DE102018216950A1 - Circuit arrangement for the safe operation of a high-voltage system - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung (20) zum sicheren Betrieb eines Hochvoltsystems (2), umfassend eine Schalteinheit (4) und eine Steuerungseinheit (1), wobei das Hochvoltsystem (2) einen Hochpotentialanschluss HV+, einen Niedrigpotentialanschluss HV- und ein Grundpotential GND aufweist, wobei die Schalteinheit (4) eingerichtet ist, abhängig von einer Steuerung der Steuerungseinheit (1), wahlweise den Hochpotentialanschluss HV+ über eine erste Impedanz (8) mit dem Grundpotential GND elektrisch zu koppeln, oder wahlweise den Niedrigpotentialanschluss HV- über eine zweite Impedanz (9) mit dem Grundpotential GND elektrisch zu koppeln, und wobei die Schalteinheit (4) eingerichtet ist, mittels der Steuerung der Steuerungseinheit (1) einen Wert der ersten Impedanz (8) oder einen Wert der zweiten Impedanz (9) einzustellen.Circuit arrangement (20) for the safe operation of a high-voltage system (2), comprising a switching unit (4) and a control unit (1), the high-voltage system (2) having a high potential connection HV +, a low potential connection HV- and a basic potential GND, the switching unit ( 4), depending on a control of the control unit (1), it is optionally possible to electrically couple the high potential connection HV + via a first impedance (8) to the basic potential GND, or alternatively the low potential connection HV- via a second impedance (9) to the basic potential To couple GND electrically, and wherein the switching unit (4) is set up to set a value of the first impedance (8) or a value of the second impedance (9) by means of the control of the control unit (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum sicheren Betrieb eines Hochvoltsystems mit IT-Netz, bei dem auch der Isolationswiderstand im laufenden Betrieb bestimmt wird.The invention relates to a circuit arrangement for the safe operation of a high-voltage system with an IT network, in which the insulation resistance is determined during operation.
Auf dem technischen Gebiet der elektrischen Hochvoltsysteme muss die Betriebssicherheit zu jeder Zeit gewährleistet werden. Dazu werden solche Hochvoltsysteme als IT (Isolé Terre)-Systeme aufgebaut, bei denen alle aktiven Teile entweder gegen das HV-Grundpotential
Als Gleichspannungsquelle in einem Hochvoltsystem kann beispielsweise eine elektrische Batterie oder eine Brennstoffzelle oder eine Kombination aus Brennstoffzelle und Batterie zum Einsatz kommen. Diese Hochvoltsysteme werden für elektrische Maschinen und elektrisch betriebene Fahrzeuge wie Elektrofahrräder, Elektroautos, Hybridfahrzeuge oder dergleichen verwendet und auch für deren Aggregate wie Heizungen und Klimaanlagen eingesetzt.
Da in einem solchen IT-System ein erster Isolationsfehler toleriert werden kann, ist damit auch eine größere Ausfallsicherung verbunden. Normativ wird für solche IT-Systeme in VDE-Anwendungen eine Isolationsüberwachungseinrichtung, die auch Isolationswächter genannt wird, gefordert. In Fahrzeugen kann mit einem Isolationswächter die Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte gesichert werden. Geräte zur Messung und Überwachung des Isolationswiderstands von Hochvoltsystemen sind am Markt verfügbar und werden in aktuellen Fahrzeugen mit HV-System eingesetzt.For example, an electrical battery or a fuel cell or a combination of fuel cell and battery can be used as the DC voltage source in a high-voltage system. These high-voltage systems are used for electrical machines and electrically operated vehicles such as electric bicycles, electric cars, hybrid vehicles or the like and are also used for their units such as heating and air conditioning systems.
Since an initial insulation fault can be tolerated in such an IT system, this is also associated with a greater failure protection. An insulation monitoring device, which is also called an insulation monitor, is required for such IT systems in VDE applications. In vehicles, an insulation monitor can be used to ensure compliance with the relevant limit values. Devices for measuring and monitoring the insulation resistance of high-voltage systems are available on the market and are used in current vehicles with HV systems.
Beim Auftreten eines Isolationsfehlers spricht der Isolationswächter an und stellt an seinem Ausgang ein Signal bereit, das als Alarm oder Benachrichtigung bewertet werden kann. Damit der Isolationswächter dieser Aufgabe gerecht werden kann, muss er so in das Hochvoltsystem integriert werden, dass er sicher alle Isolationsfehler detektieren kann.If an insulation fault occurs, the insulation monitor responds and provides a signal at its output that can be evaluated as an alarm or notification. So that the insulation monitor can fulfill this task, it must be integrated into the high-voltage system in such a way that it can safely detect all insulation faults.
Stand der TechnikState of the art
Die ordnungsgemäße Funktion eines Isolationswächters wird konventionell dadurch gewährleistet, dass der Isolationswächter eine Selbsttestfunktionalität bereitstellt, damit ein Defekt dieser Einheit selbst nicht zu einem unüberwachten Betrieb des Hochvoltsystems, durch eine Fehlfunktion des Isolationswächters, führt. Im Falle eines Unfalls eines solchen Fahrzeuges mit Hochvoltsystem muss genauso wie beim Parken möglichst große Systemsicherheit gewährleistet sein.The proper functioning of an insulation monitor is conventionally ensured by the insulation monitor providing a self-test functionality so that a defect in this unit itself does not lead to an unsupervised operation of the high-voltage system due to a malfunction of the insulation monitor. In the event of an accident involving such a vehicle with a high-voltage system, the greatest possible system security must be guaranteed, just as when parking.
Bei dem Aufbau eines Hochvoltsystems wird vor der Bereitstellung des Hochvoltsystems die Funktionalität des Isolationswächters im Hochvoltsystem mittels externer, manueller Testprozeduren überprüft.When building a high-voltage system, the functionality of the insulation monitor in the high-voltage system is checked using external, manual test procedures before the high-voltage system is made available.
Die Offenlegungsschrift
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die sicherstellen kann, dass unterschiedliche mögliche Betriebszustände eines Hochvoltsystems überprüft und in einen sicheren Zustand versetzt werden können.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement which can ensure that different possible operating states of a high-voltage system can be checked and put into a safe state.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs angegeben, die zumindest zum Teil die genannten Wirkungen aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a circuit arrangement is specified according to the features of the independent claim, which has at least in part the effects mentioned. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims and the following description.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für die Sicherstellung der Funktion des Isolationswächters ein Fehlerfall im Hochvoltsystem selbst simuliert werden muss. Dazu müssen unter anderem zusätzliche Impedanzen im Hochvoltsystem geschaltet werden, die einen Defekt simulieren, oder auch für andere Zwecke des sicheren Betriebs geschaltet werden können.The invention is based on the knowledge that a fault in the high-voltage system itself must be simulated to ensure the function of the insulation monitor. For this purpose, additional impedances must be switched in the high-voltage system, which simulate a defect or can be switched for other purposes of safe operation.
Zum sicheren Betrieb eines Hochvoltsystems mit einem Hochpotentialanschluss, einem Niedrigpotentialanschluss und einem Grundpotential wird es mit einer Schalteinheit und eine Steuerungseinheit ausgestattet. Diese Schalteinheit ist so eingerichtet, dass, abhängig von einer Steuerung der Steuerungseinheit, der Hochpotentialanschluss über eine erste Impedanz mit dem Grundpotential elektrisch gekoppelt werden kann, oder wahlweise der Niedrigpotentialanschluss über eine zweite Impedanz mit dem Grundpotential elektrisch gekoppelt werden kann. Dabei ist die Schalteinheit so eingerichtet, dass mittels der Steuerung der Steuerungseinheit einen Wert der ersten Impedanz oder einen Wert der zweiten Impedanz eingestellt werden kann. For the safe operation of a high-voltage system with a high-potential connection, a low-potential connection and a basic potential, it is equipped with a switching unit and a control unit. This switching unit is set up in such a way that, depending on a control of the control unit, the high-potential connection can be electrically coupled to the basic potential via a first impedance, or optionally the low-potential connection can be electrically coupled to the basic potential via a second impedance. The switching unit is set up such that a value of the first impedance or a value of the second impedance can be set by means of the control of the control unit.
Diese Aufschaltungen zusätzlicher Impedanzen zum Hochvoltsystem, die von der Steuerungseinheit auch in Bezug auf den Wert der Impedanz eingestellt werden können, ermöglichen die Defekte der Isolation zu simulieren und mittels eines Isolationswächters zu detektieren. Zusätzlich lassen sich mit einer solchen Aufschaltung von Impedanzen auch Entladevorgänge im Hochvoltsystem durchführen.This connection of additional impedances to the high-voltage system, which can also be set by the control unit in relation to the value of the impedance, make it possible to simulate the defects in the insulation and to detect them using an insulation monitor. In addition, such a connection of impedances can also be used to carry out discharge processes in the high-voltage system.
Durch eine geeignete Wahl des Wertes der zugeschalteten Impedanzen kann die Genauigkeit bei einer Isolationsdetektion angepasst werden. Außerdem können mit der Wahl der Impedanzen, mittels der Steuerungseinheit, die aufgeschalteten Impedanzen den unterschiedlichen Aufgaben der Schaltung angepasst werden.The accuracy of an insulation detection can be adjusted by a suitable choice of the value of the connected impedances. In addition, with the choice of the impedances, by means of the control unit, the applied impedances can be adapted to the different tasks of the circuit.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Steuerungseinheit so einzurichten, dass es möglich ist, mittels einer Steuerleitung zu einem Unterbrechungsschalter des Hochvoltsystems, den Betrieb des Hochvoltsystems zu unterbrechen. Diese Ausgestaltung ermöglicht aus unterschiedlichen Betriebszuständen heraus das Hochvoltsystem in einen spannungslosen gesicherten Betriebszustand zu versetzen. Der Betrieb des HV-Systems kann, z.B. durch die Steuerung von Schützen in eine offene Stellung, beendet werden, um eine besonders sichere Betriebsweise zu gewährleisten, in der die Stromversorgung im Hochvoltsystem unterbrochen ist.According to one embodiment of the invention, it is proposed to set up the control unit such that it is possible to interrupt the operation of the high-voltage system by means of a control line to an interruption switch of the high-voltage system. This configuration enables the high-voltage system to be put into a voltage-free, secured operating state from different operating states. The operation of the HV system can e.g. by controlling shooters in an open position, to ensure a particularly safe mode of operation in which the power supply in the high-voltage system is interrupted.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die wahlweise elektrische Koppelung des Hochpotentialanschlusses über die erste Impedanz mit dem Grundpotential, mittels eines ersten steuerbaren Schaltelementes, und die wahlweise elektrische Koppelung des Niedrigpotentialanschlusses über die zweite Impedanz mit dem Grundpotential, mittels eines zweiten steuerbaren Schaltelementes erfolgt.In a further embodiment of the invention it is proposed that the optional electrical coupling of the high potential connection via the first impedance to the basic potential, by means of a first controllable switching element, and the optional electrical coupling of the low potential connection via the second impedance to the basic potential, by means of a second controllable switching element he follows.
Dabei können die Impedanzen als zusätzliche diskrete Bauelemente entfallen, wenn z.B. eine Halbbrücke mit IGBTs verwendet wird und diese so angesteuert wird, dass sie einen geeigneten z. B. ohmschen Widerstand darstellt. Das bedeutet, dass die einstellbare erste oder zweite Impedanz
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das erste steuerbare Schaltelement oder das zweite steuerbare Schaltelement zumindest ein elektromagnetisches Relais oder zumindest ein Halbleiterbauelement aufweist, und das erste steuerbare Schaltelement oder das zweite steuerbare Schaltelement eingerichtet ist, von der Steuerungseinheit gesteuert zu werden. Somit können, für diese steuerbaren Schaltelemente, alternativ, einfach zu realisierende elektromagnetische Relais oder im Dauerbetrieb robustere Halbleiterbauelemente verwendet werden.According to a further embodiment of the invention, it is proposed that the first controllable switching element or the second controllable switching element has at least one electromagnetic relay or at least one semiconductor component, and the first controllable switching element or the second controllable switching element is set up to be controlled by the control unit. Thus, for these controllable switching elements, alternatively, simple to implement electromagnetic relays or more robust semiconductor components in continuous operation can be used.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuerungseinheit so eingerichtet ist, dass sie sowohl einen Isolationswächter als auch die Schalteinheit zu steuern vermag. Wenn, gesteuert durch die Steuerungseinheit, die elektrische Koppelung des Hochpotentialanschlusses mit dem Grundpotential über eine ersten Impedanz mit einem ersten Wert erfolgt und/oder eine elektrischen Koppelung des Niedrigpotentialanschlusses mit dem Grundpotential über eine zweiten Impedanz, die einen zweiten Wert aufweist erfolgt, kann die Steuereinheit mit Hilfe eines Ausgangssignals des Isolationswächters die Funktionsfähigkeit des Isolationswächters verifizieren.In one embodiment of the invention, it is proposed that the control unit be set up in such a way that it can control both an insulation monitor and the switching unit. If, controlled by the control unit, the high potential connection is electrically coupled to the basic potential via a first impedance with a first value and / or the low potential connection is electrically coupled to the basic potential via a second impedance which has a second value, the control unit can verify the functionality of the insulation monitor using an output signal from the insulation monitor.
Sofern der Isolationswächter diese zusätzlichen Impedanzen, die parallel zu den Isolationsimpedanzen wirken, im Hochvoltsystem korrekt detektiert, ist sowohl die Funktionsfähigkeit des Isolationswächters selbst als auch seine funktionelle Integration in das Hochvoltsystem verifiziert.If the insulation monitor correctly detects these additional impedances, which act in parallel with the insulation impedances, in the high-voltage system, both the functionality of the insulation monitor itself and its functional integration into the high-voltage system are verified.
Durch die Veränderung des Wertes der Impedanzen resultiert eine wählbare Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit der Detektion von Isolationsfehlern bei diesem Prüfschema, die somit nicht beim Aufbau des Hochvoltsystems festgelegt werden muss, sondern besonderen Betriebsbedingungen im laufenden Betrieb angepasst werden kann.The change in the value of the impedances results in a selectable accuracy or sensitivity of the detection of insulation faults in this test scheme, which therefore does not have to be determined when the high-voltage system is built, but can be adapted to special operating conditions during operation.
Weiterhin könnten die einstellbaren Impedanzen entsprechend zusätzlichen einstellbaren Y-Kapazitäten wirken und unsymmetrische Spannungsverteilungen im HV-Netz erzeugen, womit die Testmöglichkeit des Isolationswächters erweitert ist.Furthermore, the adjustable impedances could act in accordance with additional adjustable Y capacitances and generate asymmetrical voltage distributions in the HV network, which extends the test possibility of the insulation monitor.
Die veränderlichen Impedanzwerte können dabei sowohl kapazitive als auch induktive als auch ohmsche Anteile unterschiedlichen Ausmaßes aufweisen, indem entsprechend regelbare Bauelemente in die Schalteinheit integriert werden, und/oder Bauelementegruppen über weitere Schaltelemente von der Steuerungseinheit entsprechend zusammengeschaltet werden.The variable impedance values can have capacitive as well as inductive as well as ohmic components of different dimensions by means of correspondingly controllable components be integrated into the switching unit, and / or component groups can be interconnected accordingly by the control unit via further switching elements.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die korrekte Detektion der zugeschalteten Impedanzen durch einen Vergleich des Ausgangssignals des Isolationswächters mit einem Sollwert des Ausgangssignals des Isolationswächters, mittels der Steuerungseinheit, erreicht werden, der abhängig von der wahlweise elektrischen Kopplung der ersten Impedanz und/oder der wahlweisen elektrischen Kopplung der zweiten Impedanz erfolgt. Somit kann durch geeignete Wahl der zugeschalteten Impedanzen und des Sollwertes die Verifikation der Funktionsfähigkeit des Isolationswächters, entsprechend den Anforderungen an die Genauigkeit der Verifikation, angepasst werden.According to a measure improving the invention, the correct detection of the connected impedances can be achieved by comparing the output signal of the insulation monitor with a setpoint value of the output signal of the insulation monitor, by means of the control unit, which is dependent on the optional electrical coupling of the first impedance and / or the optional one electrical coupling of the second impedance takes place. Thus, by a suitable choice of the connected impedances and the setpoint, the verification of the functionality of the insulation monitor can be adapted according to the requirements for the accuracy of the verification.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, abhängig vom Ergebnis der Verifikation der Funktionsweise des Isolationswächters, ein Signal an einem Ausgang der Steuereinheit bereitzustellen. Ein solches Signal kann dann von übergeordneten Systemen verwendet werden, um den sicheren oder fehlerhaften Zustand des Hochvoltsystems zu überwachen.According to a further embodiment of the invention, it is proposed that the control unit be set up to provide a signal at an output of the control unit, depending on the result of the verification of the functioning of the insulation monitor. Such a signal can then be used by higher-level systems to monitor the safe or faulty state of the high-voltage system.
Damit können Wartungsaufgaben oder Alarme getriggert werden. Die Verifikation der Funktionsweise des Isolationswächters ist dann nicht erfolgreich, wenn das auf Grund von zugeschalteten Impedanzen zu erwartende Fehlersignal vom Isolationswächter nicht an seinem Ausgang bereitgestellt wird.This can trigger maintenance tasks or alarms. The verification of the functioning of the insulation monitor is unsuccessful if the error signal to be expected due to connected impedances is not provided by the insulation monitor at its output.
Für den ersten Wert der ersten Impedanz oder den zweiten Wert der zweiten Impedanz wird, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, vorgeschlagen einen ohmscher Widerstand einzusetzen, wobei vorzugsweise dieser ohmsche erste bzw. zweite Widerstand einen Wert im Bereich zwischen 0,5 MOhm und 5 MOhm aufweist.For the first value of the first impedance or the second value of the second impedance, according to a further embodiment of the invention, it is proposed to use an ohmic resistor, this ohmic first or second resistor preferably having a value in the range between 0.5 MOhm and 5 MOhm having.
Damit sind die zusätzlich eingebrachten Impedanzen im Wertebereich des Isolationswiderstandes, wodurch eine empfindliche Verifikation sichergestellt wird. Impedanzwächter sind typischerweise eingerichtet auch Kapazitäten oder Induktivitäten zu detektieren, so dass auch solche Bauelemente zur Überprüfung der Isolation eingesetzt werden können.This means that the additional impedances introduced are in the value range of the insulation resistance, which ensures sensitive verification. Impedance monitors are typically set up to also detect capacitors or inductors, so that such components can also be used to check the insulation.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist eine Symmetrierung der Potentialanschlüsse
Mittels einer solchen Schaltungsanordnung wird die wahlfreie Symmetrierung von IT-Hochvoltsystemen ermöglicht. Dabei kann der dritte Wert der ersten Impedanz und der vierte Wert der zweiten Impedanz vorzugsweise als ein ohmscher Widerstand aus dem Wertebereich von 0, 5 MOhm bis 5 MOhm gewählt werden, wobei die Endwerte in den Bereich eingeschlossen sind. Mittels letzterer Ansteuerung der Schalteinheit erfolgt somit eine aktive Symmetrierung der beiden Potentialanschlüsse gegenüber HV-Grundpotential
Mit den oben beschriebenen einstellbaren Impedanzwerten kann, mittels der Steuerungseinheit, auch eine Entladungsfunktion von HV-Systemkapazitäten erfolgen, indem ein geeigneter ohmscher Widerstandswert gewählt wird und beide Impedanzen zwischen die jeweiligen Potentialanschlüsse und HV-Grundpotential gekoppelt werden. Dies wird typischerweise beim Ein- bzw. Ausschaltvorgang des Hochvoltsystems durchgeführt. Beim Einschalten erfolgt dies, um einen sicheren Startzustand zu sichern.With the adjustable impedance values described above, a discharge function of HV system capacitors can also be carried out by means of the control unit, by selecting a suitable ohmic resistance value and coupling both impedances between the respective potential connections and the HV basic potential. This is typically carried out when the high-voltage system is switched on and off. This is done when switching on to ensure a safe start-up state.
Dies bewirkt eine Unterstützung der Entladung von Systemkapazitäten C x und damit eine schnellere Senkung einer eventuellen Berührspannung auf < 60V. Beim Ausschalten erfolgt dies, um Restspannungen aus dem Hochvoltsystem für einen sicheren Ruhezustand zu entfernen.This supports the discharge of system capacities C x and thus a possible lowering of a possible touch voltage to <60V. When switching off, this is done to remove residual voltages from the high-voltage system for a safe idle state.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, auf Grund eines zugeführten Unfallsignals, die Schalteinheit so zu steuern, dass der Hochpotentialanschluss
Damit durch einen solchen Schnellstopp an der Hochvoltquelle kein Schaden hervorgerufen wird, können der Wert der ersten Impedanz und der Wert der zweiten Impedanz so bemessen sein, dass ein maximal zulässiger Batteriestrom oder Brennstoffzellenstrom der Hochvoltquelle nicht überschritten wird.So that no damage is caused by such a quick stop at the high-voltage source, the value of the first impedance and the value of the second impedance can be dimensioned such that a maximum permissible battery current or fuel cell current of the high-voltage source is not exceeded.
Für einen solchen schonenden Schnellstopp z. B. einer Brennstoffzelle sollte der Wertebereich für den fünften Wert der ersten Impedanz und den sechsten Wert der zweiten Impedanz ohmsche Widerstände im Bereich von 1 Ohm bis 1000 Ohm eingesetzt werden, wobei die Endwerte in den Bereich eingeschlossen sind. For such a gentle quick stop z. B. a fuel cell, the range of values for the fifth value of the first impedance and the sixth value of the second impedance ohmic resistances in the range from 1 ohm to 1000 ohms should be used, the final values being included in the range.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schalteinheit eingerichtet ist, mittels der Steuerungseinheit den Hochpotentialanschluss
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der
AusführungsbeispielEmbodiment
Die
Gemäß
Das Hochvoltsystem
Das Hochvoltsystem
Der Isolationswächter
Die Schalteinheit
Die Steuerungseinheit
Weiterhin ist die Steuerungseinheit
Die Steuerungseinheit
Die Verifikation der Funktionalität des Isolationswächters
Für die Verifikation der Funktionalität des Isolationswächters
Die Last
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Legal Events
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R079 | Amendment of ipc main class |
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