DE102022204905B3 - Submarine with two inverters on the traction motor - Google Patents

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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.1. Submarine (10) with a battery (20), an on-board electrical system (60) and a traction motor (30), the battery (20) being electrically connected to the on-board electrical system (60), the traction motor (30) having a first Inverter (40) is connected to the on-board electrical system (60), a second inverter (50) being arranged between the on-board electrical system (60) and the first inverter (40), characterized in that the submarine (10) has a first bridging switch (80 ) for bridging the second converter (50), the first bridging switch (80) being suitable for conducting the electrical energy through the second converter (50) when the battery (20) has a small remaining charge and the traction motor (30) has a high power requirement, and wherein the first bridging switch (80) is suitable for directing the electrical energy past the second converter (50) when the battery (20) has a high remaining charge and/or the traction motor (30) has a low power requirement.

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.The invention relates to a submarine with a direct current on-board electrical system powered by at least one battery and a traction motor, with not just one but two converters connected in series being arranged between the on-board electrical system and the traction motor.

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.One requirement for submarines is speed. Voltage is necessary so that the propeller motor can deliver a high speed. The torque, on the other hand, depends on the current flow. This means that both the maximum voltage and the maximum current are required to travel at the highest speed. Another point is that with a battery - lead accumulators are still the most common technology in submarines - the voltage depends heavily on the state of charge and the load on the battery. The lower the state of charge, the lower the output voltage of a battery. Furthermore, the maximum voltage of a battery, with the exception of charging mode, can only be achieved without current; at higher currents the voltage drops. In order for a submarine to be able to travel at the required speed, it must be able to be achieved across all charge states of the battery up to the remaining charge still available in the battery. This in turn means that the converter in front of the traction motor is designed in such a way that the maximum current flows when the battery is practically empty, i.e. at the lowest voltage. However, the normal operation of a submarine is that the battery usually has a higher state of charge, and as a result a higher voltage, and only low power is needed because the speed is lower. Therefore, the converter in particular is oversized for the majority of the time it is used.

Aus der DE 10 2019 131 085 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Schaltung, eine elektrische Schaltung und ein Kraftfahrzeug bekannt.From the DE 10 2019 131 085 A1 a method for operating an electrical circuit, an electrical circuit and a motor vehicle is known.

Aus der US 2019 / 0 168 628 A1 ist ein elektrisches Bordsystem zum Laden eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bekannt.From the US 2019 / 0 168 628 A1 an electrical on-board system for charging an electrically powered vehicle is known.

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.From de Melo, Rodnei Regis, among others. “Interleaved Bidirectional DC-DC Converter for Electric Vehicle Applications Based on Multiple Energy Storage Devices”. Electrical Engineering, Vol. 102, No. 4, December 2020, pp. 2011-23. Springer Link, https://doi.org/10.1007/s00202-020-01009-3 corresponding electrical systems are known.

Aus der EP 3 078 536 A1 ist ein Energiespeichersystem mit einer Reichweitenerweiterung und ein Energiemanagement- und -kontrollverfahren bekannt.From the EP 3 078 536 A1 an energy storage system with a range extension and an energy management and control method are known.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, welches im Regelbetrieb optimal arbeitet, die geforderten Extremwerte aber dennoch zu leisten vermag.The object of the invention is to create a system which works optimally in regular operation but is still able to achieve the required extreme values.

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.This task is solved by a submarine with the features specified in claim 1 and the method with the features specified in claim 5. Advantageous further developments result from the subclaims, the following description and the drawings.

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.The submarine according to the invention has a battery, an on-board electrical system and a traction motor. In the usual way, the battery is electrically connected to the vehicle electrical system. It is also usual for the traction motor to be connected to the vehicle electrical system via a first converter. The on-board electrical system is powered by the battery and is therefore a direct current network. The traction motor is usually an AC motor. Therefore, the first converter is usually a DC-AC converter. The motor is controlled via the first inverter, since this, for example, adjusts the voltage applied to the motor, which has a direct connection to the speed and in this or other known manner the speed of the propeller and thus the speed of the submarine is adjusted.

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.The submarine usually has a variety of other components. In particular, the submarine preferably has a diesel generator, which is surfaced or used during snorkeling to charge the battery and/or drive the traction motor. In addition, the submarine can also have an energy supply that is independent of outside air, for example a fuel cell device, which is also connected to the on-board electrical system. Submarines also have a variety of other consumers. However, the traction motor is usually the consumer that can draw the highest electrical power from the on-board network.

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.According to the invention, a second converter is arranged between the vehicle electrical system and the first converter. This converter now serves to increase the voltage from the vehicle electrical system at least temporarily, especially when the battery has a low remaining charge (remaining capacity) and the traction motor has a high power requirement. This means that the first converter can be designed to be smaller, since the voltage on the input side of the on-board network is higher incoming currents are lower. Since the second converter is only used at high speeds and the associated high noise level, it does not have to be optimized for the signature like the first converter, so that the second converter can be designed more simply.

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.It is common for submarines to have several similar components. In particular, it is common for a submarine to have not just one battery, but at least two batteries. In addition, there are regularly at least two partial on-board electrical systems instead of just one on-board electrical system. This is intended to ensure that the submarine continues to function even if a part of the on-board electrical system fails, although this may be limited. Therefore, in the sense of the invention it is to be understood that a submarine can also have the respective components more than once.

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. According to the invention, the submarine has a first bridging switch for bridging the second converter. This means that, for example, when the power is low or the voltage is high due to a full battery, the current can be passed directly to the second converter. On the one hand, this avoids electrical losses in the second converter, which in turn increases the detection range. Furthermore, any emission that would worsen the signature can be avoided.

Auch kann der zweite Umrichter auf einen kleineren Spannungsbereich ausgelegt und optimiert werden.The second converter can also be designed and optimized for a smaller voltage range.

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.For example, a voltmeter and/or an ammeter can be connected to the vehicle electrical system. The voltmeter and/or the ammeter can be operatively connected to the bypass switch in such a way that the switch is closed at high voltages or low power and is open at low voltages. The active connection can include an electrical circuit or a controller that actuates the switch accordingly depending on the voltage or power.

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.Likewise, for example, a voltmeter can be connected to the intermediate circuit, the direct current part between the second converter and the first converter. This is usually available anyway for controlling the first converter in accordance with the power specification for the traction motor. Based on this measured voltage in the intermediate circuit, the first converter is controlled in order to set the voltage required for the specified rotational speed of the traction motor. If appropriate control is not possible because the voltage in the intermediate circuit is too low, the bypass switch is opened so that the voltage between the vehicle electrical system and the intermediate circuit is increased by the second converter.

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 a further embodiment of the invention, the first converter and the second converter form an indirect converter, sometimes also called an intermediate circuit converter. The three or more connections of the input phases of the on-board electrical system side of the indirect converter are connected to one pole of the on-board electrical system. The second pole is connected to the analog second pole of the DC part of the indirect converter. While an indirect converter is actually used to convert one alternating voltage into another, the indirect converter is used differently here to increase the voltage from the vehicle electrical system in a first step and then convert it into an alternating voltage in the second step. Using an indirect converter still has two advantages. On the one hand, due to the three or more input phases, there are also three or more modules on the electrical system side, which are therefore connected in parallel. This equalizes the power consumption and reduces the fluctuations from the alternating current. This has advantages for other electrical consumers connected to the on-board network. On the other hand, this means that standard components can be used. A bridging switch is particularly preferably arranged between the first phase of the vehicle electrical system and the first phase of the direct current part of the indirect converter. If this is closed, the current can only flow directly from the on-board network through the second part of the indirect converter, which forms the first converter. The first part, which forms the second converter, is bypassed, electrical losses and emissions that worsen the signature are avoided.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Umrichter ein Hochsetzsteller.In a further embodiment of the invention, the second converter is a step-up converter.

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.In a further aspect, the invention relates to a method for operating a submarine according to the invention. The process distinguishes between two main operating states. The first operating state is when the battery has a small remaining charge and the traction motor has a high power requirement, i.e. the state that is essential to the specification, for example in order to evade the enemy as quickly as possible when escaping. Due to the low remaining charge and the high current flowing, the voltage provided by the battery is minimal. In this first operating state, the electrical energy is used when the remaining battery charge is low and the power requirement is high of the traction motor is routed through the second inverter. As a result, the second converter can provide the first converter with a higher voltage than the voltage provided by the battery. This means that the first converter does not have to be designed for this operating point, which is unfavorable for the first converter. There is also a second operating state. The second operating state is characterized by a large remaining charge in the battery and/or a low power requirement. The second operating state thus includes a large remaining charge of the battery and/or a low power requirement (high voltage, low current), a large remaining charge of the battery and a high power requirement (high voltage, high current, but not maximum) as well as a small remaining charge of the battery and a low power requirement (low voltage, low current). The electrical energy is passed past the second converter when the battery has a large remaining charge and/or a low power requirement. This avoids unnecessary electrical losses and emissions that worsen the signature in the second operating state.

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)). For example, it can be provided that the on-board electrical system of the submarine is designed for a voltage range in normal operation that lies between a maximum on-board electrical system voltage U max and a minimum on-board electrical system voltage U min . A voltmeter can be connected to the vehicle electrical system, which interacts with the bridging switch for the operating states. As soon as the measured voltage in the vehicle electrical system reaches a voltage threshold or falls below it, the bypass switch is closed and the first operating state occurs. If the voltage is above the voltage threshold or rises above this voltage threshold again, the bypass switch is open and the second operating state occurs. The voltage threshold is preferably in the range from U min to (U min + 0.5 * (U max - U min )), particularly preferably in the range from U min to (U min + 0.25 * (U max - U min) . )) , and very particularly preferably in the range from U min to (U min + 0.1 * (U max - U min)).

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 a further embodiment it can be provided that the bypass switch is controlled by a regulator. The controller can be connected to a voltmeter and an ammeter. The controller uses the current and voltage in the vehicle electrical system to determine the vehicle electrical system voltage on the one hand and the power flowing to the first converter on the other. A map of different value pairs of power and vehicle electrical system voltage is stored in the controller for which the bypass switch should be open or closed, so that the controller closes or opens the bypass switch based on the determined value pairs. In particular, it can be provided that the bypass switch is always opened when a voltage threshold in the map is undershot and/or a power threshold is exceeded.

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.In a further embodiment, it can be provided that several first converters are connected in parallel, for example to supply a consumer, such as the motor, or various consumers. In a first variant of this embodiment, a second converter is assigned to each first converter and the arrangements according to the invention are also connected in parallel to the vehicle electrical system. In a second variant, the first converters connected in parallel are preceded by a single second converter, which supplies the first converters with a higher voltage.

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
The submarine according to the invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawings.
  • 1 Submarine
  • 2 indirect converter
  • 3 Indirect converter with voltage measurement on the on-board network
  • 4 Indirect converter with voltage measurement on the intermediate circuit

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.In 1 a submarine 10 is shown. An on-board electrical system 60 is powered from a battery 20. The traction motor 30 drives a propeller 70. The traction motor 30 is connected to the vehicle electrical system via a second converter 50 and a first converter 40.

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.The area between the vehicle electrical system 60 and the traction motor 30 is in 2 presented in more detail as an example. The first inverter consists of six groups, each consisting of a diode and a transistor as well as an additional capacitor. By controlling the transistors, a three-phase three-phase current can be generated in a known manner.

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.If the battery 20 has a large remaining charge and/or the traction motor 30 has a low power requirement, the bypass switch 80 is closed. The current thus flows past the second converter 50. In this operating state, the submarine 10 behaves like a submarine 10 according to the prior art. However, according to the invention, the first converter 40 can be designed to be smaller, since the bridging switch 80 is opened when the remaining charge of the battery 20 is small and the power requirement of the traction motor 30 is high. Now the current also flows through the second converter 50. The second converter is in the example shown designed to be three-pole, so that the first converter 40 and the second converter 50 together form an indirect converter. The second converter has three groups, each of which has a coil and two groups each consisting of a diode and a transistor. All three groups are electrically connected to each other on one phase in front of the coils.

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. 3 shows an embodiment with an indirect converter, which in addition to the in 2 Indirect converter shown has a voltmeter 100, which is connected to the vehicle electrical system 60. Depending on the voltage detected by the voltmeter 100, the control circuit 90 can open or close the bypass switch 80.

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. 4 shows an embodiment with an indirect converter, which in addition to the in 2 Indirect converter shown has a voltmeter 100, which is connected to the intermediate circuit. Depending on the voltage detected by the voltmeter 100, the control circuit 90 can open or close the bypass switch 80.

BezugszeichenReference symbols

1010
UnterseebootSubmarine
2020
Batteriebattery
3030
Fahrmotortraction motor
4040
erster Umrichterfirst inverter
5050
zweiter Umrichtersecond inverter
6060
BordnetzOn-board electrical system
7070
Propellerpropeller
8080
ÜberbrückungsschalterBypass switch
9090
RegelschaltungControl circuit
100100
SpannungsmesserTension meter

Claims (5)

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.Submarine (10) with a battery (20), an on-board electrical system (60) and a traction motor (30), the battery (20) being electrically connected to the on-board electrical system (60), the traction motor (30) being connected via a first converter ( 40) is connected to the on-board electrical system (60), a second inverter (50) being arranged between the on-board electrical system (60) and the first converter (40), characterized in that the submarine (10) has a first bridging switch (80). Bridging the second converter (50), wherein the first bridging switch (80) is suitable for conducting the electrical energy through the second converter (50) when the remaining charge of the battery (20) is low and the traction motor (30) has a high power requirement, and where the first bridging switch (80) is suitable for directing the electrical energy past the second converter (50) when the battery (20) has a high remaining charge and/or the traction motor (30) has a low power requirement. 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.Submarine (10) after Claim 1 , characterized in that the first converter (40) is a direct current-alternating current converter and the traction motor (30) is an alternating current motor, the vehicle electrical system (60) being a direct voltage network. 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.Submarine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first converter (40) and the second converter (50) form an indirect converter, the three phases of the on-board network side of the indirect converter being connected to the one phase of the on-board network (60). are connected. Unterseeboot (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Umrichter ein Hochsetzsteller ist.Submarine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the second converter is a step-up converter. 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.Method for operating a submarine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical energy is passed through the second converter (50) when the battery (20) has a small remaining charge and the traction motor (30) has a high power requirement and that the electrical Energy is passed past the second converter (50) when the battery (20) has a large remaining charge and/or the traction motor (30) has a low power requirement.
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