DE102023102654A1 - Detektion fehlerhafter Bauteile in einem Isolationswächter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen fehlerhafter Bauteile in einem Isolationswächter (1), wobei während des Einsatzes des Isolationswächters (1) zum Ermitteln eines Isolationswiderstandes Riso(2) die dabei an dem Isolationswächter oder an einer Stelle des Isolationswächters anliegende Messsignalspannung Vread(5) gemessen wird und mit einem Referenzsignal verglichen wird, wobei in Abhängigkeit von dem Vergleich eine Schlussfolgerung durchgeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Detektionsschaltkreis zum Ermitteln fehlerhafter Bauteile eines Isolationswächters (1).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen fehlerhafter Bauteile in einem Isolationswächter und einen Detektionsschaltkreis zum Ausführen des Verfahrens.
• Zur Bestimmung eines Isolationswiderstands wird das Hochvolt-Netz im Fahrzeug angeregt. Aus dessen gemessener System-Antwort kann der Isolationswiderstand geschätzt werden. Die Bestimmung des Isolationswiderstands wird während des Betriebs fortlaufend durchgeführt (z.B. in Zeitabständen von je 30 Sekunden).
• Damit die Schätzung des Isolationswiderstands als gültig betrachtet werden kann, muss die ordnungsgemäße Funktion des Isolationswächters bei jeder Messung überprüft werden.
• Dazu wird ein sogenannter Selbsttest durchgeführt, welcher die einzelnen Bauteile der Elektronik-Hardware auf Fehler prüft. Solche Fehler können beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung (offene Leitung) eines Bauteils sein.
• Aus dem Stand der Technik, etwa der DE 10 2014 205 918 A1 ist ein Verfahren zum Prüfen einer Isolationseinrichtung bekannt, in welcher eine Messspannung an die Isolationseinrichtung angelegt wird, wobei ein Gesamtstromverlauf über einen festgelegten Messzeitraum gemessen wird. Der Gesamtstromverlauf wird daraufhin mit einem Referenzstromverlauf verglichen.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Nachteile der bekannten Lösungen zu reduzieren.
• Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass während des Einsatzes des Isolationswächters die dabei an dem Isolationswächter anliegende Messsignalspannung gemessen und mit einem Referenzsignal verglichen wird.
• Mit anderen Worten betrifft die Erfindung ein Verfahren, in welchem der zeitliche Verlauf der im Rahmen der Schätzung des Isolationswiderstands gemessenen Ausgangsspannung der Elektronik-Schaltung mit einer Referenzspannung verglichen wird. Diese Referenzspannung kann auf Basis von Vorwissen (u.a. vorherige Messung, vorheriger Schätzwert des Isolationswiderstands, nominelle Bauteil-Werte der Elektronik-Hardware, Übertragungsfunktion des System-Verhaltens) und aktuellen Systembedingungen, z.B. Zwischenkreisspannung, ermittelt werden. Da die gemessene Ausgangsspannung bei einem fehlerhaften Bauteil der Elektronik-Hardware einen anderen zeitlichen Verlauf aufweist als bei fehlerfreier Hardware, kann dieses Wissen zur Detektion von Bauteilfehlern verwendet werden. Beträgt die Abweichung der gemessenen Ausgangsspannung zur Referenzspannung mehr als ein definierter Wert (bezogen auf absolute und/oder relative Abweichung), so wird die Abweichung von einem Detektions-Algorithmus erkannt und der Status des Isolationswächters auf „Nicht in Ordnung“ gesetzt. So kann sichergestellt werden, dass eine Messung des Isolationswiderstands nur dann als gültig betrachtet wird, wenn kein fehlerhaftes Verhalten der Elektronik-Hardware vorliegt. Die Definition des Grenzwerts, bei dem eine Abweichung als zu groß erkannt wird, findet unter Berücksichtigung mehrerer Einflussgrößen statt. Alternativ zur Spannung können auch andere physikalische Größen wie z.B. Strom, Leistung verwendet werden, um den Fehler in der Elektronik zu detektieren.
• Es stellen sich zahlreiche Vorteile ein. Durch das Einbeziehen von vorherigen Messungen, vorherigem Schätzwert des Isolationswiderstands, nominelle Bauteil-Werte der Elektronik-Hardware, Übertragungsfunktion des System-Verhaltens etc. kann ein dynamischer und optimierter Referenzwert ermittelt werden, sodass die System-Antwort stets auf die veränderlichen Einflüsse abgestimmt ist.
• Dazu wird ein Verfahren zum Erkennen fehlerhafter Bauteile in einem Isolationswächter genutzt, wobei während des Einsatzes des Isolationswächters zum Ermitteln eines Isolationswiderstandes R die dabei an dem Isolationswächter anliegende Messsignalspannung gemessen und mit einem Referenzsignal verglichen wird. In Abhängigkeit von dem Vergleich wird eine Schlussfolgerung durchgeführt.
• Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
• Vorteilhafterweise berücksichtigt der Referenzsignalbereich unterschiedliche Einflussgrößen wie beispielsweise den Einfluss von Hardwaretoleranzen, Rauschen, Schätzgenauigkeit, Dynamik der Zwischenkreisspannung etc.
• Bevorzugt kann das Referenzsignal als Referenzspannungssignal, Referenzstromsignal oder Referenzleistungssignal ausgeführt sein. Alternativ können auch andere physikalische Größen wie z.B. die Frequenz verwendet werden, um den Fehler in der Elektronik zu detektieren. Dadurch kann eine große Auswahl getroffen werden, sodass die Funktionalität des Isolationswächters anhand unterschiedlichster Größen und Einflüsse gemessen und bewertet werden kann.
• Vorteilhafterweise wird geschlussfolgert, dass ein fehlerhaftes Bauteil vorliegt, wenn die Messsignalspannung von dem Referenzsignal und/oder dem Referenzsignalbereich abweicht. D.h. über- oder unterschreitet die Messsignalspannung einen Schwellenwert oder einen Schwellenwertbereich, so wird das vom System ermittelt. Daraufhin kann bevorzugter Weise der vom Isolationswächter ermittelte geschätzte Isolationswidertand als ungültig bewertet werden.
• Bevorzugt ist der Wert des Referenzsignals oder der Referenzsignalbereich vordefiniert, zeitlich vorher gemessen oder zeitlich vorher geschätzt. Dadurch können die vorher erläuterten Einflussfaktoren, insbesondere bei der Schätzung, einbezogen werden, sodass eine präzise Funktionsweise des Verfahrens zu Detektion von fehlerhaften Bauteilen gewährleistet wird. Abhängig von den gewählten Betriebsmodi ist es jedoch erforderlich, dass die Zwischenkreisspannung in die Messung bzw. Schätzung des Referenzsignals oder des Referenzsignalbereichs einbezogen wird.
• Bevorzugt wird das Referenzsignal durch einen Wertekorridor für einen Referenzbereich festgelegt. Dadurch wird sichergestellt, dass selbst bei einer untypischen Abweichung des Messwiderstandes ein fehlerhaftes Bauteil dennoch erkannt wird.
• Besonders bevorzugt wird das Verfahren während eines geöffneten oder geschlossenen DC-Schalters durchgeführt. Die Art und Weise, wie das Referenzsignal und insbesondere der Grenzwert zur Fehlerdetektion festgelegt werden, hängt von den Schalterstellungen zum Hochvolt-Zwischenkreis und zu einer Referenzimpedanz ab. Das Verfahren kann somit mit zwei Betriebsarten durchgeführt werden. In einer ersten Betriebsart ist der DC-Schalter während des Selbsttests, und nur während des Selbsttests geöffnet und der Referenzschalter geschlossen. In dieser Betriebsart ist die gemessene Ausgangsspannung unabhängig von dem Wert einer Isolationsimpedanz, welche in dem Hochvolt-Netzkreis angeordnet ist. Weiterhin ist die Ausgangsspannung, also die Messsignalspannung unabhängig vom Wert einer Zwischenkreisspannung im Hochvolt-Netz. Dadurch ergibt sich, dass das Referenzsignal ebenfalls unabhängig vom Wert der Isolationsimpedanz sowie von der Zwischenkreisspannung ist. Das Referenzsignal bzw. die Referenzspannung kann somit vorab festgelegt werden und muss nicht während des laufenden Betriebs nachgeführt werden. Der in der ersten Betriebsart festgelegte Referenzgrenzwert ist somit nur Bauteilwerten und von den Bauteil-Toleranzen der verbauten Widerstände und Kondensatoren der Elektronikschalung abhängig. Die zweite Betriebsart zeichnet aus, dass der DC-Schalter und der Referenzschalter offen ist (Referenzbauteile nur für Niederspannung ausgelegt, Referenzimpedanz und Isolationsimpedanz werden bei geschlossenem Schalter parallelgeschaltet). Daraus folgt, dass die Messsignalspannung sowohl von den Isolationsimpedanzen als auch von der Zwischenkreisspannung abhängig ist. Das Referenzsignal bzw. die Referenzspannung ist ebenfalls abhängig vom Wert der Isolationsimpedanz sowie abhängig von der Dynamik der Zwischenkreisspannung. Die Referenzspannung muss somit während des Betriebs nachgeführt werden. Die Bestimmung der Referenzspannung kann auf Basis von Vorwissen stattfinden (u.a. vorherige Messung, vorheriger Schätzwert des Isolationswiderstands, nominelle Bauteil-Werte der Elektronik-Hardware, Übertragungsfunktion des System-Verhaltens). Daraus resultiert, dass der Referenzgrenzwert ebenfalls abhängig von den Bauteil-Toleranzen der verbauten Widerstände und Kondensatoren der Elektronik-Schaltung, vom Wert der Isolationsimpedanz sowie deren Schätzgenauigkeit und von der Dynamik der Zwischenkreisspannung ist. Alternativ können folgende Kombinationen der Schalterstellungen zu verschiedenen Betriebsmodi führen. Insgesamt vier Betriebsarten existieren, mitunter der ersten Betriebsart: DC-Schalter offen, Referenzimpedanz offen, zweite Betriebsart: DC-Schalter offen, Referenzimpedanz geschlossen, dritte Betriebsart: DC-Schalter geschlossen, Referenzimpedanz offen, vierte Betriebsart: DC-Schalter geschlossen, Referenzimpedanz geschlossen. Bestimmte fehlerhafte Bauteile können nur mit bestimmten Kombinationen von Schalterstellungen detektiert werden. Um alle fehlerhaften Bauteile detektieren zu können ist es vorteilhaft, wenn alle Schalterstellungen und Betriebsmodi während des Verfahrens berücksichtigt werden. Trotzdem ist natürlich bedeutsam, dass die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist.
• Die Erfindung betrifft auch einen Detektionsschaltkreis zum Ermitteln fehlerhafter Bauteile eines Isolationswächters, der dazu ausgelegt ist, das Verfahren zum Ermitteln von Bauteilfehlern im Isolationswächterschaltkreis auszuführen. Es sollte verstanden sein, dass der Detektionsschaltkreis verwendet werden kann, aber nicht verwendet werden muss. Eine Kombination an Schalterstellungen ist bevorzugt / nötig, um für alle Bauteile der Schaltung eine Aussage treffen zu können, ob ein Bauteil fehlerhaft ist oder nicht. Bedeutsam ist also, dass die Kombination an Schalterstellungen berücksichtigt wird, um für alle Bauteile der Schaltung eine Aussage treffen zu können, ob das Bauteil fehlerhaft ist oder nicht.
• Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Isolationswächters;
• 2 ein Diagramm des Anregungsspannungssignals V_s und der Messsignalspannung V_read;
• 3 Ausgangsspannungsdiagramme eines Widerstands R_iso für einen geöffneten DC-Schalter im Hochspannungsnetzteil;
• 4 eine grafische Darstellung eines Detektionsalgorithmus; und
• 5 Referenzausgangsspannungsdiagramme mit und ohne Toleranzeinflüsse sowie der sich daraus ergebende Toleranzbereich der Referenzspannung.
• Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Isolationswächters 1 mit zwei daran gekoppelten Isolationsimpedanzen. Diese weisen jeweils einen Isolationswiderstand R_iso 2 parallel zu einer Isolationskapazität C_iso 3 auf. Die Werte der Isolationsimpedanzen (R_iso+, C_iso+) und (R_iso-, C_iso-) sind im Allgemeinen voneinander verschieden und voneinander unabhängig. Eine in dem Isolationswächter 1 angeordnete Spannungsquelle gibt das Anregungsspannungssignal Vs 6, z.B. ein Rechtecksignal, aus, welcher den Isolationswächter 1 und die Isolationsimpedanzen anregt. An der elektrischen Verbindung zwischen dem Isolationswächter 1 und den Isolationsimpedanzen wird die Zwischenkreisspannung V_DCLink 4 ermittelt. Zwischen zwei Widerständen des Isolationswächters 1, wird die Messsignalspannung V_read 5 ermittelt.
• 2 zeigt ein Diagramm des Anregungsspannungssignals V_s 6 und der Messsignalspannung V_read 5. In dem oberen Diagramm 7 ist das Anregungsspannungssignal V_s 6 dargestellt. Es wird ersichtlich, dass das Anregungsspannungssignals V_s 6 eine Rechteckfunktion aufweist und periodisch verläuft. Das untere Diagramm 8 zeigt die Messsignalspannung V_read 5, wobei eine nominelle Referenzausgangsspannung ohne Bauteiltoleranzen 9 und ein Bereich einer Abweichung der Referenzkurve 10 für eine Variation der Bauteile innerhalb der spezifizierten Toleranzen ersichtlich ist. Alle Bauteile der Elektronik-Schaltung des Isolationswächters 1 weisen fertigungsbedingt Toleranzen auf.
• 3 zeigt Ausgangsspannungsdiagramme eines Widerstands R_iso 2 für einen geöffneten DC-Schalter im Hochspannungsnetzteil. Dabei zeigt das Diagramm 11 ein Ausgangsspannungsdiagramm bei einer Unterbrechung des Widerstandes R_iso 2 mit geöffnetem DC-Schalter, Diagramm 12 die relative Abweichung in Prozent der Ausgangsspannung bei Unterbrechung des Widerstands R_iso 2 bezogen auf die Referenz-Ausgangsspannung, bei der kein Fehler vorliegt, für verschiedene Bauteil-Toleranzen der Isolationswächter-Hardware, die ein Ausgangsspannungsdiagramm bei einem Kurzschluss des Widerstands R_iso 2 mit einem geöffneten DC-Schalter und die relative Abweichung in Prozent der Ausgangsspannung bei Kurzschluss des Widerstands R_iso 2 bezogen auf die Referenz-Ausgangsspannung, bei der kein Fehler vorliegt, mit geöffneten DC-Schalter f für verschiedene Bauteil-Toleranzen der Isolationswächter-Hardware. Da für alle möglichen Bauteiltoleranz-Kombinationen eine definierte Mindestanzahl an Messpunkten außerhalb der definierten Toleranzbänder liegt, ist die Detektion der Fehlerfälle Unterbrechung und Kurzschluss des Widerstands R_iso 2 in diesem Beispiel sicher möglich. Für Fehler anderer Bauteile funktioniert die Detektion analog.
• Um in der Software einen fehlerhaften Schaltkreis der Isolationswächter-Hardware auszugeben, wird ein Algorithmus verwendet. Z.B. wird der Median-Wert aus einer festgelegten Anzahl an Messpunkten z.B. der relativen Abweichung der Ausgangsspannung gebildet (geht analog für absolute Abweichung) und mit den definierten Grenzkurven verglichen. Wird eine Verletzung der Grenzkurven festgestellt, wird ein interner Zähler hochgezählt. Dieser Vorgang findet fortlaufend bei jedem Messvorgang statt. Bei einem definierten Wert des internen Zählers wird der Zustand des Isolationswächters auf „fehlerhaft“ gesetzt. Dieser Vorgang ist beispielhaft der 4 zu entnehmen, in welcher der Detektionsalgorithmus dargestellt ist. 4 zeigt die einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Detektionsalgorithmus. Dargestellt ist in dem Diagramm von oben nach unten: Fehlerdetektion der Messsignalspannung V_read 5 in welchem ein Fehlerdetektionsgraph der Messsignalspannung V_read 17, ein gleitender Medianwertgraph der Fehlerdetektion der Messsignalspannung V_read 17 und ein Toleranzbereich 18 dargestellt sind. In dem zweiten Diagramm von oben wird ein Zähler über der Zeit dargestellt, welcher bei einer Schwellenverletzung um eins inkrementiert wird. Der Zähler kann nur inkrementiert werden, wenn der Zähler in dem dritten Diagramm von oben auf null steht. Nach einer erkannten Schwellenverletzung wird der Zähler im dritten Diagramm von oben auf einen definierten ganzzahligen Wert gesetzt. Für darauffolgende Messpunkte wird der Zähler so lange jeweils um den Wert eins dekrementiert, bis der Wert null wieder erreicht wird. So wird die Fehlerdetektion robuster gegen Messrauschen/-fehler, da derselbe Ausreißer nur einmalig ausgewertet wird und nicht zu einer weiteren Erhöhung des Zählers in der zweiten Abbildung von oben führt. Die Auswertung wird für eine definierte Zeit pausiert. In dem letzten Diagramm, also dem untersten Diagramm, ist der Isolationswächterfehler über die Zeit dargestellt. Zu sehen ist, dass in dem 5. Segment, beim Zeitpunkt 0.581 Sekunden ein Fehler detektiert wurde und somit der Isolationswächter auf „Nicht-OK“ gesetzt wird, da mehr als drei Grenzwert-Verletzungen detektiert wurden (Zähler im zweiten Diagramm von oben erreicht den Wert drei (Wert kann frei festgelegt werden)).
• Zusätzlich kann der Isolationswächter erst auf „Defekt“ gesetzt werden, wenn in einer bestimmten Anzahl von aufeinanderfolgenden Messreihen ein „Nicht-OK“ detektiert wird oder wenn in mehreren Messreihen von einer definierten Anzahl an Messreihen (z.B. 3 von 5) ein „Nicht-OK“ detektiert wird. Dies würde zwar zu einem verzögerten Anzeigen des Defekts führen, jedoch auch verhindern, dass der Isolationswächter z.B. aufgrund einer starken Zwischenkreisspannungsänderung fälschlicherweise als defekt eingestuft wird.
• Die Bildung des Median-Werts und die Verwendung eines Zählers dienen dazu, die Fehlerdetektion robuster gegen Messrauschen/ -fehler zu machen. So wird verhindert, dass der Zustand des Isolationswächters fälschlicherweise auf „fehlerhaft“ gesetzt wird, obwohl kein Fehler vorliegt.
• 5 zeigt Referenzausgangsspannungsdiagramme mit und ohne Toleranzeinflüsse. Es wird angenommen, dass die Isolationswiderstände und -kapazitäten bekannt sind (z.B. aus vorheriger Messung/ Schätzalgorithmus). Somit ist die Referenzspannung in Abhängigkeit der Isolationsimpedanz festgelegt. Das obere Diagramm 19 ist dabei in zwei Graphen eingeteilt. Der obere Graph zeigt Referenz-Ausgangsspannungen mit und ohne Bauteiltoleranzen für unterschiedliche Widerstands- und Kapazitätswerte 20. Das untere Diagramm zeigt eine prozentuale Abweichung der Ausgangsspannungen mit Bauteil-Toleranzen bezogen auf eine Referenzausgangsspannung mit Bauteil-Toleranzen 21. Anhand der Toleranzeinflüsse kann daraufhin wie in dem Diagramm 22 ein Toleranzbereich ermittelt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Isolationswächter

2

Isolationswiderstad R_iso

3

Isolationskapazität C_iso

4

Kreiszwischenspannung V_DCLink

5

Messsignalspannung V_read

6

Anregungsspannungssignal V_s

7

Eingangsspannungsdiagramm

8

Ausgangsspannungsdiagramm

9

nominelle Referenzausgangsspannung

10

Abweichung der Referenzkurve

11

Ausgangsspannungsdiagramm für geöffneten DC-Schalter

12

Ausgangsspannungsdiagramm mit einem Unterbrechungsfehler mit geöffnetem DC-Schalter

13

zweites Ausgangsspannungsdiagramm für geöffneten DC-Schalter

14

Ausgangsspannungsdiagramm mit einem Kurzschluss mit geöffnetem DC-Schalter

15

Detektionsalgorithmus

16

Fehlerdetektion der Messsignalspannung V_read

17

gleitender Medianwert der Fehlerdetektion der Messsignalspannung V_read

18

Toleranzbereich

19

Ausgangsspannungsdiagramm Referenzimpedanz

20

Nominelle Referenzausgangsspannung ohne Bauteil-Toleranzen

21

Nominelle Referenzausgangsspannung mit Bauteil-Toleranzen

22

resultierender Toleranzbereich

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014205918 A1 [0005]

Claims (9)

1. Verfahren zum Erkennen fehlerhafter Bauteile in einem Isolationswächter (1), wobei während des Einsatzes des Isolationswächters (1) zum Ermitteln eines Isolationswiderstandes R_iso (2) die dabei an dem Isolationswächter anliegende Messsignalspannung V_read (5) gemessen wird und mit einem Referenzsignal verglichen wird, wobei in Anhängigkeit von dem Vergleich eine Schlussfolgerung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzsignalbereich unterschiedliche Einflussgrößen berücksichtigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein Referenzspannungssignal, ein Referenzstromsignal oder ein Referenzleistungssignal ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass geschlussfolgert wird, dass ein fehlerhaftes Bauteil vorliegt, wenn die Messsignalspannung V_read (5) von dem Referenzsignal in einem definierten Maße für eine definierte Anzahl an Messpunkten abweicht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der Messsignalspannung V_read (5) von dem Referenzsignal der ermittelte Isolationswiderstand R_iso (2) als ungültig bewertet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch einen Wertekorridor für einen Referenzbereich festgelegt ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzbereich unterschiedliche Einflussgrößen berücksichtigt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines geöffneten oder geschlossen der DC-Schalter durchgeführt werden kann.
9. Detektionsschaltkreis zum Ermitteln fehlerhafter Bauteile eines Isolationswächters (1), eingerichtet um das Verfahren nach einem der bevorstehenden Ansprüche durchzuführen.

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