DE10205381A1

DE10205381A1 - Verfahren und Einrichtung zur Isolationsüberwachung eines Gleichstromnetzes

Info

Publication number: DE10205381A1
Application number: DE10205381A
Authority: DE
Inventors: Gerald Kollenda; Hubert Urban
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-02-09
Filing date: 2002-02-09
Publication date: 2003-08-21
Also published as: US6879164B2; US20030234653A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Isolationsüberwachung eines elektrisch isolierten Gleichstromnetzes (1). Mit der Erfindung wird die Messung des Isolationswiderstands durch galvanische Trennung zwischen einem Meßwiderstand (11), der mit Masse (10) und einem Meßimpulsgeber verbunden ist,k und einer Meßwerterfassungseinrichtung erreicht, wodurch der Einfluß von Störungen im Gleichspannungsnetz auf die Messung weitgehend beseitigt wird (FIG. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Isolationsüberwachung eines elektrisch isolierten Gleichstromnetzes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Ein Verfahren und eine Einrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 beschriebenen Merkmalen ist aus der DE 43 39 946 A1 bekannt. Bei der bekannten Einrichtung ist der Meßwiderstand über eine aktive Gleichrichterschaltung und eine Sample & Hold- Schaltung mit einem Meßverstärker direkt an Eingänge eines A/D-Umsetzers eines Mikrocontrollers angeschlossen. Damit wirken sich Störungen der Gleichspannung im Gleichspannungsnetz, z. B. Über- oder Unterspannungen unmittelbar an den Eingängen des A/D-Umsetzer aus, was die Meßgenauigkeit beeinträchtigen kann.

Bekannt ist auch eine Einrichtung zur Isolationsüberwachung ungeerdeter Gleichstromnetze mit einer wechselweise zwischen die beiden Netzpole und Erde einschaltbaren Wicklung als Primärteil, einer galvanisch davon getrennten Sekundärwicklung, die an eine Auswertschaltung angeschlossen ist, und mit einer zum Kompensieren von Netzspannungsschwankungen verwendeten Kompensationswicklung (DE 20 51 835 C2).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Isolationsüberwachung von elektrisch isolierten bzw. ungeerdeten Gleichstromnetzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 so zu gestalten, daß die Isolationsmessung gegen Störungen der Netzgleichspannung wie Über- oder Unterspannungen wenig anfällig ist.

Das Problem wird mit einem Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zeitverzögerung jeweils nach der Aufladung des kapazitiven Isolationswiderstands des Gleichstromnetzes durch die Impulswechselspannung beendet wird, daß beide Anschlüsse des Meßwiderstands je über einen kapazitiven Hochpaß mit einem Eingang einer Meßwerterfassungseinrichtung verbunden sind, daß aus mehreren, jeweils im Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Impulswechselspannungen mit unterschiedlichen Pegeln an beiden Anschlüssen des Meßwiderstands zugleich oder nahezu zugleich erfaßten Meßwerten Isolationswiderstände nach folgender Beziehung bestimmt werden:

worin mit R_M der Wert des Meßwiderstands, mit ΔU_O die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden, am von der Impulswechselspannungsquelle mit der Impulswechselspannung beaufschlagten Anschluß erhaltenen Meßwerten und mit ΔU_M die Differenz der am anderen Anschluß des Meßwiderstands erhaltenen Meßwerte bezeichnet sind, und daß aus den berechneten Isolationswiderständen ein für die Weiterverarbeitung bestimmter Isolationswiderstand durch arithmetische Mittelwertbildung bestimmt wird. Unter nahezu zugleich ist hierbei eine kurze Zeitspanne zu verstehen, in der sich die Spannung am Messwiderstand nur in einer praktisch nicht ins Gewicht fallenden Weise ändert. Störungen der Systemsgleichspannung im Gleichstromnetz werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Hochpässe von der Meßwerterfassungseinrichtung ferngehalten. Der Meßbereich der Meßwerterfassungseinrichtung kann daher auf die Größe der Impulswechselspannung abgestimmt werden, wodurch sich ein geringerer Aufwand für die Meßwerterfassungseinrichtung ergibt. Darüber hinaus kann die Impulswechselspannung im Vergleich zu der Größe der Netzgleichspannung wesentlich kleiner bemessen werden, ohne daß die Meßgenauigkeit darunter leidet. Auch hierdurch wird der meßtechnische Aufwand gering gehalten. Da der Innenwiderstand der Gleichspannungsquelle sehr viel kleiner als der Meßwiderstandswert bzw. gegenüber diesem praktisch vernachlässigbar ist, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Erd- bzw. Masseschlüsse zwischen den positiven als auch negativen Netzleitungen bzw. Netzpolen erfaßt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der durch fortlaufende arithmetische bzw. gleitende Mittelwertbildung bestimmte Isolationswiderstand mit einem Faktor kleiner eins multipliziert, mit dem der Isolationswiderstand unter Abstimmung auf Toleranzen der Meßwerterfassungseinrichtung, des Meßwiderstands und der Impulswechselspannungsquelle verkleinert wird. Mit dieser Maßnahme wird gewährleistet, daß immer ein Isolationswiderstand bestimmt wird, der nicht von dem tatsächlichen vorhandenen Isolationswiderstand unterschritten wird.

Da der Isolationswiderstand bestimmte Grenzwerte nicht unterschreiten darf, um eine Gefährdung von Personen oder Einrichtungen zu vermeiden, können dann, wenn der Isolationswiderstand diese Grenzen erreicht, die in diesem Falle vorgesehenen Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden, ohne daß bereits eine Gefahr durch einen Isolationswiderstandswert herrscht, der kleiner als der durch die Messungen bestimmte ist.

Zweckmäßigerweise wird der mittels der Messungen, durch die Mittelwertbildung und die Multiplikation mit dem Faktor kleiner eins bestimmte Isolationswiderstand mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen, wobei bei Unterschreiten dieses Grenzwerts ein hinter einer Gleichspannungsquelle im Gleichstromnetz angeordnetes Schütz oder ein Trenn- oder Leistungsschalter geöffnet oder offen gehalten wird. Zusätzlich kann eine Meldung erzeugt werden, um Personen auf die Störung aufmerksam zu machen. Es wird durch das Freischalten des Gleichstromnetzes eine Gefährdung von Personen und Einrichtungen vermieden, die z. B. bei einem Erd- oder Masseschluß eines Pols eintritt, wenn Erde oder Masse zum andern Pol kurzgeschlossen wird.

Bei einer günstigen Ausführungsform weist die Meßwerterfassungseinrichtung einen Analog/Digital-Umsetzer auf, der mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller verbunden ist, wobei der Mikroprozessor oder Mikrocontroller, von einer Watch-Dog-Anordnung überwacht wird, bei deren Ansprechen das Schütz oder der Trenn- oder Leistungsschalter in den geöffneten Zustand versetzt oder in geöffnetem Zustand gehalten wird. Die Berechung des Isolationswiderstands aus den Messwerte und die Mittelwertbildung erfolgt im Mikroprozessor oder Mikrocontroller, bei dessen Störung keine oder falsche Werte erzeugt werden können. Um Gefährdungen zu vermeiden, wird das Gleichstromnetz bei einer Störung des Mikrocontrollers oder Mikroprozessors spannungslos geschaltet. Zusätzlich kann eine optische und/oder akustische Meldung erzeugt werden.

Vorzugsweise wird die Zeitdauer zwischen zwei Impulswechselspannungen kleiner als die jeweiligen Zeitkonstanten der Hochpässe eingestellt. Zwischen den beiden Impulswechselspannungen, z. B. Recheckimpulsen mit jeweils positiver und negativer Polarität oder Recheckimpulsen mit nur einer Polarität aber durch Zeitspannen mit dem Spannungspegel null voneinander getrennt, steht deshalb ausreichend Zeit für mehrere, durch zeitliche Abstände voneinander getrennte Messungen der Spannungen am Meßwiderstand zur Verfügung. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulswechselspannungen, z. B. unterschiedlicher Polarität, werden insbesondere zehn Meßwerte erfaßt. Damit steht eine genügende Anzahl von Meßwerten für die Mittelwertbildung zur Verfügung.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gut zur Überwachung des Isolationswiderstands eines von einer Brennstoffzelle mit z. B. einer Nennspannung im Bereich 200-400 V gespeisten Gleichstromnetzes in einer mobilen Vorrichtung, z. B. einem Fahrzeug oder einem Boot.

Bei einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Meßimpulse erzeugende Impulswechselspannungsquelle aufweist, die in Serie mit einem Meßwiderstand an Erde bzw. Masse und an ein elektrisch isoliertes, Gleichstromverbraucher und/oder über Wechselrichter Wechselstromverbraucher speisendes Gleichstromnetz angekoppelt ist, wobei der Meßwiderstand mit einer Meßwerterfassungeinrichtung verbunden ist, deren Messung erst nach einer Zeitverzögerung nach Beaufschlagung des Meßwiderstands mit einem Meßimpuls freigebbar ist, und wobei die am Meßwiderstand abfallenden Meßspannungen nacheinander erfaßt und nach Subtraktion voneinander zur Bestimmung des Isolationswiderstands weiterverarbeitet werden, wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Reihenschaltung aus dem Meßwiderstand, einem Umschalter und der Impulswechselspannungsquelle, die einen Ausgang für Bezugspotential und zwei, je mit einem Eingang des Umschalters verbundene Ausgänge für unterschiedliche Spannungspegel hat, zwischen einem Masseanschluß der mobilen Vorrichtung und einem Pol des Gleichspannungsnetzes angeorddnet sind, wobei die Anschlüsse des Messwiderstands je über einen kapazitiven Hochpaß mit Eingängen einer Messwertererfassungseinrichtung verbunden sind, deren Eingänge weiterhin je über einen Widerstand mit dem Ausgang für Bezugsspannung der Impulswechselspannungsquelle verbunden sind, und wobei die Meßwerterfassungseinrichtung nach einer die Aufladezeit des kapazitiven Isolationswiderstands übersteigenden Zeitverzögerung für die Messung von Spannungen am Meßwiderstand freigebbar ist, an dem in vorgebbaren Zeitabständen jeweils zwischen zwei Meßimpulsen mehrere Meßwerte erfaßt und zur Bestimmung des Isolationswiderstands weiterverarbeitet werden. Ein Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die Isolationswiderstandsmessung durch Fremdspannungen im Gleichstromnetz nicht beeinträchtigt wird, da Störungen der Gleichspannung des Netzes durch die Kondensatoren des jeweiligen Hochpasses von der Messwerterfassungseinrichtung weitgehend ferngehalten werden. Die Zeitkonstanten der Hochpässe sind insbesondere gleich und größer als die Zeitabstände zwischen zwei Meßimpulen, wodurch innerhalb der Zeitabstände jeweils mehrere Meßwerte erfaßt werden können.

Die Meßwerterfassungseinrichtung weist zweckmäßigerweise einen Analog-Digital-Umsetzer mit zwei, je an einen Hochpaß angeschlossenen Eingängen auf, wobei der Analog/Digital- Umsetzer an einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller angeschlossen oder in einem solchen integriert ist und wobei der Mikrocontroller oder Mikroprozessor den Umschalter steuert.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die beiden Anschlüsse des Meßwiderstands je über einen Tiefpaß mit den Eingängen der Meßwerterfassungseinrichtung verbunden sind und daß der Tiefpaß eine Grenzfrequenz hat, die an den unteren Grenzwert der Arbeitsfrequenz des mindestens einen Wechselrichters angepaßt ist, der vom Gleichstromnetz gespeist wird. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht im Schutz der Meßwerterfassungseinrichtung vor Störungen, die bei einem Erd- oder Masseschluß einer Phase hinter dem Ausgang des Wechselrichters zu Wechselspannungen im Gleichstromnetz führen können.

Der Mikrocontroller oder Mikroprozessor wird insbesondere von einer Watch-Dog-Anordnung überwacht und ist ausgangseitig mit einem zwischen dem Ausgang der Gleichspannungsquelle und dem Gleichspannungsnetz angeordneten Trenn- oder Leistungstrennschalter verbunden, der bei einem, einen vorgebbaren Grenzwert unterschreitenden Isolationswiderstand und/oder beim Ansprechen der Watch-Dog-Anordnung infolge eines Fehlers des Mikroprozessors oder Mikrocontrollers geöffnet oder offen gehalten wird. Damit kann einer Gefährdung von Personen oder Geräten vorgebeugt werden. Das Gleichstromnetz kann in einer mobilen Vorrichtung angeordnet sein, die wenigstens einen von einem Wechselrichter gespeisten Motor aufweist. Als Gleichspannungsquelle ist insbesondere eine Brennstoffzelle vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Einrichtung zur Isolations- Überwachung eines elektrisch isolierten Gleichstromnetzes,
Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung zur Isolationsüberwachung eines elektrischen Gleichstromnetzes.
Ein Gleichstromnetz 1 enthält eine Gleichstromquelle 2, insbesondere eine Brennstoffzelle, die mit einem Pol 3 bzw. Ausgangsanschluß an eine Leitung 4 bzw. Schiene und mit ihrem anderen Pol 5 bzw. Ausgangsanschluß an eine Leitung 6 bzw. Schiene des Gleichstromnetzes 1 angeschlossen ist. Der Pol 3 hat z. B. negatives und der Pol 5 positives Potential. Die Pole können auch die umgekehrten Potentiale haben. Die Leitungen 4, 6 werden auch als Pole des Gleichstromnetzes bezeichnet. Hinter den Polen 3, 5 ist im Zuge der Leitungen 4, 6 ein Schütz oder ein Trenn- oder Leistungstrennschalter 7 vorgesehen. Hinter dem Trenn- oder Leistungstrennschalter 7 sind an das Gleichstromnetz einer oder mehrere Verbraucher angeschlossen. In der Zeichnung ist nur ein Verbraucher in Form eines Wechselrichters 8 dargestellt, der einen Elektromotor 9 speist. Das Gleichstromnetz 1 mit der Gleichstromquelle 2 und den Verbrauchern sowie einer Isolationsüberwachungsanordnung befindet sich insbesondere in einer mobilen Vorrichtung, z. B. einem Fahrzeug. Diese Vorrichtung hat leitend miteinander verbundene, metallische Teile, die im Betrieb der Vorrichtung elektrisch nicht aktiv sein dürfen und als Masse bezeichnet sind. Das Gleichstromnetz 1 ist gegen diese Masse isoliert. Bei stationären, fest installierten Gleichstromnetzen entspricht, die Masse der Erde. Das Gleichstromnetz 1 wird deshalb auch als ungeerdet bezeichnet. In der Zeichnung ist die Masse mit 10 bezeichnet.
Die Isolationsüberwachungseinrichtung enthält einen Meßwiderstand 11, der mit einem Anschluß 12 an Masse 10 und mit dem anderen Anschluß 13 an den Ausgang eines Umschalters 14 angeschlossen ist, der zwei Eingänge 15, 16 hat, von denen der eine 15 mit einem Ausgang 18 und der andere mit einem Ausgang 17 einer Spannungsquelle 19 verbunden ist, die am Ausgang 17 ein positives und am Ausgang 18 ein negatives Potential erzeugt. Bezogen sind diese Potentiale auf das Potential der Leitung 4, an die ein Ausgang 20 der Spannungsquelle 19 angeschlossen ist. Der Ausgang 20 ist auch als Ausgang für Bezugspotential bezeichnet. Die Pole 3, 5 und die Leitungen 4, 6 bzw. Pole des Gleichspannungsnetzes 1 sind bezüglich der Verbindung mit der Isolationsüberwachungseinrichtung gleichwertig. Der Umschalter 14 wird von einem Mikroprozessor 21 bzw. Mikrocontroller periodisch betätigt, so daß am Ausgang des Umschalters 14 abwechselnd positive und negative Impulse, im folgenden auch Meßimpulse genannt, auftreten. Eine Impulswechselspannungsquelle, die abwechselnd eine Meßspannung mit positivem Pegel und Potential null oder mit negativem Pegel und Potential null ausgibt, kann ebenfalls verwendet werden. Der vom Mikroprozessor 21 gesteuerte Umschalter 14 bildet mit der Spannungsquelle 19 somit eine Impulswechselspannungsquelle, deren Eingänge von den Polen 3, 5 bzw. den Leitungen 4, 6 galvanisch getrennt sein können und deren Bezugsspannungsausgang 20 ist. An den Anschluß 13 des Meßwiderstands 11 ist ein Kondensator 22 angeschlossen, der weiterhin über einen Widerstand 23 mit einem Widerstand 24 verbunden ist, der mit seinem zweiten Anschluß an die Leitung 4 bzw. den Pol 3 gelegt ist. In entsprechender Weise ist der Anschluß 12 mit einem Kondensator 25 verbunden, dem ein Widerstand 26 nachgeschaltet ist, an den ein weiterer Widerstand 27 angeschlossen ist, der mit seinem zweiten Anschluß an die Leitung 4 gelegt ist. Die Widerstände 24, 27 sind jeweils mit ihren, der Leitung 4 entgegengesetzten Anschlüssen an einen Eingang 28, 29 eines Analog/Digital-Umsetzers 30 angeschlossen, der mit dem Mikroprozessor 21 verbunden ist. Der Kondensator 22 und die Widerstände 23, 24 und 33 bilden einen kapazitiven Hochpaß. In entsprechender Weise bilden der Kondensator 25 und die Widerstände 26, 27 und 36 einen weiteren kapazitiven Hochpaß. Zum Widerstand 24 ist ein Kondensator 31 parallel geschaltet. Der Widerstand 23 bildet mit dem Kondensator 31 einen Tiefpaß. Entsprechend bildet ein Kondensator 32, der zum Widerstand 27 parallel geschaltet ist, mit dem Widerstand 26 einen Tiefpaß. Die vorstehend beschriebenen Hochpässe bzw. Tiefpässe sind jeweils gleich dimensioniert.
Mit einem Spannungsteiler, der den Widerstand 24 und einen weiteren Widerstand 33 aufweist, der mit einem Ausgang 34 einer Spannungsquelle 35 verbunden ist, wird am Eingang 28 eine Vorspannung erzeugt. Entsprechend wird über einen Spannungsteiler, der den Widerstand 27 und einen weiteren, mit dem Ausgang 34 verbundenen Widerstand 36 aufweist, am Eingang 29 eine Vorspannung erzeugt. Der zweite Anschluß 37 der Spannungsquelle 35 ist mit der Leitung 4 verbunden. Die Spannungsquelle 35 ist typischerweise die Referenzspannungsquelle des A/D-Umsetzers 30.
Ein Ausgang des Mikroprozessors 21 ist mit einem nicht dargestellten Relais bzw. einer Leistungsendstufe 39 verbunden. Die Spule 38 des Schütz, Trenn- oder Leistungstrennschalters 7 ist an das Relais bzw. Die Leistungsendstufe 39 angeschlossen.
Der Analog/Digital-Umsetzer 30 und der Mikroprozessor 21 sind bei Bedarf über eine galvanische Trennstelle, z. B. über Optokoppler, miteinander verbunden. Die Versorgung des Mikroprozessors 21 und der Spannungsquelle 35 kann aus der gleichen Spannungsversorgung erfolgen.
In der Zeichnung ist der Innenwiderstand der Gleichstromquelle 2 mit R_i bezeichnet und gestrichelt dargestellt. Der ohmsche Isolationswiderstand zwischen der Leitung 4 und den mit ihr verbundenen leitenden Teilen des Gleichstromnetzes ist in der Zeichnung symbolisch gestrichelt dargestellt und mit R_iso bezeichnet. Der kapazitive Isolationswiderstand zwischen der Leitung 4 und den mit ihr verbundenen leitenden Teilen des Gleichstromnetzes ist symbolisch gestrichelt dargestellt und mit C_iso bezeichnet. Für die Leitung 6 und die mit ihr verbundenen leitenden Teile des Netzes wird ein gleicher ohmscher Isolationswiderstand R_iso und ein gleicher kapazitiver Isolationswiderstand C_iso unterstellt.
Die Zeitkonstanten der Hochpässe sind größer als die Zeitabstände bzw. Zeitdauern zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßimpulsen, deren Polaritäten jeweils abwechselnd z. B. positiv und negativ sind.
Der Mikroprozessor 21 wird von einer Watch-Dog-Anordnung überwacht.
Nach dem Beginn jedes an den Meßwiderstand 11 angelegten Meßimpulses wird im Mikroprozessor 21 eine Zeitverzögerung angestoßen, deren Dauer auf die Aufladung des kapazitiven Isolationswiderstands C_iso abgestimmt ist. Die Aufladezeit kann für das Gleichstromnetz 1 und die angeschlossenen Verbraucher durch eine Messung vorab bestimmt und gespeichert werden. Nach Ablauf der Verzögerungszeit werden die am Meßwiderstand 11 an den Anschlüssen 12, 13 auftretenden Spannungen, die im folgenden mit U_O und U_M bezeichnet sind, über die an den Eingängen 28, 29 anstehenden Anteile gleichzeitig bzw. mit sehr kleinem Zeitversatz, d. h. praktisch gleichzeitig, periodisch gemessen und danach gespeichert. Von jeweils 2 aufeinanderfolgenden Meßwerten der Spannungen U_M und U_O werden Differenzen ΔU_M und ΔU_O gebildet.
Die Kapazitäten der Kondensatoren 22, 25 und die Widerstände 23, 26 bzw. 24, 27 bzw. 33, 36 sind so ausgewählt, daß an den Eingängen 28, 29 jeweils praktisch die für den A/D-Umsetzer 30 passend skalierten Spannungen U_M und U_O anliegen.
Aus den Differenzen ΔU_M und ΔU_O wird mit dem Mikroprozessor 21 in fortlaufender Mittelwertbildung der ohmsche Isolationswiderstand R_iso nach folgender Gleichung bestimmt:
Der so durch gleitende Mittelwertbildung gewonnene Isolationswiderstand R_iso wird mit einem Faktor < 1 multipliziert. Der Bruchteil berücksichtigt Toleranzen der Bauelemente des Meßkreises und der Spannungsabfälle an den Kondensatoren 22, 25 und den Widerständen 23, 26, 24, 27, 33, 36. Durch diese Bestimmung des Bruchteils des berechneten Werts R_iso wird gewährleistet, daß der durch die Mittelwertbildung berechnete Widerstandswert immer kleiner als der tatsächliche vorhandene Isolationswiderstandswert ist. Diese Maßnahme wird aus Sicherheitsgründen vorgenommen, da ein bestimmter Isolationswiderstand nicht unterschritten werden darf, um eine Gefährdung von Personen und Geräten zu vermeiden.
Im Mikroprozessor 21 wird der aus dem Wert R_iso bestimmte kleinere Wert als Vergleichswert mit einem zulässigen Wert verglichen. Wird dieser Wert unterschritten, dann schaltet der Mikroprozessor 21 das Schütz oder den Trenn- bzw. Leistungstrennschalter aus bzw. verhindert bei ausgeschaltetem Trenn- bzw. Leistungstrennschalter 7 das Einschalten.
Zwischen zwei Meßimpulsen von wechselnder Polarität werden eine Reihe von Meßwerten erfaßt, deren Zahl im Bereich von 10 liegen kann.
Ein fehlerhaftes Arbeiten oder eine Aussetzen der Arbeitsweise des Mikroprozessors 21 wird vom Watch-Dog festgestellt, der daraufhin die Öffnung des Schützes-, Trenn- oder Leistungstrennschalters 7 veranlaßt oder bei geöffnetem Schalter das Einschalten verhindert.
Bei der erfindungsgemäßen oben beschriebenen Einrichtung wirken sich Änderungen der Gleichspannung im Gleichstromnetz 1 nicht ungünstig auf die Messgenauigkeit und insbesondere die Auflösung aus. Der Meßbereich des Analog/Digital-Umsetzers 30 kann auf den Spannungshub der Gleichspannungsquelle 19 abgestimmt sein. Der Spannungshub der Gleichspannungsquelle 19 kann relativ niedrig, z. B. im Bereich von 15 bis 30 V sein. Durch die weitgehende Abtrennung der Störungen im Gleichstromnetz 1 muß der A/D-Umsetzer 30 nur für geringe zusätzliche Störspannungen (Übersteuerungsreserve) ausgelegt sein. Störspannungen, die aufgrund eines Kurzschlusses einer Wechselrichterphase nach Masse entstehen, werden durch die Tiefpässe so stark abgeschwächt, daß sie den A/D-Umsetzer 30 nicht übersteuern. Die Grenzfrequenz der Tiefpässe ist so gewählt, daß sie kleiner ist als die tiefste Wechselrichterfrequenz des Stromrichters 8 ist. Niederfrequentere Störspannungen werden durch die Mittelwertbildung aus den Meßwerten beseitigt.
Der Wert des Isolationswiderstands wird mit dem Mikroprozessor 21 bestimmt, d. h. mittels Software. Wenn die vom A/D-Umsetzer 30 erfaßten Spannungswerte periodisch durch die Umschaltung der Polarität wechseln, wird ein Fehler in der Hardware der Spannungsmeßeinrichtung durch die Software erkannt. Die Software wird durch die Watch-Dog-Anordnung überwacht.
Eine Reaktion auf einen Isolationsfehler, d. h. das Unterschreiten des Isolationswerts unter einen zulässigen Grenzwert, darf gemäß den VDE-Vorschriften innerhalb eines relativ langen Zeitraums, z. B. < 100 s, erfolgen. Bei einem Ansprechen des Watch-Dog kann deshalb der Trenn- oder Leistungstrennschalter 7 mit Sicherheit ausgeschaltet werden.
Die Spannungsquellen 19 und 35 sind vorzugsweise DC/DC- Wandler, die von einem Hilfsspannungsnetz gespeist werden.
Die Spannung der Spannungsquelle 35 kann gegenüber der Spannung des Netzes 1 gering, z. B. 5 V sein. Auch die Spannung der Spannungsquelle 19 ist wesentlich kleiner als die Spannung des Netzes 1 und kann eine Bordnetzspannung von 12 V sein, oder im Bereich von 15-30 V liegen.
Die Isolationsüberwachung kann prinzipiell mit einer Einrichtung durchgeführt werden, bei der der Meßwidwestand 11, der Umschalter 14 und die Impulswechselspannungsquelle in Reihe zwischen der Masse 10 und einem der Pole 3 bzw. 4 oder 5 bzw. 6 angeordnet sind. Die Widerstände der Hochpässe sind dabei mit dem einen Ausgang 20 der Impulswechselspannungsquelle verbunden, der ein Anschluß der Reihenschaltung ist, deren anderer Anschluß das eine Ende des Messwiderstands 11 ist. Eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Isolationsüberwachung eines elektrisch isolierten Gleichstromnetzes, die nach dem vorstehend erwähnten Prinzip aufgebaut ist, zeigt die Fig. 2. Gleiche Elemente sind in den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugsziffern versehen. Bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 ist der eine Anschluß 12 des Meßwiderstands 11 mit einem Pol 3 der Brennstoffzelle bzw. mit dem Pol 4 des Gleichstromnetzes 1 verbunden. Der Anschluß 20 der Impulswechselspannungsquelle ist zusammen mit den Anschlüssen der Widerstände 24, 27 und der Kondensatoren 31, 32 mit Masse 10 verbunden. Die anderen Anschlüsse Der Kondensatoren 31, 32 und der Widerstände 24, 27 sind an die Eingänge des A/D-Umsetzers 30 angeschlossen. Auch die Spannungsquelle 35 ist mit einem Anschluß an Masse 10 gelegt.
Der Umschalter 14 kann auch von einem nicht dargestellten Taktgeber periodisch betätigt werden. Die Betätigung wird dem Mikrocontroller 21 an einem Eingang gemeldet, wodurch dieser auf die oben beschriebene Art die Messung und Berechnung des Isolationswiderstands durchführt.

Claims

1. Verfahren zur Isolationsüberwachung eines elektrisch isolierten, Gleichstromverbraucher und/oder über Wechselrichter Wechselstromverbraucher speisenden Gleichstromnetzes, das gegenüber Erde oder einer Masse mit Bezugspotential einen unvermeidbaren ohmschen und kapazitiven Isolationswiderstand hat, wobei eine Impulswechselspannungsquelle und ein Meßwiderstand in Reihenschaltung an das Gleichstromnetz und Masse bzw. Erde angekoppelt sind und wobei in den Meßwiderstand von der Impulswechselspannungsquelle eine Impulswechselspannung eingespeist, die Messung nach der Beaufschlagung des Meßwiderstands mit der jeweiligen Impulswechselspannung erst nach einer Zeitverzögerung freigegeben wird und in aufeinanderfolgenden Zeitabständen erhaltene Meßwerte von am Meßwiderstand abfallenden Spannungen nach Subtraktion voneinander zur Bestimmung des Isolationswiderstands weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung jeweils nach der Aufladung des kapazitiven Isolationswiderstands des Gleichstromnetzes durch die Impulswechselspannung beendet wird, daß beide Anschlüsse des Meßwiderstands je über einen kapazitiven Hochpaß mit einem Eingang einer Meßwerterfassungseinrichtung verbunden sind, daß aus mehreren jeweils im Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Impulswechselspannungen an den beiden Anschlüssen des Meßwiderstands zugleich oder nahezu zugleich abgegriffenen Meßwerten Isolationswiderstände nach folgender Beziehung bestimmt werden:

worin mit R_M der Wert des Meßwiderstands, mit ΔU_O die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden, an dem von der Impulswechselspannungsquelle mit der Impulswechselspannung beaufschlagten Anschluß erhaltenen Meßwerten und, mit ΔU_M die Differenz der am anderen Anschluß des Meßwiderstands erhaltenen Meßwerte bezeichnet sind, und daß aus den berechneten Isolationswiderständen ein für die Weiterverarbeitung bestimmter Isolationswiderstand durch arithmetische Mittelwertbildung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der durch arithmetische Mittelwertbildung bestimmte Isolationswiderstand mit einem Faktor kleiner eins multipliziert wird, mit dem der Isolationswiderstand unter Abstimmung auf Toleranzen der Meßwerterfassungseinrichtung, des Meßwiderstands und der Impulswechselspannungsquelle auf einen Vergleichswert verkleinert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert des Isolationswiderstands mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird und daß bei Unterschreiten des Grenzwerts ein hinter einer Gleichspannungsquelle des Gleichstromnetzes angeordnetes Schütz oder ein Trenn- oder Leistungstrennschalter in den geöffneten Zustand versetzt oder in offenen Zustand gehalten wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungseinrichtung einen Analog/Digital-Umsetzer aufweist, der mit einem Mikroprozessor oder Mikrocontroller verbunden ist, der durch eine Watch-Dog-Anordnung überwacht wird, bei deren Ansprechen das Schütz oder der Trenn- oder Leistungstrennschalter in den geöffneten Zustand versetzt oder im offenen Zustand gehalten wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer zwischen zwei Impulswechselspannungen kleiner als die jeweilige Zeitkonstante der Hochpässe eingestellt wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulswechselspannungen unterschiedlicher Polarität etwa zehn Meßwerte erfaßt werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationswiderstand eines von einer Brennstoffzelle gespeisten Gleichstromnetzes in einer mobilen Vorrichtung überwacht wird.

8. Einrichtung zur Durchführen des Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Messimpulse erzeugenden Impulswechselspannungsquelle, die in Reihe mit einem Meßwiderstand an Erde bzw. Masse und an ein elektrische isoliertes, Gleichstromverbraucher und/oder über Wechselrichter Wechselstromverbraucher speisendes Gleichstromnetz angekoppelt ist, wobei der Meßwiderstand mit einer Meßwerterfassungseinrichtung verbunden ist, deren Messung erst nach einer Zeitverzögerung nach der Beaufschlagung des Meßwiderstands mit einem Meßimpuls freigebbar ist, und wobei die am Meßwiderstand abfallenden Meßspannungen nacheinander erfaßt und nach Subtraktion voneinander zur Bestimmung des Isolationswiderstands weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung aus dem Meßwiderstand (11), einem Umschalter (14) und der Impulswechselspannungsquelle, die einen Ausgang (20) für Bezugspotential und zwei Ausgänge jeweils für unterschiedliche Spannungspegel hat, zwischen einem Masseanschluß der mobilen Vorrichtung und einem Pol des Gleichspannungsnetzes (1) angeordnet sind, dass die Anschlüsse (12, 13) des Meßwiderstands (11) je über einen kapazitiven Hochpaß mit Eingängen (29, 28) einer Messwerterfassungseinrichtung verbunden sind, deren Eingänge weiterhin je über einen Widerstand (27, 24) mit dem Ausgang (20) für Bezugsspannung der Impulswechselspannungsquelle verbunden sind, und dass die Messwerterfassungseinrichtung nach einer die Aufladezeit des kapazitiven Isolationswiderwiderstands übersteigenden Zeitverzögerung für die Messung von Spannungen am Meßwiderstand (11) freigebbar ist, an dem in vorgebbaren Zeitabständen jeweils zwischen zwei Meßimpulsen mehrere Meßwerte erfaßt und zur Bestimmung des Isolationswiderstands weiterverarbeitet werden.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das die Zeitkonstanten der Hochpässe gleich und größer als die Zeitabstände zwischen jeweils zwei Meßimpulsen sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerterfassungseinrichtung einen Analog- Digital-Umsetzer (30) mit zwei Eingängen (28, 29) aufweist, der an einen Mikrocontroller (21) oder Mikroprozessor angeschlossen ist, durch den der Umschalter (14) steuerbar ist.

11. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anschlüsse (12, 13) des Meßwiderstands (11) je über einen Tiefpaß mit den Eingängen (29, 28) der Messwerterfassungseinrichtung verbunden sind und daß jeder Tiefpaß eine Grenzfrequenz hat, die an den unteren Grenzwert der Arbeitsfrequenzen von Wechselrichtern angepaßt ist, die vom Gleichstromnetz (1) gespeist werden.

12. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller oder Mikroprozessor (21) von einer Watch-Dog-Anordnung überwacht wird und mit einem Schaltelement für einen hinter dem Ausgang (3, 4) einer Gleichspannungsquelle (2) des Gleichspannungsnetzes (1) angeordneten Schütz, Trenn- oder Leistungstrennschalter (7) verbunden ist, das bzw. der bei einem, einen vorgebbaren Grenzwert für den Isolationswiderstand unterschreitenden Isolationswiderstand und/oder beim Ansprechen der Watch-Dog-Anordnung das Schütz oder den Trenn- oder Leistungstrennschalter (7) öffnet oder offen hält.

13. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Anschluß (12) des Meßwiderstands (11) an Masse (10) bzw. Erde und der Ausgang (20) der Impulswechselspannungsquelle für Bezugspotential an den einen Pol (4) des Gleichstromnetzes (1) angeschlossen sind.

14. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Anschluß (12) des Meßwiderstands (11) an einen Pol (4) des Gleichstromnetzes (1) und der Ausgang (20) der Impulswechselspannungsquelle für Bezugspotential an Masse (10) bzw. Erde gelegt ist.

15. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingang der Meßwertertererfassungseinrichtung durch geeignete Beschaltung auf etwa die Mitte seines Messbereichs vorgespannt ist.

16. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (14) von einem Taktgeber periodisch betätigt wird und dass dem Mikrokontroller (21) die Umschaltungen an einem Eingang gemeldet werden.

17. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulswechselspannungsquelle abwechselnd Impulse mit positiver und negativer Polarität ausgibt.

18. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulswechselspannungsquelle im Wechsel Impulse einer Polarität und Nullpotential ausgibt.

19. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichspannungsnetz (1) in einer mobilen Einrichtung angeordnet ist, die einen von einem Wechselrichter (8) gespeisten Elektromotor aufweist.

20. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (2) eine Brennstoffzelle ist.

21. Einrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulswechselspannungsquelle und die weitere Gleichspannungsquelle als galvanisch vom Gleichstromnetz getrennte DC/DC-Wandler ausgebildet sind, die von einem in der mobilen Vorrichtung angeordneten separaten Gleichspannungsnetz gespeist werden.