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Die Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit zu Strängen zusammengefassten Modulen aus Lithium-Akkumulatoren als Energiespeicher und einem Strang-Batteriemanagementsystem.
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Akkumulatoren auf Lithium-Basis sind zunehmend interessant, beispielsweise aufgrund der hohen Energiedichte. Gerade für große Energiespeicher gibt es jedoch zwei grundlegende Unterschiede beispielsweise zum Blei-Schwefelsäure-Akkumulator. Zum einen können die einzelnen Zellen nicht einfach beliebig vergrößert werden. Dieses führt dazu, dass regelmäßig eine Vielzahl von Akkumulatoren zu einem größeren Modul zusammengestellt werden. Zum anderen ist gerade bei diesen Akkumulatoren das Problem des thermischen Durchgehens gegeben. Da hierbei auch eine große Menge an Gas entsteht, bedeutet dieses ein großes Risiko, insbesondere in kritischen Umgebungen, wie sich beispielsweise an Akkumulatoren in Luftfahrzeugen gezeigt hat.
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Durch die kleineren Elementarzellen ergibt sich, dass die Module eine vergleichsweise hohe Spannung liefern können. Jeder Strang liefert dabei die volle Spannung ins Bordnetz und ist über einen Gleichspannungswandler galvanisch getrennt mit dem Bordnetz des Unterseebootes verbunden. Die Stränge stehen also unabhängig voneinander und können lastabhängig zugeschaltet oder abgeschaltet werden.
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Ein Unterseeboot weist beispielsweise üblicherweise eine Energiespeichervorrichtung auf, welche etwa 10 bis 50 Stränge aufweist, wobei jeder Strang etwa 4 bis 10 Module aufweist. Ein Modul kann beispielsweise 20 bis 500 Akkumulatoren aufweisen.
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Um Lithium-Akkumulatoren sicher und mit maximaler Lebensdauer zu betreiben werden sogenannte Batteriemanagementsysteme verwendet, die insbesondere Ladevorgänge und Entladevorgänge überwachen. Es wird insbesondere ein Überladen oder ein Tiefentladen verhindert. Ebenso werden üblicherweise Temperaturen erfasst, um das System im Falle eines Störfalls (thermal runaway) zu deaktivieren.
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In einem Unterseeboot wird aus verschiedenen Gründen ein kaskadiertes System von Batteriemanagementsystemen eingesetzt. Ein Boots-Batteriemanagementsystem dient der Gesamtüberwachung und stellt die Schnittstelle zu weiteren Bootssystemen bereit. Jeder Strang weist zusätzlich ein eigenes Strang-Batteriemanagementsystem auf. Dieses steuert zusätzlich den Gleichspannungswandler über den die Energie in das Bordnetz abgegeben wird oder über den Energie aus dem Bordnetz zum Aufladen entnommen wird. Weiter können die Module einzelne Modul-Batteriemanagementsysteme aufweisen, welche dann auf Zellebene eine Überwachung durchführen, insbesondere auch Spannung und Temperatur auf dieser untersten Ebene präzise überwacht wird. Üblicherweise sind diese verschiedenen Batteriemanagementsysteme untereinander hierarchisch miteinander verbunden, um einen Datenaustausch zu gewährleisten.
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Auf einem Unterseeboot finden sich Zustände, welche insbesondere bei landgestützten Anwendungen eher nicht auftreten. Zum einen kann ein Unterseeboot, beispielsweise nach einer Überholung mit spannungslosem Bordnetz gestartet werden müssen. Zum anderen kann es gerade in einer Gefechtssituation notwendig sein, wenigstens einzelne Stränge weitgehend zu entladen, um beispielsweise noch ausreichend Energie bereit zu stellen, um sich aus einer Gefahrensituation zu entfernen und aufzutauchen. Auch in einem solchen Zustand muss es möglich sein, die Akkumulatoren erneut zu laden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strang-Batteriemanagementsystem bereitzustellen, dass unter allen möglichen Situationen, die an Bord eines Unterseebootes auftreten können, die Einsatzfähigkeit der Akkumulatoren gewährleistet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Unterseeboot weist wenigstens einen Energiespeicher und ein Bordnetz auf. Der Energiespeicher weist Lithium-Akkumulatoren auf. Der Energiespeicher weist weiter wenigstens einen ersten Strang und einen zweiten Strang auf. Üblicherweise weist der Energiespeicher 10 bis 50 Stränge auf, die weiteren Stränge sind ebenso aufgebaut, wie der erste Strang und der zweite Strang. Der erste Strang weist ein erstes Strangnetz und der zweite Strang weist ein zweites Strangnetz auf. Über das Strangnetz wird die elektrische Energie aus den einzelnen Lithium-Zellen zusammengeführt und zum Gleichspannungswandler und über den Gleichspannungswandler in das Bordnetz gebracht beziehungsweise beim Laden der Lithium-Zellen in die umgekehrte Richtung. Der erste Strang weist ein erstes Strang-Batteriemanagementsystem und der zweite Strang weist ein zweites Strang-Batteriemanagementsystem auf. Der erste Strang ist über einen ersten Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden und der zweite Strang ist über einen zweiten Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden. Der erste Gleichspannungswandler und der zweite Gleichspannungswandler sind jeweils bidirektional und galvanisch trennend ausgeführt. Die bidirektionale Ausführung ist notwendig, damit die Lithium-Akkumulatoren geladen und entladen werden können. Durch die galvanische Trennung kann zum einen eine Trennung der Netze erfolgen, die für eine gleichzeitige Isolationsüberwachung beider Netze notwendig ist. Zum anderen wird dadurch auch verhindert, dass bei einem Kurzschluss im Bordnetz zu hohe Leistungen aus den Lithium-Akkumulatoren angefordert werden und diese dadurch beschädigt werden können.
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Die prinzipielle Funktionsweise ist somit die, dass auf der einen Seite der Gleichspannungswandler Lithium-Akkumulatoren angeschlossen sind, die Energie aufnehmen und abgeben können. Auf der anderen Seite der Gleichspannungswandler ist ein Bordnetz, über welches Verbraucher, wie zum Beispiel der Fahrmotor, angeschlossen sind. Über das Bordnetz wird Energie zu den Verbrauchern geleitet. Weiter ist an das Bordnetz üblicherweise wenigstens ein Energieerzeuger angeschlossen, beispielsweise ein Dieselgenerator und/oder eine Brennstoffzelle. Der Erzeuger kann Energie über das Bordnetz direkt an einen Verbraucher und/oder an den Energiespeicher abgeben, um diesen zu laden. Ebenso können Energieerzeuger und Energiespeicher auch gleichzeitig Energie abgeben und zu einem oder mehreren Verbrauchern führen. Die Lithium-Akkumulatoren sind jedoch nicht direkt mit dem Bordnetz verbunden, sondern über den Gleichspannungswandler. Weiter weist jeder Strang ein Strang-Batteriemanagementsystem auf, welches die Regelung und Überwachung vornimmt.
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Da die Gleichspannungswandler so ausgeführt sind, dass sie eine bidirektionale Spannungswandlung ermöglichen, ist eine aktive Ansteuerung notwendig, um die Energieflussrichtung zu steuern. Diese logischen Bauteile werden durch das Strang-Batteriemanagementsystem gesteuert.
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Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher für jeden Strang ein erstes Netzteil und ein zweites Netzteil auf. Das erste Netzteil und das zweite Netzteil sind jeweils galvanisch trennend ausgeführt. Dieses ist notwendig, um die galvanische Trennung zwischen dem Strangnetz und dem Bordnetz sicher zu stellen, die durch den Gleichspannungswandler gegeben ist. Das erste Netzteil ist bei jedem Strang zwischen dem Strangnetz und dem Gleichspannungswandler angeordnet, das zweite Netzteil ist bei jedem Strang zwischen dem Bordnetz und dem Gleichspannungswandler angeordnet.
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Das erste Netzteil kann hierbei beispielsweise in drei verschiedenen Ausgestaltungen zwischen dem Strangnetz und dem Gleichspannungswandler angeschlossen sein.
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In einer ersten Ausführungsform ist das erste Netzteil direkt mit dem Gleichspannungswandler verbunden.
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In einer zweiten Ausführungsform ist das erste Netzteil über ein erstes Geräteversorgungsnetz mit dem Gleichspannungswandler verbunden, wobei der Gleichspannungswandler und das Strang-Batteriemanagementsystem mit dem ersten Geräteversorgungsnetz verbunden sind.
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In einer dritten Ausführungsform ist das erste Netzteil direkt mit dem Strang-Batteriemanagementsystem verbunden und das Strang-Batteriemanagementsystem ist mit dem Gleichspannungswandler verbunden.
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Für die zweite Seite gilt dieses analog:
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Das zweite Netzteil kann hierbei beispielsweise in drei verschiedenen Ausgestaltungen zwischen dem Bordnetz und dem Gleichspannungswandler angeschlossen sein.
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In einer ersten Ausführungsform ist das zweite Netzteil direkt mit dem Gleichspannungswandler verbunden.
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In einer zweiten Ausführungsform ist das zweite Netzteil über ein zweites Geräteversorgungsnetz mit dem Gleichspannungswandler verbunden, wobei der Gleichspannungswandler und das Strang-Batteriemanagementsystem mit dem zweiten Geräteversorgungsnetz verbunden sind.
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In einer dritten Ausführungsform ist das zweite Netzteil direkt mit dem Strang-Batteriemanagementsystem verbunden und das Strang-Batteriemanagementsystem ist mit dem Gleichspannungswandler verbunden.
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In einer Weiterbildung sind das erste Geräteversorgungsnetz und das zweite Geräteversorgungsnetz elektrisch miteinander verbunden.
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Diese Anordnung erhöht die Komplexität, die Anzahl der Bauteile und dadurch auch Gewicht und Größe. Für diese Nachteile werden aber zwei für ein Unterseeboot wichtige Vorteile gewonnen. Zum einen kann ein komplett abgeschaltetes Unterseeboot, bei dem keine Spannung am Bordnetz anliegt, so mit Energie versorgt werden, da das Strangnetz über das erste Netzteil die notwendige Energie an den Gleichspannungswandler liefern kann. Gleichzeitig kann aber auch bei einem leeren Strang, der nicht mehr ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellen kann, dieser über das Bordnetz aufgeladen werden, da in diesem Fall das Bordnetz über das zweite Netzteil das den Gleichspannungswandler mit Energie versorgen kann. Als weiterer Vorteil wird im Regelbetrieb die Redundanz erhöht, was bei militärischen Anwendungen, insbesondere bei Unterseebooten immer positiv ist. Fällt ein Netzteil aus, so bleibt der Gleichspannungswandler und somit der komplette Lithium-Akkumulatoren Strang voll einsatzfähig.
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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. Insbesondere wird eine Topologie gewählt, 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
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4 und der dazu gehörenden Beschreibung gezeigt. Der im Beispiel gezeigte Gleichspannungswandler weist zwei H-Brücken mit jeweils vier MOSFETS auf. Zur Trennung werden bevorzugt alle acht MOSFETS nichtleitend. Im Betrieb, also im elektrisch leitenden Zustand des Lastschalters werden immer jeweils zwei diagonal gegenüberliegende MOSFETS leitend und die anderen beiden diagonal gegenüberliegenden nichtleitend, wobei diese Schaltung ständig gewechselt wird. Diese kontinuierliche Schaltung sorgt für die Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom, der dann transformiert und auf der anderen Seite analog wieder in Gleichstrom gewandelt wird. Die symmetrische Ausführung erlaubt dabei einen Stromfluss in beide Richtungen, um sowohl ein Laden als auch ein Entladen des ersten Akkumulators zu ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Energiespeicher für jeden Strang ein drittes Netzteil und ein viertes Netzteil auf. Das dritte Netzteil und das vierte Netzteil können optional jeweils galvanisch trennend ausgeführt sein. Das dritte Netzteil ist bei jedem Strang zwischen dem Strangnetz und dem Strang-Batteriemanagementsystem angeordnet, das vierte Netzteil ist bei jedem Strang zwischen dem Bordnetz und dem Strang-Batteriemanagementsystem angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Netzteile und die zweiten Netzteile baugleich ausgeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Strang-Batteriemanagementsystem nicht schaltbar-trennbar mit dem ersten Netzteil und dem zweiten Netzteil verbunden. Zwar kann man jede elektrische Verbindung trennen, indem man die Leitung durchtrennt, im einfachsten Fall durchschneidet. In dieser Ausführungsform ist jedoch kein Schaltelement vorgesehen. Dieses führt dazu, dass sobald wenigstens das Strangnetz oder das Bordnetz Spannung führt, das Strang-Batteriemanagementsystem automatisch aktiv ist. Hierdurch ist es unmittelbar möglich, durch eine Datenleitung das Strang-Batteriemanagementsystem durch ein Boots-Batteriemanagementsystem zu steuern, ohne vorher eine Spannungsversorgung zu aktivieren.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Strang-Batteriemanagementsystem ein Regelungsmodul für den Gleichspannungswandler auf. Mittels des Regelungsmoduls gibt das Stand-Batteriemanagementsystem beispielsweise Strom oder Spannungssollwertvorgaben an den Gleichspannungswandler vor. Dieses ist zum Beispiel notwendig, wenn Lastsprünge im Bordnetz erfolgen oder von dem Versorgungsbetrieb auf einen Ladebetrieb des Strangs umgeschaltet werden soll.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterseeboot anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
- 1 Schemaskizze einer ersten Verschaltung
- 2 Schemaskizze einer zweiten Verschaltung
- 3 Schemaskizze einer dritten Verschaltung
- 4 Schemaskizze einer vierten Verschaltung
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In 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Unterseebootes 10 in einer ersten Verschaltung grob skizziert. Das Unterseeboot 10 weist einen ersten Strang 20, einen zweiten Strang 22 und einen dritten Strang 24 auf. Üblicherweise würde ein Unterseeboot 10 noch mehr Stränge aufweisen, aber wie bereits erkennbar, sind die Stränge 20, 22, 24 gleich aufgebaut, sodass mehr Stränge hier nur eine Vervielfältigung des Gezeigten darstellen. Das Unterseeboot 10 weist ein Bordnetz 90 auf. An dem Bordnetz 90 werden die Verbraucher, zum Beispiel ein Fahrmotor, aber auch Energieerzeuger, beispielsweise ein Dieselgenerator und eine Brennstoffzelle, angeschlossen.
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Jeder Strang 20, 22, 24 weist im gezeigten Beispiel fünf Module 30 auf. Auch hier kann die Zahl abweichen, ohne dass sich dadurch der Aufbau ändert. Die Module 30 sind über ein Strangnetz 80 mit einem Gleichspannungswandler 40 verbunden. Der Gleichspannungswandler 40 verbindet das Strangnetz 80 galvanisch trennend mit dem Bordnetz 90.
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Der Gleichspannungswandler 40 wird über ein Strang-Batteriemanagementsystem 50 geregelt. Zur Energieversorgung ist das Strang-Batteriemanagementsystem 50 mit einem ersten Netzteil 60 und einem zweiten Netzteil 70 verbunden. Das erste Netzteil 60 ist galvanisch trennend mit dem Strangnetz 80 verbunden, das zweite Netzteil 70 ist galvanisch trennend mit dem Bordnetz 90 verbunden.
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In 2 ist eine zweite Verschaltung gezeigt, welche sich von der ersten in 1 gezeigten ersten Verschaltung dadurch unterscheidet, dass das Strang-Batteriemanagementsystem 50 und der Gleichspannungswandler 40 über ein erstes Geräteversorgungsnetz 100 mit dem ersten Netzteil 60 sowie über ein zweites Gerätversorgungsnetz 110 mit dem zweiten Netzteil 70 verbunden sind.
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3 ist eine dritte Verschaltung gezeigt, welche sich von der ersten in 1 gezeigten ersten Verschaltung dadurch unterscheidet, dass der Gleichspannungswandler 40 mit dem ersten Netzteil 60 und dem zweiten Netzteil 70 verbunden ist. Das Strang-Batteriemanagementsystem 50 ist mit dem Gleichspannungswandler 40 verbunden und wird durch dieses mit Energie versorgt.
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4 ist eine vierte Verschaltung gezeigt, welche sich von der ersten in 1 gezeigten ersten Verschaltung dadurch unterscheidet, dass das Strang-Batteriemanagementsystem 50 und der Gleichspannungswandler 40 über ein gemeinsames Geräteversorgungsnetz mit dem ersten Netzteil 60 sowie dem zweiten Netzteil 70 verbunden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Unterseeboot
- 20
- erster Strang
- 22
- zweiter Strang
- 24
- dritter Strang
- 30
- Modul
- 40
- Gleichspannungswandler
- 50
- Strang-Batteriemanagementsystem
- 60
- erstes Netzteil
- 70
- zweites Netzteil
- 80
- Strangnetz
- 90
- Bordnetz
- 100
- erstes Gerätversorgungsnetz
- 110
- zweites Gerätversorgungsnetz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017009527 A1 [0007, 0025]
