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DE102022204905B3 - Unterseeboot mit zwei Umrichtern am Fahrmotor - Google Patents

Unterseeboot mit zwei Umrichtern am Fahrmotor Download PDF

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DE102022204905B3
DE102022204905B3 DE102022204905.5A DE102022204905A DE102022204905B3 DE 102022204905 B3 DE102022204905 B3 DE 102022204905B3 DE 102022204905 A DE102022204905 A DE 102022204905A DE 102022204905 B3 DE102022204905 B3 DE 102022204905B3
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Malte Mohr
Norbert Dannenberg
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ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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Abstract

1. Unterseeboot (10) mit einer Batterie (20), einem Bordnetz (60) und einem Fahrmotor (30), wobei die Batterie (20) mit dem Bordnetz (60) elektrisch verbunden ist, wobei der Fahrmotor (30) über einen ersten Umrichter (40) mit dem Bordnetz (60) verbunden ist, wobei zwischen dem Bordnetz (60) und dem ersten Umrichter (40) ein zweiter Umrichter (50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterseeboot (10) einen ersten Überbrückungsschalter (80) zur Überbrückung des zweiten Umrichters (50) aufweist, wobei der erste Überbrückungsschalter (80) geeignet ist, die elektrische Energie bei kleiner Restladung der Batterie (20) und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors (30) durch den zweiten Umrichter (50) zu leiten, und wobei der erste Überbrückungsschalter (80) geeignet ist, die elektrische Energie bei großer Restladung der Batterie (20) und/oder geringer Leistungsanforderung des Fahrmotors (30) an dem zweiten Umrichter (50) vorbei zu leiten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit einem aus wenigstens einer Batterie gespeisten Gleichstrom-Bordnetz und einem Fahrmotor, wobei zwischen dem Bordnetz und dem Fahrmotor nicht nur ein, sondern zwei in Reihe geschaltete Umrichter angeordnet sind.
  • Eine Anforderung an Unterseeboote ist die Geschwindigkeit. Damit der Propellermotor eine hohe Drehzahl abgeben kann, ist eine Spannung notwendig. Das Drehmoment ist hingegen vom Stromfluss abhängig. Daraus ergibt sich, dass für die Fahrt bei höchster Geschwindigkeit sowohl die maximale Spannung als auch der maximale Strom benötigt wird. Als weiterer Punkt kommt hinzu, dass bei einer Batterie, Blei-Akkumulatoren sind nach wie vor die verbreitetste Technologie bei Unterseebooten, die Spannung stark vom Ladezustand und der Belastung der Batterie abhängig ist. Je geringer der Ladezustand ist, um so geringer ist die Ausgangsspannung einer Batterie. Weiter ist die maximale Spannung einer Batterie, ausgenommen ist hier der Ladebetrieb, auch nur stromlos zu erreichen, bei höheren Strömen sinkt die Spannung. Damit ein Unterseeboot die geforderte Geschwindigkeit fahren kann, muss diese über alle Ladezustände der Batterie bis zu der in der Batterie noch zur Verfügung stehenden Restladung erreicht werden können. Das wiederum führt dazu, dass der Umrichter vor dem Fahrmotor so ausgelegt wird, dass bei praktischer leerer Batterie, also geringster Spannung, der maximale Strom fließt. Der Regelbetrieb beim Unterseeboot ist jedoch, dass meist die Batterie einen höheren Ladezustand, und daraus resultierend eine höhere Spannung, aufweist und nur eine geringe Leistung gebraucht wird, da eine geringere Geschwindigkeit gefahren wird. Daher ist insbesondere der Umrichter für die überwiegende Zeit des Einsatzes überdimensioniert.
  • Aus der DE 10 2019 131 085 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung, eine elektrische Schaltung und ein Kraftfahrzeug bekannt.
  • Aus der US 2019 / 0 168 628 A1 ist ein elektrisches Bordsystem zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bekannt.
  • Aus de Melo, Rodnei Regis, u. a. „Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Electric Vehicle Applications Based on Multiple Energy Storage Devices“. Electrical Engineering, Bd. 102, Nr. 4, Dezember 2020, S. 2011-23. Springer Link, https://doi.org/10.1007/s00202-020-01009-3 sind entsprechende elektrische Systeme bekannt.
  • Aus der EP 3 078 536 A1 ist ein Energiespeichersystem mit einer Reichweitenerweiterung und ein Energiemanagement- und -kontrollverfahren bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, welches im Regelbetrieb optimal arbeitet, die geforderten Extremwerte aber dennoch zu leisten vermag.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie das Verfahren mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
  • Das erfindungsgemäße Unterseeboot weist eine Batterie, ein Bordnetz und ein Fahrmotor auf. In üblicher Weise ist die Batterie mit dem Bordnetz elektrisch verbunden. Weiter üblich ist der Fahrmotor über einen ersten Umrichter mit dem Bordnetz verbunden. Das Bordnetz wird aus der Batterie gespeist und ist daher ein Gleichstromnetzwerk. Der Fahrmotor ist üblicher Weise ein Wechselstrommotor. Daher ist der erste Umrichter üblicher Weise ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter. Über den ersten Umrichter erfolgt die Ansteuerung des Motors, da dieser beispielsweise die am Motor anliegende Spannung einstellt, welche einen direkten Zusammenhang zur Drehzahl hat und auf diese oder andere an sich bekannte Weise die Drehzahl des Propellers und damit die Geschwindigkeit des Unterseebootes eingestellt wird.
  • Üblicherweise weist das Unterseeboot eine Vielzahl an weiteren Komponenten auf. Insbesondere weist das Unterseeboot bevorzugt einen Dieselgenerator auf, welcher aufgetaucht oder bei Schnorchelfahrt dazu dient, die Batterie zu laden und/oder den Fahrmotor anzutreiben. Zusätzlich kann das Unterseeboot auch eine außenluftunabhängige Energieversorgung, beispielsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweisen, die ebenfalls mit dem Bordnetz verbunden ist. Weiter weisen Unterseeboote eine Vielzahl an weiteren Verbrauchern auf. Der Fahrmotor ist üblicherweise jedoch der Verbraucher, welcher die höchste elektrische Leistung aus dem Bordnetz entnehmen kann.
  • Erfindungsgemäß ist zwischen dem Bordnetz und dem ersten Umrichter ein zweiter Umrichter angeordnet. Dieser Umrichter dient nun dazu, wenigstens zeitweise, insbesondere bei geringer Restladung (Restkapazität) der Batterie und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors die Spannung aus dem Bordnetz anzuheben. Damit kann der erste Umrichter kleiner ausgelegt werden, da bei höherer Spannung die auf der Eingangsseite vom Bordnetz einfließenden Ströme geringer sind. Der zweite Umrichter muss, da dieser nur bei hohen Geschwindigkeiten und damit verbundener hoher Geräuschentwicklung eingesetzt wird, nicht wie der erste Umrichter auf die Signatur optimiert sein, sodass der zweite Umrichter einfacher ausgelegt werden kann.
  • Es ist üblich, dass Unterseeboote mehrere gleichartige Komponenten aufweisen. Insbesondere ist es üblich, dass ein Unterseeboot nicht nur eine Batterie, sondern wenigstens zwei Batterien aufweist. Außerdem sind regelmäßig mindestens zwei Teilbordnetze anstelle nur eines Bordnetzes vorhanden. Hierdurch soll die Funktionsfähigkeit des Unterseebootes auch beim Ausfall eines Teilbordnetzes, wenn auch gegebenenfalls eingeschränkt, gegeben bleiben. Daher ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass ein Unterseeboot auch die jeweiligen Komponenten mehr als einmal aufweisen kann.
  • Erfindungsgemäß weist das Unterseeboot einen ersten Überbrückungsschalter zur Überbrückung des zweiten Umrichters auf. Damit kann der Strom beispielsweise bei kleiner Leistung oder hoher Spannung aufgrund voller Batterie direkt an dem zweiten Umrichter vorbeigeführt werden. Hierdurch werden zum einen elektrische Verluste im zweiten Umrichter vermieden, was wiederum die Riechweite vergrößert. Weiter kann hierdurch jede Emission, welche die Signatur verschlechtern würde, vermieden werden.
  • Auch kann der zweite Umrichter auf einen kleineren Spannungsbereich ausgelegt und optimiert werden.
  • Beispielswiese kann dazu ein Spannungsmesser und/oder ein Strommesser am Bordnetz angeschlossen sein kann. Der Spannungsmesser und/oder der Strommesser können mit dem Überbrückungsschalter derart wirkverbunden sein, dass der Schalter bei hohen Spannungen oder geringer Leistung geschlossen ist und bei kleinen Spannungen geöffnet ist. Die Wirkverbindung kann dabei eine elektrische Schaltung oder einen Regler umfassen, die den Schalter in Abhängigkeit der Spannung oder Leistung entsprechend betätigen.
  • Ebenso kann beispielsweise ein Spannungsmesser mit dem Zwischenkreis, dem Gleichstromteil zwischen dem zweiten Umrichter und dem ersten Umrichter verbunden sein. Dieser ist üblicherweise ohnehin für die Regelung des ersten Umrichters entsprechend der Leistungsvorgabe für den Fahrmotor vorhanden. Anhand dieser gemessenen Spannung in Zwischenkreis wird die Regelung des ersten Umrichters vorgenommen, um die für die vorgegebene Umdrehungsgeschwindigkeit des Fahrmotors benötigte Spannung einzustellen. Ist eine entsprechende Regelung nicht möglich, da die Spannung im Zwischenkreis zu gering ist, so wird der Überbrückungsschalter geöffnet, sodass die Spannung zwischen dem Bordnetz und dem Zwischenkreis durch den zweiten Umrichter angehoben wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bilden der erste Umrichter und der zweite Umrichter einen indirekten Umrichter, teilweise auch Zwischenkreisumrichter genannt. Die drei oder mehr Anschlüsse der Eingangsphasen der Bordnetzseite des indirekten Umrichters sind mit dem einen Pol des Bordnetzes verbunden. Der zweite Pol ist mit dem analogen zweiten Pol des Gleichstromteils des indirekten Umrichters verbunden. Während ein indirekter Umrichter eigentlich zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine andere dient, wird der indirekte Umrichter hier anders verwendet, um in einem ersten Schritt die Spannung aus dem Bordnetz zu erhöhen und in dem zweiten Schritt diese dann in eine Wechselspannung umzuwandeln. Die Verwendung eines indirekten Umrichters hat dennoch zwei Vorteile. Zum einen sind durch die drei oder mehr Eingangsphasen auch auf der Bordnetzseite drei oder mehr Baugruppen vorhanden, welche somit parallel geschaltet werden. Hierdurch wird die Leistungsaufnahme vergleichmäßigt und die Schwankungen aus dem Wechselstrom werden abgemildert. Dieses hat Vorteile für weitere mit dem Bordnetz verbundene elektrischen Verbraucher. Zum anderen kann hierdurch auf Standardkomponenten zurückgegriffen werden. Besonders bevorzugt ist ein Überbrückungsschalter zwischen der ersten Phase des Bordnetzes und der ersten Phase des Gleichstromteils des indirekten Umrichters angeordnet. Ist dieser geschlossen, so kann der Strom direkt aus dem Bordnetz nur durch den zweiten Teil des indirekten Umrichters, welcher den ersten Umrichter bildet, fließen. Der erste Teil, welcher den zweiten Umrichter bildet, wird umgangen, elektrische Verluste sowie die Signatur verschlechternde Emissionen sind vermieden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Umrichter ein Hochsetzsteller.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Unterseebootes. Das Verfahren unterscheidet zwei wesentliche Betriebszustände. Der erste Betriebszustand ist bei kleiner Restladung der Batterie und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors, also der Zustand, der spezifikationswesentlich ist, beispielsweise um bei einer Flucht, sich dem Feind möglichst schnell zu entziehen. Aufgrund der geringen Restladung und zusätzlich des hohen fließenden Stroms, ist die von der Batterie bereitgestellte Spannung minimal. In diesem ersten Betriebszustand wird die elektrische Energie bei kleiner Restladung der Batterie und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors durch den zweiten Umrichter geleitet. Hierdurch kann durch den zweiten Umrichter dem ersten Umrichter eine höhere Spannung zur Verfügung gestellt werden als die von der Batterie bereitgestellte Spannung. Dadurch muss der erste Umrichter nicht auf diesen für den ersten Umrichter ungünstigen Betriebspunkt ausgelegt sein. Weiter gibt es einen zweiten Betriebszustand. Beim zweiten Betriebszustand ist durch eine große Restladung der Batterie und/oder eine geringe Leistungsanforderung gekennzeichnet. Somit umfasst der zweite Betriebszustand eine große Restladung der Batterie und/oder eine geringe Leistungsanforderung (Spannung hoch, Strom klein), eine große Restladung der Batterie und eine hohe Leistungsanforderung (Spannung hoch, Strom hoch, aber nicht maximal) sowie eine kleine Restladung der Batterie und eine geringe Leistungsanforderung (Spannung niedrig, Strom niedrig). Die elektrische Energie wird bei großer Restladung der Batterie und/oder geringer Leistungsanforderung an dem zweiten Umrichter vorbei geleitet. Dadurch werden im zweiten Betriebszustand unnötige elektrische Verluste und die Signatur verschlechternde Emissionen vermieden.
  • Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Bordnetz des Unterseeboots für einen Spannungsbereich im Normalbetrieb ausgelegt ist, der zwischen einer maximalen Bordnetzspannung Umax und einer minimalen Bordnetzspannung Umin liegt. Es kann dabei ein Spannungsmesser am Bordnetz angeschlossen sein, der mit dem Überbrückungsschalter der Betriebszustände wechselwirkt. Sobald die gemessene Spannung im Bordnetz eine Spannungsschwelle erreicht oder diese unterschritten wird, wird der Überbrückungsschalter geschlossen und der erste Betriebszustand liegt vor. Ist die Spannung oberhalb der Spannungsschwelle oder steigt wieder über diese Spannungsschwelle, ist der Überbrückungsschalter geöffnet und der zweite Betriebszustand liegt vor. Die Spannungsschwelle liegt dabei bevorzugt im Bereich von Umin bis (Umin + 0,5 * (Umax- Umin)), besonders bevorzugt im Bereich von Umin bis (Umin + 0,25 * (Umax- Umin)), und ganz besonders bevorzugt im Bereich von Umin bis (Umin + 0,1 * (Umax- Umin)).
  • In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Überbrückungsschalter durch einen Regler gesteuert wird. Der Regler kann dabei mit einem Spannungsmesser und einem Strommesser verbunden sein. Der Regler ermittelt aus den im Bordnetz vorhandenen Größen von Strom und Spannung einerseits die Bordnetzspannung und andererseits die zum ersten Umrichter fließende Leistung. Im Regler ist ein Kennfeld aus verschiedenen Wertepaaren von Leistung und Bordnetzspannung hinterlegt bei denen der Überbrückungsschalter geöffnet oder geschlossen sein soll, so dass der Regler anhand der ermittelten Wertepaare den Überbrückungsschalter schließt oder öffnet. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Überbrückungsschalter immer dann geöffnet ist, wenn im Kennfeld eine Spannungsschwelle unterschritten ist und/oder eine Leistungsschwelle überschritten wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mehrere erste Umrichter parallelgeschaltet sind, um beispielsweise einen Verbraucher, wie den Motor, oder verschiedene Verbraucher zu versorgen. In einer ersten Variante dieser Ausführungsform ist jedem ersten Umrichter ein zweiter Umrichter zugeordnet und die erfindungsgemäßen Anordnungen sind ebenfalls parallel am Bordnetz angeschlossen. In einer zweiten Variante ist den parallel angeschlossenen ersten Umrichtern ein einziger zweiter Umrichter vorgeschaltet, der die ersten Umrichter mit einer höheren Spannung versorgt.
  • Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterseeboot anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • 1 Unterseeboot
    • 2 indirekter Umrichter
    • 3 indirekter Umrichter mit Spannungsmessung am Bordnetz
    • 4 indirekter Umrichter mit Spannungsmessung am Zwischenkreis
  • In 1 ist ein Unterseeboot 10 gezeigt. Aus einer Batterie 20 wird ein Bordnetz 60 gespeist. Der Fahrmotor 30 treibt einen Propeller 70 an. Der Fahrmotor 30 ist mit dem Bordnetz über einen zweiten Umrichter 50 und einen ersten Umrichter 40 verbunden.
  • Der Bereich zwischen dem Bordnetz 60 und dem Fahrmotor 30 ist in 2 beispielhaft detaillierter dargestellt. Der erste Umrichter besteht aus sechs Gruppen aus jeweils einer Diode und einem Transistor sowie zusätzlich einer Kapazität. Durch die Ansteuerung der Transistoren kann in bekannter Weise ein Drei-Phasen-Drehstrom erzeugt werden.
  • Bei großer Restladung der Batterie 20 und/oder geringer Leistungsanforderung des Fahrmotors 30 wird der Überbrückungsschalter 80 geschlossen. Damit fließt der Strom am zweiten Umrichter 50 vorbei. In diesem Betriebszustand verhält sich das Unterseeboot 10 wie ein Unterseeboot 10 nach dem Stand der Technik. Der erste Umrichter 40 kann jedoch erfindungsgemäß kleiner ausgelegt werden, da bei kleiner Restladung der Batterie 20 und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors 30 der Überbrückungsschalte 80 geöffnet wird. Nun fließt der Strom auch durch den zweiten Umrichter 50. Der zweite Umrichter ist im gezeigten Beispiel dreipolig ausgeführt, sodass der erste Umrichter 40 und der zweite Umrichter 50 zusammen einen indirekten Umrichter bilden. Der zweite Umrichter weist drei Gruppen auf, welche jeweils eine Spule sowie zwei Gruppen aus jeweils einer Diode und einem Transistor aufweisen. Alle drei Gruppen sind vor den Spulen an einer Phase elektrisch mit einander verbunden.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem indirekten Umrichter, welcher zusätzlich zum in 2 gezeigten indirekten Umrichter einen Spannungsmesser 100 aufweist, welcher mit dem Bordnetz 60 verbunden ist. In Abhängigkeit der vom Spannungsmesser 100 erfassten Spannung kann die Regelschaltung 90 den Überbrückungsschalter 80 öffnen oder schließen.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform mit einem indirekten Umrichter, welcher zusätzlich zum in 2 gezeigten indirekten Umrichter einen Spannungsmesser 100 aufweist, welcher mit dem Zwischenkreis verbunden ist. In Abhängigkeit der vom Spannungsmesser 100 erfassten Spannung kann die Regelschaltung 90 den Überbrückungsschalter 80 öffnen oder schließen.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Unterseeboot
    20
    Batterie
    30
    Fahrmotor
    40
    erster Umrichter
    50
    zweiter Umrichter
    60
    Bordnetz
    70
    Propeller
    80
    Überbrückungsschalter
    90
    Regelschaltung
    100
    Spannungsmesser

Claims (5)

  1. Unterseeboot (10) mit einer Batterie (20), einem Bordnetz (60) und einem Fahrmotor (30), wobei die Batterie (20) mit dem Bordnetz (60) elektrisch verbunden ist, wobei der Fahrmotor (30) über einen ersten Umrichter (40) mit dem Bordnetz (60) verbunden ist, wobei zwischen dem Bordnetz (60) und dem ersten Umrichter (40) ein zweiter Umrichter (50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterseeboot (10) einen ersten Überbrückungsschalter (80) zur Überbrückung des zweiten Umrichters (50) aufweist, wobei der erste Überbrückungsschalter (80) geeignet ist, die elektrische Energie bei kleiner Restladung der Batterie (20) und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors (30) durch den zweiten Umrichter (50) zu leiten, und wobei der erste Überbrückungsschalter (80) geeignet ist, die elektrische Energie bei großer Restladung der Batterie (20) und/oder geringer Leistungsanforderung des Fahrmotors (30) an dem zweiten Umrichter (50) vorbei zu leiten.
  2. Unterseeboot (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umrichter (40) ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter ist und der Fahrmotor (30) ein Wechselstrommotor ist, wobei das Bordnetz (60) ein Gleichspannungsnetz ist.
  3. Unterseeboot (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umrichter (40) und der zweite Umrichter (50) einen indirekten Umrichter bilden, wobei die drei Phasen der Bordnetzseite des indirekten Umrichters mit der einen Phase des Bordnetzes (60) verbunden sind.
  4. Unterseeboot (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umrichter ein Hochsetzsteller ist.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie bei kleiner Restladung der Batterie (20) und hoher Leistungsanforderung des Fahrmotors (30) durch den zweiten Umrichter (50) geleitet wird und dass die elektrische Energie bei großer Restladung der Batterie (20) und/oder geringer Leistungsanforderung des Fahrmotors (30) an dem zweiten Umrichter (50) vorbei geleitet wird.
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Title
de Melo, Rodnei Regis, u. a. „Interleaved Bidirectional DC–DC Converter for Electric Vehicle Applications Based on Multiple Energy Storage Devices". Electrical Engineering, Bd. 102, Nr. 4, Dezember 2020, S. 2011–23. Springer Link, https://doi.org/10.1007/s00202-020-01009-3.

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