DE102022208979A1 - Method for increasing the range of a submerged submarine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Nutzung der elektrischen Energiereserven eines Unterseebootes und somit zur Steigerung der Reichweite bei getauchter Fahrt.The present invention relates to a method for optimal use of the electrical energy reserves of a submarine and thus for increasing the range when traveling submerged.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Nutzung der elektrischen Energiereserven eines Unterseebootes und somit zur Steigerung der Reichweite bei getauchter Fahrt.The invention relates to a method for optimal use of the electrical energy reserves of a submarine and thus for increasing the range when traveling submerged.
Über viele Jahrzehnte hinweg hat der Blei-Säure-Akkumulator als Energiespeicher für Unterseeboote dominiert und ist auch heute aufgrund der langjährigen Erfahrung ein wichtiger Bestandteil. Ein sehr großer Vorteil ist, dass sehr große Elementarzellen gebaut werden können, was einen Leistung- und einen Gewichtsvorteil bringt. Durch die Eigenschaften der Blei-Säure-Akkumulatoren ergibt sich, dass die Spannung des Bordnetzes vom Ladezustand der Blei-Säure-Akkumulatoren abhängig ist und somit starken Schwankungen über lange Zeiträume unterliegt. Entsprechend wurden die Verbraucher an Bord eines Unterseebootes angepasst, um mit einer großen Breite an Versorgungsspannungen im Bordnetz arbeiten zu können. Zunehmend werden jedoch auch neue Technologien, insbesondere Lithium-Akkumulatoren, von Interesse. Neben der Hoffnung auf eine höhere Energiedichte ermöglicht das ganz unterschiedliche elektrochemische Verhalten auch neue Optimierungsmöglichkeiten.For many decades, the lead-acid battery has dominated as an energy storage device for submarines and is still an important component today due to many years of experience. A very big advantage is that very large unit cells can be built, which brings a performance and weight advantage. The properties of lead-acid batteries mean that the voltage of the on-board electrical system depends on the state of charge of the lead-acid batteries and is therefore subject to strong fluctuations over long periods of time. Accordingly, the consumers on board a submarine were adapted in order to be able to work with a wide range of supply voltages in the on-board network. However, new technologies, especially lithium batteries, are also becoming increasingly interesting. In addition to the hope of higher energy density, the very different electrochemical behavior also opens up new optimization possibilities.
Aus der
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Die Verwendung eines Gleichspannungswandlers zwischen einem Akkumulator und dem Bordnetz eröffnet sehr viele neue Möglichkeiten, um ein entsprechendes Unterseeboot zu betreiben.The use of a DC-DC converter between an accumulator and the on-board electrical system opens up many new possibilities for operating a corresponding submarine.
Aus der
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Energiereserven eines Unterseebootes optimal zu nutzen und so die Reichweite zu erhöhen.The object of the invention is to make optimal use of the energy reserves of a submarine and thus increase the range.
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 der Zeichnung.This task is solved by the method with the features specified in claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims, the following description and the drawing.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Unterseebootes. Das Unterseeboot weist wenigstens ein Bordnetz und wenigstens einen Energiespeicher auf. Oft weist ein Unterseeboot aus Redundanzgründen wenigstens zwei Bordnetze auf. Auch Bordnetze auf unterschiedlichen Spannungsniveaus sind bekannt. Die Erfindung kann bei mehreren Bordnetzen unabhängig voneinander auf jedes einzelne Bordnetz angewendet werden. Des Weiteren sind auch wenigstens zwei Energiespeicher üblich. Die Energiespeicher können auch, wie im Stand der Technik beschrieben, aus Strängen aufgebaut sein, die jeweils aus einzelnen Modulen aufgebaut sind, wobei die Stränge jeweils einzeln trennbar mit dem Bordnetz verbunden sind. In einer solchen Struktur weist zumeist jedes Modul ein Modul-Batteriemanagementsystem auf, jeder Strang ein Strang-Batteriemanagementsystem auf und darüber gibt es ein Boots-Batteriemanagementsystem. Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt durch das oder mit dem Boots-Batteriemanagementsystem durchgeführt. Das Unterseeboot weist eine Mehrzahl an Verbrauchern auf. Die Verbraucher sind mit dem Bordnetz verbunden. Durch die Vielzahl an verschiedenen Verbrauchen ist eine theoretische Berechnung der optimalen Spannung zur Erreichung der maximalen Effizienz praktisch unmöglich, zumal Verbraucher zeitlich sehr unterschiedliche Energieaufnahmen aufweisen können. Daher wird bisher hauptsächlich auf die Optimierung hinsichtlich des Fahrmotors als größtem Verbraucher abgestellt. Aber gerade bei getauchter Schleichfahrt ist gerade der Energiebedarf des Fahrmotors gering, sodass die anderen Verbraucher bezüglich der Effizienz in den Vordergrund treten. Der Energiespeicher ist über wenigstens einen Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden. Dieses ermöglicht eine vom Ladezustand des Energiespeichers unabhängige Wahl der Bordnetzspannung. Dieses ist notwendig, um mehrere Stränge unabhängig voneinander mit dem Bordnetz verbinden zu können, da diese üblicherweise unterschiedliche Ladezustände und damit Spannungen aufweisen. Dieses ist insbesondere für Lithium-Akkumulatoren notwendig, da hier die Elementarzelle nicht beliebig groß gebaut werden kann. Zudem sind Gleichspannungswandler auch gerade bei Lithium-Akkumulatoren sinnvoll, da diese einen vergleichsweise hohen Kurzschlussstrom aufweisen, der über einen galvanisch trennenden Gleichspannungswandler begrenzt werden kann und so weitere Schäden im Unterseeboot bei einem Kurzschluss vermeiden kann.The method according to the invention is used to operate a submarine. The submarine has at least one on-board electrical system and at least one energy storage device. For reasons of redundancy, a submarine often has at least two on-board electrical systems. On-board electrical systems at different voltage levels are also known. The invention can be applied independently to each individual vehicle electrical system in the case of several vehicle electrical systems. Furthermore, at least two energy storage devices are also common. The energy storage can also, as described in the prior art, be constructed from strands, which are each constructed from individual modules, with the strands each being individually separably connected to the vehicle electrical system. In such a structure, each module usually has a module battery management system, each string has a string battery management system, and above that there is a boat battery management system. The method according to the invention is preferably carried out by or with the boat battery management system. The submarine has a plurality of consumers. The consumers are connected to the on-board network. Due to the large number of different consumptions, a theoretical calculation of the optimal voltage to achieve maximum efficiency is practically impossible, especially since consumers can have very different energy consumption over time. Therefore, so far the main focus has been on optimizing the traction motor as the largest consumer. But especially when traveling at low speed, the energy requirement of the traction motor is low, so that the other consumers come to the fore in terms of efficiency. The energy storage is connected to the vehicle electrical system via at least one DC-DC converter. This enables the vehicle electrical system voltage to be selected independently of the charge level of the energy storage unit. This is necessary agile in order to be able to connect several strands independently of one another to the vehicle electrical system, as these usually have different charging states and therefore voltages. This is particularly necessary for lithium accumulators, as the unit cell cannot be built to any size. In addition, DC-DC converters are particularly useful for lithium batteries, as these have a comparatively high short-circuit current, which can be limited using a galvanically isolating DC-DC converter and can thus avoid further damage to the submarine in the event of a short circuit.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a) Wählen einer Maximalspannung und einer Minimalspannung sowie einer Spannungsschrittweite,
- b) Regeln des Gleichspannungswandlers, sodass entweder die Maximalspannung oder die Minimalspannung als Bordnetzspannung am Bordnetz anliegt,
- c) Messen des fließenden Stromes und Berechnen der benötigten elektrischen Leistung,
- d) Wenn in Schritt b) die Maximalspannung gewählt wurde, Absenken der Bordnetzspannung um die Spannungsschrittweite oder wenn in Schritt b) die Minimalspannung gewählt wurde, Anheben der Bordnetzspannung um die Spannungsschrittweite,
- e) Messen des fließenden Stromes und Berechnen der benötigten elektrischen Leistung als Funktion der Bordnetzspannung,
- f) Wiederholen der Schritte d) und e) bis die Bordnetzspannung die Minimalspannung, wenn in Schritt b) die Maximalspannung gewählt wurde, oder die Maximalspannung, wenn in Schritt b) die Minimalspannung gewählt wurde, erreicht ist,
- g) Ermitteln der Bordnetzspannung mit der niedrigsten Leistungsabgabe,
- h) Betreiben des Bordnetzes mit der in Schritt g) ermittelten Spannung.
- a) selecting a maximum voltage and a minimum voltage as well as a voltage step size,
- b) regulating the DC-DC converter so that either the maximum voltage or the minimum voltage is present on the vehicle electrical system as the vehicle electrical system voltage,
- c) measuring the flowing current and calculating the required electrical power,
- d) If the maximum voltage was selected in step b), reduce the on-board electrical system voltage by the voltage increment or if the minimum voltage was selected in step b), increase the on-board electrical system voltage by the voltage increment,
- e) measuring the flowing current and calculating the required electrical power as a function of the vehicle electrical system voltage,
- f) repeating steps d) and e) until the vehicle electrical system voltage reaches the minimum voltage if the maximum voltage was selected in step b), or the maximum voltage if the minimum voltage was selected in step b),
- g) determining the vehicle electrical system voltage with the lowest power output,
- h) Operating the vehicle electrical system with the voltage determined in step g).
Die Maximalspannung und die Minimalspannung werden in Schritt a) in Abhängigkeit von der Auslegung des Bordnetzes getroffen. Üblicherweise ist das gesamte Bordnetz einschließlich aller Verbraucher für einen Spannungsbereich ausgelegt. Häufig ist dieses eine Sollspannung um die Toleranzband besteht um das die Spannung schwanken darf. Dieser Spannungsbereich ist am oberen Ende durch eine feste Maximalspannung sowie am unteren Ende durch eine vorgegebene Minimalspannung ausgelegt. Beispielsweise wird bereits bei der Konstruktion vorgegeben, dass das Bordnetz und damit alle Verbraucher darauf ausgelegt sind, in diesem Spannungsbereich betrieben zu werden. Daraus ergibt sich eine bauartbedingte Minimalspannung und eine bauartbedingte Maximalspannung. In der einfachsten Ausführungsform werden diese Werte in Schritt a) gewählt. Diese Werte können in Schritt a) auch modifiziert werden. Beispielsweise kann es zur Vermeidung von hohen Leitungsverlusten sinnvoll sein, bei hohen Lasten die Minimalspannung anzuheben, da ansonsten die fließenden Ströme extrem hoch werden würden. In diesem Fall kann die Minimalspannung so gewählt werden, dass der für das Bordnetz maximal zulässige Strom bei der aktuell fließenden Leistung nicht überschritten wird.The maximum voltage and the minimum voltage are determined in step a) depending on the design of the on-board electrical system. The entire on-board electrical system, including all consumers, is usually designed for a voltage range. This is often a target voltage around which there is a tolerance band around which the voltage is allowed to fluctuate. This voltage range is designed with a fixed maximum voltage at the upper end and a predetermined minimum voltage at the lower end. For example, it is already specified during the design that the on-board electrical system and thus all consumers are designed to be operated in this voltage range. This results in a design-related minimum voltage and a design-related maximum voltage. In the simplest embodiment, these values are chosen in step a). These values can also be modified in step a). For example, to avoid high line losses, it may make sense to increase the minimum voltage at high loads, otherwise the currents flowing would become extremely high. In this case, the minimum voltage can be selected so that the maximum permissible current for the on-board electrical system is not exceeded given the power currently flowing.
Es wird also entweder von der Minimalspannung ausgehend in Schritten der Spannungsschrittweite die Bordnetzspannung auf die Maximalspannung angehoben und bei jeder Spannung die tatsächlich verbrauchte Leistung erfasst oder eben gerade andersherum von der Maximalspannung ausgehend zur Minimalspannung reduziert. Durch die Verwendung einer Schrittweite kann das Verfahren auf eine sinnvolle Anzahl an Schritten begrenzt und damit in einem zeitlich sinnvollen Umfang durchgeführt werden. Somit kann rein empirisch und ohne die genaue Kenntnis aller Verbraucher die Spannung gefunden werden, bei der die Effizienz am Höchsten ist und somit am wenigsten Energie aus dem Energiespeicher entnommen wird. Da danach das Bordnetz auf dieser Spannung betrieben wird, werden die Energiereserven geschont und damit effektiv die Reichweite des Unterseeboots erhöht.So either the vehicle electrical system voltage is raised to the maximum voltage in steps of the voltage increment starting from the minimum voltage and the power actually consumed is recorded for each voltage, or the other way around it is reduced from the maximum voltage to the minimum voltage. By using a step size, the method can be limited to a reasonable number of steps and can therefore be carried out within a reasonable amount of time. This means that purely empirically and without precise knowledge of all consumers, the voltage can be found at which the efficiency is highest and therefore the least energy is taken from the energy storage device. Since the on-board electrical system is then operated at this voltage, the energy reserves are conserved and the range of the submarine is effectively increased.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt b) die Maximalspannung gewählt. Somit wird das Verfahren von der höchsten zur niedrigsten Spannung durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass dabei die Zeit zur Einstellung eines neuen stationären Zustands bei den Spannungswechseln am kürzesten ist und dadurch das Verfahren schneller oder präziser ausgeführt werden kann.In a further embodiment of the invention, the maximum voltage is selected in step b). Thus, the procedure is carried out from the highest to the lowest voltage. It has been shown that the time for setting a new steady state is the shortest during voltage changes and that the method can therefore be carried out faster or more precisely.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zwischen Schritt b) und Schritt c) sowie zwischen Schritt d) und Schritt e) eine Wartezeit von 1 bis 10 s gewartet. Bevorzugt liegt die Wartezeit bei 1 bis 2 s, wenn von der Maximalspannung ausgehend zur Minimalspannung reduziert wird, bei etwa 5 bis 10 s, wenn von der Minimalspannung ausgehend zur Maximalspannung erhöht wird.In a further embodiment of the invention, a waiting time of 1 to 10 s is waited between step b) and step c) and between step d) and step e). The waiting time is preferably 1 to 2 s if the maximum voltage is reduced to the minimum voltage, and about 5 to 10 s if the minimum voltage is increased to the maximum voltage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) eine Minimalspannung 300 V, bevorzugt von 350 V, gewählt.In a further embodiment of the invention, a minimum voltage of 300 V, preferably 350 V, is selected in step a).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) eine Maximalspannung 950 V, bevorzugt von 800 V, besonders bevorzugt von 650 V, gewählt.In a further embodiment of the invention, in step a) a maximum voltage of 950 V, preferably 800 V, particularly preferably 650 V.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) eine Spannungsschrittweite von 5 V bis 20 V, insbesondere von 10 V, gewählt.In a further embodiment of the invention, a voltage step size of 5 V to 20 V, in particular 10 V, is selected in step a).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren wiederholt, wenn die Leistungsabgabe sich um mehr als 10 %, bevorzugt um mehr als 20 %, besonders bevorzugt um mehr als 25 % ändert.In a further embodiment of the invention, the method is repeated if the power output changes by more than 10%, preferably by more than 20%, particularly preferably by more than 25%.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren im laufenden Betrieb durchgeführt. Im Idealfall bleiben somit alle anderen Schiffssysteme davon unberührt, diese passen sich jeweils selbsttätig an die geänderte Bordnetzspannung an, sodass das Verfahren unbemerkt im Hintergrund ausgeführt werden kann.In a further embodiment of the invention, the method is carried out during ongoing operation. Ideally, all other ship systems remain unaffected; they automatically adapt to the changed on-board network voltage, so that the process can be carried out unnoticed in the background.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren manuell gestartet. Damit wird das Verfahren nur durchgeführt, wenn für die Besatzung aus der Durchführung des Verfahrens sich kein Nachteil für die Durchführung der Mission ergeben kann.In a further embodiment of the invention, the method is started manually. This means that the procedure is only carried out if carrying out the procedure cannot result in any disadvantage for the crew in carrying out the mission.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Schritte a) bis g) des Verfahrens während der Erprobungsfahrten bei verschiedenen Lastzuständen durchgeführt und die sich ergebenden Bordnetzspannungen gespeichert. Während dem regulären Betrieb werden dann die gespeicherten Werte zu Betreiben in Schritt h) verwendet.In a further embodiment of the invention, steps a) to g) of the method are carried out during the test drives at different load conditions and the resulting vehicle electrical system voltages are stored. During regular operation, the stored values are then used for operation in step h).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte aus Schritt c) und Schritt e) zur Regressionsanalyse verwendet. Anstelle einfach die Spannung mit dem niedrigsten Energieverbrauch zu verwenden kann durch eine Regressionsanalyse ein Optimum auch zwischen den zur Messung verwendeten Spannungswerten gefunden werden und dann als optimale Spannung das Minimum der gefundenen Ausgleichsfunktion verwendet werden. Beispielsweise und insbesondere wird als Regessionsfunktion eine Lorentz-Verteilung (einschließlich Voigt-Funktion und Pseudo-Voigt-Funktion) oder ein Polynom ausreichend hoher Ordnung, beispielswiese fünfter Ordnung, verwendet.In a further embodiment of the invention, the measured values from step c) and step e) are used for regression analysis. Instead of simply using the voltage with the lowest energy consumption, a regression analysis can be used to find an optimum between the voltage values used for the measurement and then the minimum of the compensation function found can be used as the optimal voltage. For example and in particular, a Lorentz distribution (including Voigt function and pseudo-Voigt function) or a polynomial of sufficiently high order, for example fifth order, is used as the regression function.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Zustände der Verbraucher erfasst, also beispielsweise welche Energiemenge fließt in den Antriebsmotor, in die Klimatechnik, in die Elektronik und so weiter. Bevorzugt werden diese Daten zusammen mit der in Schritt g) ermittelten Spannung in einer Datenbank abgelegt. In diesem Fall wird das Verfahren durchgeführt, wenn es für den aktuellen Zustand keinen passenden Datenbankeintrag gibt. Andersfalls wird der gespeicherte Wert für die in Schritt g) ermittelte Bordnetzspannung in Schritt h) verwendet, ohne die Schritte a) bis f) erneut durchzuführen.In a further embodiment of the invention, the states of the consumers are recorded, for example what amount of energy flows into the drive motor, into the air conditioning technology, into the electronics and so on. This data is preferably stored in a database together with the voltage determined in step g). In this case, the procedure is carried out if there is no suitable database entry for the current state. Otherwise, the stored value for the vehicle electrical system voltage determined in step g) is used in step h) without carrying out steps a) to f) again.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist ein Unterseeboot wenigstens einem Betriebsmodus zur Unterdrückung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus. Beispielsweise in einer Situation, in der die elektromagnetische Signatur sehr wichtig ist, beispielsweise in räumlicher Nähe zu einer U-Jagdeinheit, kann durch die Veränderung der Spannung und die daraus resultierende Veränderung der Ströme ein detektierbares veränderliches Magnetfeld entstehen, welches die Entdeckungswahrscheinlichkeit in unnötiger Weise erhöhen würde. In diesem Betriebsmodus ist beispielsweise die Minimierung der Signatur wesentlich wichtiger als die Optimierung des elektrischen Verbrauchs und somit der Reichweite. Dem entsprechend wäre ein entsprechender Betriebsmodus die absolute Minimierung der Signatur.In a further embodiment of the invention, a submarine has at least one operating mode for suppressing the implementation of the method according to the invention. For example, in a situation in which the electromagnetic signature is very important, for example in spatial proximity to a submarine hunting unit, the change in voltage and the resulting change in currents can create a detectable changing magnetic field, which unnecessarily increases the probability of detection would. In this operating mode, for example, minimizing the signature is much more important than optimizing electrical consumption and thus the range. Accordingly, a corresponding operating mode would be the absolute minimization of the signature.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 Ablaufdiagramm
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1 Flowchart
In
Zunächst wird in Schritt a) eine Maximalspannung von beispielsweise 650 V und eine Minimalspannung von 350 V sowie einer Spannungsschrittweite von 10 V gewählt.First, in step a), a maximum voltage of, for example, 650 V and a minimum voltage of 350 V and a voltage step size of 10 V are selected.
In Schritt b) wird der Gleichspannungswandler so geregelt, dass die Maximalspannung von 650 V anliegt.In step b), the DC-DC converter is regulated so that the maximum voltage of 650 V is present.
In Schritt c) wird der fließende Strom gemessen und aus Strom und Spannung die benötigte elektrische Leistung berechnet.In step c), the flowing current is measured and the required electrical power is calculated from the current and voltage.
In Schritt d) wird die Bordnetzspannung um die Spannungsschrittweite von 10 V abgesenkt.In step d), the vehicle electrical system voltage is reduced by the voltage increment of 10 V.
Nach einer Wartezeit von 1 s wird in Schritt e) der fließende Strom gemessen und die benötigte elektrische Leistung als Funktion der Bordnetzspannung berechnet.After a waiting time of 1 s, the current flowing is measured in step e) and the required electrical power is calculated as a function of the vehicle electrical system voltage.
Die Schritte d) und e) werden wiederholt, bis in Schritt f) die Bordnetzspannung die Minimalspannung von 350 V erreicht hat.Steps d) and e) are repeated until the vehicle electrical system voltage has reached the minimum voltage of 350 V in step f).
Aus den in den Schritten c) und e) ermittelten Leistungen wird in Schritt g) die Bordnetzspannung mit der niedrigsten Leistungsabgabe ermittelt.From the powers determined in steps c) and e), the vehicle electrical system voltage with the lowest power output is determined in step g).
Anschließend wird in Schritt h) das Bordnetzes auf der in Schritt g) ermittelten Spannung betrieben.Subsequently, in step h), the vehicle electrical system is operated at the voltage determined in step g).
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