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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes bei hohen Lasten.
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Konventionelle, also nicht nukleare, Unterseeboot weisen üblicherweise einen Dieselgenerator und einen Akkumulator auf. Während der Überwasserfahrt fährt das Unterseeboot mit Diesel und nutzt den Dieselgenerator neben dem Vortrieb auch zum Aufladen des Akkumulators. In diesem Stadium ist das Unterseeboot an der Wasseroberfläche also sichtbar, sowohl im sichtbaren Bereich als auch im Radarbereich, durch den Dieselgenerator vergleichsweise laut und durch die heißen Abgase zusätzlich leicht zu orten. Daher fährt das Unterseeboot in einem Einsatz üblicherweise unter Wasser, indem ein Elektroantrieb durch den Akkumulator gespeist wird, wodurch das Unterseeboot sehr viel schwerer zu orten ist. Nachteil ist jedoch, dass die Reichweite hierbei auf die Kapazität des Akkumulators begrenzt ist, der aufgrund von Größe und Gewicht auch nicht beliebig erweiterbar ist. Die Reichweite konnte in den letzten Jahren durch Unterseeboote geschaffen erhöht werden, die zusätzlich über eine Brennstoffzelle verfügen. Diese setzten beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um und erzeugen dabei Energie. Alternativ zur Mitnahme von Wasserstoff kann beispielsweise Methanol in einem Reformer vorher zu Wasserstoff umgesetzt werden. In beiden Varianten kann eine größere Menge an Energie durch die Mitnahme des für die Brennstoffzelle benötigten Treibstoffs leicht mitgeführt werden und so die Reichweite getaucht deutlich gesteigert werden. Im Vergleich zu einem Dieselgenerator ist die Leistung einer Brennstoffzelle vergleichsweise gering, sodass diese regelmäßig nur bei geringer Geschwindigkeit zur Geräuschvermeidung eingesetzt wird. Bei hoher Geschwindigkeit und damit verbunden hoher Geräuschentwicklung kann leicht auf den Dieselgenerator zurückgegriffen werden.
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Bei der gleichzeitigen Verwendung einer Brennstoffzelle und eines Akkumulators ergibt sich daher die Situation, dass die Brennstoffzelle lastabhängig somit die Spannung vorgibt und der Akkumulator über einen Gleichspannungswandler entsprechend angepasst wird. Dieses führt wiederrum bei hohen Lasten dazu, dass aufgrund der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle die niedrigste Spannung am Bordnetz anliegt, was wiederrum die ohmschen Verluste im Gesamtsystem erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Energievorräte an Bord eines Unterseebootes optimal ausnutzt und so die getauchte Reichweite vergrößert.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Betreiben eines Bordnetzes eines Unterseebootes. Das Bordnetz umfasst dabei die elektrischen Verbindungen eines Unterseebootes, an das die elektrischen Energieerzeuger, elektrischen Energiespeicher und elektrischen Verbraucher angeschlossen sind. Ein Unterseeboot kann mehr als ein Bordnetz aufweisen. Das Erfindungsgemäße Verfahren kann dann auf einem, mehreren oder allen Bordnetzen angewendet werden. Das Bordnetz ist mit wenigstens einem ersten Energieerzeuger, wenigstens einem ersten Energiespeicher und wenigstens einem ersten Verbraucher verbunden. Der wenigstens eine erste Energieerzeuger ist insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung. Ein Unterseeboot kann auch im Sinne der Redundanz auch zwei oder vier getrennte Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere baugleiche Brennstoffzellenvorrichtungen, aufweisen. Der wenigstens eine erste Energiespeicher ist bevorzugt ein Akkumulator, besonders bevorzugt ein Akkumulator auf Lithium-Ionen-Basis. Akkumulator umfasst hierbei im Sinne der Erfindung auch größere Speichervorrichtungen, welche beispielsweise aus mehreren Strängen, bestehen, wobei jeder Strang aus mehreren Modulen besteht, wobei jedes Modul eine Vielzahl an elektrochemischen Zellen aufweist. Hierbei können insbesondere die Stränge getrennt voneinander mit dem Bordnetz verbindbar sein. Der wenigstens eine erste Verbraucher ist beispielweise der Fahrmotor. Der wenigstens eine erste Energiespeicher ist über einen Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden. Beispielsweise und bevorzugt ist der Gleichspannungswandler wie in der
DE 10 2017 009 527 A1 beschrieben ausgeführt. Beispielsweise und bevorzugt wird der Gleichspannungswandler über ein Batterie-Managementsystem (BMS) gesteuert. Der Gleichspannungswandler ist zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung ausgebildet, wie dieses beispielsweise bei dem in der
DE 10 2017 009 527 A1 beschriebenen Gleichspannungswandler der Fall ist. Die Spannung des Bordnetzes wird in Abhängigkeit der durch die Verbraucher aufgenommenen Last geregelt. Der wenigstens eine erste Energieerzeuger weist eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf. Üblicherweise sinkt die Spannung, wenn mehr Leistung von den Verbrauchern über das Bordnetz aufgenommen wird. Die Spannung des Bordnetzes wird entsprechend der Strom-Spannungskennlinie des wenigstens einen ersten Energieerzeugers geregelt. Beispielsweise wird die Spannung des Gleichspannungswandlers so geregelt, dass diese knapp unter der Spannung des wenigstens einen ersten Energieerzeugers liegt. Hierdurch wird die Leistung zunächst vollständig durch den wenigstens einen ersten Energieerzeuger bereitgestellt, beispielsweise die Brennstoffzellenvorrichtung.
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Erfindungsgemäß wird eine erste Lastgrenze gesetzt. Die Last ist dabei diejenige elektrische Leistung die durch den Energiespeicher oder den ersten Energieerzeuger oder durch den Energiespeicher und den ersten Energieerzeuger gemeinsam in das Bordnetz gespeist wird, um den wenigstens einen ersten Verbraucher zu versorgen. Last ist somit als die elektrische Leistung und somit als das Produkt aus Spannung und Strom zu verstehen. Die Lastgrenze ist somit der Wert der elektrischen Leistung, welche durch das Bordnetz fließt. Die erste Lastgrenze wird gleich oder größer der maximalen Last des ersten Energieerzeugers gesetzt. Die maximale Last des ersten Energieerzeugers ist somit die maximale elektrische Leistung, die der erste Energieerzeuger an das Bordnetz im Dauerbetrieb abgegeben kann. Wenn die maximale Last des ersten Energieerzeugers Pmax ist, so wird die erste Lastgrenze PGr bevorzugt so gewählt, dass Pmax ≤ PGr≤ 2 · Pmax. Besonders bevorzugt wird die erste Lastgrenze PGr so gewählt, dass Pmax ≤ PGr ≤ 1,5 · Pmax, ganz besonders bevorzugt wird die erste Lastgrenze PGr so gewählt, dass Pmax ≤ PGr≤ 1,2 · Pmax. Am meisten bevorzugt ist Pmax = PGr. Oberhalb der ersten Lastgrenze wird die Spannung unabhängig von der Strom-Spannungs-Kennlinie des wenigstens einen ersten Stromerzeugers geregelt. Hierdurch wird erreicht, dass die Spannung nicht gerade in dem Lastbereich, in dem die höchsten Ströme fließen, durch den Beitrag des ersten Energieerzeugers auf dem niedrigsten Niveau liegt und somit bei den höchsten fließenden Strömen die Spannung gerade am geringsten gewählt wird.
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Durch dieses Verfahren wird erreicht, dass zum einen der erste Energieerzeuger keine Energie mehr in das Bordnetz einspeist, sodass die Energie nur noch aus den Energiespeichern bereitgestellt wird. Zum anderen wird erreicht, dass die benötigte Leistung bei höherer Spannung und somit bei einem niedrigeren Strom zur Verfügung gestellt wird, sodass bei hohem Leistungsbedarf die ohmsche Verlustleistung der Übertragungsleitungen innerhalb des Bordnetzes reduziert werden. Hierdurch wird sowohl der Energieverlust als auch die Wärmeerzeugung verringert und somit die Reichweite gesteigert.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren erhöht sich in einem Unterseeboot. Zum einen kann durch die höhere Spannung der fließende Strom bei gleicher Leistung reduziert werden und so die Verlustleistung durch den ohmschen Widerstand minimiert werden. Zum anderen kommt aber hinzu, dass diese Energie eben nicht in Form von Abwärme in das Innere des Unterseebootes abgegeben wird und dann durch eine entsprechende Klimaanlage an die Umgebung des Unterseebootes abgegeben werden muss. Die Minimierung der ohmschen Verluste führt also zu einer weiteren wesentlichen Einsparung im Bereich der Klimatechnik. So kann die Reichweite des Unterseebootes gesteigert werden.
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Hierfür wird jedoch auch ein Nachteil in Kauf genommen. Durch die höhere Spannung des Bordnetzes werden die in den Gleichspannungswandlern enthaltenen Kondensatoren stärker geladen, was dazu führt, dass in einem Kurzschlussfall eine größere Energiemenge freigesetzt wird. Dieses spricht gegen eine Anhebung der Spannung im Bordnetz und muss für den Effizienzgewinn in Kauf genommen werden.
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Um die Last zu erfassen können verschiedene Verfahren verwendet werden. Im Bordnetz können direkt Spannung und Strom gemessen werden und so die elektrische Last erfasst werden, beispielsweise können entsprechende Erfassungseinrichtungen am Anschluss des Energieerzeugers, am Anschluss des Energiespeichers und/oder am Anschluss des ersten Verbrauchers an das Bordnetz vorgesehen sein. Ebenso können die zwischen dem ersten Energieerzeuger und dem ersten Energiespeicher sowie dem Bordnetz fließenden Ströme erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann der zwischen dem Bordnetz und dem ersten Verbraucher fließende Strom gemessen werden. Es kann aber auch sein, dass eine direkte Messung der Last schwierig oder zu aufwändig ist. In diesem Fall kann die die Last des gesamten Systems auch aus den Lastzuständen der Verbraucher abgeschätzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in der Höhe der Maximalspannung des Bordnetzes gewählt. Die Maximalspannung des Bordnetzes ergibt sich regelmäßig aus der vorgegebenen Spannung unter Berücksichtigung der vorgegebenen Toleranz und der erzielbaren Toleranz. Dieses soll anhand eines Beispiels kurz erläutert werden. Beispielsweise wird ein Bordnetz auf 500 V ausgelegt und eine Toleranz von ± 10 % vorgegeben. Die Spannung darf dann in einem Fenster von 450 bis 550 V liegen. Wenn aber die Spannung beispielsweise über die Gleichspannungswandler auf ± 1 % eingestellt werden kann, so wäre die maximal einstellbare Maximalspannung dann etwa 545 ±5 V. Es ergibt sich somit für die Maximalspannung der Wert der vorgegebenen Spannung zuzüglich der vorgegebenen Toleranz abzüglich der erzielbaren Toleranz.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Maximalspannung oberhalb der Leerlaufspannung des ersten Energieerzeugers.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Spannung proportional zur Last. Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassung linear zwischen der Spannung des ersten Energieerzeugers bei maximaler Last des ersten Energieerzeugers bis zur Maximalspannung bei der Maximallast des ersten Energiespeichers. Die Anpassung kann auch so erfolgen, dass beispielweise bei einer Last, welcher 90 % der Maximalleistung entspricht, auf den Wert der Maximalspannung angehoben wird und darüber konstant bleibt. Zwischen der ersten Lastgrenze und einer Last, welcher 90 % der Maximalleistung entspricht, kann die Spannung proportional angepasst werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht, wobei die Anpassung der Spannung in Stufen, beispielsweise in drei bis fünf Stufen, zur Last erfolgt. Wäre also beispielsweise die Spannung des ersten Energieerzeugers bei maximaler Last des ersten Energieerzeugers 400 V und die Maximalspannung 1000 V, so könnten als Stufen 500 V, 600 V, 700 V, 800 V, 900 V und 1000 V gewählt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anpassung der Spannung nicht unmittelbar, sondern zeitlich versetzt, um ständige Spannungswechsel durch veränderliche Last zu vermeiden. Beispielweise wird ein Zeitintervall, beispielweise 1 min, definiert oder ein gleitender Mittelwert über dieses Zeitintervall wird verwendet. Die durch das Bordnetz geflossene Leistung wird über dieses Zeitintervall gemittelt und die Spannung auf Basis dieser gemittelten Last geregelt. Vorzugsweise erfolgt die Regelung der Spannung stufenweise.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Spannung proportional zum Quadrat der Last (U = f(P2). Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassung linear zwischen der Spannung des ersten Energieerzeugers bei maximaler Last des ersten Energieerzeugers bis zur Maximalspannung bei der Maximallast des ersten Energiespeichers.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Spannung proportional zum Kubik der Last (U = f(P3). Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassung linear zwischen der Spannung des ersten Energieerzeugers bei maximaler Last des ersten Energieerzeugers bis zur Maximalspannung bei der Maximallast des ersten Energiespeichers.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Spannung exponentiell zur Last (U = f(eP). Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassung linear zwischen der Spannung des ersten Energieerzeugers bei maximaler Last des ersten Energieerzeugers bis zur Maximalspannung bei der Maximallast des ersten Energiespeichers.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Spannung logarithmisch zur Last (U = f(ln(P)). Besonders bevorzugt erfolgt die Anpassung linear zwischen der Spannung des ersten Energieerzeugers bei maximaler Last des ersten Energieerzeugers bis zur Maximalspannung bei der Maximallast des ersten Energiespeichers.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird oberhalb der ersten Lastgrenze der wenigstens eine erste Energieerzeuger vom Bordnetz getrennt. Ein Trennen ist theoretisch nicht nötig, da die Spannung des ersten Energieerzeugers zu gering ist und so nicht in das Bordnetz eingespeist wird, es ist jedoch vorteilhaft eine Trennung vorzunehmen. Insbesondere, wenn der erste Energieerzeuger eine Brennstoffzellenvorrichtung ist, kann es vorteilhaft sein, diese abzuschalten oder herunter zu fahren und nicht im Leerlauf zu betreiben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Anhebung der Bordnetzspannung zeitlich begrenzt. Hierdurch wird das erhöhte Risiko im Falle eines Kurzschlusses begrenzt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bordnetz mit wenigstens einem zweiten Energieerzeuger verbindbar. Beispielsweise und bevorzugt ist der zweite Energieerzeuger ein Dieselgenerator, wobei auch Generatoren, die mit anderen Brennstoffen betrieben werden, hiervon mit umfasst sein sollen. Derzeit werden insbesondere Methanol oder Ammoniak als Ersatz für Diesel auf Schiffen diskutiert und eingesetzt. Die Spannung des Bordnetzes wird beim Betrieb des wenigstens einen zweiten Energieerzeugers entsprechend der Strom-Spannungs-Kennlinie des zweiten Energieerzeugers gewählt. Der zweite Energieerzeuger dient insbesondere auch zur Aufladung des ersten Energiespeichers. Daher ist der zweite Energieerzeuger üblicherweise für alle Lastbereiche, insbesondere auch für die extrem hohen Lastbereiche besonders geeignet.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
- 1 erstes Beispiel
- 2 zweites Beispiel
- 3 drittes Beispiel
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In den Figuren ist die Bordnetzspannung U gegen die Last P aufgetragen.
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Für alle drei Beispiele wird in einem ersten Bereich mit niedriger Last die Spannung sich entsprechend der Strom-Spannungs-Kennlinie des ersten Energieerzeugers, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung entwickeln. Bei der Last PGr ist die maximale Last erreicht, eine höhere Leistung kann der erste Energieerzeuger, beispielweise die Bernstoffzellenvorrichtung, nicht erzeugen.
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Die im Folgenden gezeigten drei Beispiel unterscheiden sich in der Führung der Spannung in einem Lastbereich oberhalb von PGr.
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In 1 ist ein erstes Beispiel gezeigt. Um die ohmschen Verluste und damit auch die Wärmeerzeugung und den Aufwand für die Wärmeentfernung zu minimieren, wird die Spannung beim Überschreiten der Grenzlast an der Lastgrenze PGr direkt auf Maximalspannung Umax gebracht. Hierdurch wird jedoch zum einen ein sprunghafter Spannungsanstieg erzeugt und gleichzeitig das Risiko bei einem Kurzschluss unmittelbar maximiert.
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Diese beiden Punkte werden in dem zweiten Beispiel, welches in 2 gezeigt ist, adressiert. Die Spannung wird bei PGr nicht sprunghaft geändert, sondern bis Pmax linear auf Umax angehoben. Dadurch treten keine sprunghaften Änderungen der Spannung auf und das Kurzschlussrisiko wird auf sehr hohe Lasten begrenzt.
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Einen Kompromiss zwischen den ersten beiden Beispielen stellt das dritte Beispiel dar. Dieses ist in 3 gezeigt. Hier wird bei PGr die Spannung bereits zum Teil angehoben, beispielsweise auf die Leerlaufspannung des ersten Energieerzeugers. Von dort erfolgt eine lineare Anhebung auf Umax bei Pmax.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017009527 A1 [0003, 0007]
