EP4406080A1 - Verfahren zum betreiben eines bordnetzes eines unterseebootes bei hohen lasten - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines bordnetzes eines unterseebootes bei hohen lasten

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Publication number
EP4406080A1
EP4406080A1 EP22783331.6A EP22783331A EP4406080A1 EP 4406080 A1 EP4406080 A1 EP 4406080A1 EP 22783331 A EP22783331 A EP 22783331A EP 4406080 A1 EP4406080 A1 EP 4406080A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
load
electrical system
energy
vehicle electrical
Prior art date
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Pending
Application number
EP22783331.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Pein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tkms GmbH
ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4406080A1 publication Critical patent/EP4406080A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/14—Balancing load and power generation in DC networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other DC sources, e.g. providing buffering
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/30—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles
    • H02J2105/31—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load the load networks being external to vehicles, i.e. exchanging power with vehicles for ships or vessels

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a vehicle electrical system at high loads.
  • a DC voltage converter for lithium accumulators is known from DE 10 2017 009 527 A1.
  • a propulsion system for a submarine is known from DE 10 2014 109 092 A1.
  • DE 10 2014 114 792 A1 discloses a method for operating a power supply system of a watercraft.
  • a submarine and a method for operating a propulsion system of a submarine are known from DE 10 2017 002 113 A1.
  • a device for generating electrical energy in a motor with a fuel cell is known from US Pat. No. 6,777,909 B1.
  • the fuel cell When using a fuel cell and an accumulator at the same time, the situation arises that the fuel cell thus specifies the voltage as a function of the load and the accumulator is adjusted accordingly via a DC voltage converter. At high loads, this in turn means that due to the current-voltage characteristic of a fuel cell, the lowest voltage is present in the vehicle electrical system, which in turn increases the ohmic losses in the overall system.
  • the object of the invention is to provide a method which optimally utilizes the energy reserves on board a submarine and thus increases the submerged range.
  • the method according to the invention serves to operate an on-board network of a submarine.
  • the electrical system includes the electrical connections of a submarine to which the electrical energy generators, electrical energy stores and electrical consumers are connected.
  • a submarine can have more than one electrical system.
  • the method according to the invention can then be applied to one, several or all vehicle electrical systems.
  • the vehicle electrical system is connected to at least one first energy generator, at least one first energy store and at least one first consumer.
  • the at least one first energy generator is in particular a fuel cell device.
  • a submarine can also be referred to the redundancy also have two or four separate fuel cell devices, in particular structurally identical fuel cell devices.
  • the at least one first energy store is preferably a rechargeable battery, particularly preferably a lithium-ion-based rechargeable battery.
  • accumulator also includes larger storage devices, which consist, for example, of several strands, with each strand consisting of several modules, with each module having a large number of electrochemical cells.
  • the strands can be connected to the vehicle electrical system separately from one another.
  • the at least one first consumer is, for example, the traction motor.
  • the at least one first energy store is connected to the vehicle electrical system via a DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is designed as described in DE 10 2017 009 527 A1.
  • the DC-DC converter is controlled via a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the DC-DC converter is designed to generate a variable output voltage of the energy storage device, as is the case, for example, with the DC-DC converter described in DE 10 2017 009 527 A1.
  • the voltage of the vehicle electrical system is regulated depending on the load absorbed by the consumer.
  • the at least one first energy generator has a current-voltage characteristic. The voltage usually drops when more power is consumed by consumers via the vehicle electrical system.
  • the voltage of the vehicle electrical system is regulated according to the current-voltage characteristic of the at least one first energy generator.
  • the voltage of the DC-DC converter is regulated in such a way that it is just below the voltage of the at least one first energy generator.
  • the power is initially provided entirely by the at least one first energy generator, for example the fuel cell device.
  • a first load limit is set.
  • the load is the electrical power that is fed into the vehicle electrical system by the energy storage device or the first energy generator or by the energy storage device and the first energy generator together in order to supply the at least one first consumer.
  • Load is therefore to be understood as the electrical power and thus as the product of voltage and current.
  • the load limit is therefore the value of the electrical power, which through the on-board network flows.
  • the first load limit is set equal to or greater than the maximum load of the first energy producer.
  • the maximum load of the first energy generator is therefore the maximum electrical power that the first energy generator can deliver to the vehicle electrical system in continuous operation.
  • the first load limit PGC is preferably chosen such that Pmax ⁇ PGC 2 .times.Pmax.
  • the first load limit PGC SO is particularly preferably selected such that Pmax ⁇ PGC 1.5 ⁇ Pmax, the first load limit PGC SO is particularly preferably selected such that Pmax PGC ⁇ 1.2 ⁇ Pmax.
  • Pmax PGC.
  • the voltage is regulated independently of the current-voltage characteristic of the at least one first current generator. The effect is that above the first load limit, the vehicle electrical system is supplied with energy by the first energy store and not by the first energy generator, since the voltage of the first energy store is higher than the voltage of the first energy generator. This ensures that the voltage is not exactly in the load range in which the highest currents flow, due to the contribution of the first energy generator at the lowest level, and the voltage is therefore selected to be the lowest when the currents are highest.
  • the first energy generator no longer feeds energy into the vehicle electrical system, so that the energy is only made available from the energy stores.
  • the required power is made available at a higher voltage and therefore at a lower current, so that the ohmic power loss of the transmission lines within the vehicle electrical system is reduced when there is a high power requirement. This reduces both the loss of energy and the generation of heat, thus increasing the range.
  • the advantage of the method according to the invention increases in a submarine.
  • the higher voltage can reduce the current flowing at the same power, thus minimizing the power loss due to the ohmic resistance.
  • this energy is not released into the interior of the submarine in the form of waste heat and is then released to the environment of the submarine through an appropriate air conditioning system must.
  • the minimization of the ohmic losses leads to a further significant saving in the field of air conditioning. In this way, the range of the submarine can be increased.
  • Voltage and current can be measured directly in the vehicle electrical system and the electrical load can thus be detected, for example corresponding detection devices can be provided at the connection of the energy generator, at the connection of the energy store and/or at the connection of the first consumer to the vehicle electrical system.
  • the currents flowing between the first energy generator and the first energy store and the vehicle electrical system can also be recorded.
  • the current flowing between the vehicle electrical system and the first consumer can be measured.
  • it can also be the case that direct measurement of the load is difficult or too time-consuming.
  • the load of the entire system can also be estimated from the load states of the consumers.
  • the voltage selected above the first load limit is at the level of the maximum voltage of the vehicle electrical system.
  • the maximum voltage of the vehicle electrical system results regularly from the specified voltage, taking into account the specified tolerance and the achievable tolerance. This will be briefly explained using an example. For example, a vehicle electrical system is designed for 500 V and a tolerance of ⁇ 10% is specified. The voltage may then lie within a window of 450 to 550 V. However, if the voltage can be set to ⁇ 1% via the DC converter, for example, the maximum voltage that can be set would then be around 545 ⁇ 5 V. The result for the maximum voltage is the value of the specified voltage plus the specified tolerance minus the achievable tolerance. In a further embodiment of the invention, the maximum voltage is above the no-load voltage of the first energy generator.
  • the voltage is selected as a function of the load above the first load limit such that the voltage at maximum load reaches the value of the maximum voltage of the vehicle electrical system.
  • the voltage is preferably adjusted proportionally to the load.
  • the adjustment is particularly preferably linear between the voltage of the first energy generator at maximum load of the first energy generator up to the maximum voltage at maximum load of the first energy store.
  • the adaptation can also take place in such a way that, for example, at a load which corresponds to 90% of the maximum power, the value is increased to the maximum voltage and remains constant above that. Between the first load limit and a load that corresponds to 90% of the maximum power, the voltage can be adjusted proportionally.
  • the voltage above the first load limit is selected as a function of the load in such a way that the voltage at maximum load reaches the value of the maximum voltage of the vehicle electrical system, with the voltage being adjusted in stages, for example in three to five stages, to load done. If, for example, the voltage of the first energy producer were 400 V at maximum load of the first energy producer and the maximum voltage was 1000 V, then steps of 500 V, 600 V, 700 V, 800 V, 900 V and 1000 V could be selected.
  • the voltage is not adjusted immediately, but with a time delay, in order to avoid constant voltage changes due to variable loads.
  • a time interval for example 1 min, is defined or a moving average over this time interval is used.
  • the power flowing through the vehicle electrical system is averaged over this time interval and the voltage is regulated on the basis of this averaged load.
  • the voltage is preferably regulated in stages.
  • the voltage is selected as a function of the load above the first load limit such that the voltage at maximum load reaches the value of the maximum voltage of the vehicle electrical system.
  • the adjustment is particularly preferably linear between the voltage of the first energy generator at maximum load of the first energy generator and the maximum voltage at maximum load of the first energy store.
  • the voltage is selected as a function of the load above the first load limit such that the voltage at maximum load reaches the value of the maximum voltage of the vehicle electrical system.
  • the adjustment is particularly preferably linear between the voltage of the first energy generator at maximum load of the first energy generator and the maximum voltage at maximum load of the first energy store.
  • the voltage is selected as a function of the load above the first load limit such that the voltage at maximum load reaches the value of the maximum voltage of the vehicle electrical system.
  • the adaptation is particularly preferably linear between the voltage of the first energy generator at maximum load of the first energy generator and the maximum voltage at maximum load of the first energy store.
  • the voltage is selected as a function of the load above the first load limit such that the voltage at maximum load reaches the value of the maximum voltage of the vehicle electrical system.
  • the adjustment is particularly preferably linear between the voltage of the first energy generator at maximum load of the first energy generator and the maximum voltage at maximum load of the first energy store.
  • the at least one first energy generator is disconnected from the vehicle electrical system above the first load limit. Theoretically, disconnection is not necessary because the voltage of the first energy generator is too low and is therefore not fed into the vehicle electrical system. However, it is advantageous to disconnect it.
  • the first energy generator is a fuel cell device, it can be advantageous to switch it off or to shut it down and not to operate it in idle mode.
  • the increase in vehicle electrical system voltage is limited in time. This limits the increased risk in the event of a short circuit.
  • the vehicle electrical system can be connected to at least one second energy generator.
  • the second energy generator is a diesel generator, with generators that are operated with other fuels also being included here. At present, methanol and ammonia in particular are being discussed and used as a substitute for diesel on ships.
  • the voltage of the vehicle electrical system is selected in accordance with the current-voltage characteristic of the second energy generator.
  • the second energy generator also serves in particular to charge the first energy store.
  • the second energy generator is therefore usually particularly suitable for all load ranges, in particular also for the extremely high load ranges.
  • the vehicle electrical system voltage U is plotted against the load P in the figures.
  • the voltage will develop according to the current-voltage characteristic of the first energy generator, in particular a fuel cell device.
  • the maximum load is reached at the load PGC, and the first energy generator, for example the amber cell device, cannot generate a higher output.
  • the third example represents a compromise between the first two examples. This is shown in FIG. Here at PGr the voltage is already partially raised, for example to the no-load voltage of the first energy generator. From there, there is a linear increase to Umax at Pmax.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Unterseebootes, wobei das Bordnetz mit wenigstens einem ersten Energieerzeuger, wenigstens einem ersten Energiespeicher und wenigstens einem ersten Verbraucher verbunden ist, wobei der wenigstens eine erste Energiespeicher über einen Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden ist, wobei die Spannung des Bordnetzes in Abhängigkeit der durch die Verbraucher aufgenommenen Last geregelt wird, wobei der wenigstens eine erste Energieerzeuger eine Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, wobei die Spannung des Bordnetzes entsprechend der Strom-Spannungskennlinie des wenigstens einen ersten Energieerzeugers geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lastgrenze gesetzt wird, wobei die erste Lastgrenze gleich oder über der maximalen Last des ersten Energieerzeugers gesetzt wird, wobei oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung unabhängig von der Strom-Spannungs-Kennlinie des wenigstens einen ersten Stromerzeugers geregelt wird.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Unterseebootes bei hohen Lasten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes bei hohen Lasten.
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.
Aus der DE 10 2017 009 527 A1 ist ein Gleichspannungswandler für Lithium- Akkumulatoren bekannt.
Aus der DE 10 2014 109 092 A1 ist ein Antriebssystem für ein Unterseeboot bekannt. Aus der DE 10 2014 114 792 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Stromnetzes eines Wasserfahrzeugs bekannt.
Aus der DE 10 2017 002 113 A1 ist ein Unterseeboot und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems eines Unterseebootes bekannt.
Aus der US 6 777 909 B1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Motor mit einer Brennstoffzelle bekannt.
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.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Energievorräte an Bord eines Unterseebootes optimal ausnutzt und so die getauchte Reichweite vergrößert.
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.
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.
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 PGC bevorzugt so gewählt, dass Pmax < PGC 2 ■ Pmax. Besonders bevorzugt wird die erste Lastgrenze PGC SO gewählt, dass Pmax < PGC 1 ,5 ■ Pmax, ganz besonders bevorzugt wird die erste Lastgrenze PGC SO gewählt, dass Pmax PGC ^ 1 ,2 - Pmax. Am meisten bevorzugt ist Pmax = PGC. Oberhalb der ersten Lastgrenze wird die Spannung unabhängig von der Strom-Spannungs-Kennlinie des wenigstens einen ersten Stromerzeugers geregelt. Der Effekt ist, dass oberhalb der ersten Lastgrenze das Bordnetz durch den ersten Energiespeicher und nicht durch den ersten Energieerzeuger mit Energie versorgt wird, da die Spannung des ersten Energiespeichers höher als die Spannung des ersten Energieerzeugers ist. 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.
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.
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.
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.
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.
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. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Maximalspannung oberhalb der Leerlaufspannung des ersten Energieerzeugers.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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. 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.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Anhebung der Bordnetzspannung zeitlich begrenzt. Hierdurch wird das erhöhte Risiko im Falle eines Kurzschlusses begrenzt.
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.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 erstes Beispiel
Fig. 2 zweites Beispiel
Fig. 3 drittes Beispiel
In den Figuren ist die Bordnetzspannung U gegen die Last P aufgetragen. 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 PGC ist die maximale Last erreicht, eine höhere Leistung kann der erste Energieerzeuger, beispielweise die Bernstoffzellenvorrichtung, nicht erzeugen.
Die im Folgenden gezeigten drei Beispiel unterscheiden sich in der Führung der Spannung in einem Lastbereich oberhalb von PGC.
In Fig. 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 PGC direkt auf Maximalspannung Umax gebracht. Hierdurch wird jedoch zum einen ein sprunghafter Spannungsanstieg erzeugt und gleichzeitig das Risiko bei einem Kurzschluss unmittelbar maximiert.
Diese beiden Punkte werden in dem zweiten Beispiel, welches in Fig. 2 gezeigt ist, adressiert. Die Spannung wird bei PGC 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.
Einen Kompromiss zwischen den ersten beiden Beispielen stellt das dritte Beispiel dar. Dieses ist in Fig. 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes eines Unterseebootes, wobei das Bordnetz mit wenigstens einem ersten Energieerzeuger, wenigstens einem ersten Energiespeicher und wenigstens einem ersten Verbraucher verbunden ist, wobei der wenigstens eine erste Energiespeicher über einen Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden ist, wobei die Spannung des Bordnetzes in Abhängigkeit der durch den wenigstens einen ersten Verbraucher aufgenommenen Last geregelt wird, wobei der wenigstens eine erste Energieerzeuger eine Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist, wobei die Spannung des Bordnetzes entsprechend der Strom-Spannungskennlinie des wenigstens einen ersten Energieerzeugers geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lastgrenze gesetzt wird, wobei die erste Lastgrenze gleich oder über der maximalen Last des ersten Energieerzeugers gesetzt wird, wobei oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung unabhängig von der Strom-Spannungs-Kennlinie des wenigstens einen ersten Stromerzeugers geregelt wird, wobei oberhalb der ersten Lastgrenze das Bordnetz durch den ersten Energiespeicher und nicht durch den ersten Energieerzeuger mit Energie versorgt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in der Höhe der Maximalspannung des Bordnetzes gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der ersten Lastgrenze die Spannung in Abhängigkeit der Last so gewählt wird, dass die Spannung bei maximaler Last den Wert der Maximalspannung des Bordnetzes erreicht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Spannung linear zur Last erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der ersten Lastgrenze der wenigstens eine erste Energieerzeuger vom Bordnetz getrennt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhebung der Bordnetzspannung zeitlich begrenzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordnetz mit wenigstens einem zweiten Energieerzeuger verbindbar ist, wobei die Spannung des Bordnetzes beim Betrieb des wenigstens einen zweiten Energieerzeugers durch den zweiten Energieerzeuger vorgegeben wird.
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