DE102020203469A1 - Method for operating a lithium accumulator on an on-board network designed for lead accumulators in a submarine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers 30, 32 an Bord eines Unterseeboots, wobei der Gleichspannungswandler 30, 32 zwischen wenigstens einem ersten Lithium-Akkumulator 20 und einem ersten Bordnetz 60 des Unterseeboots angeordnet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:a) Messen der am Bordnetz 60 anliegenden Spannung,b) Messen des in das Bordnetz 60 fließenden Stromes,c) Detektieren eines potentiellen Kurzschlusses im Bordnetz 60 aufgrund geringer Spannung und hohen Stromes,d) befristetes Anheben des maximalen Stromes für die anliegende Spannung.The present invention relates to a method for operating a DC voltage converter 30, 32 on board a submarine, the DC voltage converter 30, 32 being arranged between at least one first lithium battery 20 and a first on-board network 60 of the submarine, the method having the following steps: a) measuring the voltage applied to the vehicle electrical system 60, b) measuring the current flowing into the vehicle electrical system 60, c) detecting a potential short circuit in the vehicle electrical system 60 due to low voltage and high current, d) temporarily increasing the maximum current for the applied voltage.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler für einen Lithium-Akkumulator, welcher als Ersatz für einen Bleiakkumulator in einem Unterseeboot eingesetzt werden kann, und wobei der Lithium-Akkumulator im Falle eines Kurzschlusses sich durch den Gleichspannungswandler wie ein Bleiakkumulator verhält und so die Sicherungen, welche auf die Bleiakkumulatoren ausgelegt sind, auszulösen vermag.The invention relates to a DC / DC converter for a lithium battery, which can be used as a replacement for a lead-acid battery in a submarine, and wherein the lithium battery in the event of a short circuit behaves like a lead-acid battery due to the DC / DC converter and so the fuses that are on the Lead-acid batteries are designed to be able to trigger.
Aktuell werden Unterseeboote regelmäßig mit Bleiakkumulatoren ausgestattet. Dieses liegt unter anderen an der Bewährtheit des Systems, der Verfügbarkeit als zertifiziertes Bauteil sowie der einfachen Vergrößerung der einzelnen Zelle. Im Ergebnis sind die elektrischen Systeme aktueller Unterseeboote auf die verwendeten Bleiakkumulatoren ausgelegt. Dieses betrifft auch beispielsweise die in den Unterseebooten verwendeten Sicherungen.Currently, submarines are regularly equipped with lead-acid batteries. This is due, among other things, to the proven system, its availability as a certified component and the simple enlargement of the individual cell. As a result, the electrical systems of current submarines are designed for the lead-acid batteries used. This also applies, for example, to the fuses used in the submarines.
Aktuell wird zunehmend die Verwendung von Akkumulatoren auf Lithium-Basis diskutiert, da diese eine höhere Energiedichte aufweisen können als vergleichbare Bleiakkumulatoren. Um bestehende Unterseeboote nachrüsten zu können, werden die neuen Akkumulatoren vorzugsweise im Formfaktor der bisherigen Bleiakkumulatoren konstruiert, wodurch diese einfach austauschbar werden. Da die einzelnen Elementarzellen bei einem Lithium-Akkumulator deutlich kleiner sind als die einzelnen Elementarzellen bei einem Bleiakkumulator und aufgrund der unterschiedlichen Spannungen werden Lithium-Akkumulatoren oft strangweise über Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz des Unterseebootes verbunden. Des Weiteren haben Lithium-Akkumulatoren einen sehr geringen Innenwiderstand und aufgrund der kleineren Zellen werden viele parallel geschaltet, sodass bei einem Lithium-Akkumulator, welcher direkt angesprochen wird, sehr hohe Kurzschlussströme auftreten würden. Dieses Problem kann ebenfalls durch einen Gleichspannungswandler und die dadurch erzeugte Trennung der Netze vermieden werden.The use of rechargeable batteries based on lithium is currently being discussed increasingly, as these can have a higher energy density than comparable lead-acid batteries. In order to be able to retrofit existing submarines, the new batteries are preferably designed in the form factor of the previous lead-acid batteries, making them easy to replace. Since the individual elementary cells in a lithium accumulator are significantly smaller than the individual elementary cells in a lead accumulator and due to the different voltages, lithium accumulators are often connected to the submarine's on-board network via DC voltage converters. Furthermore, lithium accumulators have a very low internal resistance and, due to the smaller cells, many are connected in parallel, so that very high short-circuit currents would occur in a lithium accumulator that is addressed directly. This problem can also be avoided by using a DC voltage converter and the resulting separation of the networks.
Durch die Gleichspannungswandler kommt es zu einer galvanischen Trennung zwischen Lithium-Akkumulatoren und dem Bordnetz. Es hat sich daher als Problem herausgestellt, dass die auf Bleiakkumulatoren ausgelegten Sicherungen mit neuen Lithium-Akkumulatoren nicht mehr zuverlässig auslösen, wenn ein Kurzschluss auftritt, da die zum Auslösen notwendigen Kurzschlussströme durch die Gleichspannungswandler herab geregelt werden.The DC voltage converter creates a galvanic separation between the lithium batteries and the on-board network. It has therefore turned out to be a problem that the fuses designed for lead-acid batteries with new lithium batteries no longer reliably trigger when a short circuit occurs, since the short-circuit currents necessary for triggering are regulated down by the DC voltage converters.
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, die Umrüstung eines Unterseeboots von Bleiakkumulatoren auf Lithium-Akkumulatoren zu ermöglichen, ohne das gesamte Bordnetz umbauen zu müssen.The object of the invention is to enable a submarine to be converted from lead-acid batteries to lithium batteries without having to convert the entire on-board network.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch das Unterseeboot mit den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.This object is achieved by the method with the features specified in claim 1 and by the submarine with the features specified in claim 3. Advantageous developments result from the subclaims, the following description and the drawing.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Betreiben eines Gleichspannungswandlers an Bord eines Unterseeboots. Der Gleichspannungswandler ist zwischen wenigstens einem ersten Lithium-Akkumulator und einem ersten Bordnetz des Unterseeboots angeordnet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a) Messen der am Bordnetz anliegenden Spannung,
- b) Messen des in das Bordnetz fließenden Stromes,
- c) Detektieren eines potentiellen Kurzschlusses im Bordnetz aufgrund der in Schritt a) gemessenen Spannung und des in Schritt b) gemessenen Stromes,
- d) befristetes Anheben der Stromabgabe bis zu einem maximalen Strom für die detektierte Spannung im Bordnetz.
- a) measuring the voltage applied to the vehicle electrical system,
- b) measuring the current flowing into the vehicle electrical system,
- c) Detecting a potential short circuit in the vehicle electrical system based on the voltage measured in step a) and the current measured in step b),
- d) Temporary increase in the current output up to a maximum current for the detected voltage in the vehicle electrical system.
Bevorzugt ist das Bordnetz des Unterseebootes auf die Anbindung an einen Bleiakkumulator ausgelegt. Besonders bevorzugt wurde ein Bleiakkumulator des Unterseebootes durch einen Lithium-Akkumulator ausgetauscht.The on-board network of the submarine is preferably designed for connection to a lead-acid battery. A lead-acid battery in the submarine was particularly preferably exchanged for a lithium battery.
Der Gleichspannungswandler, auch Gleichstromsteller oder DC-DC-Wandler genannt, verbindet elektrisch den Lithium-Akkumulator mit dem Bordnetz. Die elektrische Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers ist allgemein bekannt und kann in verschiedenen an sich bekannten Schaltungstopologien realisiert werden. Für die Erfindung wesentlich ist, dass eine Topologie gewählt wird, die zu einer galvanischen Trennung der Batterie vom Bordnetz führt. Beispiele für geeignete Topologien sind Sperrwandler, Eintaktflusswandler, Gegentaktflusswandler oder Resonanzwandler. Beispielsweise wird beim Gegentaktflusswandler der Gleichstrom zunächst in Wechselstrom umgewandelt, transformiert und anschließend wieder in Gleichstrom umgewandelt. Um den Lithium-Akkumulator entladen und laden zu können, ist der Gleichspannungswandler bevorzugt symmetrisch aufgebaut. Durch den Gleichspannungswandler wird die vom Lithium-Akkumulator bereit gestellte Spannung an die Spannung des Bordnetzes angepasst. Ein Beispiel für einen solchen Gleichspannungswandler ist zum Beispiel in der
Das Messen der am Bordnetz anliegenden Spannung in Schritt a) und das Messen des aus dem Gleichspannungswandler in das Bordnetz fließenden Stromes in Schritt b) können gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge erfolgen. Bevorzugt werden beide Messungen kontinuierlich durchgeführt. Die Messungen erfolgen dabei bevorzugt direkt am Anschluss des Gleichspannungswandlers im Bordnetz. Sie können aber auch entfernt vom Gleichspannungswandler an einem anderen Punkt im Bordnetz erfolgen. Die Spannung und der Strom können auch an verschiedenen Punkten gemessen werden, beispielsweise kann der Strom direkt am Anschluss des Gleichspannungswandlers am Bordnetz und die Spannung an einem entfernten Punkt gemessen werden. Es kann besonders bevorzugt sein, dass die Spannung an mehreren Punkten im Bordnetz gemessen wird und der Steuerung zugeführt wird, so dass entweder eine Mehrzahl an Spannungen oder ein Mittelwert berücksichtigt wird. Im Normalfall erfolgt insbesondere mittels der in Schritt a) gemessenen Spannung die aktive Steuerung des Gleichspannungswandlers. Wird festgestellt, dass bei einer sehr geringen Spannung (erstes Anzeichen auf einen Kurzschluss) ein hoher Strom fließt (zweites Anzeichen auf einen Kurzschluss) führt dieses dazu, dass für einen kurzen, befristeten Zeitraum in Schritt d) die Steuerung des Gleichspannungswandlers den maximal fließenden Strom anhebt. Die zeitliche Begrenzung ist notwendig, um eine dauerhafte Überlastung der Kabel und Stecker mit hohen Kurzschlussströmen und daraus resultierende Schäden zu vermeiden. Die Begrenzung des maximal fließenden Stromes soll gerade dazu dienen, eine entsprechende Belastung und dadurch im Extremfall ein thermisches Durchgehen des Lithium-Akkumulators zu verhindern und die am Bordnetz verbauten Komponenten vor den sehr hohen Kurzschlussströmen der Lithium-Akkumulatoren zu schützen. Durch die zeitlich begrenzte Anhebung, kann ein ausreichend hoher Strom zur Verfügung gestellt werden, sodass auch eine auf einen Bleiakkumulator ausgelegte Sicherung bei einem Kurzschluss ansprechen kann.The measurement of the voltage applied to the vehicle electrical system in step a) and the measurement of the current flowing from the DC voltage converter into the vehicle electrical system in step b) can take place simultaneously or in any order. Both measurements are preferably carried out continuously. The measurements are preferably carried out directly at the connection of the DC voltage converter in the vehicle electrical system. However, they can also be carried out at a different point in the vehicle electrical system away from the DC / DC converter. The voltage and the current can also be measured at different points, for example the current can be measured directly at the connection of the DC voltage converter to the vehicle electrical system and the voltage can be measured at a remote point. It can be particularly preferred that the voltage is measured at several points in the vehicle electrical system and fed to the controller, so that either a plurality of voltages or an average value is taken into account. In the normal case, the active control of the DC voltage converter takes place in particular by means of the voltage measured in step a). If it is determined that at a very low voltage (first sign of a short circuit) a high current is flowing (second sign of a short circuit), this means that for a short, limited period of time in step d) the control of the DC / DC converter controls the maximum current flowing raises. The time limit is necessary to avoid permanent overloading of the cables and connectors with high short-circuit currents and the resulting damage. The purpose of limiting the maximum current flowing is to prevent a corresponding load and, in extreme cases, thermal runaway of the lithium battery and to protect the components installed in the on-board network from the very high short-circuit currents of the lithium batteries. Due to the temporary increase, a sufficiently high current can be made available so that a fuse designed for a lead-acid battery can also respond in the event of a short circuit.
Das Detektieren eines potentiellen Kurzschlusses im Bordnetz erfolgt aufgrund die in Schritt a) gemessenen Spannung und dem in Schritt b) gemessenem Strom. Im einfachsten Fall kann aus Strom und Spannung kontinuierlich der Widerstand des Bordnetzes ermittelt werden. Beispielsweise kann ein rasches Absinken oder ein Unterschreiten eines Schwellwertes zur Detektion eines Kurzschlusses im einfachsten Fall herangezogen werden. Neben einfachen Methoden können auch andere, dem Fachmann bekannte Methoden zur Detektion eines Kurzschlusses herangezogen werden.A potential short circuit in the vehicle electrical system is detected on the basis of the voltage measured in step a) and the current measured in step b). In the simplest case, the resistance of the on-board network can be determined continuously from current and voltage. For example, a rapid drop or fall below a threshold value can be used to detect a short circuit in the simplest case. In addition to simple methods, other methods known to the person skilled in the art for detecting a short circuit can also be used.
Die selektive Erfassung des Kurzschlusses kann dabei über verschiedene Charakteristiken des Stroms und der Spannung erfolgen. Die Spannung kann gemessen werden und bei einem schnellen Abfall und je nach Tiefe des Einbruchs kann die Steuerung nach Ablauf verschiedener Zeiten das Auslösen des Verfahrens durchführen. The selective detection of the short circuit can take place via various characteristics of the current and the voltage. The voltage can be measured and in the event of a rapid drop and depending on the depth of the dip, the control can initiate the method after various times have elapsed.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass zusätzlich oder alternativ die Veränderung des Stroms und/oder der Spannung über die Zeit erfasst wird, so dass bei besonders starken Änderungen, die außerhalb normaler Lastsprünge liegen ein Kurzschluss schnell erkannt wird.It can further be provided that, in addition or as an alternative, the change in the current and / or the voltage is recorded over time, so that a short circuit is quickly detected in the event of particularly strong changes that are outside normal load jumps.
Des Weiteren kann die Steuerung mit anderen Steuerungen verbunden sein, so dass die Ladezustände aller am Bordnetz angeschlossenen Batterien, Schaltzustände und/oder Zustände von Systemen an Bord erfasst werden, so dass erkannt wird, ob die Veränderung der Spannung oder des Stroms aufgrund der Ladezustände anderer Lithium-Akkumulatoren, Schaltvorgängen an Bord oder Steuerungseingriffen anderer Systeme erfolgt. Beispielsweise würde so verhindert, dass ein Zuschalten einer höheren Laststufe am Fahrmotor irrtümlich als Kurzschluss erkannt wird.Furthermore, the control can be connected to other controls so that the charge status of all batteries connected to the on-board network, switching statuses and / or statuses of systems on board are recorded, so that it is recognized whether the change in voltage or current is due to the charge statuses of others Lithium batteries, switching operations on board or control interventions of other systems takes place. For example, this would prevent switching on a higher load level on the traction motor from being mistakenly recognized as a short circuit.
Lithium-Akkumulator ist im Sinne der Erfindung breit zu verstehen. Ein Unterseeboot weist beispielsweise üblicherweise nicht einen einzelnen Akkumulator auf, sondern ein kaskadiertes System aus Akkumulatoren. Der Energiespeicher eines Unterseebootes besteht üblicherweise aus etwa 10 bis 50 Strängen, wobei jeder Strang über einen Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden ist. Daher ist üblicherweise ein Strang mit einem Lithium-Akkumulator im Sinne der Erfindung gleichzusetzen. Jeder Strang weist üblicher Weise etwa 4 bis 10 Module auf und jedes Modul besteht beispielsweise aus 20 bis 500 Ein-Zellen-Akkumulatoren.Lithium accumulator is to be understood broadly in the context of the invention. A submarine, for example, usually does not have a single accumulator, but a cascaded system of accumulators. The energy store of a submarine usually consists of about 10 to 50 strings, each string being connected to the on-board network via a DC voltage converter. A string is therefore usually to be equated with a lithium accumulator for the purposes of the invention. Each string usually has about 4 to 10 modules and each module consists, for example, of 20 to 500 single-cell accumulators.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das befristete Anheben des maximalen Stromes in Schritt d) für einen Zeitraum von 100 ms bis 2 s, bevorzugt von 200 ms bis 1 s. Innerhalb dieses Zeitraumes ist eine erhöhte Belastung der am Bordnetz verbauten Komponenten unkritisch. Bei längeren Zeiten würde das Risiko überproportional ansteigen. Kürze Zeiten reichen üblicher Weise hingegen nicht aus, um die auf Bleiakkumulatoren ausgelegten Sicherungen zum Ansprechen zu bringen.In a further embodiment of the invention, the temporary raising of the takes place maximum current in step d) for a period of 100 ms to 2 s, preferably from 200 ms to 1 s. During this period, an increased load on the components installed on the vehicle electrical system is not critical. With longer times, the risk would increase disproportionately. However, short times are usually not sufficient to trigger the fuses designed for lead-acid batteries.
In weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterseeboot mit einem Bordnetz und wenigstens einem Lithium-Akkumulator. Das Bordnetz und der wenigstens eine Lithium-Akkumulator sind über einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler verbunden, wobei der Gleichspannungswandler zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.In a further aspect, the invention relates to a submarine with an on-board network and at least one lithium battery. The vehicle electrical system and the at least one lithium accumulator are connected via a galvanically isolating DC voltage converter, the DC voltage converter being designed to carry out the method according to the invention.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Schiffskörper des Unterseebootes als elektrische Erde verwendet. Das Unterseeboot weist eine erste Widerstandsmessvorrichtung zwischen dem Bordnetz und dem Schiffskörper auf. Diese Widerstandsmessung ist üblich, um Isolationsdefekte festzustellen. Tritt nur ein Defekt auf, so ist dieses unkritisch, kann aber über die Widerstandsmessung leicht festgestellt werden und somit behoben werden. Würde ein zweiter Isolationsdefekt auftreten, könnte es zu einem Kurzschluss über den Schiffskörper kommen. Zusätzlich ist zwischen dem Stromkreis zwischen Lithium-Akkumulator und dem Gleichspannungswandler und dem Schiffskörper eine zweite Widerstandsmessvorrichtung angeordnet. Durch die galvanische Trennung durch den Gleichspannungswandler muss für jedes einzelne Netz eine getrennte Messung vorgenommen werden. Werden mehrere Stränge über Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden, so weist jedes Netz eines Stranges eine eigene Widerstandsmessvorrichtung auf. Hierdurch können Isolationsdefekte im Bordnetz oder in den Strangnetzen leicht und schnell identifiziert werden.In a further embodiment of the invention, the hull of the submarine is used as electrical earth. The submarine has a first resistance measuring device between the electrical system and the hull. This resistance measurement is common to determine insulation defects. If only one defect occurs, this is not critical, but it can easily be determined by means of the resistance measurement and thus remedied. If a second insulation defect occurs, a short circuit could occur across the hull. In addition, a second resistance measuring device is arranged between the circuit between the lithium accumulator and the DC voltage converter and the hull. Due to the galvanic isolation by the DC voltage converter, a separate measurement must be made for each individual network. If several strings are connected to the vehicle electrical system via DC voltage converters, each network of a string has its own resistance measuring device. This enables insulation defects in the on-board network or in the line networks to be identified quickly and easily.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterseeboot anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 Schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Unterseebootes
-
1 Schematic sketch of a submarine according to the invention
In
Im gezeigten Beispiel besteht der erste Lithium-Akkumulator
Um Isolationsdefekte in den Netzen feststellen zu können, weist das Unterseeboot drei Widerstandsmessvorrichtungen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- SchiffskörperHull
- 2020th
- erster Lithium-Akkumulatorfirst lithium battery
- 2222nd
- zweiter Lithium-Akkumulatorsecond lithium accumulator
- 3030th
- erster Gleichspannungswandlerfirst DC / DC converter
- 3232
- zweiter Gleichspannungswandlersecond DC / DC converter
- 4040
- erste Steuereinheitfirst control unit
- 4242
- zweite Steuereinheitsecond control unit
- 5050
- zweite Widerstandsmessvorrichtungsecond resistance measuring device
- 5252
- dritte Widerstandsmessvorrichtungthird resistance measuring device
- 6060
- BordnetzElectrical system
- 7070
- erste Sicherungfirst backup
- 7272
- zweite Sicherungsecond fuse
- 8080
- erster Verbraucherfirst consumer
- 8282
- zweiter Verbrauchersecond consumer
- 9090
- erste Widerstandsmessvorrichtungfirst resistance measuring device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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