CN204497731U - 用于电气系统的短路保护的装置和电气系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及用于电气系统的短路保护的装置和电气系统。该用于电气系统的短路保护的装置，所述电气系统具有能量存储器(10)、直流电压中间电路(20)和连接在其间的直流电压转换器(30)，其中所述能量存储器在直流电压连接装置上借助于直流电压转换器经由保险装置(F)来接通，其中所述装置具有开关机构(T1，T2，40)，其用于经由所述保险装置(F)接通所述直流电压中间电路(20)的电压，作为对检测到所述电气系统中短路的响应。该电气系统具有上述的用于电气系统的短路保护的装置。

Description

用于电气系统的短路保护的装置和电气系统
技术领域
本实用新型涉及一种用于电气系统的短路保护的装置和一种电气系统。
背景技术
在特定的电气系统如混合动力系统中使用的能量存储器如电池或者超级电容器能够以蓄积的大的能量来充电或者放电。混合动力系统的一个示例是车辆的或者做功机械的电气系统，在所述车辆/做功机械中通过使用内燃机的方式或者通过由外部的源加载能量或以其它类似的方式产生能量的方式能够产生用于系统的电能，所述内燃机转动发电机以产生电能。包含在系统中的电能此外能够馈入到一个或多个电动马达中，所述电动马达例如能够是车辆或者做功机械的牵引马达或者能够是产生任意机械运动的马达如交流电机或者直流电机。
在混合动力系统中，如果系统产生多于消耗的能量，那么能量例如能够被存储在已提及的能量存储器中。一个或多个可能包含在系统中的电动马达或者其它的负载能够与能量存储器连接，使得一个或多个转换设备连接在能量存储器和电动马达之间。所提及的一个或多个转换设备典型地具有至少一个直流电压转换器，所述直流电压转换器经由直流电压连接装置连接在能量存储器和电气系统之间。在直流电压中间电路和可能的马达之间此外能够存在第二转换设备，如果马达是交流电机，那么所述第二转换设备能够将中间电路的直流电压转换为由马达使用的电压、例如交流电压。如果马达制动机械运动，那么通过在直流电压中间电路和马达之间使用适当的转换设备，马达能够以受控的方式运行并且另一方面将能量向回馈送到电气系统中。
混合动力系统的能量存储器能够借助于所提及的直流电压转换器来充电，所述直流电压转换器例如在直流电压中间电路的电压超出特定的界限时才将直流电压中间电路的能量馈入到能量存储器中，而一个或多个马达将功率馈入到直流电压中间电路中。目的在于：例如系统中的通过对马达中的一个或多个进行制动而产生的能量主要直接用于馈入到其它的负载中。如果其它的负载不能够使用这些能量，那么所述能量如果可能的话馈入到能量存储器中以供以后使用。
保护电气系统防止电气系统的短路能够借助于保险装置来执行，所述保险装置位于能量存储器和直流电压转换器之间的直流电压连接装置上。因此，如果在电气系统中的某个地方例如在直流电压转换器中发生短路，保险装置的任务是分隔能量存储器。然而能量存储器如锂电池和超级电容器的瞬时能量输出或者能量吸收能力会严重受限。换句话说，电流在能量存储器正常运行时能够与在系统短路期间从能量存储器流向短路部的电流差不多相同。由于该原因，由能量存储器产生的短路电流总是不足以烧断故障状态中的保险装置，但是所述短路电流足以能够毁坏能量存储器、直流电压转换器的半导体或者其它组件。除此之外，如果例如触发对电池的保护，那么短路能够缩短能量存储器的寿命。
实用新型内容
本实用新型基于如下目的：研发一种设备，使得能够解决或者至少减轻在上文中所提及的问题。本实用新型的目的通过一种装置和一种电气系统来实现，所述装置和电气系统的特征在于：一种用于电气系统的短路保护的装置，所述电气系统具有能量存储器(10)、直流电压中间电路(20)和连接在其间的直流电压转换器(30)，其中所述能量存储器在直流电压连接装置上借助于直流电压转换器经由保险装置(F)来接通，其中所述装置具有开关机构(T1，T2，40)，所述开关机构用于经由所述保险装置(F)切换所述直流电压中间电路(20)的电压作为对在所述电气系统中检测到短路的响应。在下文中描述本实用新型的优选的实施方式。
本实用新型基于如下思想：所述装置具有用于经由保险装置接通直流电压中间电路的电压作为对在电气系统中检测到短路的响应的开关机构。如果直流电压中间电路的电压经由保险装置来接通，那么直流电压中间电路的放出的能量烧断保险装置。
本实用新型具有下述优点：所述实用新型能够实现对于电气系统的可靠的短路保护，使得在短路的情况下能量存储器的短路电流不会损坏电气系统的敏感组件。
附图说明
现在结合优选的实施方式参考所附的附图详细阐述本实用新型，其中：
图1示出根据一个实施方式的电气系统。
具体实施方式
本实用新型的应用不受限于特定的系统，而是能够结合不同的电气系统如混合动力系统来应用本实用新型。除此之外，本实用新型的应用不受限于利用特定的基频的系统或者特定的电压电平。
图1示出根据一个实施方式的电气系统的一个示例。要注意的是：为了清晰起见仅在附图中示出对于理解本实用新型而言重要的元件。所述示例的电气系统具有能量存储器10，所述能量存储器在所述示例中具有电容器Cc/e，所述电容器根据系统例如能够由一个或多个电池和/或超级电容器构成。所述示例的电气系统此外具有直流电压中间电路20，所述直流电压中间电路在所述示例中具有电容器Cdc，所述电容器根据系统例如能够由一个或多个电容器构成。所述示例的电气系统此外具有直流电压转换器30，所述直流电压转换器经由直流电压连接装置连接在能量存储器10和直流电压中间电路20之间。电气系统能够与一个或多个其它的转换器(未示出)连接。一个或多个逆变器例如能够连接到直流电压中间电路20上，所述逆变器能够为一个或多个马达或者其它负载馈电。在根据图1的示例中，直流电压转换器的主电路具有由半导体构成的开关桥31和阻流圈32。要注意的是，直流电压转换器30在结构和工作原理方面能够是任意类型的直流电压转换器，借助于所述直流电压转换器，直流电压能够由一个电平转换为另一个，并且所述直流电压转换器的主电路的结构因此能够与在图1中示出的结构不同。优选地，直流电压转换器30是双向的直流电压转换器，所述双向的直流电压转换器不仅能够从能量存储器10沿着朝向直流电压中间电路20的方向传输能量，而且能够从直流电压中间电路20沿着朝向能量存储器10的方向传输能量。在根据图1的示例中，电气系统的短路保护具有在能量存储器10和直流电压转换器30之间的在其正的导体处的直流电压连接装置上的保险装置F。待使用的保险装置的类型和尺寸取决于电气系统。此外，在根据图1的示例中，系统的主开关K在能量存储器10和直流电压转换器30之间的直流电压连接装置上示出。如果系统在运行中，那么主开关K在导通的状态中。
在正常运行中，如果能量从能量存储器10沿着朝向直流电压中间电路20的方向流动，那么直流电压转换器30从能量存储器10的电压Uc/e中形成中间电路电压Udc。在起动直流电压转换器10之前，中间电路20的电容器Cdc同样单独地充电。在充电时也能够发现直流电压转换器10的可能的短路并且能够中断充电。
根据图1的示例此外具有用于电气系统的短路保护的装置，所述装置具有用于经由保险装置F接通直流电压中间电路20的电压作为对在电气系统中检测到短路的响应的开关机构。在根据图1的示例中，开关机构包括可控制的第一开关T1、可控制的第二开关T2和控制单元40，所述可控制的第一开关连接在直流电压中间电路20的正极和保险装置F的第一极之间，所述可控制的第二开关连接在直流电压中间电路20的负极和保险装置F的第二极之间，所述控制单元40设置为控制可控制的第一开关T1和可控制的第二开关T2，使其导通，作为对在电气系统中检测到短路的响应。这意味着，当控制单元40在电气系统中、例如在直流电压转换器30中或者在直流电压连接装置中的一个上检测到短路时，所述控制单元将控制信号发送给可控制的第一开关T1和可控制的第二开关T2从而使其进入导通状态。作为结果：直流电压中间电路20的电压Udc经由保护装置F接通并且直流电压中间电路20的因此而放出的能量烧断保护装置F。可控制的开关T1、T2优选是可控制的半导体开关、例如晶闸管，使得所述可控制的开关在短路情况下尽可能快速地正常运转。
借助于控制单元40或者相应的元件检测电气系统中的短路能够基于：测量所述系统的电压和/或电流并且从中推断出故障情况。也可行的是，例如直流电压转换器30具有故障诊断功能，所述故障诊断功能在短路的情况下能够将指出短路的信号发送给控制单元40，所述控制单元能够基于信号检测短路故障。根据一个实施方式，所述装置能够具有用于测量能量存储器10和直流电压转换器30之间的直流电压连接装置的电流的测量机构和/或用于测量在能量存储器10两端的电压Uc/e的测量机构，其中控制单元40设置为，基于所提及的对直流电压连接装置的电流的测量和/或对能量存储器两端的电压的测量检测电气系统中的短路。在根据图1的示例中，不仅描述了对能量存储器10和直流电压转换器30之间的直流电压连接装置的电流Idc的测量而且描述了对能量存储器10两端的电压Uc/e的测量。对能量存储器10和直流电压转换器30之间的直流电压连接装置的电流Idc的可能的测量能够借助于适当的电流测量元件或者适当的电流测量装置在直流电压连接装置的正的导体或者负的导体上实施。同样，对能量存储器10两端的电压Uc/e的可能的测量能够借助于适当的电压测量元件或者适当的电压测量装置来实施。所获得的电流测量数据和/或电压测量数据优选被提供给控制单元40。通过控制单元40或者相应的元件基于电流测量数据或电压测量数据检测短路此外例如能够基于电流或电压的大小和/或导数的大小，所述导数即电流或电压的上升速度和下降速度。根据一个实施方式，控制单元40设置为：如果直流电压连接装置的电流Idc超出对于电流而言预定的极限值，那么能够检测电气系统中的短路。根据另一个实施方式，控制单元设置为：确定直流电压连接装置的电流Idc关于时间的导数dIdc/dt，并且如果直流电压连接装置的电流超出对于电流而言预定的极限值并且电流的导数超出对于电流的导数而言预定的极限值，那么能够检测电气系统中的短路。根据又一个实施方式，控制单元设置为：确定能量存储器10两端的电压Uc/e关于时间的导数dUc/e/dt，并且如果能量存储器两端的电压的导数低于对于电压的导数而言预定的极限值，那么能够检测电气系统中的短路。
实施在上文中所描述的不同的功能性和其不同的组合的设备，例如控制单元40，能够借助于一个或多个物理的或逻辑的复合体、如物理的设备或者其中一部分或者软件例程来实施。控制单元40能够实施为分离的物理单元并且所述控制单元例如能够从直流电压中间电路20获得其运行电压。
实施不同的实施方式的功能性的设备，例如控制单元40，能够至少部分地借助于具有适当的软件的计算机或者相应的信号处理设备来实施。适当的信号处理设备的一个示例是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。这样的计算机或者这样的信号处理设备优选包括至少一个提供算术运算所使用的存储区域的工作存储器(RAM)和执行算术运算的处理器(CPU)如通用数字信号处理器(DSP)。处理器能够具有寄存器组、算术逻辑单元和用于处理器的控制单元。处理器的控制单元借助于一系列程序指令来控制，所述程序指令由工作存储器传输给处理器。处理器的控制单元能够具有用于基本运算的微指令。微指令的执行能够根据处理器的结构而变化。程序指令能够以编程语言来编码，所述编程语言能够是较高级的编程语言如C、JAVA等或者是低级语言如机器语言或者汇编语言。计算机也能够具有操作系统，所述操作系统能够提供用于以程序指令来写的计算机程序的系统服务。计算机或者另一个实施本实用新型或者其一部分的设备，例如控制单元40等，能够具有用于从用户和/或其它的设备接收例如控制数据和/或测量数据的适当的输入机构和用于发送例如警报和通知和/或控制数据以及用于控制其它设备的输出机构。所述设备也能够具有适当的用户界面，用户例如能够经由所述用户界面来设定所需要的参数。也可行的是，尤其是根据不同的实施方式使用特殊的集成电路如ASIC(专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit)、模拟电路、可编程逻辑设备(PLD，Programmable Logic Device)如FPGA(可编程门阵列)和/或用于实施不同的实施方式的功能性的单个元件或其它的设备。
上述不同的实施方式能够在现有的系统中、例如在电驱动器或者其组件如转换设备中实施，和/或单独的元件和设备能够中央地或非中央地使用。现有的用于电驱动器的设备，例如转换器，典型地具有处理器和存储器，所述处理器和存储器能够在实现不同的实施方式的功能性时使用。因此不同的实施方式所需要的改变和安装能够至少部分地借助软件例程来执行，所述软件例程就其而言能够作为添加的或者更新的软件例程来执行。如果不同的实施方式的功能性借助于软件来实现，那么这样的软件能够作为计算机程序产品来提供，所述计算机程序产品具有计算机程序编码，所述计算机程序编码在计算机中的执行使计算机或者相应的设备根据上述不同的实施方式实现根据本实用新型的功能性。这样的计算机程序编码能够存储或者通常包含在计算机可读介质中，如适当的存储介质，例如闪存存储器或者光学存储器，计算机程序编码能够从所述计算机可读介质中由执行程序编码的一个单元或多个单元读取。此外，这样的程序编码能够经由适当的数据网络加载到执行程序编码的一个单元或多个单元上，并且所述程序编码能够替代或者更新可能已有的程序编码。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，如果技术进步，那么本实用新型的基本思想能够以多种不同的方式来实现。本实用新型和其实施方式因此不局限于上述示例，而是能够在本公开范围中变化。

Claims (11)

1.一种用于电气系统的短路保护的装置，所述电气系统具有能量存储器(10)、直流电压中间电路(20)和连接在其间的直流电压转换器(30)，其中所述能量存储器在直流电压连接装置上借助于直流电压转换器经由保险装置(F)接通，其特征在于，所述装置具有
开关机构(T1，T2，40)，所述开关机构用于经由所述保险装置(F)接通所述直流电压中间电路(20)的电压作为对检测到所述电气系统中短路的响应。
2.根据保护权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关机构具有：
能控制的第一开关(T1)，所述能控制的第一开关连接在所述直流电压中间电路(20)的正极和所述保险装置(F)的第一极之间；
能控制的第二开关(T2)，所述能控制的第二开关连接在所述直流电压中间电路(20)的负极和所述保险装置(F)的第二极之间；和
控制机构(40)，所述控制机构设置为，控制所述能控制的第一开关(T1)和所述能控制的第二开关(T2)，使其导通，作为对检测到所述电气系统中短路的响应。
3.根据保护权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置具有用于测量所述直流电压连接装置的电流的测量机构和/或用于测量所述能量存储器(10)两端的电压的测量机构，其中所述控制机构(40)设置为，基于对所述直流电压连接装置的电流的测量和/或基于对所述能量存储器两端的电压的测量来检测所述电气系统中的短路。
4.根据保护权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制机构(40)设置为，如果所述直流电压连接装置的所述电流超出对于电流而言预定的极限值，那么检测所述电气系统中的短路。
5.根据保护权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制机构(40)设置为，确定所述直流电压连接装置的所述电流关于时间的导数，并且如果所述直流电压连接装置的所述电流超出对于电流而言预定的极限值并且所述电流的所述导数超出对于所述电流的所述导数而言预定的极限值，那么检测所述电气系统中的短路。
6.根据保护权利要求3至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制机构(40)设置为，确定所述能量存储器(10)两端的所述电压关于时间的导数，并且如果所述能量存储器两端的所述电压的所述导数低于对于所述电压的所述导数而言预定的极限值，那么检测所述电气系统中的短路。
7.根据保护权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述能控制的第一开关(T1)和所述能控制的第二开关(T2)是能控制的半导体开关。
8.根据保护权利要求6所述的装置，其特征在于，所述能控制的第一开关(T1)和所述能控制的第二开关(T2)是能控制的半导体开关。
9.一种电气系统，具有：
能量存储器(10)；
直流电压中间电路(20)；
直流电压转换器(30)，所述直流电压转换器经由直流电压连接装置连接在所述能量存储器(10)和所述直流电压中间电路(20)之间；和
所述能量存储器(10)和所述直流电压转换器(30)之间的所述直流电压连接装置上的保险装置(F)，
其特征在于，所述电气系统具有根据保护权利要求1至8中的任一项所述的装置。
10.根据保护权利要求9所述的电气系统，其特征在于，所述直流电压转换器(30)是双向的直流电压转换器。
11.根据保护权利要求10所述的电气系统，其特征在于，所述电气系统是混合动力系统。
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