DE-102024210600-A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter für ein Fahrzeug

Abstract

Eine Vorrichtung (120) zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter (108) weist spannungsgesteuerte Sperreinrichtungen (240, 244) auf, die in Reihe mit Sperrwiderständen (242, 246) zwischen Versorgungsanschlüsse (230, 230) und einen Masseanschluss (234) geschaltet sind, sowie Messeinrichtungen (250, 252), die zwischen die Versorgungsanschlüsse (230, 230) und den Masseanschluss (234) geschaltet sind und Messwerte (254, 256) bereitzustellen. Ferner weist die Vorrichtung (120) eine Auswerteeinrichtung (222) auf, die ausgebildet ist, um unter Verwendung der Messwerte (254, 256) Widerstandswerte Rs1, Rs2 für zwischen den Versorgungsanschlüssen (230, 230) und dem Masseanschluss (234) bestehenden Isolationswiderständen.

Inventors

• Janaki Ram Pagolu
• Michael Lengenfelder

Assignees

• ZF FRIEDRICHSHAFEN AG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (15)

1. Vorrichtung (120) zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter (108), insbesondere einen Traktionsumrichter für ein Fahrzeug (100), wobei die Vorrichtung (120) die folgenden Merkmale umfasst: einen ersten Versorgungsanschluss (230) zum Anlegen eines ersten Potentials einer Versorgungsspannung Vin und einen zweiten Versorgungsanschluss (232) zum Anlegen eines zweiten Potentials der Versorgungsspannung Vin; einen Masseanschluss (234); eine erste spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (240), die in Reihe mit einem ersten Sperrwiderstand (242) zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschaltet ist und eine zweite spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (244), die in Reihe mit einem zweiten Sperrwiderstand (246) zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschaltet ist; eine erste Messeinrichtung (250), die zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschaltet und ausgebildet ist, um einen positiven Messwert (254) V HV_SENS_POS , VPsns bereitzustellen und eine zweite Messeinrichtung (252), die zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschaltet und ausgebildet ist, um einen negativen Messwert (256) V HV_SENS_NEG , VNsns bereitzustellen; und eine Auswerteeinrichtung (222), die ausgebildet ist, um unter Verwendung des positiven Messwerts (254) V HV_SENS_POS , VPsns und des negativen Messwerts (256) V HV_SENS_NEG , VNsns einen ersten Widerstandswert Rs1 für einen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (230) und dem Masseanschluss (234) bestehenden ersten Isolationswiderstand (360) und einen zweiten Widerstandswert Rs2 für einen zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (232) und dem Masseanschluss (234) bestehenden zweiten Isolationswiderstand (362) zu ermitteln.
2. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 1 , wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um unter Verwendung des ersten Widerstandswerts Rs1 und des zweiten Widerstandswerts Rs2 ein Steuersignal (258) zum Freigeben einer Veränderung der Versorgungsspannung Vin in Richtung eines Zielwerts oder zum Sperren der Veränderung der Versorgungsspannung Vin in Richtung des Zielwerts bereitzustellen.
3. Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Messeinrichtung (250) ausgebildet ist, um den positiven Messwert (254) als einen positiven Spannungswert VPsns bereitzustellen und die zweite Messeinrichtung (252) ausgebildet ist, um den negativen Messwert (256) als einen negativen Spannungswert VNsns bereitzustellen, und wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um den ersten Widerstandswert Rs1 und den zweiten Widerstandswert Rs2 unter Verwendung des positiven Spannungswert VPsns und des negativen Spannungswert VNsns zu ermitteln.
4. Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 , wobei die erste Messeinrichtung (250) ausgebildet ist, um den positiven Messwert (254) als einen vorläufigen positiven Spannungswert V HV_SENS_POS bereitzustellen und die zweite Messeinrichtung (252) ausgebildet ist, um den negativen Messwert (256) als einen vorläufigen negativen Spannungswert V HV_SENS_NEG bereitzustellen, und wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um einen positiven Spannungswert VPsns unter Verwendung des vorläufigen positiven Spannungswert V HV_SENS_POS und einen negativen Spannungswert VNsns unter Verwendung des vorläufigen negativen Spannungswert V HV_SENS_NEG zu ermitteln und den ersten Widerstandswert Rs1 und den zweiten Widerstandswert Rs2 unter Verwendung des positiven Spannungswert VPsns und des negativen Spannungswert VNsns zu ermitteln.
5. Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4 , wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um den ersten Widerstandswert Rs1 und den zweiten Widerstandswert Rs2 unter Verwendung eines einer ersten Phase (601) zugeordneten positiven Spannungswerts VPsns_p1 und eines der ersten Phase (601) zugeordneten negativen Spannungswerts VNsns_p1 sowie eines einer weiteren Phase (602a, 602b, 603) zugeordneten weiteren positiven Spannungswerts VPsns_p2 und eines der weiteren Phase (602a, 602b, 603) zugeordneten weiteren negativen Spannungswerts VNsns_p2 zu ermitteln, wobei die Phase (601) ein Spannungsintervall der Versorgungsspannung Vin und die weitere Phase (602a, 602b, 603) ein weiteres Spannungsintervall der Versorgungsspannung Vin repräsentiert.
6. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 5 , wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um ein Vorliegen der ersten Phase (601) zu ermitteln, wenn eine unter Verwendung des positiven Spannungswerts VPsns bestimmte positive Schwellenspannung VP_CHsns kleiner als ein Betrag einer ersten Durchbruchsspannung Vz1 der ersten spannungsgesteuerten Sperreinrichtung (240) und eine unter Verwendung des negativen Spannungswerts VNsns bestimmte negative Schwellenspannung VN_CHsns kleiner als ein Betrag einer zweiten Durchbruchsspannung Vz2 der zweiten spannungsgesteuerten Sperreinrichtung (244) ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um ein Vorliegen einer ersten zweiten Phase (602a) zu ermitteln, wenn die positive Schwellenspannung VP_CHsns größer als der Betrag der ersten Durchbruchsspannung Vz1 und die negative Schwellenspannung VN_CHsns kleiner als der Betrag der zweiten Durchbruchsspannung Vz2 ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um ein Vorliegen einer zweiten zweiten Phase (602b) zu ermitteln, wenn die positive Schwellenspannung VP_CHsns kleiner als der Betrag der ersten Durchbruchsspannung Vz1 und die negative Schwellenspannung VN_CHsns größer als der Betrag der zweiten Durchbruchsspannung Vz2 ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um ein Vorliegen einer dritten Phase (603) zu ermitteln, wenn die positive Schwellenspannung VP_CHsns größer als der Betrag der ersten Durchbruchsspannung Vz1 und die negative Schwellenspannung VN_CHsns größer als der Betrag der zweiten Durchbruchsspannung Vz2 ist.
7. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 6 , wobei die Auswerteeinrichtung (222) ausgebildet ist, um den ersten Widerstandswert Rs1 und den zweiten Widerstandswert Rs2 unter Verwendung eines ersten gesetzten Widerstandswerts Rz1_sel für den ersten Sperrwiderstand (242), eines ersten gesetzten Spannungswerts Vz1_sel für die erste Durchbruchsspannung Vz1, eines zweiten gesetzten Widerstandswerts Rz2_sel für den zweiten Sperrwiderstand (246) und eines zweiten gesetzten Spannungswerts Vz2_sel für die zweite Durchbruchsspannung Vz1 zu ermitteln, wobei - bei Vorliegen der ersten zweiten Phase (602a) der erste gesetzte Widerstandswert Rz1_sel auf einen ersten realen Widerstandswert Rz1 des ersten Sperrwiderstands (242), der erste gesetzte Spannungswert Vz1_sel auf die erste Durchbruchsspannung Vz1, der zweite gesetzte Widerstandswert Rz2_sel auf einen vorbestimmten ersten Wert und der zweite gesetzte Spannungswert Vz2_sel auf Null gesetzt wird, - bei Vorliegen der zweiten zweiten Phase (602b) der erste gesetzte Widerstandswert Rz1_sel auf einen vorbestimmten ersten Wert, der erste gesetzte Spannungswert Vz1_sel auf Null, der zweite gesetzte Widerstandswert Rz2_sel auf einen zweiten realen Widerstandswert Rz2 des zweiten Sperrwiderstands (246) und der zweite gesetzte Spannungswert Vz2_sel auf die zweite Durchbruchsspannung Vz1 gesetzt wird, und - bei Vorliegen der dritten Phase (603) der erste gesetzte Widerstandswert Rz1_sel auf den ersten realen Widerstandswert Rz1, der erste gesetzte Spannungswert Vz1_sel auf die erste Durchbruchsspannung Vz1, der zweite gesetzte Widerstandswert Rz2_sel auf den zweiten realen Widerstandswert Rz2 und der zweite gesetzte Spannungswert Vz2_sel auf die zweite Durchbruchsspannung Vz1 gesetzt wird
8. Vorrichtung (120) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (240) eine erste Zenerdiode und die zweite spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (244) eine zweite Zenerdiode umfasst.
9. Vorrichtung (120) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 , wobei die erste spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (240) einen ersten Schalter (540) sowie einen zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschalteten ersten Spannungsteiler (541) zum Bereitstellen eines ersten Schaltsignals zum Schalten des ersten Schalters (540) umfasst, und wobei die zweite spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (244) einen zweiten Schalter (544) sowie einen zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschalteten zweiten Spannungsteiler (545) zum Bereitstellen eines zweiten Schaltsignals zum Schalten des zweiten Schalters (544) umfasst
10. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 3 , wobei die erste Messeinrichtung (250) einen zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschalteten ersten Mess-Spannungsteiler (450, 451) zum Erfassen des positiven Spannungswerts VPsns umfasst und wobei die zweite Messeinrichtung (252) einen zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschalteten zweiten Mess-Spannungsteiler (452, 453) zum Erfassen des negativen Spannungswerts VNsns umfasst.
11. Vorrichtung (120) gemäß Anspruch 4 , wobei die erste Messeinrichtung (250) einen zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschalteten ersten Operationsverstärker (350) zum Erfassen des vorläufigen positiven Spannungswerts V HV_SENS_POS umfasst und wobei die zweite Messeinrichtung (252) einen zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschalteten zweiten Operationsverstärker (352) zum Erfassen des vorläufigen negativen Spannungswerts V HV_SENS_NEG umfasst.
12. Stromrichter (108), insbesondere Wechselrichter, mit einer Vorrichtung (120), dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung (120) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
13. Elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine (104), einer Getriebeeinrichtung (106) und einem Stromrichter (108), dadurch gekennzeichnet , dass der Stromrichter (108) nach Anspruch 12 ausgebildet ist.
14. Kraftfahrzeug, umfassend einen elektrischen Achsantrieb nach Anspruch 13 und/oder einen Stromrichter (108) nach Anspruch 12 und/oder einer Vorrichtung (120) (120) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 .
15. Verfahren zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter (108), insbesondere einen Traktionsumrichter für ein Fahrzeug (100), unter Verwendung einer Schaltung, die - einen ersten Versorgungsanschluss (230) zum Anlegen eines ersten Potentials einer Versorgungsspannung Vin und einen zweiten Versorgungsanschluss (232) zum Anlegen eines zweiten Potentials der Versorgungsspannung Vin; einen Masseanschluss (234), - eine erste spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (240), die in Reihe mit einem ersten Sperrwiderstand (242) zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschaltet ist und eine zweite spannungsgesteuerte Sperreinrichtung (244), die die in Reihe mit einem zweiten Sperrwiderstand (246) zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschaltet ist, und - eine erste Messeinrichtung (250), die zwischen den ersten Versorgungsanschluss (230) und den Masseanschluss (234) geschaltet und ausgebildet ist, um einen positiven Messwert (254) V HV_SENS_POS , VPsns bereitzustellen und eine zweite Messeinrichtung (252) aufweist, die zwischen den zweiten Versorgungsanschluss (232) und den Masseanschluss (234) geschaltet und ausgebildet ist, um einen negativen Messwert (256) V HV_SENS_NEG , VNsns bereitzustellen, und wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: Ermitteln eines ersten Widerstandswerts Rs1 für einen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (230) und dem Masseanschluss (234) bestehenden ersten Isolationswiderstand (360) und eines zweiten Widerstandswert Rs2 für einen zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (232) und dem Masseanschluss (234) bestehenden zweiten Isolationswiderstand (362) unter Verwendung des positiven Messwerts (254) V HV_SENS_POS , VPsns und des negativen Messwerts (256) V HV_SENS_NEG , VNsns.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter für ein Fahrzeug, auf einen Stromrichter, einen elektrischen Achsantrieb und auf ein Kraftfahrzeug. Die Messung des Isolationswiderstands zwischen Polen einer Energieversorgung und dem Chassis eines batteriebetriebenen Systems, wie z. B. eines Elektrofahrzeuges, ist notwendig, um dem Endverbraucher Sicherheit zu bieten, falls es aufgrund von Verschmutzung, Alterung, Wartungsproblemen usw. zu Materialausfällen kommt. Dazu können Relais und Steuerkreise verwendet werden, die einen bekannten Widerstand in den Stromkreis ein- und ausschalten. Dies hilft bei der Identifizierung der Widerstände durch Nachbearbeitung, beispielsweise von Ausgangsspannungen ISO_POS und ISO_NEG. Ableitwiderstände können auch unter Verwendung von Schaltern erkannt werden. Schalter mitsamt ihren Treibern und Steuerschaltungen erhöhen die Kosten und können eine Belastung für kostengünstige Batteriesysteme darstellen. Werden sie eliminiert, besteht für den Endbenutzer die Gefahr eines Stromschlags. Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter für ein Fahrzeug, einen verbesserten Stromrichter, einen verbesserten elektrischen Achsantrieb und ein verbessertes Kraftfahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Vorteilhafterweise lässt sich ein Isolationswiderstand eines elektrischen Systems, beispielsweise eines Fahrzeugs, kostengünstig und sicher ohne den Einsatz von Relais und Steuerkreisen bestimmen, die einen bekannten Widerstand in einem Stromkreis ein- und ausschalten. Eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Isolationswiderstands für einen Stromrichter, insbesondere einen Traktionsumrichter für ein Fahrzeug, weist die folgenden Merkmale auf:einen ersten Versorgungsanschluss zum Anlegen eines ersten Potentials einer Versorgungsspannung Vin und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen eines zweiten Potentials der Versorgungsspannung Vin;einen Masseanschluss;eine erste spannungsgesteuerte Sperreinrichtung, die in Reihe mit einem ersten Sperrwiderstand zwischen den ersten Versorgungsanschluss und den Masseanschluss geschaltet ist und eine zweite spannungsgesteuerte Sperreinrichtung, die in Reihe mit einem zweiten Sperrwiderstand zwischen den zweiten Versorgungsanschluss und den Masseanschluss geschaltet ist;eine erste Messeinrichtung, die zwischen den ersten Versorgungsanschluss und den Masseanschluss geschaltet und ausgebildet ist, um einen positiven Messwert VHV_SENS_POS, VPsns bereitzustellen und eine zweite Messeinrichtung, die zwischen den zweiten Versorgungsanschluss und den Masseanschluss geschaltet und ausgebildet ist, um einen negativen Messwert VHV_SENS_NEG, VNsns bereitzustellen; undeine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des positiven Messwerts VHV_SENS_POS, VPsns und des negativen Messwerts VHV_SENS_NEG, VNsns einen ersten Widerstandswert Rs1 für einen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem Masseanschluss bestehenden ersten Isolationswiderstand und einen zweiten Widerstandswert Rs2 für einen zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem Masseanschluss bestehenden zweiten Isolationswiderstand zu ermitteln. Der Stromrichter kann beispielsweise zum Wandeln der Versorgungsspannung in Form einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder eine andere Gleichspannung verwendet werden. Die Versorgungsspannung kann zum Betrieb eines elektrischen Systems, beispielsweise ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares Fahrzeugs, verwendet werden. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung eine Zwischenkreisspannung darstellen. Bei einem Einschaltvorgang kann die Versorgungsspannung nicht sprunghaft sondern allmählich bis zu einem Zielwert erhöht werden. Bei einem Ausschaltvorgang kann die Versorgungsspannung ebenfalls nicht sprunghaft sondern kontinuierlich bis auf Null reduziert werden. Im fehlerfreien Zustand können die Versorgungsanschlüsse von dem Masseanschluss elektrisch isoliert sein, um einen ungewollten Stromfluss zu verhindern. In einem fehlerbehafteten Zustand kann eine entsprechende Isolierung zumindest teilweise überbrückt sein, sodass ein ungewollter Stromfluss möglich wird. Eine solche fehlerhafte Isolierung kann über die Bestimmung der Größe der Isolationswiderstände erkannt werden. Vorteilhafterweise kann die Größe der Isolationswiderstände bereits frühzeitig bei einem Einschaltvorgang erkannt werden, sodass ein weiteres Hochfahren der Versorgungsspannung frühzeitig verhindert werden kann. Die spannungsgesteuerten Sperreinrichtungen und die Messeinrichtungen können Bestandteile einer elektrischen Schaltung sein. Vorteilhafterweise können die spannungsgesteuerten Sperreinrichtungen ohne logische Steuerkreise,