SE523993C2 - Anordning för laddning av åtminstone ett elektriskt batteri ombord på en båt - Google Patents

Description

sauce 523 993 över 14 volt för att kunna ladda batteriet fullt. Den genererade spänningen är dock i det närmaste proportionell till varvtalet hos propelleraxeln. Närmare bestämt erfordras normalt 50 varv/minut per volt. På grund av slip åt olika håll vid å ena sidan segling och laddning och å andra sidan framdrift medelst nämnda propeller blir skillnaden i varvtal mellan laddning och framdrift vid en given hastighet hos båten i storleksordningen 1:3. Således kan det ty- piskt sett krävas ett varvtal av 600 varv/minut för att driva fram båten med en hastighet av 3 knop via nämnda motor, medan vid en seglingshastighet av 3 knop propellern endast kommer att snurra 200 varv/minut, vilket då skulle resultera i en spänning av 4 volt ut från likströmsmaskinen, vilket skulle vara alldeles för lågt för att möjliggöra laddning av batteriet.

Hos en tidigare känd anordning av detta slag har därför bladen hos nämnda propeller gjorts inställbara mellan olika stigningslä- gen, så att ett högre varvtal kan erhållas vid laddning i förhål- lande till om bladstigningen vid laddningen skulle vara den som är optimal för utnyttjande av propellern för framdrift. Detta resul- terar då i en högre spänning ut från likströmsmaskinen, så att batteriet kan laddas. Hos denna lösning blir dock en propeller med en mekanisk koppling till bladen nödvändig, och en sådan propeller blir komplicerad och kostsam, förutom att risken för fal- lissemang ökar markant i förhållande till en propeller med samma läge för laddning och framdrift.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en an- ordning av inledningsvis nämnt slag, hos vilken ovannämnda nackdelar hos tidigare kända sådana anordningar har långtgå- ende reducerats.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att hos en sådan anordning dessutom anordna en DC/DC-omvandlare anordnad att omvandla spänningen genererad av den elektriska maskinen ge- nom axelns rotation till en högre spänning lämpad för laddning av nnanø sauce :nano 523 993 _ _ I _ _ . . . . -a 3 batteriet, ett organ anordnat att mäta spänningen genererad av den elektriska maskinen och en mikroprocessorenhet anordnad att styra DC/DC-omvandlaren på grundval av av nämnda organ levererade spänningsdata.

Genom att utnyttja en DC/DC-omvandlare och styra denna i be- roende av den spänning som levereras av den som generator fungerande elektriska maskinen kan på mycket tillförlitligt och fördelaktigt sätt lämplig laddningsspänning för uppladdning av batteriet eller batterierna uppnås. Således krävs ingen propeller med mekanisk koppling till bladen, utan den kan se likadan ut som när den eventuellt används för framdrivning av båten. Möj- ligheten att använda en propeller i samma läge vid laddning och framdrivning tillhandahålls således genom uppfinningen, men det påpekas att det inte är nödvändigt att propellern även skall an- vändas för framdrift.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är elektronik- enheten anordnad att på grundval av av nämnda organ levere- rade data avseende den av den elektriska maskinen genererade spänningen beräkna ett maxbörvärde på strömmen ut från den elektriska maskinen mot batteriet och styra DC/DC-omvandlaren att ställa in laddningsspänningen till batteriet för uppnàende av nämnda maxströmbörvärde. På detta sätt kan batteriet laddas på optimalt sätt, eftersom den spänning som den elektriska maski- nen genererar är proportionell till propellerns varvtal, vilket är vä- sentligen proportionellt till den effekt som kan överföras, och ge- nom att på detta sätt göra strömmen beroende av den genere- rade spänningen kan batteriet laddas effektivt. Således möjliggör en högre genererad spänning från den elektriska maskinen ett högre möjligt värde på strömmen ut från den elektriska maskinen mot batteriet, och detta styrs genom att DC/DC-omvandlaren ställer in laddningsspänningen till batteriet något högre. Å andra sidan kan vid en förhållandevis låg, av den elektriska maskinen genererad spänning endast en ringa laddningsström tillåtas. annan . ~ . . .a 523 993 .t .«n Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen organ för mätande av strömmen från den elektriska maskinen och levererande av informationer om denna till elektronikenheten. Härigenom kan det kontrolleras att det fak- tiska strömvärdet överensstämmer med det önskade strömbör- värdet och en reglering mot detta ske.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen ett manuellt manövrerbart reglage för inställ- ning av strömuttaget från den elektriska maskinen genom att ställa in nämnda strömbörvärde inom ett intervall för en given spänning levererad av den elektriska maskinen. Det skulle kunna vara så att man vill ladda batteriet så snabbt som möjligt och inte bry sig så mycket om att båtens framfart bromsas en hel del ge- nom den effekt som överförs via propellern. Då utförs regleringen så att strömbörvärdet ställes in så högt som möjligt inom nämnda intervall. Skulle man däremot vara intresserad av att inte bromsa båten för mycket, exempelvis för att batterierna nästan är fullad- dade eller för att man kompiskör med en annan segelbåt och inte vill komma på efterkälken, då kan man istället välja att lägga sig i den nedre delen av maxströmintervallet.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är mikroprocessorenheten anordnad att styra laddningsspänningen till batteriet så att maximal laddningseffekt åstadkommes, så kallad Power Point reglering. Power Point regulatorn söker konti- nuerligt efter det strömvärde från likströmsmaskinen som ger högst laddningseffekt. Genom att kombinera Power Point regle- ring med reglaget för att påverka maxströmbörvärdet kan önskad maximal fartminskning manuellt kontrolleras. Det har visat sig att en mängd faktorer påverkar laddningsprestanda, såsom propel- leraxelns lutningsvinkel, båtens lutning, båtens rörelse relativt vattnet, avdrift och propellerns skick. Dessa avvikelser från det ideala gör att maximal ström och bromsning från likströmsmaski- nen inte alltid ger maximal laddningseffekt till batteriet. En lägre ström från likströmsmaskinen ger mindre bromskraft på båten och högre fart och propellervarvtal, vilket är högre utspänning sanna :anno onooo ___ u. _ , ., . . a - . s; .In- -v~: s s . ~ . - . s U . : _~ _ _ n - - - 1 n 0 ' * ' . - i. u q n. n. . i. - 2 j ° I . . . . . . ' “ " ',' '.. u .. H ~~~~ M 0 O O ' från likströmsmaskinen och kan medföra högre laddningseffekt till batteriet (EFFEKT = Spänning x Ström).

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är mikroprocessorenheten anordnad att aktivera laddningen av batteriet endast om den av den elektriska maskinen levererade ' spänningen överskrider ett tröskelspänningsvärde är betydande störning på seglingsegenskaperna trolig vid t ex kryss och den maximala möjliga genererade energin liten och närmare bestämt har det visat sig att ett sådant tröskelspänningsvärde ligger inom intervallet 3 - 6 volt, företrädesvis vid cirka 4,5 volt.

En annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar funktionen självpåslagning och avstängning av eletronikenheten när tröskelspänningen har uppnåtts eller nästan uppnåtts. På så vis krävs ingen knappmanöver vid till- och frånslag.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen inne- fattar anordningen organ anordnade att mäta batteriets spänning och sända informationer därom till mikroprocessorenheten, och mikroprocessorenheten är anordnad att styra DC/DC-omvand- laren så att en förutbestämd överladdningsnivå hos spänningen på batteriet ej överskrids. Detta är viktigt för att skydda batteriet, samtidigt som det naturligtvis är dumt att bromsa båtens framfart i onödan.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda propeller en så kallad folding-propeller, d v s propeller- bladen är ut- och hopfällbara för växlande mellan ett läge, i vilket de samverkar kraftöverförande med vattnet och ett läge utan samverkan. Härigenom kan anordningens bromsande inverkan på båtens framfart minskas till ett minimum under tider då ingen laddning önskas och maximal seglingshastighet eftersträvas.

Kombinationen maxströmbörvärdesstyrning och tröskelspänning gör det normalt till och med möjligt att ladda och kryssa med en foldingpropeller utan att propellern fälls ihop. non-u , , , . , . ~ - . . .- 523 993 _ _ _ _ , ~ . . - -~ Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår hos efterföljande beskrivningen och övriga bifo- gad osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härnedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: Fig 1 är en schematisk vy illustrerande den allmänna upp- byggnaden hos en anordning enligt uppfinningen, Fig 2 är en i förhållande till fig 1 förstorad vy av en tänkbar propeller hos en anordning enligt fig 1 i ett inaktivt läge, Fig 3 är ett blockschema som illustrerar funktionen hos en an- ordning enligt en föredragen utföringsform av uppfin- ningen, Fig 4 är ett diagram av laddningsströmmen i funktion av gene- rerad spänning hos en anordning enligt uppfinningen, Fig 5-7 är förenklade vyer illustrerande andra möjliga utform- ningar hos kraftöverföringen mellan propeller och den elektriska maskinen hos anordningar enligt uppfin- ningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN I fig 1 illustreras den allmänna uppbyggnaden hos en anordning för laddning av åtminstone ett elektriskt batteri ombord på en båt.

Företrädesvis rör det sig om flera 12-voltsbatterier 1 som är av- sedda att användas både för framdrivning av båten 18 och för elektrisk försörjning av annan utrustning ombord, såsom kylskåp, belysning, autopilot och dylikt. Anordningen innefattar en pro- :anna Innan . . » . - ; n - ~ Q uu 523 993 - - . - V - - - Q ø n~ peller 2 anordnad att nedsänkt i vatten via båtens framfart drivas att rotera en därmed förbunden axel 3. Axeln 3 är i sin tur för- bunden med en rotor hos en elektrisk likströmsmaskin. Lik- strömsmaskinen är företrädesvis en permanentmagnetmaskin men andra typer av likströmsmaskiner är även tänkbara, även om en permanentmagnetmaskin är mycket fördelaktig tack vare sin höga energitäthet. Andra tänkbara elektriska likströmsmaskiner är seriemotor och shuntmotor. Genom rotorns rotation alstras på sedvanligt sätt en spänning i lindningarna hos maskinens rotor.

Storleken på denna spänning är beroende av propellerns varvtal, och är närmare bestämt cirka 1 volt per 50 varv/minut. Via släpkontakter överförs strömmen från kollektorn på rotorn till kabeln.

Anordningen innefattar vidare en DC/DC-omvandlare 7 anordnad att transformera den av den elektriska maskinen 8 levererade spänningen till en spänning med lämplig nivå för laddning av batteriet 1. Rör det sig om ett 12-voltbatteri krävs vanligtvis en laddningsspänning av cirka 14,4 volt för att kunna ladda batteriet fullt.

I fig 2 visas att den använda propellern företrädesvis är en så kallad folding-propeller, så att dess blad kan fällas undan när ingen kraftöverförande samverkan önskas mellan vattnet och denna. En sådan folding-propeller svänger ut sina blad med hjälp av centrifugalkraften vid motordrift. Bladen hålls vid laddning ut- fällda av rotationen som fås av vattenrörelsen vid segling. Det som behövs är bara att initialt sätta folding-propellern i rotation med hjälp av motorn och sedan inte belasta likströmsmaskinen med för hög ström, utan enligt passande maxbörvärdeskurva, så att propellern inte fälls ihop. Propellrar med fasta blad är dock även tänkbara.

I fig 3 illustreras schematiskt funktionen hos den uppfinningsen- liga anordningen, och denna skall nu förklaras under samtidigt hänvisande till diagrammet i fig 4. Anordningen uppvisar en mikroprocessorenhet 9 i form av en programmerad styrdator an- gonna neon: oonuu ovana , , , , , , . . - . H »523 993 _ _ , , , ~ - - . nu ordnad att styra DC/DC-omvandlaren i beroende av rådande för- hållanden samt önskemål om laddning av batterier, propellerns bromsande kraft och så vidare. Vidare uppvisar anordningen or- gan 10 anordnade att mäta den av den elektriska maskinen gene- rerade spänningen och sända informationer därom till elektronik- enheten 9, så att denna kan ta hänsyn till detta vid sin styrning av DC/DC-omvandlaren 7. Likaså har anordningen organ 11 (de kan även vara placerade att mäta batteriladdningsströmmen så- som indikeras med 11', och sedan beräknas enkelt likströmsma- skinens aktuella ström i mikroprocessorenheten) anordnade att mäta strömmen från den elektriska maskinen och leverera infor- mation om denna till mikroprocessorenheten 9. Anordningen har också organ 19 för mätande av batteriladdningsspänningen och upplysa mikroprocessorenheten om denna, så att en återkoppling erhålls mellan mikroprocesorenhetens styrning av DC/DC-om- vandlaren och det ävenledes kan tillses att batteriladdningsspän- ningen inte överskrider en förutbestämd överladdningsnivå.

I fig 4 illustreras via en tjockare linje vilken laddningsström I som är lämplig att ta ut vid en viss spänning U levererad av den elek- triska maskinen 8. Därvid är denna laddningsström 0 vid 4,5 V, som således utgör en undre gräns, under vilken batteriet inte laddas och propellern snurrar utan bromsande moment. Under ovannämnda förhållanden skulle detta innebära att varvtalet hos propelleraxeln måste vara minst 225 varv/minut för att laddning skall kunna ske. Vidare kan det exempelvis utläsas att för 7 volts spänning är likspänningsmaskinens maximala utström cirka 18 A.

Vidare visas övre 12 och undre 13 gränser för likströmsmaski- nens maximala utström vid en given genererad spänning. Den övre gränsen motsvarar i princip vad propellern ”tål” utan att pro- pellern blir ineffektiv och ”plogar” fram eller för foldingpropellern att den fälls ihop, medan den nedre gränsen visar ett lågt bromsmoment och högt varv på propellern men ändock uppnås laddning av batteriet om den högre tröskelspänningen har uppnåtts. Naturligtvis påverkas spänningen U av var i intervallet man väljer att lägga sig, då bromskraften på propellern är beroende av strömuttaget i likströmsmaskinen. Ökas exempelvis non-en o . . n n I 0 I I 00 I' Q Q 523 993 uuuu a; vid en laddningsspänning av 7 volt strömmen från 18 A till 23 A, då kommer även spänningen att sjunka något, kanhända till 6,8 V. Genom att kontrollera belastningsmomentet på propellern kan således effektuttaget anpassas till båtens fart genom vattnet för att minimalt påverka seglingsegenskaperna.

Funktionen hos den uppfinningsenliga anordningen är följande: När vid segling av båten hastigheten är tillräckligt hög, vanligtvis åtminstone 3 knop, för att ett för laddning av batteriet tillräckligt högt propellervarvtal skall uppnås, då kan vid önskemål propel- lern bringas i det utfällda laddningsläget. Därvid tappar båten normalt 0,1 - 0,5 knop i fart. Hur stor fartförlusten skall bli kan ställas in genom det schematiskt antydda reglaget 14. När den av den elektriska maskinen genererade spänningen överskrider exempelvis cirka 4,5 volt startar elektronikenheten 20 och mikroprocessorenehten 9 styr då DC/DC-omvandlaren. Den av den elektriska maskinen 8 genererade spänningen mätes konti- nuerligt av organen 10, och mikroporcessorenheten 9 översätter denna spänning till ett strömbörvärde enligt diagrammet i fig 4.

Mikroprocessorenheten ökar successivt laddningsströmmen tills strömbörvärdet uppnåtts genom en steglös förändring av upp- transformeringen av spänningen från den elektriska maskinen.

Således omvandlas i DC/DC-omvandlaren aktuell spänning, över tröskelspänningen, i likströmsmaskinen till batteriladdspänning.

Mikroprocessorenheten 9 är anordnad att tillse en ständig an- passning av laddningsproceduren till rådande förhållanden, så att om spänningen ut från den elektriska maskinen 8 sjunker, då minskas batterispänningen snabbt så att ett nytt beräknat max- strömbörvärde erhålles. När sedan maximal batterispänning upp- nåtts regleras via mikroprocessorenheten 9 laddningsströmmen så att den maximalt tillåtna batterispänningen inte överskrides.

Det är inte självklart att aktuellt maxströmbörvärde är det opti- mala strömuttaget från likströmsmaskinen, pga en mängd fakto- rer, varför en Power Point regulator i mikroprocessorn, som stän- digt söker efter bästa kombinationen av ström och spänning för :nou- snuva 523 993 . . . ~ ur .. ~-I att erhålla max batteriladdningsström till ett minimum av broms- moment, kan vara befogad i många fall.

Den elektriska likströmsmaskinen kan företrädesvis även använ- das som motor för framdrift av båten, och exempelvis kan om den elektriska maskinen körs i normal fart, d v s cirka 3 knop, i 5 mi- nuter, den förbrukade energin laddas tillbaka, om så önskas på cirka 20 minuter vid en segling i 6 knop.

I den i fig 1 visade utföringsformen är det illustrerat hur rotorn hos den elektriska maskinen är anordnad direkt på den axel som propellern är anordnad på, men andra varianter är även tänk- bara, vilket illustreras schematiskt i fig 5-7. l fig 5 visas hur en växel 15 är anordnad att dela axeln mellan propellern 2 och den elektriska maskinen 8 i en första axeldel 16 förbunden med pro- pellern och en andra axeldel 17 förbunden med rotorn. Denna växel är av L- eller S-typ, och den kan vara med eller utan utväx- ling.

Fig 6 illustrerar en variant på utföringsformen, vilken skiljer sig från denna genom att den är anordnad vridbar för möjliggörande av inställning av propellern relativt båtens utsträckning, så att propellern kan ställas in relativt körriktningen, vattenströmmar och dylikt.

Slutligen illustrerar fig 7 en utföringsform med en växel 15 och axeldelar 16 och 17 anordnade väsentligen parallellt med var- andra. Denna växel kan vara med eller utan utväxling.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan en mängd möjligheter till mo- difikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på områ- det, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke sådan denna definieras i bifogade patentkrav.

Exempelvis vore det fullt möjligt att anordningen endast används för laddande av båtens förbrukningsbatterier, och att båten har ,. ...a g i ... ... - 1,' . .. - ' _' . u I' " , . u * ' ' .n n ' , .. -- I _ , . .~ :_ _ , . . q.. se» ~ . v ' un» -I _ . n e ~ '__ _... n ~~ _ .- u 1 11 en annan motor för framdrivning medelst motor när detta önskas eller har en sådan motor som komplement till en framdrivning medelst den elektriska maskinen hos anordningen fungerande som motor. Det är också möjligt att koppla elmotorn via exepelvis en kuggrem och ev. en utväxling till en propelleraxel ansluten till en ottomotor. Då kan elframdrift, propellerladdning och extra laddning vid förbränningsmotordrift erhållas. Det är inte heller nödvändigt att båten har någon möjlighet till motordrift alls, även om ett sådant alternativ nog sällan skulle accepteras.

Claims (15)

1. 0 15 20 25 30 35 -525 993 12 Eatsnilmax 1.

2. Anordning för laddning av åtminstone ett elektriskt batteri (1) ombord på en båt (18), vilken innefattar en propeller (2) an- ordnad att nedsänkt i vatten via båtens framfart drivas att ro- tera en axel (3) och en med axeln förbunden elektrisk lik- strömsmaskin (8) anordnad att vid rotation av axeln generera spänning till batteriet för uppladdning därav, varvid den elek- triska maskinen (8) även är anordnad drivbar som motor för framdrivning av bàten via energi hämtad från nämnda batteri (1), därav, att anordningen dessutom innefattar en DC/DC-omvandlare (7) anordnad att omvandla spänningen genererad av den elektriska maskinen genom axelns rotation till en högre spänning lämpad för laddning av batteriet, ett organ (10) anordnat att mäta spänningen genererad av den elektriska maskinen och en mikroprocessorenhet (9) anordnad att styra DC/DC-omvandlaren på grundval av av nämnda or- gan levererade spänningsdata.

3. Anordning enligt krav 1, därav, att mikropro- cessorenheten (9) är anordnad att pà grundval av av nämnda organ (10) levererade data avseende den av den elektriska maskinen genererade spänningen beräkna ett maxbörvärde på strömmen ut från den elektriska maskinen mot batteriet och styra DC/DC-omvandlaren (7) att ställa in laddningsspän- ningen till batteriet för uppnàende av nämnda maxströmbör- värde.

4. Anordning enligt krav 2, därav, att den inne- fattar organ (11) för mätande av strömmen från den elektriska maskinen och levererande av information om denna till mikroprocessorenheten (9).

5. Anordning enligt krav 3, därav, att elektronik- enheten (9) är anordnad att jämföra det uppmätta strömvärdet med det beräknade maxströmbörvärdet och styra DC/DC-om- vandlaren (7) i beroende av resultatet av denna jämförelse. 10 15 20 25 30 35 ' 523 993 ~ - Q V - . ; . . - ø q n a on 13 Anordning enligt något av kraven 2-4, därav, att den innefattar ett manuellt manövrerbart reglage (14) för inställning av maximalt strömuttag från den elektriska maski- nen (8) genom att ställa in nämnda strömbörvärde inom ett intervall för en given spänning levererad av den elektriska ma- skinen. .

6. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att mikroprocesorenehten (20) är anordnad at styra laddningsspänningen till batteriet (1) så att maximal ladd- ningseffekt àstadkommes.

7. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att elektronikenheten (9) är anordnad att sätta på och stänga av och aktivera laddningen av batteriet endast om den av den elektriska maskinen (8) levererade spänningen över- skrider ett tröskelspänningsvärde.

8. Anordning enligt krav 7, därav, att nämnda tröskelspänningsvärde är högre än 3V, men företrädesvis lägre än 8V.

9. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att den ävenledes innefattar organ (19) anordnade att mäta batteriets (1) spänning och sända Informationer därom till mikroprocessorenheten (9), och att elektronikenheten är anordnad att styra DC/DC-omvandlaren (7) så att en förutbe- stämd överladdningsnivå hos spänningen på batteriet ej över- skrids.

10. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att den elektriska maskinen (8) är en permanentmag- netmotor. 10 15 20 25 30 35 523 993 n øøøø nu 14

11. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att den är anordnad att ladda ett eller flera 12V-batte- rier (1).

12. Anordning enligt krav 1, därav, att den är ut- formad för laddning av ett eller flera elektriska batterier (1) in- tegrerade med eller överensstämmande med batterier an- vända för den allmänna försörjningen av apparater på båten med elektrisk energi.

13. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att nämnda propeller (2) är en så kallad folding-propel- ler, d v s propellerbladen är ut- och hopfällbara för växlande mellan ett läge, i vilket de samverkar kraftöverförande med vattnet och ett läge utan sådan samverkan.

14. Anordning enligt föregående krav, därav, att mikroprocessorenheten (9) är anordnad att styra DC/DC-om- vandlaren (7) att tillse att vid laddning med en Folding propel- ler, propellern svårligen fälls ihop.

15. Anordning enligt något av föregående krav, därav, att den innefattar en rak axel mellan propellern och den elektriska maskinen för direktdrift. \20756.nya.krav.förslag.v17-02.doc