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Die
Erfindung betrifft eine Schnellschalteinrichtung für eine
Hochleistungs-Batterie in einem Gleichstrominselnetz, insbesondere
einem U-Boot-Gleichstromnetz, gemäß Patentanspruch
1 bzw. Patentanspruch 4. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleichstrominselnetz
gemäß Patentanspruch 14.
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Derzeit
sich in der Entwicklung befindliche Hochleistungs-Batterien wie
z. B. Li-Ionen-Batteriezellen, Li-Polymer-Zellen, Li-Eisen-Phosphat-Batteriezellen,
Li-Titanat-Batteriezellen und Kombinationen davon zeichnen sich
im Vergleich zu konventionellen Batterien wie z. B. Bleibatterien
durch eine erhebliche Verkürzung der Lade- und Entladezeiten und
eine erhebliche Erhöhung des Kurzzeit-Entladestromes aus.
Auf der anderen Seite werden als problematisch für ihren
Einsatz in einem als Großanlage ausgebildeten Gleichstrominselnetz
wie z. B. in einer Eigenstromversorgung eines Kraftwerkes oder in
einem U-Boot-Gleichstromnetz die außerordentlich hohen
prospektiven Kurzschlussströmen gesehen, die beispielsweise
20 kA für einen Batteriestrang und bis zu 500 kA pro Batterie
betragen können.
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Für
das Schalten der Betriebsströme und die Begrenzung der
Kurzschlussströme weist eine Batterieanlage in einem Gleichstrominselnetz üblicherweise
eine Schalteinrichtung auf. Ein Gleichstromnetz mit einer Hochleistungs-Batterie
mit einer derartigen Schalteinrichtung ist beispielsweise in der
EP 1 641 066 A2 und
der
WO 2008/055493
A1 offenbart.
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Eine
Hochleistungsbatterie in einem Gleichstrominselnetz umfasst hierbei üblicherweise
mehrere parallel geschaltete Batteriemodule mit jeweils einem Strang
oder mehreren parallel geschalteten Strängen von in Reihe
geschalteten Hoch leistungs-Batteriezellen, wobei der bzw. jeder
der Stränge die Netzspannung des Gleichstrominselnetzes hat.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Schalteinrichtung
für eine Hochleistungs-Batterie in einem Gleichstrominselnetz,
insbesondere einem U-Boot-Gleichstromnetz, anzugeben, mit der Entladeströme
der Hochleistungs-Batterie besonders schnell abgeschaltet werden.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß zum
einen durch eine Schnellschalteinrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 und zum anderen durch eine Schnellschalteinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Ein Gleichstrominselnetz
mit einer Schnellschalteinrichtung ist Gegenstand des Patentanspruchs
14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
der Schnellschalteinrichtung gemäß Patentanspruch
1 fließt beim Ladebetrieb des Batteriemoduls der Ladestrom über
die Diode in die Batterie und beim Entladebetrieb des Batteriemoduls
der Entladestrom über den Halbleiterschalter. Durch eine entsprechende
Ansteuerung des Halbleiterschalters durch die Überwachungs-
und Steuervorrichtung kann der Entladestrom in einer im Vergleich
zu einem konventionellen Leistungsschalter wesentlich kürzeren
Zeit unterbrochen werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Überwachungs-
und Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass sie einen Kurzschlussstrom
in dem Anschlussleiter schnell erfasst und durch Schalten des Leistungshalbleiterschalters
in einen nichtleitenden Zustand den Kurzschlussstrom unterbricht.
Durch die Schnellschalteinrichtung kann der Entladestrom in einer
im Vergleich zu einem konventionellen Leistungsschalter wesentlich
kürzeren Zeit unterbrochen und dabei der Kurzschlussstrom des
einzelnen Batteriemoduls und in der Folge auch der Summenkurzschlussstrom
sämtlicher Batteriemodule der Batterie auf derart unkritische
Werte begrenzt werden, so dass auf weitere Strombegrenzungs- und
Abschaltmit telmittel für die Summenkurzschlussströme
verzichtet werden kann.
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Zur
Unterbindung von Schaltüberspannungen an dem Leistungshalbleiter
ist bevorzugt parallel zu der Parallelschaltung eine Diode geschaltet,
die in einem Leiterpfad angeordnet ist, der einen mit dem Pluspol
des Batteriemoduls verbundenen Anschlussleiter und einen mit dem
Minuspol des Batteriemoduls verbundenen Anschlussleiter verbindet.
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Bei
der Schnellschalteinrichtung gemäß Patentanspruch
4 fließt beim Ladebetrieb des Batteriemoduls der Ladestrom über
den mechanischen Schalter. Auch beim Entladebetrieb des Batteriemoduls
fließ der gesamte oder zumindest ein Teil des Entladestrom über
den mechanischen Schalter. Erst zum Abschalten des Entladestromes
wird durch Öffnen des mechanischen Schalters der Entladestrom vollständig
auf den Halbleiterschalter kommutiert und dann durch den Halbleiterschalter
abgeschaltet. Der Strom wird somit im Normalbetrieb im Wesentlichen über
den mechanischen Schalter geführt. Hierdurch können
Verluste vermieden werden, da ein mechanischer Schalter im Vergleich
zu einem Halbleiterbauelement wesentlich geringere Verluste aufweist.
Die Zeit zwischen dem Öffnen des mechanischen Schalters
und dem Abschalten des Halbleiterschalters kann hierbei derart gewählt
werden, dass beim Abschalten des Halbleiterschalters der Abstand
zwischen den Kontakten des mechanischen Schalters so groß ist,
dass sich der Lichtbogen zwischen den Kontakten bereits derart reduziert
hat, dass sich bei Abschalten des Halbleiterschalters kein neuer
Lichtbogen zwischen den Kontakten aufbaut.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Überwachungs-
und Steuereinrichtung derart ausgebildet, dass sie einen Kurzschlussstrom
in dem Anschlussleiter schnell erfasst und durch Schalten des Leistungshalbleiterschalters
in einen nichtleitenden Zustand den Kurzschlussstrom unterbricht.
Durch die Schnellschalteinrichtung kann der Entladestrom somit in
einer im Vergleich zu einem konventionellen Leistungsschalter wesentlich kürzeren
Zeit unterbrochen und dabei der Kurzschlussstrom des einzelnen Batteriemoduls
und in der Folge auch der Summenkurzschlussstrom sämtlicher
Batteriemodule der Batterie auf derart unkritische Werte begrenzt
werden, dass auf weitere Strombegrenzungs- und Abschaltmittelmittel
für die Summenkurzschlussströme verzichtet werden
kann.
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Der
Halbleiterschalter kann dabei beim Öffnen des mechanischen
Schalters bereits in einem leitenden Zustand sein, d. h. bei normalem
Entladebetrieb fließt sowohl ein Strom über den
mechanischen Schalter als auch über den Halbleiterschalter.
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Bevorzugt
ist der Halbleiterschalter jedoch beim Öffnen des mechanischen
Schalters in einem nichtleitenden Zustand und die Überwachungs-
und Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass sie den Halbleiterschalter
mit dem Öffnen des mechanischen Schalters in einen leitenden
Zustand schaltet. Ein Stromfluss über den Halbleiterschalter
findet somit nur zum Abschalten des Entladestromes statt, wodurch
Verluste minimiert werden können.
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Bevorzugt
ist der mechanische Schalter als ein Vakuumschalter ausgebildet.
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Ein
schnelles Öffnen der Kontakte des mechanischen Schalters
ist beispielsweise dadurch möglich, dass die Kraft für
die Öffnung der Kontakte durch einen elektrodynamischen
Antrieb erzeugt wird, der nach dem Prinzip des Thomson-Effektes
arbeitet.
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Zur
Aufnahme von elektrischer Energie und zur Begrenzung von Überspannungen,
die nach der Schaltung des Halbleiterschalters in den nichtleitenden
Zustand an dem Halbleiterschalter auftreten, ist bevorzugt ein elektrischer
Widerstand, vorzugsweise ein Varistor, parallel zu dem Halbleiterschalter
geschaltet.
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Sowohl
bei der Lösung gemäß Anspruch 1 als auch
bei der Lösung gemäß Anspruch 4 können als
Leistungshalbleiterschalter beispielsweise GTOs, IGBTs oder IGCTs
zur Anwendung kommen. Hierbei können Abschaltzeiten für
Kurzschlussströme von weniger als 10 Mikrosekunden erzielt
werden, während mit konventionellen Schnellschaltern nur
ca. 3 bis 5 ms möglich sind. Hierdurch können
die Summenkurzschlussströme auf ungefährliche
Werte begrenzt werden, was mit herkömmlichen Schutz- und Schaltorganen
in manchen Gleichstrominselnetzen, insbesondere in U-Boot-Gleichstromnetzen,
mit herkömmlich verfügbaren Schalt- und Schutzorganen
(z. B. Kompaktschaltern) als Schalter für die einzelnen Stränge
gar nicht möglich wäre, denn die Summenkurzschlussströme
pro Batterie wären dann noch so hoch, dass zusätzliche
Strombegrenzungen/Abschaltung erforderlich wären. Der Durchlassstrom dieser
herkömmlichen Strombegrenzung/Abschaltung für
den Summenkurzschlussstrom (z. B. Spezialsicherungen) liegt mit
z. B. ca. 200 kA aber noch deutlich über den zulässigen
Kurzschlussströmen der bisherigen Anlagen und den verfügbaren
Schalt- und Schutzorganen. Mit einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung
sind jedoch die Summenkurzschlussströme einer Batterie
mit den herkömmlichen Schalt- und Schutzorganen beherrschbar.
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Bevorzugt
umfasst jedes der Batteriemodule nur jeweils einen einzigen Strang
von in Reihe geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen,
d. h. die Schalteinrichtung umfasst jeweils eine Schalteinheit für
jeden einzelnen der Stränge. Hierdurch können
im Kurzschlussfall die Summenkurzschlussströme der gesamten
Batterie auf besonders niedrige Werte begrenzt und somit besonders sicher
beherrscht werden.
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Bevorzugt
verbindet der Anschlussleiter mit der Schalteinheit den Pluspol
des Batteriemoduls mit dem Gleichstromnetz verbindet, d. h. die
Schalteinheit ist zwischen den Pluspol des Batteriemoduls und das
Gleichstromnetz geschaltet.
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Zur
potentialfreien Abtrennung des Batteriemoduls von dem Gleichstromnetz
kann in einem Anschlussleiter, der den Plus pol des Batteriemoduls mit
dem Gleichstromnetz verbindet und in einem Anschlussleiter der den
Minuspol des Batteriemoduls mit dem Gleichstromnetz verbindet, jeweils
ein mechanischer Schalter, insbesondere ein Trennschalter, angeordnet
sein. Hierbei kann es sich auch um einen einzigen Schalter mit mehreren
Schaltkontaktpaaren handeln, wobei beispielsweise ein Kontaktpaar
in den einen Anschlussleiter und das andere Kontaktpaar in den anderen
Anschlussleiter geschaltet ist.
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Die
Batteriezellen bestehen von Vorteil aus Li-Ionen-Batteriezellen,
Li-Polymerbatteriezellen, Li-Eisen-Phosphat-Batteriezellen, Li-Titanat-Batteriezellen
oder Kombinationen daraus.
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Bei
einem Einsatz einer Schnellschalteinrichtung, z. B. einer vorstehend
beschriebenen erfindungsgemäßen Schnellschalteinrichtung,
in einem Gleichstrominselnetz, insbesondere einem U-Boot-Gleichstromnetz,
mit zumindest einem elektrischen Verbraucher, einer vorstehend erläuterten Hochleistungs-Batterie
zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie
und einem zwischen den elektrischen Verbraucher und die Hochleistungs-Batterie
geschaltetes Schutzorgan für den Verbraucher, insbesondere
eine Sicherung, können im Kurzschlussfall die Ströme
der Batteriemodule abgeschaltet und auf Werte begrenzt werden, die als
Summenkurzschlussströme von dem Gleichstrominselnetz sicher
beherrscht werden können. Auch im Fehlerfall, z. B. bei Überlast,
können die Batteriemodule sicher abgeschaltet werden.
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Wenn
die Schnellschalteinrichtung für jedes der Batteriemodule
jeweils eine Schnellschalteinheit aufweist und im Falle eines Kurzschlusses
am Verbraucher die Schnellschalteinheiten schneller als das nachgeschaltet
Schutzorgan für den Verbraucher auslösen, dann
würde ein Kurzschluss am Verbraucher zu keiner Auslösung
des Schutzorgans führen. Es ist somit keine Selektivität
zwischen den Schnellschalteinheiten und dem Schutzorgan gegeben.
Da das Schutzorgan nicht auslöst, bliebe der Kurzschlussort
unbekannt. Ein anschließendes Zuschalten der Batteriemodule
würde wiederum zu einem Kurzschluss und somit zu einer
Abschaltung der Batteriemodule führen. Insgesamt kann dies
zu einem dauerhaften Black-Out des gesamten Gleichstrominselnetzes
führen.
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Beispielsweise
kann unter den in U-Boot-Gleichstromnetzen herrschenden Bedingungen
die Auslösezeit bei den erfindungsgemäßen Schnellschalteinheiten
im Bereich von Mikrosekunden liegen, während sie im Fall
der Schutzorgane, vor allem der Sicherungen, im Millisekunden-Bereich liegt.
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Bei
dem Gleichstrominselnetz gemäß Anspruch 14 ist
deshalb zwischen zumindest eines der Batteriemodule und dem Schutzorgan
gezielt keine Schnellschalteinheit geschaltet. Bei diesem zumindest
einen Batteriemodul wird somit ein Kurzschlussstrom gezielt nicht
abgeschaltet. Der bzw. die nicht abgeschalteten Kurzschlussströme
führen dann zu einer Auslösung des nachgeschalteten
Schutzorganes für den Verbraucher, im Falle einer Sicherung
somit zu einem Schmelzen der Sicherung. Hierdurch wird der Verbraucher
zuverlässig von dem Gleichstromnetz getrennt. Anschließend
können die abgeschalteten Batteriemodule durch die Schnellschalteinheiten
automatisch wieder dem Gleichstromnetz zugeschaltet werden.
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Ein
Stromfluss von einem Batteriemodule zu dem Verbraucher kann im Falle
eines zwischengeschalteten Schnellschalteinheit zu einem Spannungsabfall
an der Schnellschalteinheit führen. Dies hat zur Folge,
dass Batteriemodule, die über eine zwischengeschaltete
Schnellschalteinheit mit dem Verbraucher verbunden sind, und Batteriemodule, die
ohne eine zwischengeschaltete Schnellschalteinheit mit dem Verbraucher
verbunden sind, unterschiedlich entladen. Zur gleichmäßigen
Entladung aller Batteriemodule ist deshalb in die elektrische Verbindung
zwischen dem zumindest einen Batteriemodul und dem Schutzorgan,
in die keine Schnellschalteinheit geschaltet ist, eine Kompensationseinheit
zur Kompensation der Strom/Spannungs-Charakteristik einer Schnellschalteinheit
geschaltet.
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Bevorzugt
weist die Kompensationseinheit 51 zumindest im Bereich
der Betriebsspannungen- und ströme und dabei zumindest
für die Entladeströme des Batteriemoduls 4a die
gleiche Strom/Spannungs-Charakteristik wie eine Schnellschalteinheit auf.
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In
einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung umfasst die
Kompensationseinheit eine Parallelschaltung aus einer den Ladestrom
des Batteriemoduls durchlassend gepolten Diode und einer den Entladestrom
durchlassend gepolten Diode.
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Zur
schnellen Wiederverfügbarkeit des Netzes nach einem Kurzschluss
am Verbraucher können die Schnellschalteinheiten derart
ausgebildet sein, dass sie nach einer Trennung der Batteriemodule von
dem Gleichstromnetz aufgrund von Kurzschlussströmen die
Spannung des Netzes erfassen und nach Spannungswiederkehr die Batteriemodule
automatisch wieder dem Gleichstromnetz zuschalten.
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Die
Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden
im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher erläutert; darin zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines ersten Gleichstrominselnetzes,
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2 ein
erstes Beispiel für den Aufbau eines in 1 gezeigten
Batteriemoduls,
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3 ein
zweites Beispiel für den Aufbau eines in 1 gezeigten
Batteriemoduls
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4 ein
Beispiel für den Aufbau einer in 1 gezeigten
Schalteinheit
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5 eine
Prinzipdarstellung eines zweiten Gleichstrominselnetzes
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6 ein
Beispiel für den Aufbau einer in 1 gezeigten
Schalteinheit
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7 eine
Prinzipdarstellung eines U-Boot-Gleichstromnetzes basierend auf
einem Gleichstrominselnetzes gemäß 1,
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8 eine
Prinzipdarstellung eines U-Boot-Gleichstromnetzes basierend auf
einem Gleichstrominselnetzes gemäß 5,
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9 das
Gleichstrominselnetze gemäß 1 mit
einer übergeordneten Steuereinrichtung und
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10 das
Gleichstrominselnetze gemäß 5 mit
einer übergeordneten Steuereinrichtung,
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11 das
Gleichstrominselnetz von 1 mit einer selektiven Auslösung,
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12 eine
bevorzugte Ausgestaltung eines in 11 gezeigten
Kompensationsmoduls,
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13 eine
vereinfachte Darstellung eines U-Boot-Gleichstromnetzes mit Schalt-
und Kompensationseinheiten,
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14 eine
bevorzugt Ausgestaltung der Schalt- und Kompensationseinheiten von 13.
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen
Gleichstrominselnetzes 3, das eine Hochleistungs-Batterie 2 zur
Speicherung elektrischer Energie, einen Generator G zur Erzeugung
elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor M umfasst.
Die Batterie 2 umfasst mehrere parallel geschaltete Batteriemodule 4 mit
jeweils einem Strang oder mehreren parallel geschalteten Strängen
von in Reihe geschalteten Hochleistungs-Batteriezellen, wobei der
bzw. jeder der Stränge die Netzspannung des Gleichstrominselnetzes hat.
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Beispielsweise
kann ein Batteriemodul – wie in 2 dargestellt – drei
parallel geschaltet Stränge 5 von jeweils in Reihe
geschalteten Batteriezellen 6 umfassen. Bevorzugt umfasst
jedoch ein Batteriemodul 4 – wie in 3 dargestellt – nur
einen einzigen Strang 5 von in Reihe geschalteten Batteriezellen 6.
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Die
Batteriezellen 6 bestehen beispielsweise aus Li-Ionen-Batteriezellen,
Li-Polymerbatteriezellen, Li-Eisen-Phosphat-Batteriezellen, Li-Titanat-Batteriezellen
oder Kombinationen daraus.
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Eine
Schnellschalteinrichtung 1 weist für jedes der
Batteriemodule 4 jeweils eine Schnellschalteinheit 12 auf,
die – wie in 4 dargestellt – eine Parallelschaltung 8 aus
einer den Ladestrom des Batteriemoduls 4 durchlassend gepolten
Diode 9 und einem den Entladestrom durchlassend gepolten Leistungshableiterschalter 10 umfasst.
Diese Parallelschaltung 8 ist in einem Anschlussleiter 7 des
Batteriemoduls 4 zu dem Gleichstromnetz 3 angeordnet. Der
Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalter 10 ist durch
eine Überwachungs- und Steuereinrichtung 11 steuerbar,
wobei die Überwachungs- und Steuereinrichtung 11 derart
ausgebildet ist, dass sie zum Abschalten eines Entladestromes in
dem Anschlussleiter 7 durch Schalten des Leistungshalbleiterschalter 10 in
einen nichtleitenden Zustand den in dem Anschlussleiter 7 fließenden
Entladestrom unterbricht.
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Die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 11 ist dabei derart ausgebildet,
dass sie einen Kurzschlussstrom in dem Anschlussleiter 7 schnell
erfasst und durch Schalten des Leistungshalbleiterschalters 10 in
einen nichtleitenden Zustand den Kurzschlussstrom unterbricht.
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Die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 11 erfasst hierzu über eine
Leitung 16 den Entladestrom in dem Anschlussleiter 7 und
steuert über eine Steuerleitung 17 den Halbleiterschalter 10.
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Die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 11 erkennt somit einen Kurzschluss
in dem Netz und sperrt innerhalb von Mikrosekunden den steuerbaren Halbleiter,
so dass der Kurzschlussstrom des Moduls 4 und somit auch
der Summenkurzschlussstrom sämtlicher Module 4 auf
eine ungefährlichen Wert begrenzt und abgeschaltet wird.
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Der
Anschlussleiter 7, in dem die Schalteinheit 12 bzw.
die Parallelschaltung 8 angeordnet ist, verbindet den Pluspol
(+) des Batteriemoduls 4 mit dem Gleichstromnetz 3.
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Eine
parallel zu der Parallelschaltung 8 einer Schalteinheit 12 geschaltete
Diode 13, die in einem Leiterpfad 19 angeordnet
ist, der den mit dem Pluspol (+) eines Batteriemoduls 4 verbundenen
Anschlussleiter 7 und einen mit dem Minuspol (–)
des Batteriemoduls 4 verbundenen Anschlussleiter 14 verbindet,
dient zur Unterbindung von Schaltüberspannungen an dem
Leistungshalbleiter 10.
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Zur
Möglichkeit der Abschaltung eines Batteriemoduls 4 bzw.
Stranges 5 bei schadhaftem Halbleiter und zur galvanische
Trennung eines Batteriemoduls 4 bzw. Stranges 5 von
dem Netz 3 ist in den Anschlussleiter 7, der den
Pluspol (+) des Batteriemoduls 4 mit dem Gleichstromnetz 3 verbindet
und in den Anschlussleiter 14, der den Minuspol (–)
des Batteriemoduls 4 mit dem Gleichstromnetz 3 verbindet,
jeweils ein mechanischer Schalter 15 bzw. 25,
z. B. ein Trennschalter, angeordnet. Der Schalter 15 bzw. 25 kann
hand- oder ggf. fernbetrieben sein. In dem Anschlussleiter 7 ist
der mechanische Schalter 15 dabei zwischen der Schalteinheit 12 und
dem Gleichstromnetz 3 angeordnet.
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Ein
in 5 gezeigtes Gleichstrominselnetz unterscheidet
sich von dem in 1 gezeigten Gleichstrominselnetz
dadurch, dass bei der Schalteinrichtung 1 die Dioden 13 weggelassen
sind, dass die Schalteinrichtung 1 Überwachungs-
und Steuereinrichtungen 31 statt der Überwachungs-
und Steuereinrichtungen 11 umfasst und dass es in 6 näher
gezeigte Schalteinheiten 32 statt der Schalteinheiten 12 umfasst.
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Die
Schalteinheiten 32 umfassen jeweils eine Parallelschaltung 28 aus
einem den Ladestrom und den Entladestrom des Batteriemoduls 4 durchlassenden
mechanischen Schalter 29 und zu mindest einem den Entladestrom
durchlassend gepolten Leistungshalbleiterschalter 30.
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Die
Parallelschaltung 28 der Schalteinheit 32 ist
dabei auch in diesem Fall in dem Anschlussleiter 7 des
Batteriemoduls 4 zu dem Gleichstromnetz 3 angeordnet.
Die Schaltzustände des mechanischen Schalters 29 und
des Leistungshalbleiterschalters 30 sind durch eine Überwachungs-
und Steuereinrichtung 31 steuerbar, wobei die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 31 derart ausgebildet ist, dass sie zum
Abschalten eines Entladestromes in dem Anschlussleiter 7 durch Öffnen
des mechanischen Schalters 29 einen durch den mechanischen
Schalter fließenden Strom auf den Halbleiterschalter 30 kommutiert
und anschließend durch Schalten des Halbleiterschalters 30 in
einen nichtleitenden Zustand den in dem Anschlussleiter 7 fließenden
Entladestrom unterbricht.
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Die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 31 ist dabei derart ausgebildet,
dass sie einen Kurzschlussstrom in dem Anschlussleiter 7 schnell
erfasst und durch Schalten des Leistungshalbleiterschalters 30 in
einen nichtleitenden Zustand den Kurzschlussstrom unterbricht.
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Die Überwachungs-
und Steuereinrichtung 31 ist hierbei zur Steuerung des
Schaltzustandes des mechanischen Schalters 29 zusätzlich
noch über eine Steuerleitung 18 mit dem mechanischen
Schalter 29 verbunden.
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Der
Halbleiterschalter 30 kann beim Öffnen des mechanischen
Schalters 29 bereits in einem leitenden Zustand sein. Zur
Vermeidung von Verlusten ist der Halbleiterschalter 30 jedoch
bei Entladebetrieb eines Batteriemoduls 4, d. h. auch beim Öffnen des
mechanischen Schalters 29, in einem nichtleitenden Zustand
und die Überwachungs- und Steuereinrichtung ist derart
ausgebildet, dass sie den Halbleiterschalter 30 mit dem Öffnen
des mechanischen Schalters 29 in einen leitenden Zustand
schaltet.
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Der
mechanische Schalter 29 ist bevorzugt als ein Vakuumschalter
ausgebildet.
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Eine
Schnellschalteinheit 32 umfasst zusätzlich noch
einen parallel zu dem Halbleiterschalter 30 geschalteten
Varistor 34 zur Aufnahme von elektrischer Energie und zur
Begrenzung von Überspannungen, die nach der Schaltung des
Halbleiterschalters 30 in den nichtleitenden Zustand an
dem Halbleiterschalter 30 auftreten.
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Ein
in 7 gezeigtes U-Boot-Gleichstromnetz 40 umfasst
zwei Teilnetze 41, die über eine Netzkopplung 42 miteinander
koppelbar sind. Jedes der Teilnetze 41 umfasst jeweils
eine in 1 gezeigte Batterie 2 und
Schalteinrichtung 1. Jedes der Batteriemodule 4 umfasst
genau einen Strang 5 von in Reihe geschalteten Batteriezellen,
so dass die Schalteinrichtung 1 einer Batterie 1 für
jeden der Stränge 5 jeweils eine Schalteinheit 12,
eine Steuer- und Überwachungseinrichtung 11 und
eine Diode 13 umfasst.
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Typischerweise
hat jeder der Stränge eine Nennspannung von 900 V und eine
Batterie umfasst etwa 20 parallel geschaltete Stränge.
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Die
Schalter 15 sind bevorzugt als eine mechanische Trennvorrichtung
ausgebildet und dienen zur Potentialtrennung des jeweiligen Batteriemoduls 4 bzw.
Stranges 5 von dem jeweiligen Teilnetz 41.
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Die
Schalter 25 sind bevorzugt als Leistungsschalter (z. B.
als Kompaktschalter) ausgebildet und dienen zum einen zur Potentialtrennung
des jeweiligen Batteriemoduls 4 bzw. Stranges 5 von
dem jeweiligen Teilnetz 41 und zum anderen zur Kurzschlussabschaltung
bei einem Versagen der dem jeweiligen Batteriemodul 4 bzw.
Strang 5 zugeordneten Schalteinheit 12.
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Zusätzlich
ist jede der Batterien 2 über in Reihe zu den
Batterien 2 geschaltete mechanische Schalter 35 von
dem jeweiligen Teilnetz 41 trennbar.
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Ein
in 8 gezeigtes U-Boot-Gleichstromnetz 40 unterscheidet
sich von dem in 7 gezeigten U-Boot-Gleichstromnetz 40 dadurch,
dass die Schalteinrichtung 1 auf der in 5 gezeigten
Lösung basiert.
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9 und 10 zeigen
das Gleichstrominselnetz gemäß 1 bzw. 5,
wobei jeweils eine zusätzliche übergeordnete Steuereinrichtung 50 vorhanden
ist, die über Leitungen 51 mit den Überwachungs-
und Steuereinrichtungen 11 bzw. 31 verbunden ist
und darüber Ausschaltbefehle für ein betriebsbedingtes
Abschalten von Entladeströmen durch die Schalteinheiten 12 bzw. 32 an
die Überwachungs- und Steuereinrichtungen 11 bzw. 31 übermittelt
und Rückmeldungen von den Überwachungs- und Steuereinrichtungen 11 bzw. 31 erhält.
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Wenn
auch die betriebsbedingten Entladeströme mittels der Halbleiterschalter
abgeschaltet werden, können für die mechanischen
Schalter kleinerbauende Ausführungen gewählt werden.
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Mit
der Erfindung ist eine einfachere Integration von Hochleistungs-Batterien
bei Neuanlagen und Nachrüstungen in bestehenden Anlagen
möglich.
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Eine
Steuerspannung für die Überwachungs- und Steuereinrichtungen 11, 31 und
Schalteinheiten 12, 32 kann durch eine Eigenversorgung aus
dem zugeordneten Batteriemodul 4 oder durch eine davon
unabhängige Versorgung (z. B. Stützbatterie, etc.)
erfolgen.
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Statt
jeweils einer Überwachungs- und Steuereinrichtungen 11, 31 kann
auch eine einzige übergeordnete Überwachungs-
und Steuereinrichtungen vorhanden sein.
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Nach
Begrenzung und Abschaltung eines Kurzschlusses ist eine Schnellschalteinheit 12, 32 sofort
wieder betriebsbereit. Die Ausführung ist vorteilhaft jedoch
so gestaltet, dass ein Wiedereinschalten ggf. erst nach einer Quittierung
zulässig ist (d. h. Fehlerursache ist behoben).
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Bei
einem schadhaften Halbleiter (z. B. durch ein Durchlegieren) zeigt
von Vorteil eine Überwachung den Fehler sofort an, so dass
Maßnahmen (z. B. Wegschalten des Batteriemoduls bzw. Stranges) ergriffen
werden können. Für den Fall, dass in diesem Moment
ein Kurzschluss erfolgen würde, wäre eine nachgeschaltete
Schalteinrichtung (z. B. Batterieschalteinrichtung) in der Lage,
den Kurzschlussstrom eines oder sogar mehrerer Stränge
zu beherrschen.
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Das
in 11 gezeigte Gleichstrominselnetz 3 entspricht
in seinen Grundzügen dem Gleichstrominselnetz 3 von 1,
wobei jedoch der Verbraucher M nun über ein Schutzorgan
in Form einer Sicherung 50 mit dem Gleichstromnetz 3 verbunden
ist. Die Schnellschalteinheiten 12 sind somit zwischen die
Sicherung 50 und die Batteriemodule 4 geschaltet.
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Wenn
die Schnellschalteinrichtung 1 für jedes der Batteriemodule 4 jeweils
eine Schnellschalteinheit 12 aufweist und die Schnellschalteinheiten 12 im
Falle eines Kurzschlusses am Verbraucher M schneller als die nachgeschaltet
Sicherung 50 auslösen, dann würde ein
Kurzschluss am Verbraucher M zu keiner Auslösung der Sicherung 50 führen.
Beispielsweise kann unter den in U-Boot-Gleichstromnetzen herrschenden
Bedingungen die Auslösezeit der in den 4 und 6 dargestellten
den Schnellschalteinheiten 12, 32 im Bereich von
Mikrosekunden liegen, während sie im Fall der Sicherung 50 im
Millisekunden-Bereich liegt. Es ist somit keine Selektivität
zwischen den Schnellschalteinheiten 12 und der Sicherung 50 gegeben.
Dies kann bis zu einem Black-Out des gesamten Gleichstrominselnetzes 3 führen.
Um dies zu verhindern, ist bei einem Batteriemodul 4a gezielt
keine Schalteinheit 12 zwischen das Batteriemodul 4a und
die Sicherung 50 bzw. den Verbraucher M geschaltet. Somit
wird für das Batteriemodul 4a im Falle eines Kurzschlusses am
Verbraucher M der Kurzschlussstrom gezielt nicht abgeschaltet. Der
nicht abgeschaltete Kurzschlussstrom führt dann zu einer
Auslösung, d. h. einem Schmelzen, der Sicherung 50.
Hierdurch wird der Verbraucher von dem Gleichstromnetz 2 getrennt.
Anschließend können die abgeschalteten Batteriemodule 4 durch
die Schnellschalteinheiten 12 der Schalteinrichtung 1 automatisch
wieder dem Gleichstromnetz 2 zugeschaltet werden.
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Ein
Stromfluss von einem Batteriemodul 4 zu dem Verbraucher
M führt üblicherweise zu einem Spannungsabfall
an der dazwischen geschalteten Schnellschalteinheit 12 und
somit zu unterschiedlichen Entladungen der mit und der ohne eine
zwischengeschaltete Schnellschalteinheit 12 mit dem Verbraucher
M verbunden Batteriemodule 4, 4a. Zur gleichmäßigen
Entladung aller Batteriemodule 4, 4a ist deshalb
zwischen das Batteriemodul 4a und die Sicherung 50,
hier in die Anschlussleitung 7 des Batteriemoduls 4a zu
dem Gleichstromnetz 3, eine Kompensationseinheit 51 zu
Kompensation der Strom/Spannungs-Charakteristik der Schnellschalteinheiten 12 geschaltet.
Bevorzugt weist die Kompensationseinheit 51 im Bereich
der Betriebsspannungen- und ströme, zumindest für
die Entladeströme, des Batteriemoduls 4a die gleiche
Strom/Spannungs-Charakteristik wie eine Schnellschalteinheit auf.
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In
einer in 12 gezeigten konstruktiv besonders
einfachen Ausgestaltung umfasst die Kompensationseinheit 51 eine
Parallelschaltung 52 aus einer den Ladestrom des Batteriemoduls 4a durchlassend
gepolten Diode 53 und einer den Entladestrom durchlassend
gepolten Diode 54.
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Bei
einer Verwendung einer Schnellschalteinheit 12 gemäß 4 kommt
für die Diode 53 bevorzugt ein Diode vom gleichen
Typ wie der der Diode 9 der in 4 gezeigten
Schnellschalteinheit 12 zur Verwendung, so dass die Diode 53 die
gleiche Strom/Spannungs-Charakteristik wie die den Ladestrom des
Bat teriemoduls 4 durchlassend gepolten Diode 9 der
Schnellschalteinheit 12 aufweist.
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Die
Diode 54 ist bevorzugt derart gewählt, dass sie
im Wesentlichen die gleiche Strom/Spannungs-Charakteristik des Leistungshalbleiters 10 der Schnellschalteinheit 12 gemäß 4 aufweist.
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Zu
schnellen Wiederverfügbarkeit des Netzes nach einem Kurzschluss
am Verbraucher können die Schnellschalteinheiten derart
ausgebildet sein, dass sie nach einer durch einen Kurzschluss verursachten
Trennung der Batteriemodule 4 von dem Gleichstromnetz 2 die
Spannung des Gleichstromnetzes 3 erfassen und nach Spannungswiederkehr die
Batteriemodule 4 automatisch wieder dem Gleichstromnetz 3 zuschalten.
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13 zeigt
in einer vereinfachten Darstellung nur für die Hinleiter
(d. h. die Leiter mit positivem Potenzial) ein U-Boot-Gleichstromnetz 60,
das aus zwei Teilnetzen 61, 62 besteht, die über
eine Netzkupplung 63 miteinander verbindbar sind.
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Ein
erster Verbraucher 64 ist nur aus dem Teilnetz 61 mit
elektrischer Energie versorgbar und hierzu über eine Sicherung 50 an
das Teilnetz 61 angeschlossen.
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Ein
zweiter Verbraucher 65 ist aus beiden Teilnetz 61, 62 mit
elektrischer Energie versorgbar und hierzu über jeweils
eine Sicherung 50 und eine Diode 66 (zur Entkopplung
der beiden Teilnetze 61, 62) an die beiden Teilnetze 61, 62 angeschlossen.
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Jedes
der beiden Teilnetze 61, 62 umfasst jeweils eine
Hochleistungsbatterie 2 mit jeweils mehreren parallel geschaltete
Batteriemodulen 4, 4a mit jeweils einem Strang
oder mehreren parallel geschalteten Strängen von in Reihe
geschalteten Hochleistungs-Batteriezellen umfasst, wobei der bzw.
jeder der Stränge die Netzspannung des Netzes 60 hat.
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Jeweils
eine Schnellschalteinrichtung 1 dient zur Unterbrechung
von Kurzschlussströmen der Batterie 1 eines Teilnetzes 61 bzw. 62.
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Die
Schnellschalteinrichtung 1 umfasst mehrere Schnellschalteinheiten 67 und
mehrere Kompensationseinheiten 51. Als Schnellschalteinheiten können
beispielsweise die Schnellschalteinheiten 12 von 4 oder
die Schnellschalteinheiten 32 von 6 zum Einsatz
kommen. Grundsätzlich sind aber auch andere Ausgestaltungen
der Schnellschalteinheiten 67 möglich.
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Jedes
der Batteriemodule 4 ist über jeweils genau eine
ihm zugeordnete und mit ihm in Reihe geschaltete Schnellschalteinheit 67 an
das jeweilige Teilnetz 61, 62 angeschlossen. Es
ist somit zwischen ein Batteriemodul 4 und eine Sicherung 50 des
Verbrauchers 64 bzw. des Verbrauchers 65 genau
eine Schnellschalteinheit 67 geschaltet.
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Die
Batteriemodule 4a sind über jeweils genau eine
ihm zugeordnete und mit ihm in Reihe geschaltete Kompensationseinheit 51 an
das jeweilige Teilnetz 61, 62 angeschlossen. Es
ist somit zwischen ein Batteriemodul 4 und eine Sicherung 50 des
Verbrauchers 64 bzw. des Verbrauchers 65 genau
eine Kompensationseinheit 51 geschaltet.
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Die
Schnellschalteinheiten 67 weisen eine Auslösezeit
auf, die kleiner als die der nachgeschalteten Sicherungen 50 der
Verbraucher 64, 65 ist.
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Ein
Kurzschluss am Verbraucher 64 führt somit zu einer
Abschaltung der Batteriemodule 4 der Batterie 1 des
Teilnetzes 61 durch ihre jeweiligen Schnellschalteinheiten 67.
Die Kurzschlussströme der Batteriemodule 4a führen
zu einer Auslösung der Sicherung 50 des Verbrauchers 64.
Danach können durch die Schnellschalteinheiten 67 die
Batteriemodule 4 dem Teilnetz 61 automatisch wieder
zugeschaltet werden. Bevorzugt ist dabei schon der Kurzschlussstrom
eines einzigen Batteriemoduls 4a ausreichend für
ein Auslösen der Sicherung 50. Da pro Bat terie 1 zwei
Batteriemodule 4a ohne Schnellschalteinheit 67 vorhanden
sind, ist eine Redundanz gegeben, da auch bei einem Ausfall eines
der beiden Batteriemodule 4a noch eine Auslösung
der Sicherung 50 gewährleistet ist.
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Ein
Kurzschluss am Verbraucher 65 führt zu einer Abschaltung
der Batteriemodule 4 der Batterien 2 beider Teilnetzes 61, 62 durch
ihre jeweiligen Schnellschalteinheiten 67. Die Kurzschlussströme der
Batteriemodule 4a beider Batterien 1 führen
jedoch zu einer Auslösung beider Sicherungen 50 des Verbrauchers 65.
Danach können durch die Schnellschalteinheiten 67 die
Batteriemodule 4 der beiden Batterien 2 den beiden
Teilnetzen 61, 62 automatisch wieder zugeschaltet
werden.
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Da
in beiden Batterien 1 jeweils zwei Batteriemodule 4a ohne
Schnellschalteinheiten 67 vorhanden sind, ist auch hier
eine Redundanz gegeben. Bei einem eventuelllen Betrieb einer der
beiden Batterien 1 mit abgeschalteten Batteriemodulen 4a werden
die beiden Teilnetze 61, 62 über die
Netzkupplung 63 miteinander gekuppelt.
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Als
Leistungsschalter ausgebildete Batterieschalter 68 dienen
zum betriebsmäßigen Schalten jeweils eines Teils
einer Batterie 1. Sie dienen weiterhin als Back-Up-Schutz
für den Fall, dass eine oder mehrere vorgeschaltete Schnellschalteinheiten 67 versagen.
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Als
Kompaktleistungsschalter ausgebildete Batteriemodulschalter 69 dienen
der allpoligen potenzialfreien Abtrennung eines Batteriemoduls 4 (z. B.
für Wartungsarbeiten an dem jeweiligen Batteriemodul 4 oder
der zugehörigen Schnellschalteinheit 67). Sie
dienen weiterhin als Back-Up-Kurzschlussschutz für die
zugehörige Schnellschalteinheit 12.
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Ebenfalls
bevorzugt als Kompaktleistungsschalter ausgebildete Batteriemodulschalter 70 dienen
der Abtrennung eines Batte riemoduls 4a im Fehlerfall (z.
B. bei Überlast, Überspannung, etc.).
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14 zeigt
in einer Detailansicht eine bevorzugte Ausgestaltung einer Schnellschalteinheit 67 und
einer Kompensationseinheit 51 von 13. Die Schnellschalteinheit 67 entspricht
dabei im Wesentlichen der in 4 gezeigten
Schnellschalteinheit 12 und die Kompensationseinheit der
in 12 gezeigten Kompensationseinheit. Die Schnellschalteinheit umfasst
hierbei eine Überwachungs- und Steuereinheit 71 und
eine Stromversorgung 72. Eine Batterieschalteinrichtung 73 umfasst
Batterieschalter 68 zum betriebsmäßigen
Schalten der jeweiligen Teilbatterie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1641066
A2 [0003]
- - WO 2008/055493 A1 [0003]