ES2952021T3 - Procedimiento para hacer funcionar un sistema de accionamiento eléctrico alimentado por baterías de un submarino - Google Patents

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Abstract

Los submarinos disponen de una red de propulsión (10) para suministrar un propulsor eléctrico. Una pluralidad de cadenas de baterías paralelas (11, 12) están asociadas con la red de propulsión (10) para un suministro continuo de energía. La conexión en paralelo de los strings de baterías (11, 12) es problemática, porque entre los strings de baterías (11, 12) pueden fluir corrientes de compensación. Evitar corrientes de compensación mediante convertidores DC-DC (13, 14) puede provocar una sobrecarga y una descarga profunda de los distintos strings (11, 12). La invención se refiere a un submarino y a un método para operar un sistema de propulsión de un submarino, en el que los estados de carga (SOC) de al menos dos cadenas de baterías (11, 12) de una red de propulsión (10) están sincronizados porque el Los respectivos estados de carga de las cadenas de baterías (11, 12) se miden mediante los respectivos sistemas de gestión de baterías (BMS) (19) y los respectivos voltajes de las cadenas de baterías (11, 12) se establecen mediante los respectivos convertidores CC-CC (13, 14) de acuerdo con los respectivos estados de carga medidos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para hacer funcionar un sistema de accionamiento eléctrico alimentado por baterías de un submarino
La invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar un sistema de accionamiento de un submarino según el preámbulo de la reivindicación 1.
Los submarinos presentan al menos una red de tensión continua o al menos una red de a bordo para alimentar un accionamiento, pero también para alimentar otros consumidores como, por ejemplo, las instalaciones de climatización o los equipos de comunicación. Esta red de a bordo es alimentada por un grupo de combustión, baterías y/o pilas de combustible.
Dado que para los submarinos es esencial que los consumidores eléctricos sean alimentados con suficiente energía eléctrica también durante la navegación submarina, el sistema de accionamiento debe poder funcionar independientemente del grupo de combustión. Para ello, a la al menos una red de a bordo se pueden asignar varias cadenas de baterías en paralelo que sirven como depósitos de energía. Cada una de estas cadenas de baterías presenta un gran número de módulos o celdas conectados en serie. Habitualmente, el sistema de accionamiento de un submarino presenta hasta 60 cadenas de baterías, que pueden estar distribuidas entre una o varias redes de a bordo. En este contexto, cabe mencionar el documento DE102015216097A1.
Habitualmente, las cadenas de baterías son cargadas por el grupo de combustión durante la navegación en superficie y descargadas durante la navegación submarina debido a la alimentación de los consumidores eléctricos. Sin embargo, también es concebible que las cadenas de baterías sean cargadas por las pilas de combustible o por el propio accionamiento.
Como es sabido, la conexión en paralelo de baterías no está exenta de problemas, ya que, debido a las diferentes características o estados de carga de las baterías, pueden fluir corrientes de compensación entre las baterías individuales o cadenas de baterías. Por lo tanto, las cadenas de baterías en paralelo se desacoplan entre sí a través de, por ejemplo, controladores CC-CC o convertidores de CC. Sin embargo, este desacoplamiento de cadenas de baterías en paralelo a través de controladores CC-CC también supone una carga para las cadenas de baterías individuales, ya que la descarga y la carga se realizan independientemente de lo elevadas que sean las "capacidades residuales" o el estado de carga de las cadenas individuales. Sin embargo, descargar o cargar sin tener en cuenta el estado de carga puede provocar una descarga profunda o una sobrecarga y, por tanto, daños irreversibles en las baterías. En este contexto, cabe mencionar el documento DE102014109092A1.
Para evitar esto, todas las cadenas de batería implicadas en el proceso de carga y descarga tendrían que coordinarse a través de un dispositivo de regulación o comunicación intercoordinado. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que es necesario un mayor esfuerzo de comunicación y de regulación entre las cadenas individuales y, en caso de un fallo de estos dispositivos de regulación o comunicación necesarios, ya no se puede garantizar a su vez una descarga uniforme de las cadenas de baterías. Especialmente en caso de un elevado número de ciclos, es decir, de cargas y descargas frecuentes de las baterías, las cargas y descargas desiguales pueden provocar a su vez sobrecargas y descargas profundas de las cadenas individuales. Estos daños acortan la vida útil de las baterías, lo que puede tener graves consecuencias, especialmente para el funcionamiento de los submarinos.
Además, el documento DE102014114792A1 divulga un procedimiento para hacer funcionar una red eléctrica, en particular una red eléctrica de una embarcación, en el que la red eléctrica está conectada a un dispositivo de batería para el almacenamiento intermedio de energía.
La invención tiene el objetivo de proporcionar un procedimiento para hacer funcionar un sistema de accionamiento de un submarino, con el que sea posible descargar las cadenas de baterías individuales de manera uniforme.
Un procedimiento para conseguir este objetivos incluye las medidas de la reivindicación 1. Por lo tanto, está previsto que los respectivos estados de carga (SOC) de las al menos dos cadenas de baterías de una red de a bordo se sincronicen entre sí por el hecho de que el SOC de cada cadena de baterías es medido por un sistema de gestión de baterías (BMS) y una tensión de cadena de cada cadena de baterías es ajustada por el respectivo controlador CC-CC a base de una curva característica para la respectiva cadena de baterías en función del SOC medido. A base del SOC determinado y, por tanto, de la capacidad restante de cada cadena de baterías y del ajuste correspondiente de la tensión de cadena, se modifica o aumenta la tensión en la red de a bordo. La cadena de baterías con el SOC más alto ajusta la tensión más alta y, como resultado, también suministra la potencia más alta. Las cadenas de baterías con un SOC más bajo detectan a causa de la medición una tensión de red de a bordo más alta que la que se ajustaría como tensión de cadena a causa del SOC propio por la curva característica interna. En este caso, se ajusta una potencia de salida inferior de la cadena de baterías con el SOC más bajo. Cuanto mayor sea la diferencia entre la tensión de red de a bordo medida y la tensión de cadena de una cadena, menor será la potencia suministrada por esta cadena. De esta manera, se puede garantizar que ninguna cadena de baterías se sobrecargue o se descargue en profundidad. Más bien, el estado de carga o la capacidad de las cadenas de baterías individuales se ajusta o sincroniza entre sí mediante la determinación del SOC y la regulación independiente de ello de las tensiones de cadena a través de los controladores CC-CC. Mediante la sincronización de los estados de carga se puede producir una descarga uniforme. Por la descarga uniforme de las cadenas de baterías en paralelo, también se puede producir una carga uniforme, como resultado de lo cual puede aumentar la vida útil de las baterías individuales.
Por la cadena de baterías para la que se midió un SOC más elevado que en una cadena de baterías paralela de la misma red de a bordo, es alimentada una corriente más elevada a la red de a bordo que por la cadena de baterías para la que se midió un SOC más bajo. Al alcanzarse el límite de corriente de la cadena de baterías con el SOC más alto o al reducirse el SOC, se reduce la tensión de la red de a bordo.
Por tensión de cadena se entiende la tensión eléctrica que ha de ser medida en el lado de la red de a bordo a través del controlador CC-CC. En general, la tensión de cadena debe ser aproximadamente idéntica a la tensión de la red de a bordo. Pero debido a la configuración eléctrica de la red de a bordo, la tensión en la red de a bordo puede variar localmente.
En particular, está previsto que las tensiones de cadena son ajustadas a base de una curva característica para la respectiva cadena de baterías por el controlador CC-CC. Controlando la tensión de cadena a base de una curva característica propia de la respectiva cadena de baterías, la descarga y la carga de la cadena de baterías pueden producirse de forma especialmente efectiva y suave. Al orientarse los controladores CC-CC por las curvas características, puede ser ajustado para las tensiones de cadena el rango exacto en la curva característica en el que las baterías funcionan de forma especialmente fiable y uniforme. Preferiblemente, para cada controlador CC-CC está prevista una curva característica diferente.
Preferiblemente, la presente invención puede prever además que en los controladores CC-CC se depositen curvas características dependientes de la carga y valores límite de corriente para diferentes corrientes de carga de las cadenas de baterías y que las tensiones de cadena de las cadenas de baterías sean ajustadas por los controladores CC-CC en función de la carga. Es concebible, por ejemplo, que en el caso de una carga extraordinariamente elevada de la red de a bordo, para el funcionamiento de las cadenas de baterías funcione más eficazmente una curva característica modificada, dependiente de la carga, que una curva característica para el funcionamiento normal. En particular, para el funcionamiento por debajo del 20 % del SOC, puede estar previsto que las cadenas de baterías se hagan funcionar a base de una curva característica adaptada. Mediante esta adaptación de la curva característica a la respectiva situación de carga del sistema de accionamiento, se puede garantizar que no se produzca una descarga profunda o una sobrecarga de las baterías ni siquiera en situaciones extremas o que se pueda reducir una descarga profunda.
En particular, puede estar previsto que en cada controlador CC-CC, el suministro de corriente a la red de a bordo se ajuste en función de la tensión de cadena. Preferiblemente, en cada controlador CC-CC está depositada una curva característica tensión-corriente para cada cadena de baterías.
En otra ejemplo de realización ventajoso de la presente invención puede estar previsto que por la cadena de baterías para la que se midió un SOC más alto que para una cadena de baterías paralela de la misma red de a bordo, sea alimentada una corriente más alta a la red de a bordo hasta alcanzar un límite de corriente, que por la cadena de baterías para la que se midió un SOC más bajo. SOC desiguales entre cadenas de baterías en paralelo pueden producirse después de que el submarino haya estado inactivo durante un tiempo prolongado o después de que se hayan sustituido baterías individuales. Al poner en servicio el sistema de accionamiento o la red de a bordo según la presente invención, los SOC de las cadenas de baterías se adaptan entre sí. Inicialmente, sin embargo, es alimentada corriente a la red de a bordo por una cadena de baterías con una mayor capacidad o un mayor SOC, de modo que los niveles de SOC de las cadenas de baterías individuales se igualen con el tiempo.
Además, puede estar previsto que al alcanzar la limitación de corriente de la cadena de baterías con el SOC más alto o al reducirse el SOC, se reduzca la tensión de la red de a bordo hasta que otras cadenas de baterías aumenten su suministro de corriente. Preferiblemente, la tensión de la red de a bordo se regula a la tensión de la cadena de baterías con el SOC inmediatamente inferior. Alternativamente, la tensión de la red de a bordo de la cadena de baterías puede regularse a la tensión con el SOC más bajo, de modo que la carga para este caso de carga elevada se distribuya uniformemente entre las cadenas de baterías de una red de a bordo. Igualmente, puede estar previsto que las tensiones de red de a bordo de varias redes de a bordo se igualen o sean sincronizadas. Mediante esta igualación del nivel de SOC se puede producir una descarga más uniforme de todas las cadenas de baterías.
Preferiblemente, otro ejemplo de realización de la presente invención puede prever que la tensión de la red de a bordo sea regulada por los controladores CC-CC dentro de un intervalo de tensión, en particular entre un SOC del 100% (por ejemplo 700 voltios) y el 20% (por ejemplo 650 voltios). Preferiblemente, la tensión de la red de a bordo o la tensión de las cadenas de baterías individuales se regula dentro de un intervalo que se comporta en gran medida de forma lineal, por lo que los consumidores reciben una corriente o tensión casi constante. Este intervalo lineal es especialmente cuidadoso para todos los consumidores, ya que se les suministra una energía eléctrica constante. Además, no se requiere una adaptación o regulación constante de tensiones para generar la energía que necesita el sistema de accionamiento.
Además, puede estar previsto preferiblemente que los saltos de tensión debidos a la conmutación en la red de a bordo se suavicen mediante filtros, preferiblemente filtros de entrada digitales o analógicos, de la señal de entrada de tensión medida. Esto puede realizarse, por ejemplo, mediante un filtro de paso bajo. De esta manera, se puede evitar que los controladores CC-CC de las cadenas de baterías no reaccionen a cada fluctuación de tensión debido a la inercia de la red de a bordo. En particular, las fluctuaciones de carga a corto plazo, que pueden ser causadas, por ejemplo, por la conexión o desconexión de consumidores eléctricos o por la eliminación de cargas, pueden provocar fluctuaciones de tensión que deben ser absorbidas por la red de a bordo. Preferiblemente, mediante los filtros se suavizan pequeñas fluctuaciones de tensión.
En particular, puede estar previsto además que una característica de una tensión de descarga de las cadenas de baterías se linealice por la pendiente de su característica. Mediante esta adaptación de la curva característica en función del SOC, se puede conseguir un funcionamiento especialmente eficaz y fiable de las cadenas de baterías incluso con un SOC bajo.
Además, está previsto que por los controladores CC-CC, las cadenas de baterías son puestas en un modo de carga cuando un generador alcance un nivel de tensión predeterminado en la curva característica. El nivel de tensión predeterminado para la conmutación al modo de carga puede estar ventajosamente por encima de la tensión más alta a la que se produce la descarga, es decir, la tensión de cadena cuando las baterías están completamente cargadas, correspondiente al 100 % de SOC. Tan pronto como sea energéticamente más favorable para la red de a bordo o para las cadenas de baterías pasar al modo de carga, las cadenas de baterías correspondientes vuelven a ser cargadas por el sistema de accionamiento hasta un SOC máximo. Este cambio de modo puede ser realizado automáticamente por el sistema de gestión de baterías (BMS) y/o los controladores CC-CC.
En un submarino correspondiente, los estados de carga (SOC) de las cadenas de baterías pueden ser determinados por un sistema de gestión de baterías (BMS) respectivamente y las tensiones de cadena de cada cadena de baterías pueden ser ajustadas por el respectivo controlador CC-CC en función del SOC medido, de tal manera que los SOC de las cadenas de baterías individuales estén sincronizados entre sí. Por la determinación del SOC y, por tanto, de la capacidad restante por medio del sistema de gestión de baterías (BMS) para cada cadena de baterías, se puede impedir que las cadenas de baterías se sobrecarguen o se descarguen en profundidad. Mediante la determinación del s Oc y la regulación en función de ello de las tensiones de las cadenas a través de los controladores CC-CC, se pueden sincronizar los estados de carga y las capacidades de las cadenas de baterías individuales. Mediante esta sincronización de los estados de carga puede realizarse una descarga uniforme de las cadenas de baterías. Por la descarga uniforme de las cadenas de baterías paralelas, también puede realizarse correspondientemente una carga uniforme.
Preferiblemente, puede estar previsto que en los controladores CC-CC puedan depositarse para diferentes corrientes de carga de las cadenas de baterías unas curvas características dependientes de la carga y los valores límite de corriente, mediante los cuales las tensiones de cadena de las cadenas de baterías pueden ser ajustadas por los controladores CC-CC en función de la carga del sistema de accionamiento. Mediante este control dependiente de la carga, las distintas cadenas de baterías pueden descargarse y/o cargarse de manera eficiente individualmente y de forma coordinada con todo el sistema de accionamiento.
Preferiblemente, puede estar previsto además que las cadenas de baterías presenten una multiplicidad de baterías de iones de litio. Variando el número de baterías de iones de litio de cada cadena, se puede determinar la capacidad en función de la demanda. Sin embargo, también es concebible que se utilicen otros tipos de baterías en las cadenas de baterías.
Un ejemplo de realización preferible se explica más detalladamente a continuación con la ayuda del dibujo. En este, muestran:
La figura 1 un fragmento de un sistema de accionamiento con dos controladores CC-CC,
La figura 2 una curva característica de SOC, y
La figura 3 una curva característica de SOC.
La figura 1 muestra un fragmento de una red de a bordo 10 de un sistema de accionamiento de un submarino. A esta red de conducción 10 están asignadas dos cadenas de baterías 11, 12 en paralelo. Cada una de estas cadenas de baterías 11, 12 presenta una pluralidad de baterías 18, preferiblemente baterías de iones de litio, conectadas en serie.
Las cadenas de baterías individuales 11, 12 están acopladas a la red de a bordo 10 respectivamente mediante un controlador CC-CC 13, 14. A este respecto, cabe señalar expresamente que, según la invención, también es concebible que el sistema de accionamiento pueda presentar más de una red de a bordo 10, a las que a su vez se asignen respectivamente varias cadenas de baterías 11, 12 en paralelo. Habitualmente, un sistema de accionamiento genérico tiene de 30 a 60 cadenas de baterías 11, 12, de modo que a cada red de a bordo 10 están asignadas una multiplicidad de cadenas de baterías 11, 12.
Según la presente invención, cada cadena de baterías 11 12 comprende al menos un sistema de gestión de baterías (BMS) 19. Este BMS 19 determina el estado de carga (SOC, “State of Charge”) de cada cadena de baterías 11, 12. A continuación, el SOC determinado para cada cadena 11, 12 es transmitido por el BMS 19 a través de un dispositivo de control 20 al controlador CC-CC 13, 14 correspondiente. A continuación, la tensión de cada cadena de baterías 11, 12 es ajustada por el controlador CC-CC 13, 14 en función del SOC.
En el diagrama representado en la figura 2, la tensión de batería U se muestra en función del SOC de la batería. De la curva 15 mostrada en la figura 2 resulta claramente que la tensión de batería U es casi constante en un intervalo comprendido entre 20 % y 100 % del SOC. Este intervalo entre 20 % y 100 % del SOC representa, por tanto, un intervalo operativo preferible para el funcionamiento del sistema de accionamiento del submarino, ya que aquí la energía eléctrica proporcionada por las cadenas de baterías 11, 12 individuales es relativamente constante.
Mediante la determinación del SOC individual de cada cadena de baterías 11, 12 por el BMS 19, los controladores CC-CC 13, 14 controlan las tensiones de cadena de las cadenas de baterías 11, 12 individuales de tal manera que cada una de estas cadenas 11, 12 se hace funcionar preferiblemente en este intervalo lineal. Si se detecta un s Oc que esté por encima del valor del 100 %, esta cadena 11, 12 es controlada de tal manera que primero es suministrada energía eléctrica a la red de a bordo 10 por esta cadena 11, 12 hasta que se alcance un valor correspondiente por debajo del 100 % del SOC. Del mismo modo, para una cadena de baterías 11, 12 cuyo SOC esté próximo o inferior a 20%, se desacopla del consumidor eléctrico, de manera que este es alimentado de energía eléctrica por las demás cadenas de baterías 11, 12.
Con el tiempo, debe establecerse por tanto un SOC homogéneo en todas las cadenas de baterías 11, 12 de la red de a bordo 10. Esta sincronización de las distintas cadenas de baterías entre sí permite utilizar las cadenas 11, 12 de forma especialmente efectiva y durante un largo periodo de tiempo.
El control o la sincronización de las tensiones de cadena de las cadenas de baterías 11, 12 se produce automáticamente a través del BMS 19 o a través de los controladores CC-CC 13, 14. Si en la red de a bordo 10 está presente una carga eléctrica especialmente elevada, la curva característica depositada para las cadenas de baterías 11, 12 y los valores límite de corriente pueden variarse de modo que, incluso bajo una carga aumentada, las cadenas de baterías 11, 12 funcionen en un intervalo de curva característica 16 relativamente lineal preferible (figura 3).
Para determinadas situaciones, en particular para la navegación submarina, puede ser esencial que las cadenas de baterías 11, 12 sigan suministrando energía eléctrica a la red de a bordo 10 de forma eficiente y fiable incluso por debajo del 20% del SOC. Tan pronto como el BMS 19 determina un SOC inferior al 20 % para las cadenas de baterías11, 12, las cadenas de baterías 11, 12 se hacen funcionar según una curva característica 17 depositada para este caso (figura 3). Mediante este funcionamiento selectivo de las cadenas de baterías 11, 12 en caso de un SOC bajo se puede reducir o evitar la descarga profunda de las celdas de batería individuales.
Lista de signos de referencia:
10 Red de a bordo
11 Cadena de baterías
12 Cadena de baterías
15 Convertidor CC-CC
14 Convertidor CC-CC
15 Curva
16 Curva característica
17 Curva característica
18 Batería
19 Sistema de gestión de baterías (BMS)
20 Dispositivo de regulación
21 Tensión de cadena
22 Tensión de cadena de baterías
23 Corriente de cadena de baterías

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para hacer funcionar un sistema de accionamiento de un submarino con al menos una red de a bordo eléctrica (10) para suministrar energía eléctrica a los consumidores, en el que a cada red de a bordo (10) están asignadas al menos dos cadenas de baterías (11, 12) en paralelo que son acopladas a la red de a bordo (10) por un controlador CC-CC (13, 14) respectivamente, y en el que los respectivos estados de carga (SOC) de las al menos dos cadenas de baterías (11, 12) de una red de a bordo (10) se sincronizan entre sí por el hecho de que por respectivamente un sistema de gestión de baterías (BMS) (19) es medido el SOC de cada cadena de baterías (11, 12) y una tensión de cadena (21) de cada cadena de baterías (11, 12) es ajustada por el respectivo actuador CC-CC (13, 14) a base de una curva característica para la respectiva cadena de baterías (11, 12) en función del SOC medido, y en el por la cadena de baterías (11, 12) para la que se midió un SOC más elevado que en una cadena de baterías (11, 12) paralela de la misma red de a bordo (10) es alimentada una corriente más elevada a la red de a bordo (10) que por la cadena de baterías (11, 12) para la que se midió un SOC más bajo, caracterizado porque al alcanzarse la limitación de corriente de la cadena de baterías (11, 12) con el SOC más elevado o al reducirse el SOC, se reduce la tensión de la red de a bordo.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en los controladores CC-CC (13, 14) para diferentes corrientes de carga de las cadenas de baterías (11, 12) son depositadas curvas características (13, 17) dependientes de la carga y valores límite de corriente, y las tensiones de cadena de las cadenas de baterías (11, 12) son ajustadas por los controladores CC-CC (13, 14) en función de la carga.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque por los controladores CC-CC (13, 14) es ajustado el suministro de corriente a la red de a bordo (10) en función de la tensión de cadena (21).
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque por la cadena de baterías (11, 12) para la que se midió un SOC más elevado que para una cadena de baterías (11, 12) paralela de la misma red de a bordo (10) es suministra una corriente más elevada a la red de a bordo (10) hasta que se alcanza una limitación de corriente, que por la cadena de baterías (11, 12) para la que se midió un SOC más bajo.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque al alcanzarse la limitación de corriente de la cadena de baterías (11, 12) con el SOC más alto o al reducirse el SOC, se reduce la tensión de la red de a bordo hasta que otras cadenas de baterías (11, 12) aumenten su suministro de corriente.
6. Procedimiento según la reivindicación 4 o 5, caracterizado porque la tensión de red de a bordo de la cadena de baterías (11, 12) se regula a la tensión con el SOC inmediatamente inferior o el más bajo, de modo que la carga se distribuye uniformemente entre las cadenas de baterías (11, 12) de la única red de a bordo (10).
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las tensiones de cadena de respectivamente una cadena de baterías (11, 12) son reguladas por el respectivo controlador CC-CC (13, 14) dentro de un intervalo de tensión determinado, en particular dentro un intervalo de SOC determinado, de 100 % (por ejemplo, 700 V) y de 20 % (por ejemplo, 650 V).
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los saltos de tensión, debidos a la conmutación, de la señal de entrada medida en la red de a bordo (10) se suavizan mediante filtros, preferiblemente filtros de entrada digitales o analógicos, en particular, mediante filtros de paso bajo.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una característica de una tensión de descarga de módulos de batería individuales de las cadenas de baterías (11, 12) o de las cadenas de baterías (11, 12) se linealiza mediante una adaptación de la característica en función del SOC.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los controladores CC-CC (13, 14) ponen las cadenas de baterías (11, 12) en modo de carga cuando un generador alcanza un nivel de tensión predeterminado en la curva característica.
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