CN108028156A - 保护开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于进行直流电流中断,尤其是对载运工具(2)的机载电网(12、16)进行直流电流中断的保护开关(14),该保护开关具备带有开关(52)的主电流路径(22),并且具有用于检测流过主电流路径(22)的电流流动(I)的舌簧继电器(34)。开关(52)与舌簧继电器(34)联接。本发明此外涉及保护开关(14)的用途。

Description

保护开关
技术领域
本发明涉及一种用于进行直流电流中断的保护开关,其具备带有开关的主电流路径。保护开关尤其是载运工具、例如机动车或飞机的机载电网的组成部分。本发明此外涉及一种保护开关的用于确保载运工具机载电网的安全的用途。
背景技术
光伏设施通常具有一定数量的光伏模块,它们相互电串联或并联。光伏模块的联合本身借助电流线路与逆变器接触,借助逆变器,将由光伏模块提供的电能馈入到通常具有交流电流的供电网络中。相反由原理决定地,直流电流在电流线路中引导。为了在故障情况下将光伏模块与逆变器分离,通常使用保护开关,借助保护开关,阻止了基于存在的电流流动而引起的对逆变器的损坏或光伏模块的烧损。在此通常切换具有几十安培的电流强度的电流,其中,在各个电极之间,基于光伏模块内的适当的接线,在接触部上存在几百伏特的电压。
用于进行直流电流中断的保护开关的另外的使用领域是载运工具、例如飞机或机动车。在此,借助电动机驱动的机动车通常具有高压机载电网,其包括高压电池。借助高压电池提供在400V至500V之间的电压和直至几百安培的电流强度。在高压电池发生故障或与高压电池连接的逆变器或电动机内的短路的情况下,基于安全原因需要尽可能快速地切断高压机载电网。为了避免烧损高压电池需要尽可能小的开关时间。这在机动车发生事故时和在电动机或逆变器内的由此导致的短路时也必须得到确保,然而其中,取决于事故类型地并不能够排除保护开关的电流供应的失效。
另外的挑战是探测过电流本身,这是因为基于直流电流,不能使用借助线圈的变压器式的耦合来检测电流强度。因此通常考虑到双金属传感器或冲击衔铁系统(Schlagankersystem),其具有被电流流过的电线圈。然而在此,在电线圈内形成损耗,这一方面使效率降低,另一方面导致加热保护开关,保护开关必须适应于这种热输入。基于因此必需的冷却元件,提高了制造成本。为此的替选方案是使用分流器,其中,检测到在特定的线路区段上降低的电压,该线路区段的电阻是已知的。借助检测到的电压计算出电流流动。在此不利的是,电阻本身是依赖于温度的,这导致针对电流强度的包含误差的值。为此替选地,针对分流器选择具有基本上不依赖于温度的电阻的材料,然而这提高了制造成本。
在所有的保护开关中,传感器总是与引导待中断的电流流动的线路电接触,从而保护开关本身必须相对于另外的构件电绝缘。也必需的是,在保护开关内采取适当的与保护开关内的无意的短路相抗的措施,无意的短路此外导致电流流动的继续存在,并且因此导致保护开关的功能失效。
发明内容
本发明的任务是,给出一种特别适当的用于进行直流电流中断的保护开关,其中,尤其是提高了安全性并且优选降低了制造成本。本发明的另外的任务是给出保护开关的用途。
根据本发明,在保护开关方面,该任务通过权利要求1的特征解决,在用途方面通过权利要求15的特征解决。有利的改进方案和设计方案是从属权利要求的主题。
保护开关用于进行直流电流中断,并且尤其是适用于中断直流电流。优选地,保护开关设置和设立成用于中断直流电流。保护开关例如借助光伏设施或光伏模块电接触,并且例如是光伏设施或光伏电厂的组成部分。在为此的替选方案中,保护开关是载运工具的机载电网、例如高压机载电网的组成部分,高压机载电网具有大于100V、200V、300V或400V并且例如小于1000V或900V的电压。载运工具例如是飞机,并且机载电网例如用于给飞机的调节驱动器供电。在为此的替选方案中,载运工具是机动车,尤其是电动汽车或混合动力汽车。在此尤其地,保护开关是用于给机动车的主驱动器通电的机载电网的组成部分。
保护开关尤其是设置用于切换大于或等于10安培、100安培、200安培、300安培、500安培或600安培的电流。可以以保护开关进行切换的最大电流强度适宜地是900安培、1000安培、1500安培或2000安培。可以以保护开关进行切换的电压例如大于10V、50V、100V或200V。能切换的电压尤其是小于500V、600V、700V或1000V。
保护开关具有主电流路径,在运行时借助主电流路径引导待中断的直流电流。主电流路径包括开关,借助开关在操纵时中断电流流动。为此,开关优选包括两个接触部,它们可以借助适当地操控开关从导电的状态转移到不导电的状态。换言之,两个接触部导电地相互连接或者彼此电绝缘,其中适宜地,开关过程可逆地设计。开关适宜地具有另外的组成部分,它们不是主电流路径的组成部分,并且借助该另外的组成部分实现操控,从而影响流过主电流路径的电流流动。开关例如是半导体开关,尤其是功率半导体开关、例如门极关断晶闸管(GTO)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在为此的替选方案中,开关是机电开关、例如继电器,或具有一定数量的这种开关元件、例如相互并联或串联的半导体开关和机电开关。开关例如包括两个串联的机电开关或呈双中断器配置的接触器。
保护开关此外包括用于检测利用主电流路径引导的电流流动的舌簧继电器。换言之,舌簧继电器设置和设立成用于检测流过主电流路径的电流流动。这种继电器可比较廉价地制造,因此,保护开关的制造成本得到减小。也被称为舌簧开关或舌簧接触部的舌簧继电器优选具有玻璃管,玻璃管具有融合的由铁磁材料构成的接触舌。接触舌尤其是由铁镍合金制成并且设置和设立成用于依赖于外磁场相对彼此运动,其中,在特定的磁场强度中,两个接触部相互电接触。在另外的预定的磁场强度中,两个接触部相互电绝缘,适宜地相互间隔开。两个接触部尤其是布置在容器,例如管,优选玻璃管内,容器适宜地被填充以保护气体,例如氮气/氢气,或者惰性气体。替选地,壳体被抽真空。
开关与舌簧继电器例如在信号技术上联接或电联接。舌簧继电器尤其是布置成使得开关的开关状态依赖于借助舌簧继电器检测到的信号而改变。适宜地,舌簧继电器布置成使得在过电流通过主电流路径的情况下改变舌簧继电器的开关状态。
为了检测电流流动在此不需要与主电流路径的直接的电接触,因此,舌簧继电器优选与主电流路径电气分离,从而由于舌簧继电器引起的保护开关的短路基本上可以排除。此外,针对舌簧继电器的运行不需要电流,从而舌簧继电器一方面不需要用于运行的电能。另一方面,舌簧继电器在运行时同样没有被加热,从而不必采取比较昂贵的设计措施来对其进行冷却。此外,实现了在比较短的时间内检测到电流流动的改变,保护开关因此具有比较短的触发特性,从而提高了安全性。
特别优选地,开关具有机电开关或者借助机电开关形成。在此,借助电磁线圈使开关接触部运动,电磁线圈为此适宜地与其中一个开关接触部接驳。舌簧继电器优选与开关的电线圈例如直接地电接触或借助另外的电气构件电接触。舌簧继电器例如与电线圈并联。然而特别优选地,舌簧继电器与开关的电线圈串联,从而在改变舌簧继电器的开关状态时电线圈的通电被改变。在此例如,在舌簧继电器与电线圈之间接有仅一个电线路或另外的电构件。因此基于串联,在改变流过主电流路径的电流流动后并且因此在舌簧继电器的切换后基本上能够立即实现借助开关的电线圈来切换开关,因此,保护开关的开关时间进一步缩短并且提高了安全性。
舌簧继电器例如根据单刀单掷开关的类型设计,借助该单刀单掷开关仅能接入或关断一个电流流动。以该方式提供比较稳定的保护开关,其制造成本是比较小的。因此在操纵舌簧继电器时,开关的电线圈要么被通电,要么其通电被中断。因此,如果借助舌簧继电器执行开关过程,那么就借助开关实施开关过程。然而特别优选地,舌簧继电器具有双掷开关配置,其包括中间接头以及第一和第二接头,其中,视舌簧继电器的开关状态而定地,中间接头要么与第一接头电接触,要么与第二接头电接触。在此例如,第一接头在正常情况下与中间接头电接触,并且中间接头与第二接头电绝缘。换言之,第一接头是“常闭的”(NC),并且第二接头是“常开的”(NO)。舌簧继电器尤其是单稳态的转换器,或者至少根据单稳态的转换器的类型构建。在替选方案中,舌簧继电器是双稳态的转换器,或者至少根据双稳态的转换器的类型构建。
优选地,中间接头与开关的电线圈电接触,从而该电线圈根据开关状态要么与第一接头电接触要么与第二接头电接触。例如,中间接头直接与电线圈接触,或者保护开关的另外的电气构件位于它们之间,并且因此与中间接头和电线圈串联。然而至少没有舌簧继电器的另外的组成部分位于中间接头与电线圈之间。开关尤其是仅在电线圈通电时位于能导电的状态下,即是引导电流的。因此,在舌簧继电器的开关过程中,借助朝第二接头的电流流动降低了在线圈中存储的电能,因此开关时间进一步缩短。
为此适宜地,第一电容器与电线圈和舌簧继电器并联。第一电容器尤其是与舌簧继电器的第二接头电接触,第一电容器在正常状态下与中间接头电绝缘。因此在舌簧继电器的开关中,借助第一电容器和开关的电线圈形成振荡回路,借助该振荡回路,降低了在电线圈中存储的电能。适宜地,当保护开关位于导电的状态下(正常状态)时,第一电容器没有被充电,因此,一方面提高了第一电容器的可能的运行时间,另一方面阻止了电路短路的可能性。
在第一电容器与电线圈之间优选接有二极管,尤其是两个二极管,其中在此适宜地,在第一电容器的每个电极与电线圈之间布置有其中一个二极管,二极管的导通方向优选沿相同的方向指向。因此,在舌簧继电器的开关过程中实施单振荡过程,其中,基于电线圈的电感,电线圈的所存储的电能基本上完全转移充电到第一电容器上。由于二极管阻止了第一电容器的放电,因此可以排除使电线圈重新通电,重新通电将导致开关的无意的重新的闭合。
保护开关优选包括驱动线圈,即另外的电线圈。驱动线圈与第一电容器联接。尤其是借助第一电容器使驱动线圈通电。优选地,驱动线圈串联有二极管,借助二极管阻止了传递到驱动线圈上的电能返回第一电容器而降低。适宜地,驱动线圈与第二电容器电接触。驱动线圈例如与第二电容器并联。然而适当地,第二电容器与驱动线圈串联,从而借助第二电容器实现给驱动线圈通电,或者至少可以实现给其通电。例如,第二电容器与第一电容器电接触,或者在信号技术上与之连接。适宜地,两个电容器接线成使得在第一电容器的充电状态改变时实现给驱动线圈通电或者然而至少改变给驱动线圈的通电。因此在舌簧继电器的开关过程中,驱动线圈的通电发生改变和/或尤其是第二电容器的充电状态发生改变。基于驱动线圈能够实现第一电容器的放电,从而在触发保护开关后,在第一电容器中存储的电能降低,这提高了安全性。尤其是借助驱动线圈驱动构件,并且因此存储在驱动线圈中的能量降低。
适当地,驱动线圈借助开关元件与第二电容器电接触。换言之,在第二电容器与驱动线圈之间布置有开关元件。开关元件例如是半导体开关,尤其是晶闸管。半导体开关的控制极优选与第一电容器联接,例如电联接或在信号技术上联接,从而在充电状态改变时,开关元件发生切换,从而借助第二电容器使驱动线圈通电。换言之,驱动线圈借助晶闸管与第一电容器联接。适宜地,在正常状态下,即当保护开关在导电状态下时,第二电容器被充电,从而在第一电容器的充电状态超过借助晶闸管预定的阈值的情况下,在比较短的时间段内以比较大的电流流动给驱动线圈通电。
在本发明的实施方式中,驱动线圈借助耦合器与第一电容器联接。耦合器尤其是电气分离的耦合器,从而驱动线圈与第一电容器电气分离并且因此也与舌簧继电器电气分离。例如在运行时,尽管存在电气分离,但仍能够借助耦合器实现脉冲传递。适宜地,耦合器是传递器或尤其是光耦合器,其在输入侧尤其是具有发光二极管(LED)并且/或者在输出侧具有光电二极管、光电晶体管和/或双向触发二极管(DIAC)。
在此适宜地,第二电容器与主电流路径电接触。第二电容器的电极尤其是直接与主电流路径电接触,尤其是与保护开关的其中一个接头电接触。第二电容器的第二电极优选与保护开关的另外的接头例如直接地电接触或借助另外的结构元件电接触。适宜地,在保护开关运行时,如果保护开关是机载电网的组成部分,那么在第二电容器上存在机载电网电压。第二电容器为此尤其是适当地布置。因此在运行时,借助第二电容器存储比较大量的电能,从而在切换舌簧继电器时,为了给驱动线圈通电不仅仅提供存储在开关的电线圈内的能量(其借助第一电容器被传递到驱动线圈上),而且还提供与之相比更大量的能量,因此,可能的、借助驱动线圈驱动的构件比较快地被加速。基于耦合器,第二电容器在此与舌簧继电器电气分离,这提高了安全性。
耦合器优选与开关元件电接触,尤其是与半导体开关的门极、尤其是晶闸管的门极(如果存在的话)电接触,从而借助晶闸管建立驱动线圈与耦合器之间的联接。适宜地,耦合器与第一电容器并联。
第二电容器的电极尤其是借助第三电容器与主电流路径电接触。换言之,第二电容器和第三电容器串联,其中,第三电容器布置在第二电容器与主电流路径之间。以该方式实现第二电容器与主电流路径之间的电气分离,这进一步提高了安全性。此外,在第二电容器上不存在主电流路径上存在的全部的电压,因此,第二电容器可以更小地确定规格,这减少了制造成本。在为此的替选方案中考虑到第二电容器与主电流路径之间的另外的电气分隔。
在另外的替选方案中,驱动线圈与第一电容器借助并联电路联接。换言之,驱动线圈与第一电容器并联并且与之电接触。在此优选地,开关元件或另外的开关元件与驱动线圈串联,从而借助操纵开关元件,例如半导体开关,如晶体管或晶闸管,实现了借助第一电容器给驱动线圈通电。以该方式,借助驱动线圈降低了在第一电容器中存储的电能。在此尤其地,第二电容器(如果其存在的话)与第一电容器并联,其中适宜地,借助二极管阻止了从第二电容器到第一电容器的电流流动。
保护开关例如包括副电流路径,其具有舌簧继电器和开关的电线圈。如果保护开关是机动车的机载电网的组成部分,那么适宜地,借助主电流路径确保机动车的高压机载电网的安全。副电流路径在此优选地是低压机载电网的组成部分,其例如具有12V、24V或42V。副电流路径的电压和/或电流尤其是小于主电流路径的分别相对应的值。因此,借助开关没有中断借助开关的电线圈引导的电流流动。因此在运行时,开关的电线圈以及舌簧继电器引导比较小的电压/电流,其中,借助保护开关也可以切换比较大的、借助主电流路径引导的电流/电压。
在本发明的替选的实施方式中,保护开关包括控制单元,其例如借助电构件和/或电子构件建立。控制单元例如包括微处理器。舌簧传感器(舌簧继电器)在信号技术上与控制单元联接,其又在信号技术上与开关连接。因此在识别出故障的情况下,首先借助舌簧开关(舌簧继电器)传送信号至控制单元,借助控制单元评估该信号。如果借助舌簧继电器检测到的电流流动超过阈值,那么借助控制单元建立用于开关的控制信号,从而主电流路径被电中断。开关在此例如是半导体开关,其控制极与控制单元例如电接触。半导体开关例如是功率半导体开关,如门极关断晶闸管(GTO)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。为此替选地,开关是机电开关(如继电器)或具有一定数量的这种开关元件,如相互并联或串联的半导体开关和机电开关。开关例如包括两个串联的机电开关或呈双中断器配置的接触器。控制单元适宜地包括能量存储器,例如电池或电容器,从而即使在用于控制单元的外部的能量供应发生故障时也至少能够在特定的时间段内实现监控。
开关优选具有衔铁,其至少部分布置在电线圈内。衔铁与开关的其中至少一个开关接触部机械联接,尤其是接驳在其上,优选紧固在其上。因此在电线圈的通电改变时,衔铁在电线圈内运动。例如,衔铁和/或开关接触部受到弹簧负荷。如果使电线圈通电,那么弹簧力借助通过电线圈提供的磁力被抵消。因此,在电线圈的通电中断时,基于作用的弹簧力使开关接触部运动,从而开关转移到打开状态下。以该方式提高了安全性。
适宜地,辅助驱动器与衔铁联接。适宜地,只有当舌簧继电器被切换,辅助驱动器才被激活。因此在故障/过电流情况下,衔铁比较快速地运动,从而保护开关的开关时间缩短。适宜地,如果驱动线圈存在的话,那么驱动线圈是辅助驱动器的组成部分。因此,借助辅助驱动器降低了在电线圈中存储的电能。因此,衔铁基于已经在保护开关中存储的电能而加速。在此特别优选地存在第二电容器,从而借助辅助驱动器施加的力是比较大的。
适宜地,辅助驱动器包括涡流驱动器。涡流驱动器具有第二电线圈,适宜地在保护开关的导电状态下,电导体机械地贴靠在第二电线圈上,其中,在它们之间优选布置有绝缘层。电导体适宜地与衔铁联接,或者借助另外的元件与衔铁联接。因此在给尤其是驱动线圈的第二电线圈通电时,基于磁场的不均匀性,在建立了磁场的情况下并且在电导体内的因此感应出涡流的情况下,电导体本身与第二电线圈分开。在此,此外也被称为操纵元件的电导体例如在机械上直接与衔铁联接,从而辅助驱动器直接作用到衔铁上。
在为此的替选方案中,辅助驱动器包括机械弹簧元件,其借助易曲的连接元件接驳在衔铁上。连接元件例如是钢带,或者由橡胶、绳子或类似物制成。因此,借助辅助驱动器仅能够实现朝一个方向的力施加,因此,衔铁也可以在没有操纵辅助驱动器的情况下切换。适宜地,在连接元件上接驳有机械弹簧元件,如螺旋弹簧或缠绕的扭转弹簧。弹簧元件例如借助锁定,尤其是利用涡流驱动器的操纵元件(如果其存在的话)保持在张紧状态下。因此在触发辅助驱动器的情况下,锁定松开,并且借助弹簧元件通过连接元件使衔铁加速。如果锁定存在,那么机械弹簧元件适宜地被张紧。换言之,在机械弹簧元件中存储有机械能。因此,即使在辅助驱动器以比较小的能量通电时也能够实现将比较大的力施加到衔铁上,为此在安装时,机械弹簧元件被预紧。
主电流路径适宜地包括汇流排,其例如借助铜轨制成。汇流排适宜地在外侧是电绝缘的,这避免了短路。汇流排在周向侧至少部分被载体包围,该载体尤其是形状锁合地贴靠在汇流排上。载体适宜地由铁磁材料制成,并且例如套到汇流排上。因此,包围汇流排的磁场借助载体成形。载体具有留空部,在留空部内定位有舌簧继电器。留空部尤其是槽形地设计,其中,槽的开口适宜地借助汇流排封闭。为此替选地,留空部根据空隙的方式设计,从而载体基于空隙没有完全环绕汇流排地设计,而是具有两个彼此间借助空隙间隔开的端部。因此,基本上仅借助基于借助汇流排引导的电流流动引起的磁场线穿过舌簧继电器。因此,基于由铁磁材料构成的载体,借助舌簧继电器基本上仅检测到借助电流流动产生的磁场。相反地借助舌簧继电器仅以比较小的程度检测到外部的另外的磁场,因此,错误触发的数量是比较小的。
适宜地,舌簧继电器保持在留空部内,其中,在载体与舌簧继电器之间形成气隙。借助气隙在此能够实现的是设定通过主电流路径引导的电流流动的电流强度,从该电流强度开始触发舌簧继电器的开关过程。换言之,借助气隙,将穿过舌簧继电器的磁场的强度设定为穿过载体的磁场的一小部分。因此,借助改变载体,尤其是借助设定气隙能够实现设定保护开关(触发阈值)。而无需更换舌簧继电器。因此,在制造保护开关时不依赖于期望的使用条件地仅需要唯一一种舌簧继电器。
适宜地,舌簧继电器在留空部内借助保持器保持,从而气隙即使在保护开关振动时也基本上是恒定的。在此,舌簧继电器至少部分形状锁合地和/或力锁合地被如下保持器包围,该保持器至少部分布置在留空部内。保持器本身适宜地由顺磁材料或抗磁材料制成。保持器的材料的磁导率尤其是基本上在0.9至1.1之间,并且适宜地基本上等于1,从而借助保持器基本上没有影响借助载体引导的磁场。
为了确保载运工具、如机动车或飞机的机载电网的安全而使用如下保护开关,该保护开关具备带有开关的主电流路径和用于检测流过主电流路径的电流流动的舌簧继电器。开关与舌簧继电器例如电联接或在信号技术上联接。机载电网特别优选地是高压机载电网,借助高压机载电网引导具有大于10安培、20安培、50安培、100安培或200安培的电流强度的电流。由高压机载电网最大承载的电流强度尤其是小于2000安培、1800安培或1500安培。高压机载电网的电压尤其是大于100V、200V、300V或350V。适宜地,高压机载电网的电压小于1000V、800V或600V。
附图说明
随后,借助附图详细阐述本发明的实施例。其中:
图1示意性地简化地示出具备带有保护开关的高压机载电网的机动车;
图2以截面图示出保护开关的汇流排和用于检测流过汇流排的电流流动的舌簧继电器,该舌簧继电器布置在载体的留空部内;
图3以俯视图示出套到汇流排上的载体;
图4示出保护开关的开关的布置在电线圈内的衔铁,该衔铁与辅助驱动器的第一实施方式联接;
图5示意性地示出与衔铁联接的辅助驱动器的另外的实施方式;
图6以框图示出保护开关的第一实施方式;和
图7至9分别以电路图示出保护开关的不同的设计方案。
彼此相应的部分在所有图中设有相同的附图标记。
如果单个构件被称为第一、第二、第三…构件,那么这尤其是仅用于表示各个构件。这尤其是不意味着存在特定数量的构件。
具体实施方式
在图1中示意性地简化地示出机动车2,其具有驱动车轮4以及未被驱动的车轮6。驱动车轮4与电动机8联接,该电动机具有未详细示出的逆变器。给逆变器/电动机8通电借助高压电池10实现,借助高压电池提供电能,其中,在高压电池的两极之间存在400伏特的电压。高压电池10借助电线路11与逆变器/电动机8联接,其中,借助电线路11引导直至1000安培的电流流动I。高压电池10、电线路11和逆变器/电动机8是高压机载电网12的组成部分。
为了确保高压机载电网12的安全,该高压机载电网具有保护开关14,其在过电流时,即在超过1000安培且例如基于逆变器/电动机8内的短路引起的电流流动I时被触发,并且因此将高压电池10与逆变器/电动机8电分离。机动车2此外具备带有低压电池18的低压机载电网16,在低压电池的各个电极之间存在12V或48V的电压。低压机载电网16此外包括一定数量的调节驱动器20,借助调节驱动器可以电动地调整调整部件,例如车窗或座椅。
保护开关14具备带有汇流排24的主电流路径22,汇流排在图2中以横截面图示出并且在图3中以俯视图示出。基本上长方体状的汇流排24具有铜芯,即由铜建立的芯,其在外侧被由塑料构成的绝缘层26包围,从而可以基本上排除与保护开关14的另外的部件的电短路。汇流排24由载体28包围,该载体同样基本上长方体状地设计。载体28由铁磁材料制成,并且具有中心开口30,在中心开口内形状锁合地布置有汇流排24。此外,载体28包括平行于汇流排24延伸的槽形的留空部32,其开口借助汇流排24封闭。换言之,留空部32和开口30相互连接。在留空部32内布置有舌簧继电器34,然而该舌簧继电器与载体28在构造有气隙36的情况下间隔开。换言之,舌簧继电器34没有贴靠在载体28上。舌簧继电器34借助保持器38保持在留空部32内,从而即使在保护开关14振动时也保持存在气隙36。保持器38由具有导磁率μr=1的材料制成并且在端部侧例如支撑在汇流排24上。
舌簧继电器34具有布置在玻璃管40内的开关接触部42,该开关接触部与中间接头44电接触。开关接触部42由镍铁合金制成并且可以在第一接头46与第二接头48之间枢转。玻璃管40本身被填充以氮气。如果存在电流流动I并且因此电流朝垂直于图2所示的横截面的方向50流动,那么围绕汇流排24构造出磁场,该磁场借助载体28被导引通过舌簧继电器34。依赖于磁场的强度地枢转开关接触部42,从而中间接头44要么与第一接头46电接触,要么与第二接头48电接触。因此,借助舌簧继电器34检测电流流动I是否超过特定的值,其中,针对这种检测,即针对传感器的运行本身不需要电能。
在图4中片段地示出保护开关14的开关52,其根据机电开关的类型构造并且例如包括用于双中断部的接触桥54(图8、9)。开关52具有电线圈56,该电线圈在沿纵轴线的截面图中示出。在线圈56内定位有由铁磁材料或永磁体构成的衔铁58,该衔铁在端部侧在构造有耦联部位60的情况下从电线圈和包围该电线圈的磁轭62中凸出,磁轭由铁磁材料、例如铁制成,并且例如由实心铁芯制成或者层压地设计,即实施为具有各个相互电绝缘的板材的叠片组,该叠片组尤其是由各个电工钢构成。在耦联部位60上接驳有接触桥54。
在衔铁58的对置的端部上接驳有形式为钢带的易曲的连接元件64,借助该连接元件将辅助驱动器66与衔铁58连接。辅助驱动器66具有形式为弹簧的机械弹簧元件68,在该弹簧元件上,在端部侧接驳有端部元件70,在端部元件上紧固有连接元件64。借助机械弹簧元件68,通过连接元件64将力沿打开方向72施加到衔铁58上。在衔铁58沿打开方向72运动时,流过主电流路径22的电流流动I被中断,并且例如接触桥54朝打开姿态运动。
端部元件70利用保持元件74锁定,从而尽管机械弹簧元件68被张紧,端部元件70还是保持在之前限定的位置中。基于易曲的连接元件64,能够实现衔铁58沿打开方向72的运动,用以中断电流流动,其中,辅助驱动器66没有被激活。然而在激活辅助驱动器66并且保持元件64从端部元件70松开并且因此取消锁定时,基于连接元件64,使衔铁58沿打开方向72运动,其中,机械弹簧元件68放松。保持元件74借助第二机械弹簧元件76挤压端部元件70和在那里形成的留空部,从而存在锁定。
在保持元件74与第二机械弹簧元件76之间定位有涡流驱动器78,其具有驱动线圈80和操纵元件82,其中,操纵元件82在端部侧与第二机械弹簧元件76连接。操纵元件82由导电材料、例如铝制成,并且具备带有例如圆形的横截面的盘形形状。因此在驱动线圈80通电时,操纵元件82与第二机械弹簧元件76的弹簧力相抗地运动,并且因此保持元件74远离端部元件70,这松开它们相互间的嵌接。因此,基于机械弹簧元件68使端部元件70并且因此还有借助连接元件64与端部元件联接的衔铁58沿打开方向72运动。
在图5中示出辅助驱动器66的另外的设计方式,辅助驱动器与开关52的衔铁58联接,衔铁如在之前的实施方式中那样也布置在电线圈56内。电线圈56本身又借助磁轭62包围。衔铁58在其一个纵向侧也具有耦联部位60。在剩余的端部上同样紧固有连接元件64,该连接元件可以易曲地或然而也可以坚硬地设计。连接元件64连接在辅助驱动器66的操纵元件82上,辅助驱动器原则上与之前的实施例相同类型地设计。在此,操纵元件82也盘形地设计成具有圆形的横截面,并且由铁磁材料、如铝制成。在开关的闭合状态下,操纵元件82松弛地贴靠在驱动线圈80上,然而与之前的实施例不同地,该驱动线圈被设计成用于具有提高的电流强度的电流,为此,驱动线圈80由比较粗的金属线缠绕成。此外,驱动线圈80紧固在磁轭62上。
在驱动线圈80通电时,操纵元件82远离驱动线圈,并且基于连接元件64,衔铁58沿打开方向72被拉离电线圈56。如果开关52在正常运行时被操纵,即不存在故障情况,那么电线圈56适当地被操控。在此没有给驱动线圈80通电,并且如果连接元件64坚硬地实施,那么使衔铁58以及操纵元件82沿打开方向72运动,用以中断电流流动。如果存在故障情况,即例如过电流,那么附加地给驱动线圈80通电,这增大了衔铁58沿打开方向72的加速。
在图6中示意性地以框图示出保护开关14的第一实施方式。保护开关14具有主电流路径22,该主电流路径在端部侧分别具有接触接头84,用以电接触高压机载电网12的电流线路86。主电流路径22具有开关52,从而借助开关52可以设定两个接触接头84之间的电流流动I。因此,两个接触接头84借助开关52要么相互电接触,要么相互电分离。开关52借助第一信号线路88与控制单元90在信号技术上联接,该控制单元具有形式为电池的能量存储器92。在运行时,电池92借助低压机载电网16充电。基于能量存储器92,即使在低压机载电网16停止运转时也能够实现控制单元90和保护开关14的运行。
控制单元90此外借助第二信号线路94与舌簧继电器34在信号技术上联接,该舌簧继电器例如布置在载体28内。借助舌簧继电器34检测电流流动I,并且借助第二信号线路94将该值导引至控制单元90。如果检测到的值超过特定的阈值,那么借助第一信号线路88操控开关52,从而在保护开关14的两个接触接头84之间的电流流动I被中断。开关52例如是机电开关或半导体开关,例如功率半导体开关,如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或门极关断晶闸管(GTO)。视开关52的设计方案而定地,在此借助第一信号线路88,将电流流动或电压用作用于操纵开关52的信号。
图7示出保护开关14的另外的实施方式,其中,开关52也设计为机电开关并且因此具有电线圈56。在电线圈56内布置有衔铁58,在衔铁上接驳有接触桥54或其他的开关接触部,或者衔铁与接触桥或其他的开关接触部至少作用连接。开关52具有线圈电阻Rs,其是欧姆电阻,并且例如基于不同的材料在开关52内形成,并且与电线圈56串联。电线圈56与舌簧继电器34电串联,并且直接与舌簧继电器34的中间接头44电接触。舌簧继电器34的第一接头46朝形式为场效应晶体管的半导体开关元件96引导,即朝其“漏极”引导,场效应晶体管的“源极”与第二接触接头98电接触,借助第二接触接头提供保护开关14与低压机载电网16的连结。在此,第一齐纳二极管DZ1与场效应晶体管并联。第二接触接头98朝接地端GND引导。线圈电阻Rs相反地朝第三接触接头100引导,其电势为12伏特并且借助低压电池18提供。因此,在第二和第三接触接头98、100之间形成副电流路径102,该副电流路径具有电串联的电线圈56和舌簧继电器34。
也串联的第一二极管D1、第一电容器C1和第二二极管D2与舌簧继电器34和电线圈56以及线圈电阻Rs并联。在此,第二二极管D2与舌簧继电器34的第二接头48电接触,其中,导通方向从第二接头48朝第一电容器C1的方向指向。辅助驱动器66的驱动线圈80与第一电容器C1并联,辅助驱动器基于不同使用的材料同样具有形式为驱动线圈电阻RH的欧姆电阻。在辅助驱动器66与第一电容器C1之间,第三二极管D3一方面与第一电容器C1的其中一个电极电接触,并且第四二极管D4与第一电容器C1的剩余的电极电接触。
辅助驱动器66此外具有另外的二极管DH,其与驱动线圈80和驱动线圈电阻RH并联并且其导通方向与第四二极管D4和第三二极管D3的导通方向相反地指向。在第三二极管D3和驱动线圈电阻RH之间接有第二晶闸管T2,其门极与由第二齐纳二极管DZ2和第一电阻R1构成的串联电路电接触。尤其不存在另外的齐纳二极管,从而辅助驱动器66仅具有唯一的齐纳二极管,即第二齐纳二极管DZ2。第一电阻R1与第一电容器的电极电接触,该电极同样与第二二极管D2和第四二极管D4电接触。由第五二极管D5和第二电容器C2构成的串联电路与由驱动线圈80和驱动线圈电阻RH以及第二晶闸管T2构成的串联电路并联,其中,第五二极管D5的阴极朝第四二极管的阴极引导。
第二电容器C2的与第五二极管D5接触的电极此外朝第六二极管D6的阴极引导,第六二极管的阳极通过第二电阻R2与第三接触接头100电接触。第二电容器C2的与第二晶闸管T2和第三二极管D3电接触的电极通过第七二极管D7朝第二接触接头98引导,其中,第二电容器C2与第七二极管D7的阳极电接触。因此,驱动线圈80借助第二晶闸管T2一方面与第二电容器C2电接触。另一方面,驱动线圈与第一电容器C1联接。
在保护开关14运行时,半导体开关元件96被操控,从而副电流路径102是引导电流的。因此,电线圈56被通电并且开关52的开关接触部闭合,因此,主电流路径22也是导电的。因此能够实现电动机8的运行。此外,第二电容器C2通过第六二极管D6和第七二极管D7充电,从而在第二电容器上存在低压机载电网16的电压,在该示例中是12V。借助第六二极管D6防止了第二电容器C2的放电。如果借助舌簧继电器34探测到通过主电流路径22的过电流,即如果通过主电流路径22的电流流动I超过特定的阈值,并且因此包围主电流路径22的磁场超过特定的值,那么舌簧继电器的开关接触部42与第一接头46间隔开,并且与第二接头48电接触。因此,在第二和第三接触接头98、100之间的经由副电流路径102的电流流动被中断。还在电线圈56中存储的电能通过第二二极管D2传递到第一电容器C1上。能量从第一电容器C1至线圈56的回振(zurückschwingen)基于第二二极管D2和第一二极管D1被中断。因此,将衔铁保持在电线圈56内的磁场比较快速地降低。因此,如果衔铁58借助线圈56与弹簧力相抗地保持,那么基于弹簧力使衔铁58比较早地运动。
如果第一电容器C1借助电线圈56完成充电,只要在第一电容器上存在的电压超过阈值(其可以借助第一电阻R1、第二齐纳二极管DZ2、第三二极管D3以及第一电容器C1设定),那么就使第二晶闸管T2点火。因此,通过驱动线圈38降低了在第一电容器C1中存储的电能,该驱动线圈因此被通电。
此外,基于已点火的第二晶闸管T2借助第二电容器C2使驱动线圈80通电,第二电容器与第一电容器C1相比具有更大量的存储的能量。借助第四二极管D4和第五二极管D5阻止了驱动线圈80的回振和因此阻止了驱动线圈80的极性反转。基于在第一电容器C1和第二电容器C2中存储的能量,针对驱动线圈80提供比较大量的能量来运行。优选地,辅助驱动器66根据图4所示的实施方式设计,其中,因此即使在基于机械弹簧元件68引起操纵元件82的很小的运动的情况下,就已经将超过能借助驱动线圈80施加的力的比较大的力作用到衔铁58上。因此加速了开关52的开关接触部的切换。因此,在探测到过电流后的比较短的时间段后,已经借助舌簧继电器34中断主电流路径22。
图8中示出根据图7的保护开关的另外的实施方式。具有在第二接触接头98与第三接触接头100之间串联的电线圈56、舌簧继电器34以及半导体开关元件96的副电流路径102在此与之前的实施方式相比没有改变。电线圈56与中间接头44的接触和第一接头46与半导体开关元件96的接触也相应于之前的实施方式。舌簧继电器34和线圈56也借助第一电容器C1、第一二极管D1和第二二极管D2被电跨接,其中,第二二极管D2的阳极和第二接头48电接触,如在之前的实施方式中一样。
与之前的实施方式不同地,它们的阳极相互电接触的第三二极管D3和第二齐纳二极管DZ2与第一电容器C1并联。第三二极管D3的阴极朝第一二极管D1的阳极引导,第二齐纳二极管DZ2的阴极朝第二二极管D2的阴极引导。
保护开关14此外具有光耦合器IC1,其发光二极管104在阴极侧与第一二极管D1的阳极电接触,并且在阳极侧通过第一电阻R1和第三齐纳二极管DZ3与第二二极管D2的阴极电接触。第二二极管D2的阴极和第三齐纳二极管DZ3的阴极相互电接触。因此,光耦合器IC1的发光二极管104与第一电容器C1并联。在输出侧,光耦合器IC1具有双向触发二极管(DIAC)106,其一方面与第一晶闸管T1的门极电接触,并且通过第四电阻R4和第三电阻R3与第一晶闸管T1的阳极电接触。第一晶闸管T1的阴极与第二晶闸管T2的门极电接触,第二晶闸管的阳极又与辅助驱动器66电接触,并且因此与驱动线圈88电接触。第二晶闸管T2与辅助驱动器66的接线在此同样相应于之前的设计方式。驱动线圈88此外朝第四和第三电阻R4、R3引导,即借助第三电阻R3朝第一晶闸管T1引导,并且借助第四电阻R4朝双向触发二极管106引导。
第二电容器C2和第五二极管D5又与辅助驱动器66和第二晶闸管T2电并联,其中,第五二极管D5和第二电容器C2彼此串联。第二电容器C2的两个电极也一方面与第七二极管D7电接触,另一方面与第六二极管D6和第二电阻R2电接触。然而,它们没有朝副电流路径102引导,而是朝主电流路径22引导,即朝电动机8的有效电阻R负载的两侧引导,电动机因此借助保护开关14来监控。因此在运行时,在第二电容器C2上存在高压电池的电压,即高压电池10的正电势HV+和负电势HV-。在两个电势之间形成的电压为400V,从而在第二电容器C2上同样存在400V。
在保护开关14运行时,半导体开关元件96以如下方式被操纵,即,使副电流路径102是引导电流的。因此,开关52的电线圈56被通电,并且使接触桥54运动到闭合状态中,从而借助主电流路径22能够实现电流流动I。在此,电动机8被通电并且因此驱动机动车12。第二电容器C2在此总是充电到借助高压电池10提供的电压上,从而在第二电容器上存在400V。借助阻断电流的第二晶闸管T2和第六二极管D6阻止了放电。为了按计划中断给电动机8的通电,例如重新操纵半导体开关元件96,从而中断流过副电流路径102的电流流动,并且因此接触桥54运动到打开位置并且因此中断给电动机8的通电。
如果在运行时借助主电流路径22引导过电流,那么基于改变的磁场,舌簧继电器34被操纵,并且因此开关接触部42朝第二接头48枢转,从而中断给电线圈46的通电。在此基于未示出的弹簧负荷,与衔铁58联接的接触桥54被带到打开状态中。电线圈56又向第一电容器C1放电,从而仅抵抗基于继续借助电线圈56建立的磁场导致的比较小的磁力将接触桥54带到打开状态中。
借助第二齐纳二极管DZ2防止第一电容器C1上的过电压,从而使第一电容器免受损坏。第三齐纳二极管DZ3的反向电压小于第二齐纳二极管DZ2的齐纳电压,从而当第一电容器C1充电至特定的程度时,光耦合器IC1的发光二极管104被激活。因此,使第一晶闸管T1点火,这又导致第二晶闸管T2点火。因此,第二电容器C2通过辅助驱动器66的驱动线圈88放电。总之,驱动线圈88借助两个晶闸管T1和T2以及光耦合器IC1与第一电容器C1联接。基于晶闸管T2的接通得到比较陡的电流上升速度,从而借助辅助驱动器66施加比较大的力。在第二晶闸管T2的有限的接入时间和第二电容器C2的放电后,低过两个晶闸管T1和T2的保持电流,从而晶闸管重新开始阻断,这提高了安全性。适宜地,图5所示的变型方案用作辅助驱动器,并且因此借助操纵元件82直接影响衔铁58。基于在第二电容器C2上比较大的电压,借助涡流驱动器80施加的力足够用于使衔铁58比较快速地运动。
图9示出保护开关14的另外的修改方案,其中,主电流路径22的设计方案以及主电流路径22一方面与第七二极管D7的接触和另一方面通过第二电阻R2与第六二极管D6的接触保持不变。副电流路径102以及第一电容器C1、第三二极管D3、第二齐纳二极管DZ2及光耦合器IC1的并联电路保持不变,该光耦合器与第一电阻R1、第三齐纳二极管DZ3串联。辅助驱动器66也根据图5所示的变型方案设计并且包括辅助驱动器的驱动线圈80、驱动线圈电阻RH以及与它们并联的二极管DH。
光耦合器IC1的双向触发二极管106又与第一晶闸管T1的门极电接触,并且通过第四电阻R4和第三电阻R3与第一晶闸管T1的阳极电接触。第一晶闸管T1的阴极朝第二晶闸管T2的门极引导,第二晶闸管的阴极与第七二极管D7的阳极电接触。此外,第二晶闸管T2的阴极与驱动线圈电阻RH和辅助驱动器的二极管DH的阴极电接触,辅助驱动器的二极管与驱动线圈电阻RH、驱动线圈80和第八二极管D8并联,第八二极管的阴极与辅助电阻的二极管DH的阳极电接触。第八二极管D8的阴极此外与第二电容器C2的一个电极电接触,其剩余的电极与第二晶闸管T2的阳极以及第四和第三电阻R4、R3电接触。因此,驱动线圈80又借助第二晶闸管T2与第二电容器C2电接触,并且驱动线圈80借助两个晶闸管T1、T2和光耦合器IC1与第一电容器C1联接。
第二晶闸管T2的阳极通过第九二极管D9和第三电容器C3朝第六二极管D6的阴极引导,其中,第九二极管D9的阻断方向相应于第六二极管D6的阻断方向。因此,第二电容器C2仅借助第三电容器C3与主电流路径22在一侧连接,从而第二电容器C2与主电流路径22电气分离。可选地,第二电容器C2借助第五电阻R5跨接并且/或者第三电容器C3借助第六电阻R6跨接,它们分别具有比较大的电阻值。
在运行时又操纵半导体开关元件96,从而线圈56被通电,并且因此开关52被带到引导电流的状态中。因此能够实现流过主电流路径22的电流流动I。此外借助主电流路径22,第二电容器C2通过第三电容器C3充电,其中,在第二电容器C2上不存在借助高压电池10提供的全部的电压,而是该电压根据第二电容器C2和第三电容器C3之间的电容分配比来设定。因为在第二电容器C2上存在很小的电压,所以保护开关14的各个部件,例如第二电容器C2、第六二极管D6、第二电阻R2等可以设计成用于更小的额定功率,从而可以考虑比较廉价的部件。此外,借助第三电容器C3,第二电容器C2与主电流路径22电气分离,从而在第二电容器C2的短路或发生故障时,高压电池10的两极HV+和HV-没有短路,否则该短路会导致高压电池10的烧损或比较强的损坏。
在操纵舌簧继电器34时又使第一电容器C1充电。如果第一电容器具有特定的充电状态,那么基于第三齐纳二极管DZ3,光耦合器IC1的发光二极管104被激活,因此,使第一晶闸管T1和第二晶闸管T2点火。因此,第二电容器C2通过驱动线圈80放电,因此,辅助驱动器66的操纵元件82基于感应出的涡流背离驱动线圈80地运动,这加速了接触桥54的打开运动。
本发明并不局限于之前描述的实施例。相反地,本发明的其他的变型方案也可以由本领域技术人员从中导出,而不会偏离离开本发明的主题。此外尤其地,所有结合各个实施例描述的单个特征也可以以其他的方式相互组合,而不会偏离本发明的主题。
附图标记列表
2 机动车
4 驱动车轮
6 车轮
8 电动机
10 高压电池
11 电线路
12 高压机载电网
14 保护开关
16 低压机载电网
18 低压电池
20 调节驱动器
22 主电流路径
24 汇流排
26 绝缘层
28 载体
30 开口
32 留空部
34 舌簧继电器
36 气隙
38 保持器
40 玻璃管
42 开关接触部
44 中间接头
46 第一接头
48 第二接头
50 方向
52 开关
54 接触桥
56 电线圈
58 衔铁
60 耦联部位
62 磁轭
64 连接元件
66 辅助驱动器
68 机械弹簧元件
70 端部元件
72 打开方向
74 保持元件
76 第二机械弹簧元件
78 涡流驱动器
80 驱动线圈
82 操纵元件
84 接触接头
86 电流线路
88 第一信号线路
90 控制单元
92 能量存储器
94 第二信号线路
96 半导体开关元件
98 第二接触接头
100 第三接触接头
102 副电流路径
104 发光二极管
106 双向触发二极管
I 电流流动
GND 接地端
C1 第一电容器
C2 第二电容器
C3 第三电容器
D1 第一二极管
D2 第二二极管
D3 第三二极管
D4 第四二极管
D5 第五二极管
D6 第六二极管
D7 第七二极管
D8 第八二极管
D9 第九二极管
DH 辅助驱动器的二极管
DZ1 第一齐纳二极管
DZ2 第二齐纳二极管
DZ3 第三齐纳二极管
IC1 光耦合器
Rs 线圈电阻
RH 驱动线圈电阻
R1 第一电阻
R2 第二电阻
R3 第三电阻
R4 第四电阻
R5 第五电阻
R6 第六电阻
R负载 有效电阻
HV+ 正电势
HV- 负电势
T1 第一晶闸管
T2 第二晶闸管

Claims (15)

1.用于进行直流电流中断,尤其是对载运工具(2)的机载电网(12、16)进行直流电流中断的保护开关(14),所述保护开关具备带有开关(52)的主电流路径(22),并且具有用于检测流过所述主电流路径(22)的电流流动(I)的舌簧继电器(34),其中,所述开关(52)与所述舌簧继电器(34)联接。
2.根据权利要求1所述的保护开关(14),其特征在于,所述舌簧继电器(34)与所述开关(52)的电线圈(56)电串联。
3.根据权利要求2所述的保护开关(14),其特征在于,所述舌簧继电器(34)具备带有与所述开关(52)的电线圈(56)电接触的中间接头(44)的双掷开关配置,并且所述舌簧继电器(34)和所述电线圈(56)与第一电容器(C1)电并联,所述第一电容器尤其是串联有二极管(D1、D2)。
4.根据权利要求3所述的保护开关(14),其特征在于具有驱动线圈(80),所述驱动线圈与第二电容器(C2)电接触,并且与所述第一电容器(C1)电联接。
5.根据权利要求4所述的保护开关(14),其特征在于,所述驱动线圈(80)借助晶闸管(T2)与所述第二电容器(C2)电接触。
6.根据权利要求4或5所述的保护开关(14),其特征在于,所述驱动线圈(80)借助耦合器(IC1)、尤其是光耦合器与所述第一电容器(C1)联接,其中,所述第二电容器(C2)与所述主电流路径(22)电接触。
7.根据权利要求6所述的保护开关(14),其特征在于,所述第二电容器(C2)的电极借助第三电容器(C3)与所述主电流路径(22)电接触。
8.根据权利要求4或5所述的保护开关(14),其特征在于,所述驱动线圈(80)与所述第一电容器(C1)电并联。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的保护开关(14),其特征在于具备带有所述舌簧继电器(34)和所述开关(52)的电线圈(56)的副电流路径(102)。
10.根据权利要求1所述的保护开关(14),其特征在于,所述舌簧继电器(34)在信号技术上与控制单元(90)联接,所述控制单元在信号技术上与所述开关(52)连接,并且所述控制单元尤其是具有能量存储器(92)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的保护开关(14),其特征在于,所述开关(52)具有布置在所述电线圈(56)内的衔铁(58),所述衔铁与辅助驱动器(66)联接,所述辅助驱动器尤其是具有涡流驱动器(78)。
12.根据权利要求11所述的保护开关(14),其特征在于,所述辅助驱动器(66)借助易曲的连接元件(64)接驳在所述衔铁(58)上并且尤其是具有机械弹簧元件(68)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的保护开关(14),其特征在于,所述主电流路径(22)具有汇流排(24),所述汇流排在周向侧尤其是形状锁合地被载体(28)包围,所述载体具有留空部(32),在所述留空部内定位有所述舌簧继电器(34)。
14.根据权利要求13所述的保护开关(14),其特征在于,所述舌簧继电器(34)在构造有气隙(36)的情况下借助保持器(38)保持在所述留空部(32)内,其中,所述保持器(38)尤其是由顺磁材料或抗磁材料制成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的保护开关(14)的用于确保载运工具(2)的机载电网(12、16)、尤其是高压机载电网(12)的安全的用途。
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