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WO2023237359A2 - Unterseeboot mit zwei unterschiedlichen batteriesystemen und verfahren zum betreiben - Google Patents

Unterseeboot mit zwei unterschiedlichen batteriesystemen und verfahren zum betreiben Download PDF

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Publication number
WO2023237359A2
WO2023237359A2 PCT/EP2023/064189 EP2023064189W WO2023237359A2 WO 2023237359 A2 WO2023237359 A2 WO 2023237359A2 EP 2023064189 W EP2023064189 W EP 2023064189W WO 2023237359 A2 WO2023237359 A2 WO 2023237359A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
energy storage
storage device
charging
current
submarine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/064189
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2023237359A3 (de
Inventor
Norbert Dannenberg
Malte MOHR
Stefan Heinz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of WO2023237359A2 publication Critical patent/WO2023237359A2/de
Publication of WO2023237359A3 publication Critical patent/WO2023237359A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of DC sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/42—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ships or vessels

Definitions

  • the invention relates to a submarine with a conventional lead battery and a second lithium-based battery.
  • Conventional submarines usually have a diesel engine for charging the battery when snorkeling or above water, as well as for traveling above water and a battery for traveling under water.
  • Lead batteries have been in use for a long time.
  • the advantage of the lead battery is that the individual cell can be designed in such a way that it is adapted to the requirements of the boat.
  • several cells are connected in series.
  • the individual cells are connected in series to form partial batteries.
  • several partial batteries can be connected in parallel. This type of battery has proven itself over the last few decades and is the basis or standard for conventional submarines.
  • Lithium-based batteries are now being used in many applications, for example in the automotive industry.
  • lithium batteries lose their advantage over classic lead batteries, especially in terms of volumetric energy content, since in this special area extremely large amounts of energy have to be installed in the battery rooms.
  • the elementary cell for lithium accumulators has comparatively smaller cell dimensions than lead accumulators, in which the individual cell can be built simply and comparatively large.
  • the solution for integrating a lithium battery on submarines is currently to combine many small lithium cells into one module.
  • the modules are designed to be installed in the battery rooms of submarines.
  • the modules are usually combined into strands, with the strands parallel to each other and independently connected to the vehicle electrical system.
  • a DC-DC converter for lithium batteries is known from DE 10 2017 009 527 A1.
  • a drive system for a submarine with a DC voltage network and several battery strings is known.
  • the battery strings are connected to the DC voltage network via string connection units.
  • the flowing strand current is adjusted by the strand connection units.
  • a battery-operated vehicle is known from WO 2006/122 395 A1.
  • a battery system and an electric vehicle are known from WO 2016/035 279 A1.
  • a battery-operated industrial truck is known from DE 10 2015 100 624 A1.
  • a battery system is known from JP 2012-235 610 A.
  • the object of the invention is to provide a battery-operated submarine with an extended residence time under water.
  • the submarine according to the invention has a first energy storage device, a second energy storage device, an on-board electrical system and a generator.
  • the generator, the first energy storage device and the second energy storage device are connected to the vehicle electrical system.
  • the connection between the first energy storage device and the vehicle electrical system and between the second energy storage device and the vehicle electrical system can be separated.
  • the generator is preferably also separably connected to the vehicle electrical system. Separably connected means that they can be electrically isolated from the vehicle electrical system.
  • the generator is disconnected from the vehicle electrical system when it is not being used to generate electricity. In the simplest embodiment, this can be done using a switch.
  • the first energy storage device has lead secondary elements and the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • two very different technologies for energy storage are used and combined with each other. This increases complexity and prevents every technology from reaching its full potential.
  • the advantage of lithium technology is the higher energy density, so that with a pure energy storage device exclusively using lithium secondary elements, a higher overall capacity could be achieved with further reduced complexity, since only one type of battery management would be necessary.
  • the use of two different types of secondary elements thus leads to one increased complexity and no optimization with regard to a property, for example capacity. Therefore, the person skilled in the art would actually strive to select only one type of secondary element which has the optimal properties for the property to be optimized, for example capacity or costs.
  • first energy storage device and the second energy storage device are connected to the vehicle electrical system, so both feed into the same network and thus fulfill the same task.
  • the two different secondary elements do not serve to supply energy to different areas or networks, but rather feed into the same on-board electrical system.
  • Lithium secondary element is to be understood broadly in the sense of the invention and includes all currently known batteries with lithium, for example and in particular lithium-ion batteries, lithium-cobalt dioxide batteries, lithium-polymer batteries, lithium-manganese batteries, lithium-nickel -Cobalt manganese battery, lithium iron phosphate battery or lithium iron yttrium phosphate battery.
  • lithium-ion batteries lithium-cobalt dioxide batteries
  • lithium-polymer batteries lithium-manganese batteries
  • lithium-nickel -Cobalt manganese battery lithium iron phosphate battery or lithium iron yttrium phosphate battery.
  • Nickel secondary element is to be understood broadly in the sense of the invention and includes all currently known accumulators with nickel, for example and in particular nickel-cadmium accumulators or nickel-metal hydride accumulators.
  • a first energy storage device with lead secondary elements also called lead accumulator
  • a second energy storage device with lithium secondary elements also called lithium accumulator, or nickel secondary elements.
  • Lead-acid batteries can be built very easily with very large capacities and are extremely cost-efficient and proven in use. However, lead batteries are comparatively demanding when it comes to charging. Furthermore, the electrical capacity can only be optimally used if the charging and discharging processes take place slowly and uniformly. Lithium batteries or nickel batteries, on the other hand, can be charged and discharged almost as desired, even partially, without comparable losses in service life, and can also deliver very different outputs without this having a significant impact on the electrical capacity.
  • first energy storage device a second energy storage device and an on-board electrical system.
  • submarines are usually designed redundantly, so that the submarine has at least two separate on-board electrical systems, so that even if one of the on-board electrical systems fails, the submarine remains operational. Therefore, everything is usually present at least twice.
  • first sub-board network and a second sub-board network there is a first sub-board network and a second sub-board network.
  • the first sub-board network and the second sub-board network can be electrically connected and electrically disconnected via an on-board network disconnection, so that if one sub-board network fails, the other sub-board network is still available.
  • the first sub-board electrical system is connected to a first first energy storage device and a first second energy storage device
  • the second sub-board electrical system is connected according to the invention to a second first energy storage device and a second second energy storage device.
  • all of the following statements apply separately.
  • Two partial electrical systems can preferably be connected to one another in a separable manner.
  • Either the sub-board electrical systems are electrically connected to one another in regular operation or they are electrically separated from one another in regular operation.
  • the sub-networks are normally electrically connected, the sub-networks are only electrically isolated in the event of a fault.
  • a connection can take place if only a shore connection is provided.
  • the lead secondary elements of the first energy storage device are at least partially connected in series.
  • the first energy storage device is connected directly to the vehicle electrical system.
  • direct means that the first energy storage device is connected to the vehicle electrical system without galvanic isolation or voltage conversion, such as a DC-DC converter, transformer or other corresponding components.
  • a load switch is preferably arranged to disconnect the first energy storage device from the vehicle electrical system.
  • a (mechanical) switch another separation can also be provided so that the connection is de-energized. This is the usual connection method for submarines with a pure lead accumulator.
  • the second energy storage device is arranged in strands.
  • One strand alone is able to provide the voltage required to supply the on-board electrical system. Depending on the power requirement, a corresponding number of strands are connected to the on-board network.
  • the arrangement in strings therefore makes performance-dependent battery management possible.
  • Each strand has a plurality of lithium secondary elements or nickel secondary elements.
  • Each strand can be separated individually via a DC-DC converter and its power output can be controlled and connected to the vehicle electrical system.
  • the DC-DC converter makes it possible to specifically adjust the voltage level of the strand and adapt it to the voltage level specified by the vehicle electrical system in the current case. At the same time, galvanic isolation is achieved. Since lithium batteries or nickel Secondary elements can deliver a significantly higher current in the event of a short circuit than lead batteries, without such separation there is an increased risk if a short circuit occurs in the vehicle electrical system.
  • each string has a string battery management system. This means that each strand is a completely separate unit and the failure of one strand has no negative impact on the other strands. At the same time, all lines can be operated optimally and individually.
  • the first energy storage device has a battery monitoring system.
  • the battery monitoring system can, for example and in particular, contain current, voltage and temperature sensors from the first energy storage device in order to detect, for example, the output voltage, the output current or the temperature of the first energy storage device or the individual lead batteries. However, it can also include further sensors, for example for detecting the coolant flow or harmful gases, in particular hydrogen, in the surroundings of the first energy storage device.
  • a complete battery management system is not common or necessary for lead batteries. However, it is advantageous to record and monitor the temperature, for example. For example, temperature has a direct influence on voltage and available capacity.
  • the second energy storage device has a battery management system.
  • the submarine further has a control unit, the control unit being connected to the battery monitoring system and the battery management system.
  • the control unit is, for example, connected to the battery monitoring system and the battery management system in such a way that it receives the respectively recorded sensor values and can transmit target values to the battery management system. It can also be provided that the control unit controls the separation of the energy storage devices.
  • the battery management system can also transmit the values determined from the sensor values, in particular the state of charge, instead of the sensor values.
  • the second energy storage device is divided into strands and each strand has one String battery management system
  • the battery management system is structured hierarchically above the string battery management systems and can be connected to each string battery management system in order to receive, process and transmit setpoint specifications of the recorded sensor values and/or the variables derived from the sensor values.
  • control unit is connected to current, voltage and temperature sensors that record values at various points in the vehicle electrical system.
  • the control unit is therefore able to record and evaluate the power requirements in individual subnetworks or at individual consumers more precisely. For example, the consumption of the traction motor or the consumption of small consumers.
  • control unit can be connected to further sensors, for example room monitoring systems, such as infrared cameras, smoke or gas detectors, in particular for monitoring the room or rooms in which the first energy storage device and the second energy storage device are arranged. In this way, malfunctions in particular can be easily identified.
  • the control unit can include a control module that is designed to evaluate the detected sensor values and to generate and output setpoint values according to its own logic and in particular to regulate the current and/or the voltage of the second energy unit.
  • the control module can be designed to carry out the methods presented below.
  • control unit is designed for time-resolved detection by means of corresponding current and voltage sensors of the first currents flowing from the first energy storage device into the vehicle electrical system.
  • control unit is designed for time-resolved detection by means of corresponding current and voltage sensors of the second currents flowing from the second energy storage device into the vehicle electrical system.
  • the power of the second energy storage device is of the same order of magnitude as the power of the generator. So if the generator has a maximum output of 1 MW, the second energy storage device also has a maximum output of 1 MW.
  • the energy storage device would have a maximum output of 0.75 to 1.25 MW.
  • the advantage of such dimensioning is that the second energy storage device can be charged and discharged very quickly as a lithium battery or nickel battery and partial charges are also technically unproblematic. If the submarine only goes to the surface of the water briefly, it is quickly possible to generate the maximum amount of energy with the generator and store it in the second energy storage device. The entire power of the generator can therefore be used to charge the second energy storage device and thus to provide as much energy as possible in the shortest possible time.
  • the capacity of the first energy storage device is 2 to 10 times larger than the capacity of the second energy storage device.
  • the capacity of the first energy storage device is 3 to 6 times larger than the capacity of the second energy storage device.
  • the submarine does not have an energy generating device that is independent of outside air. This makes a simpler and more compact design possible. Even small submarines can achieve increased performance comparatively easily.
  • the invention relates to a method for operating a submarine with a first energy storage device and a second energy storage device in high-load operation.
  • high-load operation is to be understood as meaning that the systems of the submarine consume more than 50% of the maximum possible power of the first energy storage device via the on-board network. This can happen, for example, because high power is required for the traction motor during a transit journey at high speed. For example, the traction motor requires its maximum supply power.
  • the first energy storage device feeds a first current and at the same time the second energy storage device feeds a second current into the vehicle electrical system.
  • the first energy storage device has lead secondary elements
  • the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • the output voltage from the second energy storage device is regulated via the DC-DC converter to the discharge-related voltage level of the first energy storage device. Since the first energy storage device is a lead battery connected directly to the vehicle electrical system, the voltage of the vehicle electrical system is determined by the voltage of the lead battery depending on its state of charge. Through the DC-DC converter, the output voltage of the second energy storage device, the lithium battery, can be adapted to this voltage, so that energy can be supplied from both the first energy storage device and the second energy storage device can be made available at the same time. The effect is that the discharge current of the lead battery is reduced. This increases the total energy that can be removed from the first energy storage device and thus the range of the submarine.
  • the lithium battery therefore always supports the lead battery when particularly high current flows actually place a particularly high load on the lead battery and would therefore reduce the usable energy more than corresponds to the power consumption used. In total, more electrical energy can therefore be used from the preferably significantly larger first energy storage device, which ultimately increases the range.
  • the second current is regulated in relation to the first current such that the ratio corresponds to the ratio between the residual charge of the second energy storage device to the residual charge of the first energy storage device. Or to put it another way, with constant discharges, the energy of both energy storage devices would reach zero at the same time. This maximizes the effect of reducing the first current and thus maximizing the energy that can be used from the first energy storage device.
  • the remaining charge of the first energy storage device is estimated from the first current that has already flowed since the last complete charge.
  • the temperature of the first energy storage device is also taken into account for this purpose. This is the most precise way of determining the remaining capacity for lead batteries.
  • the second current is regulated in relation to the first current in such a way that the second current is regulated to zero when the first current falls below a first limit current.
  • the limit current is set to 50% of the maximum first current (at the maximum power of the first energy storage device).
  • the limit current can be set, for example, to 30% of the maximum first current (at the maximum power of the first energy storage device).
  • a map is used to regulate the second current in relation to the first current, the map being an area in space consisting of the power of the first energy storage device, the power of the second energy storage device and the remaining charge of the first energy storage device.
  • the map is updated over the course of the submarine's service life in order to be able to adapt the map to the characteristics changed through use, in particular decreasing maximum capacity or similar degradation effects, of the first energy storage device and the second energy storage device.
  • the second current is adjusted in a non-linear manner based on the strength of the first current.
  • the second current is regulated in relation to the first current such that the ratio corresponds to the ratio between the residual charge of the second energy storage device to the residual charge of the first energy storage device when the first current is at least 80% of the maximum first current. If the first current is between 80 and 50% of the maximum first current, then, for example, the second current is regulated in relation to the first current such that the ratio corresponds to the ratio between the remaining charge of the second energy storage device to the remaining charge of the first energy storage device, but divided by 2 If the first current is below 50% of the maximum first current, the second current is set to zero, for example.
  • the electrical energy is retrieved from the second energy storage device, especially when it has the greater effect on increasing the effectively usable capacity of the first energy storage device.
  • the invention relates to a method for operating a submarine with a first energy storage device and a second energy storage device in low-load operation.
  • Low load operation is in the sense of Invention is to be understood as meaning that the systems of the submarine consume less than 50% of the maximum possible power of the first energy storage device via the on-board electrical system.
  • the first energy storage device has lead secondary elements
  • the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • the second energy storage device completely takes over the feeding into the vehicle electrical system, while the first current is zero. This can be done, for example and preferably, by selecting the voltage through the second energy storage device to be higher than the battery voltage of the first energy storage device, whereby only the second energy storage device feeds in.
  • the first energy storage device only takes over feeding into the vehicle electrical system after the second energy storage device has been discharged. This saves the capacity of the lead battery, which is more difficult to charge, and initially uses the energy from the lithium battery, which is particularly easy to recharge. This means that quick, short charging and discharging cycles can be absorbed via the lithium battery and in this way the lead battery can be protected.
  • the second energy storage device is only discharged to such an extent that a minimum amount of energy is retained in the second energy storage device.
  • the minimum amount of energy can be chosen, for example, between 5% and 25% of the maximum capacity of the second energy storage device or can be chosen so that the submarine can carry out at least one surfacing process with the minimum amount of energy.
  • This embodiment is particularly advantageous in that there is always sufficient energy in the second energy storage device to ensure the survival of the submarine, even if the first energy device fails unexpectedly.
  • the generator recharges the second energy storage device during surfacing.
  • the second energy storage unit then takes over feeding the vehicle's electrical system again after diving. This makes it possible to generate and store even comparatively small amounts of energy while surfacing, which is only possible with a lead accumulator due to the high demands on charging and discharging cycles to maintain optimal capacity is not possible.
  • the second energy storage device undergoes a plurality of charge-discharge cycles. These do not have to be complete. Rather, since the second energy storage device is a lithium battery, these can also only be partial charging cycles. After each charging cycle of the second energy storage device, the second energy storage device first completely takes over the feeding into the vehicle electrical system. Accordingly, the first current is then zero. The second energy storage device is therefore always discharged again and the remaining capacity of the first energy storage device is thus kept at a maximum.
  • the invention relates to a charging method for operating a submarine with a first energy storage device and a second energy storage device in parallel charging operation.
  • a parallel charging operation is understood to mean simultaneous charging, whereby charging can also be continued for one of the two energy storage devices if the other is already fully charged or charging for one of the two energy storage devices can be started before the start of charging of the other energy storage devices.
  • the first energy storage device has lead secondary elements
  • the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • the charging method has a first charging stage and a second charging stage for the first energy storage device. In the first charging stage, the first energy storage device is charged with a constant charging current or a constant charging power.
  • constant is not to be understood in the strictly physical sense.
  • the limit voltage is usually in the range of the target voltage and results from the chemical properties of the first energy storage device and depends on the temperature.
  • the second charging stage following the first charging stage is carried out at a constant voltage. As a result, the charging current decreases continuously as the charge of the lead battery increases. This is common for lead batteries.
  • the second energy storage device is charged in parallel to the first energy storage device.
  • the charging current to the first energy storage device can be measured and the second energy storage device can be regulated so that the first charging current to the first energy storage device and the second charging current to the second energy storage device correspond to the performance of the generator.
  • the generator is not operated at an unfavorable operating point in the second charging stage, which can otherwise be the case with very low currents. This means that the generator's fuel supply is used more efficiently. Consequently, the overall range of the submarine can be increased.
  • the charging of the second energy storage device is continued in the second charging stage of the first energy storage device after the first energy storage device has been fully charged if the second energy storage device is not yet fully charged at this point in time.
  • the first energy storage device is disconnected from the vehicle electrical system when the charging current for charging the second energy storage device is as large as the output charging current of the generator.
  • the charging of the first energy storage device is continued in the second charging stage after the second energy storage device has been fully charged.
  • the second energy storage device is disconnected from the vehicle electrical system when the charging current for charging the second energy storage device is zero or less than 1% of the output charging current of the generator.
  • the charging of the first energy storage device is continued in the second charging stage by keeping the voltage of the DC-DC converter just below the limit voltage.
  • the DC-DC converter makes it possible to specifically adjust the voltage level of the lithium battery. For example, if the limit voltage is 2.4 V per cell with 375 cells connected in series, for example 900 V, the voltage of the DC-DC converter for the second energy storage device can be set just below, for example to 882 V. If a discharged first energy storage device is now charged, it imposes a voltage on the vehicle electrical system that is well below 882 V. The result is that practically the entire electrical power of the generator is used to constantly charge the lead battery (ignoring fluctuations in the on-board network due to other consumers).
  • the second energy storage device is charged at the same time, with the proportion of the first current for charging the first energy storage device initially being higher than the second current for charging the second energy storage device. But over time the relationship shifts.
  • the battery management system also as protection against overcharging. This means that only the first energy storage device is charged, whereby the voltage continues to rise and reaches the limit voltage of 900 V, which then results in power regulation of the generator in order to keep the voltage constant.
  • the advantage of this embodiment is that it can be easily integrated into an existing system and the control is carried out very easily and simply by the battery management system required for a lithium battery.
  • the disadvantage is that There is a brief voltage jump (in the above example from 882 V to 900 V) after charging the second energy storage device.
  • the charging of the first energy storage device is continued in the second charging stage in that the battery management system gives the control unit a signal as soon as the second energy storage device is fully charged, the control unit only regulating the voltage of the generator after receiving the signal.
  • This active feedback prevents a voltage jump as in the aforementioned case.
  • the system as a whole is becoming more complex.
  • the invention relates to a method for operating a submarine with a first energy storage device and a second energy storage device: the first energy storage device has lead secondary elements, the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • the first energy storage device feeds a first current and at the same time the second energy storage device feeds a second current into the vehicle electrical system.
  • the voltage of the second current delivered by the second energy storage device is regulated via the DC-DC converter depending on the output power of the first energy storage device.
  • the non-linear relationship can be step-shaped and, for example, set to zero for low output powers of the first energy storage device, with a scaling factor of 1 for medium output powers of the first energy storage device and with a scaling factor of 2 for high output powers of the first energy storage device.
  • the non-linear relationship can be a polynomial, in particular of second order, or exponential.
  • the invention relates to a charging method for operating a submarine with a first energy storage device and a second energy storage device in parallel charging operation.
  • the first energy storage device has lead secondary elements
  • the second energy storage device has lithium secondary elements or a nickel secondary element.
  • the charging method for the first energy storage device has a first charging stage and a second charging stage.
  • the first energy storage device is charged with a constant charging current. Due to the increasing state of charge, the voltage increases as the state of charge increases until a limit voltage is reached at which the first charging stage is completed.
  • the second charging stage is carried out at a constant voltage. This procedure is common for lead batteries.
  • the first charging stage the second energy storage device is also charged in parallel. As a result, part of the charging current generated by the generator is subtracted into the second charging device, so that the charging current that flows into the first energy storage device is reduced.
  • the lower the charging current the greater the absolute achievable capacity of the lead battery in the first charging stage. This method can therefore increase the total available capacity and thus minimize the charging time. The result is that the service life and/or range under water are increased.
  • the second current for charging the second energy storage device is selected in relation to the first current for charging the first energy storage device such that the ratio of the remaining remaining charging capacity of the second energy storage device is in relation to the remaining remaining charging capacity of the first energy storage device. This allows the effect to be maximized because the constant current is constantly reduced over the entire charging time of the first charging stage.
  • the charging method for the first energy storage device additionally has a third charging stage.
  • the third charging stage is carried out at a constant first current.
  • the electrical energy for the third charging stage is provided by the second energy storage device. This one Currents flowing are extremely low, so using the generator would be extremely uneconomical. Rather, for example, the second energy storage device can then be fully charged again by briefly operating the generator.
  • Fig. 1 first embodiment of the submarine
  • the vehicle electrical system 30 can be supplied with energy via a generator 40. This is done, for example, when traveling over water with the help of a diesel drive.
  • the submarine has a first energy storage device 10 and a second energy storage device 20.
  • the first energy storage device 10 consists of, for example, 375 lead secondary elements connected in series and thus delivers a voltage of, for example, 900 V in the fully charged state.
  • the first energy storage device 10 can, for example, be charged via the generator 40 when traveling over water and, when traveling underwater, release energy via the on-board electrical system 30 to a consumer 50, for example the traction motor.
  • the second energy storage device 20 shown as an example has four strands 22. Each strand is connected to the vehicle electrical system 30 via a DC-DC converter 24. This makes targeted control possible. Furthermore, a Galvanic isolation in the DC-DC converter 24 reduces the risk of a short circuit in the vehicle electrical system 30 or a consumer 50, since the maximum current flowing can be limited.
  • Each strand 22 has a strand battery management system 26, which monitors, for example, the state of charge, but also monitors the health status of the lithium secondary elements, for example using sensors.
  • the four strand battery management systems 26 are hierarchically regulated by a higher-level battery management system 28, which, for example, takes over the load distribution among the different strands 22 and, for example, regulates when which strand 22 is connected to or separated from the vehicle electrical system 30 and in what way.
  • Fig. 2 shows a second embodiment, which differs from the first embodiment in that it has an additional control unit 60. Furthermore, the first energy storage device 10 has a battery monitoring system 12. The control unit 60 is connected to the battery monitoring system 12 and the battery management system 28.
  • control unit 60 can be designed to detect the first current flowing from the first energy storage device 10 and the second current flowing from the second energy storage device 20 and can determine the target contribution of the second energy storage device 20 from the load required by the vehicle electrical system 30 using a characteristic map and transmit this to the battery management system 28.
  • the voltage is preferably also recorded in each case and the actual energy flowed is determined.
  • the battery management system 28 can then implement this in particular by regulating the DC-DC converters 24.
  • Temperatures for example, can be used as further controlled variables. Temperatures also have an influence on the available capacity of a battery, so that in addition to the actual charge that has already flowed, the temperature also plays a role. In addition, age or other information about the health status of the batteries can have an influence.
  • the third embodiment shown in Fig. 3 differs from the second embodiment by an additional connection between the battery monitoring system 12 and the generator 40.
  • This control option can be used to charge the first energy storage device 10.
  • the generator 40 is regulated via this connection after reaching the limit voltage, for example 900 V, in order to keep the voltage constant and to adapt the energy generation to the load.
  • the battery management system 28 can set the DC-DC converters 24 to a voltage just below the limit voltage, for example 882 V. When the charge state of the first energy storage device 10 is low, the voltage of the first energy storage device 10 is significantly lower.
  • a first charging current flows into the first energy storage device 10 and no current flows into the second energy storage device 20.
  • a second charging current now also flows into the second energy storage device 20 in parallel to the first charging current. This corresponds to the second charging stage, charging at a constant voltage.
  • the battery management system 28 disconnects the strands 22 from the vehicle electrical system (overcharging protection).
  • the voltage rises to the limit voltage of, for example, 900 V and the generator 40 is now kept at a constant 900 V through the connection to the battery monitoring system 12 and the second charging stage continues alone with the first energy storage device 10.
  • the fourth embodiment shown in FIG. 4 has an additional control switch 70, which is connected to the battery monitoring system 12 and the battery management system 28.
  • the control switch 70 takes on the task of controlling the generator 40 in such a way that the generator is only regulated to a constant voltage when the second energy storage device 20 is fully charged.
  • the second energy storage device 20 can be charged at, for example, 900 V, so that after the second energy storage device 20 is disconnected from the vehicle electrical system 30, there is no increase in voltage, but the long charging stage can continue to be carried out at a constant voltage.
  • the fifth embodiment shown in Fig. 5 differs from the third embodiment in that there is no direct connection between the control unit 60 and the battery monitoring system 12, but rather that the control unit 60 has a connection to the generator 40.
  • the second energy storage device 20 is charged in parallel in the second charging stage, whereby it is charged at the limit voltage. In this case, the mains voltage in the vehicle electrical system 30 is stabilized via the generator 40.
  • Fig. 6 shows a first embodiment of the method. This would be optimal operation of the submarine in low-load operation, for example submerged surveillance in one location.
  • the submarine surfaces at regular intervals, for example to send and receive data.
  • the generator 40 can be used to partially charge the second energy storage device 20 again, as can be seen from the sudden increases in the lower solid line.
  • the energy is initially fed into the vehicle electrical system 30 only from the second energy storage device 20 (solid line decreases, dashed line remains constant). Only when the second energy storage device 20 is empty does the first energy storage device 10 feed energy into the vehicle electrical system 30 (dashed line decreases, solid line remains constant at 0).
  • Fig. 7 alternatively shows a second embodiment in high-load operation, for example during a submerged transit journey.
  • the lowest possible first currents are desirable. Therefore, here (under the above-mentioned assumption of the capacity ratio of 5:1) the second current (solid line) which is taken from the second energy storage device 20 is always 20% of the first current (dashed line) which is taken from the first energy storage device 10 is removed, set. In total, 1/6 of the energy is always taken from the second energy storage device 20 and 5/6 of the energy from the first energy storage device 10, which results in the first energy storage device 10 and the second energy storage device 20 reaching capacity 0 at the same time .
  • the second energy storage device 20 can be charged in the second charging stage.
  • the first charging stage only the first energy storage device 10 is charged (high current, dashed line).
  • the limit voltage is reached and thus the beginning of the In the second charging stage, the second energy storage device 20 is charged, for which the power that can be generated by the generator 40 but is no longer required by the first energy storage device 10 is used, as a result of which the second energy storage device 20 is charged in parallel without any additional expenditure of time.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10), einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20), einem Bordnetz (30) und einem Generator (40), wobei der Generator (40), die erste Energiespeichervorrichtung (10) und die zweite Energiespeichervorrichtung trennbar mit dem Bordnetz (30) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass (20) die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei-Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement aufweist.

Description

Unterseeboot mit zwei Unterschiedlichen Batteriesystemen und Verfahren zum Betreiben
Die Erfindung betrifft ein Unterseeboot mit einer konventionellen Blei-Batterie und einer zweiten Batterie auf Lithium-Basis.
Konventionelle Unterseeboote haben üblicherweise einen Dieselantrieb für das Laden der Batterie in Schnorchel- oder Überwasserfahrt, sowie für die Fahrt über Wasser und eine Batterie für die Fahrt unter Wasser. Seit langem sind Blei-Batterien im Einsatz. Vorteil der Bleibatterie ist, dass die einzelne Zelle so konstruiert werden kann, dass sie an die Anforderungen an das Boot angepasst ist. Um den benötigten Spannungsbereich für das Fahrnetz bereitzustellen, werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet. Insbesondere werden zum Aufbau der Netzspannung die einzelnen Zellen in Reihe zu Teilbatterien geschaltet. Zur weiteren Erhöhung der Batteriekapazität und aus Redundanzgründen können mehrere Teilbatterien parallelgeschaltet werden. Dieser Batterietyp hat sich über die letzten Jahrzehnte bewährt und ist die Basis beziehungsweise der Standard für konventionelle Unterseeboote.
Bei vielen Anwendungen setzen sich heute Batterien auf Lithium-Basis durch, beispielsweise im Bereich der Automobilindustrie. In der technischen Anwendung für Unterseeboote verlieren Lithium-Akkumulatoren jedoch gegenüber den klassischen Blei- Akkumulatoren an Vorsprung insbesondere in Bezug auf den volumetrischen Energieinhalt, da in diesem speziellen Bereich extrem große Energiemengen in den Batterieräumen installiert werden müssen. Hierbei ist ein Punkt, dass die Elementarzelle für Lithium-Akkumulatoren vergleichsweise kleinere Zellabmessungen aufweist als Blei- Akkumulatoren, bei denen die einzelne Zelle einfach und vergleichsweise groß gebaut werden kann. Die Lösung für die Integration einer Lithium Batterie auf Unterseebooten ist derzeit, dass viele kleine Lithium Zellen in einem Modul zusammengefasst werden. Die Module sind so gestaltet, dass sie in die Batterieräume von Unterseebooten installierbar sind. Üblicherweise werden die Module zu Strängen zusammengefasst, wobei die Stränge parallel nebeneinander unabhängig mit dem Bordnetz verbunden sind. Aus der DE 10 2017 009 527 A1 ist ein Gleichspannungswandler für Lithium- Akkumulatoren bekannt.
Aus der DE 10 2014 109 092 A1 ist ein Antriebssystem für ein Unterseeboot mit einem Gleichspannungsnetz und mehreren Batteriesträngen bekannt. Die Batteriestränge sind über Stranganbindungseinheiten mit dem Gleichspannungsnetz verbunden. Der fließende Strangstrom wird durch die Stranganbindungseinheiten eingestellt.
Aus der WO 2006 / 122 395 A1 ist ein batteriebetriebenes Fahrzeug bekannt.
Aus der DE 10 2014 214 313 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erwärmung einer Batterie bekannt.
Aus der WO 2016 / 035 279 A1 ist ein Batteriesystem und ein elektrisches Fahrzeug bekannt.
Aus der DE 10 2015 100 624 A1 ist ein batteriebetriebenes Flurförderfahrzeug bekannt.
Aus der WO 2022 / 056 421 A1 ist eine Konfiguration eines Antriebsstranges mit zwei Energiespeichern bekannt.
Aus der JP 2012-235 610 A ist ein Batteriesystem bekannt.
Um die Zeit unter Wasser zu verlängern, werden heutzutage bei konventionellen Unterseebooten sogenannte Außenluft unabhängige Antriebssysteme eingesetzt, beispielsweise Brennstoffzellen. Diese können auch im getauchten Zustand Energie erzeugen. Ein solches System vergrößert aber auch üblicherweise die Baugröße des Unterseebootes und ist aufgrund seiner Komplexität mit zusätzlichen Beschaffungs- und Betriebskosten verbunden.
Es wäre jedoch wünschenswert, ein Unterseeboot mit einer verbesserten Standzeit unter Wasser auszustatten, wobei es nur mit einer Batterie, ohne zusätzliche Außenluft- unabhängigen Antriebssystemen ausgestattet ist, so dass es klein und kompakt realisierbar bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein batteriebetriebenes Unterseeboot mit verlängerter Verweilzeit unter Wasser bereitzustellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Unterseeboot mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie die Verfahren zum Betreiben eines solchen Unterseebootes mit den in an Ansprüchen 9, 14, 18 und 22 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Unterseeboot weist eine erste Energiespeichervorrichtung, eine zweite Energiespeichervorrichtung, ein Bordnetz und einen Generator auf. Der Generator, die erste Energiespeichervorrichtung und die zweite Energiespeichervorrichtung sind mit dem Bordnetz verbunden. Hierbei ist die Verbindung zwischen der ersten Energiespeichervorrichtung und dem Bordnetz sowie zwischen der zweiten Energiespeichervorrichtung und dem Bordnetz trennbar. Bevorzugt ist auch der Generator trennbar mit dem Bordnetz verbunden. Trennbar verbunden heißt, dass diese elektrisch vom Bordnetz getrennt werden können. Beispielsweise wird der Generator vom Bordnetz getrennt, wenn dieser nicht zur Stromerzeugung betrieben wird. Dieses kann in der einfachsten Ausführungsform durch einen Schalter erfolgen.
Erfindungsgemäß weist die erste Energiespeichervorrichtung Blei-Sekundärelemente und die zweite Energiespeichervorrichtung Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel- Sekundärelement auf. Es werden also zwei sehr unterschiedliche Technologien zur Energiespeicherung verwendet und miteinander kombiniert. Dieses erhöht die Komplexität und verhindert, dass jede Technologie ihr volles Potential ausschöpfen kann. Beispielsweise ist der Vorteil der Lithium-Technologie gerade die höhere Energiedichte, sodass mit einer reinen Energiespeichervorrichtung ausschließlich mit Lithium- Sekundärelementen eine insgesamt höhere Kapazität erzielbare wäre bei weiterhin reduzierter Komplexität, da nur eine Art des Batteriemanagements notwendig wäre. Die Verwendung zweier verschiedener Type von Sekundärelementen führt somit zu einer erhöhten Komplexität sowie zu eben keiner Optimierung hinsichtlich einer Eigenschaft, beispielsweise der Kapazität. Daher wäre der Fachmann eigentlich bestrebt, nur einen Typ Sekundärelemente auszuwählen, welcher für die zu optimierende Eigenschaft, beispielsweise Kapazität oder Kosten, die optimalen Eigenschaften aufweist.
Ein wesentlicher Punkt ist auch, dass die erste Energiespeichervorrichtung und die zweite Energiespeichervorrichtung mit dem Bordnetz verbunden sind, beide speisen also in das gleiche Netz ein und erfüllen damit die gleiche Aufgabe. Die beiden unterschiedlichen Sekundärelemente dienen also nicht zur Energieversorgung verschiedener Bereiche oder Netze, sondern speisen in das gleiche Bordnetz ein.
Lithium-Sekundärelement ist im Sinne der Erfindung breit zu verstehen und umfasst alle derzeit bekannten Akkumulatoren mit Lithium, beispielsweise und insbesondere Lithium- lonen-Akkumulatoren, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Mangan-Akkumulator, Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Akkumulator, Lithium- Eisenphosphat-Akkumulator oder Lithium-Eisen-Yttrium-Phosphat-Akkumulator.
Nickel-Sekundärelement ist im Sinne der Erfindung breit zu verstehen und umfasst alle derzeit bekannten Akkumulatoren mit Nickel, beispielsweise und insbesondere Nickel- Cadmium-Akkumulatoren oder Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren.
Eine erste Energiespeichervorrichtung mit Blei-Sekundärelementen, auch Blei- Akkumulator genannt, weist eine ganz andere elektrische Charakteristik auf als eine zweite Energiespeichervorrichtung mit Lithium-Sekundärelementen, auch Lithium- Akkumulator genannt, oder Nickel-Sekundärelementen. Blei-Akkumulatoren können sehr leicht mit sehr großer Kapazität gebaut werden und sind dabei extrem kosteneffizient und im Einsatz bewährt. Dafür sind die Blei-Akkumulatoren vergleichsweise anspruchsvoll, was das Aufladen angeht. Des Weiteren kann die elektrische Kapazität nur optimal genutzt werden, wenn die Prozesse des Ladens und Entladens langsam und gleichförmig ablaufen. Lithium-Akkumulatoren oder Nickel-Akkumulatoren hingegen können ohne vergleichbare Einbußen in der Lebensdauer nahezu beliebig geladen und entladen werden, auch nur teilweise, und können auch sehr unterschiedliche Leistungen abgeben ohne, dass dieses erhebliche Auswirkungen auf die elektrische Kapazität hat. Durch die erfindungsgemäße Kombination aus einem Blei-Akkumulator und einem Lithium- Akkumulator oder Nickel-Akkumulator ist es möglich, die Vorteile der Charakteristiken der beiden Akkumulatortypen zu kombinieren, was sich in den im Folgenden diskutierten Verfahren zum Betreiben eines solchen Unterseebootes widerspiegelt. Alle diese Verfahren eint, dass ein bevorzugt vergleichsweise großer und günstiger Blei- Akkumulator in einem besonders schonender Weise betrieben werden kann, sodass dessen Kapazität und damit die Reichweite des Unterseebootes maximiert wird, wozu ein flexiblerer Lithium-Akkumulator oder Nickel-Akkumulator eingesetzt wird. Während bisher nur der vollständige Ersatz der Blei-Akkumulatoren durch Lithium-Akkumulatoren diskutiert wurde, kann durch die Verbindung dieser sehr unterschiedlichen Akkumulatorentypen tatsächlich ein Mehrwert in Form einer erhöhten Kapazität und damit in einer erhöhten Standzeit unter Wasser erzielt werden.
Hier und im Folgenden wird von einer ersten Energiespeichervorrichtung, einer zweiten Energiespeichervorrichtung und einem Bordnetz gesprochen. Unterseeboote sind jedoch üblicherweise redundant ausgelegt, sodass das Unterseeboot mindestens zwei getrennten Bordnetzsysteme aufweist, sodass selbst bei dem Ausfall eines Bordnetzsystems die Einsatzfähigkeit des Unterseebootes gegeben bleibt. Daher ist üblicherweise alles zumindest doppelt vorhanden. So gibt es in den meisten Fällen ein erstes Teilbordnetz und ein zweites Teilbordnetz. Das erste Teilbordnetz und das zweite Teilbordnetz können über eine Bordnetztrennung elektrisch verbindbar und elektrisch trennbar sein, sodass beim Ausfall eines Teilbordnetzes das andere Teilbordnetz noch zur Verfügung steht. Das erste Teilbordnetz ist erfindungsgemäß mit einer ersten ersten Energiespeichervorrichtung und einer ersten zweiten Energiespeichervorrichtung verbunden, das zweites Teilbordnetz ist entsprechend erfindungsgemäß mit einer zweiten ersten Energiespeichervorrichtung und einer zweiten zweiten Energiespeichervorrichtung verbunden. Für jedes dieser beiden (oder auch drei oder mehr) Teilbordnetze gelten dann alle folgenden Ausführungen jeweils getrennt. Natürlich wäre es auch möglich, ein Teilbordnetz erfindungsgemäß und ein zweites Teilbordnetz beispielsweise nach dem Stand der Technik auszuführen, beispielsweise um die neue Technologie einzuführen und den Vorteil zu nutzen und gleichzeitig ein bewährtes und bekanntes zweites Teilnetz zu haben, welches dem Betreiber des Unterseebootes eine absolute Gewissheit über die Einsatzfähigkeit des Unterseebootes verbindet. Zwei Teilbordnetze können bevorzugt trennbar miteinander verbunden sein. Hierbei gibt es zwei grundlegend unterschiedliche Möglichkeiten. Entweder sind die Teilbordnetzte im Regelbetrieb miteinander elektrisch verbunden oder diese sind im Regelbetrieb elektrisch voneinander getrennt. Im ersten Fall, in dem die Teilnetze im Normalfall elektrisch verbunden sind, werden nur im Fehlerfall die Teilbordnetze elektrisch getrennt. Für den zweiten Fall kann beispielsweise ein Verbinden erfolgen, wenn nur ein Landanschluss vorgesehen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Blei-Sekundärelemente der ersten Energiespeichervorrichtung zumindest teilweise in Reihe geschaltet. Die erste Energiespeichervorrichtung ist direkt mit dem Bordnetz verbunden. Unter direkt ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die erste Energiespeichervorrichtung ohne eine galvanische Trennung oder Spannungsumformung, wie beispielsweise einen Gleichspannungswandler, Transformator oder andere entsprechende Bauteile mit dem Bordnetz verbunden ist. Um die trennbare Verbindung herzustellen, ist vorzugsweise ein Lastschalter angeordnet, um die erste Energiespeichervorrichtung vom Bordnetz zu trennen. Anstelle eines (mechanischen) Schalters kann auch eine andere Trennung vorgesehen sein, sodass die Verbindung stromlos ist. Dieses ist für Unterseeboote mit einem reinen Blei-Akkumulator die übliche Verbindungsweise.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Energiespeichervorrichtung in Strängen angeordnet ist. Ein Strang ist jeweils alleine in der Lage, die für die Versorgung des Bordnetzes benötigte Spannung zur Verfügung zu stellen. Je nach Leistungsbedarf werden entsprechend viele Stränge mit dem Bordnetz verbunden. Somit ist durch die Anordnung in Strängen ein leistungsabhängiges Batteriemanagement möglich. Jeder Strang weist eine Mehrzahl an Lithium- Sekundärelementen oder Nickel-Sekundärelementen auf. Jeder Strang ist einzeln über einen Gleichspannungswandler trennbar und in seiner Leistungsabgabe regelbar mit dem Bordnetz verbunden. Durch den Gleichspannungswandler ist es möglich, das Spannungsniveau des Stranges gezielt anzupassen und an das durch das Bordnetz im aktuellen Fall vorgegebene Spannungsniveau anzupassen. Gleichzeitig wird dadurch eine galvanische Trennung erreicht. Da Lithium-Akkumulatoren oder Nickel- Sekundärelementen im Kurzschlussfall einen wesentlich höheren Strom liefern können als Blei-Akkumulatoren besteht ohne eine solche Trennung ein erhöhtes Risiko, falls im Bordnetz ein Kurzschluss auftritt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist jeder Strang ein Strang- Batteriemanagementsystem auf. Dadurch ist jeder Strang eine vollständig getrennte Einheit und der Ausfall eines Stranges hat keinen negativen Einfluss auf die weiteren Stränge. Gleichzeitig können alle Stränge jeweils optimal und individuell betrieben werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erste Energiespeichervorrichtung ein Batteriemonitoringsystem auf. Das Batteriemonitoringsystem kann beispielsweise und insbesondere Strom-, Spannungsund Temperatursensoren von der ersten Energiespeichervorrichtung enthalten, um beispielsweise die Abgabespannung, den Abgabestrom oder die Temperatur der ersten Energiespeichervorrichtung oder der einzelnen Blei-Akkumulatoren zu erfassen. Es kann aber auch weitere Sensoren umfassen, beispielsweise zur Erfassung des Kühlmittelflusses oder schädlicher Gase, insbesondere Wasserstoff, in der Umgebung der ersten Energiespeichervorrichtung. Im Gegensatz zu Lithium-Akkumulatoren ist für Blei-Akkumulatoren kein vollständiges Batteriemanagementsystem üblich und notwendig. Es ist jedoch vorteilhaft, beispielsweise die Temperatur zu erfassen und zu überwachen. Zum Beispiel hat die Temperatur einen unmittelbaren Einfluss auf Spannung und verfügbare Kapazität. Die zweite Energiespeichervorrichtung weist ein Batteriemanagementsystem auf. Weiter weist das Unterseeboot eine Steuereinheit auf, wobei die Steuereinheit mit dem Batteriemonitoringsystem und dem Batteriemanagementsystem verbunden ist. Die Steuereinheit ist dabei beispielsweise derart mit dem Batteriemonitoringsystem und dem Batteriemanagementsystem verbunden, dass es die jeweils erfassten Sensorwerte übermittelt bekommt und Sollwerte an das Batteriemanagementsystem übermitteln kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit die Trennung der Energiespeichervorrichtungen steuert. Alternativ kann beispielsweise das Batteriemanagementsystem anstelle der Sensorwerte auch die aus den Sensorwerten ermittelten Werte, insbesondere den Ladezustand übermitteln. Ist die zweite Energiespeichervorrichtung in Stränge aufgeteilt und weist jeder Strang ein Strang-Batteriemanagementsystem auf, so ist das Batteriemanagementsystem hierarchisch über den Strang-Batteriemanagementsystemen aufgebaut und kann mit jedem Strang-Batteriemanagementsystem verbunden sein, um die erfassten Sensorwerte und/oder die aus den Sensorwerten abgeleiteten Größen zu erhalten, zu verarbeiten und Sollwertvorgaben zu übermitteln.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Steuereinheit mit Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren verbunden ist, die Werte an verschiedenen Stellen im Bordnetz erfassen. Die Steuereinheit ist damit in der der Lage den Leistungsbedarf in einzelnen Teilnetzen oder an einzelnen Verbrauchern genauer zu erfassen und auszuwerten. Beispielsweise den Verbrauch des Fahrmotors oder den Verbrauch der Kleinverbraucher. Ebenso kann die Steuereinheit mit weiteren Sensoren, beispielsweise Raumüberwachungssystemen, wie Infrarotkameras, Rauch- oder Gasmeldern insbesondere zur Überwachung des Raumes oder der Räume, in denen die erste Energiespeichervorrichtung und die zweite Energiespeichervorrichtung angeordnet sind, verbunden sein. Hierdurch können insbesondere Fehlfunktionen leicht erkannt werden.
Die Steuereinheit kann ein Regelungsmodul umfassen, dass dazu ausgebildet ist, die erfassten Sensorwerte auszuwerten und entsprechend einer eigenen Logik Sollwertvorgaben zu erzeugen und auszugeben und insbesondere den Strom und/oder die Spannung der zweiten Energieeinheit zu regeln. Insbesondere kann das Regelmodul dazu ausgebildet sein, die im Folgenden dargestellten Verfahren auszuführen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit zur zeitaufgelösten Erfassung mittel entsprechender Strom- und Spannungssensoren der aus der ersten Energiespeichervorrichtung in das Bordnetz fließenden ersten Ströme ausgebildet. Ebenso ist die Steuereinheit zur zeitaufgelösten Erfassung mittels entsprechender Strom- und Spannungssensoren der aus der zweiten Energiespeichervorrichtung in das Bordnetz fließenden zweiten Ströme ausgebildet. Hierdurch kann nicht nur der aktuelle Stromfluss erfasst werden, sondern vielmehr kann insbesondere für die erste Energiespeichervorrichtung die noch zur Verfügung stehende Restkapazität aus diesen Daten ermittelt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Leistung der zweiten Energiespeichervorrichtung in der Größenordnung der Leistung des Generators. Wenn also der Generator eine Maximalleistung von 1 MW leistet, so hat auch die zweite Energiespeichervorrichtung eine Maximalleistung von 1 MW. Hierbei ist nicht nur die rein mathematische Identität im Sinne der Erfindung als gleich zu sehen, sondern vielmehr ist ausreichend, dass diese annähernd gleich groß sind, insbesondere in einem Bereich von ± 25 %. Also würde im vorgenannten Beispiel die Energiespeichervorrichtung eine Maximalleistung von 0,75 bis 1 ,25 MW aufweisen. Vorteil einer solchen Dimensionierung ist es, dass die zweite Energiespeichervorrichtung als ein Lithium-Akkumulator oder Nickel-Akkumulator sehr schnell geladen und entladen werden kann und auch Teilladungen technisch unproblematisch sind. Geht das Unterseeboot auch nur kurz an die Wasseroberfläche, so ist es dabei schnell möglich, das Maximum an Energie mit dem Generator zu erzeugen und in der zweiten Energiespeichervorrichtung zu speichern. Somit kann die gesamte Leistung des Generators genutzt werden, um die zweite Energiespeichervorrichtung zu laden und somit in kürzester Zeit möglichst viel Energie bereitzustellen. Ist eine der beiden Komponenten auf eine kleinere Leistung ausgelegt, so würde diese die andere Komponente ausbremsen. Diese Energie steht dann nach dem Abtauchen wieder zur Verfügung. Mit einem Blei-Akkumulator wäre dieses nicht oder nur mit Einschränkung bei dessen Kapazität möglich. Auch bei einer parallelen Aufladung gibt es im Ladezyklus eines Blei-Akkumulators Zeiten, in denen der Ladestrom kleiner wird und die dadurch freiwerdende Leistungsfähigkeit des Generators dann parallel zum Aufladen des Lithium-Akkumulators oder des Nickel-Akkumulators genutzt werden kann. Auch hier ist es vorteilhaft, wenn dann die restliche Leistung in den Lithium- Akkumulator geleitet werden kann. Damit kann die Zeit zum Aufladen beider Energiespeichervorrichtungen minimiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung 2- bis 10-mal größer als die Kapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung. Bevorzugt ist die Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung 3- bis 6-mal größer als die Kapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung. Blei-Akkumulatoren lassen sich leicht und zuverlässig vergleichsweise groß erstellen und einsetzen. Bereits durch einen vergleichsweise kleinen Lithium-Akkumulator, welcher beispielsweise nur 20 % der Gesamtkapazität ausmacht, lässt sich jedoch schon ein deutlicher Mehrwert generieren und die Gesamtstandzeit unter Wasser verlängern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterseeboot keine außenluftunabhängige Energieerzeugungsvorrichtung auf. Hierdurch ist eine einfachere und kompaktere Bauweise möglich. Selbst kleine Unterseeboote können so vergleichsweise einfach eine gesteigerte Performance aufweisen.
Im Folgenden werden nun Verfahren zum Betreiben eines solchen erfindungsgemäßen Unterseebootes beschrieben, welche sich durch die erfindungsgemäße Kombination eines Blei-Akkumulators und eines Lithium-Akkumulators erstmals ermöglichen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung und einer zweiten Energiespeichervorrichtung im Hochlastbetrieb. Hochlastbetrieb ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die Systeme des Unterseebootes über das Bordnetz mehr als 50 % der maximal möglichen Leistung der ersten Energiespeichervorrichtung verbrauchen. Dieses kann beispielsweise dadurch geschehen, dass bei einer Transitfahrt mit hoher Geschwindigkeit eine hohe Leistung für den Fahrmotor benötigt wird. Der Fahrmotor benötigt dazu beispielsweise seine maximale Versorgungsleistung. In dieser Konstellation speisen die erste Energiespeichervorrichtung einen ersten Strom und gleichzeitig die zweite Energiespeichervorrichtung einen zweiten Strom in das Bordnetz ein. Die erste Energiespeichervorrichtung weist Blei-Sekundärelemente auf, die zweite Energiespeichervorrichtung weist Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel- Sekundärelement auf. Die abgegebene Spannung von der zweiten Energiespeichervorrichtung wird über den Gleichspannungswandler auf das entladungsbedingte Spannungsniveau der ersten Energiespeichervorrichtung geregelt. Da die erste Energiespeichervorrichtung ein direkt mit dem Bordnetz verbundener Blei- Akkumulator ist, wird die Spannung des Bordnetzes durch die Spannung des Blei- Akkumulators in Abhängigkeit von dessen Ladezustand bestimmt. Durch den Gleichspannungswandler kann die Ausgangsspannung der zweiten Energiespeichervorrichtung, des Lithium-Akkumulators, an diese Spannung angepasst werden, sodass Energie sowohl von der ersten Energiespeichervorrichtung als auch der zweiten Energiespeichervorrichtung gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden kann. Der Effekt ist, dass der Entladestrom des Blei-Akkumulators reduziert wird. Hierdurch erhöht sich die aus der ersten Energiespeichervorrichtung insgesamt entnehmbare Energie und damit die Reichweite des Unterseeboots. Somit unterstützt der Lithium-Akkumulator den Blei-Akkumulator immer, wenn besonders hohe Stromflüsse den Blei-Akkumulator eigentlich besonders stark belasten und damit die nutzbare Energie stärker erniedrigen würde, als der genutzten Leistungsentnahme entspricht. Somit kann in Summe mehr elektrische Energie aus der bevorzugt deutlich größeren ersten Energiespeichervorrichtung genutzt werden, was letztendlich die Reichweite erhöht.
In einerweiteren Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Strom im Verhältnis zum ersten Strom so geregelt, dass das Verhältnis dem Verhältnis zwischen der Restladung der zweiten Energiespeichervorrichtung zur Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung entspricht. Oder anders gesagt, bei konstanter Entladungen würde damit die Energie beider Energiespeichervorrichtungen gleichzeitig auf null laufen. Dadurch wird der Effekt der Erniedrigung des ersten Stromes und damit der Maximierung der aus der ersten Energiespeichervorrichtung nutzbaren Energie maximiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung aus dem bereits geflossenen ersten Strömen seit der letzten vollständigen Aufladung abgeschätzt. Besonders bevorzugt wird hierzu auch die Temperatur der ersten Energiespeichervorrichtung berücksichtigt. Dieses ist für Blei- Akkumulatoren die präziseste Art der Bestimmung der noch zur Verfügung stehenden Kapazität.
In einerweiteren Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Strom im Verhältnis zum ersten Strom so geregelt, dass der zweite Strom auf null geregelt wird, wenn der erste Strom einen ersten Grenzstrom unterschreitet. Beispielsweise und bevorzugt wird der Grenzstrom auf 50 % des maximalen ersten Stromes (bei der Maximalleistung der ersten Energiespeichervorrichtung) festgelegt. Alternativ kann der Grenzstrom beispielsweise auf 30 % des maximalen ersten Stromes (bei der Maximalleistung der ersten Energiespeichervorrichtung) festgelegt werden. Hierdurch wird die zweite Energiespeichervorrichtung nur genutzt, wenn auch tatsächlich ein hoher erster Strom fließt und damit der Effekt zur Erhöhung der nutzbaren Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung am Größten ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird für die Regelung des zweiten Stromes im Verhältnis zum ersten Strom ein Kennfeld verwendet, wobei das Kennfeld eine Fläche im Raum aus der Leistung der ersten Energiespeichervorrichtung, der Leistung der zweiten Energiespeichervorrichtung und der Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung ist. Durch dieses bevorzugt real erfasste Kennfeld werden alle Eigenschaften der ersten Energiespeichervorrichtung und der zweiten Energiespeichervorrichtung berücksichtigt. Bevorzugt wird das Kennfeld im Verlauf der Lebensdauer des Unterseebootes aktualisiert, um das Kennfeld an die durch die Benutzung geänderten Charakteristika, insbesondere sinkende maximale Kapazität oder ähnliche Degradationseffekte, der ersten Energiespeichervorrichtung und der zweiten Energiespeichervorrichtung anpassen zu können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine über die Stärke des ersten Stromes nicht lineare Anpassung des zweiten Stromes. Beispielsweise wird der zweite Strom im Verhältnis zum ersten Strom so geregelt, dass das Verhältnis dem Verhältnis zwischen der Restladung der zweiten Energiespeichervorrichtung zur Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung entspricht, wenn der erste Strom wenigstens 80 % des maximalen ersten Stromes beträgt. Liegt der erste Strom zwischen 80 und 50 % des maximalen ersten Stromes, so wird beispielsweise der zweite Strom im Verhältnis zum ersten Strom so geregelt, dass das Verhältnis dem Verhältnis zwischen der Restladung der zweiten Energiespeichervorrichtung zur Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung entspricht, jedoch dividiert durch 2. Liegt der erste Strom unter 50 % des maximalen ersten Stromes, so wird beispielsweise der zweite Strom auf null gesetzt. Hierdurch wird die elektrische Energie aus dem zweiten Energiespeicher vor allem dann abgerufen, wenn diese den höheren Effekt auf die Erhöhung der effektiv nutzbaren Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung hat.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung und einer zweiten Energiespeichervorrichtung im Niedriglastbetrieb. Niedriglastbetrieb ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die Systeme des Unterseebootes über das Bordnetz weniger als 50 % der maximal möglichen Leistung der ersten Energiespeichervorrichtung verbrauchen. Die erste Energiespeichervorrichtung weist Blei-Sekundärelemente auf, die zweite Energiespeichervorrichtung weist Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel- Sekundärelement auf. Zunächst übernimmt die zweite Energiespeichervorrichtung vollständig die Einspeisung in das Bordnetz, während der erste Strom null ist. Dieses kann beispielsweise und bevorzugt dadurch erfolgen, dass die Spannung durch die zweite Energiespeichervorrichtung höher als die Batteriespannung der ersten Energiespeichervorrichtung gewählt wird, wodurch nur die zweite Energiespeichervorrichtung einspeist. Die erste Energiespeichervorrichtung übernimmt die Einspeisung in das Bordnetz erst nachdem die zweite Energiespeichervorrichtung entladen ist. Dadurch wird die Kapazität des Blei-Akkumulators, der schwerer zu laden ist, geschont und zunächst die Energie aus dem Lithium-Akkumulator verwendet, der eben besonders einfach wieder aufgeladen werden kann. Dadurch können schnelle kurze Lade- und Entlade-Zyklen über den Lithium-Akkumulator abgefangen werden und auf diese Weise der Blei-Akkumulator geschont werden.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die zweite Energiespeichervorrichtung nur soweit entladen wird, dass eine Mindestenergiemenge in der zweiten Energiespeichervorrichtung erhalten bleibt. Die Mindestenergiemenge kann dabei beispielsweise zwischen 5 % und 25 % der Maximalkapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung gewählt werden oder so gewählt werden, dass das Unterseeboot mit der Mindestenergiemenge zumindest einen Auftauchvorgang durchführen kann. Diese Ausführung ist insofern besonders vorteilhaft, da damit in der zweiten Energiespeichervorrichtung immer ausreichend Energie vorhanden ist, um das Überleben des Unterseeboots abzusichern, auch wenn die erste Energievorrichtung unvorhergesehen ausfällt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung lädt während eines Auftauchens der Generator den zweiten Energiespeicher wieder auf. Anschließend übernimmt der zweite Energiespeicher nach dem Abtauchen wieder die Einspeisung in das Bordnetz. Hierdurch ist es möglich, auch vergleichsweise kleine Energiemengen während des Auftauchens zu erzeugen und zu speichern, was alleine mit einem Blei-Akkumulator aufgrund des hohen Anforderung an Lade- und Entlade-Zyklen zur Erhaltung der optimalen Kapazität nicht möglich ist. Hierdurch können die beiden Technologien, der leicht größenskalierbare Blei-Akkumulator und der sehr dynamisch verwendbare Lithium- Akkumulator, in gewinnbringender Weise kombiniert werden.
In einerweiteren Ausführungsform der Erfindung durchläuft während eines Entladezyklus der ersten Energiespeichervorrichtung die zweite Energiespeichervorrichtung eine Mehrzahl an Lade-Entladezyklen. Diese müssen hierbei nicht vollständig sein. Vielmehr können diese, da es sich bei der zweiten Energiespeichervorrichtung um einen Lithium- Akkumulator handelt, auch nur Teillade-Zyklen sein. Jeweils nach einem Ladezyklus der zweiten Energiespeichervorrichtung übernimmt zunächst die zweite Energiespeichervorrichtung vollständig die Einspeisung in das Bordnetz. Entsprechend ist dann der erste Strom null. Somit wird immer die zweite Energiespeichervorrichtung erst wieder entladen und so die verbleibende Restkapazität der ersten Energiespeichervorrichtung maximal gehalten.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Ladeverfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung und einer zweiten Energiespeichervorrichtung im parallelen Ladebetrieb. Unter einem parallelen Ladebetrieb ist ein gleichzeitiges Laden zu verstehen, wobei das Laden auch für eine der beiden Energiespeichervorrichtungen fortgesetzt werden kann, wenn die andere bereits vollständig geladen ist oder das Laden für eine der beiden Energiespeichervorrichtungen vor dem Ladebeginn der anderen Energiespeichervorrichtungen begonnen werden kann. Die erste Energiespeichervorrichtung weist Blei-Sekundärelemente auf, die zweite Energiespeichervorrichtung weist Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel- Sekundärelement auf. Das Ladeverfahren weist für die erste Energiespeichervorrichtung eine erste Ladestufe und eine zweite Ladestufe auf. In der ersten Ladestufe wird mit einem konstanten Ladestrom oder einer konstanten Ladeleistung die erste Energiespeichervorrichtung geladen. Hierbei ist konstant nicht im streng physikalischen Sinne zu verstehen. Durch weitere Verbraucher, die an Bord des Unterseebootes verwendet werden, auch während eines Ladevorgangs, kann es zu Schwankungen kommen. Je geringer diese Schwankungen ausfallen, um so besser ist dieses jedoch für die Erhöhung der später maximal wieder entnehmbaren Energiemenge. Durch die zunehmende Aufladung steigt die Spannung im Verlauf mit zunehmenden Ladezustand an, bis eine Grenzspannung erreicht ist, bei der die erste Ladestufe beendet ist. Die Grenzspannung liegt üblicherweise im Bereich der Soll-Spannung und ergibt sich aus den chemischen Eigenschaften der ersten Energiespeichervorrichtung und ist von der Temperatur abhängig. Die an die erste Ladestufe anschließende zweite Ladestufe wird bei einer konstanten Spannung durchgeführt. Dadurch sinkt der Ladestrom dann mit zunehmender Ladung des Blei-Akkumulators kontinuierlich ab. Dieses ist üblich für Blei- Akkumulatoren. Während der zweiten Ladestufe wird die zweite Energiespeichervorrichtung parallel zur ersten Energiespeichervorrichtung geladen. Hierzu kann beispielsweise der Ladestrom zu ersten Energiespeichervorrichtung gemessen werden und die zweite Energiespeichervorrichtung so geregelt werden, dass der erste Ladestrom zur ersten Energiespeichervorrichtung und der zweite Ladestrom zu zweiten Energiespeichervorrichtung der Leistungsfähigkeit des Generators entsprechen Hierdurch wird der Effekt genutzt, dass der Ladestrom für den Blei-Akkumulator absinkt und die überschüssige Leistung des Generators dann zur Aufladung des Lithium- Akkumulators verwendet werden kann. Da es bei einem Lithium-Akkumulator nicht diese Restriktionen beim Lade-Vorgang gibt, um die maximale Kapazität zu erreichen, wie dieses beim Blei-Akkumulator der Fall ist, kann so die Ladezeit optimal genutzt werden. Gleichzeitig wird der Generator damit in der zweiten Ladestufe nicht in einem ungünstigen Betriebspunkt betrieben, was sonst bei sehr niedrigen Strömen der Fall sein kann. Damit wird der Betriebsstoffvorrat des Generators effizienter genutzt. Folglich kann die Gesamtreichweite des Unterseebootes gesteigert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung in der zweiten Ladestufe der ersten Energiespeichervorrichtung fortgesetzt, nachdem die erste Energiespeichervorrichtung vollständig geladen wurde, wenn die zweite Energiespeichervorrichtung zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig geladen ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Energiespeichervorrichtung vom Bordnetz getrennt wird, wenn der Ladestrom zum Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung so groß ist wie der Abgabeladestrom des Generators. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Laden der ersten Energiespeichervorrichtung in der zweiten Ladestufe fortgesetzt, nachdem die zweite Energiespeichervorrichtung vollständig geladen wurde. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zweite Energiespeichervorrichtung vom Bordnetz getrennt wird, wenn der Ladestrom zum Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung null oder kleiner 1 % des Abgabeladestroms des Generators ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Laden der ersten Energiespeichervorrichtung in der zweiten Ladestufe dadurch fortgesetzt, dass die Spannung des Gleichspannungswandlers knapp unterhalb der Grenzspannung gehalten wird. Durch den Gleichspannungswandler ist es möglich, das Spannungsniveau des Lithium-Akkumulators gezielt anzupassen. Liegt beispielsweise die Grenzspannung bei 2,4 V pro Zelle bei 375 in Reihe geschalteten Zellen, also zum Beispiel bei 900 V, so kann die Spannung des Gleichspannungswandlers für die zweite Energiespeichervorrichtung knapp darunter, beispielsweise auf 882 V gelegt werden. Wird nun ein entladener erster Energiespeicher geladen, so prägt dieser eine deutlich unter 882 V liegende Spannung auf das Bordnetz auf. Die Folge ist, dass praktisch die gesamte elektrische Leistung des Generators zur konstanten Ladung des Blei- Akkumulators verwendet wird (Schwankungen im Bordnetz durch weitere Verbraucher vernachlässigt). Ist die Spannung der ersten Energiespeichervorrichtung durch den steigenden Ladezustand auf 882 V angestiegen, so wird die zweite Energiespeichervorrichtung gleichzeitig geladen, wobei der Anteil des ersten Stroms zum Laden der ersten Energiespeichervorrichtung zunächst höher ist als der zweite Strom zum Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung. Mit der zeit aber verschiebt sich das Verhältnis. Ist die zweite Energiespeichervorrichtung vollständig geladen, wird diese durch das Batteriemanagementsystem (auch als Schutz gegen Überladung) vom Bordnetz getrennt. Somit wird nur noch die erste Energiespeichervorrichtung geladen, wodurch die Spannung weiter steigt und die Grenzspannung von 900 V erreicht, wodurch dann eine Leistungsregulierung des Generators erfolgt, um die Spannung konstant zu halten. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass diese leicht in ein bestehendes System integriert werden kann und die Steuerung sehr leicht und einfach durch das für einen Lithium-Akkumulator notwendige Batteriemanagementsystem erfolgt. Nachteil ist, dass es nach dem Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung zu einem kurzen Spannungssprung (im oben genannten Beispiel von 882 V auf 900 V) kommt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Laden der ersten Energiespeichervorrichtung in der zweiten Ladestufe dadurch fortgesetzt, dass das Batteriemanagementsystem der Steuereinheit ein Signal gibt, sobald die zweite Energiespeichervorrichtung vollständig geladen ist, wobei die Steuereinheit die Spannung des Generators erst nach Erhalt des Signals regelt. Durch diese aktive Rückkopplung wird ein Spannungssprung wie im vorgenannten Fall verhindert. Dafür wird das System insgesamt komplexer.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung und einer zweiten Energiespeichervorrichtung: Die erste Energiespeichervorrichtung weist Blei- Sekundärelemente auf, die zweite Energiespeichervorrichtung weist Lithium- Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement auf. Erfindungsgemäß speisen die erste Energiespeichervorrichtung einen ersten Strom und gleichzeitig die zweite Energiespeichervorrichtung einen zweiten Strom in das Bordnetz ein. Die Spannung des von der zweiten Energiespeichervorrichtung abgegebenen zweiten Stromes wird über den Gleichspannungswandler in Abhängigkeit der Abgabeleistung der ersten Energiespeichervorrichtung geregelt. Insbesondere ist es möglich, die zweite Energiespeichervorrichtung vom Bordnetz zu trennen, wenn Abgabeleistung der ersten Energiespeichervorrichtung gering ist. Ebenso ist es möglich, den zweiten Strom nicht linear zum ersten Strom zu regeln, sondern einen nichtlinearen Zusammenhang zu verwenden. Der nichtlineare Zusammenhang kann stufenförmig sein und beispielsweise für geringe Abgabeleistungen der ersten Energiespeichervorrichtung auf null, gesetzt werden, bei mittleren Abgabeleistungen der ersten Energiespeichervorrichtung mit einem Skalierungsfaktor von 1 und bei hohen Abgabeleistungen der ersten Energiespeichervorrichtung mit einem Skalierungsfaktor von 2 versehen werden. Ebenso kann der nichtlineare Zusammenhang ein Polynom, insbesondere zweiter Ordnung, oder exponentiell sein. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Ladeverfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung und einer zweiten Energiespeichervorrichtung im parallelen Ladebetrieb. Die erste Energiespeichervorrichtung weist Blei-Sekundärelemente auf, die zweite Energiespeichervorrichtung weist Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel- Sekundärelement auf. Das Ladeverfahren für die erste Energiespeichervorrichtung weist eine erste Ladestufe und eine zweite Ladestufe auf. In der ersten Ladestufe wird mit einem konstanten Ladestrom der ersten Energiespeichervorrichtung geladen. Durch den steigenden Ladezustand steigt die Spannung im Verlauf mit zunehmenden Ladezustand an, bis eine Grenzspannung erreicht ist, bei der die erste Ladestufe beendet ist. Die zweite Ladestufe wird bei einer konstanten Spannung durchgeführt. Dieses Verfahren ist üblich für Blei-Akkumulatoren. Während der ersten Ladestufe wird auch die zweite Energiespeichervorrichtung parallel geladen. Dadurch wird ein Teil des vom Generator erzeugten Ladestromes in die zweite Ladevorrichtung abgezogen, sodass der Ladestrom, welcher in die erste Energiespeichervorrichtung fließt, reduziert. Je geringer der Ladestrom ist, um so größer ist die absolut erzielbare Kapazität des Blei- Akkumulators in der ersten Ladestufe. Somit kann durch dieses Verfahren die gesamte zur Verfügung stehende Kapazität erhöht werden und damit die Ladezeit minimiert werden. Daraus resultiert, dass die Standzeit und/oder Reichweite unter Wasser gesteigert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Strom zum Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung im Verhältnis zum ersten Strom zum Laden der ersten Energiespeichervorrichtung so gewählt, dass das Verhältnis der noch verbleibenden Restladekapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung im Verhältnis zur noch verbleibenden Restladekapazität der ersten Energiespeichervorrichtung ist. Hierdurch kann der Effekt maximiert werden, da der konstante Strom über die gesamte Ladezeit der ersten Ladestufe konstant erniedrigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Ladeverfahren für die erste Energiespeichervorrichtung zusätzlich eine dritte Ladestufe auf. Die dritte Ladestufe wird bei einem konstanten ersten Strom durchgeführt. Die elektrische Energie für die dritte Ladestufe wird durch die zweite Energiespeichervorrichtung bereitgestellt. Die hier fließenden Ströme sind extrem gering, sodass die Benutzung des Generators extrem unwirtschaftlich wäre. Vielmehr kann beispielsweise anschließend die zweite Energiespeichervorrichtung durch einen kurzen Betreib des Generators erneut vollständig geladen werden.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Unterseeboot anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 erste Ausführungsform des Unterseebootes
Fig. 2 zweite Ausführungsform des Unterseebootes
Fig. 3 dritte Ausführungsform des Unterseebootes
Fig. 4 vierte Ausführungsform des Unterseebootes
Fig. 5 fünfte Ausführungsform des Unterseebootes
Fig. 6 erste Ausführungsform des Verfahren
Fig. 7 zweite Ausführungsform des Verfahren
Fig. 8 dritte Ausführungsform des Verfahren
Fig. 9 vierte Ausführungsform des Verfahren
In Fig. 1 ist ein erstes Bordnetz 30 eines erfindungsgemäßen Unterseeboots dargestellt. Das Bordnetz 30 kann über einen Generator 40 mit Energie versorgt werden. Dieses erfolgt beispielsweise bei Überwasserfahrt mit Hilfe eines Dieselantriebs. Um auch getaucht Energie in das Bordnetz 30 einspeisen zu können, weist das Unterseeboot eine erste Energiespeichervorrichtung 10 und eine zweite Energiespeichervorrichtung 20 auf. Die erste Energiespeichervorrichtung 10 besteht aus beispielsweise 375 in Reihe geschalteten Blei-Sekundärelementen und liefert somit im voll aufgeladenen Zustand eine Spannung von beispielsweise 900 v. Die erste Energiespeichervorrichtung 10 kann beispielsweise über den Generator 40 bei Überwasserfahrt geladen werden und bei Unterwasserfahrt Energie über das Bordnetz 30 an einen Verbraucher 50, beispielsweise den Fahrmotor, abgeben. Solche Unterseeboote sind seit Jahrzehnten bekannt. Erfindungswesentlich tritt nun eine zweite Energiespeichervorrichtung 20 hinzu. Die beispielhaft dargestellte zweite Energiespeichervorrichtung 20 weist vier Stränge 22 auf. Jeder Strang ist über einen Gleichspannungswandler 24 mit dem Bordnetz 30 verbunden. Hierdurch ist eine gezielte Ansteuerung möglich. Des Weiteren wird durch eine galvanische Trennung im Gleichspannungswandler 24 das Risiko bei einem Kurzschluss im Bordnetz 30 oder einem Verbraucher 50 reduziert, da der maximal fließende Strom begrenzt werden kann. Jeder Strang 22 weist ein Strang-Batteriemanagementsystem 26 auf, welches zum Beispiel den Ladezustand überwacht, aber auch beispielsweise mittels Sensoren den Gesundheitszustand der Lithium-Sekundärelemente überwacht. Die vier Strang-Batteriemanagementsysteme 26 werden hierarchisch von einem Übergeordneten Batteriemanagementsystem 28 geregelt, welches zum Beispiel die Lastverteilung auf die verschiedenen Stränge 22 übernimmt und beispielsweise regelt, wann welcher Strang 22 auf welche Weise mit dem Bordnetz 30 verbunden oder von diesem getrennt ist.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform durch eine zusätzliche Steuereinheit 60 unterscheidet. Weiter weist die erste Energiespeichervorrichtung 10 ein Batteriemonitoringsystem 12 auf. Die Steuereinheit 60 ist mit dem Batteriemonitoringsystem 12 und dem Batteriemanagementsystem 28 verbunden.
Beispielsweise kann die Steuereinheit 60 zur Erfassung des aus der ersten Energiespeichervorrichtung 10 fließenden ersten Strom und dem aus der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 fließenden zweiten Strom ausgebildet sein und aus der damit vom Bordnetz 30 geforderten Last mit Hilfe eines Kennfeldes den Soll-Beitrag der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 ermitteln und diesen an das Batteriemanagementsystem 28 übermitteln. Bevorzugt wird auch jeweils die Spannung erfasst und so die real geflossenen Energien ermittelt. Das Batteriemanagementsystem 28 kann dieses dann insbesondere durch Regelung der Gleichspannungswandler 24 umsetzen. Als weitere Regelgrößen können hierbei beispielsweise Temperaturen eingehen. Temperaturen haben auch einen Einfluss auf die zur Verfügung stehende Kapazität einer Batterie, sodass neben der tatsächlich bereits geflossenen Ladung auch die Temperatur eine Rolle spielt. Zusätzlich können das Alter oder andere Informationen über den Gesundheitszustand der Batterien Einfluss nehmen. Dieses dient jeweils dazu, die tatsächlich noch aus den Energiespeichervorrichtungen entnehmbare Restkapazität möglichst gut abzuschätzen. Die in Fig. 3 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform durch eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Batteriemonitoringsystem 12 und dem Generator 40. Diese Regelungsmöglichkeit kann zum Laden der ersten Energiespeichervorrichtung 10 verwendet werden. Beispielsweise wird über diese Verbindung der Generator 40 nach dem Erreichen der Grenzspannung, beispielsweise von 900 V, geregelt, um die Spannung konstant zu halten und die Energieerzeugung an die Lastaufnahme anzupassen. In dieser Ausführungsform kann beispielsweise das Batteriemanagementsystem 28 die Gleichspannungswandler 24 auf eine Spannung knapp unterhalb der Grenzspannung, beispielsweise 882 V legen. Bei niedrigen Ladezustand der ersten Energiespeichervorrichtung 10 liegt die Spannung der ersten Energiespeichervorrichtung 10 deutlich niedriger. Im Ergebnis fließt ein erster Ladestrom in die erste Energiespeichervorrichtung 10 und kein Strom in die zweite Energiespeichervorrichtung 20. Dieses entspricht der ersten Ladestufe, es erfolgt ein Laden des Blei-Akkumulators mit einem konstanten Strom. Mit Erreichen eines Ladezustands der ersten Energiespeichervorrichtung 10, welcher einer Spannung von 882 V entspricht, fließt nun auch ein zweiter Ladestrom parallel zum ersten Ladestrom in die zweite Energiespeichervorrichtung 20. Dieses entspricht der zweiten Ladestufe, dem Laden bei konstanter Spannung. Ist die zweite Energiespeichervorrichtung 20 vollständig geladen, trennt das Batteriemanagementsystem 28 die Stränge 22 vom Bordnetz (Überladeschutz). Dadurch steigt die Spannung bis auf die Grenzspannung von beispielsweise 900 V an und der Generator40 wird durch die Verbindung mit dem Batteriemonitoringsystem 12 nun auf konstant 900 V gehalten und die zweite Ladestufe alleine mit der ersten Energiespeichervorrichtung 10 fortgesetzt.
Die in Fig. 4 gezeigte vierte Ausführungsform weist einen zusätzlichen Regelschalter 70 auf, welcher mit dem Batteriemonitoringsystem 12 und dem Batteriemanagementsystem 28 verbunden ist. Der Regelschalter 70 übernimmt die Aufgabe der Regelung des Generators 40 derart, dass der Generator erst auf eine konstante Spannung geregelt wird, wenn die zweite Energiespeichervorrichtung 20 vollständig geladen ist. Dadurch kann die Ladung der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 bei den beispielsweise 900 V erfolgen, sodass es nach dem Trennen der zweiten Energiespeichervorrichtung20 vom Bordnetz 30 nicht zu einem Spannungsanstieg kommt, sondern die weite Ladestufe weiter bei konstanter Spannung durchgeführt werden kann. Die in Fig. 5 gezeigte fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform dadurch, dass keine direkte Verbindung zwischen der Steuereinheit 60 und dem Batteriemonitoringsystem 12 besteht, sondern, dass die die Steuereinheit 60 eine Verbindung zum Generator 40 hat. Auch hier erfolgt ein paralleles Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 in der zweiten Ladestufe, wobei diese bei der Grenzspannung geladen wird. Eine Stabilisierung der Netzspannung im Bordnetz 30 erfolgt in diesem Fall über den Generator 40.
In Fig. 6 bis Fig. 9 sind nun verschiedene Verwendungen der ersten Energiespeichervorrichtung 10 und der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 gezeigt, die gestrichelte Linie bezieht sich jeweils auf die erste Energiespeichervorrichtung 10 (Blei-Akkumulator) und die durchgezogene Linie jeweils auf die zweite Energiespeichervorrichtung 20 (Lithium-Akkumulator). Für alle gezeigten Fälle wurde rein beispielhaft angenommen, dass die Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung 10 fünfmal größer ist als die Kapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung 20.
Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform des Verfahrens. Dieses wäre ein optimaler Betrieb des Unterseebootes im Niedriglastbetrieb, beispielsweise einer getauchten Überwachung an einem Ort. In regelmäßigen Abständen taucht das Unterseeboot auf, beispielsweise um Daten zu senden und zu empfangen. In dieser Zeit kann mit dem Generator 40 die zweite Energiespeichervorrichtung 20 jeweils wieder teilweise geladen werden, erkennbar an den sprunghaften Anstiegen der unteren durchgezogenen Linie. Im getauchten Zustand wird jeweils zunächst die Energie nur aus der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 in das Bordnetz 30 eingespeist (durchgezogene Linie sinkt ab, gestrichelte Linie bleibt konstant). Erst wenn die zweite Energiespeichervorrichtung 20 leer ist, speist die erste Energiespeichervorrichtung 10 Energie in das Bordnetz 30 ein (gestrichelte Linie sinkt ab, durchgezogene Linie bleibt konstant auf 0). Dieses jeweilige anteilige kurze aufladen ist für die erste Energiespeichervorrichtung 10 unvorteilhaft (diese kann nicht wie bei einem Auto nach drei oder vier Jahren mal schnell ausgetauscht werden). Daher ermöglicht die zusätzliche Verwendung einer zweiten Energiespeichervorrichtung mit Lithium-Akkumulatoren die Nutzung auch dieser kurzfristigen Energieerzeugung und verlängert so massiv die Standzeit unter Wasser.
Fig. 7 zeigt alternativ eine zweite Ausführungsform im Hochlastbetreib, beispielsweise bei einer getauchten Transitfahrt. Um die Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung 10 optimal nutzen zu können sind möglichst geringe erste Ströme wünschenswert. Daher wird hier (unter der oben genannten Annahme des Kapazitätsverhältnisses von 5:1 ) der zweite Strom (durchgezogene Linie), welcher aus der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 entnommen wird, immer auf 20 % des ersten Stromes (gestrichelte Linie), welcher aus der ersten Energiespeichervorrichtung 10 entnommen wird, gesetzt. In der Summe wird somit immer 1/6 der Energie aus der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 und 5/6 der Energie aus der ersten Energiespeichervorrichtung 10 entnommen, was dazu führt, dass die erste Energiespeichervorrichtung 10 und die zweite Energiespeichervorrichtung 20 zum gleichen Zeitpunkt die Kapazität 0 erreichen.
Während die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform des Verfahrens sich mit dem Entladen befassen, beziehen sich die dritte Ausführungsform und die vierte Ausführungsform auf das Laden.
Bei der in Fig. 8 gezeigten dritten Ausführungsform erfolgt ein paralleles Laden in der ersten Ladestufe. Dadurch wird der konstante erste Strom (gestrichelte Linie), welcher in die erste Energiespeichervorrichtung 10 fließt etwas erniedrigt, wodurch insgesamt die Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung 10 gesteigert werden kann. Daher ist in der ersten Ladestufe ein ebenfalls konstanter geringerer Ladestrom (durchgezogene Linie) zum Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 erkennbar, der mit Beginn der zweiten Ladestufe (Konstante Spannung) auf null zurückgeht.
Ist hingegen ein schnelles Aufladen der beiden Energiespeichervorrichtungen gewünscht, so kann gemäß der in Fig. 9 gezeigten vierten Ausführungsform das Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung 20 in der zweiten Ladestufe erfolgen. In der ersten Ladestufe wird nur die erste Energiespeichervorrichtung 10 geladen (hoher Strom, gestrichelte Linie). Mit dem Erreichen der Grenzspannung und damit dem Beginn der zweiten Ladestufe wird die zweite Energiespeichervorrichtung 20 geladen, wozu die vom Generator 40 erzeugbare, aber von der ersten Energiespeichervorrichtung 10 nicht mehr benötigte Leistung verwendet wird, wodurch die zweite Energiespeichervorrichtung 20 ohne zusätzlichen Zeitaufwand parallel geladen wird.
Bezugszeichen
10 erste Energiespeichervorrichtung
12 Batteriemonitoringsystem
20 zweite Energiespeichervorrichtung 22 Strang
24 Gleichspannungswandler
26 Strang-Batteriemanagementsystem
28 Batteriemanagementsystem
30 Bordnetz 40 Generator
50 Verbraucher
60 Steuereinheit
70 Regelschalter

Claims

Patentansprüche
1. Unterseeboot mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10), einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20), einem Bordnetz (30) und einem Generator (40), wobei der Generator (40), die erste Energiespeichervorrichtung (10) und die zweite Energiespeichervorrichtung trennbar mit dem Bordnetz (30) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass (20) die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei-Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel- Sekundärelement aufweist.
2. Unterseeboot nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blei- Sekundärelemente der ersten Energiespeichervorrichtung (10) in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Energiespeichervorrichtung (10) direkt mit dem Bordnetz (30) verbunden ist.
3. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiespeichervorrichtung (20) in Strängen angeordnet ist, wobei jeder Strang (22) eine Mehrzahl an Lithium- Sekundärelementen aufweist, wobei jeder Strang (22) einzeln über einen Gleichspannungswandler (24) trennbar und regelbar mit dem Bordnetz (30) verbunden ist.
4. Unterseeboot nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang (22) ein Strang-Batteriemanagementsystem (26) aufweist.
5. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichervorrichtung (10) ein Batteriemonitoringsystem (12) aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) ein Batteriemanagementsystem (28) aufweist, wobei das Unterseeboot eine Steuereinheit (60) aufweist, wobei die Steuereinheit (60) mit dem Batteriemonitoringsystem (12) und dem Batteriemanagementsystem (28) verbunden ist. Unterseeboot nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (60) zur zeitaufgelösten Erfassung der aus der ersten Energiespeichervorrichtung (10) in das Bordnetz (30) fließenden ersten Ströme ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (60) zur zeitaufgelösten Erfassung der aus der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) in das Bordnetz (30) fließenden zweiten Ströme ausgebildet ist. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) ± 20 % gleich der Leistung des Generators (40) ist. Unterseeboot nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der ersten Energiespeichervorrichtung (10) 2- bis 10-mal größer ist als die Kapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung (20). Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10) und einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei-Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement aufweist, wobei die erste Energiespeichervorrichtung (10) einen ersten Strom und gleichzeitig die zweite Energiespeichervorrichtung (20) einen zweiten Strom in das Bordnetz (30) einspeisen, wobei die Spannung des von der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) abgegebenes zweiten Stromes über den Gleichspannungswandler (24) auf das landungsbedingte Spannungsniveau der ersten Energiespeichervorrichtung (10) geregelt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom im Verhältnis zum ersten Strom so geregelt wird, dass das Verhältnis dem Verhältnis zwischen der Restladung der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) zur Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung (10) entspricht. 11 .Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung (10) aus dem bereits geflossenen ersten Strömen seit der letzten vollständigen Aufladung abgeschätzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom im Verhältnis zum ersten Strom so geregelt wird, dass der zweite Strom auf null geregelt wird, wenn der erste Strom einen ersten Grenzstrom unterschreitet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung des zweiten Stroms im Verhältnis zum ersten Strom ein Kennfeld verwendet wird, wobei das Kennfeld eine Fläche im Raum aus der Leistung der ersten Energiespeichervorrichtung (10), der Leistung der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) und der Restladung der ersten Energiespeichervorrichtung (10) ist.
14. Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10) und einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20) im Niedriglastbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei-Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement aufweist, wobei zunächst die zweite Energiespeichervorrichtung (20) vollständig die Einspeisung in das Bordnetz (30) übernimmt, der erste Strom null ist, wobei die erste Energiespeichervorrichtung (10) die Einspeisung in das Bordnetz (30) übernimmt, nachdem die zweite Energiespeichervorrichtung (20) entladen ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Auftauchens der Generator (40) den zweiten Energiespeicher wieder auflädt, wobei der zweite Energiespeicher nach dem Abtauchen wieder die Einspeisung in das Bordnetz (30) übernimmt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Entladezyklus der ersten Energiespeichervorrichtung (10) die zweite Energiespeichervorrichtung (20) eine Mehrzahl an Lade-Entladezyklen durchläuft, wobei jeweils nach einem Ladezyklus der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) zunächst die zweite Energiespeichervorrichtung (20) vollständig die Einspeisung in das Bordnetz (30) übernimmt, der erste Strom null ist. Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10) und einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei-Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement aufweist, wobei die erste Energiespeichervorrichtung (10) einen ersten Strom und gleichzeitig die zweite Energiespeichervorrichtung (20) einen zweiten Strom in das Bordnetz (30) einspeisen, wobei die Spannung des von der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) abgegebenen zweiten Stromes über den Gleichspannungswandler (24) in Abhängigkeit der Abgabeleistung der ersten Energiespeichervorrichtung (10) geregelt wird. Ladeverfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10) und einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20) im parallelen Ladebetrieb, wobei das Ladeverfahren für die erste Energiespeichervorrichtung (10) eine erste Ladestufe und eine zweite Ladestufe aufweist, wobei in der ersten Ladestufe mit einem konstanten Ladestrom oder Ladeleistung die erste Energiespeichervorrichtung (10) geladen wird, wobei die Spannung im Verlauf mit zunehmenden Ladezustand ansteigt, bis eine Grenzspannung erreicht ist, bei der die erste Ladestufe beendet ist, wobei die zweite Ladestufe bei einer konstanten Spannung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei- Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement aufweist, wobei während der zweiten Ladestufe die zweite Energiespeichervorrichtung (20) parallel zur ersten Energiespeichervorrichtung (10) geladen wird. 19. Ladeverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden der ersten Energiespeichervorrichtung (10) in der zweiten Ladestufe fortgesetzt wird, nachdem die zweite Energiespeichervorrichtung (20) vollständig geladen wurde.
20. Ladeverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden der ersten Energiespeichervorrichtung (10) in der zweiten Ladestufe dadurch fortgesetzt wird, dass die Spannung des Gleichspannungswandlers (24) knapp unterhalb der Grenzspannung gehalten wird.
21 . Ladeverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Laden der ersten Energiespeichervorrichtung (10) in der zweiten Ladestufe dadurch fortgesetzt wird, dass das Batteriemanagementsystem (28) der Steuereinheit (60) ein Signal gibt, sobald die zweite Energiespeichervorrichtung (20) vollständig geladen ist, wobei die Steuereinheit (60) die Spannung des Generators (40) erst nach Erhalt des Signals regelt.
22. Ladeverfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer ersten Energiespeichervorrichtung (10) und einer zweiten Energiespeichervorrichtung (20) im parallelen Ladebetrieb, wobei das Ladeverfahren für die erste Energiespeichervorrichtung (10) eine erste Ladestufe und eine zweite Ladestufe aufweist, wobei in der ersten Ladestufe mit einem konstanten Ladestrom die erste Energiespeichervorrichtung (10) geladen wird, wobei die Spannung im Verlauf mit zunehmenden Ladezustand ansteigt, bis eine Grenzspannung erreicht ist, bei der die erste Ladestufe beendet ist, wobei die zweite Ladestufe bei einer konstanten Spannung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichervorrichtung (10) Blei-Sekundärelemente aufweist, wobei die zweite Energiespeichervorrichtung (20) Lithium-Sekundärelemente oder ein Nickel-Sekundärelement aufweist, wobei während der ersten Ladestufe auch die zweite Energiespeichervorrichtung (20) parallel geladen wird.
23. Ladeverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strom zum Laden der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) im Verhältnis zum ersten Strom zum Laden der ersten Energiespeichervorrichtung (10) so gewählt wird, dass das Verhältnis der noch verbleibenden Restladekapazität der zweiten Energiespeichervorrichtung (20) im Verhältnis zur noch verbleibenden Restladekapazität der ersten Energiespeichervorrichtung (10) ist. Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladeverfahren für die erste Energiespeichervorrichtung (10) eine dritte
Ladestufe aufweist, wobei die dritte Ladestufe bei einem konstanten ersten Strom durchgeführt wird, wobei die elektrische Energie für die dritte Ladestufe durch die zweite Energiespeichervorrichtung (20) bereit gestellt wird.
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