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Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für ein Wasserfahrzeug mit einem Hauptenergiewandler, der zur Anbindung an ein Bordnetz des Wasserfahrzeugs ausgebildet ist.
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Bei klassischen Frequenzumrichtern (so genannte Kompakt-Umrichter oder Block-Umrichter) in einem Antriebsstrang für einen Flossenstabilisator oder eine Rudermaschine eines Schiffes ist lediglich die Nutzung eines vergleichsweise kleinen externen elektrischen Speichers an dem Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichters vorgesehen. Große Speicher können nur eingangsseitig an das AC-Bordnetz eines Schiffes angebunden werden, was aber eine äußerst komplexe Regelung erfordert. Weiterhin ist die Nutzung eines Kompakt-Umrichters bzw. Block-Umrichters bei DC-Bordnetzen von Schiffen nur mit Einschränkungen und speziellen Vorgaben an das Bordnetz möglich.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein bauraumsparendes Energieversorgungssystem für hohe Lastspitzen verursachende elektrische Verbraucher eines Wasserfahrzeugs bereitzustellen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Hauptenergiewandler mit einer Gleichspannungssammelschiene verbunden ist und an die Gleichspannungssammelschiene mindestens ein Wechselrichter zur Versorgung eines diesem jeweils zugeordneten Verbrauchers angeschlossen ist und mindestens ein elektrischer Energiespeicher an die Gleichspannungssammelschiene angeschlossen ist.Hierdurch wird eine Überlastung des Bordnetzes durch Lastspitzen vermieden, die zum Beispiel beim Betrieb von hohe Lastspitzen verursachenden Großverbrauchern wie Stabilisierungseinrichtungen, Rudermaschinen von Ruderanlagen etc. auftreten können. Durch die gemeinsame Komponentennutzung innerhalb des Energieversorgungssystems können Bauraum sowie Kosten gespart werden. Die räumlich aufgelöste Bauweise des Energieversorgungssystems ermöglicht es weiterhin, eine zentrale Einspeisung aus dem elektrischen Bordnetz des Wasserfahrzeugs und ein gemeinsames elektrisches Speichersystem zu nutzen. Dieser Umstand reduziert vielfach vorhandene Platzprobleme auf Yachten und kleineren Schiffen. Ebenso vereinfacht sich die Regelung einer zum Betrieb notwendigen elektrischen Lastflusssteuerung. Die aufgelöste bzw. modulare Bauweise ermöglicht zudem den Einsatz eines so genannten „Active Front End“-Moduls (AFE) im Fall eines mit Drehstrom betriebenen Bordnetzes oder die Verwendung eines DC/DC-Wandlers eines Gleichspannungswandlers im Fall eines Gleichstrom- bzw. DC-Bordnetzes, wodurch in beiden Fällen die elektrische Leistungsaufnahme aus dem Bordnetz begrenzt werden kann und das Bordnetz vor hohen kurzzeitigen Lastspitzen geschützt ist. Als Folge hiervon kann die vorzusehende Spitzenlast des Schiffsgenerators vermindert werden. Alle Vorteile von Umrichtern, wie Softstarter-Funktionalität, Rekuperationsfähigkeit, Drehzahlsteuerung bleiben erhalten.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Verbraucher ein hohe Lastspitzen verursachender Verbraucher wie eine Stabilisierungseinrichtung oder eine Ruderanlage des Wasserfahrzeugs. Hierdurch wird eine Überlastung des Bordnetzes vermieden, die ansonsten beim direkten Anschluss solcher Verbraucher an das Bordnetz auftreten könnte.
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Im Fall einer Ausgestaltung ist das Bordnetz des Schiffes ein Drehstromnetz. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem in weltweit verbreitet Anwendung findenden Standard-Bordnetztypen in Form eines dreiphasigen Drehstromnetzes in den Ausführungen IT-Netz, TN-Netz und TT-Netz einsetzbar.
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Bevorzugt weist der Hauptenergiewandler mindestens einen Gleichrichter auf. Infolgedessen ist eine Ankopplung und Speisung der Gleichspannungssammelschiene aus einem mit Drehstrom betriebenen Bordnetz eines Wasserfahrzeugs möglich.
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Bei einer weiteren technisch günstigen Ausgestaltung weist der Hauptenergiewandler mindestens ein Active-Front-End-Modul auf. Hierdurch ist eine Reduzierung des Energieflusses möglich.
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Im Falle einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bordnetz des Schiffes ein Gleichstromnetz. Infolgedessen ist eine Einsetzbarkeit des Energieversorgungssystems auf kleineren Schiffen oder Yachten ohne ein dreiphasiges Drehstromnetz möglich.
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Nach Maßgabe einer technisch vorteilhaften Weiterbildung weist der Hauptenergiewandler mindestens einen DC-DC-Wandler auf. Hierdurch ist eine Ankopplung des Energieversorgungssystems an ein Gleichstrombordnetz eines Wasserfahrzeugs möglich.
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Bevorzugt weist der Energiespeicher mindestens einen Energiewandler zum Anschluss an die Gleichspannungssammelschiene und mindestens eine Speichereinheit auf. Hierdurch kann verfügbare, aber aktuell nicht benötigte elektrische Energie durch das Laden der Speichereinheit zwischengespeichert und ein erhöhter Stromverbrauch von Verbrauchern, der ansonsten zu einer Überlastung des Bordnetzes führen könnte, durch das Entladen der Speichereinheit kompensiert werden.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt
- 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems.
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Die 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. Ein Energieversorgungssystem 100 dient hier lediglich exemplarisch zur Speisung von drei, hohe elektrische Lastspitzen verursachenden elektrischen Verbrauchern 106, 108, 110 eines zeichnerisch nicht dargestellten Wasserfahrzeugs wie einem Schiff, einem Ponton, einer Plattform oder dergleichen. Die elektrischen Verbraucher 106, 108, 110 sind hier lediglich exemplarisch jeweils als eine Stabilisierungseinrichtung 120, 122 bzw. als so genannte Flossenstabilisatoren mit jeweils einer zugeordneten elektrischen Antriebseinheit 124, 126 zum verschwenkenden Antrieb einer jeweils zugeordneten Stabilisierungsflosse 128, 130 ausgeführt. Der weitere elektrische Verbraucher 110 ist hier lediglich exemplarisch als eine Ruderanlage 132 mit einer zugeordneten elektrischen Antriebseinheit 134 bzw. einer Rudermaschine zum schwenkenden Antrieb eines Ruderblatts 136 ausgeführt. Die Stabilisierungsflossen 128, 130 dienen in bekannter Weise zur Stabilisierung des Wasserfahrzeugs um mindestens eine Raumachse, während das Ruderblatt 136 zur Kursbeeinflussung des Wasserfahrzeugs vorgesehen ist. Vorzugsweise erfolgt zumindest eine Stabilisierung um eine Rollachse eines Rumpfes des Wasserfahrzeugs. Bei den elektrischen Antriebseinheiten 124, 126, 134 der elektrischen Verbraucher 106, 108, 110 kann es sich beispielsweise um elektromechanische Antriebe oder elektrohydraulische Antriebe handeln, die üblicherweise einen Drehstrom- oder Wechselstromanschluss erfordern. Darüber hinaus können im Bedarfsfall weitere, hohe elektrische Stoßlasten verursachende Verbraucher, wie beispielsweise Strahlruder, Pumpen, elektrische Antriebe etc. an das Energieversorgungssystem 100 angeschlossen werden.
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Das Energieversorgungssystem 100 umfasst unter anderem einen Hauptenergiewandler 140, der zur Anbindung an ein elektrisches Bordnetz 142 des mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem 100 ausgerüsteten Wasserfahrzeugs ausgebildet ist. Der Hauptenergiewandler 140 ist mit einer zentralen Gleichspannungssammelschiene 150 bzw. einem Gleichspannungsbus (Gleichspannungszwischenkreis) elektrisch verbunden. An die Gleichspannungssammelschiene 150 sind hier nur beispielhaft drei Wechselrichter 152, 154, 156 bzw. so genannte DC-AC-Konverter zur Speisung der elektrischen Verbraucher 106, 108, 110 angeschlossen. Mithilfe der Wechselrichter 152, 154, 156 erfolgt die Transformation des von der Gleichspannungssammelschiene 150 bereitgestellten Gleichstroms in Drehstrom, der zum Betrieb von dreiphasigen Wechselstrommotoren in der Regel benötigt wird, die in den elektrischen Antriebseinheiten 124, 126 der Stabilisierungseinrichtungen 120, 122 und der elektrischen Antriebseinheit 134 der Ruderanlage 132 vielfach verbaut sind.
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Darüber hinaus ist ein Energiespeicher 160 an die Gleichspannungssammelschiene 150 angekoppelt. Zu diesem Zweck ist in den Energiespeicher 160 ein Energiewandler 162 integriert. Der Energiewandler 162 stellt das bidirektionale, elektrische Interface zwischen der Gleichspannungssammelschiene 150 und dem Energiespeicher 160 dar.
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Eine Richtung der jeweiligen elektrischen Energieflüsse zwischen dem Bordnetz 142 und dem Hauptenergiewandler 140, zwischen dem Hauptenergiewandler 140 und der Gleichspannungssammelschiene 150, zwischen der Gleichspannungssammelschiene 150 und den Wechselrichtern 152, 154, 156 sowie zwischen der Gleichspannungssammelschiene 150 und dem Energiewandler 162 des Energiespeichers 160 sind hierbei jeweils mit Hilfe von schwarzen Pfeilen und Doppelpfeilen symbolisiert, die der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht mit Bezugsziffern versehen sind. Dasselbe gilt für die elektrischen Energieflüsse zwischen den Wechselrichtern 152, 154, 156 und den diesen nachgeschalteten elektrischen Verbrauchern 106, 108, 110 in Form der elektrischen Antriebseinheiten 124, 126 der Stabilisierungseinrichtungen 120, 122 sowie der Antriebseinheit 134 der Ruderanlage 132. Ein einfacher schwarzer Pfeil definiert hierbei einen unidirektionalen Fluss elektrischer Energie zwischen jeweils zwei der vorstehend erwähnten Komponenten, während ein Doppelpfeil für einen bidirektionalen Fluss bzw. Austausch von elektrischer Energie zwischen jeweils zwei Komponenten steht.
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Eine in den Energiespeicher 160 integrierte universelle Speichereinheit 164 ist zum temporären Speichern unterschiedlichster Energieformen, wie elektrischer Energie, kinetischer Energie, chemischer Energie oder Wärmeenergie ausgebildet. Vorzugsweise ist die Speichereinheit 160 zum verlustarmen Speichern elektrischer Energie vorgesehen, da sich der Energiewandler 162 in einer solchen Konstellation schaltungstechnisch am einfachsten realisieren lässt.
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Die nicht im Detail dargestellte Speichereinheit 164 kann beispielsweise mit einer Vielzahl von hochkapazitiven (Einzel-)Kondensatoren aufgebaut sein, die entsprechend elektrisch miteinander verschaltet eine leistungsfähige und kompakte Kondensatorbatterie mit hoher Spannung und großer Kapazität ausbilden. In einer solchen Konstellation beinhaltet der Energiewandler 162 zumindest einen DC-DC-Wandler bzw. einen Gleichspannungskonverter zur elektrischen Anpassung der Kondensatorbatterie an die Gleichspannungssammelschiene 150.
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Alternativ oder ergänzend kann die Speichereinheit 164 mindestens ein Schwungmassesystem, wie beispielsweise mindestens ein mit sehr hoher Drehzahl von bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute rotierendes Schwungrad aufweisen. Darüber hinaus kann die Speichereinheit 164 chemische Akkumulatoren mit einer hohen Energiedichte, wie zum Beispiel Lithium-Akkumulatoren oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren zur Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie im Bereich der Gleichspannungssammelschiene 150 umfassen. Als Akkumulator kann gegebenenfalls auch eine große, stationäre Redox-Flusszelle zum Einsatz kommen. Weiterhin kann der Energiespeicher 160 mindestens eine Elektrolysezelle und mindestens eine Brennstoffzelle aufweisen. Mit Hilfe der Elektrolysezelle lässt sich überschüssiger Gleichstrom im Bereich der Gleichspannungssammelschiene 150 in gasförmigen Wasserstoff verwandeln, der entsprechend komprimiert in Druckspeichern dauerhaft lagerfähig ist. Alternativ können auch Metallhydridspeicher zum Einlagern von Wasserstoffgas geringeren Drucks Verwendung finden. Im Bedarfsfall kann das in der Speichereinheit 164 eingelagerte Wasserstoffgas abgezogen und mit Hilfe der Brennstoffzelle wieder in elektrischen Gleichstrom zurückverwandelt und in die Gleichspannungssammelschiene 150 zurück gespeist werden. In diesem Fall umfasst der Energiewandler 162 vorzugsweise zumindest eine Elektrolysezelle, eine Brennstoffzelle sowie einen DC-DC-Wandler bzw. einen Gleichstromkonverter.
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Wenn an der Gleichspannungssammelschiene 150 ein Überschuss an elektrischer Energie besteht, kann die in den Energiespeicher 160 integrierte Speichereinheit 164 nach einer entsprechenden Konvertierung mit Hilfe des Energiewandlers 162 mit der geeigneten Energieform aufgeladen werden, was durch einen weißen Ladepfeil 190 symbolisiert ist. Vorzugsweise ist die Speichereinheit 164 zum Speichern von elektrischer Energie ausgelegt, so dass mittels des Energiewandlers 162 lediglich eine Anpassung der Gleichstromenergie in Bezug auf Spannung und/oder Strom vonnöten ist. Verursacht einer der elektrischen Verbraucher 106, 108, 110 eine Lastspitze, wird Energie aus der Speichereinheit 164 abgezogen, was durch einen weißen Entladepfeil 192 veranschaulicht ist. Durch den Energiewandler 162 erfolgt dann die Rückwandlung der aus der Speichereinheit 164 abfließenden Energie in elektrische Gleichspannungs- bzw. Gleichstromenergie, die direkt in die Gleichspannungssammelschiene 150 abgebbar ist. Besteht im Bereich der Gleichspannungssammelschiene 150 hingegen ein Überangebot an Gleichspannungsenergie, so kann diese wiederum mithilfe des Energiewandlers 162 in die für die Speichereinheit 164 des Energiespeichers 160 passende Energieform konvertiert und anschließend gespeichert werden.
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Für den Fall, dass das Bordnetz 142 als ein Drehstromnetz 144 ausgebildet ist, weist der Hauptenergiewandler 140 mindestens einen Gleichrichter 170 auf. Im einfachsten Fall kann der Gleichrichter 170 schaltungstechnisch mit einer passiven Diodenbrücke realisiert sein, die jedoch nur einen unidirektionalen Energiefluss vom Bordnetz 142 über den Hauptenergiewandler 140 in die Gleichspannungssammelschiene 150 zulässt, was mit den, jeweils mit punktierten Linien dargestellten einfachen Pfeilen 172, 174 verdeutlicht ist. Anstelle des mit einer Diodenbrücke aufgebauten Gleichrichters 170 ist jedoch in den Hauptenergiewandler 140 vorzugsweise ein Aktiv-Front-End-Modul 180 integriert, um einen bidirektionalen Austausch elektrischer Energie zwischen dem Drehstromnetz 144 und der Gleichspannungssammelschiene 150 mittels des Hauptenergiewandlers 140 zu erlauben.
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Der Hauptenergiewandler 140 unter Einsatz des Active-Front-End-Moduls 180 ermöglicht einen bidirektionalen Austausch von elektrischer Energie zwischen dem Drehstromnetz 144 und dem Hauptenergiewandler 140 und der Gleichspannungssammelschiene 150. Das Active-Front-End-Modul 180 kann beispielsweise mit aktiv schaltbaren elektronischen Schaltern, wie zum Beispiel IGBT's, Leistungs-BipolarTransistoren oder Leistungs-MOSFET's realisiert sein. Der detaillierte Aufbau des Hauptenergiewandlers 140 unter Verwendung des Active-Front-End-Moduls 180 ist einem auf dem Gebiet der Energieelektronik tätigen Fachmann hinreichend geläufig, sodass an dieser Stelle zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehendere Erläuterung der schaltungstechnischen Details verzichtet sei.
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Alternativ kann das Bordnetz 142 des Wasserfahrzeugs auch als ein Gleichstromnetz 146 ausgeführt sein, was insbesondere bei kleineren Wasserfahrzeugen wie Motorbooten, Motoryachten oder Segelyachten häufiger der Fall ist. In einer derartigen Konstellation ist der Hauptenergiewandler 140 unter Verwendung eines DC-DC-Wandlers 182 bzw. eines Gleichspannungskonverters aufgebaut.
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Aufgrund der zentralen Gleichspannungssammelschiene 150, an die sämtliche Komponenten des modularen Energieversorgungssystems 100 angeschlossen sind und der aufgelösten Bauweise sowie der gemeinsamen Nutzung aller Komponenten ist zunächst ein räumlich kompakterer Aufbau des Energieversorgungssystems 100 realisierbar. Durch die aufgelöste, modulare Bauweise ist ferner ein Einsatz eines Active-Front-End-Moduls bei einem Drehstromnetz oder die Verwendung eines DC/DC-Wandlers bzw. eines Gleichspannungswandlers im Fall eines Gleichstromnetzes problemlos möglich. Durch das Energieversorgungssystem 100 lassen sich etwaige, von den Verbrauchern 106, 108 hervorgerufene Lastspitzen abpuffern, wodurch eine Überlastung des Bordnetzes 142 des Wasserfahrzeugs bzw. des Schiffes sicher verhindert wird. Darüber hinaus ist es nicht mehr erforderlich, eine Spitzenlast eines Bordgenerators des Wasserfahrzeugs zur Speisung des Bordnetzes 142 auf etwaige, von den an das Energieversorgungssystem 100 angeschlossenen Verbrauchern 106, 108 hervorgerufene Maximalbelastungen auszulegen.
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Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem 100 für ein Wasserfahrzeug mit einem Hauptenergiewandler 140, der zur Anbindung an ein Bordnetz 142 des Wasserfahrzeugs ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist der Hauptenergiewandler 140 mit einer Gleichspannungssammelschiene 150 verbunden und an die Gleichspannungssammelschiene 150 ist mindestens ein Wechselrichter 152, 154, 156 zur Versorgung eines diesem jeweils zugeordneten Verbrauchers 106, 108, 110 angeschlossen und mindestens ein elektrischer Energiespeicher 160 ist an die Gleichspannungssammelschiene 150 angeschlossen. Aufgrund der gemeinsamen Nutzung von elektrischen Komponenten ist unter anderem eine signifikante Reduzierung des Einbauraumbedarfs des Energieversorgungssystems 100 für ein Wasserfahrzeug realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Energieversorgungssystem
- 106
- elektrischer Verbraucher
- 108
- elektrischer Verbraucher
- 110
- elektrischer Verbraucher
- 120
- Stabilisierungseinrichtung
- 122
- Stabilisierungseinrichtung
- 124
- elektrische Antriebseinheit
- 126
- elektrische Antriebseinheit
- 128
- Stabilisierungsflosse
- 130
- Stabilisierungsflosse
- 132
- Ruderanlage
- 134
- elektrische Antriebseinheit
- 136
- Ruderblatt
- 140
- Hauptenergiewandler
- 142
- Bordnetz (Wasserfahrzeuge)
- 144
- Drehstromnetz
- 146
- Gleichstromnetz
- 150
- Gleichspannungssammelschiene
- 152
- Wechselrichter
- 154
- Wechselrichter
- 156
- Wechselrichter
- 160
- Energiespeicher
- 162
- Energiewandler
- 164
- Speichereinheit
- 170
- Gleichrichter
- 172
- Pfeil
- 174
- Pfeil
- 180
- Active-Front-End-Modul
- 182
- DC-DC-Wandler
- 190
- Ladepfeil
- 192
- Entladepfeil
