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Bereich der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Kurzschlussschutz eines elektrischen Systems und auf ein elektrisches System.
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Hintergrund der Erfindung
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In bestimmten elektrischen Systemen wie Hybridelektrosystemen verwendete Energiespeicher wie Batterien oder Superkondensatoren können mit kumulativ großen Energiemengen geladen oder entladen werden. Ein Beispiel für ein Hybridelektrosystem ist ein elektrisches System eines Fahrzeugs oder einer Arbeitsmaschine, in dem/der elektrische Energie für das System erzeugt werden kann, indem ein Verbrennungsmotor verwendet wird, der einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie dreht, oder indem Energie von einer äußeren Quelle geladen oder auf andere ähnliche Weise erzeugt wird. Die im System enthaltene elektrische Energie kann weiterhin in einen oder mehr Elektromotoren eingespeist werden, die zum Beispiel Fahrmotoren des Fahrzeugs oder der Arbeitsmaschine oder beliebige mechanische Bewegung produzierende Motoren wie Wechselstrommotoren oder Gleichstrommotoren sein können.
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In einem Hybridelektrosystem kann Energie im erwähnten Energiespeicher beispielsweise dann gespeichert werden, wenn das System mehr Energie produziert als verbraucht. Ein oder mehr im System möglicherweise enthaltene Elektromotoren oder andere Lasten können mit dem Energiespeicher derart verbunden sein, dass ein oder mehr Wandlervorrichtungen zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor geschaltet sind. Die erwähnte eine oder mehr Wandlervorrichtungen weisen typisch zumindest einen Gleichspannungswandler auf, der zwischen dem Energiespeicher und dem elektrischen System über Gleichspannungsverbindungen geschaltet ist. Zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und eventuell einem Motor kann ferner eine zweite Wandlervorrichtung vorhanden sein, die die Gleichspannung des Zwischenkreises in eine vom Motor benutzte Spannung, zum Beispiel die Wechselspannung, umwandeln kann, wenn es sich um einen Wechselstrommotor handelt. Durch die Verwendung einer geeigneten Wandlervorrichtung zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und dem Motor kann der Motor geregelt betrieben und andererseits die Energie zurück in das elektrische System eingespeist werden, wenn der Motor die mechanische Bewegung abbremst.
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Ein Energiespeicher von Hybridelektrosystemen kann mit dem erwähnten Gleichspannungswandler aufgeladen werden, der Energie vom Gleichspannungszwischenkreis in den Energiespeicher beispielsweise dann einspeist, wenn die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises eine bestimmte Grenze überschreitet, während ein oder mehr Motoren Leistung in den Gleichspannungszwischenkreis einspeist. Man bezweckt, zum Beispiel die durch die Bremsung eines oder mehr der Motoren erzeugte Energie im System in erster Linie unmittelbar für die Einspeisung in die anderen Lasten zu verwenden. Falls die anderen Lasten diese Energie nicht verwenden können, wird die Energie nach Möglichkeit in den Energiespeicher für späteren Gebrauch eingespeist.
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Der Schutz eines elektrischen Systems vor einem Kurzschluss des elektrischen Systems kann mit einer Sicherung durchgeführt werden, die sich auf einer Gleichspannungsverbindung zwischen einem Energiespeicher und einem Gleichspannungswandler befindet. Die Aufgabe der Sicherung ist somit, den Energiespeicher zu trennen, falls irgendwo im elektrischen System, zum Beispiel im Gleichspannungswandler, ein Kurzschluss stattfindet. Das momentane Energieabgabe- oder Energieaufnahmevermögen von Energiespeichern wie Lithiumbatterien und Superkondensatoren kann jedoch sehr begrenzt sein. Mit anderen Worten kann der Strom im Normalbetrieb des Energiespeichers ziemlich gleich sein wie der Strom, der während eines Kurzschlusses des Systems vom Energiespeicher zum Kurzschluss fließt. Aus diesem Grund reicht der vom Energiespeicher erzeugte Kurzschlussstrom nicht immer aus, die Sicherung im Fehlerzustand zu brennen, aber er kann ausreichen, den Energiespeicher, die Halbleiter des Gleichspannungswandlers oder andere Komponenten zu zerstören. Außerdem kann ein Kurzschluss die Lebensdauer des Energiespeichers verkürzen, falls zum Beispiel der Schutz der Batterie ausgelöst wird.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage derart zu entwickeln, dass das oben erwähnte Problem gelöst oder wenigstens gemildert werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anordnung und ein elektrisches System erreicht, die dadurch gekennzeichnet sind, was in den unabhängigen Schutzansprüchen angegeben wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, dass die Anordnung Schaltmittel zur Schaltung der Spannung eines Gleichspannungszwischenkreises über eine Sicherung als Reaktion auf Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen System aufweist. Wenn die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises über die Sicherung geschaltet wird, brennt die somit entladene Energie des Gleichspannungszwischenkreises die Sicherung.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass sie einen zuverlässigen Kurzschlussschutz für ein elektrisches System ermöglicht, so dass ein Kurzschlussstrom des Energiespeichers die empfindlichen Komponenten des elektrischen Systems bei einem Kurzschluss nicht beschädigen kann.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird jetzt in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert, von denen:
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1 ein elektrisches System gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Das Anwenden der Erfindung ist auf kein bestimmtes System beschränkt, sondern die Erfindung kann in Verbindung mit verschiedenen elektrischen Systemen wie Hybridelektrosystemen angewandt werden. Außerdem ist die Verwendung der Erfindung nicht auf eine bestimmte Grundfrequenz ausnutzende Systeme oder auf einen bestimmten Spannungspegel beschränkt.
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1 zeigt ein Beispiel für ein elektrisches System gemäß einer Ausführungsform. Es ist zu bemerken, dass der Klarheit halber nur für das Verstehen der Erfindung wesentliche Elemente in der Figur gezeigt werden. Das elektrische System des Beispiels weist einen Energiespeicher 10 auf, der im Beispiel eine Kapazität Cc/e aufweist, die je nach dem System zum Beispiel aus einer oder mehr Batterien und/oder Superkondensatoren bestehen kann. Das elektrische System des Beispiels weist weiterhin einen Gleichspannungszwischenkreis 20 auf, der im Beispiel eine Kapazität Cdc aufweist, die je nach dem System zum Beispiel aus einem oder mehr Kondensatoren bestehen kann. Das elektrische System des Beispiels weist weiterhin einen Gleichspannungswandler 30 auf, der zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Gleichspannungszwischenkreis 20 über Gleichspannungsverbindungen geschaltet ist. Das elektrische System kann mit einem oder mehr anderen Wandlern (nicht dargestellt) verbunden sein. Zum Beispiel an den Gleichspannungszwischenkreis 20 kann ein oder mehr Wechselrichter angeschlossen werden, die einen oder mehr Motoren oder eine andere Last speisen können. Im Beispiel nach 1 weist der Hauptkreis des Gleichspannungswandlers eine aus Halbleitern bestehende Schalterbrücke 31 und eine Drossel 32 auf. Es ist zu bemerken, dass der Gleichspannungswandler 30 in Hinsicht auf die Struktur und das Arbeitsprinzip ein beliebiger Typ von Gleichspannungswandler sein kann, mit dem die Gleichspannung von einem Spannungspegel in einen anderen umgewandelt werden kann, und die Struktur seines Hauptkreises kann somit von der in 1 gezeigten Struktur abweichen. Vorzugsweise ist der Gleichspannungswandler 30 ein bidirektionaler Gleichspannungswandler, der Energie nicht nur vom Energiespeicher 10 in Richtung auf den Gleichspannungszwischenkreis 20 sondern auch vom Gleichspannungszwischenkreis 20 in Richtung auf den Energiespeicher 10 übertragen kann. Im Beispiel nach 1 weist ein Kurzschlussschutz des elektrischen Systems eine Sicherung F auf einer Gleichspannungsverbindung zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Gleichspannungswandler 30 an ihrem positiven Leiter auf. Der Typ und die Abmessungen der zu benutzenden Sicherung hängen vom elektrischen System ab. Zudem wird im Beispiel nach 1 ein Hauptschalter K des Systems auf der Gleichspannungsverbindung zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Gleichspannungswandler 30 dargestellt. Wenn das System in Betrieb ist, ist der Hauptschalter K im leitenden Zustand.
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Im Normalbetrieb, wenn die Energie vom Energiespeicher 10 in Richtung auf den Gleichspannungszwischenkreis 20 fließt, bildet der Gleichspannungswandler 30 eine Zwischenkreisspannung Udc aus einer Spannung Uc/e des Energiespeichers 10. Vor dem Starten des Gleichspannungswandlers 10 kann die Kapazität Cdc des Zwischenkreises 20 gegebenenfalls gesondert geladen werden. Bei der Ladung kann auch einen möglichen Kurzschluss des Gleichspannungswandlers 10 entdeckt werden und die Ladung kann unterbrochen werden.
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Das Beispiel nach 1 weist weiterhin eine Anordnung zum Kurzschlussschutz des elektrischen Systems auf, welche Anordnung Schaltmittel zur Schaltung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 20 über die Sicherung F als Reaktion auf Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen System aufweist. Im Beispiel nach 1 umfassen die Schaltmittel einen ersten steuerbaren Schalter T1, der zwischen dem positiven Pol des Gleichspannungszwischenkreises 20 und dem ersten Pol der Sicherung F geschaltet ist, einen zweiten steuerbaren Schalter T2, der zwischen dem negativen Pol des Gleichspannungszwischenkreises 20 und dem zweiten Pol der Sicherung F geschaltet ist, und eine Steuereinheit 40, die angeordnet ist, den ersten steuerbaren Schalter T1 und den zweiten steuerbaren Schalter T2 zu steuern, leitend zu sein, als Reaktion auf Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen System. Das heißt, wenn die Steuereinheit 40 einen Kurzschluss im elektrischen System, zum Beispiel im Gleichspannungswandler 30 oder auf einer der Gleichspannungsverbindungen, detektiert, sendet sie Steuersignale an den ersten steuerbaren Schalter T1 und den zweiten steuerbaren Schalter T2 und bringt sie somit in den leitenden Zustand. Als Ergebnis wird die Spannung Udc des Gleichspannungszwischenkreises 20 über die Sicherung F geschaltet und die somit entladene Energie des Gleichspannungszwischenkreises 20 brennt die Sicherung F. Die steuerbaren Schalter T1, T2 sind vorzugsweise steuerbare Halbleiterschalter, zum Beispiel Thyristor, so dass sie möglichst schnell in einer Kurzschlusssituation funktionieren.
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Das Detektieren eines Kurzschlusses in einem elektrischen System mit der Steuereinheit 40 oder einem entsprechenden Glied kann darauf basieren, dass Spannungen und/oder Ströme des Systems gemessen werden und daraus eine Fehlersituation gefolgert wird. Es ist auch möglich, dass zum Beispiel der Gleichspannungswandler 30 eine Fehlerdiagnosefunktion aufweist, die bei einem Kurzschluss ein den Kurzschluss angebendes Signal an die Steuereinheit 40 senden kann, die aufgrund des Signals den Kurzschlussfehler detektieren kann. Gemäß einer Ausführungsform kann die Anordnung Messmittel zur Messung des Stroms der Gleichspannungsverbindung zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Gleichspannungswandler 30 und/oder Messmittel zur Messung der Spannung Uc/e über den Energiespeicher 10 aufweisen, wobei die Steuereinheit 40 angeordnet ist, einen Kurzschluss im elektrischen System aufgrund der erwähnten Messung des Stroms der Gleichspannungsverbindung und/oder der Messung der Spannung über den Energiespeicher zu detektieren. Im Beispiel nach 1 wird sowohl die Messung des Stroms Idc der Gleichspannungsverbindung zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Gleichspannungswandler 30 als auch die Messung der Spannung Uc/e über den Energiespeicher 10 beschrieben. Die mögliche Messung des Stroms Idc der Gleichspannungsverbindung zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Gleichspannungswandler 30 kann mit einem geeigneten Strommessglied oder einer geeigneten Strommessanordnung an dem positiven oder negativen Leiter der Gleichspannungsverbindung ausgeführt werden. Gleichfalls kann die mögliche Messung der Spannung Uc/e über den Energiespeicher 10 mit einem geeigneten Spannungsmessglied oder einer geeigneten Spannungsmessanordnung ausgeführt werden. Die erhaltenen Strom- und/oder Spannungsmessdaten werden vorzugsweise an die Steuereinheit 40 geliefert. Die Detektierung eines Kurzschlusses durch die Steuereinheit 40 oder ein entsprechendes Glied aufgrund der Strom- oder Spannungsmessdaten kann weiterhin zum Beispiel auf der Größe des Stroms oder der Spannung und/oder der Ableitung, d. h. der Anstiegs- oder Abfallgeschwindigkeit, des Stroms oder Spannung basieren. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit 40 angeordnet, einen Kurzschluss im elektrischen System zu detektieren, falls der Strom Idc der Gleichspannungsverbindung einen für Strom vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit angeordnet, die Ableitung des Stroms Idc der Gleichspannungsverbindung in Bezug auf Zeit dldc/dt zu bestimmen und einen Kurzschluss im elektrischen System zu detektieren, falls der Strom der Gleichspannungsverbindung einen für Strom vorbestimmten Grenzwert überschreitet und die Ableitung des Stroms einen für die Ableitung des Stroms vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit angeordnet, die Ableitung der Spannung Uc/e über den Energiespeicher 10 in Bezug auf Zeit dUc/e/dt zu bestimmen und einen Kurzschluss im elektrischen System zu detektieren, falls die Ableitung der Spannung über den Energiespeicher einen für die Ableitung der Spannung vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
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Die die oben beschriebenen verschiedenen Funktionalitäten und ihre verschiedenen Kombinationen ausführende Anlage, zum Beispiel die Steuereinheit 40, kann mit einem oder mehr physischen oder logischen Komplexen wie einer physischen Vorrichtung oder einem Teil davon oder einer Softwareroutine ausgeführt werden. Die Steuereinheit 40 kann als eine getrennte physische Einheit ausgeführt werden und sie kann ihre Betriebsspannung zum Beispiel vom Gleichspannungszwischenkreis 20 erhalten.
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Die die Funktionalität der verschiedenen Ausführungsformen ausführende Anlage, zum Beispiel die Steuereinheit 40, kann zumindest teilweise mit einem Computer oder einer entsprechenden Signalverarbeitungsanlage mit einer geeigneten Software ausgeführt werden. Ein Beispiel für eine geeignete Signalverarbeitungsanlage ist eine speicherprogrammierbare Steuerung (Programmable Logic Controller, PLC). Ein solcher Computer oder eine solche Signalverarbeitungsanlage umfasst vorzugsweise zumindest einen Arbeitsspeicher (RAM), der einen Speicherbereich bereitstellt, den die arithmetischen Operationen benutzen, und einen Prozessor (CPU) wie einen universellen digitalen Signalverarbeitungsprozessor (DSP), der die arithmetischen Operationen durchführt. Der Prozessor kann eine Gruppe von Registern, eine arithmetische Logik-Einheit und eine Steuereinheit für den Prozessor aufweisen. Die Steuereinheit des Prozessors wird mit einer Reihe von Programmbefehlen gesteuert, die vom Arbeitsspeicher dem Prozessor übertragen werden. Die Steuereinheit des Prozessors kann Mikrobefehle für Grundoperationen aufweisen. Die Ausführung von Mikrobefehlen kann je nach der Struktur des Prozessors variieren. Die Programmbefehle können mit einer Programmiersprache codiert werden, die eine höhere Programmiersprache wie C, Java, usw. oder eine niedrige Sprache wie eine Maschinensprache oder eine Assemblersprache sein kann. Der Computer kann auch ein Betriebssystem aufweisen, das Systemdienste für ein mit Programmbefehlen geschriebenes Computerprogramm anbieten kann. Der Computer oder eine andere die Erfindung oder ihren Teil ausführende Anlage, zum Beispiel die Steuereinheit 40 oder dergleichen, kann geeignete Eingabemittel zum Empfangen zum Beispiel von Steuerdaten und/oder Messdaten von dem Benutzer und/oder den anderen Vorrichtungen und Ausgabemittel zum Ausgeben zum Beispiel von Alarmen und Meldungen und/oder Steuerdaten sowie zum Steuern der anderen Vorrichtungen aufweisen. Die Anlage kann auch eine geeignete Benutzeroberfläche aufweisen, über die der Benutzer zum Beispiel die erforderlichen Parameter stellen kann. Es ist auch möglich, besondere integrierte Schaltungen wie ASIC (Application Specific Integrated Circuit), analoge Schaltungen, programmierbare logische Geräte (PLD, Programmable Logic Device) wie FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder Einzelelemente oder andere Vorrichtungen zur Ausführung einer Funktionalität der verschiedenen Ausführungsformen gemäß den verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden.
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Die oben dargestellten verschiedenen Ausführungsformen können in existierenden Systemen, zum Beispiel Elektroantrieben oder ihren Komponenten wie Wandlervorrichtungen, ausgeführt werden und/oder separate Elemente und Vorrichtungen können zentral oder dezentral verwendet werden. Die existierenden Vorrichtungen für Elektroantriebe, wie zum Beispiel Wandler, weisen typisch einen Prozessor und einen Speicher auf, die in der Ausführung der Funktionalität der verschiedenen Ausführungsformen benutzt werden können. Somit können die von den verschiedenen Ausführungsformen benötigten Änderungen und Montagen zumindest teilweise anhand von Softwareroutinen durchgeführt werden, die ihrerseits als hinzugefügte oder aktualisierte Softwareroutinen ausgeführt werden können. Falls die Funktionalität der verschiedenen Ausführungsformen mit einer Software ausgeführt wird, kann eine solche Software als Computerprogrammprodukt angeboten werden, das Computerprogrammcode aufweist, dessen Ausführung in einem Computer den Computer oder eine entsprechende Anlage dazu bringt, die erfindungsgemäße Funktionalität gemäß den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen durchzuführen. Ein solcher Computerprogrammcode kann in einem computerlesbaren Mittel wie einem geeigneten Speichermittel, zum Beispiel einem Flash-Speicher oder einem optischen Speicher, gespeichert oder allgemein eingeschlossen werden, aus dem er von der Einheit oder den Einheiten gelesen werden kann, die den Programmcode ausführen. Zudem kann ein solcher Programmcode auf eine Einheit oder Einheiten, die den Programmcode ausführen, über ein geeignetes Datennetz geladen werden und er kann den möglicherweise existierenden Programmcode ersetzen oder aktualisieren.
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Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass, wenn die Technologie Fortschritte macht, der Grundgedanke der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.
