WO2006058824A2 - Elektrischer traktionsantrieb für fahrzeug mit fehlerstromschutz im gleichspannungszwischenkreis - Google Patents

Elektrischer traktionsantrieb für fahrzeug mit fehlerstromschutz im gleichspannungszwischenkreis Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a vehicle electrical system with higher voltage according to the preamble of the main claim.
  • it comprises a fault current protection circuit and is used in a vehicle electrical system.
  • FIG. 1 An example of such fault current monitoring in vehicles, which is used in particular in such vehicle electrical systems in which electrical voltages are present, which can be life-threatening to the human body when touched, with voltages greater than 65 volts, is shown in FIG. According to this example for the
  • a residual current protection circuit is a generator 1, for example, a three-phase generator for generating voltage available.
  • the output voltage of the generator or the alternator is rectified by means of an inverter 2 and via lines 3 and 4 and a switch 5 of the battery. 6 fed.
  • the inverter 2 is designed for three phases bridge circuit with, for example, six PWM inverters.
  • the current flowing in the lines 3, 4 current is measured in a current measuring device, wherein for current measurement, for example, a current transformer 7 is used, which determines the differential current.
  • a control device 8 evaluates the measured current and disconnects the switch 5 if the measured differential current exceeds predeterminable values. The switching process is triggered by corresponding control signals that are generated by the control device 8.
  • the electrical system according to FIG. 1 can also be designed as a partial on-board network of a two-voltage on-board electrical system, for example as a high-voltage side of a two-voltage on-board electrical system.
  • the connection to the low voltage part is then made via a DC-DC converter, which is connected to the generator, for example.
  • An example of such a two-voltage electrical system is described in DE 41 38 943 C1.
  • the DC-DC converter 26, which is arranged between the two partial on-board networks, is part of a complicated charging / disconnecting module that is supplied as a function of power
  • the connection between the two sub-board networks interrupts and thus prevents repercussions from one electrical system to another in the event of a fault.
  • the first sub-board network includes a generator 27, a battery 28 and consumer 29, the second sub-board network, a battery 30 and consumer 31, for example, a starter. In both sub-board networks, the negative pole of the batteries 28 and 30 is grounded.
  • the parenthesized reference numerals will be explained in conjunction with FIGS. 3 and 4, respectively.
  • a fault current detection is difficult to implement in such a vehicle electrical system. In electrical home installations today so-called residual current circuit breakers are installed, which provide increased safety against dangerous electric shock.
  • Such residual current circuit breakers which are also referred to as RCD, always trigger when a connection between the neutral and the protective conductor is made. By switching off the power behind the circuit breaker part of the circuit hazards are avoided.
  • Known residual current protective devices are designed so that they require only a low tripping current for tripping and have a relatively short switch-off time.
  • the vehicle electrical system according to the invention with a higher voltage with a residual current circuit having the features of claim 1 has the advantage that a residual current cutoff is realized without current measurement, which is particularly useful in a vehicle electrical system and particularly advantageous in one
  • Vehicle electrical system with a subarea, which is at a higher voltage, can be used.
  • a particular advantage is that only by evaluating the measured voltage drop across the two resistors, ie without further measuring device or without further sensors, an over- and / or a
  • the response threshold at which the evaluation logic emits a switch-off signal or a drive signal can advantageously be adjusted to any desired fault currents, advantageously such a limit value is less than 30 mA.
  • the shutdown can be done very quickly.
  • an advantageous coupling of the two sub-systems is possible, which ensures that in the event of a fault on the high-voltage side, ie in the sub-board network, which is at the higher voltage, the high-voltage side is forced hard to ground.
  • This advantage is achieved by connecting the two electrical systems coupled via a DC-DC converter by means of a parallel to the DC-DC converter switching element, the switching element preferably monitors the voltage between the negative high voltage terminal of the DC-DC converter and the electrical system and keeps this within certain limits.
  • the switching element is a voltage-dependent resistor, a Zener diode or a switching element which is controlled by the voltage difference between the negative voltage terminal and ground.
  • this circuit which is not the FI circuit, it can be ensured that the maximum permissible insulation voltage between high voltage and low voltage range is not exceeded, or with such a circuit, the system can be designed for a significantly lower isolation voltage and thus a Protection of the electrical system components or components are obtained.
  • FIG. 1 shows a known and currently conventional residual current protection circuit
  • FIG. 2 shows a known two-voltage on-board electrical system. Both known circuits are described in detail in the section "prior art”.
  • FIG. 3 shows a block diagram for an electrical system with a residual-current-protection circuit according to the invention and FIG. 4 shows the possibility of connecting two partial-voltage systems located at different voltage levels. The explanation of the circuit shown in Figure 3 and Figure 4 is given in the following description. description
  • FIG. 3 shows a vehicle electrical system or a sub-electrical system with an electric machine 10, for example a three-phase starter-generator 10 or an electric machine for a hybrid on-board network, which is connected to an inverter 11 in the usual way , From the inverter 11, which is constructed as a bridge circuit with, for example, six pulse inverters, lead two lines 12, 13 via a switch 14 to the battery 15. About these connecting lines between the battery 15 and the inverter 11 and the electric machine 10 is in normal regenerative operation the electric machine 10, the battery 15 is charged. If a starter-generator is used as the electric machine 10, the electric machine can operate as a starter in the starting case, that is to say as an electric motor and be supplied with electrical power via the inverter 11 from the battery 15.
  • an electric machine 10 for example a three-phase starter-generator 10 or an electric machine for a hybrid on-board network
  • a parallel connection of a resistor 16, a capacitor 17 and a voltmeter 18 is provided in the embodiment of Figure 3.
  • a resistor 19 Between the line 13 and ground are a resistor 19, a capacitor 20 and a
  • Voltmeter 21 connected in parallel.
  • the two capacitors 17 and 20 are not essential.
  • Both the voltmeter 18, which measures the voltage drop across the resistor 16 and the voltmeter 21, which determines the voltage drop across the resistor 19, are connected to the evaluation logic 24 and provide the latter with the measured variables which are to be evaluated.
  • the associated connections between the voltmeters 18 and 21 are indicated at 22 and 23, respectively.
  • the evaluation logic 24 detects a fault current by evaluating the voltages, it sends control signals to the switch 14 via a connection 25 and actuates the latter and disconnects the battery. This will be the electrical system de-energized.
  • both connecting lines 12, 13 between the battery 15 and the inverter 11 and the connected to the inverter 11 generator 10 is interrupted and ensures residual current protection.
  • the exemplary embodiment according to the invention according to FIG. 3 is characterized in that a fault current cut-off is possible which requires no current measurement. It is essential that high-voltage lines in the electrical system can be on which are much higher voltages than 12 volts. In a vehicle electrical system for a hybrid vehicle, the voltage on the high-voltage side is, for example, 65 volts and more, but under certain conditions significantly higher voltages of up to 288 volts may be present. Under these conditions protection by means of FI wiring is absolutely necessary. In a 12/42 vehicle electrical system such protection may also be appropriate.
  • both connecting lines 12, 13 are connected via at least one high-resistance resistor 16 and 19 to ground.
  • Voltmeter 18 and 21 measured voltages changes and thus the fault current is detected.
  • the two measured voltages for example, the evaluation logic 24 are supplied and the fault current detection in the evaluation logic 24 are performed.
  • One way of error detection is, for example, by comparing the determined
  • the vehicle electrical system shown in FIG. 3 can also be a high-voltage network of a vehicle located at an elevated voltage of, for example, 288 volts relative to the usual vehicle electrical system voltage of 12 volts, which is connected to the usual vehicle electrical system, for example via a voltage converter.
  • the high-voltage network has in the embodiment shown in Figure 3 no low-impedance connection to the vehicle ground.
  • the high-resistance resistors 16 and 19 and the capacitors 17, 20 are provided. If these are the same in pairs, the net is kept symmetrical to the vehicle mass. It is essential that the values of the resistors are so high that no significant loss caused by the resistors, so there is no relevant current from the
  • the evaluation logic 24 which detects the fault current from the comparison of the two voltages can be set to almost any fault current, usually to a fault current of less than 30 milliamps (mA). When the set fault current is reached, the evaluation logic 24 outputs a corresponding signal to the switch 15 and opens it.
  • the high-voltage system In a vehicle with a two-voltage electrical system should, if no other protective measures are taken, for safety reasons, the high-voltage system must be potential-free to earth, for example to the housing and additionally designed touch-safe. This means that a potential separation between the high voltage and the low voltage electrical system must be ensured. this applies especially since in the low voltage electrical system with a nominal voltage of usually 12 volts, the vehicle body is the negative pole.
  • the high voltage electrical system which is for example up to 288 volts and possibly more, very high impedance connected to the body potential, so that the voltage potentials can not drift arbitrarily.
  • This voltage connection is obtained by the symmetry resistors 16, 19 and / or the capacitors 17, 20. Assuming these facts, it can be seen from the two measured voltages or voltage drops across the resistors 17, 19 by comparing the voltages with each other whether the overall system is in order.
  • the ratio of the resistance values of the resistors 16 and 19 will be the same as the ratio of the two measured voltages.
  • the resistor voltage divider warps accordingly as through the two resistors 16, 19 different currents flow.
  • the then adjusting change in the ratio of the two voltage drops can be detected in the evaluation logic 8 and a response to be triggered.
  • This reaction may consist, for example, in the shutdown of the high voltage. Such a reaction is triggered, for example, when the displacement of the voltage divider reaches predeterminable values. These values can again be selected relatively freely.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the two-voltage on-board electrical system according to FIG. 2, in which the coupling of the two subnetworks is implemented via the DC-DC converter 32.
  • the first part of the electrical system includes a generator 33 including the inverter, not shown separately, a battery 34 and consumer 35, the second electrical system a battery 36 and consumer 37th Das
  • Low voltage electrical system (12 / 14V) is grounded with the negative pole of batteries 36 grounded.
  • the high voltage electrical system is, however, connected as a controlled floating traction network, for coupling to the low voltage electrical system in addition to the DC converter 32 is still a switching element 38 is parallel to the DC-DC converter and this switching element is a voltage-dependent switching element, the voltage between the negative High-voltage connection (B-) and the wiring material monitored and keeps within certain limits.
  • the function of the parallel to the DC-DC converter 32 switching element 38 in its embodiments is the following: Once the reference potential of
  • an active switching element instead of a Zener diode or a voltage-dependent resistor.
  • One possible embodiment shows 38c.
  • Such a switching element 39 must at least consist of a unit for measuring voltage and a switch.
  • a network of coil, capacitor and resistor can be provided and placed in front of the switch. In the event of a fault, the switch can be closed and the high voltage side can be grounded.

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Abstract

Es wird eine Fehlerstromschutzschaltung angegeben, die vorzugsweise in einem Fahrzeugbordnetz, insbesondere einem Mehrspannungsbordnetz hochspannungsseitig eingebaut ist und ohne Strommessung arbeitet. Der Fehlerstrom wird in einer Auswertelogik durch Auswertung zweier Spannungen ermittelt. Diese beiden Spannungen sind Spannungen, die an zwei hochohmigen Widerständen abfallen, die jeweils zwischen einer Verbindung zwischen der Batterie und dem Generator und Masse liegen. Erkennt die Auswertelogik einen Fehlerstrom, trennt sie beide Verbindungen zwischen der Batterie und dem Generator bzw. dem Bordnetz auf. Ergänzend kann im Zusammenhang mit einem Zweispannungsbordnetz mit zwei über einen Gleichspannungswandler verbundenen Teilbordnetzen eine Parallelschaltung einer spannungsabhängigen Schaltung zum Gleichspannungswandler vorgesehen werden, mit der im Fehlerfall die Hochspannungsseite auf Masse gezogen wird.

Description

Bordnetz mit höherer Spannung
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz mit höherer Spannung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es umfasst insbesondere eine Fehlerstromschutzschaltung und wird in einem Fahrzeugbordnetz eingesetzt.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass in elektrischen Schaltungen, die für höhere Spannungen geeignet sind, eine Schutzschaltung eingebaut wird, die bei versehentlichen Berührungen der spannungsführenden Bereiche der Schaltung anspricht und den üblicherweise vorhandenen Energiespeicher vom restlichen Netz abtrennt. Zugehörige Fehlerstromüberwachungen arbeiten üblicherweise mit einem Stromwandler, der auftretende Fehlerströme misst. Dabei werden alle stromführenden Leiter durch den Stromwandler geführt und es wird der Differenzstrom gemessen. Ist dieser ungleich null, wird der Schutzschalter bzw. werden die Schutzschalter geöffnet.
Ein Beispiel für eine solche Fehlerstromüberwachung in Fahrzeugen, die insbesondere in solchen Fahrzeugbordnetzen eingesetzt wird, in denen elektrische Spannungen vorhanden sind, die bei Berührung für den menschlichen Körper lebensgefährlich sein können, mit Spannungen größer 65 Volt, ist in der Figur 1 dargestellt. Gemäß diesem Beispiel für den
Einsatz einer Fehlerstromschutzschaltung ist ein Generator 1, beispielsweise ein Drehstromgenerator zur Spannungserzeugung vorhanden. Die Ausgangsspannung des Generators bzw. des Drehstromgenerators wird mit Hilfe eines Wechselrichters 2 gleichgerichtet und über Leitungen 3 und 4 sowie einen Schalter 5 der Batterie 6 zugeführt. Der Wechselrichter 2 ist dabei eine für drei Phasen ausgelegte Brückenschaltung mit beispielsweise sechs Pulswechselrichtern.
Der in den Leitungen 3, 4 fließende Strom wird in einer Strommesseinrichtung gemessen, wobei zur Strommessung beispielsweise ein Stromwandler 7 eingesetzt wird, der den Differenzstrom ermittelt. Eine Steuereinrichtung 8 wertet den gemessenen Strom aus und trennt den Schalter 5 auf, sofern der gemessene Differenzstrom vorgebbare Werte überschreitet. Der Schaltvorgang wird dabei durch entsprechende Ansteuersignale, die von der Steuereinrichtung 8 generiert werden, ausgelöst.
Da alle stromführenden Leiter durch den Stromwandler 7 geführt werden müssen, wird ein relativ großer und teurer Stromwandler benötigt. Außerdem ist der Bauraum für den Stromwandler von der Lage her wenig flexibel, da er so angeordnet werden muss, dass alle stromführenden Leiter erfasst werden. Die Fehlerstromabschaltung nach Auswertung der Ausgangssignale eines Summenstromwandlers bzw. eines Durchflusswandlers ist demzufolge recht aufwändig.
Das Bordnetz nach Figur 1 kann auch als Teilbordnetz eines Zweispannungsbordnetzes ausgebildet sein, beispielsweise als Hochspannungsseite eines Zweispannungsbordnetzes. Die Verbindung zum Niederspannungsteil wird dann über einen Gleichspannungswandler hergestellt, der beispielsweise an den Generator angeschlossen ist. Ein Beispiel für ein solches Zweispannungsbordnetz wird in der DE 41 38 943 Cl beschrieben. Bei diesem bekannten Zweispannungsbordnetz, das schematisch in Figur 2 dargestellt ist, ist der zwischen den beiden Teilbordnetzen angeordnete Gleichspannungswandler 26 Bestandteil eines komplizierten Lade-/Trennmoduls, das abhängig von zugeführten
Signalen, beispielsweise abhängig von gemessenen Strömen die Verbindung zwischen den beiden Teilbordnetzen unterbricht und so im Fehlerfall Rückwirkungen von einem Teilbordnetz ins andere verhindert. Das erste Teilbordnetz umfasst dabei einen Generator 27, eine Batterie 28 sowie Verbraucher 29, das zweite Teilbordnetz eine Batterie 30 sowie Verbraucher 31, beispielsweise einen Starter. Bei beiden Teilbordnetzen ist der negative Pol der Batterien 28 bzw. 30 auf Masse gelegt. Die in Klammer gesetzten Bezugszeichen werden in Verbindung mit Figur 3 bzw. 4 erläutert. Eine Fehlerstromerkennung ist bei einem derartigen Bordnetz nur schwer zu realisieren. Bei elektrischen Hausinstallationen werden heute sogenannte Fehlerstrom-Schutzschalter eingebaut, die für erhöhte Sicherheit gegen gefährliche Stromschläge sorgen. Solche Fehlerstrom-Schutzschalter, die auch als FI-Schalter bezeichnet werden, lösen immer dann aus, wenn eine Verbindung zwischen dem Null- und dem Schutzleiter hergestellt wird. Durch Abschaltung des hinter dem Schutzschalter liegenden Teil des Stromkreises werden Gefahren vermieden. Bekannte Fehlerstrom- Schutzeinrichtungen sind so ausgelegt, dass sie zur Auslösung nur einen niedrigen Auslösestrom benötigen und eine relativ kurze Abschaltzeit aufweisen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Bordnetz mit höherer Spannung mit einer Fehlerstromschutzschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Fehlerstromabschaltung ohne Strommessung realisiert wird, die insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz einsetzbar ist und besonders vorteilhaft in einem
Fahrzeugbordnetz mit einem Teilbereich, der auf höherer Spannung liegt, einsetzbar ist.
Erzielt werden diese Vorteile durch eine Schaltung, bei der beide Verbindungsleitungen zwischen der Batterie und dem Wechselrichter bzw. dem mit dem Wechselrichter verbundenen Generator über mindestens je einen hochohmigen Widerstand gegen Masse verschaltet sind und die über diesen beiden Widerständen abfallende Spannung gemessen wird. Mit Hilfe einer Auswertelogik werden die beiden Spannungen auf einen Fehlerstrom überprüft und im Fehlerfall, also bei erkanntem Fehlerstrom werden beide Leitungen mit Hilfe eines von der Auswertelogik erzeugten Abschaltsignals, das zugehörigen Schaltern zugeführt wird, aufgetrennt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass allein durch Auswertung des gemessenen Spannungsabfalls an den beiden Widerständen, also ohne weitere Messeinrichtung bzw. ohne weitere Sensoren eine Über- und/oder eine
Unterspannungsüberwachung durchgeführt werden kann. Damit schnelle Laständerungen nicht zu Potentialverschiebungen führen, können zusätzlich Kondensatoren parallel zu den beiden Widerständen geschaltet werden. Mit Hilfe einer Plausibilitätskontrolle, also eines Vergleichs der beiden Messspannungen kann in vorteilhafter Weise zwischen einem Lastwechsel und auftretenden Fehlerströmen unterschieden werden. - A -
Die Ansprechschwelle, bei der die Auswertelogik ein Abschaltsignal bzw. ein Ansteuersignal abgibt, kann in vorteilhafter Weise aufweitgehend beliebige Fehlerströme eingestellt werden, in vorteilhafter Weise liegt ein solcher Grenzwert bei weniger als 30 mA. Die Abschaltung kann dabei sehr schnell erfolgen.
In Ausgestaltung eines Bordnetzes mit höherer Spannung als Zweispannungsbordnetz ist eine vorteilhafte Kopplung der beiden Teilbordnetze möglich, die sicherstellt, dass im Fehlerfall auf der Hochspannungsseite, also in dem Teilbordnetz, das auf der höheren Spannung liegt, die Hochspannungsseite hart auf Masse gezwungen wird. Erzielt wird dieser Vorteil, indem die beiden über einen Gleichspannungswandler gekoppelten Bordnetze mittels eines parallel zum Gleichspannungswandler liegenden Schaltelement verbunden sind, wobei das Schaltelement die Spannung vorzugsweise zwischen dem negativen Hochspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers und der Bordnetzmasse überwacht und diese in bestimmten Grenzen hält. In vorteilhafter Weise ist das Schaltelement ein spannungsabhängiger Widerstand, eine Zenerdiode oder ein Schaltelement, das durch die Spannungsdifferenz zwischen dem negativen Spannungsanschluss und Masse gesteuert wird.
Mit dieser Schaltung, die die zwar keine FI-Beschaltung darstellt, kann sichergestellt werden, dass die maximal zulässige Isolationsspannung zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsbereich nicht überschritten wird, bzw. mit solche einer Beschaltung kann das System auf eine deutlich niedrigere Isolationsspannung ausgelegt werden und somit ein Schutz der Bordnetzkomponenten bzw. Bauteile erhalten werden.
Zeichnung
In der Figur 1 ist eine bekannte und derzeit übliche Fehlerstromschutzschaltung dargestellt und Figur 2 zeigt ein bekanntes Zweispannungsbordnetz. Beide bekannten Schaltungen werden im Abschnitt "Stand der Technik" näher beschrieben. Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm für ein Bordnetz mit einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschaltung und Figur 4 Möglichkeit der Verbindung zweier auf unterschiedlicher Spannung liegender Teilbordnetze. Die Erläuterung der in Figur 3 und Figur 4 dargestellten Schaltung erfolgt in der nachfolgenden Beschreibung. Beschreibung
In Figur 3 sind die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten eines Fahrzeugbordnetzes oder eines Teilbordnetzes, vorzugsweise des
Hochspannungsteilbordnetzes zusammen mit einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzschaltung dargestellt.
Im einzelnen zeigt Figur 3 ein Bordnetz bzw. ein Teilbordnetz mit einer elektrischen Maschine 10, beispielsweise einem Drei-Phasen-Starter-Generator 10 oder einer elektrischen Maschine für ein Hybridbordnetz, der, bzw. die in üblicher Weise mit einem Wechselrichter 11 in Verbindung steht. Vom Wechselrichter 11, der als Brückenschaltung mit beispielsweise sechs Pulswechselrichtern aufgebaut ist, führen zwei Leitungen 12, 13 über einen Schalter 14 zur Batterie 15. Über diese Verbindungsleitungen zwischen der Batterie 15 und dem Wechselrichter 11 bzw. der elektrischen Maschine 10 wird im normalen generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 10 die Batterie 15 geladen. Falls als elektrische Maschine 10 ein Starter- Generator eingesetzt wird, kann im Startfall die elektrische Maschine als Starter arbeiten, also als elektrischer Motor und über den Wechselrichter 11 aus der Batterie 15 mit elektrischer Leistung versorgt werden.
Zwischen der Leitung 12 und Masse, insbesondere Fahrzeug- oder Karosseriemasse 40 ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 eine Parallelschaltung aus einem Widerstand 16, einem Kondensator 17 und einem Spannungsmesser 18 vorgesehen. Zwischen der Leitung 13 und Masse sind ein Widerstand 19, ein Kondensator 20 und ein
Spannungsmesser 21 parallel geschaltet. Die beiden Kondensatoren 17 und 20 sind dabei nicht unbedingt erforderlich.
Sowohl der Spannungsmesser 18, der den Spannungsabfall am Widerstand 16 misst als auch der Spannungsmesser 21 der den Spannungsabfall am Widerstand 19 bestimmt, sind mit der Auswertelogik 24 verbunden und liefern dieser die Messgrößen, die ausgewertet werden sollen. Die zugehörigen Verbindungen zwischen den Spannungsmessern 18 bzw. 21 sind mit 22 und 23 bezeichnet. Stellt die Auswertelogik 24 durch Auswertung der Spannungen einen Fehlerstrom fest, gibt sie über eine Verbindung 25 Steuersignale an den Schalter 14 und betätigt diesen und trennt die Batterie ab. Dadurch wird das Bordnetz spannungsfrei geschaltet. Bei Erreichen vorgebbarer Bedingungen, die auf einen Fehler schließen lassen, werden also beide Verbindungsleitungen 12, 13 zwischen der Batterie 15 und dem Wechselrichter 11 bzw. dem an den Wechselrichter 11 angeschlossenen Generator 10 unterbrochen und ein Fehlerstromschutz gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel nach Figur 3 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Fehlerstromabschaltung möglich ist, die ohne Strommessung auskommt. Wesentlich ist, dass auch Hochspannungsleitungen im Bordnetz sein können, an denen wesentlich höhere Spannungen als 12 Volt liegen. In einem Bordnetz für ein Hybridfahrzeug liegt die Spannung auf der Hochspannungsseite dabei beispielsweise auf 65 Volt und mehr, wobei aber bei bestimmten Bedingungen auch wesentlich höhere Spannungen von bis zu 288 Volt anliegen können. Unter diesen Bedingungen ist ein Schutz mittels FI- Beschaltung unbedingt erforderlich. In einem 12/42-Bordnetz kann ein solcher Schutz ebenfalls zweckmäßig sein.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind beide Verbindungsleitungen 12, 13 sind über mindestens einen hochohmigen Widerstand 16 und 19 gegen Masse verschaltet. Dadurch entsteht ein Spannungsteiler, der das Massepotential 40 zwischen die Potentiale der Leitungen 12 und 13 legt. Fließt nun ein Fehlerstrom von der Leitung 12 oder der Leitung 13 nach Masse 40 ab, "verzieht" sich der Spannungsteiler, das Verhältnis der mittels der
Spannungsmesser 18 und 21 gemessenen Spannungen ändert sich und somit ist der Fehlerstrom erkannt. Zur Fehlerstromerkennung können die beiden gemessenen Spannungen beispielsweise der Auswertelogik 24 zugeführt werden und die Fehlerstromerkennung in der Auswertelogik 24 durchgeführt werden. Eine Möglichkeit der Fehlererkennung ist beispielsweise durch einen Vergleich des ermittelten
Spannungsverhältnisses mit einem Grenzwert und einer Fehlerkennung bei Erreichen oder Überschreiten dieses Grenzwertes. Im Fehlerfall erfolgt dann eine Abschaltung über den Schalter 14 erfolgt, wobei die Batterie vom übrigen Bordnetz abgetrennt wird.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Bordnetz kann es sich auch um ein auf gegenüber der üblichen Bordnetzspannung von 12 Volt auf erhöhter Spannung von beispielsweise 288 Volt liegendes Hochspannungsnetz eines Fahrzeugs handeln, das beispielsweise über einen Spannungswandler mit dem üblichen Bordnetz in Verbindung steht. Das Hochspannungsnetz hat dabei in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform keine niederohmige Anbindung an die Fahrzeugmasse. Um zu verhindern, dass das Potential des Hochspannungsnetzes unkontrolliert wegdriftet, sind die hochohmigen Widerstände 16 bzw. 19 sowie die Kondensatoren 17, 20 vorgesehen. Sind diese jeweils paarweise gleich groß, wird das Netz symmetrisch zur Fahrzeugmasse gehalten. Wesentlich ist, dass die Werte der Widerstände so hoch zu halten sind, dass keine nennenswerten Verlust durch die Widerstände verursacht werden, es fließt also kein relevanter Strom von der
Leitung 12 über den Widerstand 16 bzw. von der Leitung 13 über den Widerstand 19 nach Masse. Zweckmäßige Werte für die Widerstände 16 und 19 sind beispielsweise 2 Megaohm.
Berührt eine Person einen der Leiter 12 oder 13 und berührt sie gleichzeitig die Fahrzeugbzw. Karosseriemasse, ergibt sich ein Fehlerstrom der seinerseits zu einer deutlichen Potentialverschiebung führt. Diese Potentialverschiebung lässt sich erfindungsgemäß auswerten. Die Person verhält sich dabei wie ein Widerstand, der dem Widerstand 16 oder 19 parallel geschaltet wird. In diesem Fall wird der Spannungsteiler also ebenfalls "verzogen", dies kann zur Fehlererkennung verwendet werden.
Damit schnelle Laständerungen, d. h. schnelle Änderungen der Bordnetzbelastung nicht zu Potentialverschiebungen führen, sind die Kondensatoren 17, 20 zu den Widerständen 16, 19 parallel geschaltet. Werden die beiden Spannungen, die an den Widerständen 16, 19 liegen bzw. abfallen gemessen, lässt sich eindeutig auf das Vorhanden sein eines
Fehlerstroms schließen. Es ist dabei erforderlich beide Spannungen zu messen. Eine Plausibilitätskontrolle ermöglicht die Unterscheidung zwischen Lastwechseln, also zwischen sich schnell ändernden Belastungen des Bordnetzes und Fehlerströmen..
Die Auswertelogik 24, die den Fehlerstrom aus dem Vergleich der beiden Spannungen erkennt, kann auf nahezu beliebigen Fehlerstrom eingestellt werden, üblicherweise auf eine Fehlerstrom von weniger als 30 Milliampere (mA). Bei Erreichen des eingestellten Fehlerstroms wird von der Auswertelogik 24 ein entsprechendes Signal an den Schalter 15 abgegeben und dieser geöffnet.
In einem Fahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz sollte, falls keine anderen Schutzmassnahmen getroffen werden, aus Sicherheitsgründen das Hochspannungssystem potentialfrei zur Erde, beispielsweise zum Gehäuse sein und zusätzlich berührsicher ausgestaltet sein. Das bedeutet dass eine Potentialtrennung zwischen dem Hochspannungs- und dem Niederspannungsbordnetz gewährleistet sein muss. Dies gilt insbesondere da im Niederspannungsbordnetz mit einer Nennspannung von üblicherweise 12 Volt die Fahrzeugkarosserie den Minuspol darstellt. Gleichzeitig ist das Hochspannungsbordnetz, das beispielsweise auf bis zu 288 Volt und gegebenenfalls mehr liegt, sehr hochohmig an das Karosseriepotential angebunden, damit die Spannungspotentiale nicht beliebig driften können. Diese Spannungsanbindung wird durch die Symmetriewiderstände 16, 19 und/oder die Kondensatoren 17, 20 erhalten. Diese Tatsachen vorausgesetzt, lässt sich aus den beiden gemessenen Spannungen bzw. Spannungsabfällen an den Widerständen 17, 19 durch Vergleich der Spannungen miteinander erkennen, ob das Gesamtsystem in Ordnung ist.
Wenn kein Fehler vorhanden ist und die Spannungspotentiale innerhalb vorgebbarer Grenzen liegen, wird das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 16 und 19 gleich sein wie das Verhältnis der beiden gemessenen Spannungen. Fließt durch Berührung oder einen sonstigen Fehler im Bordnetz der Strom im Hochspannungsbordnetz ganz oder zum Teil über die Fahrzeugkarosserie ab, verzieht sich der Widerstands- Spannungsteiler entsprechend da durch die beiden Widerstände 16, 19 unterschiedliche Ströme fließen. Die sich dann einstellende Änderung des Verhältnisses der beiden Spannungsabfälle kann in der Auswertelogik 8 erkannt werden und eine Reaktion darauf ausgelöst werden. Diese Reaktion kann beispielsweise in der Abschaltung der Hochspannung bestehen. Eine solche Reaktion wird beispielsweise dann ausgelöst, wenn die Verschiebung des Spannungsteilers vorgebbare Werte erreicht. Diese Werte lassen sich wiederum relativ frei wählen.
In Figur 4 ist eine Ausgestaltung des Zweispannungsbordnetzes nach Figur 2 dargestellt, bei der die Kopplung der beiden Teilnetze über den Gleichspannungswandler 32 realisiert ist. Das erste Teilbordnetz umfasst dabei einen Generator 33 einschließlich des nicht gesondert dargestellten Wechselrichters, eine Batterie 34 sowie Verbraucher 35, das zweite Teilbordnetz eine Batterie 36 sowie Verbraucher 37. Das
Niederspannungsbordnetz (12/ 14V) liegt auf Masse, wobei der negative Pol der Batterien 36 auf Masse gelegt ist. Das Hochspannungsbordnetz ist dagegen als kontrolliert schwebendes Traktionsnetz geschaltet, wobei zur Kopplung mit dem Niederspannungsbordnetz zusätzlich zum Gleichspannungswandler 32 noch ein Schaltelement 38 parallel zum Gleichspannungswandler liegt und diese Schaltelement ein spannungsabhängiges Schaltelement ist, das die Spannung zwischen dem negativen Hochspannungsanschluss (B-) und der Bordnetzmasse überwacht und diese in bestimmten Grenzen hält.
In Figur 4 sind drei Möglichkeiten zur Realisierung des Schaltelements 38 angegeben. Dabei wird der negative Anschluss der Hochspannungsseite (B-) entweder über einen spannungsabhängigen Widerstand 38a, dessen Wert sich beispielsweise proportional zur Spannung U ändert, eine Zenerdiode 38b oder ein Schaltelement 38c, das durch die Spannungsdifferenz zwischen (B-) und Masse gesteuert wird, mit der Masse mehr oder weniger hochohmig verbunden. Prinzipiell könnte auch der positive Hochspannungsanschluss (B+) mit Masse verbunden werden. Alternativ wäre auch eine
Anbindung an die 14V-Leitung zwischen dem Gleichspannungswandler und der Batterie anstelle der Masseanbindung möglich.
Die Funktion des parallel zum Gleichspannungswandler 32 liegenden Schaltelements 38 in seinen Ausgestaltungen ist folgende: Sobald das Bezugspotential der
Hochspannungsseite eine gewisse Spannung gegenüber der Fahrzeugmasse übersteigt, nimmt der Wert des spannungsgesteuerten Widerstands 38a ab und das Bezugspotential der Hochspannungsseite wird wieder auf Masse gezogen, wobei der Verlauf stetig erfolgt. Wird als Schaltelement 38 eine Zenerdiode 38b eingesetzt, wird das Bezugspotential der Hochspannungsseite 3 des Schaltelements dagegen sprunghaft auf
Masse gezogen. Ist die Spannung zwischen dem hochspannungsseitigen Bezugspotential und Masse etwa gleich Null, sind die beiden Bordnetze nicht oder nur sehr hochohmig miteinander verbunden.
Um Störeinkopplungen von der Hochspannungsseite auf das 14V Bordnetz möglichst klein zu halten, kann es zweckmäßig sein, anstatt einer Zenerdiode oder eines spannungsabhängigen Widerstandes ein aktives Schaltelement einzusetzen. Eine mögliche Ausgestaltung zeigt 38c. Ein solches Schaltelement 39 muss wenigstens aus einer Einheit zur Spannungsmessung und einem Schalter bestehen. Um Störspitzen beim Schalten zu unterdrücken, kann ein Netzwerk aus Spule, Kondensator und Widerstand vorgesehen werden und vor dem Schalter angeordnet werden. Im Fehlerfall kann der Schalter geschlossen werden und die Hochspannungsseite auf Masse ziehen.

Claims

Ansprüche
1. Bordnetz mit höherer Spannung in einem Fahrzeug, insbesondere mit einer Fehlerstromschutzschaltung, das wenigstens eine elektrische Maschine, einen Wechselrichter sowie zwei Verbindungsleitungen zwischen dem Wechselrichter und einer Batterie umfasst, und die Fehlerschutzschaltung einen Schalter zur Auftrennung der beiden Verbindungen zur Batterie umfasst, und eine Auswertelogik aufweist, die bei vorgebbaren Bedingungen den Schalter öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass diese Bedingungen Spannungen sind, die an Widerständen (16), (19) abfallen, wobei der Widerstand 16 zwischen einer ersten Leitung (12) und Masse und der Widerstand (19) zwischen einer zweiten Leitung 13 und Masse geschaltet ist und die beiden Leitungen (12) und (13) jeweils entsprechende Anschlüsse der Batterie (15) mit dem
Wechselrichter (11) bzw. dem Generator (10) verbinden.
2. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Widerstand (16) und/oder parallel zum Widerstand (19) jeweils ein Kondensator (17), (20) zur Verhinderung von Potentialverschiebungen bei schnellen Lastwechseln liegt.
3. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an den beiden Widerständen (16), (19) abfallende Spannung mittels je eines Strommessers (18), (21) ermittelt wird und die Messwerte über entsprechende
Verbindungen der Auswertelogik (24) zugeführt werden.
4. Fehlerschutzstromschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelogik (24) aus beiden zugeführten Spannungen eine Differenzspannung bildet und aus der Differenzspannung den Fehlerstrom bestimmt und bei Erreichen eines vorgebbaren Wertes für den Fehlerstrom den Schalter (14) öffnet.
5. Fehlerstromschutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Grenzwert des Stromes wählbar ist und vorzugsweise 30 mA beträgt.
6. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Zweispannungsbordnetzes ist und auf der die höhere Spannung aufweisenden Seite des Bordnetzes angeordnet ist.
7. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Widerstände 17, 19 gleich sind und vorzugsweise zwei Megaohm betragen.
8. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass Verhältnisse der an den beiden Widerständen abfallenden Spannungen zur Fehlerstromerkennung ausgewertet werden.
9. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass in der Auswertelogik (24) Plausibilitätsuntersuchungen ablaufen, zur Unterscheidung zwischen Lastwechsel und Fehlerstrom.
10. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zusätzlich zur Fehlerstromerkennung eine Über/Unterspannungsüberwachung erfolgt.
11. Fehlerstromschutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass sie Bestandteil eines Bordnetzes eines Hybridfahrzeugs ist.
12. Bordnetz mit höherer Spannung, mit zwei Teilbordnetzen, die miteinander über einen
Gleichspannungswandler in Verbindung stehen und mit einer Schutzschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Teilbordnetze nicht oder nur sehr hochohmig auf Masse liegt und die Schutzschaltung eine spannungsabhängige Schaltung umfasst, die parallel zum Gleichspannungswandler liegt und im Fehlerfall das nicht mit Masse verbundene Teilbordnetz auf Masse zieht.
13. Schutzschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabhängige Schaltung wenigstens einen spannungsabhängigen Widerstand oder eine Zenerdiode umfasst.
14. Schutzschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabhängige Schaltung wenigstens ein aktives Schaltelement mit einem Schalter und einem Spannungsmesser umfasst.
15. Schutzschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Bordnetzes eines Hybridfahrzeugs ist.
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