KR20110118659A

KR20110118659A - 단락 회로 보호 디바이스 및 그러한 보호 디바이스들을 갖는 스위치기어 어셈블리

Info

Publication number: KR20110118659A
Application number: KR1020117018396A
Authority: KR
Inventors: 레인하르드 보겔
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-10-31
Also published as: KR20130118396A; BRPI1008140A2; DE102009007969A1; KR101450502B1; WO2010089338A2; US8842404B2; AU2010210191A1; US20110317321A1; AU2010210191B2; WO2010089338A3; EP2394342A2

Abstract

본 발명은 고-에너지 직류 전류 네트워크들(5)에서의 단락 전류들, 특히 잠수함 직류 전류 네트워크들에서 배터리 시스템들의 단락 전류들을 제한하고, 바람직하게는 비활성화하기 위한 단락 회로 보호 디바이스(1)에 관한 것으로, 단락 회로 보호 디바이스는, 전기 저항(9), 특히 단락의 경우에 단락 회로 전류를 도전하고 제한하는 오옴성 저항, 네트워크에 단락 회로가 없는 경우, 저항을 브릿징(bridge)하기 위해 저항에 병렬 접속되는 제1 스위치(10), 스위치(10)에 의한 전류 I를 모니터링하고, 스위치(10)를 통한 전류 I가 지정된 임계값을 초과하면 스위치(10)를 동작시키기 위한 모니터링 및 제어 구성(11)을 포함한다.

Description

단락 회로 보호 디바이스 및 그러한 단락 회로 보호 디바이스들을 갖는 스위칭 시스템{SHORT-CIRCUIT PROTECTION DEVICE AND SWITCHING SYSTEM HAVING SUCH SHORT-CIRCUIT PROTECTION DEVICES}

본 발명은 고-에너지 DC 전력 공급 시스템들에서의 단락 전류들, 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들에서 배터리 시스템들의 단락 전류들을 제한하고, 바람직하게는 분리(disconnecting)하기 위한 단락 회로 보호 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 복수의 그러한 보호 디바이스들을 구비하는 스위치기어(switchgear) 어셈블리에 관한 것이다.

배터리들 또는 재충전가능한 배터리들은 바람직하게는 DC 전력 공급 시스템들에서 에너지를 저장하는데 이용된다. 이용되는 용어를 단순화시키기 위해, 양쪽 유형들의 에너지 저장소들에 대해 오직 "배터리들"이라는 용어만이 이하에 이용될 것이다. 여기에서 낮은 내부 저항, 낮은 레벨의 자기-방전(self-discharge) 및 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리들이 특별한 장점을 갖고 있다. 현재의 종래 기술로부터, 주로 리튬 기반 배터리들이 이들 요건들을 충족시키고, 결과적으로 이들은 고전력 DC 전력 공급 시스템들에서 그 이용이 증가되고 있다. 이 경우에 매우 통상적인 이용 분야는 수송수단들(예를 들면, 잠수함들)에 이용되는 바와 같이 DC 아일랜드(island) 네트워크들이다.

그러므로, 예를 들면, EP 1 641 066 A2 및 WO 2008/055493 A1은 리튬 기반 배터리를 구비하는 잠수함 DC 전력 공급 시스템을 개시하고 있다. 이 경우에, 배터리는 병렬로 접속되고 접속하는 도전체들을 통해 DC 전력 공급 시스템에 접속되는 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 배터리 모듈들 각각은 직렬로 접속된 고전력 배터리 셀들의 하나의 스트링, 또는 병렬로 접속된 복수의 스트링들을 포함하며, 스트링들 또는 그 각각은 DC 전력 공급 시스템의 시스템 전압을 갖고 있다. 이 경우에, 스위치기어 어셈블리는 오퍼레이팅 전류들을 스위칭하고 단락 회로 전류들을 제한하도록 기능한다.

그러나, 에너지 저장의 측면에서 높은 효율을 위해 유리한 리튬 배터리들의 낮은 내부 저항은, DC 전력 공급 시스템에서의 단락 회로의 경우에, 매우 높은 단락 회로 전류들이 발생한다는 단점을 갖고 있다. 이들 단락 전류들은 다른 배터리들, 예를 들면 납 배터리들에 대해 이전에 알려져 있던 것의 수 배인 크기를 갖고 있다. 잠수함 DC 전력 공급 시스템의 경우에, 예상되는 단락 회로 전류들은 예를 들면 배터리 스트링에 대해 20kA, 배터리당 500kA까지일 수 있다.

매우 높은 단락 회로 전류와 관련하여, 이러한 단락 회로 전류에서 매우 급격한 증가가 있다. 그러므로, 영향을 받지 않는 단락 회로 전류의 시간 상수는 예를 들면 단지 수 밀리초이다.

그러므로, 그러한 단락 전류의 분리는 특히 과전류 식별을 이용하는 전자기적으로 액튜에이팅(actuating)된 회로 차단기(circuit braker)들이 단락 회로 전류를 모니터링하고 분리하는데 이용되는 경우에 문제가 되고, 회로 차단기들은 회피할 수 없는 응답 및 트립핑 시간(triping time)을 갖고 있다. 그러한 회로 차단기들의 결과적인 과전류 식별 및 분리 시간은 배터리들의 영향을 받지 않는 단락 회로 전류의 시간 상수보다 크거나 같으므로, 회로 차단기가 매우 높은 분리 에너지 W~I²에 의해 과부하되는 분리 시간에 흐르는 그러한 높은 전류가 이미 존재한다. 이것은 결과적으로 회로 차단기 자체, 및/또는 회로 차단기가 보호하고자 하는 컴포넌트들에 대한 심각한 손상으로 나타날 수 있다.

회로 차단기들에 대한 대안으로서, 또는 그에 더해, 일부 경우들에서, 일단 단락 전류가 분리되었다면 새로운 퓨즈로 대체될 필요가 있는 가용성(fusible) 링크들이 이용될 수 있다. 그러나, 다수의 경우들에서, 단락 회로들 이후의 퓨즈들의 그러한 대체는 바람직하지 않거나 짧은 기간에 가능하지도 않다. 이러한 측면에서 전형적인 경우는 예를 들면 잠수함들과 같은 수송수단들 상의 DC 아일랜드 전력 공급 시스템이다.

단락 회로 전류가 실질적으로 어떠한 지연도 없이 적절한 스위치에 의해 분리되는 경우, 다운스트림으로 접속된 전자기적으로 액튜에이팅되는 회로 차단기들을 트리거링하는데 남아있는 시간이 충분하지 않다는 문제가 있다. 따라서, DC 전력 공급 시스템에서 오직 제한된 선택도만이 달성될 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 보호 디바이스, 및 그러한 보호 디바이스들을 구비하는 스위치기어 어셈블리를 제공하는 것으로서, 이들을 통해 고-에너지 DC 전력 공급 시스템에서 단락 회로의 경우에 발생하는 단락 회로 전류를 안전하게 제어할 수 있고, 이것으로 전술한 문제들을 회피할 수 있다.

이러한 목적은 특허 청구항 1에 따른 단락 회로 보호 디바이스에 의해 달성된다. 보호 디바이스의 양호한 구성들은 청구항 2 내지 9의 주제이다. 그러한 보호 디바이스를 구비하는 스위치기어 어셈블리는 청구항 10의 주제이다. 스위치기어 어셈블리의 양호한 구성들은 청구항 11 내지 13의 주제이다.

고-에너지 DC 전력 공급 시스템들에서의 단락 회로 전류들, 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들에서의 배터리 시스템들의 단락 회로 전류들을 제한하고, 양호하게는 분리하기 위한 본 발명에 따른 단락 회로 보호 디바이스는,

- 단락 회로의 경우에 단락 회로 전류를 가이드하고 제한하기 위한 전기 저항, 특히 오옴성 저항(ohmic resistance),

- 저항과 병렬로 접속되고, 전력 공급 시스템에 어떠한 단락 회로도 없는 경우에 저항을 바이패싱하기 위한 제1 스위치, 및

- 스위치를 통한 전류를 모니터링하고 스위치를 통한 전류가 사전 결정된 제한 값을 초과할 때 스위치를 개방하기 위한 모니터링 및 제어 디바이스를 포함한다.

그러므로, 전력 공급 시스템에서 어떠한 단락 회로들도 없는 경우, 전류는 전기 저항을 바이패스한다. 그러나, 모니터링 및 제어 디바이스가 단락 회로 전류를 검출하자마자, 스위치를 개방하고 전류는 저항을 통해 가이드된다. 저항의 도움으로, 단락 회로 전류는 그 레벨, 그 일시적 유효성, 및 가능하게는 그 상승(그래디언트(gradient))의 측면에서 제한될 수 있고, 결과적으로 예를 들면 전자기적으로 작용하는 회로 차단기들과 같이 다운스트림으로 접속된 보호 소자들이 안전하게 트립할 수 있다. 그러므로, DC 전력 공급 시스템에서 다운스트림 보호 소자들의 트립핑에서의 원하는 선택도(selectivity)가 가능하고, 여기에서 저항의 적절한 디멘져닝(dimensioning)은 이들 보호 소자들의 허용가능한 분리 전류들 또는 에너지들이 초과되지 않는 것을 보장할 수 있다.

그러므로, DC 전력 공급 시스템에서 단락 회로의 경우에 형성하는 전체 전류는 정의된 과전류로 제한된다. 따라서, "미제어된 단락 회로" 대신에, "제어되고 정의된 과부하"가 있다.

이 경우에, 전기 저항은 단일 저항 또는 복수의 저항을 포함할 수 있다.

원리상으로, 적합한 디멘져닝 및 파라미터화가 제공되는 경우에, 보호 디바이스는 단락 회로 전류들을 제한하는데 이용될 뿐만 아니라 다른, 특히 동작상으로 종속되는 과전류들을 제한하는데에도 이용될 수 있다.

특히, 단락 회로 전류의 저항으로의 급격한 전환 및 결과적으로 특히 단락 회로 전류의 급격한 제한은 제1 스위치가 전력 반도체 스위치의 형태로 되어 있다는 사실에 의해 가능하다. 이것은 또한 기계적 스위치와 비교하여 접촉 마모없는 기능에 의해 특징지어진다.

바람직하게는, 보호 디바이스는 단락 회로의 경우에 저항에 의해 제한된 전류를 분리하기 위한 제2 스위치를 또한 포함한다. 이러한 스위치의 도움으로, 저항을 통해 가이드되는 전류는 일시적으로 제한될 수 있고, 따라서 저항 및 다운스트림 보호 소자들은 과부하에 대해 보호될 수 있다.

이 경우에, 제2 스위치는 저항과 직렬로 접속될 수 있다. 그러면, 다운스트림 스위치들은 무전류 상태(currentless state)에서 분리될 수 있고, 결과적으로 예를 들면 컨택터(contactor)로서 구성될 수 있다.

대안적으로, 제2 스위치는 또한 저항 및 제1 스위치를 포함하는 병렬 회로와 직렬로 접속될 수 있다.

바람직하게는, 제2 스위치는 또한 전력 반도체 스위치의 형태이다.

특히, 저항을 통해 가이드되는 전류의 안전한 일시적 제한, 및 과부하에 대한 저항 및 다운스트림 보호 소자들의 보호는, 보호 디바이스가 제2 스위치를 통한 전류의 지속기간을 모니터링하고 지속기간이 사전 결정된 제한 값을 초과하는 경우에 제2 스위치를 개방하기 위한 모니터링 및 제어 디바이스를 포함하는 사실에 의해 가능하다.

배터리와 부하 사이의 보호 디바이스의 이용을 위해, 보호 디바이스는 유리하게는 전력 반도체 스위치와 병렬로 접속된 다이오드를 포함하고, 다이오드는 그 순방향이 전력 반도체 스위치의 순방향과 반대가 되도록 분극된다. 그러면, 배터리의 방전 전류는 전력 반도체 스위치를 통해 흐를 수 있고, 배터리의 충전 전류는 다이오드를 통해 흐를 수 있다.

다이오드와 직렬로 접속된 스위치에 의해, 다이오드를 통한 순방향으로의 전류 흐름이 방지될 수 있고, 이러한 전류 흐름은 대신에 저항을 통해 강제될 수 있다. 이것은, 예를 들면 분리 및 후속 재접속 이후에, 개별적인 배터리들 또는 배터리 스트링들 사이에 전류-제한된 에너지 교환에 이용될 수 있다.

고전력 DC 에너지 공급 시스템들에서의 단락-회로 전류들, 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들의 배터리 시스템들의 단락-회로 전류들을 제한하고 분리하기 위한 본 발명에 따른 스위치기어 어셈블리는, 병렬로 접속된 전술한 복수의 보호 디바이스 및 이들 보호 디바이스들의 다운스트림에 접속된 적어도 하나의 보호 및/또는 스위칭 소자를 포함하고, 보호 디바이스들의 저항들은 단락 회로의 경우에, 저항들을 통해 흐르는 전류들의 합에 의해 형성되고 보호 및/또는 스위칭 소자를 통해 흐르는 총 전류가 보호 및/또는 스위칭 소자를 트립하도록 디멘져닝된다. 결과로서, 다양한 보호 및/또는 스위칭 소자들의 트립핑의 측면에서의 선택도가 가능하다.

바람직하게는, 스위치기어 어셈블리는 고전력 배터리 시스템들, 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들의 단락-회로 전류들을 제한하고 분리하도록 기능하고, 고전력 배터리는 직렬로 접속된 고전력 배터리 셀들의, 병렬로 접속된 복수의 배터리 스트링들을 포함하며, 배터리 스트링들은 각각의 접속 도전체를 통해 개별적으로 또는 그룹들로 DC 전력 공급 시스템에 접속되고, 스트링들 각각은 DC 전력 공급 시스템의 시스템 전압을 가진다. 이 경우에, 스위치기어 어셈블리는 접속 도전체들의 각각에 대한 각각의 보호 디바이스를 가진다.

이 경우에 보호 디바이스가 전력 반도체 스위치 형태의 제1 스위치, 및 전력 반도체 스위치와 병렬로 접속된 다이오드를 포함하고, 다이오드가 그 순방향이 전력 반도체 스위치의 순방향에 반대가 되도록 분극되는 경우, 전력 반도체 스위치는 배터리 스트링 또는 배터리 스트링들의 그룹의 방전 전류가 통과할 수 있게 하는 방식으로 분극되는 것이 바람직하고, 다이오드는 배터리 스트링 또는 배터리 스트링들의 그룹의 충전 전류가 통과할 수 있게 하는 방식으로 분극된다.

특히 유리한 구성에 따르면, 이 경우에, 보호 디바이스들은 각각 표준화된 형태로 동일한 유형이다. 그러므로, 병렬로 접속된 모든 배터리 스트링들 또는 배터리 스트링들의 그룹들, 및 거기에 접속되는 보호 디바이스들이 동일하도록 구성할 수 있고, 결과적으로 "제어되고 정의된 과부하"는 단락 회로의 경우에 모든 가용한(손상되지 않은) 배터리 스트링들에 걸쳐 균일하게 분산된다.

특히 유리한 방식으로, 보호 디바이스들의 디자인 및/또는 파라미터화는, 모든 배터리 스트링들의 레이팅된 개수보다 적은 배터리 스트링들이 다운스트림 보호 및/또는 스위칭 소자들의 트립핑을 위한 충분히 높은 과전류를 생성할 수 있는 방식으로 수행된다. 임의의 개별적인 배터리 스트링들의 오류 발생 시에, 전력 공급 시스템의 단락 회로의 경우에 요구된 선택도를 보장하는데 가용한 충분한 전체 과전류가 여전히 존재한다.

뿐만 아니라, 단락-회로 전류의 정의된 과전류로의 본 발명에 따른 제한으로 인해, 전류가 흐르고 있는 인덕턴스들로부터 각각의 배터리 스트링의 분리 동작의 경우에 해제되는 에너지는 영향을 받지 않는 단락 회로의 경우보다 현저히 낮아지고, 본 발명에 따른 해결책으로, 분리 동작 동안에 해제된 에너지는, 이제 제한된 과전류로 인해, 저장되거나(예를 들면, 커패시터에 충전됨) 및/또는 "소진될 수 있고", 즉 비교적 간단한 방식으로 열로 변환될 수 있다(예를 들면, 바리스터(varistor)에서). 이것은 반도체 스위치들에 일반적으로 요구되는 서지(surge) 보호기들의 디멘져닝 및/또는 물리적 크기를 상당하게 단순화시킨다.

각각의 배터리 스트링 또는 배터리 스트링들의 각각의 그룹에 대해 제공된 본 발명에 따른 과전류 제한으로 인해, DC 전력 공급 시스템에서의 총 과전류는 크기 측면에서 제한되고, 결과적으로 다운스트림 보호 및/또는 스위칭 디바이스들, 특히 전자기적으로 액튜에이팅된 회로 차단기들 및 소형 회로 차단기들이 단락 회로들의 선택적인 제거 과정에서 그들 자신의 분리 동작 동안에 상당한 정도로 부하가 경감된다.

본 발명의 적용은 바람직하게는 DC 전력 공급 시스템들에 있다. 그러나, 원리상으로는, 이는 또한 AC 전력 공급 시스템들에도 이용될 수 있다.

본 발명, 및 본 발명의 양호한 구성들은 도면들의 예로 든 실시예들을 참조하여 이하에 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 단락 회로들이 없는 동작 경우에서 본 발명에 따른 보호 디바이스의 제1 실시예의 기본 예시를 도시하고 있다.
도 2는 단락 회로의 경우에 도 1에 도시된 보호 디바이스를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 보호 디바이스의 제2 실시예의 기본 예시를 도시하고 있다.
도 4는 보호 디바이스의 가능한 최대 구성을 도시하고 있다.
도 5는 도 4에 것과 비교하여 감소된 보호 디바이스의 구성을 도시하고 있다.
도 6은 도 4의 것에 대한 대안으로서 보호 디바이스의 감소된 구성을 도시하고 있다.
도 7은 보호 디바이스의 가능한 최소 구성을 도시하고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 스위치기어 어셈블리를 도시하고 있다.
도 9는 도 5에 예시된 보호 디바이스의 변동을 도시하고 있다.

도 1의 기본 예시에 도시된 단락 회로 보호 디바이스(1)는 DC 전력 공급 시스템(5)의 배터리(4)의 접속 도전체들(2, 3)에 접속된다. 보호 디바이스(1)는 제1 라인 경로(7) 및 제2 라인 경로(8)를 포함하는 병렬 회로(6)를 포함한다. 병렬 회로(6)는 예시된 모든 예들에서 양의 전위를 갖는 접속 도전체(2)에 접속된다. 원리상으로는, 보호 디바이스(1)는 음의 전위를 갖는 접속 도전체(3)에 접속되거나 양쪽 접속 도전체들(2, 3)에 접속될 수도 있다.

오옴성 저항(9)은 제1 라인 경로(7)에 배열된다. 저항(9)은 단락 회로의 경우에 단락-회로 전류를 가이드하고 제한하도록 기능한다.

바람직하게는 전력 반도체 스위치의 형태인 제1 스위치(10)는 제2 라인 경로(8)에 배열된다. 스위치(10)는 전력 공급 시스템에서 어떠한 단락 회로도 없는 경우에 저항(9)을 바이패스하도록 기능한다.

바람직하게는, 전자적인, 모니터링 및 제어 디바이스(11)는 스위치(10)를 통한 전류 I를 모니터링하고 스위치(10)를 통한 전류 I가 모니터링 및 제어 디바이스(11)에 저장된 제한 값을 초과하는 경우에 스위치(10)를 개방하도록 기능한다. 모니터링 및 제어 디바이스(11)는 이러한 목적을 위해 대응하여 설계된다. 이 경우에 과전류 식별은 병렬 회로(6)와 직렬로 접속된 전류 측정 소자(12)에 의해 발생한다. 모니터링 및 제어 디바이스(11)는 측정된 전류 값들을 검출하기 위해 신호 라인(13)을 통해 전류 측정 소자(12)에 접속되고, 제1 스위치(10)를 구동하기 위해 제어 라인(14)을 통해 제1 스위치(10)에 접속된다.

병렬 회로(6)와 직렬로 접속되고, 보호 디바이스(1)와 전력 공급 시스템(5) 사이의 접속 도전체(2)에 배열된, 즉 보호 디바이스(1)의 다운스트림에서 접속된 스위치(15)에 의해, 저항(9)에 의해 제한된 전류는 단락 회로의 경우에 분리될 수 있다. 이 경우에, 스위치(15)는 바람직하게는 회로 차단기 형태이다.

도 1에 도시된 동작 상태에서, 전력 공급 시스템(5)에는 어떠한 단락 회로도 없다. 그러므로, 스위치(10)는 닫혀 있다. 결과적으로, 저항(9)은 바이패스되고, 전류 I는 제1 스위치(10)를 통해 독점적으로 흐른다.

전력 공급 시스템(5)에서 단락 회로의 경우에 전류 I가 사전 결정된 제한 값을 초과하면, 모니터링 및 제어 디바이스(11)는 스위치(10)를 개방하고, 결과적으로 과전류가 저항(9)을 통해 가이드되고 그에 의해 제한된다(도 2 참조). 그리고나서, 저항(9)에 의해 정의된 값으로 제한된 단락-회로 전류는 스위치(15)에 의해 분리될 수 있다.

도 3에 도시된 보호 디바이스(1)는, 저항(9)에 의해 제한된 과전류를 분리하기 위한 전력 반도체 스위치 형태의 제2 스위치(36)를 갖는다는 점에서, 도 1 및 2에 도시된 보호 디바이스(1)와 상이하다. 이 경우에, 스위치(36)는 제1 라인 경로(7)에서 저항(9)과 직렬로 접속된다. 그리고나서, 다운스트림 스위치(15)는 무전류 상태에서 분리될 수 있고, 따라서 예를 들면 컨택터의 형태일 수 있다. 스위치(36)의 구동은 바람직하게는 전자적인, 모니터링 및 제어 디바이스(37)를 통해 수행된다. 대안적으로, 스위치(36)는 병렬 회로(6)와 직렬로 접속될 수 있다.

모니터링 및 제어 디바이스(37)는 스위치(36)를 통한 전류의 지속기간을 모니터링하고, 지속기간이 사전 결정된 제한 값을 초과하는 경우에 제2 스위치(36)를 개방하도록 기능한다. 모니터링 및 제어 디바이스(11)는 대응하여 이를 위해 설계된다. 그러므로, 모니터링 및 제어 디바이스(37)는 정의된 과전류가 저항(9)을 통해 얼마나 오랫동안 흐르는 지를 판정한다. 전력 공급 시스템(5)의 단락 회로가 사전 결정된 시간 주기 내에 제거될 수 없다면, 모니터링 및 제어 디바이스(37)는 스위치(36)를 개방시키고, 그 결과로서 전류 I가 분리된다. 그리고나서, 배터리(4)는 개방되어 있는 스위치(15)에 의해 전력 공급 시스템(5)으로부터 DC-분리될 수 있다(DC-isolated).

전력 공급 시스템의 단락 회로가 소정 시간 주기 내에 제거될 수 있다면, 스위치(36)는 닫힌 상태로 유지된다. 배터리 전류 I가 사전 결정된 제한 값 아래로 다시 떨어진다면, 스위치(10)는 모니터링 및 제어 디바이스(11)에 의해 닫혀지고, 배터리 전류 I는 다시 저항(9)을 바이패싱하는 스위치(10)를 통해 흐른다.

또한, 일단 정의된 시간 기간이 경과되면, 모니터링 및 제어 디바이스(11)에 의해 자동 갱신되는 수행의 의미에서, 저항(9)에 의해 제한된 전류의 분리 이전에 다시 스위치(10)를 닫을 수 있다. 그러나, 스위치(10)를 통한 전류가 다시 상승하는 경우, 스위치(10)는 모니터링 및 제어 디바이스(11)에 의해 다시 분리되고(가능하게는 또한 최종적으로), 결과적으로 전류가 저항(9)을 통해 다시 흐른다. 이러한 동작은 수회 반복되거나, 전류는 스위치(36)를 통해 최종적으로 분리될 수 있다. 그리고나서, 무전류 상태에서, 배터리(4)는 스위치(15)를 통해 전력 공급 시스템(5)으로부터 분리될 수 있다.

도 4는 보호 디바이스(1)의 가능한 최대 구성을 도시하고 있다. 보호 디바이스(1)는 4-단자 네트워크의 형태이고, 도 3에 도시된 구성에 기초하고 있다. 그러나, 도 1-3과 관련하여 이미 설명된 컴포넌트들뿐만 아니라, 모든 측면들 상에서 및 모든 단자들에서의 비상 보호를 위한 비상 퓨즈들(41)뿐만 아니라, 모든 측면들 상에서 및 모든 단자들에서 배터리(4) 및 전력 공급 시스템(5)으로부터 보호 디바이스(1)가 분리될 수 있도록 하기 위해 컨택터들(40)(또는 가능하게는 회로 차단기들)을 포함한다. 전류 상승 제한기(42)는 전력 공급 시스템(5)을 향한 방향으로 전류 상승을 제한시키도록 기능한다. 배터리 측 상에서, 보호 디바이스(1)는 반도체 스위치들(10, 36)을 위한 전압 제한기(43)(예를 들면, 바리스터 또는 제너 다이오드)를 포함하고, 전압 제한기는 접속 도전체들(2 및 3) 사이의 배터리(4)와 병렬로 접속된다. 전력 공급 시스템(5)으로부터의 다이나믹 디커플링(dynamic decoupling)을 위해, 프리휠링(freewheeling) 다이오드(44)는 전력 공급 시스템(5)과 병렬로 접속된다. 다이오드(44)가 시스템 측 컨택터/회로 차단기(40)의 시스템 측 업스트림 상에 배열되는 경우, 컨택터/회로 차단기의 컨택트들은 시스템 측 전류들에 관한 분리 동작들의 경우에 부하가 경감된다.

이 경우에, 2개의 반도체 스위치들(10, 36) 각각은 전력 반도체 스위치(다이오드와 직렬로 된 스위칭 컨택트의 형태로 그 등가 회로도에 의해 심볼로 예시됨)의 형태로 되어 있다.

다이오드(45)는 전력 반도체 스위치 형태인 반도체 스위치(10)와 병렬로 접속되고, 다이오드(45)는 그 순방향이 전력 반도체 스위치의 순방향에 반대가 되도록 분극된다. 전력 반도체 스위치는 배터리(4)의 방전 전류가 통과할 수 있도록 분극되고, 다이오드(45)는 배터리(4)의 충전 전류가 통과할 수 있도록 분극된다. 대응하여, 다이오드(47)는 전력 반도체 스위치 형태인 반도체 스위치(36)와 병렬로 접속된다.

바람직하게는, 반도체 스위치들(10, 36)의 각각은 IGBT 전력 반도체 스위치의 형태이고, 그것과 병렬로 접속되는 해당 다이오드(45 또는 47)와 결합되어 각각의 경우에 IGBT 모듈(48)의 형태인 구조적 유닛을 형성한다.

그러나, 보호 디바이스(1)는 단순화된 예시 때문에 도시되지 않은 그들의 연관된 컴포넌트들과 함께, 도 1-3에 도시된 제어 및 모니터링 디바이스들(11 및 37)을 또한 포함한다.

또한, 추가적인 전압 제한기들은 반도체 스위치들(10, 36)과 병렬로 접속될 수 있다.

도 5에 도시된 감소된 구성은, 컨택터(40)에 의한 모든 단자들에서의 보호 및 비상 퓨즈(41)에 의한 모든 단자들에서의 보호가 보호 디바이스(1)의 시스템 측 상에만 제공된다는 점에서 도 4에 도시된 구성과 상이하다.

도 6에 도시된 대안적인 감소된 구성은, 보호 디바이스(1)가 감소된 4-단자(3-단자) 네트워크의 형태라는 점에서 도 4에 도시된 구성과 실질적으로 상이하다. 실제 보호 회로가 모든 측면들 상에서 그리고 모든 단자에서 컨택터(40)(또는 가능하게는 회로 차단기)에 의해 분리되는 것이 가능하다. 비상 퓨즈들(41)에 의한 보호는 단지 양의 전위를 갖는 접속 도전체(2)에 대해서만 제공된다.

도 7에 도시된 최소 구성은, 보호 디바이스(1)가 원리상으로 단지 2-단자 네트워크의 형태라는 점에서, 도 4에 도시된 구성과 실질적으로 상이하다. 스위치(36)가 생략된다. 전력 공급 시스템(5)으로부터의 단일-단자 분리의 유일한 가능성은 시스템 측 상에 배열된 스위치(46)에 의해 제공된다. 이 경우에, 스위치(46)는 부하가 걸린 상태에서 셧다운할 필요가 있으므로(저항(9)에 의한 전류 제한으로), 회로 차단기의 형태일 필요가 있다. 비상 퓨즈(41)에 의한 보호는 양의 전위를 갖는 접속 도전체(2)에 대한 시스템 측 상에만 제공된다. 전압 제한기(43)는 바람직하게는 바리스터의 형태로 되어 있다.

앞서 설명된 보호 디바이스들(1)은 모듈형 디자인을 가질 수 있다. 반도체 컴포넌트들은 공통 히트 싱크(common heat sink) 또는 다르게는 분리된 히트 싱크들 상에 배열될 수 있다. 냉각은, 예를 들면 설치 조건들, 및 소진될 필요가 있는 열 파워(thermal power)에 따라, 공기 냉각, 물 냉각 또는 강제 냉각에 의해 발생할 수 있다. 수송수단에서의 어플리케이션의 경우에, 충격 내성(shock-resistant) 및/또는 진동 방지(vibration-prrof) 실시예가 유리하다.

도 8은 잠수함 DC 전력 공급 시스템(55)에서 고전력 배터리 시스템(51)의 단락-회로 전류를 제한하고 분리하기 위한 스위치기어 어셈블리(50)의 단순화된 예시를 도시하고 있다. 이 경우에, 도 1-7에 대해, 동일한 컴포넌트들은 동일한 참조부호들로 명기된다. 고전력 배터리 시스템(51)은 복수의 배터리 스트링들(54)을 포함하고, 이들은 병렬로 접속되며 양의 전위를 갖는 각각의 접속 도전체(2)를 통해 DC 전력 공급 시스템(55)에 접속된다. 단순화를 위해, 단일-단자 예시가 선택되었고, 즉 음의 전위를 갖는 접속 도전체들은 도시되지 않는다. 스트링들(54)의 각각은 DC 전력 공급 시스템(55)의 시스템 전압을 갖고, 직렬로 접속된 고전력 배터리 셀들의 스트링을 포함한다.

각각의 경우의 개별적인 스트링들(54) 대신에, 각각의 경우에 대해서, 병렬로 접속되고 각각이 DC 전력 공급 시스템(55)의 시스템 전압을 갖는 배터리 스트링들의 그룹들, 따라서 병렬로 접속된 복수의 배터리 스트링들이 각각의 접속 도전체(2)를 통해 DC 전력 공급 시스템(55)에 합동으로 접속될 수 있다. 각각의 경우에 하나의 개별적인 스트링(54) 또는 병렬로 접속된 스트링들의 그룹은 이 경우에 각각의 배터리 모듈에 결합될 수 있다.

각각의 경우에, 스위치기어 어셈블리(50)는 도 1-7에서 예를 들어 설명한 바와 같이, 접속 도전체들(2)의 각각 또는 배터리 스트링들(54)의 각각에 대해 본 발명에 따른 하나의 전용 보호 디바이스(1)를 갖고 있고, 보호 디바이스는 각각의 접속 도전체(2)에 접속된다.

모든 보호 디바이스들(1, 도 1-3 참조)의 모니터링 및 제어 디바이스들(11, 37)은 이 경우에, 단일 상위(superordinate) 모니터링 및 제어 디바이스에 중앙집중적으로 결합될 수 있다.

보호 소자 및/또는 스위칭 소자(56), 예를 들면 회로 차단기는 병렬로 접속된 보호 디바이스들(1)의 다운스트림에 접속될 수 있다. 이 경우에, 보호 디바이스들(1)의 저항(9, 도 1-7 참조)은 단락 회로의 경우에, 보호 소자(56)를 통해 흐르고 보호 디바이스들(1)의 저항들(9)을 통해 흐르는 전류들 I의 합에 의해 형성된 총 전류

가 보호 및/또는 스위칭 소자(56)를 트립하도록 디멘져닝된다.

스위치들(10)이 전력 반도체 스위치들의 형태인 경우, 바람직하게는 각 경우에서 하나의 다이오드(45)는 이들 스위치들(10, 도 4-7 참조)과 병렬로 접속된다. 이 경우에, 전력 반도체 스위치는 각각의 배터리 스트링(54)의 방전 전류가 통과할 수 있게 하는 방식으로 분극되고, 다이오드(45)는 각각의 배터리 스트링(54)의 충전 전류가 통과할 수 있게 하는 방식으로 분극된다.

이전에 분리되었고 따라서 상이한 전위를 가질 수 있는 배터리 스트링들(54)이 재접속되는 경우에, 배터리 스트링들(54) 간의 전류-제한된 에너지 교환이 가능할 필요가 있다. 이러한 에너지 교환의 경우에 전류가 실질적으로 저항-없는 라인 경로(8)의 다이오드(45)를 통해 흐르는 것이 아니라 저항성 라인 경로(7)를 통해 흐르도록 하기 위해, 스위치(61, 바람직하게는 예를 들면 회로 차단기 또는 컨택터와 같은 전자기적으로 액튜에이팅가능한 스위치)는, 도 5에 도시된 보호 디바이스에 대한 예로 든 추가물 또는 연장물로서 도 9에 예시된 바와 같이, 다이오드(45)와 직렬로 라인 경로(8)에 접속될 수 있고, 스위치(61)를 통한 전류 흐름은 다이오드(45)에 의해 방지될 수 있다. 이러한 스위치(61)는 바람직하게는 배터리(4) 또는 배터리 스트링(54)으로부터 봤을 때 다이오드(45)로의 브랜치의 업스트림에 있는 라인 경로(8)에 배열된다. 도 9에 예시된 바와 같이 스위치(61)에 의한 본 발명에 따른 보호 디바이스의 추가물 또는 연장물은 도 1 내지 7에서 예를 들어 예시된 바와 같이, 보호 디바이스(1)의 모든 실시예들에 이용될 수 있고, 따라서 도 8에 예시된 스위치기어 어셈블리(50)에 이용될 수 있다.

스위치기어 어셈블리(50)의 모든 보호 디바이스들(1)은 각각의 경우에 동일한 유형을 갖는다. 그러므로, 병렬로 접속된 모든 배터리 스트링들(54) 및 거기에 접속된 보호 디바이스들(1)을 동일하게 구성할 수 있고, 결과적으로 단락 회로의 경우에 제어되고 정의된 과부하 전류가 모든 가용한(손상되지 않은) 배터리 스트링들(54)에 걸쳐 균일하게 분산된다.

이 경우에, 보호 디바이스들(1)의 디자인 및/또는 파라미터화는, 모든 배터리 스트링들(54)의 레이팅된 개수보다 적은 배터리 스트링들이 보호 및/또는 스위칭 소자(56)를 트립하기 위한 충분히 높은 총 과전류

를 생성하도록 하는 것이다. 임의의 개별적인 배터리 스트링들(54)의 오류발생의 경우에, 전력 공급 시스템(55)에서 단락 회로의 경우에 요구된 선택도를 보장하는데 가용한 충분한 전체 과전류

가 여전히 존재한다.

Claims

고-에너지 DC 전력 공급 시스템들(5)에서의 단락-회로 전류들, 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들에서의 배터리 시스템들의 단락-회로 전류들을 제한하고, 바람직하게는 분리(disconnecting)하기 위한 단락 회로 보호 디바이스(1)에 있어서,
단락 회로의 경우에 상기 단락 회로 전류를 가이드하고 제한하기 위한 전기 저항(9), 특히 오옴성 저항(ohmic resistance);
상기 저항과 병렬로 접속되고, 상기 전력 공급 시스템(5)에 어떠한 단락 회로도 없는 경우에 상기 저항(9)을 바이패싱하기 위한 제1 스위치(10); 및
상기 스위치(10)를 통한 전류(I)를 모니터링하고 상기 스위치(10)를 통한 전류(I)가 사전 결정된 한계 값을 초과하는 경우에 상기 스위치(10)를 개방하기 위한 모니터링 및 제어 디바이스(11)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 제1 스위치(10)는 전력 반도체 스위치의 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단락 회로의 경우에 상기 저항(9)에 의해 제한된 전류를 분리하기 위한 제2 스위치(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제3항에 있어서, 상기 제2 스위치(36)는 상기 저항(9)과 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제3항에 있어서, 상기 제2 스위치(36)는 상기 저항(9) 및 상기 제1 스위치(10)를 포함하는 병렬 회로(6)와 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 스위치(36)는 전력 반도체 스위치의 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 스위치(36)를 통한 전류의 지속기간을 모니터링하고 상기 지속기간이 사전 결정된 임계값을 초과하는 경우에 상기 제2 스위치(36)를 개방하기 위한 모니터링 및 제어 디바이스(37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 전력 반도체 스위치와 병렬로 접속된 다이오드(45)를 포함하고, 상기 다이오드(45)는 그 순방향이 상기 전력 반도체 스위치의 순방향과 반대가 되는 방식으로 분극되는 단락회로 보호 디바이스.
제8항에 있어서, 상기 다이오드(45)와 직렬로 접속되고, 그 순방향으로의 상기 다이오드(45)를 통한 전류를 방지하기 위한 스위치(61)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단락 회로 보호 디바이스.
고전력 DC 에너지 공급 시스템들(55)에서의 단락-회로 전류들, 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들에서의 배터리 시스템들(51)의 단락-회로 전류들을 제한하고 분리하기 위한 스위치기어(switchgear) 어셈블리(50)로서,
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은, 병렬로 접속된 복수의 보호 디바이스들(1) 및 상기 보호 디바이스들(1)의 다운스트림에 접속된 적어도 하나의 보호 및/또는 스위칭 소자(56)를 포함하고,
상기 보호 디바이스들(1)의 저항들(9)은 단락 회로의 경우에, 저항들을 통해 흐르는 전류들의 합에 의해 형성되고 상기 보호 및/또는 스위칭 소자(56)를 통해 흐르는 총 전류(
)가 상기 보호 및/또는 스위칭 소자(56)를 트리거링하도록 디멘져닝되는(dimensioned) 것을 특징으로 하는 스위치기어 어셈블리.
제10항에 있어서,
상기 스위치기어 어셈블리는, 고전력 배터리 시스템들(51), 특히 잠수함 DC 전력 공급 시스템들(55)의 단락-회로 전류들을 제한하고 분리하고, 상기 고전력 배터리 시스템(51)은 직렬로 접속된 고전력 배터리 셀들의, 병렬로 접속된 복수의 배터리 스트링들(54)을 포함하고, 상기 배터리 스트링들(54)은 각각의 접속 도전체(2)를 통해 개별적으로 또는 그룹들로 상기 DC 전력 공급 시스템(55)에 접속되며, 상기 스트링들 각각은 상기 DC 전력 공급 시스템(55)의 시스템 전압을 가짐 -,
상기 접속 도전체들(2) 각각에 대한 상기 스위치기어 어셈블리(50)는 각각의 보호 디바이스(1)를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 스위치기어 어셈블리.
제11항에 있어서,
제8항 또는 제9항에 따른 보호 디바이스들(1)을 구비하고,
상기 전력 반도체 스위치는 상기 배터리 스트링(54) 또는 배터리 스트링들의 그룹의 방전 전류가 통과할 수 있게 하는 방식으로 분극되고,
상기 다이오드(45)는 상기 배터리 스트링(54) 또는 배터리 스트링들의 그룹의 충전 전류가 통과할 수 있게 하는 방식으로 분극되는 것을 특징으로 하는 스위치기어 어셈블리.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보호 디바이스들(1) 각각은 표준화된 형태로 동일한 타입을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 스위치기어 어셈블리.