Beschreibung
Kurzschluss-Schutzvorrichtung und Schaltanlage mit derartigen Schutzvorrichtungen
Die Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Schutzvorrichtung zur Begrenzung, vorzugsweise auch Abschaltung, von Kurzschlussströmen in Hochenergie-Gleichstromnetzen, insbesondere von Kurzschlussströmen von Batterieanlagen in U-Boot-Gleichstrom- netzen. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltanlage mit mehreren derartigen Schutzvorrichtungen.
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 in Fahrzeugen (z.B. U-Booten) verwendet werden.
So ist beispielsweise aus der EP 1 641 066 A2 und aus der WO 2008/055493 Al ein U-Boot-Gleichstromnetz mit einer Batterie auf Lithium-Basis bekannt. Die Batterie umfasst dabei mehrere parallel geschaltete Batteriemodule, die über An- Schlussleiter mit dem Gleichstromnetz verbunden sind, wobei die Batteriemodule jeweils einen Strang oder mehrere 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.
Der im Interesse einer hohen Effizienz bei der Energiespei- cherung 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.
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.
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 ho- her 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 .
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 Aus- tausch 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.
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 .
Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Schutzvorrichtung und eine Schaltanlage mit derartigen Schutzvor- richtungen 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.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Kurzschluss-
Schutzvorrichtung gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schutzvorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 9. Eine Schaltanlage mit derartigen Schutzvorrichtungen ist Gegenstand des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltanlage sind Gegenstand der Patentansprüche 11 bis 13.
Eine erfindungsgemäße Kurzschluss-Schutzvorrichtung zur Begrenzung, vorzugsweise auch Abschaltung, von Kurzschlussströ- men 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 Kurzschlussstro- mes im Kurzschlussfall,
- einen zu dem Widerstand parallel geschalteten ersten Schalter zur Überbrückung des Widerstandes bei Kurzschlussfreiheit des Netzes, und
- eine Überwachungs- und Steuerungseinrichtung zur Überwa- chung des Stromes durch den Schalter und zum Öffnen des
Schalters, wenn der Strom durch den Schalter einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Bei Kurzschlussfreiheit des Netzes wird der Strom somit an dem elektrischen Widerstand vorbeigeleitet. Sobald die Über- wachungs- 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 über- schritten werden.
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.
Der elektrische Widerstand kann dabei aus einem einzigen Widerstand oder auch aus mehreren Widerständen bestehen.
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 .
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 ausgebil- det ist. Dieser zeichnet sich im Vergleich zu einem mechanischen Schalter auch durch eine kontaktverschleißfreie Funktion aus .
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.
Der zweite Schalter kann dabei in Reihe zu dem Widerstand geschaltet sein. Nachgeschaltete Schalter können dann im strom- losen Zustand abschalten und hierdurch z.B. als Schütz ausgeführt sein.
Alternativ kann der zweite Schalter auch in Reihe zu der Parallelschaltung aus dem Widerstand und dem ersten Schalter geschaltet sein.
Bevorzugt ist auch der zweite Schalter als ein Leistungs- Halbleiterschalter ausgebildet.
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 Überwa- chungs- und Steuerungseinrichtung zur Überwachung der Zeit- dauer eines Stromes durch den zweiten Schalter und zum Öffnen des zweiten Schalters, wenn die Zeitdauer einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, umfasst.
Für einen Einsatz der Schutzvorrichtung zwischen einer Batte- rie 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 fließen.
Durch einen in Reihe zu der Diode geschalteten Schalter kann ein Stromfluss in Durchlassrichtung durch die Diode verhindert und dieser Stromfluss stattdessen über den Widerstand erzwungen werden. Dies kann beispielsweise für einen strombe- grenzten Energieausgleich zwischen einzelnen Batterien oder Batteriesträngen nach deren Abschaltung und anschließendem Wiederzuschalten genutzt werden.
Eine erfindungsgemäße Schaltanlage zur Begrenzung und Ab- Schaltung von Kurzschlussströmen in Hochenergie-Gleichstromnetzen, insbesondere von Kurzschlussströmen von Batterieanlagen in U-Boot-Gleichstromnetzen, umfasst mehrere vorstehend erläuterte parallel geschaltete Schutzvorrichtungen und zumindest ein Schutz- und/oder Schaltorgan, das diesen Schutz- Vorrichtungen 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 Schutz- und/oder Schaltorgan fließt, das Schutz- und/oder Schaltorgan auslöst. Hierdurch ist eine Selektivität in der Auslösung verschiedener Schutz- und/oder Schaltorgane möglich.
Bevorzugt dient die Schaltanlage zur Begrenzung und Abschal- tung von Kurzschlussströmen von Hochleistungs-Batteriean- lagen, insbesondere in U-Boot-Gleichstromnetzen, wobei die Hochleistungsbatterie mehrere parallel geschaltete Batteriestränge von in Reihe geschalteten Hochleistungs-Batte- riezellen umfasst, wobei die Batteriestränge einzeln oder in Gruppen über jeweils einen Anschlussleiter mit dem Gleichstromnetz verbunden sind und wobei jeder der Stränge die Netzspannung des Gleichstromnetzes hat. Hierbei weist die Schaltanlage für jeden der Anschlussleiter jeweils eine Schutzvorrichtung auf.
Wenn die Schutzvorrichtung dabei einen als Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten ersten Schalter und eine Diode umfasst, die parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter ge-
schaltet 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 Entla- destrom des Batteriestranges bzw. der Gruppe von Batteriesträngen durchlässt, und die Diode ist derart gepolt, dass sie den Ladestrom des Batteriestranges bzw. der Gruppe von Batteriesträngen durchlässt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind dabei die Schutzvorrichtungen standardisiert vom jeweils gleichen Typ. Es ist somit möglich, alle parallel geschalteten Batteriestränge bzw. Gruppen von Batteriesträngen und die daran angeschlossenen Schutzvorrichtungen gleichartig auszuführen, so dass sich die „kontrollierte und definierte Überlast" im Kurzschlussfall auf alle verfügbaren (intakten) Batteriestränge gleichmäßig verteilt.
In besonders vorteilhafter Weise erfolgt die Auslegung und/oder Parametrierung der Schutzvorrichtungen derart, dass weniger als die Nenn-Anzahl aller Batteriestränge in Summe einen ausreichend hohen Überstrom für die Auslösung nachgeschalteter Schutz- und/oder Schaltorgane liefern kann. Bei Ausfall einzelner, beliebiger Batteriestränge steht dann im- mer noch genügend Gesamt-Überstrom zur Verfügung, um im Falle eines Kurzschlusses im Netz die erforderliche Selektivität zu gewährleisten .
Durch die erfindungsgemäße Begrenzung des Kurzschluss-Stromes auf einen definierten Überstrom wird zudem die beim Abschaltvorgang in jedem Batteriestrang frei werdende Energie aus stromdurchflossenen Induktivitäten deutlich kleiner, als beim nicht beeinflussten Kurzschlussfall; mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die beim Abschaltvorgang frei werdende Ener- gie 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 Bau-
große der für Halbleiterschalter üblicherweise erforderlichen Überspannungsbegrenzer maßgeblich .
Durch die für jeden Batteriestrang bzw. jede Gruppe von Bat- teriesträngen vorgesehene erfindungsgemäße Überstrombegren- zung wird auch der Gesamt-Überstrom im DC-Netz in Summe begrenzt, so dass nachgeordnete Schutz- und/oder Schaltgeräte, insbesondere elektromagnetisch betätigte Leistungsschalter und -schutzschalter, bei ihrem eigenen Abschaltvorgang im Zu- ge der selektiven Kurzschlussklärung maßgeblich entlastet werden .
Die Anwendung der Erfindung liegt bevorzugt in Gleichstromnetzen. Grundsätzlich kann sie jedoch auch in Wechselstrom- netzen verwendet werden.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
FIG 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung im kurzschlussfreien Betriebsfall;
FIG 2 die Schutzvorrichtung von FIG 1 im Kurzschlussfall; FIG 3 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung;
FIG 4 eine mögliche Maximalkonfiguration einer Schutzvorrichtung;
FIG 5 eine im Vergleich zu FIG 4 reduzierte Konfiguration einer Schutzvorrichtung;
FIG 6 eine zu FIG 4 alternative reduzierte Konfiguration einer Schutzvorrichtung;
FIG 7 eine mögliche Minimalkonfiguration einer Schutzvorrichtung; FIG 8 eine erfindungsgemäße Schaltanlage;
FIG 9 eine Variante der in FIG 5 dargestellten Schutzvorrichtung.
Eine in FIG 1 in einer Prinzipdarstellung gezeigte Kurz- schluss-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 allen dargestellten Beispielen in den Anschlussleiter 2 mit positivem Potenzial geschaltet. Grundsätzlich kann die Schutzvorrichtung 1 auch in den Anschlussleiter 3 mit negativem Potenzial oder in beide An- Schlussleiter 2, 3 geschaltet sein.
In dem ersten Leitungspfad 7 ist ein ohmscher Widerstand 9 angeordnet. Der Widerstand 9 dient zur Führung und Begrenzung eines Kurzschlussstromes im Kurzschlussfall.
In dem zweiten Leitungspfad 8 ist ein erster Schalter 10 angeordnet, der bevorzugt als ein Halbleiter-Leistungsschalter ausgebildet ist. Der Schalter 10 dient zur Überbrückung des Widerstandes 9 bei Kurzschlussfreiheit des Netzes.
Eine, vorzugsweise elektronisch ausgeführte, Überwachungsund 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 Überwa- chungs- und Steuerungseinrichtung 11 hinterlegten Grenzwert überschreitet. Die Überwachungs- und Steuerungseinrichtung 11 ist hierzu entsprechend eingerichtet. Eine Überstromerkennung erfolgt dabei mittels eines in Reihe zu der Parallelschaltung 6 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 10 über eine Steuerleitung 14 mit dem ersten Schalter 10 verbunden.
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.
Bei dem in FIG 1 gezeigten Betriebszustand liegt kein Kurz- schluss 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.
Überschreitet der Strom I im Falle eines Kurzschlusses im
Netz 5 den vorgegebenen Grenzwert, öffnet die Überwachungsund Steuerungseinrichtung 11 den Schalter 10, so dass der Überstrom über den Widerstand 9 geführt und durch diesen begrenzt wird (siehe FIG 2) . Der mittels des Widerstandes 9 auf einen definierten Wert begrenzte Kurzschlussstrom kann dann durch den Schalter 15 abgeschaltet werden.
Eine in FIG 3 gezeigte Schutzvorrichtung 1 unterscheidet sich von der in FIG 1 und 2 gezeigten Schutzvorrichtung 1 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 ge- schaltet sein.
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 Überwachungsund Steuerungseinrichtung 11 ist hierzu entsprechend eingerichtet. 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.
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 vorgegebenen
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.
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 .
FIG 4 zeigt eine mögliche Maximalkonfiguration einer Schutzvorrichtung 1. Die Schutzvorrichtung 1 ist als ein Vierpol ausgebildet und basiert auf der Konfiguration gemäß FIG 3. Sie umfasst jedoch zusätzlich zu den im Zusammenhang mit FIG 1 - 3 bereits erläuterten Komponenten noch 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 einen allseitigen und allpoligen Notschutz. Ein Stromanstiegsbegrenzer 42 dient zur
Begrenzung des Stromanstiegs in Richtung zum Netz 5. Batte- rieseitig umfasst die Schutzvorrichtung 1 einen parallel zu der Batterie 4 zwischen die Anschlussleiter 2 und 3 geschalteten Spannungsbegrenzer 43 (z.B. einen Varistor oder eine Z- Diode) für die Halbleiterschalter 10, 36. Zur dynamischen Entkopplung von dem Netz 5 ist parallel zu dem Netz 5 eine Freilaufdiode 44 geschaltet. Wenn die Diode 44 netzseitig vor dem netzseitigen Schütz/Leistungsschalter 40 angeordnet ist, werden dessen Kontakte bei Abschaltvorgängen netzseitiger Ströme entlastet.
Die beiden Halbleiter-Schalter 10, 36 sind hierbei jeweils als ein Leistungshalbleiterschalter ausgebildet (symbolhaft durch sein Ersatzschaltbild in Form eines Schaltkontaktes in Reihe zu einer Diode dargestellt) .
Dem als Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten Halbleiter- Schalter 10 ist eine Diode 45 parallel geschaltet, wobei die Diode 45 derart gepolt ist, dass ihre Durchlassrichtung ent- gegengesetzt ist zu der Durchlassrichtung des Leistungs-
Halbleiterschalters . Der Leistungshalbleiterschalter 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. In entsprechender Weise ist dem als Leistungshalbleiterschalter ausgebildeten Halbleiter-Schalter 36 eine Diode 47 parallel geschaltet.
Bevorzugt ist jeder der Halbleiter-Schalter 10, 36 als ein IGBT-Leistungshalbleiterschalter ausgebildet und mit der je- weils zu ihm parallel geschalteten Diode 45 bzw. 47 zu jeweils einer Baueinheit in Form eines IGBT-Moduls 48 zusammen- gefasst .
Die Schutzvorrichtung 1 umfasst weiterhin die in FIG 1 - 3 gezeigten Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen 11 und 37 mit ihren zugehörigen Komponenten, die jedoch zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt sind.
Zusätzlich können noch weitere Spannungsbegrenzer parallel zu den Halbleiterschaltern 10, 36 geschaltet sein.
Eine in FIG 5 gezeigte reduzierte Konfiguration unterscheidet sich von der in FIG 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 sind.
Eine in FIG 6 gezeigte alternative reduzierte Konfiguration unterscheidet sich von der in FIG 4 gezeigten Konfiguration im Wesentlichen dadurch, dass die Schutzvorrichtung 1 als ein reduzierter Vierpol (Dreipol) ausgebildet ist. Durch ein Schütz (oder ggf. Leistungsschalter) 40 ist eine allseitige und allpolige Trennbarkeit der eigentlichen Schutzschaltung möglich. Schutz durch Notsicherungen 41 ist nur für den Anschlussleiter 2 mit positivem Potenzial gegeben.
Eine in FIG 7 gezeigte Minimalkonfiguration unterscheidet sich von der in FIG 4 gezeigten Konfiguration im Wesentlichen dadurch, dass die Schutzvorrichtung 1 im Grunde nur noch als ein Zweipol ausgebildet ist. Der Schalter 36 ist 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 Va- ristor ausgebildet.
Die vorstehend beispielhaft 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 forcier-
te Kühlung erfolgen. Bei einer Anwendung in Fahrzeugen ist eine schockfeste und/oder rüttelfeste Ausführung von Vorteil.
FIG 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 FIG 1 - 7 gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Hochleistungs- Batterieanlage 51 umfasst mehrere parallel geschaltete Batte- riestränge 54, die über jeweils einen 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. Jeder der Stränge 54 hat die Netzspannung des Gleichstromnetzes 55 und umfasst einen Strang in Reihe geschalteter Hochleistungs-Batteriezellen .
Statt jeweils einzelner Stränge 54 können auch jeweils Gruppen parallel geschalteter Batteriestränge, von denen jeder die Netzspannung des Gleichstromnetzes 55 hat, und somit mehrere parallel geschaltete Batteriestränge gemeinsam über jeweils einen Anschlussleiter 2 mit dem Gleichstromnetz 55 verbunden sein. Jeweils ein einzelner Strang 54 oder eine Gruppe parallel geschalteter Stränge können dabei in jeweils einem Batteriemodul zusammengefasst sein.
Die Schaltanlage 50 weist für jeden der Anschlussleiter 2 bzw. jeden der Batteriestränge 54 jeweils eine eigene erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 1 auf, wie sie beispielhaft in FIG 1 - 7 beschrieben ist, die in den jeweiligen Anschlussleiter 2 geschaltet ist.
Die Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen 11, 37 sämtlicher Schutzvorrichtungen 1 (siehe FIG 1 - 3) können dabei auch zentral in einer einzigen übergeordneten Überwachungsund Steuerungseinrichtung zusammengeführt sein.
Den parallel geschalteten Schutzvorrichtungen 1 kann ein Schutzorgan- und/oder Schaltorgan 56, z.B. ein Leistungsschalter, nachgeschaltet sein. Die Widerstände 9 (siehe FIG 1 - 7) der Schutzvorrichtungen 1 sind hierbei derart dimensio- niert, 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 Schutz- und/oder Schaltorgan 56 auslöst.
Wenn die Schalter 10 als Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sind, ist diesen Schaltern 10 vorzugsweise jeweils eine Diode 45 parallel geschaltet (siehe FIG 4 - 7) . Der Leis- tungshalbeiterschalter ist dabei derart gepolt, dass er den Entladestrom des jeweiligen Batteriestranges 54 durchlässt, und die Diode 45 ist derart gepolt, dass sie den Ladestrom des jeweiligen Batteriestranges 54 durchlässt.
Bei einem Wiederzuschalten von Batteriesträngen 54, die abgeschaltet waren und deshalb möglicherweise ein unterschiedli- ches Potenzial aufweisen, muss ein strombegrenzter Energieausgleich zwischen den Batteriesträngen 54 möglich sein. Damit bei diesem Energieausgleich der Strom nicht über die Diode 45 des nahezu widerstandslosen Leitungspfades 8 sondern über den widerstandsbehafteten Leitungspfad 7 fließt, kann - wie in FIG 9 in beispielhafter Ergänzung bzw. Erweiterung der Schutzvorrichtung von FIG 5 dargestellt ist - in den Leitungspfad 8 in Reihe zu der Diode 45 ein Schalter 61 (vorzugsweise ein elektromechanisch betätigbarer Schalter wie z.B. ein Leistungsschalter oder ein Schütz) geschaltet sein, über den ein Stromfluss durch die Diode 45 verhinderbar ist. Dieser Schalter 61 ist vorzugsweise, von der Batterie 4 bzw. dem Batteriestrang 54 aus gesehen, in den Leitungspfad 8 vor dem Abzweig zur Diode 45 angeordnet. Die in FIG 9 beispielhaft dargestellte Ergänzung bzw. Erweiterung der erfindungs- gemäßen Schutzvorrichtung durch den Schalter 61 kann in allen Ausführungsformen der Schutzvorrichtung 1, wie sie beispielhaft in FIG 1 bis 7 dargestellt ist, verwendet werden und so-
mit auch in der in FIG 8 dargestellten Schaltanlage 50 eingesetzt werden.
Sämtliche Schutzvorrichtungen 1 der Schaltanlage 50 sind vom jeweils gleichen Typ. Es ist somit möglich, alle parallel geschalteten Batteriestränge 54 und die daran angeschlossenen Schutzvorrichtungen 1 gleichartig auszuführen, so dass sich der kontrollierte und definierte Überlaststrom im Kurzschlussfall auf alle verfügbaren (intakten) Batteriestränge 54 gleichmäßig verteilt.
Die Auslegung und/oder Parametrierung der Schutzvorrichtungen 1 ist hierbei derart, dass weniger als die Nenn-Anzahl aller Batteriestränge 54 in Summe einen ausreichend hohen Gesamt- Überstrom I* für die Auslösung des Schutz- und/oder Schaltor- ganes 56 liefern. Bei Ausfall einzelner, beliebiger Batteriestränge 54 steht dann immer noch genügend Gesamt-Überstrom I* zur Verfügung, um im Falle eines Kurzschlusses im Netz 55 die erforderliche Selektivität zu gewährleisten.