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DE102023102654A1 - Detection of faulty components in an insulation monitor - Google Patents

Detection of faulty components in an insulation monitor Download PDF

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Publication number
DE102023102654A1
DE102023102654A1 DE102023102654.2A DE102023102654A DE102023102654A1 DE 102023102654 A1 DE102023102654 A1 DE 102023102654A1 DE 102023102654 A DE102023102654 A DE 102023102654A DE 102023102654 A1 DE102023102654 A1 DE 102023102654A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
insulation
signal
insulation monitor
monitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023102654.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Jens Achstetter
Jochen Reith
Martin Sackmann
Matthias Pasewald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority to DE102023102654.2A priority Critical patent/DE102023102654A1/en
Publication of DE102023102654A1 publication Critical patent/DE102023102654A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/025Measuring very high resistances, e.g. isolation resistances, i.e. megohm-meters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • GPHYSICS
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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).The invention relates to a method for detecting faulty components in an insulation monitor (1), wherein during use of the insulation monitor (1) to determine an insulation resistance Riso(2), the measurement signal voltage Vread(5) present at the insulation monitor or at a point on the insulation monitor is measured and compared with a reference signal, wherein a conclusion is drawn depending on the comparison. The invention further relates to a detection circuit for detecting faulty components of an insulation monitor (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen fehlerhafter Bauteile in einem Isolationswächter und einen Detektionsschaltkreis zum Ausführen des Verfahrens.The invention relates to a method for detecting faulty components in an insulation monitor and a detection circuit for carrying out the method.

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).To determine insulation resistance, the high-voltage network in the vehicle is stimulated. The insulation resistance can be estimated from the measured system response. The insulation resistance is determined continuously during operation (e.g. at intervals of 30 seconds each).

Damit die Schätzung des Isolationswiderstands als gültig betrachtet werden kann, muss die ordnungsgemäße Funktion des Isolationswächters bei jeder Messung überprüft werden.In order for the insulation resistance estimate to be considered valid, the proper functioning of the insulation monitor must be checked at each measurement.

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.For this purpose, a so-called self-test is carried out, which checks the individual components of the electronic hardware for errors. Such errors can be, for example, a short circuit or an interruption (open line) in a component.

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.From the state of the art, such as the EN 10 2014 205 918 A1 A method for testing an insulation device is known in which a measuring voltage is applied to the insulation device, whereby a total current curve is measured over a specified measuring period. The total current curve is then compared with a reference current curve.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um die Nachteile der bekannten Lösungen zu reduzieren.It is the object of the present invention to provide an improved method to reduce the disadvantages of the known solutions.

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.This task is solved in a generic method in that, during use of the insulation monitor, the measuring signal voltage applied to the insulation monitor is measured and compared with a reference signal.

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.In other words, the invention relates to a method in which the temporal progression of the output voltage of the electronic circuit measured as part of the estimation of the insulation resistance is compared with a reference voltage. This reference voltage can be determined on the basis of prior knowledge (including previous measurement, previous estimated value of the insulation resistance, nominal component values of the electronic hardware, transfer function of the system behavior) and current system conditions, e.g. intermediate circuit voltage. Since the measured output voltage has a different temporal progression for a faulty component of the electronic hardware than for fault-free hardware, this knowledge can be used to detect component errors. If the deviation of the measured output voltage from the reference voltage is more than a defined value (based on absolute and/or relative deviation), the deviation is recognized by a detection algorithm and the status of the insulation monitor is set to "Not OK". This ensures that a measurement of the insulation resistance is only considered valid if there is no faulty behavior of the electronic hardware. The definition of the limit value at which a deviation is recognized as too large takes several influencing factors into account. As an alternative to voltage, other physical quantities such as current or power can also be used to detect the error in the electronics.

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.There are numerous advantages. By including previous measurements, previous estimates of insulation resistance, nominal component values of the electronic hardware, transfer function of the system behavior, etc., a dynamic and optimized reference value can be determined so that the system response is always tailored to the changing influences.

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.For this purpose, a method is used to detect faulty components in an insulation monitor, whereby while the insulation monitor is being used to determine an insulation resistance R, the measurement signal voltage applied to the insulation monitor is measured and compared with a reference signal. A conclusion is drawn depending on the comparison.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.Advantageous embodiments are claimed in the subclaims and are explained in more detail below.

Vorteilhafterweise berücksichtigt der Referenzsignalbereich unterschiedliche Einflussgrößen wie beispielsweise den Einfluss von Hardwaretoleranzen, Rauschen, Schätzgenauigkeit, Dynamik der Zwischenkreisspannung etc.Advantageously, the reference signal range takes into account different influencing factors such as the influence of hardware tolerances, noise, estimation accuracy, dynamics of the intermediate circuit voltage, 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.Preferably, the reference signal can be designed as a reference voltage signal, reference current signal or reference power signal. Alternatively, other physical quantities such as frequency can be used to detect the error in the electronics. This allows a large selection to be made so that the functionality of the insulation monitor can be measured and evaluated based on a wide range of quantities and influences.

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.Advantageously, it is concluded that a faulty component is present if the measurement signal voltage deviates from the reference signal and/or the reference signal range. This means that if the measurement signal voltage exceeds or falls below a threshold value or a threshold value range, this is determined by the system. The estimated insulation resistance determined by the insulation monitor can then preferably be assessed as invalid.

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.Preferably, the value of the reference signal or the reference signal range is predefined, measured in advance or estimated in advance. This allows the previously explained influencing factors to be included, particularly in the estimation, so that precise functioning of the method for detecting faulty components is ensured. Depending on the selected operating modes, however, it is necessary that the intermediate circuit voltage is included in the measurement or estimation of the reference signal or the reference signal range.

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.Preferably, the reference signal is defined by a value corridor for a reference range. This ensures that even if the measuring resistance deviates atypically, a faulty component is still detected.

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.The method is particularly preferably carried out when the DC switch is open or closed. The way in which the reference signal and in particular the limit value for error detection are determined depends on the switch positions for the high-voltage intermediate circuit and for a reference impedance. The method can thus be carried out with two operating modes. In a first operating mode, the DC switch is open during the self-test and only during the self-test and the reference switch is closed. In this operating mode, the measured output voltage is independent of the value of an insulation impedance arranged in the high-voltage network circuit. Furthermore, the output voltage, i.e. the measurement signal voltage, is independent of the value of an intermediate circuit voltage in the high-voltage network. This means that the reference signal is also independent of the value of the insulation impedance and the intermediate circuit voltage. The reference signal or reference voltage can thus be determined in advance and does not have to be adjusted during operation. The reference limit value set in the first operating mode is therefore only dependent on component values and the component tolerances of the resistors and capacitors installed in the electronic circuit. The second operating mode is characterized by the fact that the DC switch and the reference switch are open (reference components are only designed for low voltage, reference impedance and insulation impedance are connected in parallel when the switch is closed). This means that the measurement signal voltage depends on both the insulation impedances and the intermediate circuit voltage. The reference signal or reference voltage is also dependent on the value of the insulation impedance and the dynamics of the intermediate circuit voltage. The reference voltage must therefore be adjusted during operation. The reference voltage can be determined on the basis of prior knowledge (e.g. previous measurement, previous estimate of the insulation resistance, nominal component values of the electronic hardware, transfer function of the system behavior). This means that the reference limit value is also dependent on the component tolerances of the resistors and capacitors installed in the electronic circuit, on the value of the insulation impedance and its estimation accuracy, and on the dynamics of the intermediate circuit voltage. Alternatively, the following combinations of switch positions can lead to different operating modes. A total of four operating modes exist, including the first operating mode: DC switch open, reference impedance open, second operating mode: DC switch open, reference impedance closed, third operating mode: DC switch closed, reference impedance open, fourth operating mode: DC switch closed, reference impedance closed. Certain faulty components can only be detected with certain combinations of switch positions. In order to be able to detect all faulty components, it is advantageous if all switch positions and operating modes are taken into account during the process. Nevertheless, it is of course important that the invention is not restricted to this.

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.The invention also relates to a detection circuit for detecting faulty components of an insulation monitor, which is designed to carry out the method for detecting component faults in the insulation monitor circuit. It should be understood that the detection circuit can be used, but does not have to be used. A combination of switch positions is preferred/necessary in order to be able to make a statement for all components of the circuit as to whether a component is faulty or not. It is therefore important that the combination of switch positions is taken into account in order to be able to make a statement for all components of the circuit as to whether the component is faulty or not.

Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the help of a drawing.

Es zeigen:

  • 1 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Isolationswächters;
  • 2 ein Diagramm des Anregungsspannungssignals Vs und der Messsignalspannung Vread;
  • 3 Ausgangsspannungsdiagramme eines Widerstands Riso 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.
Show it:
  • 1 an equivalent circuit diagram of an insulation monitor according to the invention;
  • 2 a diagram of the excitation voltage signal V s and the measurement signal voltage V read ;
  • 3 Output voltage diagrams of a resistor R iso for an open DC switch in the high voltage power supply;
  • 4 a graphical representation of a detection algorithm; and
  • 5 Reference output voltage diagrams with and without tolerance influences as well as the resulting tolerance range of the reference voltage.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.The figures are merely schematic in nature and serve only to understand the invention. The same elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Isolationswächters 1 mit zwei daran gekoppelten Isolationsimpedanzen. Diese weisen jeweils einen Isolationswiderstand Riso 2 parallel zu einer Isolationskapazität Ciso 3 auf. Die Werte der Isolationsimpedanzen (Riso+, Ciso+) und (Riso-, Ciso-) 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 VDCLink 4 ermittelt. Zwischen zwei Widerständen des Isolationswächters 1, wird die Messsignalspannung Vread 5 ermittelt. 1 shows an equivalent circuit diagram of an insulation monitor 1 according to the invention with two insulation impedances coupled to it. These each have an insulation resistance R iso 2 parallel to an insulation capacitance C iso 3 . The values of the insulation impedances (R iso+ , C iso+ ) and (R iso- , C iso- ) are generally different from one another and independent of one another. A voltage source arranged in the insulation monitor 1 outputs the excitation voltage signal Vs 6 , e.g. a square wave signal, which excites the insulation monitor 1 and the insulation impedances. The intermediate circuit voltage V DCLink 4 is determined at the electrical connection between the insulation monitor 1 and the insulation impedances. The measurement signal voltage V read 5 is determined between two resistors of the insulation monitor 1.

2 zeigt ein Diagramm des Anregungsspannungssignals Vs 6 und der Messsignalspannung Vread 5. In dem oberen Diagramm 7 ist das Anregungsspannungssignal Vs 6 dargestellt. Es wird ersichtlich, dass das Anregungsspannungssignals Vs 6 eine Rechteckfunktion aufweist und periodisch verläuft. Das untere Diagramm 8 zeigt die Messsignalspannung Vread 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. 2 shows a diagram of the excitation voltage signal V s 6 and the measurement signal voltage V read 5. The upper diagram 7 shows the excitation voltage signal V s 6. It can be seen that the excitation voltage signal V s 6 has a square wave function and is periodic. The lower diagram 8 shows the measurement signal voltage V read 5, where a nominal reference output voltage without component tolerances 9 and a range of deviation of the reference curve 10 for a variation of the components within the specified tolerances can be seen. All components of the electronic circuit of the insulation monitor 1 have tolerances due to manufacturing.

3 zeigt Ausgangsspannungsdiagramme eines Widerstands Riso 2 für einen geöffneten DC-Schalter im Hochspannungsnetzteil. Dabei zeigt das Diagramm 11 ein Ausgangsspannungsdiagramm bei einer Unterbrechung des Widerstandes Riso 2 mit geöffnetem DC-Schalter, Diagramm 12 die relative Abweichung in Prozent der Ausgangsspannung bei Unterbrechung des Widerstands Riso 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 Riso 2 mit einem geöffneten DC-Schalter und die relative Abweichung in Prozent der Ausgangsspannung bei Kurzschluss des Widerstands Riso 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 Riso 2 in diesem Beispiel sicher möglich. Für Fehler anderer Bauteile funktioniert die Detektion analog. 3 shows output voltage diagrams of a resistor R iso 2 for an open DC switch in the high-voltage power supply. Diagram 11 shows an output voltage diagram when the resistor R iso 2 is interrupted with the DC switch open, Diagram 12 shows the relative deviation in percent of the output voltage when the resistor R iso 2 is interrupted in relation to the reference output voltage where there is no error, for various component tolerances of the insulation monitor hardware, the an output voltage diagram for a short circuit of the resistor R iso 2 with an open DC switch and the relative deviation in percent of the output voltage in the event of a short circuit of the resistor R iso 2 in relation to the reference output voltage at which no error is present, with the DC switch f open for various component tolerances of the insulation monitor hardware. Since a defined minimum number of measuring points lie outside the defined tolerance bands for all possible component tolerance combinations, the detection of the fault cases interruption and short circuit of the resistor R iso 2 is reliably possible in this example. The detection works analogously for faults in other components.

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 Vread 5 in welchem ein Fehlerdetektionsgraph der Messsignalspannung Vread 17, ein gleitender Medianwertgraph der Fehlerdetektion der Messsignalspannung Vread 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)).An algorithm is used to output a faulty circuit of the insulation monitor hardware in the software. For example, the median value is formed from a defined number of measuring points, e.g. the relative deviation of the output voltage (the same applies to absolute deviation) and compared with the defined limit curves. If a violation of the limit curves is detected, an internal counter is incremented. This process takes place continuously with each measurement process. If the internal counter reaches a defined value, the state of the insulation monitor is set to "faulty". This process is an example of the 4 which shows the detection algorithm. 4 show the an enlarged section of the detection algorithm. The diagram shows, from top to bottom: error detection of the measurement signal voltage V read 5 in which an error detection graph of the measurement signal voltage V read 17, a moving median value graph of the error detection of the measurement signal voltage V read 17 and a tolerance range 18 are shown. The second diagram from the top shows a counter over time which is incremented by one when a threshold is violated. The counter can only be incremented if the counter in the third diagram from the top is at zero. After a threshold violation is detected, the counter in the third diagram from the top is set to a defined integer value. For subsequent measurement points, the counter is decremented by one until the value zero is reached again. This makes error detection more robust against measurement noise/errors, since the same outlier is only evaluated once and does not lead to a further increase in the counter in the second figure from the top. The evaluation is paused for a defined time. In the last diagram, i.e. the In the bottom diagram, the insulation monitor error is shown over time. It can be seen that in the 5th segment, at time 0.581 seconds, an error was detected and the insulation monitor is therefore set to "Not OK" because more than three limit value violations were detected (counter in the second diagram from the top reaches the value three (value can be freely set)).

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.In addition, the insulation monitor can only be set to "defective" if a "not OK" is detected in a certain number of consecutive measurement series or if a "not OK" is detected in several measurement series from a defined number of measurement series (e.g. 3 out of 5). This would lead to a delayed indication of the defect, but would also prevent the insulation monitor from being incorrectly classified as defective, for example due to a strong change in the intermediate circuit voltage.

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.The formation of the median value and the use of a counter serve to make the fault detection more robust against measurement noise/errors. This prevents the state of the insulation monitor from being falsely set to "faulty" even though no fault is present.

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. 5 shows reference output voltage diagrams with and without tolerance influences. It is assumed that the insulation resistances and capacitances are known (e.g. from previous measurements/estimation algorithms). The reference voltage is thus determined depending on the insulation impedance. The upper diagram 19 is divided into two graphs. The upper graph shows reference output voltages with and without component tolerances for different resistance and capacitance values 20. The lower diagram shows a percentage deviation of the output voltages with component tolerances related to a reference output voltage with component tolerances 21. A tolerance range can then be determined based on the tolerance influences as in diagram 22.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
IsolationswächterInsulation monitor
22
Isolationswiderstad Riso Insulation resistance R iso
33
Isolationskapazität Ciso Insulation capacity C iso
44
Kreiszwischenspannung VDCLink Intermediate circuit voltage V DCLink
55
Messsignalspannung Vread Measuring signal voltage V read
66
Anregungsspannungssignal Vs Excitation voltage signal V s
77
EingangsspannungsdiagrammInput voltage diagram
88th
AusgangsspannungsdiagrammOutput voltage diagram
99
nominelle Referenzausgangsspannungnominal reference output voltage
1010
Abweichung der ReferenzkurveDeviation of the reference curve
1111
Ausgangsspannungsdiagramm für geöffneten DC-SchalterOutput voltage diagram for open DC switch
1212
Ausgangsspannungsdiagramm mit einem Unterbrechungsfehler mit geöffnetem DC-SchalterOutput voltage diagram with an open circuit fault with DC switch open
1313
zweites Ausgangsspannungsdiagramm für geöffneten DC-Schaltersecond output voltage diagram for open DC switch
1414
Ausgangsspannungsdiagramm mit einem Kurzschluss mit geöffnetem DC-SchalterOutput voltage diagram with a short circuit with DC switch open
1515
DetektionsalgorithmusDetection algorithm
1616
Fehlerdetektion der Messsignalspannung Vread Error detection of the measuring signal voltage V read
1717
gleitender Medianwert der Fehlerdetektion der Messsignalspannung Vread moving median value of the error detection of the measuring signal voltage V read
1818
ToleranzbereichTolerance range
1919
Ausgangsspannungsdiagramm ReferenzimpedanzOutput voltage diagram reference impedance
2020
Nominelle Referenzausgangsspannung ohne Bauteil-ToleranzenNominal reference output voltage without component tolerances
2121
Nominelle Referenzausgangsspannung mit Bauteil-ToleranzenNominal reference output voltage with component tolerances
2222
resultierender Toleranzbereichresulting tolerance range

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014205918 A1 [0005]DE 102014205918 A1 [0005]

Claims (9)

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 anliegende Messsignalspannung Vread (5) gemessen wird und mit einem Referenzsignal verglichen wird, wobei in Anhängigkeit von dem Vergleich eine Schlussfolgerung durchgeführt wird.Method for detecting faulty components in an insulation monitor (1), wherein during use of the insulation monitor (1) to determine an insulation resistance R iso (2), the measurement signal voltage V read (5) applied to the insulation monitor is measured and compared with a reference signal, wherein a conclusion is drawn depending on the comparison. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzsignalbereich unterschiedliche Einflussgrößen berücksichtigt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the reference signal range takes into account different influencing factors. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal ein Referenzspannungssignal, ein Referenzstromsignal oder ein Referenzleistungssignal ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the reference signal is a reference voltage signal, a reference current signal or a reference power signal. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass geschlussfolgert wird, dass ein fehlerhaftes Bauteil vorliegt, wenn die Messsignalspannung Vread (5) von dem Referenzsignal in einem definierten Maße für eine definierte Anzahl an Messpunkten abweicht.Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that it is concluded that a faulty component is present if the measuring signal voltage V read (5) deviates from the reference signal to a defined extent for a defined number of measuring points. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der Messsignalspannung Vread (5) von dem Referenzsignal der ermittelte Isolationswiderstand Riso (2) als ungültig bewertet wird.Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that if the measuring signal voltage V read (5) deviates from the reference signal, the determined insulation resistance R iso (2) is evaluated as invalid. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch einen Wertekorridor für einen Referenzbereich festgelegt ist.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the reference signal is defined by a value corridor for a reference range. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzbereich unterschiedliche Einflussgrößen berücksichtigt.Method according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the reference range takes into account different influencing factors. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines geöffneten oder geschlossen der DC-Schalter durchgeführt werden kann.Procedure according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the method can be carried out while the DC switch is open or closed. Detektionsschaltkreis zum Ermitteln fehlerhafter Bauteile eines Isolationswächters (1), eingerichtet um das Verfahren nach einem der bevorstehenden Ansprüche durchzuführen.Detection circuit for determining faulty components of an insulation monitor (1), arranged to carry out the method according to one of the preceding claims.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1921457A1 (en) 2005-08-29 2008-05-14 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Insulation resistance degradation detector and failure self-diagnostic method for insulation resistance degradation detector
US20100315096A1 (en) 2009-06-10 2010-12-16 Susumu Yamamoto Insulation resistance detecting apparatus
DE102014205918A1 (en) 2014-03-31 2015-10-01 Robert Bosch Gmbh Method for testing an isolation device

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