Защита источника питания, содержащего ряд батарей, соединенных параллельно, от внешнего короткого замыкания
PROTECTION OF POWER SUPPLY CONTAINING PARALLELY CONNECTED BATTERIES AGAINST EXTERNAL SHORT CIRCUIT

[001] Изобретение относится к защите источников напряжения постоянного тока большой мощности и, в частности, к источникам напряжения, содержащим электрохимические аккумуляторные силовые батареи, соединенные параллельно. Они могут использоваться, например, в сфере общественного транспорта (в автобусах и троллейбусах), в сфере накопления возобновляемой энергии, в сфере морской навигации и даже в качестве автономных источников питания на тепловых электростанциях или в центрах обработки данных.
4
[002] Необходимые уровни напряжения для таких применений часто превышают несколько сотен вольт. Наиболее часто такие источники напряжения основаны на электрохимических аккумуляторах литиево-ионного типа, являющихся предпочтительными из-за их значительной зарядной емкости и ограниченного веса и объема. Технологии литиево-ионных-железо-фосфатных (LiFePO) аккумуляторов являются предметом значительного интереса по причине их высокого уровня внутренне присущей безопасности, происходящей за счет несколько более низкой удельной энергоемкости,
[003] Электрохимический аккумулятор обычно обладает номинальным напряжением приблизительно следующей величины:
4
[004] 3,3 В - для литиево-ионной-железо-фосфатной (LiFePO) технологии; и
[005] 4,2 В - для литиево-ионной технологии на основе оксида кобальта.
[006] Поэтому, для достижения требуемых уровней напряжения, многие электрохимические аккумуляторы соединяют последовательно. Для получения высоких емкостей, многие электрохимические аккумуляторы располагают параллельно. Объединение нескольких аккумуляторов называют батареей аккумуляторов.
[007] В некоторых применениях вводимые в действие мощности превышают 100 кВт ч. Например, в аккумуляторных батареях могут вводиться в действие следующие мощности: 200 кВт ч - для приведения в движение автобуса, от 100 кВт ч до нескольких мВт ч - для аккумулирующей установки, связанной с генератором возобновляемой энергии, и более 100 кВт ч - для автономной аккумулирующей установки на тепловых электростанциях или в серверных залах. Поэтому изготовление и транспортировка источников напряжения очень высокой емкости в едином блоке являются сложными (в особенности в отношении габаритов) и опасными. По этой причине источники напряжения обычно разделяют на несколько батарей, имеющих единичную емкость менее 50 кВт ч. Некоторое количество батарей затем соединяют параллельно и/или последовательно в зависимости от требуемого номинального напряжения и/или требуемой емкости источника напряжения, таким образом, облегчая их изготовление и транспортировку.
[008] Батареи, в особенности использующие литиево-ионные аккумуляторы, обладают очень низким внутренним сопротивлением. Поэтому в случае короткого замыкания на клеммах источника напряжения (как правило, короткого замыкания в электроустановке), ток, подлежащий доставке батареями, может достигать очень высоких значений. Для применений большой мощности, с целью защиты электроустановки и электрических нагрузок от коротких замыканий используют электромеханические прерыватели. Такие прерыватели обладают ограниченной отключающей способностью. Отключающая способность представляет собой гарантированный максимальный уровень тока, который прерыватель способен разомкнуть. Выше этого уровня прерыватель может быть неспособен погасить дуговой разряд в фазе отключения. Последствия могут быть катастрофическими: прерыватель и другое оборудование может взорваться, установка может загореться, или, более того, могут взорваться батареи. Электромеханические прерыватели, имеющие отключающую способность выше 30 кА, являются чрезвычайно дорогостоящими. Более того, отключающая способность серийно выпускаемых электромеханических прерывателей в настоящее время ограничена значением 100 кА. Если не используется чрезвычайно дорогостоящий электромеханический прерыватель, то в случае внешнего короткого замыкания, батареи обязаны доставлять ток, превышающий отключающую способность электромеханического прерывателя. Поэтому реализация таких источников напряжения постоянного тока, в то же время, удовлетворяющих стандартам электрозащиты, является проблематичной.
[009] Более того, ток короткого замыкания, доставляемый батареями в электроустановку, должен быть достаточным для того, чтобы позволять электромеханическим прерывателям отключаться и размыкаться,
[0010] В патентной заявке РСТ/ЕР2012/072607 описана система электропитания, содержащая несколько батарей, соединенных параллельно. Эта система электропитания питает электрическую нагрузку посредством прерывателя. Батареи, соединенные параллельно, состоят из первых электрохимических элементов, электрически соединенных последовательно, и из преобразователя напряжения постоянного тока, вывод которого соединен последовательно с указанными первыми электрохимическими элементами. Вторичный источник напряжения постоянного тока прикладывает его разность потенциалов к вводу этого преобразователя. Преобразователь является управляемым по напряжению.
[0011] Такая система оказывается совершенно неподходящей для управления возникновением внешнего короткого замыкания. Конкретнее, преобразователь, расположенный последовательно, содержит выключатель для отключения питания конвертера; однако, когда этот выключатель разомкнут, диод обратной цепи замыкает преобразователь накоротко. Во время внешнего короткого замыкания батареи доставляют ток короткого замыкания через указанный диод обратной цепи. Для системы электропитания большой мощности этот ток короткого замыкания может быть выше отключающей способности прерывателя электрической сети.
[0012] Изобретение нацелено на решение одного или нескольких этих недостатков. Изобретение, в особенности, относится к электроустановке, содержащей:
- прерыватель, имеющий отключающую способность PdC и ток отключения Is; и
- источник напряжения постоянного тока, содержащий по меньшей мере две электрохимические аккумуляторные батареи, соединенные параллельно, при этом источник напряжения соединен последовательно с прерывателем, при этом сумма токов короткого замыкания соединенных параллельно батарей выше отключающей способности PdC прерывателя, и каждая из указанных батарей содержит:
- первое плечо, содержащее электрохимические аккумуляторы батареи и выключатель, причем аккумуляторы и выключатель соединены последовательно;
- второе плечо, соединенное параллельно с первым плечом и содержащее диод обратной цепи;
- амперметр, измеряющий ток, доставляемый этой батареей; и
- цепь управления, выполненную с возможностью обнаружения короткого замыкания, если ток, доставляемый батареей, выше порогового значения,
[0013] Цепи управления выполнены с возможностью, позволяющей после обнаружения короткого замыкания, одновременно удерживать по меньшей мере большинство указанных выключателей разомкнутыми, и замыкать по меньшей мере один из указанных выключателей с целью прикладывания тока, проходящего через прерыватель, выше тока отключения Is и ниже его отключающей способности PdC.
[0014] В соответствии с одним из вариантов, каждая из указанных батарей содержит индуктивный компонент, подключенный последовательно между первой и второй выходными клеммами этой батареи и соединенный последовательно с первым и вторым плечами.
[0015] В соответствии с другим вариантом, указанные амперметры измеряют ток, проходящий через указанный индуктивный компонент.
[0016] В соответствии с другим вариантом, каждая из указанных цепей управления управляет замыканием своего выключателя с некоторым временным сдвигом относительно обнаружения короткого замыкания, при этом указанный временной сдвиг отличается для каждой из указанных цепей управления.
[0017] В соответствии с еще одним вариантом, ток отключения Is прерывателя представляет собой ток отключения для короткого замыкания продолжительностью менее 100 мс.
[0018] В соответствии с одним из вариантов, установка содержит по меньшей мере 10 батарей, соединенных параллельно.
i
[0019] В соответствии с другим вариантом, электроустановка содержит некоторое количество n батарей, соединенных параллельно, и каждая из этих батарей обладает током короткого замыкания Icc, при этом отключающая способность PdC прерывателя по меньшей мере в три раза меньше суммы:
[0020] токов короткого замыкания этих батарей.
[0021] В соответствии с еще одним вариантом, указанный прерыватель обладает отключающей способностью PdC по меньшей мере равной 5 кА.
[0022] В соответствии с одним из вариантов, электроустановка содержит электрическую сеть, последовательно соединенную с источником напряжения постоянного тока и содержащую указанный прерыватель, при этом указанная электрическая сеть накапливает индуктивную энергию, равную по меньшей мере 2000 Дж, когда проходящий через нее ток равен отключающей способности PdC прерывателя.
[0023] В соответствии с еще одним вариантом, каждая из указанных батарей содержит первый набор электрохимических аккумуляторов, соединенных последовательно, и второй набор электрохимических аккумуляторов, соединенных последовательно, при этом электроустановка дополнительно содержит преобразователь напряжения постоянного тока, выходное напряжение которого соединено последовательно с указанным первым набором электрохимических аккумуляторов, при этом второй набор электрохимических аккумуляторов прикладывает его разность потенциалов к входному интерфейсу преобразователя.
[0024] В соответствии с одним из вариантов, указанный преобразователь каждой из указанных батарей во время разряда указанного второго набора электрохимических аккумуляторов имеет конструкцию понижающего регулятора напряжения.
[0025] В соответствии с другим вариантом, для каждой из указанных батарей: - указанная конструкция понижающего регулятора напряжения включает переключаемый понижающий регулятор напряжения, содержащий два управляемых выключателя, соединенных последовательно, к клеммам которых прикладывается разность потенциалов второго набора электрохимических аккумуляторов;
- указанный индуктивный компонент и указанный диод обратной цепи принадлежат указанной конструкции переключаемого понижающего регулятора напряжения; и
- выключатель подключен между узлом соединения между управляемыми выключателями понижающего регулятора и указанным индуктивным компонентом.
[0026] В соответствии с другим вариантом, указанное второе плечо каждой из указанных батарей содержит два диода обратной цепи, соединенных последовательно.
[0027] В соответствии с еще одним вариантом, управляющее устройство выполнено с возможностью, позволяющей после обнаружения короткого замыкания одновременно удерживать замкнутым только один из указанных выключателей.
[0028] Другие отличительные признаки и преимущества изобретения станут более ясно видны из данного ниже описания посредством полностью неограничивающего указания и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
- фиг. 1 - схематическое представление первого варианта осуществления электроустановки в соответствии с изобретением;
- фиг. 2 - схематическое представление одного из примеров батареи, пригодной для использования в электроустановке в соответствии с изобретением;
- фиг. 3 - первый пример выключателя, пригодного для использования в батарее для реализации изобретения;
- фиг. 4 - второй пример выключателя, пригодного для использования в батарее для реализации изобретения;
- фиг. 5 - эквивалентная схема цепи электроустановки во время этапа работы при коротком замыкании;
- фиг. 6 - схема, иллюстрирующая другой пример регулирования тока короткого замыкания;
- фиг. 7 - схематическое представление другого примера батареи, пригодной для использования в электроустановке в соответствии с изобретением;
- фиг. 8 - схематическое представление другого примера батареи, пригодной для использования в электроустановке в соответствии с изобретением;
- фиг. 9 - схематическое представление батареи по фиг. 8 с понижающим преобразователем напряжения;
- на фиг. 10 изображен один из примеров кривой отключения для электронного прерывателя; и
- на фиг. 11 изображен один из примеров источника напряжения постоянного тока, содержащего несколько ступеней, соединенных последовательно, причем каждая ступень содержит несколько батарей, соединенных параллельно.
[0029] Изобретение предлагает электроустановку, содержащую источник напряжения постоянного тока, оснащенный электрохимическими аккумуляторными батареями, соединенными параллельно. Сформированный источник напряжения постоянного тока последовательно соединен с прерывателем, мощность отключения которого меньше суммы токов короткого замыкания этих батарей. Каждая батарея содержит два плеча, соединенных параллельно: первое плечо - с электрохимическими аккумуляторами и выключателем, соединенными последовательно, и второе плечо - с диодом обратной цепи.
[0030] Для обнаружения возникновения внешнего короткого замыкания, амперметр измеряет ток, доставляемый каждой батареей. Состоянием выключателей «включено/выключено» управляет соответствующая цепь управления. При обнаружении короткого замыкания большинство выключателей остаются разомкнутыми так, что ток, прикладываемый к прерывателю, ниже его разрывного тока, и по меньшей мере одним выключателем управляют так, чтобы он был замкнут с тем, чтобы прикладывать к прерывателю ток выше его тока отключения. Таким образом, непрерывность службы является гарантированной по причине присутствия соответствующих цепей управления, однако, без возникновения риска создания чрезмерно больших электромагнитных возмущений в питаемой электрической сети.
[0031] Фиг. 1 представляет собой схематическое представление одного из примеров варианта осуществления электроустановки 1 в соответствии с изобретением. Электроустановка 1 содержит прерыватель 5 и нагрузку 6 (которая на практике может представлять собой целую электрическую сеть, содержащую множество нагрузок), и эта нагрузка соединена последовательно с прерывателем 5. Паразитная индуктивность электрической сети (например, из-за кабельной сети или межсоединений) нагрузки 6 здесь представлена в форме индуктивного компонента 7, соединенного последовательно с прерывателем 5 и нагрузкой 6. Электроустановка 1 также содержит источник напряжения постоянного тока. Этот источник напряжения постоянного тока содержит набор батарей 3 (в форме независимых модулей), электрически соединенных параллельно. Источник напряжения постоянного тока соединен последовательно с прерывателем 5 и нагрузкой 6, например, посредством соединений в цепи электропитания способом, который известен сам по себе.
[0032] Прерыватель 5 обладает отключающей способностью PdC и током отключения Is. Например, ток отключения Is прерывателя 5, возможно, будет таким, что он будет отключаться при коротком замыкании продолжительностью менее 100 мс, для того чтобы гарантировать то, что электроустановка 1 быстро откликнется на короткое замыкание. Также можно предусмотреть и другие токи отключения, что подробно рассмотрено со ссылкой на фиг. 10.
i
[0033] В электроустановке 1 сумма токов короткого замыкания батарей 3 выше отключающей способности PdC прерывателя 5. При условии количества n батарей 3, соединенных параллельно и обозначаемых индексом i, ток короткого замыкания батареи i обозначен Icc. Тогда отключающая способность PdC удовлетворяет следующему неравенству:
[0034] Изобретение оказывается особенно полезным, если параллельно соединено по меньшей мере 10 батарей 3. Изобретение также оказывается особенно полезным, если батареи 3 относятся к типу литиево-ионных, так как эти батареи обладают относительно невысоким внутренним сопротивлением и, таким образом, высоким током короткого замыкания, например, в 30-100 раз выше номинального тока этих батарей.
[0035] Для простоты, будет рассмотрен набор из n батарей 3, имеющих одинаковый ток короткого замыкания Icc. Тогда электроустановка удовлетворяет соотношению PdC<n * Icc.
[0036] Таким образом, если все батареи 3 доставляют их ток короткого замыкания прерывателю 5, нельзя гарантировать, что прерыватель 5 разомкнет цепь. Ток короткого замыкания батареи 3 соответствует максимальному току, который она способна доставить при нулевом сопротивлении между ее клеммами, и тогда этот ток ограничивается только внутренним полным сопротивлением этой батареи 3.
[0037] Изобретение оказывается особенно полезным, если ток, который может доставлять набор батарей 3, весьма существенно избыточен относительно отключающей способности прерывателя 5. Таким образом, изобретение является особенно полезным, если удовлетворяется следующее соотношение:
[0038] Каждая батарея 3 содержит набор электрохимических аккумуляторов 300, соединенных последовательно и/или параллельно. В варианте на фиг. 1 каждая из батарей 3, соединенных параллельно, содержит управляемый выключатель 310. Каждая из батарей 3 содержит:
- первое плечо, содержащее набор 300 электрохимических аккумуляторов, соединенных последовательно, с управляемым выключателем 310. Поэтому выключатель 310 способен размыкать соединение между электрохимическими аккумуляторами 300 и прерывателем 5; и
- второе плечо, соединенное параллельно с первым плечом и содержащее диод 340 обратной цепи.
[0039] Первое и второе плечи, таким образом, подключены между клеммами низкого и высокого напряжения батареи 3. Индуктивный компонент 350 каждой батареи 3 моделирует сумму индуктивностей паразитных связей батареи 3, и индуктивного компонента, подключенного между клеммой высокого напряжения батареи 3 и первым и вторым плечами. Таким образом, батарея 3 преимущественно содержит данный индуктивный компонент, для того чтобы облегчать калибровку индуктивности. Выражение «индуктивный компонент» обозначает электронный компонент, который, как предполагается его конструкцией, обладает некоторой индуктивностью. Этот электронный компонент будет, например, представлять собой катушку. Преимущественно, индуктивность такого индуктивного компонента выше индуктивности паразитных связей батареи 3. Анод диода 340, таким образом, подключен между клеммой низкого напряжения батареи 3 и одной из клемм индуктивного компонента 350. Индуктивный компонент 350 позволяет замедлить увеличение тока в случае короткого замыкания. Для того чтобы предотвратить режим объемного заряда, один из компонентов, включенных в индуктивный компонент 350, преимущественно будет представлять собой индуктивный компонент с воздушным сердечником.
[0040] Каждая батарея 3 также содержит амперметр 320 для измерения тока, доставляемого батареей 3. В изображенном варианте осуществления амперметр 320 измеряет ток, проходящий через индуктивный компонент 350. Кроме того, каждая батарея 3 содержит цепь 330 управления, выполненную с возможностью избирательного управления размыканием выключателя 310. Схема 330 управления получает текущее значение, измеренное амперметром 320.
[0041] Схема 330 управления имеет два режима работы. Если ток, измеряемый амперметром 320, ниже порогового значения включения при коротком замыкании, то схема 330 управления находится в нормальном режиме работы. Тогда схема 330 управления удерживает выключатель 310 замкнутым так, что батарея 3 способна питать нагрузку 6. Диод 340 в нормальном режиме работы не включается.
[0042] Если ток, измеряемый амперметром 320, выше порогового значения включения при коротком замыкании, обозначаемого Ib, схема 330 управления находится в режиме работы при коротком замыкании. При возникновении внешнего короткого замыкания ток, доставляемый каждой из батарей 3, быстро увеличивается, при этом рост данного тока, главным образом, зависит от индуктивности короткого замыкания. Если ток, измеряемый амперметром 320, превышает пороговое значение Ib, то связанная схема 330 управления переходит в режим работы при коротком замыкании. В этом режиме работы по меньшей мере большинство выключателей 310 остаются одновременно разомкнутыми, и один или несколько выключателей 310 избирательно замыкают для прикладывания тока через прерыватель 5 так, чтобы ток был выше его тока отключения и ниже его отключающей способности.
[0043] Таким образом, можно за очень короткое время обнаруживать короткое замыкание, внешнее по отношению к источнику напряжения постоянного тока, и поддерживать ток, текущий через прерыватель, достаточно высоким для его отключения и достаточно низким для того, чтобы гарантировать, что он разомкнет цепь. Поэтому прерыватель по-прежнему выполняет свои функции безопасности, такие, как размыкание цепи (и поглощение индуктивной энергии при размыкании) в случае короткого замыкания и обеспечение физического отключения цепи, и, необязательно, позволяет пользователю проверять состояние отключения. Прерыватель, обладающий отключающей способностью меньше суммы токов короткого замыкания параллельных батарей, можно использовать, в то же время, гарантируя безопасность работы электроустановки. Поэтому электроустановки большой мощности можно реализовывать с существующими прерывателями, или можно использовать менее дорогостоящие прерыватели. Можно сохранить простую архитектуру электроустановки. Кроме того, сохраняется избирательность запуска прерывателей низшего ранга в нисходящем направлении относительно основного прерывателя.
[0044] Если выключатель 310 разомкнут, то через связанный диод 340 проходит ток обратной цепи. Тогда уменьшается ток, проходящий через связанный индуктивный компонент 350. Цепи 330 управления можно запрограммировать на размыкание выключателя 310, как только было обнаружено, что пороговое значение Ib было превышено. Таким образом, как только будет обнаружено короткое замыкание, все выключатели 310 будут разомкнуты так, что ток, текущий через прерыватель 5, начнет уменьшаться.
[0045] Для прикладывания через прерыватель 5 тока выше его тока отключения, цепи 330 управления выполнены с возможностью по меньшей мере временного замыкания одного из выключателей 310, для того чтобы вызвать увеличение этого тока. Ток через прерыватель 5 можно регулировать, например, замыкая один или несколько выключателей 310, если ток через прерыватель 5 достигает нижнего порогового значения. При условии гарантии того, что по меньшей мере половина выключателей 310 остаются разомкнутыми, ограничивается амплитуда изменений напряжения и электрической сети на клеммах источника напряжения постоянного тока. В частности, принимаются критерии, позволяющие предотвратить одновременное замыкание всех выключателей 310 набором цепей 330 управления, имеющих одинаковую логику, так как это могло бы в результате приводить к большому переходному изменению напряжения на клеммах источника напряжения постоянного тока.
[0046] На фиг. 5 схематически изображена работа электроустановки 1, когда один выключатель 310а остается замкнутым, а все остальные выключатели остаются разомкнутыми. Для батарей, содержащих свой выключатель разомкнутым, диоды 340b обратной цепи позволяют току проходить через индуктивные компоненты 350b. Электрохимические аккумуляторы 300а батареи 3а разряжаются через связанный индуктивный компонент 350а. Тогда узел соединения индуктивного компонента 350а с индуктивными компонентами 350b других батарей 3 испытывает небольшое изменение напряжения.
[0047] Конкретнее, между индуктивным компонентом 350а и индуктивными компонентами 350b формируется индуктивный делитель напряжения. Чем больше количество соединенных параллельно индуктивных компонентов 350b (соответствующих количеству выключателей 310, одновременно остающихся разомкнутыми), тем ниже напряжение на узле соединения. Таким образом, если выключатель 310а будет впоследствии разомкнут, то узел соединения претерпевает лишь небольшое изменение напряжения, и так происходит в течение всей продолжительности короткого замыкания.
[0048] Если по меньшей мере половина выключателей одновременно остаются разомкнутыми, можно гарантировать то, что напряжение на узле соединения не превысит напряжение на клеммах электрохимических аккумуляторов даже при резонансном пиковом напряжении переходного процесса. Изобретение оказывается особенно полезным, когда в режиме работы при коротком замыкании разомкнутыми остаются по меньшей мере 80% выключателей 310.
[0049] Таким образом, генерирование источником напряжения постоянного тока высокочастотных электромагнитных возмущений, возможно, возмущающих работу нагрузки 6, является ограниченным. Таким образом, можно значительно понизить размер необязательной цепи (как правило, фильтрующего конденсатора или последовательного резистивно-емкостного контура) для фильтрации этих электромагнитных возмущений.
[0050] Для выбора практического применения, кабельная сеть электрической сети в такой установке, как судно, может обладать паразитной индуктивностью приблизительно 10 мкГн. Источник напряжения постоянного тока, например, содержит 50 батарей 3, соединенных параллельно, полное сопротивление 350 которых составляет приблизительно 10 мкГн. Полагая, что каждая батарея 3 ограничена током короткого замыкания 1 кА, через паразитное полное сопротивление электрической сети может проходить ток 350 кА. В то время как полное сопротивление 350 приходит к накоплению энергии 5 Дж, паразитная индуктивность электрической сети приходит к накоплению 12500 Дж. Если бы все выключатели 310 размыкались и замыкались одновременно, такое накопление энергии потребовало бы контура заметного размера для фильтрации электромагнитных возмущений. Кроме того, фильтрующий контур такого размера мог бы оказывать значительное отрицательное воздействие на поведение электроустановки 1 при коротком замыкании (на амплитуду тока короткого замыкания и на риск колебаний).
[0051] Фиг. 6 представляет собой график, на котором проиллюстрирован ток, проходящий через прерыватель 5 для электроустановки 1 в соответствии с одним из примеров осуществления изобретения во время внешнего короткого замыкания. В течение первой фазы Р1 выключатели 310 разных батарей 3 остаются замкнутыми, и ток, проходящий через прерыватель 5, увеличивается. В конце фазы Р1 цепи 330 управления обнаруживают, что ток, доставляемый соответствующими им батареями 3, превышает пороговое значение Ib. Для удобочитаемости, масштаб изменений тока после фазы Р1 намеренно увеличен. В течение второй фазы Р2 все цепи 330 управления размыкают соответствующий им выключатель 310. Ток, доставляемый через прерыватель 5, является результатом включения всех диодов 350 обратной цепи. Ток, проходящий через прерыватель 5, постепенно увеличивается до значения It выше порогового значения обнаружения Is прерывателя 5. Третья фаза Р3 начинается тогда, когда ток, проходящий через прерыватель 5, достигает значения It. В ходе третьей фазы разные батареи 3 последовательно обеспечивают регулирование тока, проходящего через прерыватель 5. В момент времени С1 регулирование этого тока обеспечивает первая батарея, затем, в момент времени С2, регулирование этого тока обеспечивает третья батарея, и т.д.
[0052] Когда батарея 3 обеспечивает регулирование тока через прерыватель 5, ее выключатель 310 замкнут на длительность времени tf до тех пор, пока ток через ее индуктивный компонент 350 не достигнет верхнего порогового значения. Затем выключатель 310 разомкнут на длительность времени t0 до тех пор, пока ток не достигнет значения It. Затем это регулирование обеспечивает другая батарея 3 при замыкании ее выключателя 310, а затем продолжается последовательное регулирование другими батареями 3.
[0053] Цепи управления 330 могут осуществлять последовательное регулирование тока, тем не менее, не предусматривая связи между ними. Так, цепи 330 могут управлять своим выключателем 310 для замыкания с одной и той же частотой, однако каждая цепь 330 управления замыкает свой выключатель 310 с разным сдвигом относительно обнаружения порогового значения отключения Ib (например, запрограммированного во время сборки источника напряжения постоянного тока). Таким образом, в течение третьей фазы Р3 в каждый момент времени является замкнутым только один выключатель 310.
[0054] В данном примере было описано одновременное замыкание лишь единственного выключателя 310. Одновременного замыкания единственного выключателя может оказаться достаточно, это замыкание, по существу, служащее для повышения тока через прерыватель 5 до уровня, относительно более высокого, чем It, поддерживается электропроводностью через диоды обратной цепи. Однако, для обеспечения избыточности во время нарастаний тока в третьей фазе Р3, также можно представить себе замыкания нескольких выключателей 310.
[0055] Замыкание выключателей 310 можно синхронизировать посредством централизованного синхросигнала источника напряжения постоянного тока, и тогда, для замыкания с разным сдвигом, каждая цепь 330 управления должна быть оснащена счетчиком.
[0056] Если первоисточник внешнего короткого замыкания исчезает, батареи 3 доставляют менее высокий ток, и тогда цепи 330 управления управляют переходом в нормальный режим работы. Затем выключатели 310 замыкаются.
[0057] Для независимых цепей 330 управления можно представить себе различные режимы управления. Например, для каждой цепи 330 управления можно предусмотреть заводскую установку, например, такую, что каждая цепь 330 управления содержит отдельный тактовый генератор с отличающейся частотой замыкания выключателя 310 так, чтобы каждая цепь 330 управления обладала одинаковой тактовой частотой, но разный сдвиг, или так, чтобы выключатели 310 размыкались в течение времени случайной длительности.
-4
[0058] Каждая схема 330 управления также делает случайный выбор для определения через регулярные промежутки времени того, должен ли быть замкнут ее выключатель 310. Для большого количества батарей 3 с малым рабочим циклом замыкания выключателей 310, вероятность одновременного замыкания более чем половины выключателей 310 в режиме короткого замыкания является крайне малой. При случайном выборе, даже если вероятность очень мала, более половины выключателей 310 может замкнуться одновременно. Условие поддержания более чем половины выключателей 310 разомкнутыми будет считаться удовлетворенным при условии, что эта ситуация имеет для каждого выбора вероятность ниже 10.
[0059] Естественный сдвиг между замыканиями выключателей 310 также можно получить посредством отличающейся калибровки индуктивных компонентов 350 разных батарей 3. При различных индуктивностях каждая батарея в ходе увеличения тока в фазе короткого замыкания будет обладать отличающимся отклонением. Поэтому ток, доставляемый каждой из батарей 3, будет достигать порогового значения отключения Ib в отличающийся момент времени. Однако выключатели 310 разных батарей 3, возможно, будут замыкаться с одинаковой частотой.
[0060] Для сдвига отключений транзисторов 310 также можно осуществлять регулирование гистерезиса в каждой батарее 3, устанавливая для каждой из них отличающиеся верхнее и нижнее пороговые значения.
[0061] Примеры установок для порогового значения отключения Ib могут быть следующими:
[0062] Ib=Is/n, где Is - пороговое значение отключения прерывателя 5, и n - количество батарей 3, соединенных параллельно;
[0063] Ib=1,5*Is/n; и
[0064] Ib=PdC/2n, где PdC - отключающая способность прерывателя 5, и n - количество батарей 3, соединенных параллельно.
[0065] Фиг. 2 представляет собой схематическое представление одного из вариантов батареи 3, пригодной для использования в электроустановке 1. Батарея 3 в соответствии с этим вариантом преимущественно содержит развязывающий конденсатор 360. Конденсатор 360 соединен параллельно с первым и вторым плечами. Такой конденсатор 360 преимущественно позволяет ограничить воздействия различных паразитных индуктивностей на работу цепи 330 управления. И хотя не все батареи 3 описываемого варианта содержат развязывающий конденсатор, батарея 3 установки 1 в соответствии с изобретением, разумеется, может содержать такой развязывающий конденсатор.
[0066] В варианте по фиг. 2 батарея 3 содержит контакторы 371 и 372. Эти контакторы 371 и 372 соединены последовательно с первым и вторым плечами между клеммой 373 высокого напряжения и клеммой 374 низкого напряжения. Эти контакторы 371 и 372 позволяют избирательно подключать/отключать батарею 3 от электроустановки 1.
[0067] Для того чтобы позволить как заряжать, так и разряжать батарею 3, выключатель 310 преимущественно способен проводить ток двунаправлено. Тогда батарею 3 можно заряжать либо посредством зарядного устройства, соединенного с внешним источником тока, либо от тока, возвращаемого нагрузкой 6 (например, посредством рекуперативного торможения электродвигателя).
[0068] На фиг. 3 изображен первый пример двунаправленного выключателя 310 тока. Выключатель 310 здесь содержит n-канальный МОП-транзистор, исток которого соединен с катодом диода 340, и затвором которого управляет цепь 330 управления.
[0069] На фиг. 4 изображен второй пример двунаправленного выключателя 310 тока. Выключатель 310 здесь содержит транзистор 312 IGBT и диод 311, установленные встречно-параллельно.
[0070] В качестве электропроводных/прерывающих компонентов для функции выключателя 310 можно использовать транзисторы различных типов. Использование транзисторов, в особенности, позволяет получать достаточно большие скорости размыкания выключателя 310 до того, как ток, проходящий через прерыватель 5, достигнет его отключающей способности.
[0071] Фиг. 7 представляет собой схематическое представление одного из вариантов батареи 3, пригодной для использования в электроустановке 1. Батарея 3 в соответствии с этим вариантом преимущественно содержит два диода 340 и 341 обратной цепи, соединенных последовательно. Диоды 340 и 341, таким образом, подключены между клеммой низкого напряжения батареи 3 и одной из клемм индуктивного компонента 350. И хотя короткое замыкание обычно является состоянием отказа диода, наличие двух диодов 340 и 341, соединенных последовательно, делает возможным не только обеспечение непрерывной работы батареи 3, но также препятствует короткому замыканию на клеммах этой батареи 3 в случае отказа одного из этих диодов.
[0072] Данный вариант также делает возможным испытание цепи управления, диодов и выключателя.
[0073] Для испытания диодов можно следовать следующей процедуре:
- замкнуть выключатель 310;
- разомкнуть контакторы 371 и 372;
[0074] - измерить промежуточное напряжение между диодами 340 и 341 обратной цепи. Это напряжение здесь должно обладать промежуточным значением между 0 и Vbat (где Vbat - напряжение на клеммах аккумуляторов 300). Это значение зависит от разности тока утечки двух этих диодов. Если это напряжение равно нулю, то диод, соединенный с отрицательным полюсом батареи является замкнутым накоротко. Если это напряжение равно Vbat, то замкнутым накоротко является второй диод. По причине разных токов утечки диодов 340 и 341, для того чтобы обеспечить распределение напряжений на клеммах диодов 340 и 341, параллельно диодам можно добавить высокоомные резисторы. Предпочтительно, также можно установить параллельно этим двум диодам два примыкающих друг к другу резистора с одинаковыми сопротивлениями, допускающими прохождение тока в несколько раз выше тока утечки диодов. В этом случае, напряжение должно составлять приблизительно Vbat/2; и
[0075] - измерить напряжение на клеммах диодов 340 и 341 обратной цепи. Это напряжение здесь должно быть равно Vbat.
[0076] Для испытания выключателя 310 и цепи управления можно следовать следующей процедуре:
- замкнуть контракторы 371 и 372;
- разомкнуть выключатель 310;
[0077] - измерить напряжение на клеммах диодов 340 и 341 обратной цепи. Это напряжение здесь должно быть ниже Vbat, и оно равно 2 * Vd в присутствии тока обратной цепи;
- при наличии тока обратной цепи - измерить промежуточное напряжение между диодами 340 и 341 обратной цепи. Это напряжение здесь должно быть равно Vd, где Vd - пороговое напряжение диодов 340 и 341 (в предположении, что оно является одинаковым для диодов 340 и 341);
- замкнуть выключатель 310; и
[0078] - измерить напряжение на клеммах диодов 340 и 341 обратной цепи. Это напряжение здесь должно быть равно Vbat.
[0079] Фиг. 8 представляет собой схематическое представление другого варианта батареи 3, пригодной для использования в электроустановке 1. Эта батарея 3 содержит первые электрохимические аккумуляторы 301, соединенные последовательно, и преобразователь 380 напряжения постоянного тока. К вводу преобразователя 380 подключен еще один источник напряжения постоянного тока. Этот еще один источник напряжения постоянного тока здесь содержит вторые электрохимические аккумуляторы 302. Вывод преобразователя 380 электрически последовательно соединен с электрохимическими аккумуляторами 301.
[0080] Такая батарея 3 позволяет приспосабливать ее напряжение к напряжению других батарей 3, с которыми она должна быть соединена параллельно. Такие батареи оказываются особенно полезными, когда они имеют разные свойства (по причине состояния их заряда, отклонений при изготовлении или разностей в сроке службы или износе). Более того, такая батарея 3 позволяет приспосабливать ее напряжение с меньшими потерями для оптимизированных габаритов и себестоимости. Конкретнее, преобразование здесь осуществляется только на напряжении электрохимических аккумуляторов 302, номинальное напряжение которых, как правило по меньшей мере в пять раз ниже номинального напряжения электрохимических аккумуляторов 301.
[0081] На фиг. 9 изображена батарея 3 с одним из вариантов преобразователя 380. Преобразователь 380 здесь основан на использовании выключателей 381 и 382 и индуктивного компонента 350. Выключатели 381 и 382 соединены последовательно и управляются цепью 330 управления. Индуктивный компонент 350 подключен между клеммой высокого напряжения батареи 3 и узлом соединения между выключателями 381 и 382 посредством выключателя 310. Набор электрохимических аккумуляторов 302 соединен с узлом соединения, соответственно, посредством выключателя 381 и выключателя 382.
[0082] Символ α обозначает рабочий цикл замыкания выключателя 381, определяемый цепью 330 управления. Цепь 330 управления определяет рабочий цикл замыкания (1-α) для выключателя 382. Как известно само по себе, цепь управления одновременно удерживает выключатель 381 разомкнутым, а выключатель 382 - замкнутым, и наоборот. Цепь 330 управления определяет значение рабочего цикла а в зависимости от требуемого выходного напряжения батареи 3.
[0083] Таким образом, преобразователь 380 играет роль понижающего регулятора напряжения в режиме разряда аккумулятора 302 и повышающего регулятора напряжения - в режиме заряда аккумулятора 302.
[0084] Выключатели 381 и 382 преобразователя 380 предпочтительно относятся к нормально разомкнутому типу.
[0085] Прерыватель 5, например, представляет собой термомагнитный прерыватель или электронный прерыватель. Электронный прерыватель оснащен:
- амперметром, измеряющим текущий через него ток;
- электромеханическим элементом, позволяющим размыкать цепь между клеммами прерывателя; и
- электронной схемой, обрабатывающей текущее измерение амперметра и генерирующей команду на размыкание электромеханического элемента в зависимости от текущего измерения.
[0086] На фиг. 10 изображена примерная кривая отключения для такого электронного прерывателя. Здесь электронный прерыватель содержит три пороговых значения отключения:
- первое пороговое значение отключения In предназначено для ограниченной перегрузки по току с большой продолжительностью (как правило, между несколькими десятками секунд и несколькими минутами). Это пороговое значение отключения аналогично пороговому значению отключения термомагнитного прерывателя при перегреве;
- второй пороговое значение отключения Icr предназначено для относительно высокой перегрузки по току со средней продолжительностью (как правило, между 100 мс и несколькими секундами). Это пороговое значение отключения аналогично пороговому значению магнитного отключения термомагнитного прерывателя; и
- третье пороговое значение отключения Isi предназначено для глухого короткого замыкания, с почти мгновенным обнаружением и размыканием в пределах менее чем 100 мс после указанного обнаружения.
[0087] Третье пороговое значение отключения прерывателя 5 может быть отсроченным, для того чтобы позволить прерывателем низшего ранга разомкнуть плечи в нисходящем направлении с тем, чтобы гарантировать избирательность электрической цепи.
[0088] В примерах, подробно описанных выше, амперметр 320 измеряет последовательный ток, проходящий через индуктивный компонент 350. Однако также можно представить себе измерение тока, проходящего через первое плечо, однако это измерение не доставляет текущее значение тока, проходящего через индуктивный компонент 350 во время размыкания выключателя 310.
[0089] На фиг. 11 изображен один из примеров источника напряжения постоянного тока, содержащего несколько последовательных ступеней, при этом каждая ступень содержит несколько батарей, соединенных параллельно. Источник напряжения постоянного тока здесь содержит первую ступень Et1 и вторую ступень Et2, и эти ступени соединены последовательно. Для простоты, на каждой ступени изображена только одна из батарей, соединенных параллельно. Эти батареи имеют одинаковую конструкцию, как подробно описано со ссылкой на фиг. 1. Батарея, проиллюстрированная для ступени Et1, таким образом, содержит набор 303 электрохимических аккумуляторов, выключатель 311, амперметр 321, цепь 331 управления, диод 341 и индуктивный компонент 351. Батарея, проиллюстрированная для ступени Et2, таким образом, содержит набор 304 электрохимических аккумуляторов, выключатель 312, амперметр 322, цепь 332 управления, диод 342 и индуктивный компонент 352.
[0090] Преимущественно, ступени Et1 и Et2 выполнены с возможностью получать токи короткого замыкания, регулируемые так, чтобы они были разными, или чтобы они обладали разными пороговыми значениями обнаружения короткого замыкания.
[0091] It1 и It2 представляют собой соответствующие регулируемые токи короткого замыкания на ступенях Et1 and Et2, а Ib1 и Ib2 представляют собой пороговые значения тока для обнаружения короткого замыкания, при этом It1>It2, и Ib1>Ib2. При возникновении короткого замыкания последнее раньше обнаруживается на ступени Et2, как только в каждой батарее ступени Et2 будет достигнуто пороговое значение Ib2. Выключатели 312 размыкаются перед выключателями 311. Ток короткого замыкания, доставляемый ступенью Et1, затем проходит через диоды 342 обратной цепи ступени Et2. Выключатели 312 остаются разомкнутыми, поскольку ток короткого замыкания, доставляемый через диоды обратной цепи, превышает пороговое значение регулирования It2. Когда ток короткого замыкания достигает Ib1 в каждой батарее ступени Et1, выключатели 311 также размыкаются. Таким образом, регулирование на практике осуществляется на ступени Et1.
[0092] В частном случае, когда цепи 332 управления используют для управления выключателями 312 управление гистерезисом, выключатели 312 могут периодически замыкаться, но они немедленно размыкаются снова, так как проходящий через них ток выше порогового значения Ib2.
[0093] Такая конструкция со ступенями Et1 и Et2, выполненная с возможностью получения по-разному регулируемых токов, или токов, обладающих разными пороговыми значениями обнаружения короткого замыкания, в особенности, позволяет избежать возможных колебаний между ступенями.
[0094] Таким образом, диоды 342 обратной цепи должны быть определены техническими условиями так, чтобы они выдерживали ток короткого замыкания на ступени Et1.