用于检测电气保险丝中的热机械应变疲劳的监测系统和方法与流程
本发明的领域大体涉及感测和监测通过电力系统中具有非线性电阻的导体的电流流动的系统和方法，并且更具体地涉及用于检测保护电路的电气保险丝中的热机械应变疲劳的感测和监测系统。
保险丝广泛用作过电流保护装置，以防止对电路造成代价高昂的损坏。保险丝端子通常在电源或电力供应器与布置在电路中的电气组件或组件的组合之间形成电连接。一个或多个可熔断连杆或元件或保险丝元件组合件连接在保险丝端子之间，使得当流过保险丝的电流超过预定极限时，可熔断元件熔融并通过保险丝使一个或多个电路开路以防止电气组件损坏。
所谓的全范围电力保险丝可在高压配电中操作，以相等的效力安全地中断相对高的故障电流和相对低的故障电流两者。鉴于电力系统的不断发展的变化，这种类型的已知保险丝在某些方面是不利的。需要改进全范围电力保险丝以满足市场需求。
附图说明
参考以下图式描述非限制性和非穷举性实施例，图式中除非另有规定，否则相同的附图标记在各个图中指代相同的零件。
图1示出可以经受电力保险丝的示例性电流分布。
图2是可以经历图1中所示的电流分布的高压电力保险丝的俯视图。
图3是图2中所示的电力保险丝的局部透视图。
图4是图3中所示的保险丝元件组合件的放大视图。
图5示出了图4中所示的保险丝元件组合件的一部分。
图6是处于疲劳状态的图4的一部分的放大视图。
图7是示例性保险丝电阻对时间的曲线图，示出了经历保险丝元件疲劳的典型保险丝。
图8是电力系统的一部分的局部电路示意图，示出了确定保险丝电阻的第一示例性技术。
图9是电力系统的一部分的局部电路示意图，示出了确定保险丝电阻的第二示例性技术。
图10是银保险丝元件的示例性应变对周期的曲线图，并示出了其保险丝元件疲劳。
图11示出示例性电对时间的曲线图，从所述曲线图可以在预测保险丝疲劳评估系统中确定应变循环。
图12示出用于本发明的预测保险丝疲劳评估系统的电流对时间的曲线图的示例性测量窗口。
图13示出用于本发明的保险丝疲劳评估系统的示例性保险丝监测模式。
图14示意性地表示根据本发明的实施例的第一示例性保险丝疲劳评估系统。
图15示意性地表示根据本发明的实施例的第二示例性保险丝疲劳评估系统。
图16示意性地表示根据本发明的实施例的第三示例性保险丝疲劳评估系统。
图17是示出与图7-15中所示的保险丝疲劳评估技术和系统相关联的示例性过程的方法流程图。
具体实施方式
尤其是电动车辆技术的最新进展给保险丝制造商带来了独特的挑战。电动车辆制造商正在寻求用于在比用于车辆的传统配电系统高得多的电压下操作的配电系统的可熔断电路保护，同时寻求更小的保险丝以满足电动车辆的规格和要求。
用于传统的内燃机驱动的车辆的电力系统在通常等于或低于约48vdc的相对低的电压下操作。然而，用于电驱动车辆(本文称为电动车辆(ev))的电力系统在更高的电压下操作。ev的相对高电压系统(例如，200vdc及以上)通常使得与用于内燃机的在12伏或24伏下储存能量的传统电池(以及更新近的48伏电力系统)相比，所述电池能够储存来自电源的更多能量并且以更低的损耗(例如，热损失)向车辆的电动机提供更多能量。
ev原始设备制造商(oem)采用电路保护保险丝来保护全电池电动车辆(bev)、混合动力电动车辆(hev)和插电式混合动力电动车辆(phev)中的电负载。在每种ev类型中，ev制造商都在寻求最大化ev每次电池充电的里程数，同时降低拥有成本。实现这些目标开启了ev系统的能量储存和电力输送，以及由电力系统承载的车辆组件的尺寸、体积和质量。较小和/或较轻的车辆将比较大和较重的车辆更有效地满足这些要求，因此现在正在仔细检查所有ev组件以确定潜在的尺寸、重量和成本节省。
一般而言，较大的组件往往具有较高的相关材料成本，倾向于增加ev的整体尺寸或在收缩的车辆体积中占据过多的空间，并且倾向于引入更大的质量，这直接降低了每单次电池充电的车辆里程数。然而，已知的高压电路保护保险丝是相对较大且相对较重的组件。从历史上看，有充分理由，电路保护保险丝的尺寸往往会增加，以满足高压电力系统的需求，而不是低压系统。因此，保护高压ev电力系统所需的现有保险丝远大于保护传统内燃机动力车辆的低压电力系统所需的现有保险丝。需要更小更轻的高压电力保险丝以满足ev制造商的需求，而不会牺牲电路保护性能。
用于现有技术ev的电力系统可以在高达450vdc的电压下操作。增加的电力系统电压理想地每次电池充电向ev提供更多的电力。然而，这种高压电力系统中的电气保险丝的操作条件比低电压系统严峻得多。具体地，与保险丝断开时的电弧条件相关的规范对于较高电压电力系统来说可能尤其难以满足，特别是当与工业上对减小电气保险丝尺寸的偏好相结合时。由现有技术ev强加于电力保险丝上的电流循环负载还倾向于强加机械应变和磨损，这可能导致传统保险丝元件的过早失效。虽然已知的电力保险丝目前可供evoem在现有技术ev应用的高压电路中使用，但是能够满足ev的高压电力系统的要求的传统电力保险丝的尺寸和重量(更不用说成本)对于在新ev中实施高得不切实际。
提供可有效地处理现有技术ev电力系统的高电流和高电池电压同时在保险丝元件在高电压下操作时仍然提供可接受的中断性能的相对较小的电力保险丝至少是具有挑战性的。保险丝制造商和ev制造商将各自受益于更小、更轻和更低成本的保险丝。虽然ev的创新正引领更小、更高电压保险丝所期望的市场，但小型但功能更强大的电气系统的趋势超越了ev市场。毫无疑问，各种其它电力系统应用将受益于较小的保险丝，这些较小的保险丝可提供与较大的传统制造的保险丝相当的性能。然而，ev电力系统应用强加于电气保险丝的要求提出了可缩短电气保险丝使用寿命的特殊挑战。需要改进此项技术中长期和未实现的需求。
图1示出可能使保险丝，特别是其中的一个或多个保险丝元件易受负载电流循环疲劳的影响的ev电力系统应用中的示例性电流驱动分布100。沿着图1中的垂直轴示出电流，沿水平轴示出时间。在典型的ev电力系统应用中，电力保险丝用作电路保护装置，以防止电气故障条件对电力负载的损害。考虑图1的实例，ev电力系统在相对短的时间段内容易受到电流负载的大的变化的影响。电流的变化产生由基于ev车辆的驾驶者的动作、交通状况和/或道路状况的看似随机的驾驶习惯产生的各种量值的电流脉冲序列。这在ev驱动电机、主驱动电池和系统中包含的任何保护性电力保险丝上形成了几乎无限多种电流负载循环。
这种随机电流负载条件(在图1的电流脉冲分布中示例)对于ev的加速(对应于电池消耗)和ev的减速(对应于再生电池充电)两者本质上是循环的。所述电流循环负载通过焦耳效应加热过程在保险丝元件上强加热循环应力，更具体地在电力保险丝中的保险丝元件组合件的所谓弱点上强加热循环应力。保险丝元件的这种热循环负载尤其对保险丝元件弱点强加机械膨胀和收缩循环。保险丝元件弱点的这种重复的机械循环负载强加累积应变，所述累积应变及时将弱点破坏到断裂点。出于当前描述的目的，这种热机械过程和现象在本文中称为保险丝疲劳。如下文进一步解释，保险丝疲劳主要归因于随着保险丝承受驱动分布的蠕变应变。保险丝元件弱点中产生的热量是导致保险丝疲劳发生的主要机制。
下文描述的是示例性保险丝监测系统和方法，其可以评估电气保险丝的疲劳并且预测或估计保险丝的剩余使用寿命，目标是在保险丝由于疲劳过程而失效之前更换疲劳的保险丝。因此，系统可以提供关于所监测的疲劳状态和使用寿命信息的警报和通知，记录与其相关的数据和信息，将数据和信息传送到远程装置，乃至辨识可能导致保险丝在基于疲劳监测的预期使用寿命终止之前断开的电气故障条件。
至少部分地通过监测例如电阻或机械应变等疲劳参数，并将监测到的参数与类似的保险丝元件的已知疲劳参数进行比较以评估保险丝的疲劳状态和剩余使用寿命，来实现疲劳监测。还可通过监测穿过保险丝的电流，计算与循环电流负载中的峰值电流相关的应变，计算每个峰值电流的疲劳损坏分量，以及随时间累积疲劳损坏分量以评估保险丝的疲劳状态和相关剩余使用寿命，来实现疲劳监测。方法方面将部分地显而易见，并且部分地在以下描述中明确地讨论。
虽然在产生如图1所示的电流分布的ev应用的背景下描述了本发明，且虽然还在特定类型和额定值的保险丝的背景下描述了本发明以满足示例性ev应用的需要，但本发明的益处不一定限于ev应用或者所描述的特定类型或额定值。事实上，本发明的益处被认为更广泛地产生产生其它电流分布的许多不同的电力系统应用。本发明还可以部分或全部实践，以构造具有与本文所讨论的相似或不同的额定值的不同类型的保险丝。因此，为了说明而不是限制，讨论了图1中所示的ev分布和下文描述的保险丝。
图2-4是设计成与ev电力系统一起使用的示例性高压电力保险丝200的各种视图。相对于传统的高压电力保险丝，保险丝200有利地提供相对更小和更紧凑的物理封装尺寸，这继而在ev中占据减小的物理体积或空间。同样相对于传统的保险丝，保险丝200有利地提供相对较高的功率处理能力、较高电压操作、全范围时间-电流操作、较低的短路穿通能量性能，以及较长使用寿命和例如所描述的ev电力系统等应用中的可靠性。方法方面将部分地明确讨论，并且部分地从下文的讨论中显而易见。相对于传统构造的已知ulj类保险丝，保险丝200以小得多的封装尺寸提供相当的性能。
如图2所示，本发明的电力保险丝200包含壳体202、配置成用于连接到线路和负载侧电路的端子叶片204、206，以及完成端子叶片204、206之间的电连接的保险丝元件组合件208。当经受预定电流条件时，保险丝元件组合件208的至少一部分熔融，分解或以其它方式在结构上失效，并断开端子叶片204、206之间的电路路径。因此，负载侧电路与线路侧电路电隔离，以在发生电气故障情况时保护负载侧电路组件和电路免受损坏。
在一个实例中，保险丝200被设计为提供500vdc的额定电压和150a的额定电流。在所示的实例中保险丝200的尺寸(其中lh是保险丝的壳体在其相对端之间的轴向长度，rh是保险丝壳体的外径，且lt是在壳体的相对侧上彼此相对的叶片端子的远端之间测得的保险丝的总长度)是在传统构造中提供相当的性能的已知的ulj类保险丝的相应尺寸的约50％。此外，保险丝200的体积比传统ulj类保险丝的体积减小约87％，在相同的额定值下提供相当的性能。因此，保险丝200相对于传统保险丝提供明显的尺寸和体积减小，同时提供相当的保险丝保护性能。保险丝200的尺寸和体积减小还通过减少其构造中相对于保险丝100利用的材料而有助于重量和成本节省。因此，并且由于其较小的尺寸，保险丝200对于ev电力系统应用是非常优选的。
在一个实例中，壳体202由此项技术中已知的非导电材料制成，例如在一个示例性实施例中的玻璃三聚氰胺。适合于壳体202的其它已知材料可以根据需要替代地用于其它实施例中。另外，所示的壳体202通常是圆柱形或管状的，并且在所示的示例性实施例中沿着垂直于轴向长度尺寸lh和lr的轴线具有大致圆形的横截面。然而，视需要，壳体202可以替代地形成为另一种形状，包含但不限于具有四个彼此正交布置的侧壁的矩形形状，因此具有正方形或矩形的横截面。如图所示的壳体202包含第一端210、第二端212，以及接纳和容纳保险丝元件组合件208的相对端210、212之间的内孔或通路。
在一些实施例中，如果需要，壳体202可以由导电材料制成，但是这需要绝缘垫圈等以将端子叶片204、206与壳体202电隔离。
端子叶片204、206分别从壳体202的每个相对端210、212沿相反的方向延伸，并且布置成彼此以大致共面的关系延伸。在预期的实施例中，每个端子叶片204、206可以由例如铜或黄铜等导电材料制成。根据需要，其它已知的导电材料可以替代地用在其它实施例中以形成端子叶片204、206。每个端子叶片204、206形成有孔隙214、216，如图3所示，并且孔隙214、216可以接纳紧固件，例如螺栓(未示出)，以将保险丝200固定在ev中的适当位置，并通过端子叶片204、206建立到电路导体的线路和负载侧电路连接。
虽然示出并描述了用于保险丝200的示例性端子叶片204、206，但是其它端子结构和布置同样可以用于进一步和/或替代实施例中。例如，在一些实施例中，孔隙214、216可以被认为是可选的，并且可以省略。可以提供刀片触点来代替如图所示的端子叶片，且如所属领域的技术人员将理解的套圈端子或端盖提供各种不同类型的端接选择。如果需要，端子叶片204、206也可以以间隔开且大致平行的定向布置，并且可以在不同于所示位置的位置处从壳体202突出。
如图3所示(其中壳体202被移除)并且在图4的放大视图中，保险丝元件组合件208包含第一保险丝元件218和第二保险丝元件220，每个保险丝元件分别连接到设置在端板226、228上的端子接触块222、224。包含块222、224的端板226、228由例如铜，黄铜或锌等导电材料制成，但是其它导电材料是已知的并且同样可以用在其它实施例中。可以使用已知技术建立保险丝元件218、210和端子接触块222、224的机械和电连接，包含但不限于焊接技术。
在各种实施例中，端板226、228可以形成为包含端子叶片204、206，或者端子叶片204、206可以单独设置和附接。在一些实施例中，端板226、228可以被认为是可选的，并且保险丝元件组合件208和端子叶片204、206之间的连接可以以另一种方式建立。
还示出了多个固定销230，其将端板226、228相对于壳体202固定就位。在一个实例中，固定销230可以由钢制成，但是其它材料是已知的并且如果需要可以利用。在一些实施例中，销230可以被认为是可选的，并且可以省略以有利于其它机械连接特征。
灭弧填料(arcextinguishingfiller)介质或材料232围绕保险丝元件组合件208。填料材料232可以通过端板226、228中的一个中的一个或多个填充开口引入到壳体202中，端板226、228用插塞(现在示出)密封。在各种实施例中，插塞可由钢、塑料或其它材料制成。在其它实施例中，一个或多个填充孔可以设置在其它位置，包含但不限于壳体202，以便于引入填料材料232。
在一个预期的实施例中，填充介质232由石英硅砂和硅酸钠粘合剂组成。石英砂在松散压实状态下具有相对高的导热和吸收能力，但可以硅化以提供改进的性能。例如，通过向砂中加入液体硅酸钠溶液然后干燥游离水，可以获得具有以下优点的硅酸盐填料材料232。
硅酸盐材料232产生硅酸钠与保险丝元件218和220、石英砂、保险丝壳体202、端板226和228以及端子接触块222、224的热传导结合。这种热结合允许从保险丝元件218、220到其周围环境、电路接口和导体的更高热传导。将硅酸钠应用于石英砂有助于将热能传导出并远离保险丝元件218、220。
硅酸钠机械地将沙结合到保险丝元件、端子和壳体管，增加了这些材料之间的热传导。常规上，可以包含砂的填料材料仅与保险丝中的保险丝元件的导电部分进行点接触，而填料材料232的硅化砂与保险丝元件机械地结合。因此，通过硅化填料材料232可以实现更有效和高效的热传导，这相对于提供相当性能的已知保险丝(包含但不限于保险丝100(图1))部分地促进了保险丝200的显著尺寸减小。
图4更详细地示出了保险丝元件组合件208。由于组合件208中的保险丝元件设计特征，电力保险丝200可以在更高的系统电压下操作，这进一步有助于减小保险丝200的尺寸。
如图4所示，每个保险丝元件218、220通常由导电材料条形成为由倾斜区段242、244连接的一系列共面部分240。保险丝元件218、220通常以基本相同的形状和几何形状形成，但在组合件208中相对于彼此反转。也就是说，所示实施例中的保险丝元件218、220以彼此呈镜像关系的方式布置。换句话说，保险丝元件218、220中的一个定向为正面朝上，而另一个定向为颠倒，从而产生相当紧凑和节省空间的构造。虽然示出了特定的保险丝元件几何形状和布置，但是在其它实施例中，其它类型的保险丝元件、保险丝元件几何形状和保险丝元件的布置也是可能的。在所有实施例中，保险丝元件218、220不需要彼此相同地形成。此外，在一些实施例中，可以使用单个保险丝元件。
在所示的示例性保险丝元件218、220中，倾斜区段242、244从平面区段240形成或弯曲出平面，并且倾斜区段242具有与倾斜区段244相等且相反的斜度。也就是说，在所示的实例中，倾斜区段中的一个242具有正斜率，而倾斜区段中的另一个244具有负斜率。如图所示，倾斜区段242、244成对布置在平面区段240之间。端子接头246显示在保险丝元件218、220的任一相对端上，使得可以如上所述建立到端板226、228的电连接。
在所示的实例中，平面区段240限定多个减小横截面面积区段241，在此项技术中称为s。在所示的实例中，弱点为241，由平面区段240中的圆孔限定。弱点241对应于相邻孔隙之间的区段240的最薄部分。当电流流过保险丝元件218、220时，弱点241处的减小的横截面面积将经历热量集中，并且在经历特定的电流条件的情况下策略性地选择弱点241的横截面面积以使保险丝元件218和220在弱点241的位置处断开。
当保险丝元件操作218、220时，所述多个区段240和设置在每个区段240中的所述多个弱点241便于电弧分割。在所示的实例中，保险丝元件218、220将在对应于区段240的三个位置处同时断开，而不是一个。在所示的实例之后，在450vdc系统中，当保险丝元件操作以通过保险丝200断开电路时，电弧将在区段240的三个位置上分割，并且每个位置处的电弧将具有150vdc的电弧电势，而不是450vdc。设置在每个区段240中的多个(例如，四个)弱点241进一步有效地在弱点241处划分电弧。电弧分割允许减少量的填料材料232，以及减小壳体202的半径，从而可以减小保险丝200的尺寸。
平面区段240之间的弯曲倾斜区段242、244仍然提供用于电弧燃烧的平坦长度，但是应该仔细选择弯曲角度以避免电弧可能在区段242、244相交的拐角处组合的可能性。弯曲倾斜区段242、244还提供在端子接头246的远端之间且在平行于平面区段240的方向上测得的保险丝元件组合件208的有效较短的长度。较短的有效长度有利于减小在保险丝元件未包含弯曲区段242、244的情况下原本需要的保险丝200的壳体的轴向长度。弯曲倾斜区段242、244还通过使用中的电流循环操作提供制造疲劳和热膨胀疲劳的应力消除。
为了维持具有高功率处理和高电压操作方面的这种小型保险丝封装，除了在填料232中使用硅酸盐石英砂和上述形成的保险丝元件几何形状之外，还可以应用特殊元件处理。特别地，可以在保险丝元件218、220的端子接头246附近施加电弧阻挡或电弧屏障材料(例如rtv硅树脂或uv固化硅树脂)的应用。已经发现产生最高百分比的二氧化硅(硅石)的硅氧烷在端子接头246附近阻挡或减轻电弧回烧方面表现最佳。在端子接头246处的任何电弧都是不合需要的，因此电弧阻挡或屏障材料250在所提供的位置处完全围绕保险丝元件218、220的整个横截面，从而防止电弧到达端子接头246。
通过在每个相应的保险丝元件218、220中采用两个保险丝元件熔融机制来实现全范围时间-电流操作。保险丝元件218中的一个熔融机制响应于高电流操作(或短路故障)，并且保险丝元件220中的一个熔融机制响应于低电流操作(或过载故障)。这样，保险丝元件218有时被称为短路保险丝元件，且保险丝元件220有时被称为过载保险丝元件。
在预期的实施例中，过载保险丝元件220可以包含metcalf效应(m效应)涂层，其中纯锡(sn)被施加到保险丝元件(在此实例中由铜(cu)制造)，在靠近区段240中的一个的弱点的位置中。在过载加热期间，sn和cu一起扩散，以试图形成共晶材料。结果是在预期的实施例中，较低的熔融温度介于cu和sn的熔融温度之间或约400℃。因此，过载保险丝元件220和包含m效应涂层的区段240将响应于不会影响短路保险丝元件218的电流条件。虽然在预期的实施例中，m效应涂层被施加到过载保险丝元件220中的三个区段240中的仅一个的大约一半，但是如果需要，m效应涂层可以施加在区段240中的另外区段处。此外，在另一实施例中，m效应涂层可以仅作为斑点施加在弱点的位置处，而不是如图8所示的较大涂层。
通过减少短路保险丝元件218中的保险丝元件熔融横截面来实现较低的短路穿通能量。由于增加的电阻和热量，这通常会降低额定载流量，从而对保险丝额定值产生负面影响。因为硅化砂填料材料232更有效地从保险丝元件218移除热量，所以它补偿了否则会导致的载流量损失。
将硅酸钠应用于石英砂也有助于将热能传导出并远离保险丝元件弱点，并减少机械应力和应变，以减轻否则可能导致的负载电流循环疲劳。换句话说，硅化填料232通过降低保险丝元件在其弱点处的操作温度来减轻保险丝疲劳。硅酸钠机械地将砂与保险丝元件、端子和壳体结合，增加了这些材料之间的热传导。在弱点中产生较少的热量，并且相对于传统保险丝相应地延迟机械应变和保险丝疲劳的发生，但是在ev应用中(其中图1中所示的电流分布被施加在保险丝上)，保险丝元件由于疲劳而失效(与短路或过载条件形成对比)已经成为保险丝寿命的实际限制。也就是说，虽然保险丝200被设计成提供非常高的电流限制性能以及长的使用寿命和相对于有害或过早的保险丝操作的高可靠性，但是在例如所描述的ev电力系统等应用中，保险丝疲劳仍然可能导致保险丝的有害操作并影响ev电力系统的可靠性。
与常规设计的保险丝一样，保险丝200中描述的保险丝元件利用金属冲压或冲孔的保险丝元件，对于包含上述循环电流负载类型的ev应用提出了某一问题。无论是由铜或银或铜合金制造的这种冲压保险丝元件设计都不合需要地在保险丝元件弱点241上引入机械应变和应力，使得与在具有不同电流负载的另一电力系统中使用保险丝200的情况相比，导致更短的使用寿命。这种短的保险丝使用寿命表现为由于在弱点241处保险丝元件的机械疲劳导致的有害保险丝操作的形式。
如图4-6所示，重复的高电流脉冲导致保险丝元件218、220中的金属疲劳，从而导致晶界中断，之后是裂纹蔓延和保险丝元件218、220中的故障。保险丝元件218、220的机械约束在冲压保险丝元件设计和制造中是固有的，遗憾的是，已经发现在重复的负载电流循环期间会促使弱点241屈曲。这种屈曲是金属晶界损坏(在相邻金属晶粒之间发生分离或滑移)的结果。这种弱点241的屈曲随着时间的推移而发生并且随着更高的瞬态电流脉冲而加速并且更加明显。瞬态电流脉冲中的加热-冷却增量越大，则机械影响越大，因此弱点241的屈曲变形越大。
由瞬态电流脉冲的加热效应引起的金属的重复物理机械操纵又引起金属保险丝元件218、220的晶粒结构的改变。这些机械操作有时被称为加工金属。金属的加工将导致晶界的强化，其中邻近的晶粒紧密地约束于相邻的晶粒。过度加工金属会导致晶界中断，其中晶粒滑过彼此并导致所谓的滑移带或平面。晶粒之间的这种滑动和分离导致电阻的局部增加，这通过增加电流脉冲的加热效应而加速疲劳过程。滑移带的形成是首先开始疲劳裂纹的地方。
发明人已经发现，冲压或冲孔金属以形成保险丝元件218、220的制造方法在保险丝元件弱点241的所有冲压边缘上引起局部滑移带，因为形成弱点241的冲压过程是剪切和撕裂机械过程。所述撕裂过程对具有许多滑移带区的弱点241施加预应力。滑移带和疲劳裂纹与由于热效应而导致的所描述的屈曲相结合，最终导致与电气故障条件无关的弱点241的过早结构失效。这种与电力系统中的有问题的电气条件无关的过早失效模式有时被称为保险丝的有害操作。由于一旦保险丝元件218、220发生故障，连接到保险丝的电路在更换保险丝之前便不再操作，所以从ev制造商和消费者两者的角度来看，在ev电力系统中避免这种有害操作是非常合乎需要的。实际上，鉴于对ev车辆和动力系统的兴趣增加，保险丝疲劳和保险丝相关故障的影响被认为是车辆设计中的负质量关键(ctq)属性。
虽然在ev电力系统和具有冲压金属保险丝元件218、220的保险丝200的背景下进行了描述，但是对来自正常保险丝服务的焦耳效应加热以及受到极端温度波动两者的热机械循环造成的磨损的易感性对于ev电力系统或所描述的特定保险丝或保险丝元件不一定是独特的。用于较高电压电力保险丝的大多数常规类型的保险丝元件包含形成有一个或多个相对易碎设计的弱点和小载流横截面的保险丝元件，这使得它们易受上述疲劳问题的影响。期望提供一种系统，所述系统可以监测和评估保险丝元件的疲劳状态或条件，并且便于主动管理装有保险丝的电力系统，以通过在保险丝失效之前更换疲劳的保险丝来避免有害的保险丝操作。
如下文将详细描述的，保险丝疲劳监测系统可确定操作电力系统中的保险丝元件的电阻并确定机械应变的累积以评估电力系统中保险丝元件随时间的疲劳状态。这样，可以监测、测量和计算保险丝元件的疲劳程度，以预测本发明系统中保险丝剩余的近似使用寿命。这样的系统可以提供状态信息或警报信息，使得在保险丝在有害操作中断裂之前可以更换遭受疲劳的保险丝。考虑到这样的信息，更换可以在方便的预定时间发生，使得当电力系统的电负载受影响最小时，电力系统管理员可以主动更换所识别的保险丝。
如图7的电阻对时间曲线300所示，由于疲劳过程，可以看到包含但不限于上述保险丝200的保险丝在使用中老化。也就是说，随着时间的推移，保险丝元件累积来自如上所述的加热循环的机械应变。保险丝元件中的机械应变大部分集中在保险丝元件的弱点中，在该处金属晶粒正在被加工和重新定向。如上所述，晶粒结构的这种加工最终导致晶界的中断和晶粒之间的滑移带的形成。滑移带的形成继而最终导致裂缝形成，和如上所述保险丝元件中的(s)的损坏。
随着所述疲劳过程的进行，并且如图7的曲线300所示，由于弱点的机械损坏，保险丝元件的电阻增加。这种电阻的增加开始增加每个电流负载循环的热量，从而加速保险丝老化或疲劳磨损。随着保险丝在电学上老化，原始制造的电阻测量值将开始增加。根据服务暴露水平，这种电阻增加通常非常小并且非常慢，这在图7中所示的曲线300的第一阶段302中是明显的。在早期阶段302的保险丝服务的早期寿命中，保险丝电阻的变化实际上是不可感知的并且被系统噪声和测量误差掩盖。然而，最终，电阻变为甚至在第一阶段302中就可以可靠地检测到的水平，并且在第一阶段302中，随着疲劳过程的继续，保险丝元件继续非常逐渐地增加电阻。在所示的实例中，保险丝可以在第一阶段302中保持大约25年。
然而，最终，并且在所示实例中的保险丝元件的保险丝寿命大约25年后，保险丝元件疲劳将离开第一阶段302并进入在曲线300中看到的过渡阶段304，在过渡阶段304中电阻开始较快地改变。这表明保险丝元件的疲劳已经发展到其效果加速的程度。随着疲劳过程在此阶段304继续发展，保险丝元件的电阻由于现在开始显现的弱点的机械损坏而增加。电阻的增加增加了每个电流负载循环中的弱点所经历的热量，使得保险丝老化或磨损以更快的速度加速。在过渡阶段304中可以看出，电阻的变化是非线性的。在此过渡阶段304中，与第一阶段302相比，更容易检测到电阻的变化。然而，过渡阶段304可以持续延长的时间，使得一旦检测到此阶段，保险丝的使用寿命仍然存在数年。在图7的实例中可以看出，过渡阶段304可以持续大约五年。
在过渡阶段304结束时，进入疲劳的第三和最后阶段306，其中保险丝电阻在短时间周期内进入电阻的急剧变化。此最后阶段表明，保险丝元件中存在裂缝，并且电流的弱点的横截面面积迅速减小，导致弱点中的热浓度更高。在这种情况下保险丝元件不会持续很长时间，并且如果不首先更换保险丝元件，则保险丝元件在到达第三阶段306后不久就会断裂。
已知保险丝元件将疲劳并且随着时间的推移随着保险丝通过阶段302和304进入阶段306，保险丝元件在弱点处的机械劣化呈现出明显的电阻增加，通过测量保险丝电阻随时间的变化，本发明的疲劳监测系统可以评估操作中的保险丝的疲劳状态。在给定电力系统中的保险丝的预期加热循环次数的情况下，可以凭经验确定或以其它方式计算类似于图7中所示的曲线图，所述电力系统可能不一定是ev的电力系统。
在本发明的预期系统中，可以通过在保险丝元件上注入已知电流来精确地测量保险丝电阻，如下文进一步描述。也就是说，系统可以在其工作时测量保险丝电阻，并且可以开发算法以评估电阻的变化并基于电阻的变化估计或计算保险丝的剩余使用寿命。应当认识到，在使用中测量保险丝电阻在某些类型的电力系统中可能是具有挑战性的和/或不是实际的，在这种情况下，可以利用考虑到下文解释的疲劳来预测保险丝寿命的替代方法。
图8示出了第一示例性系统350和在任何时间点感测保险丝电阻的技术，并且因此还感测流过保险丝352的电流，保险丝352可以是上述保险丝200，其连接在根据本发明的预期实施例的电力系统中的线路侧电路354和负载侧电路356之间。直接在保险丝352上导出电压vsense，这允许确定保险丝元件的电阻，并且同样接着可以确定电流isense。电阻确定和电流感测能力有助于系统300中的高级保险丝状态特征、异常保险丝检测和警报等。
直接感测保险丝352上的电压vsense以确定电流isense引入了由补偿电路360解决的复杂性。具体地，保险丝352中的保险丝元件和所有保险丝元件一样，呈现非线性电阻，由于保险丝352中的保险丝元件的电阻在使用中不恒定，因此无法简单且直接地应用欧姆定律来计算电流isense。
因此，补偿电路360可以包含控制器362，控制器362以周期性间隔测量保险丝元件电阻以解决保险丝电阻的变化。或者，在所有实施例中，控制器362不需要是补偿电路360本身的一部分，而是可以单独提供控制器362。在一些实施例中，电压vsense可以输入到另一可选控制器364，所述控制器364计算如下描述的电流isense。然而，应理解，如果需要，所示控制器362、364的功能性可以组合到单个控制器中。
控制器362和/或364可以是基于处理器的控制装置。如本文所使用，术语“基于处理器”应不仅指代包含处理器或微处理器的控制器装置，而且指代其它等效元件，例如微计算机、可编程逻辑控制器、精简指令集(risc)电路、专用集成电路和其它可编程电路、逻辑电路、其等效物，以及能够执行下文描述的功能的任何其它电路或处理器。上文列出的基于处理器的装置仅是示例性的，因此不希望以任何方式限制术语“基于处理器”的定义和/或含义。
图8中所示的技术认识到，保险丝352和所有电气保险丝一样，基本上是校准电阻器。因为电阻器在操作期间降低电压，知道保险丝352中的保险丝元件的电阻(由控制器362、364中的一个确定)并且还知道电压vsense，可以使用从欧姆定律导出的关系来计算电流isense，同时实现相对小而且成本有效的感测系统。图8中所示以及下文在图9中的示例性实施方案中进一步描述的电流感测技术可以应用于实际上具有有利效果的任何类型的保险丝。
在预期的实施例中，利用算法将保险丝元件的非线性响应转化成精确的电流读数。然后可以利用例如rfid标签或条形码标签将独特的非线性保险丝系数编码到个别的保险丝352上或中。如下文还描述，保险丝读取器可以替代地与电流监测器电子器件一起集成到保险丝座的壳体或断开开关的壳体(有时称为基座)中。由于保险丝352将非线性电阻方面引入到电流监测等式，因此提出了电子电路辅助感测或采集以及补偿非线性保险丝电阻的算法。
由于由系统350监测的每个保险丝可以具有其自身的独特且个别的变量和特性，因此可能需要用于对这些独特变量和特性进行译码的方案，以将电阻器电压适当且准确地转译为电阻和/或电流测量值。译码方案可以包含rfid标记和/或条形码标记等。应当理解，图8中所示的所提出的概念可以用于直流(dc)和交流(ac)电流感测和测量，如以下实例中所示。
所属领域的技术人员将理解，所提出的电子电路需要适当的隔离方案以将电力系统的系统电压与电子器件隔离。一旦确定，就可以通过例如光学或无线通信系统将电流数据传输到远程位置，但是如果需要，其它类型的通信也是可能的。
图9是根据本发明实施例的更具体的系统380和用于确定保险丝元件电阻并因此促进电流感测的技术的部分电路示意图。
如图9所示，线路侧电路354将电流输入idc递送到包含保险丝元件的保险丝352。电路360与保险丝元件电并联连接，如图8所示，并且电路360包含以预设频率注入ac电流注入iac的电流源382。应用欧姆定律，以下关系适用：
流过保险丝元件352的电流是idc和iac之和，并且保险丝元件352上感测到的电压是vac和vdc之和。如图9所示，可以对所感测的电压进行高通滤波以获得电压vac。因为vac和iac都是已知的，现在可以确定rfuse。一旦知道rfuse，就可以计算idc，因为已知vdc。可以以任何期望的时间间隔重复所述关系和计算，以考虑保险丝元件随时间的非线性电阻行为。虽然图9中示出了允许确定电阻和电流的示例性技术，但是在上文引用的序列号为14/803,315的美国申请中示出并描述了其它电路布置，并且同样可以利用这些电路布置。
通过确定随时间的特定电阻和相关电流，系统380可以将电阻和电流数据与先前确定的电阻和电流数据进行比较，或者将电阻和电流数据与预定基线进行比较，以检测电阻随时间的变化并评估保险丝疲劳。例如，当保险丝疲劳如上文关于图9所解释的那样进行时，在相同(或近似相同)的电流电平下呈现的确定的电阻将以可以检测和评估的方式随时间增加。基于检测到的保险丝电阻变化的量值，可以如上所述估计或预测保险丝的使用寿命。例如，基于检测到的电阻随时间的变化率，控制器362或364可以推断保险丝元件处于图7所示的曲线图中的第一阶段302、第二阶段304还是最终阶段306中。在第一阶段302中，系统380可以提供关于已经评估的疲劳程度的信息(如果有的话)。系统300可以在第二阶段304中的某个时间向电力系统人员提供警报或通知，以警告他们保险丝352的疲劳状况，其中剩余的估计使用寿命为在进入阶段306之前主动更换保险丝提供了充足的机会。
所描述的系统350、380和方法最容易实施，并且在具有相对稳定的电流负载的电力系统中更精确，但是在例如图1所示具有随机型循环电流脉冲分布的ev电力系统中较难实施。尽管如此，系统350、380和方法可用于提供ev电力系统中的保险丝的疲劳状态的某一评估和指示。由系统350、380收集的数据可以有利地用于改进算法以提高所进行的电阻和疲劳评估的准确性，和正监测的保险丝剩余的相关预测寿命。
作为图7-9中所示的监测电阻以评估保险丝元件疲劳的技术的替代方案，可以开发算法来监测保险丝元件弱点中的应变积累，以用于建议使用寿命动作，如接下来结合图10-13所解释。
图10示出示例性应变对循环曲线图，其示出了保险丝疲劳的影响。保险丝元件弱点中的应变累积与强加在保险丝元件上的电流和热脉冲或循环两者的量值和频率直接相关。使用已知关系，可以从电流循环事件期间弱点的焦耳加热计算所述机械应变。可以将这些应变测量值与已知的金属疲劳曲线进行比较，以预测失效循环次数。这可以在类似于所描述的系统350、380的系统中实施，其中控制器监测电流循环，并计算与循环相关联的应变以进行比较和使用寿命估计或预测。
在图10的实例曲线图中，绘制了银保险丝元件的疲劳曲线400。在垂直轴上绘制应变，沿水平轴绘制循环次数。在曲线图的第一区402中，保险丝元件表现出弹性应变，但是在若干次热循环之后，看到第二区404表现出大体非弹性应变。非弹性应变是高级保险丝疲劳的指示。随着循环次数在第二区404中朝向接近100％的垂直应变增加，保险丝元件迅速劣化到故障点。因此，类似于系统350、380的本发明的系统可监测若干次循环中的应变变化，并通过将其与例如图10中所示的已知曲线进行比较，或者评估应变随时间的变化率以推断保险丝元件是处于疲劳的第一阶段402还是第二阶段404，来估计保险丝中的疲劳状态和剩余使用寿命。
对于由各种金属或金属合金制成的保险丝元件以及保险丝元件的不同几何形状，可以计算或凭经验确定例如图10中所示的曲线图。可以通过本发明的系统进行应变测量并将其与金属的已知疲劳曲线进行比较，以预测失效循环次数。具体地，在类似系统350、380的系统中，控制器362或364可以进行应变测量并评估它们以推断保险丝元件是处于保险丝疲劳的第一阶段402还是第二阶段404。在第一阶段402中，系统350、380可以提供关于已经评估的疲劳程度的信息(如果有的话)。系统350、380可以在第二阶段404中的某个时间向电力系统人员提供警报或通知，以警告他们保险丝352的疲劳状况，其中剩余的估计使用寿命为在保险丝由于提前疲劳而失效之前主动更换保险丝提供了充足的机会。在某些情况下，此应变测量技术可以与上述电阻测量技术相结合，以为系统提供一定程度的冗余。
图11示出示例性电流对时间曲线图，以展示可以在类似于系统350、380的系统中利用的评估保险丝元件疲劳的又一种技术。如图11所示，对于被监测的保险丝(可以是上述保险丝200)，在低于约150a的电流下，电流应变被认为是可忽略的，而高于约150a时，应变是不可忽略的。此外，在约150a以上绘制电流带或电流范围，其标识不同的电流强度区，其中在所示的电流分布上对相应的峰值电流计数。在图1的实例中，所述带对应于150a至200a、200a至250a、250a至300a、350a至400a、450a至500a、500a至550a和550a至600a。沿着可以由ev电力系统产生的脉冲电流分布，可见在图11中所示的时间周期内每个带中的相应峰值电流为11、8、4、1、5、1、2、2和7。每个区中的每个峰值电流表示可以根据已知关系计算的应变量，因此可以累积对应于每个峰值的应变以估计保险丝元件在每个峰值电流循环中经历的疲劳量和/或所估计的剩余使用寿命。可以开发算法以监测类似于上述系统350、380的系统中的保险丝电流，其中控制器362、364中的一个可以计算应变累积以用于建议使用寿命动作。在某些情况下，此技术可以与上述电阻测量技术相结合，用于为所进行的疲劳评估提供一定程度的冗余。无论如何，一旦对每个峰值电流事件进行应变计算，总累积损坏可以用miner规则表示，以便预测保险丝的剩余使用寿命。
miner规则是疲劳引起的故障最广泛使用的累积损坏模型之一。它被称为“miner规则”是因为它在1945年由m.a.miner推广。miner规则可能是最简单的累积损坏模型，并且可以容易地在例如所描述的系统350、380的系统中实施，其中控制器362或364进行计算并提供疲劳状态和/或预测使用寿命的期望输出。miner规则规定，如果存在k个不同的应力水平，并且在第i个应力si处的平均失效循环数是ni，则损坏分数c遵循以下关系：
其中ni是在应力si处累积的循环数，c是在不同应力水平下暴露于循环所消耗的寿命的分数。
通常，当损坏分数c达到1.0时，由于疲劳而发生保险丝元件的故障。作为一般规则并且为了在疲劳影响下维持金属的长使用寿命，保持c尽可能小是有利的。换句话说，使c远离达到1的努力将确保高寿命可靠性。以数学方式表达，以下关系适用，并且可以用于基于从本发明的系统收集的数据来优化设计要素：
响应于特定驱动循环将miner规则应用于例如上述保险丝200的保险丝可以制成表格，例如在下面的实例表中。计算如上所述的峰值电流和区，以使用已知关系单独地创建计算出的应变量。还计算并示出每个峰值电流电平的失效循环次数。然后，系统中的控制器362或364计算每个区中的电流循环的次数，并将所述循环次数除以失效循环次数，以从这些循环确定累积损坏分量。可以累积不同区的损坏分量，以评估所有区中电流循环的总损坏。
例如，来自ev的停车事件的应变显示在下表的第一行中。此电流区的失效循环次数为419，923。控制器已计算了36,000个停车事件循环，因此损坏组件为36,000/419,932或0.0857。后续五行的相应损坏计算实际上为零，最后三行的计算结果为非零。累计总损坏为0.2139，指示已经消耗了大约21％的预期使用寿命，剩余约79％的预期使用寿命。可以分析表中所示的数据，以便根据系统在操作中收集的数据进行可能的性能改进和保险丝元件的重新设计，以便根据预期的电流负载保持随时间的累积损坏尽可能低，并且当保险丝元件将因疲劳而失效时小于1.0。
上表中所示的技术允许系统控制器362或364提供关于已经在任何所需时间评估的疲劳程度的信息。系统350、380可以在低于1.0的预定累积损坏阈值下在某个时间(例如，当累积损坏是消耗的使用寿命的约0.80或约80％时)向电力系统人员提供警报或通知。所述通知可以警告人员保险丝352的疲劳条件，所估计的剩余使用寿命为在保险丝由于提前疲劳而失效之前主动更换保险丝提供了充足的机会。在某些情况下，此累积损坏评估技术可以与上述电阻测量和应变测量技术相结合，以向系统提供一定程度的冗余。在使用所描述的参数(例如，电阻、应变或累积疲劳损坏)利用多于一个疲劳评估的实施例中，可以将结果彼此进行比较以确认结果和/或检测疲劳评估中的一个与另一个相矛盾的错误条件。
如图12和13所示，可以在例如系统300等系统中连续记录预定的时间窗口，例如保险丝寿命的最后20秒。窗口中的电流数据由控制器362、364中的一个存储。在任何时候，此数据都可以被控制器检索并传送到另一装置。可以开发算法以使用与下文描述的技术类似的技术来分析在此窗口中记录的用于疲劳和/或应变的数据。与上述系统一样，可以发送关于疲劳状态的通知，以便于主动管理电力系统并避免由于疲劳而断开保险丝。与前述实施例类似，通知可包含关于所消耗的使用寿命和/或剩余使用寿命的信息。
如图13所示，本发明的系统除了检测疲劳条件并传送疲劳条件外，还可以检测故障类型。图13左侧的第一窗口示出正常操作状态，其中保险丝元件是完整的并且承受电流峰值，并且类似于图12所示的窗口，系统控制器362或364可以基于窗口中所收集的数据评估疲劳条件。图13中的第二或中间窗口示出可以由本发明的系统中的控制器362、364中的一个辨识的短路条件。图13右侧的第三窗口示出可由本发明系统中的控制器362、364中的一个辨识的过载条件。由于第二和第三窗口中的条件导致保险丝断开以保护负载侧电路，因此控制器362、364中的一个基于相应记录窗口可以基于记录的保险丝寿命的最后20秒推断原因是短路条件还是过载条件。因此，系统可以发送警报和通知：不仅保险丝已经断开，而且电力系统管理员断开的原因是采取适当行动。
使用图12和13中所示的技术，可以开发出在保险丝操作或保险丝断开之前监测保险丝电流的最后几秒或几分钟的算法。循环存储器高速缓存可以记录故障电流事件。在任何时候都可以读取系统中的存储器以获得电流使用的电路状态。在发生故障事件时，算法将感测保险丝断开并停止存储器循环以保持实际故障图像或数据的记录。可以通过几种通信方案中的一种随时检索疲劳状态、电路电流或故障电流。由于缺乏物理布线，无线通信方法(其中几个是已知的)提供了最方便的方法。可以使用例如rfid、wifi或蓝牙通信方案来建立无线通信，以使用适当的协议进行数据检索和传送。
图14示意性地表示根据本发明的实施例的第一示例性保险丝疲劳评估系统500。系统500包含保险丝352，保险丝352包含保险丝元件和与保险丝壳体502内的保险丝元件并联连接的电路360。保险丝壳体502上设置有保险丝端子t1和t2，用于建立与线路侧电路354和负载侧电路356的电连接。
保险丝元件可以以期望的任何结构形状和配置提供，包含但不限于上述保险丝元件218、220，并且可以设计成响应于期望的任何过电流条件而断开。壳体502同样可以以任何所需的形状提供，包含但不必限于圆柱形和矩形，并且可以用如上所述或此项技术中已知的灭弧介质填充。保险丝端子t1和t2可以是任何已知的保险丝端子形状和配置，包含但不一定限于端盖或套圈、刀片触点或端子刀片。在一些预期实施例中，保险丝352可以配置为美国密苏里州圣路易斯市(st.louis，missouri)的eaton公司的bussmann的
读取器装置504被示为系统500中的单独提供的装置。在一些实施例中，读取器装置504可以是便携式装置，或者在其它实施例中可以固定安装。在一些实施例中，读取器装置504可以是手持装置。读取器装置504可以是基于处理器的装置，并且可以与电路360无线通信，以接收所感测电压信息或者分析或计算以上述方式感测到的电流所需的其它数据。虽然电路360和读取器装置504之间的无线通信在大型电力系统中是有益的，但并非在所有情况下都是严格必要的，并且读取器装置504可以改为通过视需要连接保险丝352中的端口和端子来硬连线到电路360。
预期实施例中的读取器装置504可以配置为rfid读取器或询问器装置。在此实施例中，一旦从电路360中的相应rfid元件获得信息，就可以由读取器装置504计算用以进行上述疲劳评估的电阻和电流，或者在其中电阻或电流是在嵌入在保险丝352中的电子器件内计算的实施例中，可以简单地将计算出的电阻或电流传送到读取器装置504。
如前所述，保险丝352可以在保险丝352的壳体502上设置有rfid标签或条形码标签506。标签506可以包含待传送到读取器装置504的编码信息。因此，读取器装置504可以是包含与保险丝的元件通信的多个构件的多功能装置。rfid标签或条形码标签可以包含保险丝352的识别信息、保险丝352的额定值信息，以及便于计算电阻或所感测电流的译码信息，其允许进行上述疲劳评估。这样，通过读取保险丝壳体上的标签或条形码，读取器装置504可以知道使用多个预定算法中的哪一个来计算电阻和电流，并且读取器装置还可以获得对于保险丝352可以是唯一的用于算法中的任何系数。在此情境中，读取器装置504是智能装置，其可以区分不同类型的保险丝并选择各种预定算法中的一种来计算所感测的电流。
一旦获得，读取器装置504获得的信息(包含计算出的电流和疲劳评估)就可以进一步经由任何期望的通信网络传送到远程装置508。远程装置508可以便于监测和监督电力系统和任何相关过程。远程装置508可以例如是车辆控制系统或者监督控制和数据采集(scada)系统的一部分，监测工业设施和过程的各方面，如所属领域的技术人员可以理解的。
应当理解，在一些实施例中，如果需要，感测到的电流和所评估的疲劳实际上可以由远程装置508在远程位置处计算或确定，其中读取器装置504仅供应进行计算所需的信息。在以不同成本提出的系统500中可以提供读取器装置504中不同程度的精密度和复杂性。
图15示意性地表示根据本发明另一实施例的第二示例性保险丝疲劳评估系统550。系统550包含保险丝座或保险丝盒552，其包含壳体554，壳体554设置有分别配置成在结构上建立到线路侧和负载侧电路354、356的电连接的端子t1h和t2h。保险丝352的端子t1f和t2f被配置为在结构上与保险丝座或保险丝盒552的端子t1h和t2h配合，使得通过保险丝元件建立线路侧和负载侧电路之间的电连接。
与系统500(图14)不同，电路360不设置在保险丝352的壳体502中，而是设置在保险丝座或保险丝盒552的壳体554上或中。这样，此实施例中的电路360嵌入在保险丝块552中而不是保险丝352中。然而，电路360的操作保持相同，并且还可以如上所述提供标签506和读取器508，具有使用上述技术提供疲劳评估的类似效果。
在系统500中将电路360嵌入在如上所述的保险丝352中的替代实施例中，读取器508可以嵌入在保险丝盒或壳体552中。
保险丝座或保险丝盒壳体554可以设置有多组端子t1h和t2h，使得多组保险丝352可以容纳在保险丝壳体或保险丝盒552中。壳体554可以设置成单件或多件，并且可以设置成可以彼此附接的模块件。壳体554可以配置为开放式保险丝盒，或者可以根据需要部分或完全包围保险丝352。
设置在壳体554上的端子t1h和t2h可以包含弹性弹簧夹，其在结构上被配置为接纳和保持保险丝352的端子t1f和t2f。保险丝端子t1f和t2f可以以任何形状和结构配置提供，包含但不必限于端盖或套圈、刀片触头或端子叶片。可以相应地改变保险丝座或保险丝盒壳体上的端子t1h和t2h，以与保险丝352的端子t1f和t2f配合。保险丝抑制特征可以内置在保险丝352的端子t1f和t2f中和/或可以并入到壳体554中以防止安装不兼容的保险丝。
设置在壳体554上的端子t1h和t2h还包含例如盒形凸耳、弹簧夹或其它端子等端子特征，其配置成接纳和保持用于建立到保险丝盒或壳体552的线路侧和负载侧电连接的导线的端部。或者，可以提供面板安装夹等，以及另外的端子结构，以建立到线路和负载电路354、356的机械和电连接。
图16示意性地表示根据本发明的实施例的第三示例性保险丝疲劳评估系统600。系统600包含可熔断断开开关装置602，其包含壳体或基座604，壳体或基座604设置有分别配置成在结构上建立到线路侧和负载侧电路354、356的电连接的端子t1l和t2l。开关606设置在壳体或基座604中，可以选择性地断开或闭合所述开关以形成或断开穿过断开开关装置602的电流路径，并且当安装保险丝352且开关606闭合时，保险丝352中的保险丝元件完成线路侧和负载侧电路354、356之间的电连接。在一些实施例中，基座604可以被配置为美国密苏里州圣路易斯市的eaton公司的bussmann的紧凑型电路保护器(ccp)。从图15的示意图中可以看出，断开开关装置602不包含直列式断路器，因此比传统的直列式断路器和保险丝组合小。
保险丝352的端子t1f和t2f被配置为在结构上与基座604的互补端子配合，使得可以通过保险丝352中的保险丝元件建立电连接。基座604的互补端子可以包含在结构上被配置成接纳和保持保险丝352的端子t1f和t2f的弹性弹簧夹。保险丝端子t1f和t2f可以以任何形状和结构配置提供，包含但不必限于端盖或套圈、刀片触头或端子叶片。可以相应地改变保险丝座或保险丝盒壳体上的互补端子，以与保险丝352的端子t1f和t2f配合。保险丝抑制特征可以内置在保险丝352的端子t1f和t2f中和/或可以并入到壳体604中以防止安装不兼容的保险丝。当安装保险丝352时，可以操作开关606以连接或断开通过保险丝元件以及在线路侧和负载侧电路354、356之间的电连接。这样，当保险丝352保持在适当位置时，开关606提供通过装置602的电路路径的连接和断开。
在图16所示的实施例中，电路360没有设置在保险丝352的壳体502中，而是设置在开关断开装置602的基座604上或中。这样，此实施例中的电路360嵌入在基座602中而不是在保险丝352中。然而，电路360的操作保持相同，并且标签506和读取器508也可以如上所述以类似的效果提供。
在系统500中将电路360嵌入在如上所述的保险丝352中的替代实施例中，读取器504可以嵌入在基座604中。
基座604可以设置有多组端子，使得可以容纳多组保险丝352。底座604可以设置成单件或多件，并且可以设置成可以彼此连接的模块件。基座604可根据需要部分或完全包围保险丝352。
设置在基座604上的端子t1l和t2l还包含例如盒形凸耳、弹簧夹或其它端子等端子特征，其配置成接纳和保持用于建立到断开开关装置602的线路侧和负载侧电连接的导线的端部。或者，可以提供面板安装夹等，以及另外的端子结构，以建立到线路和负载电路354、356的机械和电连接。
图17是示出与图7-15中所示的保险丝疲劳评估技术和系统相关联的示例性过程700的方法流程图。过程700可以电子方式执行以实施例如上文描述的电气保险丝疲劳评估系统，或适当地或如所描述的更进一步的变化，以灵活地满足不同电力系统的特定需要。虽然过程700在上述ev电力系统应用中可能是特别合乎需要的，但是它们不限于ev电力系统应用，而是可以扩展到其中保险丝疲劳和上文讨论的问题是实际关注的任何电力系统。
如图17中的准备步骤所示，在步骤702提供保险丝，并在步骤704提供控制器。如上所述，在步骤702提供的保险丝可以包含一个或多个冲压金属保险丝元件，其限定包含至少一个弱点的几何形状，且在步骤704提供的控制器可以包含上述控制器。在预期的实施例中，控制器可以内置于保险丝中，并且因此步骤702和704可以在单个步骤中而不是在单独的步骤中实施。在其它预期的实施例中，控制器可以内置于保险丝座或断开开关中，并且因此步骤704可以包含提供保险丝座或包含控制器的断开开关。然而，在其它实施例中，可以以便于评估的另一种方式提供在步骤704提供的控制器。在包含上文预期的一个以上控制器的实施例中，将适当地执行与步骤704类似的附加步骤。当这样提供时，所提供的一个或多个控制器可以在步骤702处提供的保险丝连接到通电的电力系统的时间周期内监测至少一个保险丝疲劳参数。
如步骤706所示，可以提供电流源并且可以由控制器注入电流。例如上文描述的补偿电路可以在保险丝的内部或外部提供，并且可以配置成检测流过保险丝的电流。使用例如上述那些技术，控制器可以被配置为基于来自电流源的保险丝元件上注入的电流来测量保险丝元件的电阻。在一些情况下，在步骤708处表示的可选的单独电流传感器(或多个电流传感器)也可用于促进电阻测量或以其它方式提供评估保险丝元件疲劳问题的一些能力。因此，不一定在所有实施例中都需要电流注入技术和补偿电路。
如步骤720所示，控制器被配置为确定在步骤702提供的保险丝中的保险丝元件的电阻。可以随时间监测此电阻，以确定可以使用上述技术指示保险丝疲劳的进程的电阻变化。
在预期的实施例中，测得的电阻被用作保险丝疲劳参数，其如步骤722所示在某一时间周期内被监测，以评估保险丝元件疲劳的状态或条件。具体地，并且如上所述，在一些实施例中，可以通过控制器将测得的电阻变化与预定的保险丝疲劳电阻曲线图进行比较，如步骤724所示。基于所监测的保险丝疲劳参数(例如，所监测电阻的变化)，控制器进一步被配置为确定如步骤726所示保险丝元件的已消耗使用寿命或如步骤728所示保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个。
一旦确定了已消耗使用寿命和/或剩余使用寿命，控制器就可以传送关于保险丝元件的已消耗使用寿命或保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个的信息，如步骤730所示。可以以例如上文描述或此项技术中已知的任何方式传送寿命信息的通信。尽管在某些系统中无线通信可能是优选的，但在其它系统中有线通信可能是优选的，并且在一些系统中，无线和有线通信都可用于提供冗余通信模态。如上所述，所传送的寿命信息可以在适当的目的地处被接收之前从一个控制器传送到另一控制器(或从一个装置传送到另一装置)，其中可以如步骤732所示产生警报或通知以避免由于疲劳问题导致的保险丝的有害式操作。特别地，信息的传送可以包含与控制器通信的读取器装置或远程装置。在具有多个控制器的实施例中，控制器可以确定信息的仅一部分或将信息的仅一部分传送给另一控制器或装置，所述另一控制器或装置可以进一步处理所接收的信息，直到最终寿命信息在步骤730可用于传送，最终目的是随着保险丝元件接近其寿命终点而在步骤732处进行通知。在适当地产生此通知之前，也可以记录和传送寿命信息以便于数据存档和分析功能性以及期望的报告。
在产生通知732之后，可以提供一些提前时间，使得在保险丝元件由于高级保险丝疲劳而发生故障之前可以主动更换保险丝，以确保不中断电力系统的使用和享受。在例如所讨论的ev电力系统应用等应用中，可以通过避免由于保险丝疲劳引起的保险丝的其它不可预测的有害式操作来增强系统可靠性和用户满意度。
在另一示例性过程中，控制器可以可选地配置成计算与流过保险丝的电流相关联的应变，如步骤734所示。出于步骤720、722和724的目的，计算出的应变可以用作保险丝疲劳参数。在步骤724，控制器可以将计算出的应变与如上所述的预定的保险丝疲劳应变曲线进行比较，以确定保险丝元件的已消耗使用寿命或保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个，如步骤726和728所示。
在另一示例性过程中，控制器可以可选地基于在预定范围内检测到的电流峰值的数目和在计算出的应变下的总失效循环次数来计算疲劳损坏分量，如步骤736所示。此计算可以与步骤734的计算出的应变相关或不相关。无论如何，疲劳损坏组件可以用作步骤720、722和724的保险丝疲劳参数。在步骤724，控制器可以比较累积的疲劳损坏分量并将累积的疲劳与1进行比较，以确定保险丝元件的已消耗使用寿命或保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个，如步骤726和728所示。
因此，可以在相同或不同的实施例中单独地或组合地监测例如电阻的变化、保险丝元件的机械应变的变化和累积的损坏分量等保险丝疲劳参数，以提供各种不同的保险丝疲劳评估系统。在监测一个以上保险丝疲劳参数的实施例中，可以比较结果以提供系统冗余和/或允许例如系统错误检测能力等更高级的系统功能性。在步骤730同样传送基于不同保险丝疲劳参数的一种以上类型的保险丝疲劳评估。
如步骤738所示，控制器可以配置为识别故障条件。在步骤740，控制器还可以被配置为使用例如上述那些技术来识别电力系统中的特定类型的故障电流(例如，基于预定持续时间的评估窗口基于预定持续时间的评估窗口的故障识别)。在步骤742，控制器可以被配置为传送故障电流的类型。特定类型的故障电流的此传送对于随时间对电力系统进行故障排除或优化电力系统可能是有价值的，并且提供关于电力系统中的电气保险丝的性能的实时反馈。
所示和所描述的过程可以在所需电力系统中的多个保险丝上进行缩放，使得可以同时监测多个保险丝的保险丝疲劳问题。通过比较来自一个保险丝的疲劳信息与可能经受相同或不同电流分布的其它保险丝，可以识别和检测保险丝性能的个别变化。在通电电力系统中为多个保险丝收集和传送的信息可以提供有价值的实时反馈，以便随着时间的推移对电力系统进行故障排除或优化电力系统，以及分析和优化电力系统中的电气保险丝的性能。
现在已经在功能方面描述了示例性系统300、500、550和600，所属领域的技术人员可以构建控制电路以实施所描述的控制的方法和过程而无需进一步阐释。可以使用适当的算法等来完成控制器的任何编程以提供期望的效果，这被认为是在所属领域的技术人员的能力范围内。
现在认为已经结合所公开的示例性实施例充分说明了本发明的益处。
已经公开了电气保险丝疲劳评估系统的实施例，包含：控制器，其被配置为在保险丝连接到通电的电力系统的时间周期内监测至少一个保险丝疲劳参数。基于所监测的至少一个保险丝疲劳参数，控制器还被配置为确定保险丝元件的已消耗使用寿命或保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个。
可选地，所述至少一个保险丝疲劳参数可以包含电阻的变化、保险丝元件的机械应变的变化或累积的损坏分量中的一个。
所述系统可以包含电流源，其中控制器被配置为基于来自电流源的保险丝元件上注入的电流来测量保险丝的电阻。控制器可以配置成将测得的电阻与预定的保险丝疲劳电阻曲线图进行比较。所述系统可以包含补偿电路，其被配置为检测流过保险丝的电流。
控制器可以可选地配置为计算与流过保险丝的电流相关的应变。控制器可以配置成将计算出的应变与预定的保险丝疲劳应变曲线进行比较。
控制器可以可选地配置成基于在预定范围内检测到的电流峰值的数目和在计算出的应变下的总失效循环次数来计算疲劳损坏分量。控制器可以被配置为累积计算出的疲劳损坏分量并将累积的疲劳与1进行比较以确定保险丝元件的已消耗使用寿命或保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个。
控制器可以可选地配置成传送关于保险丝元件的已消耗使用寿命或保险丝元件的剩余使用寿命中的至少一个的信息。控制器可以被配置为以无线方式传送信息。
控制器可以可选地配置成识别电力系统中的故障电流类型。控制器可以配置为传送故障电流的类型。控制器可以被配置为以无线方式传送故障类型。控制器可以被配置为基于预定持续时间的评估窗口识别故障电流。
作为不同的选择，控制器可以内置于保险丝中，可以内置于保险丝座中，或者可以内置于断路开关中。所述系统同样可以是与控制器通信的读取器装置或远程装置中的至少一个。
保险丝元件可以是冲压成包含至少一个弱点的几何形状的金属保险丝元件。
此书面描述使用实例来公开本发明，包含最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包含制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利范围由权利要求书限定，并且可包含所属领域的技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构要素，或者如果它们包含与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构要素，则这些其它实例既定在权利要求书的范围内。
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