CN103427492B - 用于在运载工具上的能源或存储设备以及特别用于超级电容器存储单元的电源电路 - Google Patents

用于在运载工具上的能源或存储设备以及特别用于超级电容器存储单元的电源电路 Download PDF

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Abstract

一种用于在运载工具上的能源或存储设备并且特别用于超级电容器存储单元的电源电路，所述超级电容器存储单元在于一个接另一个互连的多个超级电容器并具有第一端子和第二端子，所述电路包括正总线和负总线，负总线在某接地点处被连接到地，根据本发明所述电路还包括用于响应于对由于所述超级电容器存储单元的接地的绝缘损失而导致的故障电流循环的检测来断开超级电容器存储单元与高压馈电源的连接的装置，并且在电源电路中，用于断开超级电容器存储单元与高压馈电源的连接的所述装置在于沿着负总线在所述第二端子与所述接地点之间串联连接的高速断路器和差动继电器，差动继电器能够响应于故障电流循环来生成高速断路器的激活信号。

Description

用于在运载工具上的能源或存储设备以及特别用于超级电容 器存储单元的电源电路
背景技术
本发明涉及一种用于在运载工具上的能源或存储设备并且特别用于超级电容器存储单元的电源电路，所述超级电容器存储单元在于一个接另一个互连的多个超级电容器，所述超级电容器存储单元具有第一端子和第二端子，所述电路包括将所述超级电容器存储单元的第一端子连接到DC高压馈电源的正极的正总线和将超级电容器存储单元的所述第二端子连接到所述DC高压馈电源的负极的负总线，负总线在某接地点处被连接到地，所述电路还包括用于响应于对由于超级电容器存储单元的接地的绝缘损失而导致的故障电流循环的检测来断开超级电容器存储单元与高压馈电源的连接的装置。
在在运载工具上的能源或存储设备情况下并且尤其是在根据现有技术的超级电容器电力设备的情况下，针对由于存储模块对接地的绝缘损失而导致的故障电流的保护通常通过在正高压总线上使用高速断路器（circuit breaker）并且在负高压总线上使用保险丝来执行。这个解决方案至关重要，因为相对高的阻抗可能将短路电流限制到低于保险丝阈值的值。保险丝阈值有超过相对高的热流的强制性大小。这种短路是特别危险的，因为它们也许不立即导致大电流并因此它们不太可能被检测到。结果电流能够循环产生对设备的损害或者甚至由于过热而产生火灾。
由于上述原因，保险丝不适合于检测并且中断在正常条件下工作电流的相同幅值的故障电流，从而相对低的电流能够长时间循环产生对设备的损害或者甚至在没有可能被检测到的情况下产生火灾。
为了简单起见在以下描述中并且在权利要求中，使用了术语超级电容器电力单元或超级电容器存储单元，以便指示用于存储电能并且将电能供应给负载的无论哪种在运载工具上的电力设备，所述负载主要地而非以限制性方式在于机车的摆动的电动机。
储能系统，诸如超级电容器储能系统或其它种类的在运载工具上的电力设备对于铁路车辆来说是极感兴趣的，因为它们在相当大的程度上允许调节和减少所述车辆的能量消耗。确保它们的安全操作是一个重要问题，特别是在运输支路中并且具体地在铁路车辆中。
因为此类电力存储单元的组件被充电到高电位差，所以它们对接地绝缘的损失敏感以致故障电流被生成。
发明内容
本发明目的在于在对接地绝缘的损失和具有类似效果的其它故障情况下避免危险电流的循环，并且特别在于克服源自简单保险丝的使用的已知电源电路的缺点，所述简单保险丝不适合于检测并且中断低于熔断保险丝所需的电流阈值的故障电流，尤其是正常工作电流的相同幅值的故障电流。
本发明通过提供用于在运载工具上的能源或存储设备并且特别用于超级电容器存储单元的电源电路来实现上述目标，所述超级电容器存储单元在于一个接另一个互连的多个超级电容器，所述超级电容器存储单元具有第一端子和第二端子，所述电路包括将所述超级电容器存储单元的第一端子连接到DC高压馈电源的正极的正总线和将超级电容器存储单元的所述第二端子连接到所述DC高压馈电源的负极的负总线，负总线在某接地点处被连接到地，所述电路还包括用于响应于对由于超级电容器存储单元的接地的绝缘损失而导致的故障电流循环的检测来断开超级电容器存储单元与高压馈电源的连接的装置，并且在所述电源电路中，所述用于断开超级电容器存储单元与高压馈电 源的连接的装置在于沿着负总线在所述第二端子与所述接地点之间串联连接的高速断路器和差动继电器，所述差动继电器还在负总线中串联连接并且能够响应于通过测量正总线中和负总线中的电流的差所检测到的故障电流循环来生成高速断路器的激活信号。
在负高压馈电总线上高速断路器的采用在高电流情况下允许自动干预，而在低电流情况下，所述干预由差动继电器来管理。
无论哪种接地故障被差动继电器检测到都引起断路器分闸。在高故障电流情况下断路器固有跳闸设备也将引起其分闸。通过将差动继电器和断路器安装在负高压总线接地点与超级电容器组的负端子之间，本发明允许检测任何种类的故障并且允许相应地打开馈电线路以便使超级电容器存储单元与DC高压源绝缘。
当相对低的电流能够长时间循环产生对设备的损害或者甚至在没有可能被检测到的情况下产生火灾时，采用断路器代替保险丝能够有效地防止危险条件。
根据本发明的布置还引起适度的成本增加，因为通常在根据现有技术的电源电路中差动继电器已经被提供并且目前技术解决方案在正总线中采用高速断路器并且在负总线中采用保险丝，而在根据本发明的布置中高速断路器被提供在负总线中并且保险丝不再是必要的。此外在正总线上不再需要高速断路器。
根据本发明的实施例，简单的断开设备可以被提供在正总线上以便确保现有技术解决方案的相同安全断开。然而根本不要求这个断开设备用于中断故障电流。
附图说明
图1是用于超级电容器存储单元的电源电路。
具体实施方式
将借助于电源电路的实施例和表示所述电路的方案的附图1对本发明的特征及优点进行更详细的描述。
图1的实施例针对用于超级电容器存储单元的电源电路，但它能够被直接地或者在对于技术人员来说是明显的具有较少修改情况下应用于其它种类的在运载工具上的蓄电设备，特别用于铁路应用或类似应用。
参考图1，用于对超级电容器蓄电单元进行充电/放电的电源电路包括分别具有输入端子1和输入端子2的正总线和负总线，在所述输入端子1与输入端子2之间施加了DC高压电源的馈电线路电压。差动继电器3被插入在正总线线路11和负总线线路12中。
正和负总线线路11和12借助于充电/放电设备而被分别连接到超级电容器蓄电单元4的正输入端子401和负输入端子402，所述充电/放电设备由5来全局地指示并且未被更详细地描述，因为它不是本发明的一部分并且在本领域中本身是已知的。
在输入端子2与差动继电器输入端302之间的点（C）处，负总线线路12被连接到地。差动继电器3的驱动输出端303通过命令线路7被连接到高速断路器6的驱动输入端。高速断路器6被插入在充电/放电设备5的输出端与超级电容器蓄电单元4的负输入端子402之间的负总线线路12中。
所述命令线路7还可以连接高速断路器9，所述高速断路器9被提供在电源电路的输入端子1与差动继电器3的输入端301之间的正总线线路11中。
断路器8可以被提供在充电/放电设备5的正输出端与超级电容器蓄电单元4的正输入端子401之间的正总线11中。
框13指示由于对超级电容器蓄电单元4的接地的绝缘损失而导致的接地故障的发生。单元4可以是任何种类的电有功负载，尤其是储能设备或电动机。
参考附图1，显然无论哪种接地故障13被差动继电器3检测到，使断路器6打开负总线线路12的驱动信号被生成。差动继电器3测量在充电/放电设备5的输入端处的正总线线路11和负总线线路12中流动的电流的差。以这种方式，在超级电容器的绝缘损失情况下生成的危险电流被检测到并且其循环被防止。
在高故障电流情况下断路器固有跳闸设备也将引起其分闸。正如为技术人员所熟知的那样每个断路器设有机电设备，该机电设备被用来当某些异常电气条件如例如被所述机电设备检测到并且驱动断路器的跳闸的异常高电流的发生时，将断路器带到其断路或分闸位置。
在高压直流电源中，本发明考虑超过差动继电器阈值（用于牵引的典型值为约80安培）的强度的故障电流。
必须了解的是，为了检测任何种类的故障电流并打开馈电总线电路，差动继电器3和断路器6需要被安装在负高压总线线路的接地点（C）与超级电容器组4的对应负输入端子402之间。
图中的虚线I_接地故障示出了由于超级电容器存储单元4的超级电容器的绝缘损失能够生成的故障电流的可能通路。如果电流值超过差动继电器3的特定阈值，则该差动继电器将控制高速断路器6的机电跳闸设备引起断路器的跳闸。如果电流强度是非常高的，则将还存在确定跳闸动作的断路器6的所述跳闸设备的直接响应。
为了取得现有技术解决方案的相同安全断开，简单的断开设备8可以预见在正高压总线上。必须注意的是，不要求断开设备8能够中断故障电流。
此外同样地，可以如图1中所指示的那样提供第二高速断路器9，其也由差动继电器3来驱动并且仅具有中断充电/放电设备中的故障的功能。因此如从图1的实施例清楚地看出，根据本发明的电路根本不能够被认为是根据现有技术对正总线采用的已知配置的负总线上的对称化。本发明实际上在于将由差动继电器3所启动的高速断路器6放置在负总线上并且在充电/放电设备之间，更确切地说在由（C）所指示的负总线的接地点与负极上的超级电容器单元之间的特定位置中。

Claims (6)

1.用于在运载工具上的能源或存储设备并且特别用于超级电容器存储单元的电源电路，所述超级电容器存储单元在于一个接另一个互连的多个超级电容器，所述超级电容器存储单元具有第一端子和第二端子，所述电源电路包括将所述超级电容器存储单元的所述第一端子连接到DC高压馈电源的正极的正总线和将所述超级电容器存储单元的所述第二端子连接到所述DC高压馈电源的负极的负总线，所述负总线在特定的接地点处被连接到地，所述电源电路进一步包括用于响应于对由于所述超级电容器存储单元的接地的绝缘损失而导致的故障电流循环的检测来断开所述超级电容器存储单元与所述高压馈电源的连接的装置，并且在所述电源电路中，用于断开所述超级电容器存储单元与所述DC高压馈电源的连接的所述装置包括高速断路器和差动继电器，
其中，所述高速断路器沿着所述负总线、被串联连接在所述第二端子与所述接地点之间，
其中，所述差动继电器被串联连接在所述DC高压馈电源和所述存储单元之间的所述正和负总线中以响应于通过测量所述正总线中和所述负总线中的电流的差所检测到的故障电流循环来生成所述高速断路器的激活信号，其中所述接地点位于所述DC高压馈电源和所述差动继电器之间的负总线中。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其中，断开设备还被提供在所述正总线上，用于断开所述超级电容器存储单元与所述DC高压馈电源的所述正极的连接。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电源电路，其中，第一装置被提供用于检测具有高于特定阈值的强度的故障电流并且第二装置用于检测具有低于特定阈值的强度的故障电流，当故障电流被检测到时所述第一和第二装置驱动所述高速断路器。
4.根据权利要求3所述的电源电路，其中，用于检测具有高于特定阈值的强度的故障电流的所述第一装置在于所述高速断路器的跳闸设备，而用于检测具有低于特定阈值的强度的故障电流的所述第二装置在于驱动所述高速断路器的所述差动继电器。
5.根据权利要求1所述的电源电路，所述电源电路包括用于所述DC高压馈电源的正和负输入端子、用于将所述DC高压馈电源连接到所述超级电容器存储单元的所述第一和第二端子的正总线和负总线，在所述负总线上所述负输入端子被连接到地并且到差动继电器的一个输入端，并且所述正输入端子被连接到所述差动继电器的第二输入端，所述差动继电器的负输出端被连接到被放入在所述差动继电器与所述超级电容器存储单元的所述第二端子之间的高速断路器。
6.根据权利要求1所述的电源电路，其中提供充电/放电单元，所述充电和放电单元被放入在所述差动继电器与所述负总线上的所述高速断路器之间。
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