專利名稱：用于供電網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)模塊和包括至少一個開關(guān)模塊的供電網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
根據(jù)獨立權(quán)利要求的前序部分，本發(fā)明涉及用于供電網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)模塊以及包括至 少一個開關(guān)模塊的供電網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
特別在未來技術(shù)的車輛中，在若干子系統(tǒng)中要求冗余的供電系統(tǒng)。顯而易見的應(yīng) 用是安全關(guān)鍵系統(tǒng)，如制動、轉(zhuǎn)向等等。還有影響車輛實時行為的其他系統(tǒng)，諸如底盤控制 等等、諸如閥門等等的動力總成部件、電控變速箱等等。一些當今的機械部件可能完全依賴 于電子控制。電子故障會導致機械故障。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知典型的汽車供電網(wǎng)絡(luò)以星形結(jié)構(gòu)或雛菊鏈結(jié)構(gòu)來提供。這類 結(jié)構(gòu)中任何一點的短路會使該短路的最近熔斷器下游的整個網(wǎng)絡(luò)停止運行。還知道提供具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)。為了提供冗余，現(xiàn)有技術(shù)中已知幾種解決 方案。存在具有不同通信、供電、傳感器和促動器的完全分開的冗余系統(tǒng)。這些冗余系統(tǒng)在 機械領(lǐng)域或在具有多個繞組的電子促動器的磁領(lǐng)域的一些情形下滿足。盡管能容易地分析 冗余，但對批量生產(chǎn)，諸如在車輛制造中，這種解決方案非常昂貴。通過使用局部能源后備，提供了用于供電網(wǎng)絡(luò)中的每一單元的簡單解決方案。然 而，能源資源是受限的，在每一節(jié)點建立能源儲備的監(jiān)管很昂貴，而且被選能源的管理是必 要的。另一解決方案是對每一節(jié)點使用雙電源(雙星形網(wǎng)絡(luò)電源)。由此，兩個獨立的電 源網(wǎng)絡(luò)是可用的。然而，被選能源的雙配線和管理是必要的。美國專利US6，522，442B1公開了一種具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)。對每一負載，提 供抽頭控制器，其由智能控制節(jié)點和兩個可控功率分配器以及諸如斷路器的可控導體保護 器組成。控制節(jié)點控制功率分配器和導體保護器兩者。為兩個可控功率分配器的正常起作 用，與智能控制節(jié)點的通信是必要的條件。EP1759929A1公開了一種用于車輛的供電系統(tǒng)，其中，每一負載連接到供電網(wǎng)絡(luò)。 負載經(jīng)由通過控制單元控制的開關(guān)連接到饋電。每一開關(guān)連接到通信總線。在異常電流的 情況下，開關(guān)將負載從饋電斷開。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種開關(guān)故障時冗余的改進供電網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的另一目的是 提供一種用于供電網(wǎng)絡(luò)的改進開關(guān)模塊。另一目的是提供一種用于操作開關(guān)模塊的方法。通過獨立權(quán)利要求的特征，實現(xiàn)了這些目的。其他權(quán)利要求和說明書公開了本發(fā) 明的優(yōu)選實施例。提出了一種提供用于連接供電網(wǎng)絡(luò)的至少兩個導電段的開關(guān)模塊，該供電網(wǎng)絡(luò)包 括一個或多個電源以及一個或多個負載。開關(guān)設(shè)置有專用的控制單元，以控制該開關(guān)。通過提供這種開關(guān)，其具有用于該特定開關(guān)的專用控制單元，能實現(xiàn)開關(guān)的自主操作以及相 應(yīng)供電開關(guān)的冗余操作。舉例來說，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的供電網(wǎng)絡(luò)的典型環(huán)形結(jié)構(gòu)中，對兩 個開關(guān)提供用于該兩個開關(guān)的一個共用控制模塊。如果控制器故障，則負載不可避免地斷 電。通過對一個負載優(yōu)選地提供根據(jù)本發(fā)明的兩個優(yōu)選自主開關(guān)模塊，即使控制器中的一 個故障，向負載供電的冗余是可能的。由于開關(guān)單元自主地操作，多個開關(guān)模塊內(nèi)的各開關(guān) 模塊間的通信不是強制性的。負載可以是電子設(shè)備、電動機等等。開關(guān)本身可以是繼電器、 由雙極或MOSFET晶體管的半導體開關(guān)或能適當?shù)刈鳛樗韫╇娋W(wǎng)絡(luò)的特定開關(guān)模塊中的 開關(guān)的任何元件。每一控制單元包括用于選擇耦合到各個控制單元的開關(guān)的操作狀態(tài)的選擇單元。 選擇單元能實現(xiàn)為軟件或硬件或軟件和硬件的組合。特別地，控制單元能夠包括電流和電 壓監(jiān)管以及狀態(tài)機。狀態(tài)機最好能理解為由有限數(shù)量的狀態(tài)、這些狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換和動作組 成的行為模型。與現(xiàn)有技術(shù)不同，開關(guān)能自主地操作，因此，不需要為了操作與通信總線連接。由 此，控制單元能自主地決定必須應(yīng)用開關(guān)的哪一操作狀態(tài)，例如開關(guān)閉合的“接通(on) ”操 作狀態(tài)或開關(guān)打開的“斷開(off)”操作狀態(tài)。由于自主操作，特別是對開關(guān)模塊的實時行 為，以供電網(wǎng)絡(luò)為例，開關(guān)模塊不依賴于與其他開關(guān)模塊(節(jié)點)或主計算機的通信。通過 開關(guān)的特定狀態(tài)機，能做出有關(guān)該開關(guān)的操作狀態(tài)的決定。然而在某些情形下，通信能有利 地用于設(shè)置開關(guān)模塊的參數(shù)和監(jiān)管。有利地，開關(guān)模塊能包括用于至少與一個或多個開關(guān) 模塊和/或電源管理系統(tǒng)通信的至少一個通信單元。例如，能將有關(guān)電源故障的反饋和故 障的可能位置提供給這種電源管理系統(tǒng)。優(yōu)選地，這個至少一個通信單元能集成在控制單 元中。通信單元能耦合到數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)等等?？蛇x地，每一開關(guān)模塊包括“智能”局部電源管理系統(tǒng)來代替中央電源管理系統(tǒng)是 可能的。這些局部電源管理系統(tǒng)能形成智能計算機的網(wǎng)格，在管理整體系統(tǒng)的配電(power distribution)等等時動態(tài)地合作(“分布式智能”)。該系統(tǒng)可以在沒有任何中心站的情 況下是自足的(autarkic)。通過采用這種分布式系統(tǒng)，能進一步提高系統(tǒng)的冗余度和安全 性。優(yōu)選地，取決于供電網(wǎng)絡(luò)的一個或多個操作參數(shù)，開關(guān)的操作狀態(tài)是可選的。自主開關(guān)模塊使得能夠構(gòu)建簡單和低成本的冗余供電系統(tǒng)。環(huán)形供電系統(tǒng)產(chǎn)生冗 余，而無需雙電源系統(tǒng)。自主開關(guān)使得電源線路的選擇過程魯棒且易于分析，這對關(guān)鍵系統(tǒng) 很重要。狀態(tài)機能以若干不同的方式來實現(xiàn)，例如以軟件或硬件或兩者的組合。例如對雙 星形網(wǎng)絡(luò)特別有用的非常簡單的實現(xiàn)是使兩個二極管(分別用于每一電源線)與一個或多 個熔斷器或其他限流器件結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選擴展，開關(guān)模塊能包括至少一個可編程單元，用于設(shè)置每一開 關(guān)的操作參數(shù)。優(yōu)選地，該至少一個可編程單元能集成在控制單元中。優(yōu)選地，電流傳感器和/或電壓傳感器能耦合到每一開關(guān)。能在開關(guān)的任一側(cè)感 測到電流。能在開關(guān)的兩側(cè)方便地感測到電壓。對每一開關(guān)，能設(shè)置最小電壓。如果除電流 傳感器外，兩個電壓傳感器分別提供在開關(guān)的每一側(cè)，則能實現(xiàn)高度安全。如果安全性要求 較低，則能使用更少的傳感器。如果所感測的電壓高于最小電壓，則將供電網(wǎng)絡(luò)視為正常工作，如果所感測的電壓低于最小電壓，則由控制單元識別故障并且相應(yīng)地設(shè)置開關(guān)的操作 狀態(tài)。在這種情形下，把電壓界限設(shè)置成一個值，使得如果實際電壓等于或低于該界限，則 電壓被視為太低。另外，可以按如下方式來設(shè)置電壓界限，在實際電壓高于或等于該界限的 情形下，則供電網(wǎng)絡(luò)被視為正常工作，以及如果實際電壓低于該電壓界限，則識別出故障。還提出了一種用于操作連接供電網(wǎng)絡(luò)的至少兩個導體段的開關(guān)模塊的方法，該供 電網(wǎng)絡(luò)由一個或多個電源供電并且向一個或多個電負載供電。由為該開關(guān)提供的專用控制 單元來控制開關(guān)的操作狀態(tài)。優(yōu)選地，取決于開關(guān)的操作參數(shù)和/或供電網(wǎng)絡(luò)的操作參數(shù)，選擇開關(guān)的操作狀 態(tài)。特別地，取決于通過開關(guān)的電流和開關(guān)兩端的電壓，能夠操作該開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種供電網(wǎng)絡(luò)，包括一個或多個電源以及一個或 多個電負載，并且包括為電連接和斷開至少兩個導體段而提供的至少一個開關(guān)模塊。該供電網(wǎng)絡(luò)能夠以配電的星形結(jié)構(gòu)、配電的雙星結(jié)構(gòu)、配電的環(huán)形結(jié)構(gòu)或配電的 上述結(jié)構(gòu)的兩個或多個的組合來布置。優(yōu)選地，對每一負載，尤其是在配電的環(huán)形結(jié)構(gòu)中的每一負載，提供第一和第二自 主開關(guān)模塊。根據(jù)優(yōu)選實施例，開關(guān)模塊能布置在耦合到電路的電負載之外。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，能將開關(guān)模塊集成到電負載中。還可以組合這兩個實施例， 其中，包括至少一個自主開關(guān)模塊的供電網(wǎng)絡(luò)中的至少一個負載被提供為集成自主開關(guān)模 塊。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種車輛包括供電網(wǎng)絡(luò)，該供電網(wǎng)絡(luò)包括至少一個自主 開關(guān)模塊。該車輛例如可以是電動車或包括例如均能為車輛的推進提供能源的電動機和內(nèi) 燃機的混合動力車輛。優(yōu)選的自主開關(guān)模塊對提供冗余汽車電源特別有用。適宜地，特定 車輛能具有配電的環(huán)形結(jié)構(gòu)的特征。有利地，特別對控制單元、促動器和/或傳感器，實現(xiàn) 電源冗余。用于支持駕駛員或用于增加車輛安全和駕駛舒適度的許多車載系統(tǒng)依賴于這些 電子部件。車輛可以是陸用車輛或海運車輛，諸如輪船或潛水艇，或飛行器，諸如飛機或宇宙 飛船。術(shù)語“陸用車輛”包括例如客車、公共汽車、卡車、摩托車、火車、施工設(shè)備等等，尤其 是輪式或履帶式挖土機(挖掘機)、鉸接式運輸機(諸如翻斗車、自卸車)、扒礦絞車、輪式 裝載機、管道敷設(shè)機、爆破拆除機、垃圾處理機、平地機、鋪料機、夯土機、研磨機、索具分配 器(tack distributor)、擴路機、材料轉(zhuǎn)運機和成套小型設(shè)備，諸如迷你型裝載機、迷你型 挖土機、反鏟裝載機和防滑裝載機。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種工作機(working machine)包括供電網(wǎng)絡(luò)，該供電網(wǎng) 絡(luò)包括至少一個自主開關(guān)模塊。工作機例如可以是固定電子工作機或包括例如均為移動工 作機的一個或多個工具提供能量的電動機和內(nèi)燃機的固定混合工作機。優(yōu)選的自主開關(guān)模 塊尤其對提供冗余電源有用。適宜地，特定工作機能具有配電的環(huán)形結(jié)構(gòu)的特征。有利地， 特別對控制單元、促動器和/或傳感器實現(xiàn)電源冗余。用于支持操作者或用于增加工作機 安全和操作舒適度的許多工作機系統(tǒng)依賴于這些電子部件。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種能源設(shè)施包括供電網(wǎng)絡(luò)，該供電網(wǎng)絡(luò)包括至少一個 自主開關(guān)模塊。能源設(shè)施能例如是固定能源設(shè)施或移動能源設(shè)施，用來為諸如家庭或工廠的多個用戶提供能量。優(yōu)選的自主開關(guān)模塊對提供冗余電源特別有用。適宜地，特定能源 設(shè)施能具有配電的環(huán)形結(jié)構(gòu)的特征。有利地，能實現(xiàn)電源冗余。特別地，能源設(shè)施能是應(yīng)急 后備發(fā)電機。
從實施例的下述詳細描述可以更好地理解本發(fā)明以及上述和其他目的和優(yōu)點，但 不限于這些實施例，其中，示意性地示出了 圖1根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模塊的優(yōu)選實施例；圖2特征為環(huán)形結(jié)構(gòu)的、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選供電網(wǎng)絡(luò)；圖3具有根據(jù)本發(fā)明的集成自主開關(guān)模塊的負載；圖4耦合到根據(jù)圖1的開關(guān)的狀態(tài)機的示例；圖5包括故障的、特征為環(huán)形結(jié)構(gòu)的、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選供電網(wǎng)絡(luò)的示例；圖6a_6e對于在圖5的供電網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的負載的電壓特性的模擬結(jié)果。
具體實施例方式在附圖中，由相同的附圖標記表示相同或類似的元件。附圖僅是示意性表示，而不 意圖描繪本發(fā)明的具體參數(shù)。此外，附圖僅意圖描述本發(fā)明的典型實施例，因此，不應(yīng)當視 為限制本發(fā)明的范圍。圖1示意性地描述根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模塊10的優(yōu)選實施例。開關(guān)模塊10連接供 電網(wǎng)絡(luò)(未示出)的至少兩個導體段l(^a、102b，供電網(wǎng)絡(luò)包括一個或多個電源(未示出) 和一個或多個電負載(未示出)。開關(guān)模塊10包括開關(guān)12和用于控制該開關(guān)12的控制單元20。開關(guān)12兩端之一 的電流傳感器14、開關(guān)12—端(在下文中，稱為“a”端)的電壓傳感器16以及開關(guān)12的 另一端(在下文中稱為“b”端)的另一電壓傳感器18被布置用于感測通過開關(guān)12的電流 和開關(guān)12的每一端上的電壓。開關(guān)模塊10被實現(xiàn)成自主部件并且能實現(xiàn)成具有或不具有與其他開關(guān)模塊(未 示出)和/或功率管理系統(tǒng)(未示出)通信。自主開關(guān)模塊10由狀態(tài)機控制，狀態(tài)機具有 預(yù)定界限，例如電流界限和/或電壓界限，以及用于開關(guān)模塊10的操作的時序。為診斷目的和適應(yīng)存在于開關(guān)模塊10所耦合的供電網(wǎng)絡(luò)的變化條件，自主開關(guān) 模塊10能連接到監(jiān)管功能，例如經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接等等。為此目的，在開關(guān)模塊10中提供有至 少一個通信單元(未示出)。包括在控制單元20中的狀態(tài)機根據(jù)電流傳感器14和電壓傳感器16和18收集的 電壓和電流信息來操作開關(guān)12。優(yōu)選地，控制單元20包括用于選擇耦合到控制單元20的 開關(guān)12的操作狀態(tài)的選擇單元。取決于供電網(wǎng)絡(luò)(未示出)的一個或多個操作參數(shù)，由狀態(tài)機選擇開關(guān)12的操作 狀態(tài)。優(yōu)選地，開關(guān)模塊10能集成在網(wǎng)絡(luò)中，與負載分開。然而，開關(guān)模塊10能集成在 負載105中，如圖3所示。自主負載105包括開關(guān)模塊10，開關(guān)模塊10與集成到形成自主 負載105的單一器件中的負載元件10 串聯(lián)。對于開關(guān)模塊10的部件的描述，參考圖1。
圖2描述了特征為環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)100的優(yōu)選示例。從兩個電源104和106 向三個電負載110、112、114供電。每一負載110、112、114配備如圖1中所述配置的兩個開關(guān)模塊10a、10b, IOcUOd, 10e、10f，其中，負載110配備開關(guān)模塊10a、10b，負載112配備開關(guān)模塊10c、10d并且負載 114配備開關(guān)模塊10e、10f。系統(tǒng)管理單元120能監(jiān)管開關(guān)模塊10a··· IOf和/或能在⑴ 開關(guān)模塊10a··· IOf和系統(tǒng)管理單元120之間以及(ii)開關(guān)模塊10a··· IOf本身之間提供 通信。為了清楚，示意性地描述開關(guān)模塊10a··· 10f，而未示出開關(guān)和控制單元。在圖1中 描述了開關(guān)模塊10a··· IOf的細節(jié)。如圖1所示，由為各開關(guān)12的每一個提供的相應(yīng)的專用控制單元20來控制開關(guān) 模塊10a··· IOf中的各開關(guān)12的每一個的操作狀態(tài)。圖4描述了優(yōu)選的狀態(tài)機如何工作。狀態(tài)機具有多個狀態(tài)。在每一狀態(tài)中，存在 定義開關(guān)是斷開還是閉合的變量。取決于開關(guān)的第一端(“a”端)和另一端(“b”端)上 的電壓(例如由圖1中的電壓傳感器16，18所感測的)、通過開關(guān)的測量電流(例如由圖1 中的電流傳感器14所感測的)以及參數(shù)設(shè)定值，狀態(tài)機將在不同狀態(tài)間移動，然后通過打 開和閉合開關(guān)采取動作。用以參數(shù)“Start”、“Va_0k”、“Vb_0k”、“over_current”、“l(fā)ow_voltage”、“supply_ b_t0_a”、“SUpply_a_t0_b”、“S8”、“S9”標記的圓代表狀態(tài)機的狀態(tài)，而連接圓的具有箭頭 的線表示從一個狀態(tài)到另一個的轉(zhuǎn)換，其中，箭頭表示從哪一狀態(tài)到哪一狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換的 方向。每一轉(zhuǎn)換箭頭用轉(zhuǎn)換條件指代，諸如由圓‘Start”代表的狀態(tài)和由圓“vb_0k”代表 的另一狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換“var_vb > ν_0η”。
在圖4中描述了下述轉(zhuǎn)換和狀態(tài)。1.轉(zhuǎn)換var_vb :102b 處的電壓；var_va 102a 處的電壓；v_on 當開關(guān)接通時的最低電壓；v_off 當開關(guān)斷開時的最高電壓；var_ib 由傳感器14測量的電流；imax 準許流過開關(guān)單元10的最高持續(xù)電流；oc_delay_b_to_a 當開關(guān)正從102b向10 提供電流時，從檢測到太高電流直到 打開開關(guān)為止的時間；oc_delay_a_to_b 當開關(guān)正從10 向102b提供電流時，從檢測到太高電流直到 打開開關(guān)為止的時間；restart 在故障之后，允許狀態(tài)機重啟的外部信號。2.狀態(tài)Start 初始狀態(tài)vb_0K 當表示102b的電壓為OK的var_vb > v_on時，從初始狀態(tài)到達的狀態(tài)；va_0K 當表示10 的電壓為OK的var_va > v_on時，從初始狀態(tài)達到的狀態(tài)；over_current 當過電流(over current)發(fā)生并且已有效了規(guī)定時間(oc_ delay_b_to_a 或 oc_delay_a_to_b)是至丨J達的狀態(tài)；
low_voItage 當供電電壓低于規(guī)定水平v_off時達到的狀態(tài)；supply_b_to_a 當Va低于電源電壓v_off并且額外裕度為例如0. IV (該值取決 于例如系統(tǒng)中的容限、噪聲等)時從狀態(tài)Vb_0K達到的狀態(tài)；supply_a_to_b 當Vb低于電源電壓v_off并且額外裕度為例如0. IV (該值取決 于例如系統(tǒng)中的容限、噪聲等)時從狀態(tài)Va_0K達到的狀態(tài)；S9 當高電流情形發(fā)生時的保持狀態(tài)，等待達到0C_delay_b_t0_a時間；S8 當高電流情形發(fā)生時的保持狀態(tài)，等待達到0C_delay_a_t0_b時間。圖4中的示例對防止過電流情形提供了保護并且選擇高于最小電平的電源電壓。 該保護延伸到防止過電壓、反向電流、開關(guān)模塊過熱等等的例子是可行的(未示出)?，F(xiàn)在再參考圖2中的示例性實施例并結(jié)合圖1，其中，開關(guān)模塊IOa和IOb分配給 負載110，開關(guān)模塊10a、10b中的狀態(tài)機決定開關(guān)模塊10a、10b中的開關(guān)的操作狀態(tài)。這 表示例如如果由分配給例如開關(guān)模塊IOa的開關(guān)的電壓傳感器感測到的電壓“Var_Va”高 于電壓“v_0n”，那么開關(guān)模塊IOa的開關(guān)的操作狀態(tài)為“無故障”(“va_0K”)。當啟動供 電網(wǎng)絡(luò)100時，將首先供電的那一開關(guān)視為提供所述電壓的開關(guān)。還有益的是，用于延遲 的參數(shù)設(shè)置控制開關(guān)多快閉合以將電流從一端提供給另一端，例如，從“a”到“b”，并且另 一參數(shù)設(shè)置同一開關(guān)多快閉合以將電流從“b”提供給“a”。如果僅在一端的電壓高于電壓 電平“ν_οη”并且另一端的電壓低于電壓電平“v_off-0. 1”，閉合該開關(guān)，這里的值0. 1(即 0. IV)僅是示例，而實際值取決于系統(tǒng)的容限、噪聲等等。最佳延遲對避免電路中的時間競 態(tài)(time race)和避免不穩(wěn)定的條件很重要。圖5結(jié)合圖6示例說明了如在圖2中所述的供電網(wǎng)絡(luò)100的模擬。圖5是圖2 中所述的供電網(wǎng)絡(luò)100的模擬模型。因此，關(guān)于圖5的詳細描述要參照圖2的描述。在圖 6a-6e中示出了在時間段At = 5秒上的電壓特性的模擬結(jié)果。電壓軌跡顯示了根據(jù)本發(fā) 明的供電網(wǎng)絡(luò)的冗余。通過具有IOOyF的電并聯(lián)電容的時間相關(guān)圖，在模擬中表示負載110、112、114。在時間t = 0，供電網(wǎng)絡(luò)100正確地操作，而沒有任何故障。自主開關(guān)模塊10a、 10b、…、10e、10f將電源104、106選擇為對每一負載110、112、114單獨地提供最高電壓的 電壓源。在其后的時間t = 3. 5s，短路發(fā)生。由開關(guān)元件130代表短路，其能通過閉合開關(guān) 130預(yù)定時間段，例如At = 0.5秒，來模擬。該電路是具有兩個電源和三個負載的小系統(tǒng)的模擬。在時間t = Os，系統(tǒng)中無故 障。自主開關(guān)模塊10a"*10f為每一負載110、112、114單獨選擇具有最高電壓的電壓源104 或106。在時間t = 0，僅電壓源106的輸出電壓106a高于由參數(shù)設(shè)置的最小電平，如能在 圖6a中所看到的。這是為什么在啟動時，所有負載110、112、114均由電壓源106供電的原 因?！皏_on”設(shè)置成例如20V和“v_off”設(shè)置成例如18V。在時間t = 3. 5秒，短路發(fā)生，這 通過將開關(guān)130閉合到地(ground)達At = 0. 5秒來模擬。原則上，取決于個別情形下的 環(huán)境，At能從幾毫秒至更長時間來變化，諸如幾分鐘、幾小時、幾天、幾周、幾個月或幾年。恰在故障發(fā)生前，各個開關(guān)模塊10a··· IOf中的自主開關(guān)12具有下述狀態(tài)開關(guān)模塊IOa 打開開關(guān)模塊IOb:閉合開關(guān)模塊IOc:閉合
開關(guān)模塊IOd 閉合開關(guān)模塊IOe:閉合開關(guān)模塊IOf 打開在短路發(fā)生時的時間(t = 3. 5秒)，開關(guān)模塊IOc感測到過電流，模塊IOd也感測到。相對于從電壓源104、106的開關(guān)位置，設(shè)置超時時段，以確保打開最接近故障(由開 關(guān)130模擬)的開關(guān)模塊10a··· IOf的開關(guān)?！俺瑫r”表示條件已成立達最小時間(超時時 段)。作為超時延遲的結(jié)果，首先打開開關(guān)模塊IOc的開關(guān)，對于開關(guān)模塊IOd的開關(guān)，超時 時段結(jié)束前，電流已經(jīng)減小。恰在故障發(fā)生后，自主開關(guān)模塊10a··· IOf具有下述狀態(tài)開關(guān)模塊IOa:閉合開關(guān)模塊IOb 打開開關(guān)模塊IOc 打開開關(guān)模塊IOd:閉合開關(guān)模塊IOe:閉合開關(guān)模塊IOf 打開如上所述，在圖6a_6e中示出了在時間段Δ t = 5秒上的電壓特性的模擬結(jié)果。當 電壓源104的電壓104a恒定達t > 1秒時，圖6b表示負載110的電壓特性110a，圖6c表 示負載112的電壓特性112a，以及圖6d表示負載114的電壓特性114a。在最下面的圖6e中，示出了故障130的電壓特性130a。在時間t = 3. 5s，短路發(fā) 生并且電壓130a降到零。盡管該電壓驟降，因為自主開關(guān)模塊感測到故障并相應(yīng)地起作 用，電壓特性110a、112a和114a仍然處于高且實質(zhì)上未變的電平。開關(guān)模塊IOa將其狀態(tài) 從打開改變成閉合，并且開關(guān)模塊IOb和IOc將它們的狀態(tài)從閉合改變成打開。其他開關(guān) 模塊10d··· IOf不改變它們的狀態(tài)。通過改變前三個開關(guān)模塊10a、10b、IOc的狀態(tài)，能避免 負載110、112、114的電壓驟降。對供電網(wǎng)絡(luò)，特別是具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)，這導致供電的改進性能和安全性。 例如，具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)能在車輛車載電源中實現(xiàn)，由此為車輛中的電負載，諸如促 動器、傳感器、電動機、燈、控制單元等等，產(chǎn)生冗余電源。例如，諸如剎車燈的車燈必需達到 特定安全要求，這能由上述的冗余供電網(wǎng)絡(luò)所支持。在另外的實施例中，這種具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)能在工作機板載電源中實現(xiàn)， 由此為工作機中的電負載，諸如促動器、傳感器、電動機、燈、控制單元等等，產(chǎn)生冗余電源。在又另外的實施例中，具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的供電網(wǎng)絡(luò)能在電源設(shè)施中實現(xiàn)，由此為諸 如樓宇或工廠的多個用戶的電負載產(chǎn)生冗余電源。特別地，能源設(shè)施可以是應(yīng)急后備發(fā)電 器，用于當主電源故障時提供有效的雙重保險電源。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模塊(10 ;10a··· IOf)，包括至少一個表現(xiàn)出至少兩種操作狀態(tài)的開關(guān) (12)，所述開關(guān)(12)被設(shè)置用于連接供電網(wǎng)絡(luò)(100)的至少兩個導體段(102a、102b)，所述 供電網(wǎng)絡(luò)(100)包括一個或多個電源(104、106)和一個或多個電負載(110···114)，其中，每 一開關(guān)(12)設(shè)置有一個控制單元00)并且所述控制單元00)操作耦合到所述開關(guān)(12)， 以控制所述開關(guān)(12)的所述操作狀態(tài)，其特征在于，每一控制單元00)包括選擇單元，用 于選擇耦合到相應(yīng)控制單元00)的開關(guān)(12)的操作狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)模塊，其特征在于，取決于供電網(wǎng)絡(luò)(100)的一個或多個操 作參數(shù)，開關(guān)(12)的操作狀態(tài)是可選的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的開關(guān)模塊，其特征在于，控制單元00)包括狀態(tài)機。
4.如上述權(quán)利要求的一個所述的開關(guān)模塊，其特征在于，包括至少一個通信單元，用于 至少與一個或多個開關(guān)模塊(10 ；IOa-IOf)和/或功率管理系統(tǒng)(120)通信。
5.如上述權(quán)利要求的一個所述的開關(guān)模塊，其特征在于，包括至少一個可編程單元，用 于設(shè)置每一開關(guān)(12)的操作參數(shù)。
6.如上述權(quán)利要求的一個所述的開關(guān)模塊，其特征在于，至少一個電流傳感器(14)和 /或至少一個電壓傳感器(16、18)被耦合到每一開關(guān)(12)。
7.一種操作根據(jù)上述權(quán)利要求的一個所述的開關(guān)模塊(10 ； IOa…IOf)的方法，所述開 關(guān)模塊(10 ；IOa…IOf)包括至少一個表現(xiàn)出兩個或更多不同操作狀態(tài)并且連接供電網(wǎng)絡(luò) (100)的至少兩個導體段(102a、102b)的開關(guān)(12)，所述供電網(wǎng)絡(luò)(100)由一個或多個電 源(104、106)供電并且向一個或多個電負載(110…114)供電，其中，每一開關(guān)(12)設(shè)置有 一個控制單元00)并且所述控制單元00)操作耦合到所述開關(guān)(12)，其中，所述控制單 元00)控制所述開關(guān)(12)的所述操作狀態(tài)，其特征在于，取決于開關(guān)(12)的操作參數(shù)和 /或供電網(wǎng)絡(luò)(100)的操作參數(shù)，選擇至少一個開關(guān)(12)的操作狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，取決于通過開關(guān)(12)的電流和/或開關(guān) (12)兩端的電壓，操作至少一個開關(guān)(12)。
9.一種供電網(wǎng)絡(luò)(100)，包括一個或多個電源(104、106)和一個或多個電負載(110… 114)，并且包括至少一個如權(quán)利要求1至6的一個所述的開關(guān)模塊(10 ； IOa…IOf)，所述開 關(guān)模塊(10;10a…IOf)被設(shè)置用于電連接和斷開至少兩個導電段(102a、102b)。
10.如權(quán)利要求9所述的供電網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，網(wǎng)絡(luò)(100)的至少一部分被配置為配 電的星形結(jié)構(gòu)或配電的雙星結(jié)構(gòu)或配電的環(huán)形結(jié)構(gòu)之一的形式。
11.如權(quán)利要求10所述的供電網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，配電的不同結(jié)構(gòu)的組合。
12.如權(quán)利要求9至11的一個所述的供電網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，對每一負載(110…114) 設(shè)置第一和第二開關(guān)模塊(10 ； IOa…IOf)。
13.如權(quán)利要求9至12的一個所述的供電網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，開關(guān)模塊(10；IOa-IOf) 耦合到電路(100)，與負載(110··· 114)分開，或開關(guān)模塊(10;10a…IOf)集成到電負載 (110…114)中。
14.一種車輛，包括如權(quán)利要求9至13的一個所述的供電網(wǎng)絡(luò)(100)。
15.一種工作機，包括如權(quán)利要求9至13的一個所述的供電網(wǎng)絡(luò)(100)。
16.一種電源設(shè)施，包括如權(quán)利要求9至13的一個所述的供電網(wǎng)絡(luò)(100)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關(guān)模塊(10；10a…10f)，包括至少一個表現(xiàn)出至少兩種操作狀態(tài)的開關(guān)(12)，開關(guān)(12)被設(shè)置用于連接供電網(wǎng)絡(luò)(100)的至少兩個導體段(102a、102b)，供電網(wǎng)絡(luò)(100)包括一個或多個電源(104、106)和一個或多個電負載(110…114)。每一開關(guān)(12)設(shè)置有一個控制單元(20)，并且控制單元(20)操作耦合到所述開關(guān)(12)，以控制所述開關(guān)(12)的所述操作狀態(tài)。每一控制單元(20)包括選擇單元，用來選擇耦合到各個控制單元(20)的開關(guān)(12)的操作狀態(tài)。本發(fā)明還涉及用于操作這種開關(guān)模塊(10a…10f)的方法以及供電網(wǎng)絡(luò)(100)。
文檔編號H02J13/00GK102046428SQ200980119176
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月26日
發(fā)明者艾勒特·約翰遜 申請人:沃爾沃技術(shù)公司