnetem Schütz die batterieinterne y-Kapazität bestimmt werden, während bei geschlossenem Schütz die insbesondere deutlich größere y-Kapazität des gesamten elektrischen Systems gemessen wird. Diese Information kann z. B. im Rahmen einer Schützdiagnose verwendet werden.

Insbesondere wird die y-Gesamtkapazität kontinuierlich bestimmt. Kontinuierlich heißt insbesondere, dass das Verfahren bei Inbetriebnahme des elektrischen Systems, also z. B. bei Start des Kraftfahrzeuges, begonnen und dauerhaft durchgeführt wird. Insbesondere wird zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Schritt des Verfahrens ausgeführt.

Insbesondere wird während Schritt a) ein Verlauf jeweils einer Spannung zwischen zumindest einem Hochvoltpotential und der Fahrzeug-Masse gemessen, wobei aus dem Verlauf der Spannungen die Isolationswiderstände und damit die y-Kapazitäten bestimmt werden. Insbesondere wird für jeden Zustand nur der Spannungsverlauf zwischen dem einen Hochvoltpotential und der Fahrzeug-Masse gemessen. Der Verlauf der ersten Spannung wird insbesondere in dem ersten Zustand des elektrischen Systems ermittelt. Der Verlauf der zweiten Spannung wird insbesondere in dem zweiten Zustand des elektrischen Systems ermittelt.

Insbesondere beträgt die Bestimmung der y-Gesamtkapazität zwischen der Einleitung von Schritt a) bis Schritt b) weniger als 30 Sekunden, bevorzugt weniger als 5 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 2 Sekunden oder sogar weniger als eine Sekunde. Dies wird insbesondere durch die rechnerische Bestimmung der relevanten Parameter ermöglicht. Es wird also nicht ein eingeschwungener Zustand der Kondensatoren abgewartet, sondern aus dem Verlauf der Spannungen während der Umladung der y-Kapazitäten die relevanten Paramater errechnet, z. B. über Näherungsverfahren. Der eingeschwungene Zustand wird üblicherweise erst nach mehr als 30 Sekunden erreicht. Diese lange Zeitdauer ermöglicht jedoch keinen effektiven Schutz von Personen im ersten Fehlerfall. Das hier vorgeschlagene Verfahren ermöglicht insbesondere eine sehr kurzfristige Bestimmung der y-Gesamtkapazität und ermöglicht damit die schnelle Einleitung von Schutzmaßnahmen, insbesondere für Personen.

Insbesondere werden aus dem Verlauf der Spannungen mit einem Verfahren Kurvenanpassung Parameter ermittelt, die zur Bestimmung der Isolationswiderstände und damit zur Bestimmung der y-Kapazitäten verwendet werden. Insbesondere sind auch andere rechnerische Methoden einsetzbar. Über die Kurvenanpassung ist eine schnelle und genaue Ermittlung der relevanten Parameter möglich.

Insbesondere umfassen die Parameter zumindest

• eine erste Anfangsspannung Uo ₊ , die in dem ersten Zustand vor dem Schließen des ersten Schalters zwischen dem ersten Hochvoltpotential und der Fahrzeug-Masse vorliegt, und

• eine erste Endspannung U _e+ , die sich in dem ersten Zustand nach dem Öffnen des ersten Schalters und nach vollständiger Umladung, also bei t = unendlich, einstellt, oder

• eine zweite Anfangsspannung Uo-, die in dem zweiten Zustand vor dem Schließen des zweiten Schalters zwischen dem ersten Hochvoltpotential und der Fahrzeug-Masse vorliegt, und

• eine zweite Endspannung U _e- , die sich in dem zweiten Zustand nach dem Öffnen des zweiten Schalters und nach vollständiger Umladung, also bei t = unendlich, einstellt.

Der Bestimmung der y-Kapazitäten gemäß Schritt b) liegen insbesondere folgenden Gleichungen zugrunde:

Zunächst werden insbesondere Hilfsgrößen als Parameter für das elektrische System bestimmt:

Ußatt = UHV+ + UHV-; U+ = UHV+ - UGND; U- = UGND — UHV- Mittelwert von Uo+ zwischen to und ti Mittelwert von Uo- zwischen t3 und U

Cy = Cy ₊ + Cy- wobei

Ußatt Spannung der Batterie

UHV+ Spannung am ersten Hochvoltpotential U _HV - Spannung am zweiten Hochvoltpotential

U _GND Spannung an Fahrzeug-Masse

C _y y-Gesamtkapazität

C _y+ erste y-Kapazität

C _y- zweite y-Kapazität to Zeitpunkt vor erstem Zustand, erster Schalter offen, zweiter Schalter offen ti Zeitpunkt während des ersten Zustands, erster Schalter schließt, zweiter Schalter offen t3 Zeitpunkt nach erstem Zustand bzw. vor zweitem Zustand, erster Schalter offen, zweiter Schalter offen t4 Zeitpunkt während des zweiten Zustands, zweiter Schalter schließt, erster Schalter offen

In einem nächsten Schritt erfolgt insbesondere die Berechnung der Isolationswiderstände im elektrischen System: im ersten Zustand: erster Schalter geschlossen; ti < t < t2

U ₊ (t) = (Uo ₊ - U _e+ ) ^* e ^cy*RT + U _e+ ; wobei Uo+ und U _e+ aus dem Verfahren Kurvenanpassung ermittelt werden

Riso- = R ^* Ußatt ^* (— u ~) gemäß UN ECE R-100 e+ U ₀ + und im zweiten Zustand: zweiter Schalter geschlossen; t* < t < ts

U-(t) = (Uo- - U _e ) ^* e ^C V ^*RT + U _e- ; wobei Uo- und U _e - aus dem Verfahren Kurvenanpassung ermittelt werden

R _iso+ = R ^* Ußatt ^* (— - gemäß UN ECE R-100

U _e - Uo- wobei

U ₊ (t) Funktion zur Beschreibung des Verlaufs der ersten Spannung

U-(t) Funktion zur Beschreibung des Verlaufs der zweiten Spannung

R definierter Widerstand

Ri _so+ erster Isolationswiderstand

Ri _so- zweiter Isolationswiderstand

R _T Gesamtisolationswiderstand t2 Zeitpunkt während des ersten Zustands nach ti ; erster Schalter öffnet, zweiter

Schalter offen t ₅ Zeitpunkt während des zweiten Zustands nach U ; zweiter Schalter öffnet, erster

Schalter offen

Für das Verfahren Kurvenanpassung werden die folgenden Gleichungen und Funktionen für den ersten Zustand und den zweiten Zustand zugrunde gelegt. Die gemessenen Verläufe der Spannungen werden durch diese Gleichungen und Funktionen angenähert, wobei die ermittelten Parameter der Näherung für die weitere Berechnung gemäß Schritt b) verwendet werden: a = (Uo - U _e ) ß = Ue

Abschließend erfolgt die Bestimmung der y-Kapazitäten gemäß der folgenden Gleichungen:

Es wird weiter ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, zumindest umfassend eine Batterie und einen, durch in der Batterie gespeicherte elektrische Energie antreibbaren, Traktionsantrieb sowie zumindest ein elektrisches System zum Betrieb zumindest der Batterie und des Traktionsantriebs sowie ein Steuergerät, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.

Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.

Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens durchführt.

Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen. Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf das Kraftfahrzeug und/oder das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das System zur Datenverarbeitung, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.

Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.

Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach Vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

Fig. 1 : ein erstes Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im ersten Zustand betriebenen elektrischen System;

Fig. 2: ein zweites Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im ersten Zustand betriebenen elektrischen System;

Fig. 3: ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen System im ersten Zustand; Fig. 4: ein erstes Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im zweiten Zustand betriebenen elektrischen System;

Fig. 5: ein zweites Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im zweiten Zustand betriebenen elektrischen System;

Fig. 6: eine elektrische Schaltung des elektrischen Systems im zweiten Zustand; und

Fig. 7: ein Ablauf des Verfahrens.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im ersten Zustand 14 betriebenen elektrischen System 6. Fig. 2 zeigt ein zweites Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im ersten Zustand 14 betriebenen elektrischen System 6. Fig. 3 zeigt ein Kraftfahrzeug 3 mit einem elektrischen System 6 im ersten Zustand 14. Die Fig. 1 bis 3 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.

An der vertikalen Achse des ersten Diagramms ist eine Differenz zwischen der Spannung am ersten Hochvoltpotential UHV ₊ 27 und der Spannung an Fahrzeug-Masse UGND 29 aufgetragen.

An der vertikalen Achse des zweiten Diagramms ist eine Differenz zwischen der Spannung an Fahrzeug-Masse UGND 29 und der Spannung am zweiten Hochvoltpotential UHV- 28 aufgetragen.

Die Fig. 4 zeigt ein erstes Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im zweiten Zustand 15 betriebenen elektrischen System 6. Fig. 5 zeigt ein zweites Diagramm mit einem Spannungsverlauf in einem im zweiten Zustand 15 betriebenen elektrischen System 6. Fig. 6 zeigt eine elektrische Schaltung des elektrischen Systems 6 im zweiten Zustand 15. Die Fig. 4 bis 6 werden im Folgenden gemeinsam mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben.

An der vertikalen Achse des ersten Diagramms in Fig. 4 ist eine Differenz zwischen der Spannung am ersten Hochvoltpotential UHV ₊ 27 und der Spannung an Fahrzeug-Masse UGND29 aufgetragen.

An der vertikalen Achse des zweiten Diagramms in Fig. 5 ist eine Differenz zwischen der Spannung an Fahrzeug-Masse UGND 29 und der Spannung am zweiten Hochvoltpotential UHV- 28 aufgetragen.

An der horizontalen Achse aller Diagramme ist die Zeit aufgetragen. Das Kraftfahrzeug 3 weist eine Batterie 4 und einen, durch in der Batterie 4 gespeicherte elektrische Energie antreibbaren, Traktionsantrieb 5 sowie zumindest ein elektrisches System 6 zum Betrieb zumindest der Batterie 4 und des Traktionsantriebs 5 auf. Das elektrische System 6 weist ein erstes Hochvoltpotential 7, ein zweites Hochvoltpotential 8 und eine Fahrzeug- Masse 9 (Massepotential) auf. Das elektrische System 6 weist zwischen dem ersten Hochvoltpotential 7 und der Fahrzeug-Masse 9 eine erste y-Kapazität 1 und einen ersten Isolationswiderstand 10 sowie einen ersten Schalter 11 und zwischen dem zweiten Hochvolt- Potential 8 und der Fahrzeug-Masse 9 eine zweite y-Kapazität 2 und einen zweiten Isolationswiderstand 12 sowie einen zweiten Schalter 13 auf. Gemäß Schritt a) des Verfahrens erfolgt ein aufeinanderfolgendes Betreiben des elektrischen Systems 6 in einem ersten Zustand 14 mit einem geöffneten zweiten Schalter 13, wobei der erste Schalter 11 betätigt wird (siehe Fig. 3, und in einem zweiten Zustand 15 mit einem geöffneten ersten Schalter 11, wobei der zweite Schalter 13 betätigt wird (siehe Fig. 6) und dadurch wechselweises Umladen der ersten y-Kapazität 1 und der zweiten y-Kapazität 2. Gemäß Schritt b) erfolgt ein Bestimmen der ersten y-Kapazität 1 und der zweiten y-Kapazität 2 aus dem Umladen der y-Kapazitäten 1 , 2 und ein Bestimmen einer y-Gesamtkapazität 16. Gemäß Schritt c) erfolgt ein Vergleich der y- Gesamtkapazität 16 mit einem Grenzwert für die y-Gesamtkapazität 16 und, wenn die y- Gesamtkapazität 16 den Grenzwert übersteigt, gemäß Schritt d) ein Einleiten einer Schutzmaßnahme 17 für das Kraftfahrzeug 3.

Die hier genannten y-Kapazitäten 1, 2 bezeichnen insbesondere jeweils die gesamten y- Kapazitäten in diesem Teil des elektrischen Systems 6, also jeweils alle zwischen dem jeweiligen Hochvoltpotential 7, 8 und der Fahrzeug-Masse 9 vorliegenden bzw. wirksamen y- Kapazitäten 1, 2.

Das erste Hochvoltpotential 7 ist mit einer Anode der Batterie 4 elektrisch leitend verbunden.

Die Fahrzeug-Masse 9 ist neutral. Das zweite Hochvoltpotential 8 ist mit einer Kathode der Batterie 4 elektrisch leitend verbunden.

Die jeweils aktuell vorliegende y-Kapazität eines elektrischen Systems kann sich im Betrieb eines Kraftfahrzeuges aufgrund von Umwelteinflüssen, Alterung oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand ändern. Ein solcher Betriebszustand liegt z. B. dann vor, wenn das Kraftfahrzeug 3 bzw. die Batterie 4 durch eine kraftfahrzeugexterne Ladestation aufgeladen werden soll. Infolge der elektrischen Verbindung der Ladestation mit dem elektrischen System 6 des Kraftfahrzeuges 3, z. B. an den Hochvoltpotentialen 7, 8, kann sich die y-Kapazität 1, 2, 16 sprunghaft erhöhen. Diese setzt sich dann zusammen aus der y-Kapazität 1, 2 des elektrischen System 6 des Kraftfahrzeuges 3 und des elektrischen Systems 6 der Ladestation.

Zwischen den Hochvoltpotentialen 7, 8 und der Fahrzeug-Masse 9 ist ein definierter Widerstand 18 angeordnet. Der definierte Widerstand 18 kann zwischen der Batterie 4 und einem die Batterie 4 von dem elektrischen System 6 trennenden Schütz 19 angeordnet, wobei das Verfahren bei offenem oder geschlossenem Schütz 19 durchgeführt werden kann. Wenn der definierte Widerstand 18 und die Schalter 11, 13 in der Batterie 4 angeordnet sind, kann bei geöffnetem Schütz 19 die batterieinterne y-Kapazität 1, 2, 16 bestimmt werden, während bei geschlossenem Schütz 19 die meist deutlich größere y-Kapazität 1, 2, 16 des gesamten elektrischen Systems 6 gemessen wird. Diese Information kann z. B. im Rahmen einer Schützdiagnose verwendet werden. Hier ist das Schütz 19 allerdings zwischen der Batterie 4 und dem definierten Widerstand 18 angeordnet.

In dem elektrischen System 6 liegt über den y-Kapazitäten 1, 2 eine Spannung an, deren Höhe sich aus der Systemspannung, also z. B. der Batteriespannung Ußatt, und dem Verhältnis der Isolationswiderstände 10, 12 der Hochvoltpotentiale 7, 8 ergibt. Eine Überwachung des Isolationswiderstandes 7, 8 in Kraftfahrzeugen 3 wird häufig über die Anordnung des definierten Widerstandes 18, also eines Widerstandes mit bekanntem Widerstandswert, zwischen den Hochvoltpotentialen 7, 8 und der Fahrzeug-Masse 9 realisiert, z. B. gemäß ECE R-100). Dadurch wird eine Potentialverschiebung hervorgerufen, aus der sich der Isolationswiderstand 10, 12 des jeweiligen Hochvoltpotentials 7, 8 berechnen lässt. Bei Aufschaltung des definierten Widerstandes 18 kommt es zu einer Umladung der y-Kapazitäten 1, 2 in dem elektrischen System 6.

Die y-Gesamtkapazität 16 kann kontinuierlich bestimmt werden. Kontinuierlich heißt dabei, dass das Verfahren bei Inbetriebnahme des elektrischen Systems 6, also z. B. bei Start des Kraftfahrzeuges 3, begonnen und dauerhaft durchgeführt wird. Insbesondere wird zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Schritt des Verfahrens ausgeführt.

Während Schritt a) wird z. B. ein Verlauf einer ersten Spannung 20 zwischen dem ersten Hochvoltpotential 7 und der Fahrzeug-Masse 9 gemessen, wobei aus dem Verlauf der ersten Spannung 20 die Isolationswiderstände 10, 12 und damit die y-Kapazitäten 1, 2 bestimmt werden. Der Verlauf der ersten Spannung 20 wird in dem ersten Zustand 14 des elektrischen Systems 6 ermittelt. Die Bestimmung der y-Gesamtkapazität 16 erfolgt zwischen der Einleitung von Schritt a) bis Schritt b) in weniger als zwei Sekunden, bevorzugt weniger als eine Sekunde. Dies wird durch die rechnerische Bestimmung der relevanten Parameter ermöglicht. Es wird also nicht ein eingeschwungener Zustand der Kondensatoren 1, 2 (hier jenseits der Zeit t3 33) abgewartet, sondern aus dem Verlauf der ersten Spannung 20 und der zweiten Spannung 21 (siehe Fig. 4 bis 6) während der Umladung der y-Kapazitäten 1, 2 die relevanten Paramater errechnet, z. B. über Näherungsverfahren.

Aus dem Verlauf der Spannungen 20, 21 werden mit einem Verfahren Kurvenanpassung Parameter ermittelt, die zur Bestimmung der Isolationswiderstände 10, 12 und damit zur Bestimmung der y-Kapazitäten 1, 2 verwendet werden.

Die Parameter umfassen zumindest eine erste Anfangsspannung Uo ₊ 22, die in dem ersten Zustand 14 vor dem Schließen des ersten Schalters 11 zwischen dem ersten Hochvoltpotential 7 und der Fahrzeug-Masse 9 vorliegt, und eine erste Endspannung U _e+ 23, die sich in dem ersten Zustand 14 nach dem Öffnen des ersten Schalters 11 und nach vollständiger Umladung, also bei t = unendlich (siehe gestrichelter Verlauf der ersten Spannung 20 in Fig. 1 ), einstellt.

Weiter umfassen die Parameter eine zweite Anfangsspannung Uo-24, die in dem zweiten Zustand 15 (siehe Fig. 4 bis 6) vor dem Schließen des zweiten Schalters 13 zwischen dem ersten Hochvoltpotential 7 und der Fahrzeug-Masse 9 vorliegt, und eine zweite Endspannung U _e - 25 die sich in dem zweiten Zustand 15 nach dem Öffnen des zweiten Schalters 13 und nach vollständiger Umladung, also bei t = unendlich (siehe gestrichelter Verlauf der zweiten Spannung 21 in Fig. 5), einstellt.

Der Bestimmung der y-Kapazitäten 1, 2, 16 gemäß Schritt b) liegen folgenden Gleichungen zugrunde:

Zunächst werden Hilfsgrößen als Parameter für das elektrische System 6 bestimmt:

Ußatt = U _H v ₊ 27 + UHV- 28; U ₊ = U _H v ₊ 27 - UGND 29; U. = UGND 29 - UHV- 28 Mittelwert von Uo+ 27 zwischen to 30 und ti 31 ) Mittelwert von Uo-28 zwischen t ₃ 33 und t* 34 2 wobei to30: Zeitpunkt vor erstem Zustand 14, erster Schalter 11 offen, zweiter Schalter 13 offen; ti 31 : Zeitpunkt während des ersten Zustands 14, erster Schalter 11 schließt, zweiter Schalter 13 offen; t333: Zeitpunkt nach erstem Zustand 14 bzw. vor zweitem Zustand 15, erster Schalter 11 offen, zweiter Schalter 13 offen; t434: Zeitpunkt während des zweiten Zustands 15, zweiter Schalter 13 schließt, erster Schalter 11 offen.

In einem nächsten Schritt erfolgt die Berechnung der Isolationswiderstände 10, 12 im elektrischen System: im ersten Zustand 14: erster Schalter 11 geschlossen; ti < t < t2 t—t·^

U ₊ (t) = (Uo ₊ - U _e+ ) ^* e ^cy*RT + U _e+ ; wobei Uo ₊ und U _e+ aus dem Verfahren Kurvenanpassung ermittelt werden

Ri _so - 12 = R 18 ^* Us _att ^* (— u - -) gemäß UN ECE R-100 e+ U ₀₊ und im zweiten Zustand 15: zweiter Schalter 13 geschlossen; t4< t < ts

U-(t) = (Uo- - U _e ) ^* e ^cy*RT + U _e- ; wobei Uo- und U _e- aus dem Verfahren Kurvenanpassung ermittelt werden gemäß UN ECE R-100 wobei

U ₊ (t): Funktion zur Beschreibung des Verlaufs der ersten Spannung 20 U-(t): Funktion zur Beschreibung des Verlaufs der zweiten Spannung 21 RT: Gesamtisolationswiderstand 37 t232: Zeitpunkt während des ersten Zustands 14 nach ti 31 ; erster Schalter 11 öffnet, zweiter Schalter 13 offen; ts35: Zeitpunkt während des zweiten Zustands 15 nach t434; zweiter Schalter 13 öffnet, erster Schalter 11 offen.

Für das Verfahren Kurvenanpassung werden die folgenden Gleichungen und Funktionen für den ersten Zustand 14 und den zweiten Zustand 15 zugrunde gelegt. Die gemessenen Verläufe der Spannungen 20, 21 werden durch diese Gleichungen und Funktionen angenähert, wobei die ermittelten Parameter der Näherung für die weitere Berechnung gemäß Schritt b) verwendet werden: Abschließend erfolgt die Bestimmung der y-Kapazitäten 1, 2, 16 gemäß der folgenden Gleichungen:

Fig. 7 zeigt einen Ablauf des Verfahrens. Zunächst erfolgt in der Batterie 4 die Bestimmung der y-Kapazitäten 1, 2, 16 und der Isolationswiderstände 10, 12, 37. Insbesondere kann, wenn der definierte Widerstand 18 und die Schalter 11, 13 in der Batterie 4 angeordnet sind, bei geöffnetem Schütz 19 die batterieinterne y-Kapazität 16 bestimmt werden, während bei geschlossenem Schütz 19 die insbesondere deutlich größere y-Kapazität 16 des gesamten elektrischen Systems 6 des Kraftfahrzeuges 3, ggf. zusammen mit einer kraftfahrzeugsexternen Ladestation gemessen wird.

Zur Bestimmung der y-Kapazitäten 1, 2, 16 und der Isolationswiderstände 10, 12, 37 wird also das Schütz 19 geöffnet oder geschlossen. Die ermittelten, aktuell vorliegenden y-Kapazitäten 1, 2, 16 und Isolationswiderstände 10, 12, 37 werden an ein Steuergerät 26 übermittelt. In dem Steuergerät 26 erfolgt gemäß Schritt c) ein Vergleich der y-Gesamtkapazität 16 mit einem Grenzwert und gemäß Schritt d) 39, falls erforderlich, die Entscheidung zur Einleitung einer Schutzmaßnahme 17. Die Schutzmaßnahme 17 kann an eine Hochspannungs-Komponente 41 des elektrischen Systems 6 und/oder an die Batterie 4 übermittelt werden. Die Schutzmaßnahme 17 kann einen Abbruch eines Ladevorgangs an einer kraftfahrzeugexternen Ladestation oder (Hochspannungs-Komponente 41) oder eine Abschaltung des elektrischen Systems 6 bzw. der Batterie 4 umfassen. Weiter umfasst die Schutzmaßnahme 17 zusätzlich eine Übermittlung einer Information, z. B. eine Warnmeldung 42 an einen Nutzer des Kraftfahrzeuges 3 und/oder eine Fehlermeldung 43 an einen Fehlerspeicher, z. B. an eine Anzeige 40. Die Schutzmaßnahme 17 kann alternativ oder zusätzlich eine elektrische Entladung zumindest eines Teils der y-Kapazitäten 1, 2, 16 umfassen, so dass der Grenzwert möglichst schnell unterschritten wird. Bezugszeichenliste

1 C _y+ erste y-Kapazität

2 C _y- zweite y-Kapazität

3 Kraftfahrzeug

4 Batterie

5 Traktionsantrieb

6 System

7 erstes Hochvoltpotential

8 zweites Hochvoltpotential

9 Fahrzeug-Masse

10 Ri _so+ erster Isolationswiderstand

11 erster Schalter

12 Ri _so- zweiter Isolationswiderstand

13 zweiter Schalter

14 erster Zustand

15 zweiter Zustand

16 C _y y-Gesamtkapazität

17 Schutzmaßnahme

18 R definierter Widerstand

19 Schütz

20 erste Spannung (U ₊ (t))

21 zweite Spannung (U-(t))

22 Uo ₊ erste Anfangsspannung

23 U _e+ erste Endspannung

24 Uo- zweite Anfangsspannung

25 U _e- zweite Endspannung

26 Steuergerät

27 UHV+ Spannung am ersten Hochvoltpotential

28 UHV- Spannung am zweiten Hochvoltpotential

29 UGND Spannung an Fahrzeug-Masse

30 to Zeitpunkt vor erstem Zustand, Schalter 1 offen, Schalter 2 offen

31 ti Zeitpunkt während des ersten Zustands, Schalter 1 schließt, Schalter 2 offen

32 t2 Zeitpunkt während des ersten Zustands nach ti ; Schalter 1 öffnet, Schalter 2 offen 33 t Zeitpunkt vor zweitem Zustand, Schalter 1 offen, Schalter 2 offen

34 t Zeitpunkt während des zweiten Zustands, Schalter 2 schließt, Schalter 1 offen

35 t Zeitpunkt während des zweiten Zustands nach U ; Schalter 2 öffnet, Schalter 1 offen

36 t ₆ Zeitpunkt während des zweiten Zustands nach ts ; Schalter 2 offen, Schalter 1 offen

37 RT Gesamtisolationswiderstand

38 Randbedingungen

39 Schritt d)

40 Anzeige

41 Komponente

42 Warnmeldung

43 Fehlermeldung