DE102007053229A1 - U-Boot-Gleichstromnetz mit Hochleistungsenergiespeichern - Google Patents

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DE102007053229A1
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Oskar Risius
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Abstract

Ein erfindungsgemäßes U-Boot-Gleichstromnetz für ein U-Boot mit Hochleistungsenergiespeichern weist zwei Teilnetze (2, 3) auf, die über eine Netzkupplung (4) miteinander verbindbar oder verbunden sind, wobei jedes der Teilnetze (2, 3) zumindest einen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Energie, zumindest eine Batterie (6) zur Speicherung elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor (7) zum Antrieb eines Propellers des U-Bootes aufweist, wobei die Batterie (6) mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen (10) umfasst, die wiederum aus jeweils mehreren Strängen (16) aus in Reihe geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen (17) bestehen, wobei in jeden der Stränge (16) jeweils ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (25) geschaltet ist und/oder in Reihe zu jeder der Batteriegruppen (10) jeweils ein Batteriegruppenschalter (24) geschaltet ist, und wobei ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (22, 23) für die Summenkurzschlussströme mehrerer Batteriegruppen (10) vorhanden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein U-Boot-Gleichstromnetz gemäß Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 3.
  • Hintergrund der Erfindung ist die Entwicklung von Gleichstrom-Hochleistungsenergiespeichern mit dem Problem von erheblich erhöhten prospektiven Kurzschlussströmen und den folgenden Eigenschaften:
    • – erhebliche Verkürzung von Lade- und Entladezeiten
    • – erhebliche Erhöhung des Kurzzeit-Entladestromes
  • Beispiele für derartige Hochleistungsenergiespeicher sind Li-Ionen-Batteriezellen, Li-Polymer-Zellen und Kombinationen davon.
  • Derzeit ist noch keine Lösung mit Hochleistungsenergiespeichern wie Li-Ionen-Batterien als Großanlage bekannt. Bislang wurden für Großanlagen im Wesentlichen Bleibatterien mit konventionellen Schutzorganen und Strombegrenzern (z.B. Sicherungen, Leistungsschalter, Sollschmelzstellen, etc.) verwendet. Bleibatterien sind gekennzeichnet durch große Massen und Volumen (bezogen auf die Kapazität) und erfordern einen erheblichen Pflegeaufwand sowie umfangreiche periphere Einrichtungen (z.B. Säureumwälzung).
  • Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Gleichstromnetz für ein U-Boot mit Hochleistungsenergiespeichern wie z.B. Li-Ionen-Batterien anzugeben.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß zum einen durch ein U-Boot-Gleichstromnetz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und zum anderen durch ein U-Boot-Gleichstromnetz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erstes erfindungsgemäßes U-Boot-Gleichstromnetz weist zwei Teilnetze auf, die über eine Netzkupplung miteinander verbindbar oder verbunden sind, wobei jedes der Teilnetze zumindest einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, zumindest eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor zum Antrieb eines Propellers des U-Bootes aufweist, wobei die Batterie mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen umfasst, die wiederum aus jeweils mehreren Strängen aus in Reihe geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen bestehen, wobei in jeden der Stränge ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement geschaltet ist und wobei ein weiteres stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement für die Summenkurzschlussströme mehrerer Batteriegruppen vorhanden ist. Von Vorteil ist zusätzlich in Reihe zu jeder der Batteriegruppen jeweils ein Batteriegruppenschalter geschaltet.
  • Ein zweites erfindungsgemäßes U-Boot-Gleichstromnetz weist zwei Teilnetze auf, die über eine Netzkupplung miteinander verbindbar oder verbunden sind, wobei jedes der Teilnetze zumindest einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, zumindest eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor zum Antrieb eines Propellers des U-Bootes aufweist, wobei die Batterie mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen umfasst, die wiederum aus jeweils mehreren Strängen aus in Reihe geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen bestehen, wobei in Reihe zu jeder der Batteriegruppen jeweils ein Batteriegruppenschalter geschaltet ist und wobei ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement für die Summenkurzschlussströme mehrerer Batteriegruppen vorhanden ist. Von Vorteil ist zusätzlich in jeden der Stränge jeweils ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement geschaltet.
  • Als Lösung wird somit ein U-Boot-Gleichstromnetz mit Schaltanlagen und gestaffeltem Schutzkonzept vorgeschlagen. Hierdurch können die bei Hochleistungsenergiespeichern möglichen erhöhten prospektiven Kurzschlussströme sicher beherrscht und dabei Rückwirkungen (z.B. Spannungseinbrüche und damit verbundene Abschaltungen) auf nicht von einem Kurzschluss betroffene Netzteile weitestgehend vermieden werden, wodurch im Kurzschlussfall die Verfügbarkeit zumindest eines Teils der Batterie aufrecht erhalten werden kann.
  • Es kommen Systeme mit Batteriegruppen mit mehreren Strängen und jeweils angepassten stromanstiegsbegrenzenden Schutzkombinationen wie z.B. HTS-Strombegrenzer, Leistungsschalter, elektronische Halbleiter-Strombegrenzer, Schnellschalter, etc. zum Einsatz.
  • Hierdurch sind folgende Vorteile erzielbar:
    • – Realisierung einer Batterie-Großanlage mit beherrschbaren Kurzschlussströmen von mehr als 500 kA.
    • – Verminderung der Wartung/Pflege gegenüber Bleibatterien bei erheblicher Verbesserung der dynamischen Energieentnahme und Ladung sowie Verbesserung des spezifischen Energie-Volumens.
  • Weitere Details sind im Folgenden und in den Figuren beschrieben.
  • Anforderungen an ein System- und Schutzkonzept für ein U-Boot-Gleichstromnetz (neu oder Modernisierung) können beispielsweise sein:
    • 1. Betriebsspannungen bis zu DC 800V oder mehr daraus ergeben sich: bei max. 4,3 V/Zelle (Ladespannung) und 24 Zellen/Batteriemodul: 8 Module in Reihe: max. 826 V bei U0 < 4,2 V/Zelle: 8 Module in Reihe: max. 807 V Nennspannung UN = 690 V, Betriebsspannung 550...800V
    • 2. Strangstrom max. 500 A
    • 3. Strangkurzschlussstrom max. 20 kA (18400 A bei 40 mOhm )
    • 4. Strangzahl max 40 (36) oder mehr bei max. 4 Strängen zu einer Gruppe geschaltet und 2 Teilsysteme zu je 5 Gruppen oder mehr.
  • Die Zeitkonstante ist dabei erheblich bestimmend für das Schaltungskonzept.
  • Für jeden Strang kann ein Halbleiter-Strombegrenzer zum Einsatz kommen, einschließlich Stromanstiegsüberwachung zur Auslösung u.a. des Batterie-(bzw. Strang-)Gruppenschalters. Als Back-Up und zur Begrenzung der Summenkurzschlussströme kommt bevorzugt ein (oder mehrere) HTS(Hochtemperatur Supraleiter)-Strombegrenzer zum Einsatz.
  • Ein Halbleiter-Strombegrenzer muss einen Kurzschlussstrom so begrenzen, dass
    • a) der Strom bereits im Anstieg erfasst und frühzeitig begrenzt wird
    • b) durch die Induktivitäten im Batteriekreis keine unzulässig hohe Spannung induziert wird (ggf. „abwärts takten")
  • Von Vorteil wird als Strombegrenzer für die Summenkurzschlussströme ein Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Strombegrenzer vorgesehen.
  • Der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Strombegrenzer kann beispielsweise für bis zu 40 oder mehr Stränge (10 oder mehr Gruppen) als gestaffelter Strombegrenzer mit bis zu 5 Stück integriert werden, wobei die Kühlung dezentral/teilredundant angenommen wird.
  • Die Verschaltung der Zellen und Batteriemodule ist so induktivitätsarm wie möglich realisiert. Das hat sowohl Vorteile für die Schaltarbeit der Schutzorgane (Leistungsschalter und Strombegrenzer) als auch für die Streufeldarmut. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Verschaltung der Zellen im Batteriemodul zu richten. Die Kabel bringen keine relevanten Anteile zur Gesamt-Induktivität (gegenüber Verschaltung der Zellen und Batteriemodule), allerdings wesentliche Anteile zum Widerstand (wie auch Übergangswiderstände, Meßshunts, etc.).
  • Es müssen deshalb mehrere Schaltungsvarianten konzipiert werden. Variationsgrößen sind dabei:
    • – Strangzahl
    • – Zellen- und Batteriemodulzahl je Strang
    • – Nennstrom je Strang
    • – Bordnetzanbindung (Fahrschiene, je Strang, direkt oder über Umformer), wobei auch hier das Bordnetzkonzept wesentlich ist,
    • – Systemteilung und Konzept der Trennung/Verbindung der Teilsysteme
  • Das Battery Management System (BMS) besteht bevorzugt aus gestaffelten Komponenten, die über Bussysteme verbunden sind:
    • – im Batteriemodul (für 24 Zellen/Batteriemodul), einschl. Ladungsausgleich je Zelle
    • – im Schaltmodul (für max 4 Stränge mit je max. 8 Batteriemodulen), Erfassung der Strangströme/Amperestunden sowie Datensammler der Batteriemodule/Zellen
    • – in der Zentraleinheit bzw. in der EMCS (Datensammlung aller Schaltmodule)
  • Zusätzlich ermöglicht eine direkte Verdrahtung zwischen den Komponenten eine direkte Notabschaltung auch bei nicht funktionierenden Bussystemen.
  • Es sind hierbei die Konfigurationen von Bordnetz und Fahranlage zu betrachten.
  • Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen U-Boot-Gleichstromnetzes,
  • 2 den genaueren Aufbau einer in 1 gezeigten Batteriegruppe,
  • 3 eine erste Ausgestaltung des Gleichstromnetzes von 1,
  • 4 eine zweite Ausgestaltung des Gleichstromnetzes von
  • 1,
  • 5 eine dritte Ausgestaltung des Gleichstromnetzes von
  • 1,
  • 6 eine vierte Ausgestaltung des Gleichstromnetzes von 1 und
  • 7 das Gleichstromnetz von 1 mit einer größeren Anzahl von Batteriegruppen und geänderter Anordnung der stromanstiegsbegrenzenden Schutzelemente.
  • Dabei werden folgende Definitionen verwendet: Eine „Batterie" ist eine Parallelschaltung aus Batteriegruppen, eine „Batteriegruppe" ist eine Parallelschaltung aus Batteriesträngen und ein „Batteriestrang" ist eine Reihenschaltung aus einzelnen Batteriezellen.
  • Die Höhe der Netzspannung ergibt sich aus der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen. Die zur Verfügung zu stellende Leistung bzw. Energie ergibt sich aus der Anzahl der parallelgeschalteten Batterie-Gruppen bzw. -Stränge. Die sich daraus ergebenden Ströme bestimmen die Größe und schaltungstechnische Anordnung der Schalt- und Schutzorgane, auch des stromanstiegsbegrenzenden Schutzelementes. Je nach Leistung einer Gruppe (nach obiger Definition) kann es auch sein, dass zwischen den einzelnen Gruppen ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement angeordnet sein kann, oder auch erst nach jeder dritten Gruppe (Variantenvielfalt).
  • 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines als U-Boot-Gleichstromnetz 1 ausgebildeten Inselnetzes bestehend aus zwei zueinander symmetrischen Teilnetzen 2, 3, die über eine Netzkupplung 4 miteinander verbindbar oder verbunden sind. Jedes der Teilnetze weist einen Generator 5 zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Batterie 6 zur Speicherung der elektrischen Energie und als Energieverbraucher einen Motor 7 (z.B. einen DC-Motor oder einen DC-gespeisten Motor) zum Antrieb eines Propellers 8 des U-Bootes sowie ein nicht näher dargestelltes Bordnetz auf. Die Teilnetze können natürlich auch jeweils mehrere parallel geschaltete Generatoren und Batterien aufweisen.
  • Die einzelnen Komponenten der Teilnetze 2, 3 sind – wie im Folgenden näher erläutert – über ein oder mehrere Schutz- und Schaltelemente miteinander verbunden.
  • Die folgenden Erläuterungen beziehen sich hierbei auf das Teilnetz 2, sind aber gleichermaßen für das Teilnetz 3 gültig.
  • Die Batterie 6 umfasst fünf parallel geschaltete Batteriegruppen 10, die wiederum – wie in 2 dargestellt – jeweils aus mehreren parallel geschalteten Strängen 16 von in Reihe geschalteten Batteriezellen 17 bestehen. Bei den Batteriezellen 17 handelt es sich um Hochleistungsenergiespeicher wie z.B. Li-Ionen-Batteriezellen, Li-Polymerbatteriezellen oder Kombinationen daraus.
  • Die einzelnen Stränge 16 weisen hierbei jeweils eine gleiche Anzahl gleicher Batteriezellen 17 auf. Die Höhe der Netzspannung ergibt sich somit aus der Anzahl der in den einzelnen Strängen 16 in Reihe geschalteten Batteriezellen 17 und der Höhe der Spannung der einzelnen Batteriezellen 17. Die für die Energieverbraucher zur Verfügung stehende Leistung ergibt sich aus der Anzahl der parallel geschalteten Batteriegruppen bzw. Stränge. Die sich daraus ergebenden Ströme bestimmen die Größe und schaltungstechnische Anordnung der Schalt- und Schutzelemente.
  • Als stromanstiegsbegrenzende Schutzelemente 22, 23 für die Summenkurzschlussströme der Batteriegruppen 10 kommen bevorzugt HTS (Hochtemperatur-Supraleiter) – Strombegrenzer zum Einsatz. Grundsätzlich können bei entsprechender Eignung für die Höhe der Summenkurzschlussströme jedoch auch andere stromanstiegsbegrenzende Schutzelemente wie z.B. Schnellschalter, Sollschmelzstellen (ggf. mit einem in Reihe geschaltetem Leistungsschalter), Halbleiterschalter oder Sicherungen bzw. Sicherungskombinationen eingesetzt werden.
  • Zum betriebsbedingten Zu- und Abschalten sowie zum selektiven Abschalten einzelner Batteriegruppen 10 im Falle eines Kurzschlusses ist in Reihe zu jeder der Batteriegruppen 10 ein als zweipoliger Leistungsschalter ausgebildeter Batteriegruppenschalter 24 geschaltet.
  • Weiterhin ist in jeden einzelnen der Batteriestränge 16 ebenfalls ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement 25 geschaltet ist.
  • Als stromanstiegsbegrenzende Schutzelemente 25 in den einzelnen Strängen 16 kommen bevorzugt Halbleiter-Strombegrenzer zum Einsatz. Grundsätzlich können bei entsprechender Eignung für die Höhe der Kurzschlussströme jedoch auch andere stromanstiegsbegrenzende Schutzelemente wie z.B. Schnellschalter, Sollschmelzstellen oder Sicherungen bzw. Sicherungskombinationen eingesetzt werden.
  • Bevorzugt sind die beiden Teilnetze 2, 3 über eine Netzkupplung 4 mit einem stromanstiegsbegrenzenden Schutzelement 37, insbesondere einem HTS-Strombegrenzer, miteinander verbunden oder verbindbar. Im Falle eines HTS-Strombegrenzers ist von Vorteil in Reihe zu dem HTS-Strombegrenzer ein Leistungsschalter 38 geschaltet. Ein über die Netzkupplung 4 fließender Kurzschlussstrom kann dann mittels des HTS-Strombegrenzers begrenzt und mittels des Leistungsschalters abgeschaltet werden.
  • Eine übergeordnete Batterie-Überwachungseinrichtung 30 dient zur Überwachung der Stromanstiege in den stromanstiegsbegrenzenden Schutzelementen 22, 23 auf Überschreitung eines jeweils vorgegeben Grenzwertes.
  • Zusätzlich weist jede der Batteriegruppen 10 jeweils eine Strang-Überwachungseinrichtung 31 zur Überwachung der stromanstiegsbegrenzende Schutzelemente 25 der einzelnen Batteriestrange 16 der Batteriegruppe auf Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes auf (siehe 2).
  • Die Strang-Überwachungseinrichtung 31 dient weiterhin als Sammler von Betriebsdaten der Batteriezellen der jeweiligen Batteriestränge 16.
  • Die Strang-Überwachungseinrichtungen 31 der einzelnen Batteriegruppen 10 sind über eine nicht näher dargestellte Kommunikationsverbindung, z.B. einen Kommunikationsbus, mit der übergeordneten Batterie-Überwachungseinrichtung 30 verbunden und melden darüber die gesammelten Betriebsdaten der Batteriezellen an die übergeordnete Batterie-Überwachungseinrichtung 30 bzw. empfangen von der übergeordneten Batterie-Überwachungseinrichtung 30 Ausschaltbefehle für den jeweiligen Batteriegruppenschalter 24.
  • Der Batteriegruppenschalter 24, die stromanstiegsbegrenzenden Schutzelemente 25 der einzelnen Batteriestränge 16 und die Strang-Überwachungseinrichtung 31. einer Batteriegruppe sind gemeinsam in einem gekapselten Schaltmodul 32 untergebracht.
  • Auch die Batteriestränge 16 können aus jeweils einem oder mehreren Batteriemodulen bestehen.
  • Ein bestehendes U-Boot-Gleichstromnetz mit konventionellen Energiespeichern kann dann im Rahmen einer Modernisierung mit Hilfe derartiger Module besonders einfach und flexibel mit Hochleistungsenergiespeichern ausgestattet werden.
  • Beispiel für eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Schaltmoduls 32:
    • L × B × H = 1300 × 1000 × 1000, Gewicht = 0,6 t
  • Eigenschaften und Bestandteile:
    • – Kurzschlußschutz und Zuschaltung der Batteriegruppe
    • – gekapselt und druckfest, Schutzart IP54 (eventuell Schutzgasfüllung), im Ausblasraum isolierend verkleidet, eventuell geteilte Räume mit internem Druckausgleich (Membran, Ventil) ggf. Überdruckventil mit Partikelfilter und Evakuierungsanschluß
    • – 1 Stück 2-poliger Leistungsschalter 24, ggf. Halbleiter-Strombegrenzer 25 je Strang,
    • – Kondensatorauslöser zum Triggern durch die HTS-Stromerfassung
    • – Shunts für die Strangströme (max. 4 für max. 480 A/Strang)
    • – Datensammler BMS für bis zu 4 × 8 × 24Zellen (=768), sowie Verarbeitung Strangstrom/Amperestunden
  • Umrüstung bestehender Anlagen
  • Grundsätzlich sollte hierbei die E-Anlage (Hauptschalttafel und Verteilung) nicht geändert werden müssen. Alle Modifikationen sollten sich im Bereich der Batterie/Batterieräume abspielen.
  • Dadurch sind „standardisierte" Komponenten notwendig, welche entweder anstelle existierender Batterieschalteinrichtungen eingesetzt werden können oder im Kopfbereich von Batterieräumen, da die Li-Ionen-Zellen weniger Platz benötigen (was letztendlich zu Lasten der möglichen Kapazitätserweiterung geht).
  • Als „standardisierte" Komponente kann je Batteriegruppe ein „gekapseltes Schaltmodul" vorgesehen werden, bestehend aus:
    • – 1 Leistungsschalter
    • – 1 Satz Strombegrenzer je Strang
    • – 1 BMS-Einheit (Battery-Management-System)
  • Die Kapselung soll einen Betrieb im Batterieraum ermöglichen, wobei die Anforderungen gegenüber Bleibatterien reduziert werden können, da insbesondere keine Wasserstoffentwicklung zu berücksichtigen ist (also kein Ex-Schutz notwendig).
  • Je nach Anzahl der Batteriestränge (z.B. bei mehr als 8 Batteriesträngen) sind ggf. zusätzlich HTS-Strombegrenzer einzuplanen.
  • Bei einem in 3 gezeigten Gleichstromnetz 1 besteht eine Batterie 6 eines Teilnetzes 2, 3 aus zwei parallel geschalteten Batteriegruppen 10, wobei jede der Batteriegruppen 10 aus mehreren parallel geschalteten Strängen 16 (z.B. 10 Stränge oder mehr) von in Reihe geschalteten Batteriezellen 17 besteht. Jeder der Stränge 16 weist ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement 25, z.B. einen Halbleiter-Strombegrenzer, eine Sollschmelzstelle (ggf. mit einem in Reihe geschaltetem Leistungsschalter), einen Schnellschalter oder eine Sicherung bzw. Sicherungskombination, auf.
  • Zusätzlich ist in Reihe zu den beiden Batteriegruppen 10 einer Batterie 6 eines Teilnetzes 2, 3 ein weiteres stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement 22, z.B. ein HTS-Strombegrenzer, eine Sollschmelzstelle (ggf. mit einem in Reihe geschaltetem Leistungsschalter), ein Schnellschalter oder eine Sicherung bzw. Sicherungskombination, für die Summenkurzschlussströme der beiden Batteriegruppen 10 geschaltet.
  • Bei einem in 4 gezeigten Gleichstromnetz 1 besteht eine Batterie 6 eines Teilnetzes 2, 3 ebenfalls aus zwei parallel geschalteten Batteriegruppen 10, wobei jede der Batteriegruppen 10 aus mehreren parallel geschalteten Strängen 16 (z.B. 10 Stränge oder mehr) von in Reihe geschalteten Batteriezellen 17 besteht. In Reihe zu der Parallelschaltung der beiden Batteriegruppen 10 einer Batterie 6 eines Teilnetzes 2, 3 ist ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement 22, z.B. ein HTS-Strombegrenzer, eine Sollschmelzstelle (ggf. mit einem in Reihe geschaltetem Leistungsschalter, ein Schnellschalter oder eine Sicherung bzw. Sicherungskombination) für die Summenkurzschlussströme der beiden Batteriegruppen 10 geschaltet. Zusätzlich ist in Reihe zu jeder der Batteriegruppen 10 jeweils ein Batteriegruppenschalter 24, z.B. ein Leistungs schalter, geschaltet. Der Batteriegruppenschalter 24 ermöglicht eine galvanische Trennung einer Batteriegruppe 10 von dem Netz 1.
  • In Reihe zu dem Batteriegruppenschalter 24 kann hierbei zusätzlich noch, wie in 5 dargestellt, ein HTS-Strombegrenzer 35 geschaltet sein. Hierdurch ist im Kurzschlussfall eine sehr schnelle resistive Begrenzung der Kurzschlussströme möglich, so dass Rückwirkungen auf nicht von dem Kurzschluss betroffene Stränge, wie z.B. Spannungseinbrüche oder Abschaltungen der Stränge, vermieden werden können.
  • Wie in 6 dargestellt, können auch mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen 10 zu einer Teilbatterie 35 zusammengefasst und in Reihe zu der Teilbatterie 35 (d.h. in Reihe zu der Parallelschaltung der Batteriegruppen 10 der Teilbatterie 35) ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement 22 für die Summenkurzschlussströme der zu der Teilbatterie 35 zusammengefassten Batteriegruppen 10 geschaltet sein. In einem Kurzschlussfall kann dann die jeweils betroffene Teilbatterie 35 vom Netz geschaltet werden, während alle anderen Teilbatterien 35 zugeschaltet bleiben können.
  • Für alle gezeigten Ausführungsbeispiele gilt, dass die tatsächliche Anzahl vorhandener Batteriegruppen 10 und Batteriestränge 16 sowie die Anordnung der Schutzelemente variieren kann und abhängig ist von der zur Verfügung zu stellenden Leistung bzw. Energie. 7 zeigt hierzu beispielhaft das Gleichstromnetz 1 von 1, wobei jedoch eine Batterie 6 nunmehr sechs Batteriegruppen 10 statt nur fünf Batteriegruppen 10 aufweist und die Batteriegruppen 10 und die strombegrenzenden Schutzelemente 22, 23 für die Summenkurzschlussströme leicht geändert in dem Netz 1 angeordnet sind.

Claims (14)

  1. U-Boot-Gleichstromnetz (1) mit zwei Teilnetzen (2, 3), die über eine Netzkupplung (4) miteinander verbindbar oder verbunden sind, wobei jedes der Teilnetze (2, 3) zumindest einen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Energie, zumindest eine Batterie (6) zur Speicherung elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor (7) zum Antrieb eines Propellers (8) des U-Bootes aufweist, wobei die Batterie (6) mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen (10) umfasst, die wiederum aus jeweils mehreren Strängen (16) aus in Reihe geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen (17) bestehen, wobei in jeden der Stränge (16) ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (25) geschaltet ist und wobei ein weiteres stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (22, 23) für die Summenkurzschlussströme mehrerer Batteriegruppen (10) vorhanden ist.
  2. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu jeder der Batteriegruppen (10) jeweils ein Batteriegruppenschalter (24) geschaltet ist.
  3. U-Boot-Gleichstromnetz (1) mit zwei Teilnetzen (2, 3), die über eine Netzkupplung (4) miteinander verbindbar oder verbunden sind, wobei jedes der Teilnetze (2, 3) zumindest einen Generator (5) zur Erzeugung elektrischer Energie, zumindest eine Batterie (6) zur Speicherung elektrischer Energie und als Energieverbraucher einen Motor (7) zum Antrieb eines Propellers (8) des U-Bootes aufweist, wobei die Batterie (6) mehrere parallel geschaltete Batteriegruppen (10) umfasst, die wiederum aus jeweils mehreren Strängen (16) aus in Reihe geschalteten Hochleistungsenergiespeicher-Batteriezellen (17) bestehen, wobei in Reihe zu jeder der Batteriegruppen jeweils ein Batteriegruppenschalter (24) geschaltet ist und wobei ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (22, 23) für die Summenkurzschlussströme mehrerer Batteriegruppen (10) vorhanden ist.
  4. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jeden der Stränge (16) jeweils ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (25) geschaltet ist.
  5. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelne Batteriegruppen (10) oder zwischen mehrere Batteriegruppen (10) ein stromanstiegsbegrenzendes Schutzelement (22, 23) geschaltet ist.
  6. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stromanstiegsbegrenzende Schutzelement (22, 23) für die Summenkurzschlussströme als ein HTS-Strombegrenzer ausgebildet ist.
  7. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Stränge geschalteten stromanstiegsbegrenzendes Schutzelemente (25) als Halbleiter-Strombegrenzer ausgebildet sind.
  8. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriegruppenschalter (24) als ein Leistungsschalter ausgebildet ist.
  9. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu dem Batteriegruppenschalter (24) ein HTS-Strombegrenzer (35) geschaltet ist.
  10. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine übergeordnete Batterie-Überwachungseinrichtung (30) zur Überwachung der Stromanstiege in den stromanstiegsbegrenzenden Schutzelementen (22, 23) für die Summenkurzschlussströme auf Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes.
  11. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Batteriegruppen (10) jeweils eine Strang-Überwachungseinrichtung (31) zur Überwachung der stromanstiegsbegrenzenden Schutzelemente (25) der einzelnen Batteriestränge (16) der Batteriegruppe auf Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes aufweist.
  12. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriegruppenschalter (24), die stromanstiegsbegrenzenden Schutzelemente (25) der einzelnen Batteriestränge (16) und die Strang-Überwachungseinrichtung (31) einer Batteriegruppe (10) gemeinsam in einem gekapselten Schaltmodul (32) untergebracht sind.
  13. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterienzellen (17) der Batteriegruppen (10) aus Li-Ionen-Batteriezellen, Li-Polymerbatteriezellen oder Kombinationen daraus bestehen.
  14. U-Boot-Gleichstromnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilnetze (2, 3) über eine Netzkupplung (4) mit einem stromanstiegsbegrenzenden Schutzelement, insbesondere einem HTS-Strombegrenzer, miteinander verbunden oder verbindbar sind.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010089338A3 (de) * 2009-02-06 2010-10-07 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschluss-schutzvorrichtung und schaltanlage mit derartigen schutzvorrichtungen
DE102011085253A1 (de) * 2011-10-26 2013-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Verbesserung des Motorschutzes eines Gleichstromantriebs
WO2015197507A1 (de) 2014-06-27 2015-12-30 Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh Antriebssystem mit gleichspannungsnetz für ein u-boot
DE202018100883U1 (de) 2018-02-16 2018-02-22 Thyssenkrupp Ag Unterwasserfahrzeug mit einem Gleichspannungs-Umrichter
DE102018208619A1 (de) 2018-05-30 2019-12-05 Siemens Aktiengesellschaft Elektrisches Energieversorgungsnetz und dessen Betrieb
DE102018217382A1 (de) * 2018-10-11 2020-04-16 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems und Elektrofahrzeug und Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008053074A1 (de) * 2008-07-09 2010-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Schnellschalteinrichtung für eine Hochleistungs-Batterie in einem Gleichstrominselnetz
DE102009024657A1 (de) 2009-06-12 2010-12-16 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Betrieb einer Hochleitstungs-Batterie sowie für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung
US9748762B2 (en) 2014-03-21 2017-08-29 Abb Schweiz Ag Method and apparatus for the protection of DC distribution systems
US9419428B2 (en) 2014-05-15 2016-08-16 Abb Technology Ag Protection device for DC collection systems
DE102014214984A1 (de) 2014-07-30 2016-02-04 Robert Bosch Gmbh Kurzschlussschutzvorrichtung
DE102015220094B4 (de) * 2015-10-15 2020-06-10 Thyssenkrupp Ag Aktivierung eines Wasserfahrzeugs
JP6770184B2 (ja) * 2017-04-27 2020-10-14 株式会社エンビジョンＡｅｓｃジャパン 電源システム、電源システムの故障診断方法およびシステム制御装置
CN109956014A (zh) * 2017-12-22 2019-07-02 中国科学院沈阳自动化研究所 一种用于遥控潜水器动力分配单元
DE102018129211A1 (de) * 2018-11-20 2020-05-20 Volocopter Gmbh Bus-System zur elektrischen Versorgung einer Mehrzahl von Lasten und hiermit ausgestattetes Fluggerät
KR20210059227A (ko) 2019-11-15 2021-05-25 대우조선해양 주식회사 수중함의 배터리 보호회로 장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10237549A1 (de) * 2002-08-16 2004-03-04 Siemens Ag Elektrisches Netz für Unter- und Überwasserfahrzeuge, z. B. Marineschiffe, sowie für Offshoreanlagen
DE20306094U1 (de) * 2003-04-15 2003-07-03 HAWKER GmbH, 58089 Hagen Blei-Säure-Akkumulator, insbesondere U-Boot-Fahrbatterie
DE10325456A1 (de) * 2003-06-05 2004-12-30 Howaldtswerke Deutsche Werft Ag Unterseeboot
DE102004045897A1 (de) * 2004-09-22 2006-03-30 Howaldtswerke-Deutsche Werft Gmbh Batterieanlage eines Unterseebootes

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010089338A3 (de) * 2009-02-06 2010-10-07 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschluss-schutzvorrichtung und schaltanlage mit derartigen schutzvorrichtungen
US8842404B2 (en) 2009-02-06 2014-09-23 Siemens Aktiengesellschaft Short circuit protection device and switchgear assembly having such protection devices
DE102011085253A1 (de) * 2011-10-26 2013-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Verbesserung des Motorschutzes eines Gleichstromantriebs
WO2015197507A1 (de) 2014-06-27 2015-12-30 Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh Antriebssystem mit gleichspannungsnetz für ein u-boot
DE102014109092A1 (de) 2014-06-27 2015-12-31 Thyssenkrupp Ag Antriebssystem für ein U-Boot
US20170133928A1 (en) * 2014-06-27 2017-05-11 Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh Drive system having dc power supply for a submarine
US10483842B2 (en) 2014-06-27 2019-11-19 Thyssenkrupp Marine Systems Gmbh Drive system having DC power supply for a submarine
DE202018100883U1 (de) 2018-02-16 2018-02-22 Thyssenkrupp Ag Unterwasserfahrzeug mit einem Gleichspannungs-Umrichter
DE102018208619A1 (de) 2018-05-30 2019-12-05 Siemens Aktiengesellschaft Elektrisches Energieversorgungsnetz und dessen Betrieb
WO2019228761A1 (de) 2018-05-30 2019-12-05 Siemens Aktiengesellschaft Elektrisches energieversorgungsnetz und dessen betrieb
DE102018217382A1 (de) * 2018-10-11 2020-04-16 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Batteriesystems und Elektrofahrzeug und Batteriesystem für ein Elektrofahrzeug

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