CN103802763B - 一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于车辆直流900V供电体制下的高压配电及高压安全保护技术领域，具体涉及一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置。该配电保护装置能够实现对大功率负载的配电管理；对容性负载的预充电和放电管理；对直流母线和各配电支路电压、电流、漏电流的实时检测和对各直流回路的过压保护、过流保护、短路保护、漏电保护、绝缘保护等功能。

Description

一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置
技术领域
本发明属于车辆直流900V供电体制下的高压配电及高压安全保护技术领域，具体涉及一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置。
背景技术
国内车辆电气系统供电体制以直流28V为主，为满足我国车辆应用电热化学炮、机电复合传动装置等更大功率负载的需要，电源系统输出功率必将大幅增加。受车内空间和电缆带载能力等因素的限制，低压大电流的供电方式将无法满足大功率负载的供电需求，提高电源系统供电电压势在必行。目前，某项目正在研究能够满足车辆大功率负载供配电需求的900V高压供电体制。由于900V电压远远超过人体安全电压,因此在这种供电体制下，高压安全保护技术将成为保证车上人员和设备安全的重要环节。所以研究一种新型的车辆直流高压大电流配电保护方案是很有必要的。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何解决车辆直流900V供电体制下对各种大功率高压负载的直流配电及高压安全保护问题。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，所述配电保护装置包括：多个高压直流接触器105、多个电压传感器101、绝缘检测电路108、预充电保护电路、放电电路；
所述多个高压直流接触器105用于控制各个高压负载正极线的通断；
所述多个电压传感器101用于采集各个高压负载回路的电压值；
车载的容性负载配电正支路设置所述预充电保护电路；所述预充电保护电路连接所述高压直流接触器105，用于避免容性负载上电瞬间产生的大电流冲击对高压设备造成损害，在容性负载开始工作前，所述预充电保护电路先对其进行预充电操作，根据电压传感器101采集的电压值，判断容性负载内部电容充电是否完成，待完成后再吸合该配电支路的高压直流接触器105；
各负载负极支路统一接至负母线110；正母线111、负母线110及各负载输出支路均与所述绝缘检测电路108相连；所述绝缘检测电路108与各配电支路相连处均配有用于控制各配电支路与绝缘检测电路108的接通和断开的绝缘检测开关109；
所述绝缘检测电路108用于在车辆高压上电前对各高压配电支路进行绝缘检测，通过所述各个电压传感器101以及绝缘检测电路108内部的小电流传感器401采集各配电支路的电压值、电流值，来计算该支路的绝缘电阻值，只有当系统绝缘状况达到绝缘指标要求后才能进行高压上电操作，否则通过CAN总线向上位机发出故障支路的绝缘报警信息；
所述配电保护装置还设置有放电电路，所述放电电路用于避免高压断电后，容性负载内部残余电荷对车上设备和人员造成威胁，其在高压断电后，通过外接的制动电阻对容性负载进行放电操作，使电容上残余电荷能够快速泄放，保证车上人员的安全。
其中，所述预充电保护电路由预充电开关106和预充电电阻104构成，所述预充电开关106和预充电电阻104通过导线跨接在容性负载配电正支路的高压直流接触器105主触点两端，用于在容性负载高压上电时对其进行限流充电，避免因容性负载上电瞬间产生的冲击电流对其他高压设备造成损害，预充电过程中通过比较高压电池组两端电压和容性负载配电回路电压状态来判断预充电过程是否结束。
其中，所述绝缘检测电路108包括：绝缘检测电源113、限流电阻112、电压传感器101、小电流传感器401以及各配电支路的绝缘检测开关109；进行绝缘检测时，所述绝缘检测电源113产生高电压，各配电支路上的绝缘检测开关109依次接通，通过计算所述电压传感器101、小电流传感器401采集到各配电支路的电压、电流数计算各配电支路的绝缘电阻；
其中，所述容性负载配电正支路上由预充电开关106代替绝缘检测开关109的功能。
其中，所述放电电路包括：放电接触器114、制动电阻正极上的高压直流接触器1053及各容性负载配电正极上的高压直流接触器1052；所述放电接触器114一端接至制动电阻301负极，另一端接至负母线110，放电时，容性负载配电正极上的高压直流接触器1052、制动电阻正极上的高压直流接触器1053及放电接触器114保持闭合状态，使电容电荷通过外接的制动电阻301进行泄放；如放电量较大，通过断开容性负载配电正极上的高压直流接触器1052，闭合预充电开关106，使电容电量经预充电电阻104限流后再通过制动电阻301进行泄放。
其中，所述配电保护装置还设置有电流传感器103、漏电流传感器102，所述电流传感器103、漏电流传感器102与所述电压传感器101一同对各高压配电回路的电流、电压、漏电流状况进行实时检测，配电保护装置每隔固定周期通过CAN总线向上位机发送一次状态信息，当检测到某高压配电回路的电压、电流、漏电流数值超出设定的保护阈值，配电保护装置通过CAN总线向上位机发出报警信号，同时采取相应保护措施。
其中，所述配电保护装置还在各容性负载配电正支路与正母线111之间设置有高压熔断器107。
（三）有益效果
本发明技术方案提供了一种新型的车辆用直流高压大电流配电保护装置，该装置主要用于实现对大功率负载的配电管理；对容性负载的预充电和放电管理；对直流母线和各配电支路电压、电流、漏电流的实时检测和对各直流回路的过压保护、过流保护、短路保护、漏电保护、绝缘保护等功能。
附图说明
图1为本发明技术方案的原理示意图。
图2为本发明技术方案的预充电示意图。
图3为本发明技术方案的放电示意图。
图4为本发明技术方案通过辅助电源法测量绝缘电阻的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，所述配电保护装置用于实现对大功率负载的配电管理，对容性负载的预充电和放电管理，对直流母线和各配电支路电压、电流、漏电流的实时检测以及对各直流回路的过压保护、过流保护、短路保护、漏电保护、绝缘保护等；具体而言，如图1至图4所示，所述配电保护装置包括：多个高压直流接触器105、多个电压传感器101、绝缘检测电路108、预充电保护电路、放电电路；
所述多个高压直流接触器105用于控制各个高压负载正极线的通断；
所述多个电压传感器101、多个漏电流传感器102、多个电流传感器103分别用于采集各个高压负载回路的电压值、漏电流值以及电流值；
车载的容性负载配电正支路设置所述预充电保护电路；所述预充电保护电路连接所述高压直流接触器105，用于避免容性负载上电瞬间产生的大电流冲击对高压设备造成损害，在容性负载开始工作前，所述预充电保护电路先对其进行预充电操作，根据电压传感器101采集的电压值，判断容性负载内部电容充电是否完成，待完成后再吸合该配电支路的高压直流接触器105；
各负载负极支路统一接至负母线110；正母线111、负母线110及各负载输出支路均与所述绝缘检测电路108相连；所述绝缘检测电路108与各配电支路相连处均配有用于控制各配电支路与绝缘检测电路108的接通和断开的绝缘检测开关109；
所述绝缘检测电路108用于在车辆高压上电前对各高压配电支路进行绝缘检测，通过所述各个电压传感器101以及绝缘检测电路108内部的小电流传感器401采集各配电支路的电压值、电流值，来计算该支路的绝缘电阻值，只有当系统绝缘状况达到绝缘指标要求后才能进行高压上电操作，否则通过CAN总线向上位机发出故障支路的绝缘报警信息；
所述配电保护装置还设置有放电电路，所述放电电路用于避免高压断电后，容性负载内部残余电荷对车上设备和人员造成威胁，其在高压断电后，通过外接的制动电阻对容性负载进行放电操作，使电容上残余电荷能够快速泄放，保证车上人员的安全。
其中，所述预充电保护电路由预充电开关106和预充电电阻104构成，所述预充电开关106和预充电电阻104通过导线跨接在容性负载配电正支路的高压直流接触器105主触点两端，用于在容性负载高压上电时对其进行限流充电，避免因容性负载上电瞬间产生的冲击电流对其他高压设备造成损害，预充电过程中通过比较高压电池组两端电压和容性负载配电回路电压状态来判断预充电过程是否结束。
其中，所述绝缘检测电路108包括：绝缘检测电源113、限流电阻112、电压传感器101、小电流传感器401以及各配电支路的绝缘检测开关109；进行绝缘检测时，所述绝缘检测电源113产生高电压，各配电支路上的绝缘检测开关109依次接通，通过计算所述电压传感器101、小电流传感器401采集到各配电支路的电压、电流数计算各配电支路的绝缘电阻；
其中，所述容性负载配电正支路上由预充电开关106代替绝缘检测开关109的功能。
其中，所述放电电路包括：放电接触器114、制动电阻正极上的高压直流接触器1053及各容性负载配电正极上的高压直流接触器1052；所述放电接触器114一端接至制动电阻301负极，另一端接至负母线110，放电时，容性负载配电正极上的高压直流接触器1052、制动电阻正极上的高压直流接触器1053及放电接触器114保持闭合状态，使电容电荷通过外接的制动电阻301进行泄放；如放电量较大，通过断开容性负载配电正极上的高压直流接触器1052，闭合预充电开关106，使电容电量经预充电电阻104限流后再通过制动电阻301进行泄放。
其中，所述配电保护装置还设置有电流传感器103、漏电流传感器102，所述电流传感器103、漏电流传感器102与所述电压传感器101一同对各高压配电回路的电流、电压、漏电流状况进行实时检测，配电保护装置每隔固定周期通过CAN总线向上位机发送一次状态信息，当检测到某高压配电回路的电压、电流、漏电流数值超出设定的保护阈值，配电保护装置通过CAN总线向上位机发出报警信号，同时采取相应保护措施。
其中，所述配电保护装置还在各容性负载配电正支路与正母线111之间设置有高压熔断器107，用作保险装置。
下面结合具体实施例来详细描述本发明技术方案。
实施例
本实施例提供一种车辆直流高压大电流组合配电保护装置，所述配电保护装置包括：高压直流接触器105、高压熔断器107、电压传感器101、电流传感器103、漏电流传感器102、预充电开关106、预充电电阻104、放电接触器114、绝缘检测电源113、限流电阻301、绝缘检测开关109。
如图1所示，本发明技术方案主要用于实现对高压负载的配电管理和高压安全保护等功能。高压配电保护装置通过CAN总线接收上位机发出的高压上电、高压断电信号，执行高压上电、断电操作。在车辆高压上电前，高压配电保护装置先通过绝缘检测电路对各高压配电支路进行绝缘检测，只有当系统绝缘状况达到绝缘指标要求后才能进行高压上电操作，否则通过CAN总线向上位机发出故障支路的绝缘报警信息。为避免容性负载上电瞬间产生的大电流冲击对高压设备造成损害，本方案针对容性负载设计了预充电电路。在容性负载开始工作前先对其进行预充电操作，待容性负载内部电容充电完成后再吸合该配电支路高压直流接触器。另外，为避免高压断电后容性负载内部残余电荷对车上设备和人员造成威胁，本实施例专门设置了放电电路，在高压断电后立即对容性负载进行放电操作，使电容上残余电荷能够快速泄放，保证车上人员的安全。
本方案所述高压配电保护装置通过电流传感器、电压传感器、漏电流传感器对各高压配电回路的电流、电压、漏电流状况进行实时检测，配电保护装置每隔100ms通过CAN总线向上位机发送一次状态信息，当检测到某高压配电回路的电压、电流、漏电流数值超出设定的保护阈值，高压配电保护装置通过CAN总线向上位机发出报警信号，同时采取相应保护措施。
本方案所述的高压配电保护装置的结构采用高、低压分区的方式进行设计。其中低压区采用封闭设计，使配电装置内的高压主支路与低压控制电路完全隔离，有效屏蔽了来自高压区强电磁干扰。高压区内的各传感器采集信号、接触器驱动信号等需要与低压控制电路相连的信号，均通过滤波穿墙接插件接入低压区。这里选用的滤波接插件可有效地滤除低压电源线和信号线中的串扰。这种结构设计使得低压控制电路与高压回路相互隔离，极大地提高了设备使用的可靠性、安全性和电磁兼容性。
具体而言，如图1所示，高压直流接触器105、高压熔断器107需根据各支路负载功率大小进行选取，所选高压直流接触器105应带有辅助触点，以便对接触器工作状态进行实时监控。预充电开关106、预充电电阻104及放电接触器114应根据容性负载电容容量选取。电压传感器101的选取应满足响应时间短，采集数据准确的要求，且传感器测量范围应能覆盖系统过压保护点；电流传感器103应具有穿线孔径大，响应时间短，采集数据准确的要求，同时测量范围应覆盖系统过流保护点。漏电流传感器102应具有穿线孔径大，响应速度快，测量精度高等特点。将各元器件按照图1所示进行连接，高压配电回路采用双线制，通过高压直流接触器105控制各高压负载正极线的通断，其中电机控制器等容性负载配电正支路设置预充电电路。各负载负极支路统一接至负母线110。正母线111、负母线110及各负载输出支路均与绝缘检测电路108相连，绝缘检测电路108与各配电支路相连处均配有绝缘检测开关109用于控制各配电支路与绝缘检测电路的接通和断开，其中容性负载配电正支路通过预充电开关106代替绝缘检测开关109的功能。
图2所示为容性负载预充电示意图。如图2所示，对容性负载201进行预充电操作时，应先闭合高压电池组正支路上的高压直流接触器105，然后闭合预充电开关106，通过预充电电阻104对容性负载201进行充电。然后比较电压传感器101和位于容性负载201前端的电压传感器101数值，当容性负载201前端的电压传感器101所采数值大于等于电压传感器101所采数值的90%时，闭合容性负载正支路处的高压直流接触器105，最后断开预充电开关106，此时预充电过程结束。在图1中，高压上电时，可同时对多个容性负载进行预充电操作。
图3所示为容性负载放电示意图。如图所示，放电时先断开高压电池组正极支路上的高压直流接触器1051，同时保持容性负载正支路上的高压直流接触器1052和制动电阻正支路上的高压直流接触器1053处于吸合状态，然后闭合放电接触器114，通过制动电阻301对容性负载201进行放电，待容性负载201前端的电压传感器101所传数据显示为零时放电过程结束，此时断开所有接触器和开关。如果容性负载残余电量太大，放电瞬间冲击电流易造成放电开关损坏，此时，可通过预充电电路对放电电流进行限流。方法是：在断开高压电池组正支路上的高压直流接触器1051后，断开容性负载201正支路上的高压直流接触器1052并保持制动电阻正支路上的高压直流接触器1053处于吸合状态，然后闭合预充电开关106和放电接触器114，通过预充电电路对容性负载201进行放电，放点结束后断开所有接触器和开关。
在图4中，在被测量导体和壳体之间通过绝缘检测电源施加测试电压UF，Rx为被测导体的绝缘电阻，R1为限流电阻，KJ1为绝缘检测开关，如有多个配电支路，则每一支路均需配备一个绝缘检测开关。本方案利用小电流传感器401来测量电流I1，用电压传感器5测量电源与课题之间的输出电压。绝缘检测开始后，首先闭合绝缘检测开关4，持续一段时间后，待电压传感器101和小电流传感器401采集到的数值稳定后，根据欧姆定律，计算出绝缘电阻，Rx=UF/I1-R1。检测结束后断开绝缘检测开关。本方案采用一个单独的电源模块给被测支路施加检测电压，所选电源模块的功率≤10W，且电源模块后端串接一个90K的限流电阻112，即R1。因此，绝缘检测电路最高输出10mA的电流，检测时不会对人体造成损害。另外，在对多个配电支路进行绝缘检测时，各支路应依次检测，不能同时检测。在图1中，绝缘检测时应先检测正母线的绝缘状况，如正母线绝缘状况有问题则应停止检测，待绝缘故障解决后再对其它支路进行检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，其特征在于，所述配电保护装置包括：多个高压直流接触器(105)、多个电压传感器(101)、绝缘检测电路(108)、预充电保护电路、放电电路；
所述多个高压直流接触器(105)用于控制各个高压负载正极线的通断；
所述多个电压传感器(101)用于采集各个高压负载回路的电压值；
车载的容性负载配电正支路设置所述预充电保护电路；所述预充电保护电路连接所述高压直流接触器(105)，用于避免容性负载上电瞬间产生的大电流冲击对高压设备造成损害，在容性负载开始工作前，所述预充电保护电路先对其进行预充电操作，根据电压传感器(101)采集的电压值，判断容性负载内部电容充电是否完成，待完成后再吸合该配电正支路的高压直流接触器(105)；
各负载负极支路统一接至负母线(110)；正母线(111)、负母线(110)及各负载输出支路均与所述绝缘检测电路(108)相连；所述绝缘检测电路(108)与各配电支路相连处均配有用于控制各配电支路与绝缘检测电路(108)的接通和断开的绝缘检测开关(109)；
所述绝缘检测电路(108)用于在车辆高压上电前对各高压配电支路进行绝缘检测，通过所述各个电压传感器(101)以及绝缘检测电路(108)内部的小电流传感器(401)采集各配电支路的电压值、电流值，来计算该支路的绝缘电阻值，只有当各配电支路绝缘状况达到绝缘指标要求后才能进行高压上电操作，否则通过CAN总线向上位机发出故障支路的绝缘报警信息；
所述配电保护装置还设置有放电电路，所述放电电路用于避免高压断电后，容性负载内部残余电荷对车上设备和人员造成威胁，其在高压断电后，通过外接的制动电阻对容性负载进行放电操作，使电容上残余电荷能够快速泄放，保证车上人员的安全。
2.如权利要求1所述的装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，其特征在于，所述预充电保护电路由预充电开关(106)和预充电电阻(104)构成，所述预充电开关(106)和预充电电阻(104)通过导线跨接在容性负载配电正支路的高压直流接触器(105)主触点两端，用于在容性负载高压上电时对其进行限流充电，避免因容性负载上电瞬间产生的冲击电流对其他高压设备造成损害，预充电过程中通过比较高压电池组两端电压和容性负载配电回路电压状态来判断预充电过程是否结束。
3.如权利要求2所述的装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，其特征在于，所述绝缘检测电路(108)包括：绝缘检测电源(113)、限流电阻(112)、电压传感器(101)、小电流传感器(401)以及各配电支路的绝缘检测开关(109)；进行绝缘检测时，所述绝缘检测电源(113)产生高电压，各配电支路上的绝缘检测开关(109)依次接通，通过计算所述电压传感器(101)、小电流传感器(401)采集到各配电支路的电压、电流数计算各配电支路的绝缘电阻；
其中，所述容性负载配电正支路上由预充电开关(106)代替绝缘检测开关(109)的功能。
4.如权利要求2所述的装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，其特征在于，所述放电电路包括：放电接触器(114)、制动电阻正极上的高压直流接触器(1053)及各容性负载配电正极上的高压直流接触器(1052)；所述放电接触器(114)一端接至制动电阻(301)负极，另一端接至负母线(110)，放电时，容性负载配电正极上的高压直流接触器(1052)、制动电阻正极上的高压直流接触器(1053)及放电接触器(114)保持闭合状态，使电容电荷通过外接的制动电阻(301)进行泄放；如放电量较大，通过断开容性负载配电正极上的高压直流接触器(1052)，闭合预充电开关(106)，使电容电量经预充电电阻(104)限流后再通过制动电阻(301)进行泄放。
5.如权利要求1所述的装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，其特征在于，所述配电保护装置还设置有电流传感器(103)、漏电流传感器(102)，所述电流传感器(103)、漏电流传感器(102)与所述电压传感器(101)一同对各高压配电回路的电流、电压、漏电流状况进行实时检测，配电保护装置每隔固定周期通过CAN总线向上位机发送一次状态信息，当检测到某高压配电回路的电压、电流、漏电流数值超出设定的保护阈值，配电保护装置通过CAN总线向上位机发出报警信号，同时采取相应保护措施。
6.如权利要求1所述的装甲车辆直流高压大电流组合配电保护装置，其特征在于，所述配电保护装置还在各容性负载配电正支路与正母线(111)之间设置有高压熔断器(107)。
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