本发明专利技术采用的技术方案是：一种基于电弧做功的电路保护方法及装置。所述方法包括以下步骤：电路短路故障时，利用电弧的能量做功，推动杆件，断开导电体连接，实现电路分断。所述装置包括串联于电路中的电弧发生器和导电体；还包括杆件；其中杆件与电弧发生器相接触；杆件位于电弧发生器和导电体之间；电路短路故障时，电弧发生器放出能量做功，推动杆件运动断开导电体，实现电路分断。本发明专利技术使用电弧的能量代替火工品成为动力源，提高整体安全性。提高整体安全性。提高整体安全性。
【技术实现步骤摘要】
一种基于电弧做功的电路保护方法及装置
[0001]本专利技术属于电路保护
，具体涉及一种基于电弧做功的电路保护方法，本专利技术还包括基于这种保护方法设计的电路保护装置。
技术介绍
[0002]在新能源行业中，如电动汽车，风电，储能等，直流电力系统得到了广泛应用，而直流系统的保护也成为了重中之重。例如在电动汽车中，若电池包发生短路，会产生燃烧甚至爆炸，严重的会威胁到了车上人员的生命安全。
[0003]在直流系统中普遍使用的保护方法为传统熔丝，其作用原理与常见的保险丝原理相同，在发生短路时，电流会急剧上升，熔丝在电流的热效应作用下熔断，完成对于短路电流的遏制和切断。但随着市场对于直流系统负载的要求提升，其电流工况越来越严苛，传统熔丝已经难以满足保护需要。例如，在目前电动汽车的保护中，一部分高性能车在正常行驶时，会频繁出现急加、减速，充电时也会有超级快充的情况，那么其回路中电流就会维持在一个较高的水平，对于熔丝的耐受能力有极高的要求。同时又要求传统熔丝在短路时，能够快速熔断。从传统熔丝的原理来说，很难解决这个问题。
[0004]目前，市场上出现了以Pyro Fuse（火工品熔断器）为主的新型熔断器，主要生产厂家包括Eaton Bussmann，Sensata，Autoliv等，其主要原理在于，通过点爆火药，来完成保护。相比于传统熔丝，Pyro Fuse（简称Pyro）类型的产品有更好的耐受能力和更强的分断能力。目前Pyro类型的产品已经开始在各大车厂，包括戴姆勒，大众，特斯拉等，装车试验，使用新型的Pyro Fuse产品代替传统熔丝已经成为未来的趋势。
[0005]现在普遍使用的短路保护装置为传统熔丝（快速熔断器），世界范围内主要生产厂家以BUSSMANN，PEC等为首，国内主要是西安中熔为主。传统熔丝作为一种非常成熟的短路保护器件，可以满足以往大部分情况下的要求。以电动汽车上的电路为例，以图1为例，其供电系统中由继电器进行正常开断，并串联传统熔丝进行保护。传统熔丝的工作原理比较简单，其内部大致结构如图2所示，熔丝的金属片上设有数个截面积变小的薄弱处。当通流时，薄弱处会迅速集热并熔断，断口处会产生电弧。高温电弧通过烧蚀周围包裹的吸能物质（石英砂或水玻璃）降温释能，逐渐熄灭，金属片的断口处建立起绝缘，完成电路的分断。
[0006]传统熔丝目前在使用时存在严重问题，以电动汽车上的工况为例，若其额定电流为400A，在汽车急加速时，短时间内（1~10秒）电流会达到600A以上，且反复出现；在汽车充电时，尤其是超级快充工况，回路内电流会较长时间（10~30分钟）的达到700A左右。
[0007]为了保证传统熔丝能耐受住电车中的电流冲击，在设计时需要使其薄弱处集热更少，散热更快。但带来的弊端在于，在短路时，传统熔丝也更加难以熔断。一般传统熔丝的最小动作电流至少会大于10倍额定电流，且动作时间非常长（几秒至数十秒）。因此，当发生短路，且短路电流小于传统熔丝最小动作电流时，传统熔丝无法动作，继电器也无法开断，会造成继电器及其他零件的损坏，导致非常严重的后果。
[0008]为了解决传统熔丝在小短路电流时的保护盲区，各大车厂开始尝试新的保护措
施
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Pyro Fuse。Pyro Fuse的功能主要是针对传统熔丝的保护盲区进行保护，以最先一批开始研制Pyro Fuse的厂家Autoliv为例，其使用时将Pyro Fuse也串入回路中，如下图3所示，当短路时且传统熔丝无法动作时，汽车BMS系统（电池管理系统）会对Pyro Fuse发出信号，使其分断，完成保护。市场上主流使用的Pyro Fuse原理基本大致相同，其主要组成部分大致分为火工品，绝缘栅片（杆件），通流铜排，以及灭弧腔室等组成（如图4所示）。
[0009]当正常通流时，电流会从通流铜排上流过，其耐受能力相比传统熔丝有极大提升。当发生短路时，火工品会接收到点火信号，随之被点爆，通过火工品点爆时产生的高温高压，推动绝缘栅片运动，并打断通流铜排，将通流铜排分为两部分并绝缘隔离开。在打断过程中，产生的电弧会进入到放有吸能物质的灭弧熔丝内，吸能降温，最终完成分断（如图5所示）。
[0010]目前多数Pyro Fuse使用时会和传统熔丝串联，一同进行保护。当短路电流较小时，由汽车BMS检测短路电流并对Pyro Fuse发送分断信号，当短路电流较大时，由传统熔丝自行分断。
[0011]在电动汽车的工况上，其实Pyro Fuse的分断能力与传统熔丝相差无几，也可以分断较大短路电流，但其无法自行动作，需要外部的点火信号进行触发。由于BMS系统的判断时间，判断逻辑等问题，从发生短路到检测出短路并发出信号，需要至少几百毫秒。若短路电流很大时，如10kA~20kA，系统内元器件无法耐受这么长时间，在Pyro Fuse分断前就已经造成危害。
[0012]因此，为解决Pyro Fuse单独分断时的触发问题，研制出了自带触发功能的Pyro Fuse。
[0013]第一种是电控型产品，主要生产厂家是Sensata，在上述Pyro Fuse的基础上，添加了一套电子测控装置，如图6所示。
[0014]电控装置设有检测加判断的功能，内置检测装置，可以感应回路中电流大小。通过内置的芯片进行计算，判断其是否超过设定阈值，形成短路。若判断为短路，则向火工品发送点火信号，完成分断。
[0015]电控式Pyro Fuse内置的电子测控装置相比BMS更加灵活，成本更低，判断的逻辑可以按照不同需求自行设计。其采样频率更高，在发生短路到发出点火信号的时间最短可以在几百微秒，相比BMS速度有极大提升。
[0016]但作为电子类器件，从元器件的选择，组装，使用过程中，失效模式更多，失效的可能性更大，可靠性有待商榷，因此目前电控式Pyro Fuse比较少见。
[0017]第二种自触发式的产品是电弧触发式Pyro Fuse，为了在短路时迅速的检测并发出点火信号，在上述Pyro Fuse（开断器）的旁边串联了一个电弧触发器，如图7所示。电弧触发器的主要原理与传统熔丝相近， 在正常工作时，可以耐受额定电流，其耐受能力相比传统熔丝更强；当短路电流来临时，热量会在狭颈处快速累积，当温度提升到熔体的熔点时，狭颈处被烧断并形成断口，断口处形成电弧，如图8所示。根据高温电弧的特性，引弧熔丝两端会形成电弧电压，并作为分断信号给到开断器。与BMS信号相比，电弧触发器的速度极快，其检测短路电流的时间大约在数十毫秒内。
[0018]上述的各类Pyro Fuse中，必须使用火工品作为做功能源。火工品大部分为点火管或包含点火管的产品，其作为火药类产品本身具有一定的危险性，需极其严苛的使用条件
和储存条件，在设计和使用时有很多限制。另外，火药类的产品买卖和运输也受到国家的严格管控，非常不便。同时，在使用触发器进行检测和点火时，触发器与火药之间的连接线路也存在接触不良或断路的风险。。
技术实现思路
[0019]本专利技术的目的就是为了解决上本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：电路短路故障时，利用电弧的能量做功，推动杆件，断开导电体连接，实现电路分断。2.根据权利要求1所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：所述的电弧由电弧发生器产生，所述的导电体为铜排。3.根据权利要求2述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：电弧发生器与铜排串联于电路中；当电路发生短路时，电弧发生器在短路电流的作用下熔断并开始燃弧产生能量，推动与其接触的杆件运动并切断铜排从而分断电路。4.根据权利要求3所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：所述杆件切断铜排后继续运动并进入弧道，电弧被挤压到弧道与杆件间的间隙中，并进入的灭弧室内；所述灭弧室内设置有吸能材料；所述铜排、弧道和灭弧室沿杆件的运动方向依次设置。5.根据权利要求3所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：电路分断后产生的短路电流由铜排换流至与铜排并联的灭弧熔丝上；由灭弧熔丝完成灭弧。6.根据权利要求5所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：所述杆件切断铜排后继续运动并进入弧道，电弧被挤压到弧道与杆件间的间隙中；所述铜排和弧道沿杆件的运动方向依次设置。7.根据权利要求2所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：所述杆件的头部与电弧发生器之间存在间隙；电路发生短路后，电弧发生器产生的能量使杆件的头部与电弧发生器之间的间隙内的压力增大并作用于杆件的头部。8.根据权利要求4或5所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：所述电弧发生器实时对短路电流进行检测；当电路正常通流时，电弧发生器耐受额定电流；当电路发生短路时，流经电弧发生器的电流超过设计阈值，电弧发生器发生熔断并开始燃弧。9.根据权利要求7所述的一种基于电弧做功的电路保护方法，其特征在于：所述电弧发生器做功的原理为：根据理想气体状态方程：式中：p为杆件的头部与电弧发生器之间的间隙内的压强，V为杆件的头部与电弧发生器之间的间隙内气体体积，T为杆件的头部与电弧发生器之间的间隙内温度，n为杆件的...
【专利技术属性】
技术研发人员：庄逸尘，鄢玲，李思光，张利，唐有东，
申请(专利权)人：武汉精熔潮电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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