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Die
Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Schutzvorrichtung zur Begrenzung,
vorzugsweise auch Abschaltung, von Kurzschlussströmen in Hochenergie-Gleichstromnetzen,
insbesondere von Kurzschlussströmen von Batterieanlagen
in U-Boot-Gleichstromnetzen. Die Erfindung betrifft ferner eine
Schaltanlage mit mehreren derartigen Schutzvorrichtungen.
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Zur
Energiespeicherung in Gleichstrom-Netzen werden bevorzugt Batterien
bzw. Akkumulatoren eingesetzt. Zur vereinfachten Bezeichnung soll
für beide Arten von Energiespeichern nachfolgend nur der
Begriff „Batterien” verwendet werden. Von besonderem
Vorteil sind dabei solche Batterien, die einen geringen Innenwiderstand,
eine geringe Selbstentladung und eine hohe Energiedichte aufweisen.
Dem heutigen Stand der Technik entsprechen vor allem Batterien auf
Lithium-Basis diesen Anforderungen, so dass sie zunehmend auch Einsatz
in Hochleistungs-Gleichstrom-Netzen finden. Ein sehr typisches Einsatzgebiet
sind dabei Gleichstrom-Inselnetze, wie sie Fahrzeugen (z. B. U-Booten)
verwendet werden.
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So
ist beispielsweise aus der
EP
1 641 066 A2 und der
WO 2008/055493 A1 ein U-Boot-Gleichstromnetz
mit einer Batterie auf Lithium-Basis bekannt. Die Batterie umfasst
dabei mehrere parallel geschaltete Batteriemodule, die über
Anschlussleiter mit dem Gleichstromnetz verbunden sind, wobei die Batteriemodule
jeweils einen Strang oder mehreren parallel geschaltete Stränge
von in Reihe geschalteten Hochleistungs-Batteriezellen umfasst und
wobei der bzw. jeder der Stränge die Netzspannung des Gleichstromnetzes
hat. Eine Schaltanlage dient dabei zum Schalten der Betriebsströme
und zur Begrenzung der Kurzschlussströme.
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Der
im Interesse einer hohen Effizienz bei der Energiespeicherung vorteilhafte
geringe Innenwiderstand von Lithium-Batterien hat im Falle eines Kurzschlusses
im DC-Netz jedoch den Nachteil, dass sehr hohe Kurzschluss-Ströme
auftreten. Sie betragen ein Mehrfaches dessen, was bisher von anderen Batterien,
z. B. Blei-Batterien, bekannt ist. Im Fall eines U-Boot-Gleichstromnetzes
können die prospektiven Kurzschlussströme beispielsweise
20 kA für einen Batteriestrang und bis zu 500 kA pro Batterie
betragen.
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In
Verbindung mit dem sehr hohen Kurzschluss-Strom steht ein sehr schneller
Anstieg dieses Kurzschluss-Stroms. So beträgt die Zeitkonstante
des unbeeinflussten Kurzschluss-Stromes beispielsweise nur wenige
Millisekunden.
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Die
Abschaltung eines solchen Kurzschluss-Stroms wird somit insbesondere
dann problematisch, wenn zur Überwachung und Abschaltung des
Kurzschluss-Stromes elektromagnetisch betätigte Leistungsschalter
mit Überstromerkennung verwendet werden, die eine unvermeidbare
Ansprech- und Auslösezeit haben. Da die resultierende Überstromerkennungs-
und -abschaltzeit solcher Leistungsschalter gleich oder größer
ist, als die Zeitkonstante des unbeeinflusste Kurzschluss-Stroms
der Batterien, fließt zum Abschaltzeitpunkt dann bereits ein
solch hoher Strom, dass der Leistungsschalter durch die dann sehr
hohe Abschaltenergie W ~ I2 überlastet
wird. Schwerwiegende Schäden am Leistungsschalter selbst
und/oder den Komponenten, die der Leistungsschalter schützen
soll, können die Folge sein.
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Als
Alternative oder zusätzlich zu Leistungsschaltern können
in einigen Fällen Schmelzsicherungen verwendet werden,
die nach Abschalten des Kurzschluss-Stroms durch neue Sicherungen
ersetzt werden müssen. In vielen Fällen ist ein
solcher Austausch von Sicherungen nach Kurzschlüssen aber nicht
erwünscht oder auch nicht in kurzer Zeit möglich.
Ein typischer Fall ist dafür ein DC-Inselnetz, z. B. auf
Fahrzeugen, wie z. B. U-Booten.
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Wird
der Kurschlussstrom durch einen geeigneten Schalter praktisch unverzögert
abgeschaltet, besteht das Problem, dass nicht genügend
Zeit verbleibt, um nachgeschaltete elektromagnetisch betätigte
Leistungsschalter auszulösen. Somit ist nur eine eingeschränkte
Selektivität im Gleichstromnetz erreichbar.
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Es
ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Schutzvorrichtung
und eine Schaltanlage mit derartigen Schutzvorrichtungen zu schaffen,
mit der es möglich ist, den bei einem Kurzschluss in einem
Hochenergie-Gleichstromnetz auftretenden Kurzschluss-Strom sicher
zu beherrschen, wobei die vorstehend beschriebenen Probleme vermieden
werden können.
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Die
Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Kurzschluss-Schutzvorrichtung
gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Schutzvorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche
2 bis 8. Eine Schaltanlage mit derartigen Schutzvorrichtungen ist
Gegenstand des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Schaltanlage sind Gegenstand der Patentansprüche 10 bis 12.
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Eine
erfindungsgemäße Kurzschluss-Schutzvorrichtung
zur Begrenzung, vorzugsweise auch Abschaltung, von Kurzschlussströmen
in Hochenergie-Gleichstromnetzen, insbesondere von Kurzschlussströmen
von Batterieanlagen in U-Boot-Gleichstromnetzen, umfasst
- – einen elektrischen Widerstand, insbesondere
einen ohmschen Widerstand, zur Führung und Begrenzung des
Kurzschlussstromes im Kurzschlussfall,
- – einen zu dem Widerstand parallel geschalteten ersten
Schalter zur Überbrückung des Widerstandes bei
Kurzschlussfreiheit des Netzes, und
- – eine Überwachungs- und Steuerungseinrichtung
zur Überwachung des Stromes durch den Schalter und zum Öffnen
des Schalters, wenn der Strom durch den Schalter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Bei
Kurzschlussfreiheit des Netzes wird der Strom somit an dem elektrischen
Widerstand vorbeigeleitet. Sobald die Überwachungs- und
Steuerungseinrichtung jedoch einen Kurzschlussstrom feststellt, öffnet
sie den Schalter und der Strom wird über den Widerstand
geführt. Mit Hilfe des Widerstand kann der Kurzschlussstrom
hinsichtlich seiner Höhe, seiner zeitlichen Wirksamkeit
und ggf. auch seines Anstiegs (Gradienten) begrenzt werden, so dass
nachgeschaltete Schutzorgane, wie z. B. elektromagnetisch wirkende
Leistungsschalter, sicher auslösen können. Damit
ist eine gewünschte Selektivität in der Auslösung
nachgeschalteter Schutzorgane im Gleichstromnetz möglich,
wobei durch eine geeignete Dimensionierung des Widerstandes sichergestellt werden
kann, dass die zulässigen Abschaltströme bzw.
-energien dieser Schutzorgane nicht überschritten werden.
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Der
sich bei einem Kurzschluss im Gleichstromnetz ausbildende Gesamtstrom
wird somit auf einen definierten Überstrom begrenzt. Statt
eines „unkontrollierten Kurzschluss” liegt folglich
eine „kontrollierte und definierte Überlast” vor.
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Der
elektrische Widerstand kann dabei aus einem einzigen Widerstand
oder auch aus mehreren Widerständen bestehen.
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Grundsätzlich
kann die Schutzvorrichtung bei geeigneter Dimensionierung und Parametrierung nicht
nur zur Begrenzung von Kurzschlussströmen, sondern auch
zur Begrenzung von sonstigen, insbesondere betriebsbedingten, Überströmen
genutzt werden.
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Ein
besonders schnelles Umschalten eines Kurzschlussstromes zu dem Widerstand
und folglich eine besonders schnelle Begrenzung des Kurzschlussstromes
ist dadurch möglich, dass der erste Schalter als ein Leistungs-Halbleiterschalter
ausgebildet ist. Dieser zeichnet sich im Vergleich zu einem mechanischen
Schalter auch durch eine kontaktverschleißfreie Funktion
aus.
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Bevorzugt
umfasst die Schutzvorrichtung noch einen zweiten Schalter zur Abschaltung
des durch den Widerstand begrenzten Stromes im Kurzschlussfall.
Mit Hilfe dieses Schalters kann der über den Widerstand
geführten Strom zeitlich begrenzt und somit der Widerstand
und nachgeschaltete Schutzorgane vor einer Überlastung
geschützt werden.
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Der
zweite Schalter kann dabei in Reihe zu dem Widerstand geschaltet
sein. Nachgeschaltete Schalter können dann im stromlosen
Zustand abschalten und hierdurch z. B. als Schütz ausgeführt sein.
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Alternativ
kann der zweite Schalter auch in Reihe zu der Parallelschaltung
aus dem Widerstand und dem ersten Schalter geschaltet sein.
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Bevorzugt
ist auch der zweite Schalter als ein Leistungs-Halbleiterschalter
ausgebildet.
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Eine
besonders sichere zeitliche Begrenzung des über den Widerstand
geführten Stromes und somit Schutz des Widerstandes und
nachgeschalteter Schutzorgane vor einer Überlastung ist
dadurch möglich, dass die Schutzvorrichtung eine Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung zur Überwachung der Zeitdauer
eines Stromes durch den zweiten Schalter und zum Öffnen
des zweiten Schalters, wenn die Zeitdauer einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet,
umfasst.
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Für
einen Einsatz der Schutzvorrichtung zwischen einer Batterie und
einem Verbraucher umfasst sie vorteilhafterweise eine Diode, die
parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter geschaltet ist, wobei
die Diode derart gepolt ist, dass ihre Durchlassrichtung entgegengesetzt
ist zu der Durchlassrichtung des Leistungs-Halbleiterschalters.
Der Entladestrom der Batterie kann dann über den Leistungs-Halbleiterschalter
und der Ladestrom der Batterie kann über die Diode fliegen.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltanlage zur Begrenzung und
Abschaltung von Kurzschlussströmen in Hochenergie-Gleichstromnetzen,
insbesondere von Kurzschlussströmen von Batterieanlagen
in U-Boot-Gleichstromnetzen, umfasst mehrere vorstehen erläuterte
parallel geschaltete Schutzvorrichtungen und zumindest ein Schutzorgan,
das diesen Schutzvorrichtungen nachgeschaltet ist, wobei die Widerstände
der Schutzvorrichtungen derart dimensioniert sind, dass im Kurzschlussfall
ein durch die Summe der durch die Widerstände fließenden
Ströme gebildeter Gesamtstrom, der durch das Schutzorgan
fließt, das Schutzorgan auslöst. Hierdurch ist eine
Selektivität in der Auslösung verschiedener Schutzorgane
möglich.
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Bevorzugt
dient die Schaltanlage zur Begrenzung und Abschaltung von Kurzschlussströmen von
Hochleistungs-Batterieanlagen, insbesondere in U-Boot-Gleichstromnetzen,
wobei die Hochleistungsbatterie mehrere parallel geschaltete Batteriemodule umfasst,
die über Anschlussleiter mit dem Gleichstromnetz verbunden
sind, wobei die Batteriemodule jeweils einen Strang oder mehreren
parallel geschaltete Stränge von in Reihe geschalteten
Hochleistungs-Batteriezellen umfassen, wobei der bzw. jeder der
Stränge die Netzspannung des Gleichstromnetzes hat. Hierbei
weist die Schaltanlage für jeden der Anschlussleiter jeweils
eine Schutzvorrichtung auf.
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Wenn
die Schutzvorrichtung dabei einen als Leistungshalbleiterschalter
ausgebildeten ersten Schalter und eine Diode umfasst, die parallel
zu dem Leistungshalbleiterschalter geschaltet ist, wobei die Diode
derart gepolt ist, dass ihre Durchlassrichtung entgegengesetzt ist
zu der Durchlassrichtung des Leistungs-Halbleiterschalters, ist
bevorzugt der Leistungshalbeiterschalter derart gepolt, dass er
den Entladestrom des Batteriemoduls durchlässt, und die
Diode ist derart gepolt, dass sie den Ladestrom des Batteriemoduls
durchlässt.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind dabei die Schutzvorrichtungen
standardisiert vom jeweils gleichen Typ. Es ist somit möglich,
alle parallel geschalteten Batteriemodule und die daran angeschlossenen
Schutzvorrichtungen gleichartig auszuführen, so dass sich
die „kontrollierte und definierte Überlast” im
Kurzschlussfall auf alle verfügbaren (intakten) Batteriemodule
gleichmäßig verteilt.
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In
besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Auslegung und/oder Parametrierung
der Schutzvorrichtungen derart, dass weniger als die Nenn-Anzahl aller
Batteriemodule in Summe einen ausreichend hohen Überstrom
für die Auslösung nachgeschalteter Schutzorgane
liefern kann. Bei Ausfall einzelner, beliebiger Batteriemodule steht
dann immer noch genügend Gesamt-Überstrom zur
Verfügung, um im Falle eines Kurzschlusses im Netz die
erforderliche Selektivität zu gewährleisten.
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Durch
die erfindungsgemäße Begrenzung des Kurzschluss-Stromes
auf einen definierten Überstrom wird zudem die beim Abschaltvorgang
in jedem Batteriemodul bzw. Batteriestrang frei werdende Energie
aus stromdurchflossenen Induktivitäten deutlich kleiner,
als beim nicht beeinflussten Kurzschlussfall; mit der erfindungsgemäßen
Lösung kann die beim Abschaltvorgang frei werdende Energie
wegen des jetzt begrenzten Überstroms vergleichweise einfach
gespeichert (z. B. auf Kondensator umgeladen) und/oder „vernichtet”,
d. h. in Wärme umgewandelt werden (z. B. in einem Varistor).
Dies vereinfacht die Dimensionierung und/oder Baugröße
der für Halbleiterschalter üblicherweise erforderlichen Überspannungsbegrenzer
maßgeblich.
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Durch
die für jedes Batteriemodul bzw. jeden Batteriestrang vorgesehene
erfindungsgemäße Überstrombegrenzung
wird auch der Gesamt-Überstrom im DC-Netz in Summe begrenzt,
so dass nachgeordnete Schutzgeräte, insbesondere elektromagnetisch
betätigte Leistungsschalter und -schutzschalter bei ihrem
eigenen Abschaltvorgang im Zuge der selektiven Kurzschlussklärung
maßgeblich entlastet werden.
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Die
Anwendung der Erfindung liegt bevorzugt in Gleichstromnetzen. Grundsätzlich
kann sie jedoch auch in Wechselstromnetzen verwendet werden.
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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 einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schutzvorrichtung im kurzschlussfreien Betriebsfall;
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2 die
Schutzvorrichtung von 1 im Kurzschlussfall;
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3 eine
Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung;
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4 eine
mögliche Maximalkonfiguration einer Schutzvorrichtung;
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5 eine
im Vergleich zu 4 reduzierter Konfiguration
einer Schutzvorrichtung;
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6 eine
zu 4 alternative reduzierte Konfiguration einer Schutzvorrichtung;
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7 eine
mögliche Minimalkonfiguration einer Schutzvorrichtung;
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8 eine
erfindungsgemäße Schaltanlage.
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Eine
in 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigte Kurzschluss-Schutzvorrichtung 1 ist
in Anschlussleiter 2, 3 einer Batterie 4 zu
einem Gleichstromnetz 5 geschaltet. Die Schutzvorrichtung 1 umfasst
eine Parallelschaltung 6 eines ersten Leitungspfades 7 und
eines zweiten Leitungspfades 8. Die Parallelschaltung 6 ist
in den Anschlussleiter 2 mit positivem Potenzial geschaltet.
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In
dem ersten Leitungspfad 7 ist ein, vorzugsweise konstanter,
ohmscher Widerstand 9 angeordnet. Der Widerstand 9 dient
zur Führung und Begrenzung eines Kurzschlussstromes im
Anschlussleiter 2 im Kurzschlussfall.
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In
dem zweiten Leitungspfad 8 ist ein erster Schalter 10 angeordnet,
der bevorzugt als Halbleiter-Leistungsschalter ausgebildet ist.
Der Schalter 10 dient zur Überbrückung
des Widerstandes bei Kurzschlussfreiheit des Netzes.
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Eine,
vorzugsweise elektronisch ausgeführte, Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 11 dient zur Überwachung
des Stromes I durch den Schalter 10 und zum Öffnen
des Schalters 10, wenn der Strom I durch den Schalter 10 einen
in der Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 11 hinterlegten
Grenzwert überschreitet. Eine Überstromerkennung
erfolgt dabei mittels eines in Reihe zu dem ersten Schalter 10 geschalteten
Strommessgliedes 12. Die Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 11 ist
zur Erfassung der Strommesswerte über eine Signalleitung 13 mit
dem Strommessglied 12 und zur Ansteuerung des ersten Schalters über
eine Steuerleitung 14 mit dem ersten Schalter 10 verbunden.
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Mittels
eines in Reihe zu der Parallelschaltung 6 geschalteten
und in dem Anschlussleiter 2 zwischen der Schutzvorrichtung 1 und
dem Netz 5 angeordneten, d. h. der Schutzvorrichtung 1 nachgeschalteten,
Schalters 15 kann im Kurzschlussfall ein durch den Widerstand 9 begrenzter
Strom abgeschaltet werden. Der Schalter 15 ist dabei vorzugsweise
als ein Leistungsschalter ausgebildet.
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Bei
dem in 1 gezeigten Betriebszustand liegt kein Kurzschluss
im Netz 5 vor. Der Schalter 10 ist somit geschlossen.
Hierdurch wird der Widerstand 9 überbrückt
und der Strom I fließt ausschließlich über
den ersten Schalter 10.
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Überschreitet
der Strom I im Falle eines Kurzschlusses im Netz 5 den
vorgegebenen Grenzwert, öffnet die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 11 den Schalter 10,
so dass der Überstrom über den Widerstand 10 geführt
und durch diesen begrenzt wird (siehe 2). Der
mittels des Widerstandes 10 auf einen definierten Wert
begrenzte Kurzschlussstrom kann dann durch den Schalter 15 abgeschaltet
werden.
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Eine
in 3 gezeigte Schutzvorrichtung 1 unterscheidet
sich von der in 1 und 2 gezeigten
Schutzvorrichtung dadurch, dass sie einen zweiten als Halbleiter-Leistungsschalter
ausgebildeten Schalter 36 zur Abschaltung des durch den
Widerstand 9 begrenzten Überstromes aufweist.
Der Schalter 36 ist dabei in Reihe zu dem Widerstand 9 in
den ersten Leitungspfad 7 geschaltet. Der nachgeschaltete
Schalter 15 kann dann im stromlosen Zustand abschalten
und dadurch beispielsweise als ein Schütz ausgebildet sein.
Die Ansteuerung des Schalters 36 erfolgt über
eine, vorzugsweise elektronisch ausgeführte, Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 37. Alternativ kann der Schalter 36 auch
in Reihe zu der Parallelschaltung 6 geschaltet sein.
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Die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 37 dient zur Überwachung
der Zeitdauer eines Stromes durch den Schalter 36 und zum öffnen
des zweiten Schalters 36, wenn die Zeitdauer einen vorgegebenen
Grenzwert überschreitet. Die Überwachungs- und
Steuerungseinrichtung 37 bestimmt somit, wie lange der
definierte Überstrom durch den Widerstand 9 fließt.
Kann der Kurzschluss im Netz 5 nicht innerhalb der vorgegeben
Zeitdauer geklärt werden, öffnet die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 37 den Schalter 36,
wodurch der Strom I abgeschaltet wird. Anschließend kann
durch öffnen des Schalters 15 die Batterie 4 galvanisch
vom Netz 5 getrennt werden.
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Falls
innerhalb der vorgegeben Zeitdauer der Kurzschluss im Netz geklärt
werden kann, bleibt der Schalter 36 geschlossen. Wenn der
Batteriestrom I dann wieder unter den vorgegebene Grenzwert fällt,
wird durch die Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 11 der
Schalter 10 geschlossen und der Batteriestrom I fließt
unter Umgehung des Widerstandes 9 wieder über
den Schalter 10.
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Es
ist auch möglich, nach Ablauf einer definierten Zeit und
noch vor einer Abschaltung des durch den Widerstand 9 begrenzten
Stromes den Schalter 10 im Sinne eines automatischen Wiedereinschaltens
durch die Überwachungs- und Steuerungsein richtung 11 wieder
zu schließen. Steigt der Strom durch den Schalter 10 dann
aber wiederum an, wird der Schalter 10 durch die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 11 wieder abgeschaltet (ggf. auch
endgültig), so dass der Strom wieder über den Widerstand 9 fließt.
Dieser Vorgang kann auch einige Male wiederholt werden oder der
Strom kann endgültig über den Schalter 36 abgeschaltet
werden. Über den Schalter 15 kann dann im stromlosen
Zustand die Batterie 4 vom Netz 5 getrennt werden.
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4 zeigt
eine mögliche Maximalkonfiguration einer Schutzvorrichtung 1.
Die Schutzvorrichtung 1 ist als ein Vierpol ausgebildet
und basiert auf der Konfiguration gemäß 3.
Sie umfasst jedoch zusätzlich zu den im Zusammenhang mit 1–3 bereits
erläuterten Komponenten Schütze (oder ggf. Leistungsschalter) 40 zur
allseitigen und allpoligen Trennbarkeit der Schutzvorrichtung 1 von
der Batterie 4 und von dem Netz 5 und Notsicherungen 41 für eine
allseitigen und allpoligen Notschutz. Ein Stromanstiegsbegrenzer 42 dient
zur Begrenzung des Stromanstiegs in Richtung zum Netz 5.
Batterieseitig umfasst die Schutzvorrichtung einen parallel zur
der Batterie 4 zwischen die Anschlussleiter 2 und 3 geschalteten
Spannungsbegrenzer 43 für die Halbleiterschalter.
Zur dynamischen Entkopplung von dem Netz 5 ist parallel
zu dem Netz 5 eine Freilaufdiode 44 geschaltet.
Wenn die Diode 44 netzseitig vor dem Schütz/Leistungsschalter 40 angeordnet
ist, werden dessen Kontakte bei Abschaltvorgängen entlastet.
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Dem
als Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten Schalter 10 ist
eine Diode 45 parallel geschaltet, wobei die Diode 45 derart
gepolt ist, dass ihre Durchlassrichtung entgegengesetzt ist zu der Durchlassrichtung
des Leistungs-Halbleiterschalters. Der Leistungshalbeiterschalter
ist dabei derart gepolt, dass er den Entladestrom der Batterie 4 durchlässt,
und die Diode 45 ist derart gepolt, dass sie den Ladestrom
der Batterie 4 durchlässt.
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Die
Schutzvorrichtung 1 umfasst weiterhin die in 1–3 gezeigten
Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen 11 und 37 mit
ihren zugehörigen Komponenten, die jedoch zur Vereinfachung der
Darstellung nicht gezeigt sind.
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Zusätzlich
können noch weitere Spannungsbegrenzer parallel zu den
Halbleiterschaltern 10, 36 geschaltet sein.
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Bei
einer Wiederzuschaltung nach einer Kurzschlussbeseitigung im Netz 5 wird
zuerst das Schütz/Leistungsschalter 40 wieder
zugeschaltet. Über den Widerstand 9 kann ggf.
eine Einschaltstrombegrenzung erfolgen, wenn beispielsweise die Spannungsbegrenzung 43 einen
Kondensator beinhaltet (Kondensatorvorladung). Nach einem Schließen
des Schalters 36 (mit Strombegrenzung in Richtung Netz 5)
wird dann der Schalter 10 geschlossen (sofern durch die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung 11 kein Fehler detektiert wird).
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Eine
in 5 gezeigte reduzierte Konfiguration unterscheidet
sich von der in 4 gezeigten Konfiguration dadurch,
dass ein allpoliger Schutz durch ein Schütz 40 und
ein allpoliger Schutz durch eine Notsicherung 41 nur auf
der Netzseite der Schutzvorrichtung 1 vorhanden ist.
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Eine
in 6 gezeigte alternative reduzierte Konfiguration
unterscheidet sich von der in 4 gezeigten
Konfiguration im Wesentlichen dadurch, dass die Schutzvorrichtung
als ein reduzierter Vierpol (Dreipol) ausgebildet ist. Durch ein
Schütz (oder ggf. Leistungsschalter) 40 ist eine
allseitige und allpolige Trennbarkeit möglich. Schutz durch
Notsicherungen 41 ist nur für den Anschlussleiter 2 mit
positivem Potenzial gegeben.
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Eine
in 7 gezeigte Minimalkonfiguration unterscheidet
sich von der in 4 gezeigten Konfiguration im
Wesentlichen dadurch, dass die Schutzvorrichtung 1 im Grunde
nur noch als ein Zweipol ausgebildet ist. Der Schalter 36 weggelassen.
Durch einen netzseitig angeordneten Schalter 46 ist nur eine einpolige
Trennbarkeit von dem Netz 5 gegeben. Der Schalter 46 muss
hierbei als ein Leistungsschalter ausgebildet sein, da er unter
Last (strombegrenzt durch den Widerstand 9) abschalten
muss. Schutz durch eine Notsicherung 41 ist nur netzseitig für
den Anschlussleiter 2 mit positivem Potenzial gegeben.
Der Spannungsbegrenzer 43 ist bevorzugt als ein Varistor
ausgebildet.
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Die
vorstehend beschriebenen Schutzvorrichtungen 1 können
in Modulbauweise ausgeführt sein. Die Halbleiter-Bauelemente
können auf einem gemeinsamen Kühlkörper
oder auch auf getrennten Kühlkörpern angeordnet
sein. Die Kühlung kann je nach Einbauverhältnissen
und abzuführender Wärmeleistung beispielsweise
durch Luftkühlung, Wasserkühlung oder forcierte
Kühlung erfolgen. Bei einer Anwendung in Fahrzeugen ist
eine schockfeste Ausführung von Vorteil.
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8 zeigt
in vereinfachter Darstellung eine Schaltanlage 50 zur Begrenzung
und Abschaltung von Kurzschlussströmen einer Hochleistungs-Batterieanlage 51 in
einem U-Boot-Gleichstromnetz 55. In Bezug zu 1–7 gleiche
Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Hochleistungs-Batterieanlage 51 umfasst
mehrere parallel geschaltete Batteriemodule 54, die über
Anschlussleiter 2 mit positivem Potenzial mit dem Gleichstromnetz 55 verbunden
sind. Zur Vereinfachung wurde eine einpolige Darstellung gewählt,
d. h. die Anschlussleiter mit negativem Potenzial sind nicht dargestellt.
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Die
Batteriemodule 54 umfassen jeweils einen Strang oder mehreren
parallel geschaltete Stränge von in Reihe geschalteten
Hochleistungs-Batteriezellen, wobei der bzw. jeder der Stränge
die Netzspannung des Gleichstromnetzes 55 hat.
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Die
Schaltanlage 50 weist für jeden der Anschlussleiter 2 bzw.
jedes der Batteriemodule 54 jeweils eine eigene Schutzvorrichtung 1 gemäß einer der 1–7 auf,
die in den jeweiligen Anschlussleiter 2 geschaltet ist.
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Die Überwachungs-
und Steuerungseinrichtungen 11, 37 sämtlicher
Schutzvorrichtungen 1 (siehe 1–3)
können dabei auch zentral in einer einzigen übergeordneten Überwachungs-
und Steuerungseinrichtung zusammengeführt sein.
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Den
parallel geschalteten Schutzvorrichtungen 1 ist ein Schutzorgan 56,
z. B. ein Leistungsschalter, nachgeschaltet. Die Widerstände 9 (siehe 1–7)
der Schutzvorrichtungen 1 sind hierbei derart dimensioniert,
dass im Kurzschlussfall ein Gesamtstrom I*, der durch das Schutzorgan 56 fließt und
der durch die Summe der durch die Widerstände 9 der
Schutzvorrichtungen 1 fließenden Ströme
I gebildet wird, das Schutzorgan 56 auslöst.
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Dem
als Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten Schalter 10 der
Schutzvorrichtungen 1 ist eine Diode 45 parallel
geschaltet (siehe 1–7).
Der Leistungshalbeiterschalter ist dabei derart gepolt, dass er
den Entladestrom der Batterie 4 durchlässt, und
die Diode 45 ist derart gepolt, dass sie den Ladestrom
der Batterie 4 durchlässt.
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Sämtliche
Schutzvorrichtungen 1 der Schaltanlage sind vom jeweils
gleichen Typ. Es ist somit möglich, alle parallel geschalteten
Batteriemodule 54 und die daran angeschlossenen Schutzvorrichtungen 1 gleichartig
auszuführen, so dass sich der kontrollierte und definierte Überlaststrom
im Kurzschlussfall auf alle verfügbaren (intakten) Batteriemodule 54 gleichmäßig
verteilt.
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Die
Auslegung und/oder Parametrierung der Schutzvorrichtungen 1 ist
hierbei derart, dass weniger als die Nenn-Anzahl aller Batteriemodule 54 in Summe
einen ausreichend hohen Gesamt-Überstrom I* für
die Auslösung des Schutzorganes 56 liefern. Bei
Ausfall einzelner, beliebiger Batteriemodule 54 steht dann
immer noch genügend Gesamt-Überstrom I* zur Verfügung,
um im Falle eines Kurzschlusses im Netz die erforderliche Selektivität
zu gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A2 [0003]
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