Быстродействующее переключающее устройство для аккумуляторной батареи высокой мощности в изолированной сети постоянного тока

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение быстродействия коммутации токов разряда. Предложено быстродействующее переключающее устройство (1) для аккумуляторной батареи (2) высокой мощности в изолированной сети (3) постоянного тока, особенно сети постоянного тока подводной лодки, причем аккумуляторная батарея (2) высокой мощности содержит несколько параллельно включенных аккумуляторных модулей (4) с соответственно одной ветвью (5) или несколькими параллельно включенными ветвями (5) последовательно соединенных аккумуляторных элементов (6) высокой мощности, причем одна или каждая из ветвей (5) имеет сетевое напряжение изолированной сети (2) постоянного тока, содержит для каждого из аккумуляторных модулей (4) соответствующий быстродействующий переключающий блок (12), который содержит схему (8) параллельного соединения из диода (9), включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля (4), и силового полупроводникового переключателя (10), включенного в направлении пропускания тока разряда, причем схема (8) параллельного соединения размещена в соединительном проводнике аккумуляторного модуля (4) к сети (2) постоянного тока и состояние переключения силового полупроводникового переключателя (10) может управляться посредством устройства (11) контроля и управления, причем устройство (11) контроля и управления выполнено таким образом, что оно для отключения тока разряда аккумуляторного модуля (4) в соединительном проводнике (7) посредством переключения силового полупроводникового переключателя (10) в непроводящее состояние прерывает ток разряда, протекающий в соединительном проводнике (7). 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Изобретение относится к быстродействующему переключающему устройству для аккумуляторной батареи высокой мощности в изолированной сети постоянного тока, особенно для сети постоянного тока подводной лодки, согласно пункту 1 или пункту 4 формулы изобретения. Изобретение также относится к изолированной сети постоянного тока согласно пункту 14 формулы изобретения.

В настоящее время находящиеся в разработке аккумуляторные батареи высокой мощности, такие как, например, ионно-литиевые аккумуляторные элементы, литий-полимерный элемент, фосфатжелезно-литиевые аккумуляторные элементы, титанат-литиевые аккумуляторные батареи и комбинации указанного, отличаются по сравнению с обычными аккумуляторными батареями, как, например, свинцовые аккумуляторные батареи, значительным снижением времен заряда и разряда и значительным повышением кратковременного тока разряда. С другой стороны, в качестве проблем для их использования в выполненной в виде крупной установки изолированной сети постоянного тока, как, например, в автономном энергоснабжении электростанции или в сети постоянного тока подводной лодки, рассматриваются чрезвычайно высокие возможные токи короткого замыкания, которые могут, например, составлять 20 кА для одной ветви батареи и до 500 кА на каждую батарею.

Для коммутации промышленных токов и ограничения токов короткого замыкания аккумуляторная установка обычно содержит в изолированной сети постоянного тока переключающее устройство. Сеть постоянного тока с аккумуляторной батареей высокой мощности с подобным переключающим устройством раскрыта, например, в ЕР 1641066 А2 и WO 2008/055493 А1.

Аккумуляторная батарея высокой мощности в изолированной сети постоянного тока при этом обычно содержит несколько параллельно включенных аккумуляторных модулей с, соответственно, одной ветвью или несколькими параллельными ветвями последовательно соединенных аккумуляторных элементов высокой мощности, причем ветвь или каждая из ветвей имеет сетевое напряжение изолированной сети постоянного тока.

Исходя из этого задачей настоящего изобретения является создание переключающего устройства аккумуляторной батареи высокой мощности в изолированной сети постоянного тока, особенно сети постоянного тока подводной лодки, с помощью которого токи разряда аккумуляторной батареи высокой мощности коммутируются с особенно высоким быстродействием.

Решение этой задачи обеспечивается в соответствии с изобретением, с одной стороны, быстродействующим переключающим устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения и, с другой стороны, быстродействующим переключающим устройством с признаками пункта 4 формулы изобретения. Изолированная сеть постоянного тока с быстродействующим переключающим устройством является предметом пункта 14 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

В быстродействующем переключающем устройстве, согласно пункту 1 формулы изобретения, в режиме заряда аккумуляторного модуля ток заряда протекает через диод в аккумуляторной батарее, в режиме разряда аккумуляторного модуля ток разряда протекает через полупроводниковый переключатель. Посредством соответствующего управления полупроводниковым переключателем посредством устройства контроля и управления ток разряда может прерываться за существенно более короткое время по сравнению с обычным силовым переключателем.

Согласно особенно предпочтительному выполнению, устройство контроля и управления выполнено таким образом, что оно быстро определяет ток короткого замыкания в соединительном проводнике и путем переключения силового полупроводникового переключателя в непроводящее состояние прерывает ток короткого замыкания. Посредством быстродействующего переключающего устройства ток разряда может прерываться за существенно более короткое время по сравнению с обычным силовым переключателем, и при этом ток короткого замыкания отдельного аккумуляторного модуля и, как следствие, также суммарный ток короткого замыкания всех аккумуляторных модулей ограничивается до некритичных значений, так что можно отказаться от других средств ограничения тока и средств отключения для суммарных токов короткого замыкания.

Для предотвращения коммутационных перенапряжений на полупроводниковом переключателе предпочтительным образом параллельно к схеме параллельного соединения включен диод, который размещен в проводящей линии, которая соединяет связанный с положительным полюсом аккумуляторного модуля соединительный проводник и связанный с отрицательным полюсом аккумуляторного модуля соединительный проводник.

В быстродействующем переключающем устройстве согласно пункту 4 формулы изобретения в режиме заряда аккумуляторного модуля ток заряда протекает через механический переключатель. Также, в режиме разряда аккумуляторного модуля весь или по меньшей мере часть тока разряда протекает через механический переключатель. Только для отключения тока разряда посредством размыкания механического переключателя ток разряда полностью коммутируется на полупроводниковый переключатель и затем отключается посредством полупроводникового переключателя. Тем самым ток в нормальном режиме проводится, по существу, через механический переключатель. За счет этого можно избежать потерь, так как механический переключатель по сравнению с полупроводниковым компонентом имеет существенно меньшие потери. Время между размыканием механического переключателя и отключением полупроводникового переключателя может при этом выбираться таким образом, что при отключении полупроводникового переключателя расстояние между контактами механического переключателя настолько велико, что электрическая дуга между контактами уже сокращается так, что при выключении полупроводникового переключателя не создается новая электрическая дуга между контактами.

Согласно особенно предпочтительному выполнению, устройство контроля и управления выполнено таким образом, что оно быстро определяет ток короткого замыкания в соединительном проводнике и путем переключения силового полупроводникового переключателя в непроводящее состояние прерывает ток короткого замыкания. Посредством быстродействующего переключающего устройства ток разряда может прерываться за существенно более короткое время по сравнению с обычным силовым переключателем, и при этом ток короткого замыкания отдельного аккумуляторного модуля и, как следствие, также суммарный ток короткого замыкания всех аккумуляторных модулей аккумуляторной батареи ограничивается до некритичных значений таким образом, что можно отказаться от других средств ограничения тока и средств отключения для суммарных токов короткого замыкания.

При этом полупроводниковый переключатель при размыкании механического переключателя уже может находиться в проводящем состоянии, то есть при нормальном режиме разряда ток протекает как через механический переключатель, так и через полупроводниковый переключатель.

Предпочтительным образом, однако, полупроводниковый переключатель при размыкании механического переключателя находится в непроводящем состоянии, и устройство контроля и управления выполнено таким образом, что оно переключает полупроводниковый переключатель в проводящее состояние с размыканием механического переключателя. Прохождение тока через полупроводниковый переключатель происходит, тем самым, только для выключения тока разряда, за счет чего можно минимизировать потери.

Предпочтительным образом механический переключатель выполнен как вакуумный выключатель.

Быстрое размыкание контактов механического переключателя возможно, например, за счет того, что усилие для размыкания контактов вырабатывается посредством электродинамического привода, который работает по принципу эффекта Томсона.

Для приема электрической энергии и для ограничения сверхнапряжений, которые возникают после переключения полупроводникового переключателя в непроводящее состояние на полупроводниковом переключателе, предпочтительным образом параллельно полупроводниковому переключателю включено электрическое сопротивление, предпочтительно варистор.

Как в решении согласно пункту 1 формулы изобретения, так и в решении согласно пункту 4 формулы изобретения в качестве силовых полупроводниковых переключателей могут применяться, например, GTO, IGBT или IGCT. При этом могут достигаться времена отключения для токов короткого замыкания менее 10 микросекунд, в то время как с обычными быстродействующими переключателями могут быть достигнуты времена только от 3 до 5 мс. Тем самым, суммарные токи короткого замыкания ограничиваются до неопасных значений, что при обычных средствах защиты и коммутации в некоторых изолированных сетях постоянного тока, в особенности в сетях постоянного тока подводной лодки с обычно доступными средствами защиты и коммутации (например, компактными коммутаторами) в качестве переключателей для отдельных ветвей, вообще были бы невозможными, так как суммарные токи короткого замыкания на каждую аккумуляторную батарею были бы тогда еще настолько высокими, что потребовались бы дополнительные ограничители тока/выключатели. Пропускаемый ток этих обычных ограничителей тока/выключателей для суммарных токов короткого замыкания (например, специальные предохранители) при, например, 200 кА лежит заметно выше допустимых токов короткого замыкания существующих установок и доступных средств защиты и коммутации. Однако с помощью соответствующего изобретению переключающего устройства суммарные токи короткого замыкания аккумуляторной батареи могут управляться с помощью обычных средств защиты и коммутации.

Предпочтительным образом каждый из аккумуляторных модулей содержит только, соответственно, одну единственную ветвь последовательно включенных аккумуляторных элементов аккумулятора энергии высокой мощности, то есть переключающее устройство содержит, соответственно, один переключающий блок для каждой отдельной ветви. Тем самым, в случае короткого замыкания суммарные токи короткого замыкания всей аккумуляторной батареи могут ограничиваться до особенно низких значений и, тем самым, сдерживаются особенно надежным образом.

Предпочтительным образом соединительный проводник с переключающим блоком соединяет положительный полюс аккумуляторного модуля с сетью постоянного тока, то есть переключающий блок включен между положительным полюсом аккумуляторного модуля и сетью постоянного тока.

Для отключения не под напряжением аккумуляторного модуля от сети постоянного тока в соединительном проводе, который соединяет положительный полюс аккумуляторного модуля с сетью постоянного тока, и в соединительном проводе, который соединяет отрицательный полюс аккумуляторного модуля с сетью постоянного тока, может быть размещен соответствующий механический переключатель, в особенности разъединитель. При этом речь может идти о единственном переключателе с множеством пар переключающих контактов, причем, например, одна контактная пара включена в один соединительный проводник, а другая контактная пара включена в другой соединительный проводник.

Аккумуляторные элементы предпочтительным образом состоят из ионно-литиевых аккумуляторных элементов, литий-полимерных элементов, фосфатжелезно-литиевых аккумуляторных элементов, титанат-литиевых аккумуляторных батарей или их комбинаций.

При использовании быстродействующих переключающих устройств, например, описанного выше соответствующего изобретению быстродействующего переключающего устройства, в изолированной сети постоянного тока, особенно сети постоянного тока подводной лодки, с по меньшей мере одним потребителем, вышеописанной аккумуляторной батареей высокой мощности для снабжения электрического потребителя электрической энергией и включенным между электрическим потребителем и аккумуляторной батареей высокой мощности средством защиты для потребителя, в особенности предохранителем, в случае короткого замыкания токи аккумуляторных модулей могут отключаться и ограничиваться до значений, которые в качестве суммарных токов короткого замыкания могут надежным образом сдерживаться. И в случае неисправности, например при перегрузке, аккумуляторные модули могут надежно отключаться.

Если быстродействующее переключающее устройство для каждого из аккумуляторных модулей имеет соответствующий быстродействующий переключающий блок, и в случае короткого замыкания на потребителе быстродействующие переключающие блоки срабатывают быстрее, чем далее включенное средство защиты для потребителя, то короткое замыкание на потребителе не привело бы к срабатыванию средства защиты. Таким образом, нет никакого различия между быстродействующими переключающими блоками и средством защиты. Так как средство защиты не срабатывает, то место короткого замыкания осталось бы нераспознанным. Последующее подключение аккумуляторных модулей привело бы вновь к короткому замыканию и, тем самым, к отключению аккумуляторных модулей. В целом, это может привести к продолжительному полному отключению всей изолированной сети постоянного тока.

Например, в условиях, характерных для сети постоянного тока подводной лодки, время срабатывания при соответствующих изобретению быстродействующих переключающих блоках может лежать в диапазоне микросекунд, в то время как в случае средств защиты, прежде всего предохранителей, оно лежит в диапазоне миллисекунд.

Поэтому в изолированной сети постоянного тока, согласно пункту 14, между по меньшей мере одним из аккумуляторных модулей и средством защиты целенаправленно не включается никакого быстродействующего переключающего блока. В этом по меньшей мере одном аккумуляторном модуле ток короткого замыкания целенаправленно не отключается. Этот или эти не отключенные токи короткого замыкания приводят тогда к срабатыванию далее включенного средства защиты для потребителя, тем самым, в случае предохранителя, к расплавлению предохранителя. Тем самым, потребитель надежным образом отсоединяется от сети постоянного тока. Затем отключенные аккумуляторные модули с помощью быстродействующих переключающих блоков могут автоматически снова подключаться к сети постоянного тока.

Прохождение тока от аккумуляторного модуля к потребителю в случае промежуточно включенного быстродействующего переключающего блока может привести к падению напряжения на быстродействующем переключающем блоке. Вследствие этого аккумуляторные модули, которые через промежуточно включенный быстродействующий переключающий блок соединены с потребителем, и аккумуляторные модули, которые без промежуточно включенного быстродействующего переключающего блока соединены с потребителем, разряжаются по-разному. Поэтому для одинакового разряда всех аккумуляторных модулей в электрическое соединение между по меньшей мере одним аккумуляторным модулем и средством защиты, в которое не включен быстродействующий переключающий блок, включен блок компенсации для компенсации вольт-амперной характеристики быстродействующего переключающего блока.

Предпочтительным образом блок 51 компенсации имеет, по меньшей мере, в диапазоне рабочих напряжений и токов и при этом по меньшей мере для токов разряда аккумуляторного модуля 4а такую же вольт-амперную характеристику, что и у быстродействующего переключающего блока.

В конструктивно особенно простом выполнении блок компенсации содержит параллельное соединение из диода, включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля, и диода, включенного в направлении пропускания тока разряда.

Для быстрого восстановления работоспособности сети после короткого замыкания на потребителе быстродействующие переключающие блоки могут быть выполнены таким образом, что они после отсоединения аккумуляторных модулей от сети постоянного тока на основе токов короткого замыкания определяют напряжение сети и после восстановления напряжения автоматически снова подключают аккумуляторные модули к сети постоянного тока.

Изобретение и предпочтительные варианты выполнения изобретения далее поясняются более подробно на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:

фиг.1 - принципиальное представление первой изолированной сети постоянного тока,

фиг.2 - первый пример структуры показанного на фиг.1 аккумуляторного модуля,

фиг.3 - второй пример структуры показанного на фиг.1 аккумуляторного модуля,

фиг.4 - пример структуры показанного на фиг.1 переключающего блока,

фиг.5 - принципиальное представление второй изолированной сети постоянного тока,

фиг.6 - пример структуры показанного на фиг.1 переключающего блока,

фиг.7 - принципиальное представление первой сети постоянного тока подводной лодки, основанной на изолированной сети постоянного тока согласно фиг.1,

фиг.8 - принципиальное представление первой сети постоянного тока подводной лодки, основанной на изолированной сети постоянного тока согласно фиг.5,

фиг.9 - изолированная сеть постоянного тока согласно фиг.1 с вышестоящим управляющим устройством,

фиг.10 - изолированная сеть постоянного тока согласно фиг.5 с вышестоящим управляющим устройством,

фиг.11 - изолированная сеть постоянного тока согласно фиг.1 с избирательным срабатыванием,

фиг.12 - предпочтительное выполнение показанного на фиг.11 модуля компенсации,

фиг.13 - упрощенное представление сети постоянного тока подводной лодки с переключающими блоками и блоками компенсации,

фиг.14 - предпочтительное выполнение переключающих блоков и блоков компенсации по фиг.13.

На фиг.1 показано принципиальное представление первой соответствующей изобретению изолированной сети 3 постоянного тока, которая содержит аккумуляторную батарею 2 высокой мощности для накопления электрической энергии, генератор G для генерации электрической энергии и двигатель М в качестве потребителя энергии. Аккумуляторная батарея 2 содержит несколько параллельно включенных аккумуляторных модулей 4 с, соответственно, одной ветвью или несколькими параллельно включенными ветвями последовательно соединенных аккумуляторных элементов высокой мощности, причем ветвь или каждая из ветвей имеет сетевое напряжение изолированной сети постоянного тока.

Например, аккумуляторный модуль, как представлено на фиг.2, может содержать три параллельно включенных ветви 5 из соответствующих последовательно включенных аккумуляторных элементов 6. Предпочтительным образом, однако, каждый аккумуляторный модуль 6 содержит, как представлено на фиг.3, только одну ветвь 5 из последовательно соединенных аккумуляторных элементов 6.

Аккумуляторные элементы 6 состоят из ионно-литиевых аккумуляторных элементов, литий-полимерных элементов, фосфатжелезно-литиевых аккумуляторных элементов, титанат-литиевых аккумуляторных элементом или их комбинаций.

Быстродействующее переключающее устройство 1 содержит для каждого из аккумуляторных модулей 4 соответствующий быстродействующий переключающий блок 12, который, как показано на фиг.4, содержит схему 8 параллельного соединения из диода 9, включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля 4, и силового полупроводникового переключателя 10, включенного в направлении пропускания тока разряда. Эта схема 8 параллельного соединения размещена в соединительном проводнике 7 аккумуляторного модуля 4 к сети 3 постоянного тока. Состояние переключения силового полупроводникового переключателя 10 управляется посредством устройства 11 контроля и управления, причем устройство 11 контроля и управления выполнено таким образом, что оно для отключения тока разряда в соединительном проводнике 7 прерывает ток разряда, протекающий в соединительном проводнике 7, посредством переключения силового полупроводникового переключателя 10 в непроводящее состояние.

При этом устройство 11 контроля и управления выполнено таким образом, что оно быстро определяет ток короткого замыкания в соединительном проводнике 7 и путем переключения силового полупроводникового переключателя 10 в непроводящее состояние прерывает ток короткого замыкания.

Устройство 11 контроля и управления определяет для этого через проводник 16 ток разряда в соединительном проводнике 7 и управляет через управляющую линию 17 силовым полупроводниковым переключателем 10.

Устройство 11 контроля и управления распознает тем самым короткое замыкание в сети и запирает в течение микросекунд управляемый полупроводник, так что ток короткого замыкания модуля 4 и, тем самым, также суммарный ток короткого замыкания всех модулей 4 ограничивается до безопасного значения и отключается.

Соединительный проводник 7, в котором размещен переключающий блок 12 или схема 8 параллельного соединения, соединяет положительный полюс (+) аккумуляторного модуля 4 с сетью 3 постоянного тока.

Включенный параллельно схеме 8 параллельного соединения переключающего блока 12 диод 13, который размещен в проводнике 19, который соединяет соединенный с положительным полюсом (+) аккумуляторного модуля 4 соединительный проводник 7 и соединенный с отрицательным полюсом (-) аккумуляторного модуля 4 соединительный проводник 14, служит для предотвращения сверхнапряжений переключения на силовом полупроводниковом переключателе 10.

Для возможности отключения аккумуляторного модуля 4 или ветви 5 при дефектном полупроводнике и для гальванического отсоединения аккумуляторного модуля 4 или ветви 5 от сети 3 в соединительный проводник 7, который соединяет положительный полюс (+) аккумуляторного модуля 4 с сетью 3 постоянного тока, и в соединительный проводник 14, который соединяет отрицательный полюс (-) аккумуляторного модуля 4 с сетью 3 постоянного тока, соответственно, включен механический переключатель 15 или 25, например, размыкатель. Переключатель 15 или 25 может управляться вручную или дистанционно. При этом в соединительном проводнике 7 механический переключатель 15 размещен между переключающим блоком 12 и сетью 3 постоянного тока.

Показанная на фиг.5 изолированная сеть постоянного тока отличается от показанной на фиг.1 изолированной сети постоянного тока тем, что в переключающем устройстве 1 диоды 13 опущены, переключающее устройство 1 содержит устройство 31 контроля и управления вместо устройства 11 контроля и управления, и что она содержит показанные более подробно на фиг.6 переключающие блоки 32 вместо переключающих блоков 12.

Переключающие блоки 32 содержат, соответственно, схему 28 параллельного соединения из механического переключателя 29, пропускающего ток заряда и ток разряда аккумуляторного модуля 4, и по меньшей мере одного силового полупроводникового переключателя 30, включенного в направлении пропускания тока разряда.

При этом схема 28 параллельного соединения переключающего блока 32 размещена и в этом случае в соединительном проводнике 7 аккумуляторного модуля 4 к сети 3 постоянного тока. Состояния переключения механического переключателя 29 и силового полупроводникового переключателя 30 управляются посредством устройства 31 контроля и управления, причем устройство 31 контроля и управления выполнено таким образом, что оно для отключения тока разряда в соединительном проводнике 7 путем размыкания механического переключателя 29 коммутирует протекающий через механический переключатель ток на полупроводниковый переключатель 30 и затем посредством переключения полупроводникового переключателя 30 в непроводящее состояние прерывает ток разряда, протекающий в соединительном проводнике 7.

При этом устройство 31 контроля и управления выполнено таким образом, что оно быстро определяет ток короткого замыкания в соединительном проводнике 7 и посредством переключения силового полупроводникового переключателя 30 в непроводящее состояние прерывает ток короткого замыкания.

При этом устройство 31 контроля и управления для управления состоянием переключения механического переключателя 29 соединено дополнительно через управляющую линию 18 с механическим переключателем 29.

Полупроводниковый переключатель 30 при размыкании механического переключателя 29 может уже находиться в проводящем состоянии. Однако, во избежание потерь, полупроводниковый переключатель 30, в режиме разряда аккумуляторного модуля 4, то есть также при размыкании механического переключателя 29, находится в непроводящем состоянии, а устройство контроля и управления выполнено таким образом, что оно полупроводниковый переключатель 30 с размыканием механического переключателя 29 переключает в проводящее состояние.

Механический переключатель 29 предпочтительно выполнен как вакуумный переключатель.

Быстродействующий переключающий блок 32 дополнительно содержит еще включенный параллельно полупроводниковому переключателю 30 варистор 34 для приема электрической энергии и для ограничения сверхнапряжений, которые возникают на полупроводниковом переключателе 30 после переключения полупроводникового переключателя 30 в непроводящее состояние.

Показанная на фиг.7 сеть 40 постоянного тока подводной лодки содержит две частичные сети 41, которые через сетевой элемент связи 42 могут связываться друг с другом. Каждая из частичных сетей 41 содержит соответствующую одну показанную на фиг.1 аккумуляторную батарею 2 и переключающее устройство 1. Каждая из аккумуляторных батарей 2 содержит точно одну ветвь 5 последовательно соединенных аккумуляторных элементов, так что переключающее устройство 1 аккумуляторной батареи 2 для каждой из ветвей 5 содержит соответствующий переключающий блок 12, устройство 11 управления и контроля и диод 13.

В типовом случае каждая из ветвей имеет сетевое напряжение 900 В, и аккумуляторная батарея включает в себя примерно 20 параллельно включенных ветвей.

Переключатели 15 предпочтительно выполнены как механическое размыкающее устройство и служат для отсоединения потенциала соответствующего аккумуляторного модуля 4 или ветви 5 от соответствующей частичной сети 41.

Переключатели 25 предпочтительно выполнены как силовые переключатели (например, как компактные коммутаторы) и служат, с одной стороны, для отделения потенциала соответствующего аккумуляторного модуля 4 или ветви 5 от соответствующей частичной сети 41, а, с другой стороны, для выключения короткого замыкания при отказе соответствующего переключающего блока 12, соотнесенного с соответствующим аккумуляторным модулем 4 или ветвью 5.

Дополнительно каждая из аккумуляторных батарей 2 через соединенные последовательно с аккумуляторными батареями 2 механические переключатели 35 может отсоединяться от соответствующей частичной сети 41.

Показанная на фиг.8 сеть 40 постоянного тока подводной лодки отличается от показанной на фиг.7 сети 40 постоянного тока подводной лодки тем, что переключающее устройство 1 основывается на решении, показанном на фиг.5.

Фиг.9 и 10 показывают изолированную сеть постоянного тока согласно фиг.1 или фиг.5, причем, соответственно, имеется дополнительное вышестоящее управляющее устройство 50, которое через линии 51 соединено с устройствами 11 или 31 контроля и управления и по ним передает команды выключения для обусловленного режимом работы отключения токов разряда посредством переключающих блоков 12 или 32 на устройства 11 или 31 контроля и управления и получает обратные сообщения от устройств 11 или 31 контроля и управления.

Если обусловленные режимом работы токи разряда также отключаются посредством полупроводниковых переключателей, то для механических переключателей могут быть выбраны менее габаритные конструктивные выполнения.

С помощью изобретения возможна более простая интеграция аккумуляторных батарей высокой мощности в новых установках и при модернизации существующих установок.

Управляющее напряжение для устройств 11 или 31 контроля и управления и переключающих блоков 12, 32 может быть реализовано посредством собственного энергоснабжения из соответствующего аккумуляторного модуля 4 или посредством независимого от него энергоснабжения (например, от батареи поддержки и т.п.).

Вместо соответствующего каждого из устройств 11 или 31 контроля и управления может также иметься одно единственное вышестоящее устройство контроля и управления.

После ограничения и отключения короткого замыкания быстродействующий переключающий блок 12, 32 сразу же вновь является работоспособным. Однако предпочтительным образом выполнение таково, что повторное переключение, при обстоятельствах, допустимо только после квитирования (то есть причина сбоя устранена).

При дефектном полупроводнике (например, при сквозном легировании) предпочтительным является немедленный контроль дефекта так, чтобы могли предприниматься соответствующие меры (например, отключение аккумуляторного модуля или ветви). Для случая, когда в этот момент возникло бы короткое замыкание, смежное переключающее устройство (например, устройство переключения аккумуляторной батареи) в состоянии сдержать ток короткого замыкания одной или даже нескольких ветвей.

Показанная на фиг.11 изолированная сеть 3 постоянного тока соответствует по своим основным признакам изолированной сети 3 постоянного тока по фиг.1, причем, однако, потребитель М теперь через средство защиты в форме предохранителя 50 соединен с сетью 3 постоянного тока. Быстродействующие переключающие блоки 12 включены, таким образом, между предохранителем 50 и аккумуляторным модулем 4.

Если быстродействующее переключающее устройство 1 для каждого из аккумуляторных модулей 4 имеет соответствующий быстродействующий переключающий блок 12, и быстродействующие переключающие блоки 12 в случае короткого замыкания на потребителе М срабатывают быстрее, чем смежный предохранитель 50, то короткое замыкание на потребителе М не привело бы к срабатыванию предохранителя 50. Например, в условиях, характерных для сетей постоянного тока подводной лодки, время срабатывания показанных на фиг.4 и 6 быстродействующих переключающих блоков может лежать в диапазоне микросекунд, в то время как в случае предохранителя 50 оно лежит в диапазоне миллисекунд. Таким образом, нет никакого различия между быстродействующими переключающими блоками 12 и предохранителем 50. Это может привести к продолжительному полному отключению всей изолированной сети 3 постоянного тока. Чтобы предотвратить это, в аккумуляторном модуле 4а целенаправленно никакой переключающий блок 12 не включен между аккумуляторным модулем 4а и предохранителем 50 или потребителем М. Тем самым, для аккумуляторного модуля 4 в случае короткого замыкания на потребителе М целенаправленно не отключается ток короткого замыкания. Неотключенный ток короткого замыкания приводит тогда к срабатыванию, то есть к расплавлению, предохранителя 50. Тем самым, потребитель отсоединяется от сети 2 постоянного тока. Затем отключенные аккумуляторные модули 4 посредством быстродействующих переключающих блоков 12 переключающего устройства 1 могут автоматически снова подключаться к сети 2 постоянного тока.

Прохождение тока от аккумуляторного модуля 4 к потребителю М обычно приводит к падению напряжения на включенном между ними быстродействующем переключающем блоке 12 и, таким образом, к различным разрядам аккумуляторных модулей 4, 4а, которые соединены с потребителем М через промежуточно включенный быстродействующий переключающий блок 12 и без промежуточно включенного быстродействующего переключающего блока 12. Поэтому для одинакового разряда всех аккумуляторных модулей 4, 4а между аккумуляторным модулем 4а и предохранителем 50, здесь в соединительный проводник 7 аккумуляторного модуля 4а к сети 3 постоянного тока, включен блок 51 компенсации для компенсации вольт-амперной характеристики быстродействующих переключающих блоков 12. Предпочтительным образом блок 51 компенсации имеет в диапазоне рабочих напряжений и токов, по меньшей мере для токов разряда, аккумуляторного модуля 4а такую же вольт-амперную характеристику, что и у быстродействующего переключающего блока.

В показанном на фиг.12 конструктивно особенно простом выполнении блок 51 компенсации содержит схему 52 параллельного соединения из диода 53, включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля 4а, и диода 54, включенного в направлении пропускания тока разряда.

При применении быстродействующего переключающего блока 12 согласно фиг.4 в качестве диода 53 предпочтительно применяется диод того же типа, что и диод 9 показанного на фиг.4 быстродействующего переключающего блока 12, так что диод 53 имеет такую же вольт-амперную характеристику, что и у включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля 4 диода 9 быстродействующего переключающего блока 12.

Диод 54 предпочтительно выбирается таким образом, что он по существу имеет ту же вольт-амперную характеристику, что и у силового полупроводника 10 быстродействующего переключающего блока 12 согласно фиг.4.

Для быстрого восстановления работоспособности сети после короткого замыкания на потребителе быстродействующие переключающие блоки могут быть выполнены таким образом, что они после обусловленного коротким замыканием отсоединения аккумуляторных модулей 4 от сети 2 постоянного тока определяют напряжении сети 3 постоянного тока и после восстановления напряжения снова автоматически подключают аккумуляторные модули 4 к сети 3 постоянного тока.

Фиг.13 показывает в упрощенном представлении только для прямого проводника (то есть проводника с положительным потенциалом) сеть 60 постоянного тока подводной лодки, которая состоит из двух частичных сетей 61, 62, которые через сетевой элемент связи 63 могут соединяться друг с другом.

Первый потребитель 64 может снабжаться электроэнергией только из частичной сети 61, и для этого через предохранитель 50 подключен к частичной сети 61.

Второй потребитель 65 может снабжаться электроэнергией из обеих частичных сетей 61, 62 и для этого, соответственно, через предохранитель 50 и диод 66 (для развязки обеих частичных сетей 61, 62) подключен к обеим частичным сетям 61, 62.

Каждая из обеих частичных сетей 61, 62 содержит, соответственно, аккумуляторную батарею 2 высокой мощности с соответствующими несколькими параллельно включенными аккумуляторными модулями 4, 4а с, соответственно, одной ветвью или несколькими параллельно включенными ветвями соединенных последовательно аккумуляторных элементов высокой мощности, причем одна или, соответственно, каждая из ветвей имеет сетевое напряжение сети 60.

Соответствующее быстродействующее переключающее устройство 1 служит для прерывания токов короткого замыкания аккумуляторной батареи 2 частичной сети 61 или 62.

Быстродействующее переключающее устройство 1 содержит несколько быстродействующих переключающих блоков 67 и несколько блоков 51 компенсации. В качестве быстродействующих переключающих блоков могут использоваться, например, быстродействующие переключающие блоки 12 по фиг.4 или быстродействующие переключающие блоки 32 по фиг.6. Но в принципе также возможны другие выполнения быстродействующих переключающих блоков 67.

Каждый из аккумуляторных модулей 4 через соответствующий точно один сопоставленный с ним и последовательно соединенный с ним быстродействующий переключающий блок 67 подключен к соответствующей частичной сети 61, 62. Таким образом, между аккумуляторным модулем 4 и предохранителем 50 потребителя 64 или потребителя 65 включен точно один быстродействующий переключающий блок 67.

Аккумуляторный модуль 4 через соответствующий точно один сопоставленный с ним и последовательно соединенный с ним блок 51 компенсации подключен к соответствующей частичной сети 61, 62. Таким образом, между аккумуляторным модулем 4 и предохранителем 50 потребителя 64 или потребителя 65 включен точно один блок 51 компенсации.

Быстродействующие переключающие блоки 67 имеют время срабатывания, которое меньше, чем время срабатывания включенных за ними предохранителей 50 потребителей 64, 65.

Таким образом, короткое замыкание на потребителе 64 приводит к отключению аккумуляторного модуля 4 аккумуляторной батареи 1 частичной сети 61 через ее соответствующие быстродействующие переключающие блоки 67. Токи короткого замыкания аккумуляторных модулей 4а приводят к срабатыванию предохранителя 50 потребителя 64. Затем посредством быстродействующих переключающих блоков 67 аккумуляторные модули 4 могут автоматически вновь подключаться к частичной сети 61. Предпочтительным образом, при этом уже ток короткого замыкания единственного аккумуляторного модуля 4а достаточен для срабатывания предохранителя 50. Так как на каждую аккумуляторную батарею 1 имеется два аккумуляторных модуля 4а без быстродействующих переключающих блоков 67, имеется избыточность, так как и при отказе одного из обоих аккумуляторных модулей 4а еще обеспечивается срабатывание предохранителя 50.

Короткое замыкание на потребителе 65 приводит к отключению аккумуляторного модуля 4 аккумуляторных батарей 2 обеих частичных сетей 61, 62 через их соответствующие быстродействующие переключающие блоки 67. Токи короткого замыкания аккумуляторных модулей 4а обеих аккумуляторных батарей 1 приводят к срабатыванию обоих предохранителей 50 потребителя 65. Затем посредством быстродействующих переключающих блоков 67 аккумуляторные модули 4 обеих аккумуляторных батарей 2 могут автоматически вновь подключаться к обеим частичным сетям 61, 62.

Так как в обеих аккумуляторных батареях 1 имеется соответственно по два аккумуляторных модуля 4а без быстродействующих переключающих блоков 67, и здесь имеется избыточность. При возможном режиме работы одной из обеих аккумуляторных батарей 1 с отключенными аккумуляторными модулями 4а обе частичные сети 61, 62 связываются друг с другом через сетевой элемент связи 63.

Выполненные как силовые переключатели аккумуляторные переключатели 68 служат для соответствующего режиму работы переключения соответствующей части аккумуляторной батареи 1. Они служат, кроме того, в качестве резервной защиты для случая отказа одного или нескольких включенных перед этим быстродействующих переключающих блоков 67.

Выполненные в форме компактных силовых переключателей переключатели 69 аккумуляторных модулей служат полюсному, не под потенциалом отключению аккумуляторного модуля 4 (например, для работ по техническому обслуживанию на соответствующем аккумуляторном модуле 4 или на соответствующем быстродействующем переключающем блоке 67). Они служат, кроме того, в качестве резервной защиты от короткого замыкания для соответствующего быстродействующего переключающего блока 12.

Также предпочтительно выполненные в форме компактных силовых переключателей переключатели 70 аккумуляторных модулей служат для отключения аккумуляторного модуля 4а в случае неисправности (например, перегрузки, сверхнапряжения и т.д.).

На фиг.14 показан детальный вид предпочтительного выполнения быстродействующего переключающего блока 67 и блока 51 компенсации по фиг.13. При этом быстродействующий переключающий блок 67 соответствует, по существу, представленному на фиг.4 быстродействующему переключающему блоку 12 и блоку компенсации, показанному на фиг.12. При этом быстродействующий переключающий блок содержит блок 71 контроля и управления и источник 72 питания. Переключающее устройство 73 аккумуляторной батареи содержит переключатель 68 аккумуляторной батареи для соответствующего режиму работы переключения соответствующей частичной аккумуляторной батареи.

1. Быстродействующее переключающее устройство (1) для аккумуляторной батареи (2) высокой мощности в изолированной сети (3) постоянного тока, особенно сети постоянного тока подводной лодки, причем аккумуляторная батарея (2) высокой мощности содержит несколько параллельно включенных аккумуляторных модулей (4) с соответственно одной ветвью (5) или несколькими параллельно включенными ветвями (5) последовательно соединенных аккумуляторных элементов (6) высокой мощности, причем ветвь или каждая из ветвей (5) имеет сетевое напряжение изолированной сети (2) постоянного тока, отличающееся тем, что быстродействующее переключающее устройство (1) содержит несколько быстродействующих переключающих блоков (12), которые включены в соединительные проводники (7) аккумуляторных модулей (4) к изолированной сети (2) постоянного тока, причем быстродействующие переключающие блоки (12) содержат соответственно схему (8) параллельного соединения из диода (9), включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля (4), и силового полупроводникового переключателя (10), включенного в направлении пропускания тока разряда, причем состояние переключения силового полупроводникового переключателя (10) может управляться посредством устройства (11) контроля и управления, и причем устройство (11) контроля и управления выполнено таким образом, что оно для отключения тока разряда аккумуляторного модуля (4) в соединительном проводнике (7) посредством переключения силового полупроводникового переключателя (10) в непроводящее состояние прерывает ток разряда, протекающий в соединительном проводнике (7).

2. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что устройство (11) контроля и управления выполнено таким образом, что оно быстро определяет ток короткого замыкания в соединительном проводнике (7) и путем переключения силового полупроводникового переключателя (10) в непроводящее состояние прерывает ток короткого замыкания.

3. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.1 или 2, отличающееся тем, что параллельно схеме (8) параллельного соединения включен диод (13), который размещен в проводящей линии (19), которая соединяет связанный с положительным полюсом аккумуляторного модуля (4) соединительный провод (7) и связанный с отрицательным полюсом аккумуляторного модуля (4) соединительный провод (14).

4. Быстродействующее переключающее устройство (1) для аккумуляторной батареи (2) высокой мощности в изолированной сети (3) постоянного тока, особенно сети постоянного тока подводной лодки, причем аккумуляторная батарея (2) высокой мощности содержит несколько параллельно включенных аккумуляторных модулей (4) с соответственно одной ветвью (5) или несколькими параллельно включенными ветвями (5) последовательно соединенных аккумуляторных элементов (6) высокой мощности, причем ветвь или каждая из ветвей (5) имеет сетевое напряжение изолированной сети (2) постоянного тока, отличающееся тем, что быстродействующее переключающее устройство (1) содержит несколько быстродействующих переключающих блоков (32), которые включены в соединительные проводники (7) аккумуляторных модулей (4) к изолированной сети (2) постоянного тока, причем быстродействующие переключающие блоки содержат соответственно схему (28) параллельного соединения из механического переключателя (29), пропускающего ток заряда и ток разряда аккумуляторного модуля (4), и по меньшей мере одного силового полупроводникового переключателя (30), включенного в направлении пропускания тока разряда, причем состояния переключения механического переключателя (29) и силового полупроводникового переключателя (30) управляются посредством устройства (31) контроля и управления, и причем устройство (31) контроля и управления выполнено таким образом, что оно для отключения тока разряда в соединительном проводнике (7) посредством размыкания механического переключателя (29) протекающий через механический переключатель ток коммутирует на полупроводниковый переключатель (30) и затем посредством переключения полупроводникового переключателя (30) в непроводящее состояние прерывает ток разряда, протекающий в соединительном проводнике.

5. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что устройство (31) контроля и управления выполнено таким образом, что оно быстро определяет ток короткого замыкания в соединительном проводнике (7) и путем переключения силового полупроводникового переключателя (30) в непроводящее состояние прерывает ток короткого замыкания.

6. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.4 или 5, отличающееся тем, что полупроводниковый переключатель (30) при размыкании механического переключателя (29) находится в проводящем состоянии.

7. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.4 или 5, отличающееся тем, что полупроводниковый переключатель (30) при размыкании механического переключателя (29) находится в непроводящем состоянии, и устройство (31) контроля и управления выполнено таким образом, что оно переключает полупроводниковый переключатель (30) в проводящее состояние с размыканием механического переключателя (29).

8. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что механический переключатель (29) выполнен как вакуумный выключатель.

9. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что параллельно полупроводниковому переключателю (30) включено электрическое сопротивление, предпочтительно варистор (34), для приема электрической энергии и для ограничения сверхнапряжений, которые возникают после переключения полупроводникового переключателя (30) в непроводящее состояние на полупроводниковом переключателе (30).

10. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.1 или 4, отличающееся тем, что каждый из аккумуляторных модулей (4) содержит только соответственно одну ветвь (5) последовательно соединенных аккумуляторных элементов (6) накопителя энергии высокой мощности.

11. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.1 или 4, отличающееся тем, что соединительный проводник (7) соединяет положительный полюс аккумуляторного модуля (4) с сетью постоянного тока.

12. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.1 или 4, отличающееся тем, что в соединительном проводнике (7), который соединяет положительный полюс аккумуляторного модуля (4) с сетью (3) постоянного тока, и в соединительном проводнике (14), который соединяет отрицательный полюс аккумуляторного модуля (4) с сетью (3) постоянного тока, размещен соответствующий механический переключатель (15 или 25), в особенности разъединитель.

13. Быстродействующее переключающее устройство (1) по п.1 или 4, отличающееся тем, что аккумуляторные элементы (6) состоят из ионно-литиевых аккумуляторных элементов, литий-полимерных элементов, фосфатжелезно-литиевых аккумуляторных элементов, титанат-литиевых аккумуляторных элементов или их комбинаций.

14. Изолированная сеть (3, 60) постоянного тока, особенно сеть постоянного тока подводной лодки, содержащая электрический потребитель (М), аккумуляторную батарею (2) высокой мощности для снабжения электрического потребителя электрической энергией, причем аккумуляторная батарея высокой мощности содержит несколько параллельно включенных аккумуляторных модулей (4, 4а) с соответственно одной ветвью (5) или несколькими параллельно включенными ветвями (5) последовательно соединенных аккумуляторных элементов (6) высокой мощности, причем ветвь или каждая из ветвей (5) имеет сетевое напряжение изолированной сети (3) постоянного тока, средство защиты (50) для потребителя (М), в особенности предохранитель, включенное между электрическим потребителем (М) и аккумуляторной батареей (2) высокой мощности, отличающаяся быстродействующим переключающим устройством (1), в особенности по любому из предыдущих пунктов, с быстродействующими переключающими блоками (12, 32, 67) для прерывания токов короткого замыкания аккумуляторных модулей (4), причем быстродействующие переключающие блоки включены между аккумуляторными модулями (4) и средством защиты (50), причем между по меньшей мере одним из аккумуляторных модулей (4а) и средством защиты (50) не включено никакого быстродействующего переключающего блока (12, 32, 67).

15. Изолированная сеть (3, 60) постоянного тока по п.14, отличающаяся тем, что для одинакового разряда всех аккумуляторных модулей (4, 4а) в электрическое соединение между по меньшей мере одним аккумуляторным модулем (4) и средством защиты (50), в которое не включен быстродействующий переключающий блок, включен блок (51) компенсации для компенсации вольт-амперной характеристики быстродействующего переключающего блока (12, 32, 67).

16. Изолированная сеть (3, 60) постоянного тока по п.15, отличающаяся тем, что блок (51) компенсации содержит параллельное соединение (52) из диода (53), включенного в направлении пропускания тока заряда аккумуляторного модуля (4а), и диода (54), включенного в направлении пропускания тока разряда.

17. Изолированная сеть (3, 60) постоянного тока по любому из пп.14-16, отличающаяся тем, что быстродействующие переключающие блоки (12, 32, 67) после обусловленного токами короткого замыкания отсоединения аккумуляторных модулей (4) от сети (3) определяют напряжение сети (3) и после восстановления напряжения автоматически снова подключают аккумуляторные модули к сети (3).