CN108370148B - 电弧识别设备、相对应的方法和电子部件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种识别设备（100），用于识别在第一载电流的元件（103a；903a）与至少一个能导电的元件（103b，108；903b，907）之间出现的电弧（104a‑i；909）；所述识别设备（100）具有至少一个测量装置（101；901，902）和分析装置（102）；所述至少一个测量装置（101；901，902）被构造为，测量流经所述第一载电流的元件（103a；903a）的电流（I）；所述分析装置（102）被构造为：确定所测量到的电流（I）的频谱，并且基于所确定的频谱的高频范围，识别出在所述第一载电流的元件（103a；903a）与所述至少一个能导电的元件（103b，108；903b，907）之间出现的电弧（104a‑i；909）。
Description
技术领域
本发明涉及一种识别设备，用于识别在第一载电流的元件与至少一个能导电的元件之间出现的电弧；涉及一种电子部件和一种用于识别在第一载电流的元件与能导电的元件之间出现的电弧的方法。
背景技术
在如尤其是在电动车辆或者混合动力车辆中投入使用的高压组件中，必须快速地识别出形成的电弧，并且在引起火灾或者从外部容易接近危险电压之前采取适当的对策。尤其是在将开关接通时，或者由于处于高压组件的壳体中的金属碎屑，或者也在供电线路与壳体之间，可能出现电弧。
从DE 20 2005 011 504 Ul中公知一种电弧报警器（Lichtbogenmelder），该电弧报警器包括高频接收器，该高频接收器依据由电线路发出的电磁波来识别出电弧并且输出警报。
发明内容
本发明提出了：一种用于识别在第一载电流的元件与至少一个能导电的元件之间出现的电弧的识别设备；一种电子部件；和一种用于识别在第一载电流的元件与能导电的元件之间出现的电弧的方法。
因此，本发明提出了一种识别设备，用于识别在第一载电流的元件和至少一个能导电的元件之间出现的电弧；所述识别设备具有至少一个测量装置并且具有分析装置；所述至少一个测量装置被构造为测量流经第一载电流的元件的电流；所述分析装置被构造为：确定由所述测量装置所测量到的电流的频谱，并且基于所确定的频谱的高频范围，识别出在第一载电流的元件与至少一个能导电的元件之间出现的电弧。
此外，本发明还提出了一种电子部件，所述电子部件具有第一载电流的元件、至少一个能导电的元件和识别设备，所述识别设备用于识别在所述第一载电流的元件与所述至少一个能导电的元件之间出现的电弧。
最后，本发明提出了一种用于识别在第一载电流的元件与能导电的元件之间出现的电弧的方法，该方法具有如下步骤：测量流经所述第一载电流的元件的电流；确定所测量到的电流的频谱；和基于所确定的频谱的高频范围，识别出在第一载电流的元件与能导电的元件之间出现的电弧。
给出了优选的改进方案。
本发明的优点
根据本发明的识别设备具有如下优点：依据频谱的显著的（ausgepraegte）高频范围，非常快速地识别出所出现的电弧。因此，可以在出现电弧之后立即采取相对应的对策，并且例如迅速地使供电装置中断。因此，因为减低了火灾危险或者触电的危险，所以提高了安全性。
根据识别设备的优选的改进方案，所述至少一个测量装置包括霍尔传感器（Hall-Sensor）和/或与所述第一载电流的元件并行的耦合线路。
根据识别设备的优选的改进方案，所述分析装置被构造为：当在所确定的频谱的高频范围中的至少一个频谱分量超过预先给定的值时，识别出电弧。由于电弧在电流的频谱中的显著的高频分量，可以良好且精确地识别出该电弧。
根据电子部件的优选的改进方案，至少一个能导电的元件包括第二载电流的元件；其中在第一载电流的元件与第二载电流的元件之间引进带有开关的电流路径；并且其中所述分析装置被构造为，只要分析装置已识别出电弧，就将该开关接通。
根据电子部件的优选的改进方案，开关包括电力保护装置（Leistungsschuetzen）和/或电磁开关。
根据电子部件的优选的改进方案，在将开关接通时，经由保险装置和电流路径来使产生电流的电流源短路。通过使该保险装置脱扣（Ausloesen），载电流的元件与供电装置分离。
根据电子部件的优选的改进方案，至少一个能导电的元件包括壳体，该壳体至少部分围住第一载电流的元件和开关；其中该壳体在开关的周围至少分部段地具有电绝缘的涂层。通过电绝缘的涂层防止了：在切换开关时，可能在开关与壳体之间形成电弧。
根据电子部件的优选的改进方案，在至少一个测量装置中的第一测量装置与第二测量装置之间，共模滤波器连接在第一载电流的元件与第二载电流的元件之间；其中所述分析装置被构造为，依据由第一测量装置所测量到的电流的频谱与由第二测量装置所测量到的电流的频谱的比较来识别：是在第一载电流的元件和/或第二载电流的元件与第二载电流的元件之间出现所识别出的电弧，还是在第一载电流的元件与壳体之间出现所识别出的电弧。
根据优选的改进方案，该方法还包括如下步骤：只要所述分析装置已识别出电弧，就将如下开关接通，所述开关被引进在第一载电流的元件与能导电的元件之间的电流路径中；其中在将该开关接通时，经由保险装置和该电流路径来使产生电流的电流源短路。
附图说明
在附图中：
图1示出了根据本发明的实施形式的识别设备的方框电路图；
图2至图5示出了根据本发明的实施形式的电子部件的示意性电路图；
图6示出了所测量到的电流的时间相关性；
图7示出了所测量到的电流的频谱；
图8示出了所测量到的电流的时间相关性；
图9示出了根据本发明的实施形式的电子部件的示意性电路图；以及
图10示出了用于阐述用于识别电弧的方法的流程图。
在所有附图中，相同的或功能相同的元件和设备（除非另作说明）配备有同样的附图标记。除非另作说明，不同的实施形式可以任意彼此组合。
具体实施方式
图1示出了用于识别如下电弧的识别设备100的方框电路图：所述电弧在第一载电流的元件与至少一个能导电的元件之间出现。识别设备100包括测量装置101和分析装置102。识别设备100的运行方式在下文中予以更详细地探讨。
在图2中绘制了具有识别设备100的示例性的电子部件200。电子部件200包括电流源106，该电流源106在电流源壳体109中具有保险装置105，该电流源106经由第一供电线路和第二供电线路给处于壳体108中的电路供给驱动电动机107的电流，该第一供电线路形成第一载电流的元件103a，该第二供电线路形成能导电的元件或第二载电流的元件103b。在这种情况下，可以在位置104a到104i处出现可能的电弧。测量装置101被构造为，测量流经第一载电流的元件103a的电流I。测量装置101可以包括霍尔传感器和/或与第一载电流的元件103a并行的耦合线路。测量装置101将所测量到的电流I传输给分析装置102。分析装置102被构造为，确定所测量到的电流I的频谱，并且基于所确定的频谱的高频范围，识别出在载电流的元件103a与103b之间出现的电弧、例如电弧104i。附加的电流路径107处于第一载电流的元件103a与第二载电流的元件103b之间，该附加的电流路径107的作用方式在图3中予以更详尽地阐述。当分析装置102识别出电弧时，分析装置102被构造为将开关201接通，该开关201被引进到附加的电流路径107中。在电子部件2的正常运行状态下，也就是说，当分析单元已识别出没有电弧时，开关201在这种情况下是断开的。开关201可以是电力保护装置或者电磁开关。由电流源106产生的总电流强度Iges分成短路电流强度Ip和电弧电流强度ILB，所述短路电流强度Ip流经附加的电流路径107，所述电弧电流强度ILB流经在第一载电流的元件103a与第二载电流的元件103b之间的电弧104i。还流过电子部件200的剩余电路的电流强度可以予以忽略，使得适用：Iges=Ip+ILB。
此外，如在图4中所图示的那样，在壳体108上在开关201的周围构造电绝缘的涂层302。电绝缘的涂层302防止了，开关201对壳体108进行火花放电。
在图5中图示了电子部件200的等效电路。电流源106通过高压UHV和内电阻Ri来表征，第一载电流的元件103a通过在附加的电流路径107的上游的第一电阻Rk和在附加的电流路径107的下游的第二电阻Rl2来表征。测量装置101通过电感L和测量装置电阻Rl1来表征，并且附加的电路107通过第三电阻Rp来表征。
在图6中图示了由测量装置101所测量到的总电流强度Iges的时间相关性。通过测量装置101进行的电流测量在这种情况下划分成多个工作循环601、602、603，这些工作循环的长度优选为10μs。优选地，这些工作循环601、602、603在这种情况下重叠。例如，两个相邻的工作循环可分别重叠一半。分析装置102被构造为分析在工作循环601、602、603之内所测量到的电流变化过程。例如通过快速傅里叶变换（FFT，Fast-Fourier-Transformation），分析装置102在这种情况下确定在工作循环601、602、603之内的所测量到的电流I的频谱。在图7中示出了相对应的频谱，所述频谱已通过快速傅里叶变换得到。在第一时间点t1，出现电弧。在图7的上部区域中，对于第三工作循环603，在左侧图示了电流I的电流变化过程，而在右侧图示了电流I的相对应的频谱，其中存在电弧。在图7的下部部分中，对于第一工作循环601，在左侧图示了电流I的电流变化过程，而在右侧图示了电流I的相对应的频谱，其中没有电弧存在。
分析装置102被构造为，分析所确定的频谱的高频范围701，也就是说分析频率f的大于阈值频率f0（例如为10kHz）的范围。如果高频范围701中的至少一个频谱分量在预先给定的阈值S之上，则分析装置102识别出电弧的出现。如果高频范围701中的所有频谱分量都在阈值S之下，则分析装置102可以被构造为识别出没有电弧存在。分析装置102因此在上部的情况下识别出电弧，而所述分析装置102在下部的情况下识别出没有电弧存在。
在第一时间点t1出现的电弧在第二工作循环602在第二时间点t2结束时被识别出，为此需要识别时间TE。识别时间TE例如在20ms到50ms之间。
在图8中图示了作为时间的函数的电流变化过程，其中作为时间t的函数绘出了总电流强度Iges、经由附加的电流路径107的短路电流强度Ip和经由电弧的电弧电流强度ILB。在第二时间点t2识别出电弧之后，分析装置102开始将开关201接通。直至在第三时间点t3将开关完全接通（其中附加的电流路径107也接通），经过了反应时间TR。直至第三时间点t3，因为由于该附加的电流路径107是断开的而没有电流流经附加的电流路径107，并且因此短路电流强度Ip等于零，所以总电流强度Iges与电弧电流强度ILB相等。
从第三时间点t3起，电弧电流强度ILB减小，而通过附加的电流路径107的短路电流强度Ip升高。经由保险装置105和附加的电流路径107来使电流源106短路。在第四时间点t4，保险装置105脱扣，并且总电流强度Iges以及短路电流强度Ip减小，而且在第五时间点t5下降到零。在第三时间点t3与第五时间点t5之间的时间区间TA对应于动作时间TA。动作时间TA分成响应时间或熔断时间Tprearc和电弧时间Tarc，所述响应时间或熔断时间Tprearc从第三时间点t3直至第四时间点t4，所述电弧时间Tarc从第四时间点t4直至第五时间点t5。
附加的电流路径107优选地构造为使得：在第一时间点t1形成电弧直至第五时间点t5之间的整个时间周期Tges小于预先给定的阈值，总电流强度Iges在第五时间点t5降低到0。预先给定的阈值在这种情况下对应于故障反应时间TFRZ，该故障反应时间TFRZ通常对应于电弧为了从电弧的形成点蔓延到壳体108所需的时间。因此，在电弧到达壳体108之前，应熄灭该电弧。故障反应时间TFRZ优选地为100ms到150ms。
假设：在第三时间点t3，总电流Iges仅流经附加的电流路径107，也就是说，电弧电流强度ILB立刻降低到零，则总电流强度Iges在直至保险装置105脱扣的响应时间或熔断时间Iprearc内按照如下式子表现：
其中Rges=Ri+Rk+Rl1+Rp是总电阻，并且τ=L/Rges是时间常数。脱扣时间点t4通过对t4求解如下等式而得出：
其中Y标明保险装置105在熔断时间Iprearc内的I2t值。测量装置电阻Rl1和第三电阻Rp因而优选地被选择得小。测量装置电阻Rl1、第三电阻Rp和电感L优选地被选择为使得满足如下条件：
其中Z标明保险装置105在电弧时间Iarc内的I2t值。
图9示出了根据本发明的另一实施形式的电子部件900的电路图。在第一载电流的元件903a与第二载电流的元件903b之间，在这种情况下布置有共模滤波器（common modefilter）910。在共模滤波器910的上游，在第一载电流的元件903a上引进了第一测量装置901；而在共模滤波器910的下游，引进了第二测量装置902，该第二测量装置902被构造为测量流经第一载电流的元件903a的电流I。由第一测量装置901和第二测量装置902所测量到的电流I被传送给分析装置102。该分析装置102被构造为，通过将由第一测量装置901所测量到的电流的频谱与由第二测量装置902所测量到的电流的频谱进行比较来识别：是否存在电弧909，并且如果存在电弧909，则是在第一载电流的元件903a与第二载电流的元件903b之间出现电弧909，还是在第一或第二载电流的元件903a和903b与电子部件900的壳体907之间出现电弧909。分析装置102在这种情况下被对准来确定如下比较量：该比较量表达了由第一测量装置901所测量到的电流I的第一频谱与由第二测量装置902所测量到的电流I的第二频谱的相似度。该比较量越大，则这些频谱越不相似。
在第一载电流的元件903a与第二载电流的元件903b之间有电弧时，电流I的高频范围被共模滤波器910减弱，使得第一电流在高频范围中的频谱分量明显不同于第二电流的高频范围的频谱分量。如果比较量在预先给定的值之上，则分析装置904因此被构造为识别出：在第一载电流的元件903a与第二载电流的元件903b之间出现电弧。
在图10中绘制了用于阐述用于识别如下电弧的方法的流程图：所述电弧在第一载电流的元件与至少一个能导电的元件之间出现。在第一步骤S1中，在这种情况下测量流经第一载电流的元件103a的电流I。在第二步骤S2中，确定所测量到的电流I的频谱，并且在第三方法步骤S3中，基于所确定的频谱的高频范围，识别出在载电流的元件103a与至少一个能导电的元件之间出现的电弧。在可选的第四步骤S4中，只要已识别出电弧，就将引进在载电流的元件与能导电的元件之间的附加的电流路径中的开关接通。尤其是可以利用根据上文所描述的实施形式的识别设备来执行该方法。
Claims (10)
1.一种用于识别在第一载电流的元件与至少一个能导电的元件之间出现的电弧的识别设备（100），所述识别设备具有：
至少一个测量装置，所述至少一个测量装置被构造为，测量流经所述第一载电流的元件的电流（I）；以及
分析装置（102），所述分析装置（102）被构造为：确定所测量到的电流（I）的频谱，并且基于所确定的频谱的高频范围，识别出在所述第一载电流的元件与所述至少一个能导电的元件之间出现的电弧，
其中，在所述至少一个测量装置中的第一测量装置与第二测量装置之间，共模滤波器连接在所述第一载电流的元件与所述至少一个能导电的元件所包括的第二载电流的元件之间；
其中，所述分析装置（102）被构造为，依据由所述第一测量装置所测量到的电流（I）的频谱与由所述第二测量装置所测量到的电流（I）的频谱的比较来识别：是在所述第一载电流的元件与所述第二载电流的元件之间出现所识别出的电弧，还是在所述第一载电流的元件和/或所述第二载电流的元件与所述至少一个能导电的元件所包括的壳体之间出现所识别出的电弧。
2.根据权利要求1所述的识别设备（100），其中，所述至少一个测量装置包括霍尔传感器和/或与所述第一载电流的元件并行的耦合线路。
3.根据权利要求1或者2中任一项所述的识别设备（100），其中，所述分析装置（102）被构造为，当在所确定的频谱的高频范围中的至少一个频谱分量超过预先给定的值时，识别出电弧。
4.一种电子部件，其具有：
第一载电流的元件；
至少一个能导电的元件；以及
根据权利要求1至3中任一项所述的识别设备（100），用于识别在所述第一载电流的元件与所述至少一个能导电的元件之间出现的电弧。
5.根据权利要求4所述的电子部件，
其中，在所述第一载电流的元件与所述第二载电流的元件之间引进带有开关（201）的电流路径（107）；以及
其中，所述分析装置（102）被构造为，只要所述分析装置（102）已识别出电弧，就将所述开关（201）接通。
6.根据权利要求5所述的电子部件，其中，所述开关（201）包括电力保护装置和/或电磁开关。
7.根据权利要求5或者6中任一项所述的电子部件，其中，在将所述开关（201）接通时，经由保险装置（105）和所述电流路径（107）来使产生所述电流（I）的电流源（106）短路。
8.根据权利要求5或6所述的电子部件，
其中，所述壳体至少部分围住所述第一载电流的元件和所述开关（201）；并且
其中，所述壳体在所述开关（201）的周围至少分部段地具有电绝缘的涂层（302）。
9.一种用于识别在第一载电流的元件与能导电的元件之间出现的电弧的方法，所述方法具有如下步骤：
通过至少一个测量装置测量（S1）流经所述第一载电流的元件的电流（I）；
确定（S2）所测量到的电流（I）的频谱；以及
基于所确定的频谱的高频范围，识别出（S3）在所述第一载电流的元件与所述能导电的元件之间出现的电弧，
其中，在所述至少一个测量装置中的第一测量装置与第二测量装置之间，共模滤波器连接在所述第一载电流的元件与所述至少一个能导电的元件所包括的第二载电流的元件之间；
其中，依据由所述第一测量装置所测量到的电流（I）的频谱与由所述第二测量装置所测量到的电流（I）的频谱的比较来识别：是在所述第一载电流的元件与所述第二载电流的元件之间出现所识别出的电弧，还是在所述第一载电流的元件和/或所述第二载电流的元件与所述至少一个能导电的元件所包括的壳体之间出现所识别出的电弧。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步具有步骤：
只要已识别出电弧，就将引进在所述第一载电流的元件与所述能导电的元件之间的电流路径（107）中的开关（201）接通（S4）；
其中在将所述开关（201）接通时，经由保险装置（105）和所述电流路径（107）来使产生所述电流（I）的电流源（106）短路。
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