WO2016050762A1 - Engin sous-marin muni d'un réseau d'alimentation multiniveaux - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an underwater vehicle such as a submarine proper.
  • This type of underwater vehicle is provided with electric propulsion means, such as a propulsion engine, fed from an electrical distribution network cut into edges.
  • electric propulsion means such as a propulsion engine
  • Such an underwater vehicle also carries a large amount of DC voltage electrical energy storage sources, for example based on Lithium-ion batteries.
  • the electric propulsion means in particular the propulsion engine of the underwater vehicle, are powered by converters whose purpose is to transform the direct current from storage sources into alternating current whose frequency and amplitude are variable. depending on the speed of rotation required for these means of propulsion.
  • the electromotive force being proportional to the rotational speed of the propulsion means, for a low propulsion means rotation speed, the supply voltage of the converters must be low enough to minimize the switching of the electronic components controlled by the drives. converters, and therefore the losses in the converters.
  • a first coupling mode consisting in putting the batteries in parallel is implemented so that the converters are powered by the mains voltage.
  • a second coupling mode consisting in putting the batteries in series is implemented so that the converters are powered by the sum of the voltages of each of the batteries.
  • This function of placing the batteries in series is performed by a combiner located in a propulsion cabinet supplying the power converters of the propulsion means.
  • the crew chooses to remain in the current coupling mode.
  • the speed of rotation achieved by the propulsion means is then limited to the threshold value, which greatly limits the submarine's operational capabilities, particularly in speed term.
  • the object of the invention is therefore to solve these problems.
  • the invention relates to an underwater vehicle provided with an electrical energy supply network comprising:
  • At least two sources of DC voltage based on lithium-ion batteries a first source being able to deliver a first voltage, and a second source being able to deliver a second voltage,
  • switching means connected at input to each DC voltage source, the switching means being able to deliver, as desired, one of three DC output voltages among:
  • At least one DC / AC DC / AC inverter in which the switching means are integrated, for supplying an alternating output voltage to one of the voltages obtained from the three DC voltages at the output of the switching means and zero voltage.
  • the underwater vehicle according to the invention may comprise the following characteristic: the switching means and the inverter implement controlled semiconductor switching devices.
  • Such an underwater vehicle comprises at least two DC voltage sources 1, 2 comprising electrical energy storage means based on lithium-ion batteries.
  • the first source 1 is able to deliver a first voltage Ui and the second source 2 is able to deliver a second voltage U 2 .
  • These sources 1, 2 of voltage are connected to the input of switching means 3, these switching means 3 being able to optionally deliver one of three DC output voltages among the first voltage Ui, the second voltage U 2 and a third voltage, this third voltage being equal to the sum of the first voltage Ui and the second voltage U 2 .
  • These switching means 3 are, for example, conventional multi-level semiconductor switching means.
  • These switching means 3 are generally integrated in an inverter
  • DC / AC 4 DC / AC being the acronym for "continuous / alternative" input of it.
  • This DC / AC inverter 4 is capable of supplying an alternating output voltage U N , optionally from voltages obtained from the three DC voltages at the output of the switching means 3 as previously described and of a zero voltage.
  • the switching means 3 and the DC / AC inverter 4 implement controlled switching devices such as IGBTs, IGBT being the acronym for "Insulated Gate Bipolar Transistor".
  • the switching means 3 and the DC / AC inverter 4 form, for example, multilevel converters with an NPC structure, NPC being the acronym for "Neutral Point Clamped".

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Abstract

L'invention concerne un engin sous-marin muni d'un réseau d'alimentation en énergie électrique comprenant au moins deux sources (1, 2) de tension à courant continu à base de batteries Lithium-ion, une première source (1) étant apte à délivrer une première tension (U1), et une deuxième source (2) étant apte à délivrer une deuxième tension (U2), des moyens de commutation (3) connectés en entrée à chaque source de tension continue (1, 2), les moyens de commutation (3) étant aptes à délivrer au choix l'une de trois tensions continues de sortie parmi la première tension (U1), la deuxième tension (U2), et une troisième tension égale à la somme de la première tension (U1) et de la deuxième tension (U2), au moins un onduleur continu/alternatif DC/AC (4), dans lequel sont intégrés les moyens de commutation (3), pour fournir une tension alternative de sortie (UN) au choix parmi des tensions obtenues à partir des trois tensions continues en sortie des moyens de commutation (3) et d'une tension nulle.

Description

Engin sous-marin muni d'un réseau d'alimentation multiniveaux
La présente invention concerne un engin sous-marin tel qu'un sous-marin proprement dit.
Ce type d'engins sous-marin est muni de moyens électriques de propulsion, tels qu'un moteur de propulsion, alimentés à partir d'un réseau de distribution électrique découpé en bords.
Un tel engin sous-marin embarque également une grande quantité de sources de stockage d'énergie électrique à tension continue, par exemple à base de batteries Lithium-ion.
Les moyens électriques de propulsion, notamment le moteur de propulsion de l'engin sous-marin, sont alimentés par des convertisseurs dont le but est de transformer le courant continu issu des sources de stockage en courant alternatif dont la fréquence et l'amplitude sont variables en fonction de la vitesse de rotation requise pour ces moyens de propulsion.
Par ailleurs, la force électromotrice étant proportionnelle à la vitesse de rotation des moyens de propulsion, pour une vitesse de rotation des moyens de propulsion faible, la tension d'alimentation des convertisseurs doit être assez basse pour minimiser les commutations des composants électroniques pilotés par les convertisseurs, et donc les pertes dans les convertisseurs.
Pour cela, on connaît de l'état de la technique deux modes de couplage des batteries des sources de stockage en fonction des vitesses de rotation requises des moyens électriques de propulsion.
Ainsi, lorsque les vitesses de rotation requises sont inférieures ou égales à une valeur seuil, un premier mode de couplage consistant à mettre les batteries en parallèle est mis en œuvre de sorte que les convertisseurs soient alimentés par la tension du réseau.
Par contre, lorsque les vitesses de rotation requises sont supérieures à la valeur seuil, un deuxième mode de couplage consistant à mettre les batteries en série est mis en œuvre de sorte que les convertisseurs soient alimentés par la somme des tensions de chacune des batteries.
Cette fonction de mise en série des batteries est réalisée par un combinateur situé dans une armoire de propulsion alimentant les convertisseurs d'alimentation des moyens de propulsion.
Cependant, la limite de cette solution se situe au niveau de la commutation entre les deux modes de couplage. En effet, le passage d'une configuration à une autre nécessite d'appliquer un séquentiel complexe et de longue durée.
Dans certaines situations où ce séquentiel est jugé très risqué, l'équipage choisit alors de rester dans le mode de couplage courant.
Ainsi, dans ces situations, si le mode de couplage courant est le premier mode de couplage, la vitesse de rotation atteinte par les moyens de propulsion est alors limitée à la valeur seuil, ce qui limite fortement les capacités opérationnelles du sous-marin notamment en terme de vitesse.
Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes.
A cet effet l'invention a pour objet un engin sous-marin muni d'un réseau d'alimentation en énergie électrique comprenant :
- au moins deux sources de tension à courant continu à base de batteries Lithium-ion, une première source étant apte à délivrer une première tension, et une deuxième source étant apte à délivrer une deuxième tension,
- des moyens de commutation connectés en entrée à chaque source de tension continue, les moyens de commutation étant aptes à délivrer au choix l'une de trois tensions continues de sortie parmi :
o la première tension,
o la deuxième tension, et
o une troisième tension égale à la somme de la première tension et de la deuxième tension,
- au moins un onduleur continu/alternatif DC/AC, dans lequel sont intégrés les moyens de commutation, pour fournir une tension alternative de sortie au choix parmi des tensions obtenues à partir des trois tensions continues en sortie des moyens de commutation et d'une tension nulle.
L'engin sous-marin selon l'invention peut comporter la caractéristique suivante : les moyens de commutation et l'onduleur mettent en œuvre des organes de commutation à semi-conducteur pilotés.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé qui représente un schéma synoptique illustrant la structure et le fonctionnement d'un réseau d'alimentation en énergie électrique d'un engin sous-marin selon l'invention.
Un tel engin sous-marin comporte au moins deux sources 1 , 2 de tension en courant continu comprenant des moyens de stockage d'énergie électrique à base de batteries Lithium-ion. La première source 1 est apte à délivrer une première tension Ui et la deuxième source 2 est apte à délivrer une deuxième tension U2.
Ces sources 1 , 2 de tension sont raccordées en entrée de moyens de commutation 3, ces moyens de commutation 3 étant aptes à délivrer au choix l'une de trois tensions continues de sortie parmi la première tension Ui , la deuxième tension U2 et une troisième tension, cette troisième tension étant égale à la somme de la première tension Ui et de la deuxième tension U2.
Ces moyens de commutation 3 sont par exemple des moyens de commutation multiniveaux à semi-conducteur de type classique.
Ces moyens de commutation 3 sont de façon générale intégrés dans un onduleur
DC/AC 4, DC/AC étant l'acronyme de « continu/alternatif » en entrée de celui-ci. Cet onduleur DC/AC 4 est propre à fournir une tension alternative de sortie UN, au choix parmi des tensions obtenues à partir des trois tensions continues en sortie des moyens de commutation 3 telles que décrites précédemment et d'une tension nulle.
Les moyens de commutation 3 et l'onduleur DC/AC 4 mettent en œuvre des organes de commutation pilotés tels que des IGBT, IGBT étant l'acronyme anglais de «Insulated Gâte Bipolar Transistor ».
Les moyens de commutation 3 et l'onduleur DC/AC 4 forment par exemple des convertisseurs multiniveaux à structure NPC, NPC étant l'acronyme de « Neutral Point Clamped ».
En effet, de tels convertisseurs offrent l'avantage de réduire le contenu harmonique des courants alternatifs en sortie des onduleurs.
Ainsi, une telle disposition des moyens de commutation 3 et de l'onduleur 4 permet d'alimenter les moyens de propulsion électrique de l'engin sous-marin avec une tension égale à celle de l'une des batteries ou avec une tension résultant de la somme des tensions de plusieurs batteries en série en fonction de la vitesse de rotation requise pour les moyens de propulsion.
Ceci permet par exemple de tenir compte de la vitesse souhaitée de déplacement de l'engin, en toute sécurité et avec une réaction immédiate.
Bien entendu d'autres modes de réalisation peuvent encore être envisagés.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Engin sous-marin muni d'un réseau d'alimentation en énergie électrique comprenant :
- au moins deux sources (1 , 2) de tension à courant continu à base de batteries Lithium-ion, une première source (1 ) étant apte à délivrer une première tension (Ui), et une deuxième source (2) étant apte à délivrer une deuxième tension
(U2),
- des moyens de commutation (3) connectés en entrée à chaque source de tension continue (1 , 2), les moyens de commutation (3) étant aptes à délivrer au choix l'une de trois tensions continues de sortie parmi :
o la première tension (l^),
o la deuxième tension (U2), et
o une troisième tension égale à la somme de la première tension (l^) et de la deuxième tension (U2),
- au moins un onduleur continu/alternatif DC/AC (4), dans lequel sont intégrés les moyens de commutation (3), pour fournir une tension alternative de sortie (UN) au choix parmi des tensions obtenues à partir des trois tensions continues en sortie des moyens de commutation (3) et d'une tension nulle.
2. - Engin sous-marin selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les moyens de commutation (3) et l'onduleur (4) mettent en œuvre des organes de commutation à semi-conducteur pilotés.
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