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CN105324897A - 用于对在具有受系统决定的、可变的源内阻的直流网络中对潜在的短路或者过载进行电气保护的设备 - Google Patents

用于对在具有受系统决定的、可变的源内阻的直流网络中对潜在的短路或者过载进行电气保护的设备 Download PDF

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CN105324897A CN201480034760.2A CN201480034760A CN105324897A CN 105324897 A CN105324897 A CN 105324897A CN 201480034760 A CN201480034760 A CN 201480034760A CN 105324897 A CN105324897 A CN 105324897A
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Abstract

提出一种用于对在包括具有受系统决定的、可变的源内阻的储能器的电流网络中潜在的短路线路进行电气保护的设备。所述设备包括分离元件，所述分离元件的触发特性对于在储能器的第一运行状态中保护潜在的短路线路的第一和第二导线区段而未充分地选择参数，并且所述设备包括第二保护装置，所述第二保护装置设置用于保护第一和第二导线区段以防在第一运行状态中在分离元件的触发极限以下出现的负载。

Description

用于对在具有受系统决定的、可变的源内阻的直流网络中对潜在的短路或者过载进行电气保护的设备
技术领域
本发明涉及一种用于对在具有受系统决定的、可变的源内阻的电流网络中对潜在的短路或者过载进行电气保护的设备。特别是本发明涉及一种对借助于有源或者无源的分离元件、特别是熔断保险丝来保护车载电网中的短路线路的改善，所述车载电网由电化学储能器供应能量。以下将所述分离元件称作为第一保护装置。例如可以涉及熔断保险丝、高温保险丝或者诸如此类的。
背景技术
车辆的车载电网通常由电化学储能器供应电能或者由所述电化学储能器进行缓冲。在此，电化学储能器的有效功率随着不同的运行参数和特征参数强烈地波动。例如电化学储能器的老化状态引起其内阻的增加。附加地存在内阻的显著的温度依赖性。在此，由电化学储能器所能输出的最大功率或者电压以及由电化学储能器所能输出的最大电流在最糟糕的情况下如此显著地限制能量输出，使得过流或过压保护措施有时太迟进行响应或甚至不响应。以下将以熔断保险丝为例进行阐述。由熔断保险丝所保护的车载电网区段的导线横截面通常如此选择参数，使得在可能给电气导线造成损坏之前，在存在预定的电流的情况下在所述区段上所述熔断保险丝首先进行响应。基于电气绝缘措施，电气导线区段和熔断保险丝的散热特性互相显著区别。因此可能出现，在第一(较高)过流的情况下，所述熔断保险丝足够早地供应电功率，所述熔断保险丝基于此进行响应并且保护电气导线。然而，如果在足够长的时间段上在导线区段上产生如下电流，所述电流低于熔断保险丝的响应电流，则可能对所述电气导线区段过度地加负荷，而熔断保险丝不能同样地进行保护。由此可能造成电气导线的损坏并且此外产生在外围设备中的间接损坏。在短路的情况下，存储有用于供应电流的电能的电化学储能器的内阻也可能如此限制短路电流，使得不能达到熔断保险丝的响应电流。例如老化的、强烈放电和/或冷的蓄电池可能如此限制在短路的情况下所流过的短路电流，使得长久来看，电气导线区段而不是熔断保险丝成为车载电网最薄弱的环节。
发明内容
本发明的任务在于消除上面提到的现有技术的缺点。
因此，按照本发明提出一种用于对第一运行状态进行电气保护的设备，以防具有电化学储能器的车载电网中的预定义的负载、例如短路。所述车载电网包括具有不同的导线横截面的导线区段和被供给的部件。
不同的导线横截面在此称为第一导线区段和第二导线区段，其中所述第一导线区段具有较大的横截面并且所述第二导线区段相对于第一导线区段具有较小的横截面。
从上述设备中还得出不同的运行状态，所述运行状态在此称为第一和第二运行状态。所述电化学储能器在第一运行状态中可以具有比在第二运行状态中更高的内阻。换言之，所述电化学储能器在第一运行状态中可以具有比在第二运行状态中更低的荷电状态(StateofCharge,SOC)和/或更高的老化程度和/或更低的温度。换言之，在所述第一运行状态中可以期待比在第二运行状态中显著减少的短路电流，从而所述位于熔断保险丝的电路中的导线区段在短路/过载的情况下过载，因为不能足够快地触发所述熔断保险丝。
在此，熔断保险丝的触发特性、熔断保险丝的强度极限对于储能器的第一运行状态保护潜在的短路线路的第二导线区段而未充分地选择参数。换言之，上述结合于现有技术所讨论的情况规定，所述熔断保险丝不能对于储能器的所有运行状态都足够快地响应。熔断保险丝的“强度极限”在本发明的范围内理解为最大的电流或者最大的功率，在强度极限的情况下所述熔断保险丝的电阻显著地增加或者(接近)无穷大。所述第二导线区段是潜在的短路线路内的一个区段，对于储能器或车载电网的全部运行状态，所述熔断保险丝不能充分地保护所述区段。这例如可以是如下的导线区段，所述导线区段具有比潜在的短路线路内的第一导线区段更小的横截面。在本发明的范围内将如下这样的线路理解为潜在的短路线路，在短路情况下短路电流流经所述线路。换言之，在短路的情况下，车载电网导线的部分导线与实际的短路共同称作为短路线路。因此按照本发明，设置所述第二保护装置，所述第二保护装置设置用于对第二导线区段进行保护以防如下负载，所述负载在第一运行状态中出现在熔断保险丝的强度极限以下。作为第二保护装置按照本发明考虑不同的措施。特别是可以在车载电网内设置接触器的操控装置以用于中断短路电流。对此，针对短路线路、特别是针对第二导线区段可以实施如下的电流测量器或者功率测量器，通过所述电流测量器或者功率测量器识别如下这样的运行状态，所述运行状态危害第二导线区段，然而单独由熔断保险丝则不能进行阻止。特别是所述负载可以识别为这样的负载，该负载一方面实际上危害第二导线区段，并且另外一方面实际上处于熔断保险丝的强度极限。换言之，由第二保护装置可以保护如下的运行状态，所述运行状态由于熔断保险丝的不响应而意味着第二导线区段的危险。对此所述第二保护装置例如可以包括以霍尔传感器为形式的电流传感器、电感式传感器或分流器。如果测量到如下电流，所述电流位于预定义的范围中，则所述第二保护装置打开接触器并且所述短路线路以这种方式从电气储能器分离。
从属权利要求涉及本发明优选的进一步扩展方案。所述第二保护装置例如可以包括用于电化学储能器的电池低压关断器。所述电池低压关断器在现有技术中已知，以便监控由多个电池组成的电化学储能器的单格电池的电压并且通过关断电化学储能器以阻止低压的情况。然而，按照本发明所述的用于在电气储能器外部保护潜在的短路线路的电池低压关断器的应用还不已知。不言而喻地，可以按照本发明修改所述电池低压关断器。例如可以考虑电池电压在时间上的趋势，从而低压情况可以以高的概率配置给不希望的短路并且所述短路因此以高的概率基于电池低压。所述电池低压关断器在此可以在强烈提高的短路电流导致电化学储能器或者相应的电池的内阻上增加的电压降的情况下识别短路情况。备选或者附加地，可以在第二保护装置中设有过流关断器，所述过流关断器包括电流测量装置。所述过流关断器例如可以(如前述实施地)确定短路电流的测量值并且在响应于识别到第一运行状态的情况下打开电化学储能器的接触器。通过在目前拓扑中存在上述的第二保护装置的机制以用于储能器保护，因此通过简单的按照本发明的对其操控装置的匹配(例如以软件代码的形式)实现本发明。
通常在电化学储能器的较高的功率范围的情况下比电池低压器关断更可期望过流关断器。特别是对于按照本发明不仅设置低压关断器而且设置过流关断器作为第二保护装置的情况，可以进一步有利地规定，如此定义过流关断器的下电流阈值以及电池低压关断器的上电压阈值，使得过流关断器和电池低压关断器的响应范围至少互相邻近。基于过流关断器和低压关断器的关断的触发特性、时间极限值、电流阈值和电压阈值在此能与熔断保险丝的触发特性以及第二保护装置的分离元件的切换性能相协调。因此第二保护装置的关断不应过早进行，以便避免接触器的过载以及能实现对熔断保险丝的触发。同时应该避免导线在短路情况下的热过载。以这种方式可以确保在电化学储能器的宽的工作范围上对潜在的短路线路进行可靠的保护。为了改善保护在实际应用中应确保由电池低压关断器和过流关断器所保护的运行状态的重叠。
上面所述的设备可能并且优选的参数选择服从如下条件，储能器的串联的电池的总数目乘以在响应于电池低压关断器的情况下的最小的电池单格电压除以在响应于过流识别的情况下的下电流极限值，大于潜在的短路线路的最大所能采用的短路电阻。在此，最小的电池单格电压应理解为这样的电压，所述电压在储能器的所有电池具有相同的电池电压的情况下恰好导致电池低压关断器的响应。该电压表示在短路期间在电池电压方面可能存在的最糟糕的情况。最大采用的短路电阻在此为如下这样的电阻，所述电阻存在于整个、引导短路电流的线路，并且同时定义为短路情况。以这种方式通过电池低压关断器以及过流关断器的响应范围的重叠得出特别安全的参数选择。
进一步优选地，所述第二保护装置设置用于具有对于响应情况的惯性，一方面在未响应于熔断保险丝的情况下也可靠地对潜在的短路线路进行保护，并且另一方面熔断保险丝在第一运行状态之外的情况下早于第二保护装置进行响应。因为第二保护装置在高电流的情况下的响应可能导致接触器的损坏或者异常的负载，所以对于高电流优选通过熔断保险丝的响应进行保护。然而，为了按照本发明保护宽的运行范围而需要，在熔断保险丝的强度极限以下可靠地与接触器相结合地使用第二保护装置。
在此，进一步优选地，所述第二保护装置的惯性适合于在短时间的电流峰值的情况下抑制响应过程、特别是相应的短时间的调节干预。换言之，在第二保护装置的响应范围中分别给短时间超过所定义的阈值规定公差，第二保护装置则不进行响应。因此，在此可以根据相应的车载电网的要评价为“正常”的电气特征参数进行第二保护装置的参数选择。
在此，进一步优选地，第二保护装置的惯性适合将第一和第二导线区段的过载情况或短路情况区别于第一导线区段的最大运行情况并且由此实际上仅在过载和/或短路的情况下进行触发。
优选地，所述第二导线区段具有比同一短路线路的第一导线区段更小的导线横截面，由此所述第二导线区段电气上更弱地选择参数并且相对于第一导线区段形成如下这样的导线区段，在短路电流的情况下以高概率强烈地危害所述导线区段。按照上述发明的另一方面，机动车包括电化学储能器和上面所讨论的设备。所述机动车例如可以是能电气驱动的车辆(PHEV、HEV、EV等)。在此，所述电化学储能器可以设置为牵引电池并且潜在的短路线路的至少一部分设置为用于分配牵引能量而设置的车载电网段的部分。
附图说明
由以下的描述和附图得出本发明其他的细节、特征和优点。图中：
图1示出对于按照本发明所使用的电流监控机制的、以相应的保护机制的关断时间关于流过高压蓄电池的电流为形式的图表；并且
图2示出一种车载电网可能的拓扑，包括按照本发明所述的设备的实施例。
具体实施方式
图1示出了关断时间t关于高压储能器(电化学储能器)的电流lbatt的图。在电化学储能器的第一范围I中，低于极限I3的短路电流lbatt如此低，使得潜在的短路线路的整个导线区段保持不受损坏。换言之，无需设置按照本发明所设计的保护装置以保护该运行范围。这当然不意味，应该将短路电流有意义地引入在该范围中。仅仅对于过热或者可能的间接损失的保护不是必须的。运行范围IV以传统的方式由熔断保险丝进行保护。所述相应的与熔断保险丝的强度有关的特性曲线12描述了关于电流lbatt的关断时间t。特性曲线13描述了第一导线区段(换言之例如横截面为35mm2的导线)的过载极限。在保险丝特性曲线12和导线特性曲线13的交点的上方，所述导线在过载或者短路情况下热过载，因为所述熔断保险丝在该范围26中不一定触发。特性曲线14描述了第二导线区段(换言之例如横截面为16mm2的导线)的过载极限。在保险丝特性曲线12的和导线特性曲线14的交点的上方，所述导线在过载或者短路情况下热过载，因为所述熔断保险丝在范围27中不一定触发。在考虑位于t1和t2之间的一定的响应时间的情况下，因此低于该临界的特性曲线族点(高压蓄电池电流lbatt)的范围作为范围III借助于所述作为第二保护装置的组成部分的过流识别装置进行保护。所述范围在电流I2和I1之间延伸。对于更低的电流、换言之在I3和I2之间的电流，按照本发明可以使用作为第二保护装置的组成部分的电池低压断路器。所述第二保护装置的关断时间如此选择参数，使得为了保护最薄弱的导线区段而不超过最大所允许的关断时间t2并且同时超过最小时间t1，以便避免接触器的过载并且能实现触发熔断保险丝。所述第二保护装置的该时间特性由此得到说明，首先不已知过载或短路电流最终出现的高度。所述过流识别装置的下极限值12必须定义为大于所述第一导线区段的运行范围25。所述低压关断装置的上限值9高于过流识别装置的最小极限12，从而得出重叠的范围11。
图2示出作为电网的车载电网10。所述车载电网包括作为电化学储能器的高压蓄电池3。在所述高压蓄电池3内，分离元件(例如熔断保险丝)4串联至电化学电池24，其中，所述电化学电池24仅象征性地代表多个电化学电池。设置一个或多个分离元件(例如接触器)8a、8b用于将从电化学电池24引出的电气导线连接到外围设备上或者从所述外围设备分离开。此外，所述高压蓄电池包括电流传感器7a和电压传感器7b，其中，所述电压传感器7b仅象征性地进行理解。所述电压传感器可以代表多个单格电池电压测量器或者也可以作为整个或部分电压测量器。由集成在高压蓄电池3中的微控制器7c计算传感器7a和7b的电流和电压值。所述微控制器7c控制所述接触器8a、8b以用于分离或连接电化学电池24的电气导线5、6。电气消耗器RL1和RL2经由电气导线与高压蓄电池3相连接。典型地，示出如下的第二导线区段6，所述第二导线区段可以经由第一导线区段5传输来自高压蓄电池3的电能到第一消耗器RL2上。基于短路RKs得到在导线区段5和6上的短路线路，短路电流流过所述短路线路。如果所述高压蓄电池3的电池24处于如下运行状态，在所述运行状态中即使在第二导线区段6内短路的情况下所出现的短路电流也不足够使熔断保险丝4及时地进行响应，则可以借助于电流传感器7a或者电池电压测量器7b、微处理器7c结合接触器8a、8b作为第二保护装置，通过断开接触器8a、8b来中断短路电流。
附图标记列表
1设备
2短路线路
3高压蓄电池
4熔断保险丝
5第一导线区段
6第二导线区段
7a电流传感器
7b电压传感器
7c微控制器
RL1第一导线区段中的电消耗器
RL2第二导线区段中的电消耗器
RKS短路电阻
Ri电化学蓄电池/高压蓄电池的可变内阻
8a、b接触器
9对于过载电路中的最大电阻的低压识别的上限
10车载电网
11低压和过流识别的重叠范围
12熔断保险丝4的触发特性曲线
13第一导线区段的极限曲线
14第二导线区段的极限曲线
24电化学电池
25连接在第一导线区段中的电消耗器的最大运行范围
26通过熔断保险丝对第一导线区段不能保护的范围
27通过熔断保险丝对第二导线区段不能保护的范围
I1直通开关/接触器的最大可切换的电流
I2过流识别的下极限值
I3第二导线区段的最大稳态运行电流
t1直至切断机制的干预的最小持续时间
t2最大允许的关断时间

Claims (10)

1.用于对具有电源(3)的受系统决定的、可变的源内阻的电网(10)中的第一运行状态(2)进行电气保护的设备(1)，所述设备包括：
-第一保护装置(4)，所述第一保护装置的响应性能不能充分地在第一运行状态中对电网(10)进行保护以防预定义的负载，以及
-第二保护装置(7a、7b、7c、8a、8b)，所述第二保护装置设置为用于对电网(10)进行保护以防如下负载，所述负载在第一运行状态中出现在第一保护装置(4)的响应性能以下。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二保护装置(7a、7b、7c、8a、8b)包括：
-低压关断器，所述低压关断器包括用于电化学储能器的电压测量装置(7b、7c)，和/或
-过流关断器，所述过流关断器包括电流测量装置(7a、7c)。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，用于过流关断器的下电流阈值(I2)和用于电池低压关断器的上电压阈值定义为使得过流关断器和电池低压关断器的响应范围(II、III)至少互相邻近、特别是重叠(11)。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述储能器(3)的串联的电池的总数目乘以在响应于电池低压关断器的情况下的最小的电池单格电压除以在响应于过流识别的情况下的下电流极限值(I2)而大于潜在的短路线路最大所能采用的短路电阻。
5.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，所述第二保护装置(7a、7b、7c、8a、8b)设置用于具有对于所述响应情况的惯性，一方面在未响应于熔断保险丝(4)的情况下也可靠地对潜在的短路线路(2)进行保护，并且另一方面熔断保险丝(4)对于第一运行状态之外的情况早于第二保护装置(7a、7b、7c、8a、8b)进行响应。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述第二保护装置(7a、7b、7c、8a、8b)的惯性适合于，在短时间的电流峰值的情况下抑制响应过程、特别是对应的短时间的调节干预。
7.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，所述短路线路(2)的第二导线区段(6)具有比第一导线区段(5)更小的导线横截面，并且其中，熔断保险丝(4)的强度极限对于在储能器(3)的第一运行状态中保护第二导线区段(6)而未充分地选择参数。
8.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，所述第二保护装置(7a、7b、7c、8a、8b)设置用于在响应情况下打开分离元件(8a、8b)。
9.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，在第一运行状态中，电源(3)具有比在第二运行状态中更高的内阻。
10.机动车，所述机动车包括储能器(3)和根据上述权利要求之一所述的设备(1)。
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