短路保護裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于限制由電池組支路輸出的電流的裝置。
【背景技術】
[0002]電池組系統(tǒng)越來越多地作為用于固定應用和移動應用的儲能器來使用。作為用于固定應用的示例是風力發(fā)電站和備用電源系統(tǒng)，而作為用于移動應用的示例是電動車輛和混合動力車輛。
[0003]在此，非常頻繁地使用以鋰離子電池組單元為基礎的電池組系統(tǒng)。為此，通常大量電池組單元串聯(lián)連接成電池組模塊。通過多個電池組模塊的串聯(lián)連接出現(xiàn)電池組支路。在大功率的電池組系統(tǒng)(下面也稱為電池組)中，往往并聯(lián)連接多個電池組支路。
[0004]尤其使用具有很小的內(nèi)阻的電池組單元來用于具有大能量密度的電儲能器，這些電池組單元在溫和的加熱時可以輸出相對大的功率。尤其鋰離子電池組由于非常低的內(nèi)阻而擁有如下特性，即，與迄今為止已知的電池組相比可以輸出非常高的電流。因此，由鋰離子電池組輸出的短路電流是迄今為止已知的電池組的短路電流的數(shù)倍。
[0005]基于電池組的儲能器尤其適合于具有對可用性有很高要求的電網(wǎng)，如同在例如汽車的車輛或潛水艇中存在的電網(wǎng)那樣。為了在各個耗電器故障的情況下不影響這些電網(wǎng)的可用性，需要在短路情況下快速且可靠地將故障源與電網(wǎng)分離。通常，各個耗電器為此經(jīng)由具有電磁操縱的過電流識別裝置的保險絲或功率開關在電網(wǎng)上運行。為了可以實現(xiàn)對這些保護元件的觸發(fā)，作為電網(wǎng)中的電流源的電池組系統(tǒng)必須能夠提供必需的短路電流。在低阻抗的電池組系統(tǒng)中，提供用于觸發(fā)保護元件的最小電流強度是沒有問題的。然而關鍵的是這類電池組系統(tǒng)在短路情況下非?？焖俚靥峁┓浅８叩亩搪冯娏鞯奶匦?。在這種情況下，由于能量可用性的損失而無法實現(xiàn)電網(wǎng)與電池組系統(tǒng)的快速、完全的分離。例如可以通過相應魯棒地設計具有相應確定大小的保護元件的電網(wǎng)來進行免遭電網(wǎng)過載的保護。替選地，可以設置如下器件，它們在電流源、即電池組上已經(jīng)發(fā)生故障的情況下限制電流的上升。
[0006]由文獻W0-2010/089338A2已知一種裝置，其適合用于限制高能量直流電網(wǎng)中的直流電流。短路保護裝置使用歐姆電阻來限制電流。該電阻借助快速的電流監(jiān)控和功率半導體而連接到能量路徑中。以純數(shù)字的方式通過電阻的接入/跨接對由電池組支路輸出的電流進行限制。
[0007]由文獻US 2002/0175644 A1已知一種用于控制三相電機的裝置，該裝置具有能接入且能斷開的直流電壓源形式的能以子單元開關的儲能器以及后置連接的逆變器。經(jīng)由控制設備進行直流電壓源的接入和斷開。在文獻US 2002/0175644 A1中沒有說明用于在故障情況下限制由儲能器輸出的電流的保護裝置。
[0008]文獻WO 2008/055493A1說明了一種具有高儲能器的潛水艇直流電網(wǎng)。在此，盡可能低電感地連接電池組單元和電池組模塊。說明了用于監(jiān)控電池組支路的監(jiān)控器件，所述監(jiān)控器件向控制器件傳送測量數(shù)據(jù)并且適合于關斷電池組支路。
[0009]此外，設置半導體作為限制電流升高的保護元件。沒有說明對在故障情況下出現(xiàn)的短路電流的控制或調節(jié)。
[0010]文獻US 6 246 214 B1說明了一種用于電池組充電的保護電路。該保護電路包括場效應晶體管，該場效應晶體管可以限制在電池組充電或放電時的電流流動。該電路附加地包括放電調節(jié)系統(tǒng)，其耦合到場效應晶體管上并且能確定系統(tǒng)中過強的電流流動，并且據(jù)此向場效應晶體管傳送限制電流流動的信號。這尤其可能出現(xiàn)在電池組中存在短路的情況下。沒有說明為了該目的而使用電流轉換器。
[0011]文獻US 6 815 930 B2說明了一種用于電池組單元的保護電路。該保護電路尤其是由M0SFET晶體管構成，所述M0SFET晶體管與要保護的電池組單元串聯(lián)連接。當在要保護的電池組單元中測量到低于預定電壓的電壓時，M0SFET晶體管就改變其狀態(tài)，并且由此限制流過電池組單元的電流。
[0012]此外，文獻US 2011/0285538A1說明了用于確定電池組單元所用的補償電路中的異常性的裝置和方法。
[0013]文獻US 2002/0079865 A1說明了一種用于充電器和能充電的元件、例如可再充電的鋰離子電池組的保護電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的主題是一種短路保護裝置，其用于限制能由包括至少一個電池組單元的電池組支路輸出的電流IE，其中，能由電池組支路輸出的電流IE能通過短路保護裝置限制到受控的輸出電流IA，并且輸出電流1八能經(jīng)由兩個能與短路保護裝置連接的電網(wǎng)端子引導經(jīng)過耗電器網(wǎng)絡，其中，通過電網(wǎng)端子與耗電器網(wǎng)絡的連接，能構造出經(jīng)由電池組支路、電網(wǎng)端子和耗電器網(wǎng)絡的第一電流循環(huán)回路，其中，在第一電流循環(huán)回路中布置有開關元件，利用該開關元件能中斷電流1￡以將其限制到輸出電流IA，其中，短路保護裝置還具有至少一個按照以下方式布置的用于電流檢測的機構，即，通過該機構能確定輸出電流1八的大小，并且其中，短路保護裝置還具有用于將輸出電流IA的大小與可預定的額定值I s進行比較的比較器件，其特征在于，短路保護裝置還具有電感，該電感與開關元件串聯(lián)且相對于該開關器件在耗電器網(wǎng)絡側布置，短路保護裝置具有電感電流調節(jié)器件，信號能從比較器件向該電感電流調節(jié)器件輸送，并且經(jīng)由該電感電流調節(jié)器件，能通過操控開關元件調節(jié)流過電感的輸出電流IA，并且短路保護裝置還具有開關或二極管形式的跨接裝置，該跨接裝置被布置為，使得在通過開關元件中斷電流IE的情況下能跨接電池組支路的至少一個電池組單元，并且用于輸出電流1八的第二電流循環(huán)回路能經(jīng)由電網(wǎng)端子、耗電器網(wǎng)絡和電感來閉合，并且額定值Is能被限制到短路電流I κ的可預定的最大值。
[0015]該裝置的優(yōu)點在于，通過該裝置構造出限制電流的電流轉換器，通過該電流轉換器可以以快速的短路電流限制和過載電流限制的形式對直流電壓電網(wǎng)的運行可靠性做出貢獻。此外，可以可靠地識別出并且限制僅微高于最大運行電流的過載電流。此外，即使在短路或過載的情況下，也能向這樣受保護的耗電器網(wǎng)絡供應來自電池組支路的能量。
[0016]通過前述的短路保護裝置構造電流轉換器還提供了如下的優(yōu)點，S卩，用于電池組支路的輸出電流1八能通過可預定的額定值I s來加以調整。因此，在電池組系統(tǒng)中可以進行不同電壓等級的支路的受控的并聯(lián)連接以共同地提供能量。具有不同的充電狀態(tài)SOC(State of Charge)或不同的老化狀態(tài)SOH(State of Health)的電池組支路可以以這種方式作為彼此不依賴的電源并聯(lián)地運行。此外，為了均衡充電狀態(tài)(Balancing，平衡)可以從不同電壓等級的電池組支路提取不同的功率。具有短路保護裝置的電池組支路的輸出電流IA不僅能被限制到最大的輸出電流I A，而且能被限制到最小的輸出電流IA。
[0017]此外，可開關且可重配置的電池組系統(tǒng)內(nèi)部的配置錯誤可以由短路保護裝置無損地加以阻攔。此外，在雙向實施電流轉換器時能限制充電電流。此外，短路保護裝置很好地適合于保護具有高固有阻抗的電池組支路。此外，通過耗電器網(wǎng)絡可以控制將由電池組支路輸出的額定值Is，或進行最大輸出的輸出電流1派限制。此外，通過限制輸出電流I河以進行與此相關的功率的限制，例如用以符合技術規(guī)定或在法律規(guī)定中的技術規(guī)范，例如根據(jù)“Erneuerbare-Energien-Gesetz-EEG 2012”(可再生能源法 EEG 2012)限制功率輸出小于等于100kW。
[0018]有利地，短路保護裝置被構造為，使得通過電感、電感電流調節(jié)器件、開關元件和跨接裝置構造出降壓式電流轉換器，也被稱為Buck轉換器，該降壓式電流轉換器為了對輸出電流IA進行平滑而具有尤其布置在電網(wǎng)端子之間的電容器?？梢砸院唵蔚姆绞嚼煤苌俚慕Y構元件來實現(xiàn)這類短路保護裝置。
[0019]在運行中，短路保護裝置在輸入側被饋以電流IE。通過短路保護裝置限制電流IE并且將其作為輸出電流IA向耗電器網(wǎng)絡輸送。在此，短路保護裝置根據(jù)Buck轉換器的原理而基本上可以由開關元件、電感、跨接元件以及電感電流調節(jié)器件組成，該電感電流調節(jié)器件控制開關元件的開關狀態(tài)。通過開關元件中斷電流IE導致的是，電感輸出其以電場形式存儲的能量直至以持續(xù)且隨時間降低的線圈電流形式表現(xiàn)出的場的消失。在閉合的電流循環(huán)回路中，該線圈電流從電感作為輸出電流IA經(jīng)由電網(wǎng)端子以及置于電網(wǎng)端子之間的耗電器網(wǎng)絡且經(jīng)由跨接裝置流回到電感。
[0020]開關元件的閉合導致重新構建增大的電感電場，伴隨著增大且最后通過電池組支路的電壓以及耗電器網(wǎng)絡阻抗的電壓來限制的輸出電流IA。因此明顯的是，通過尤其暫時、也就是在時間上受限地，必要時多次相繼地中斷電流IE，能將該電流限制到具有限定的可調整界限的輸