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Die Erfindung bezieht sich auf eine kostenoptimierte Antriebseinheit eines Unterwasserfahrzeugs insbesondere mit einem Gleichstrommotor als Antriebsmotor.
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Unterwasserfahrzeuge wie z.B. U-Boote weisen typischerweise ein Gleichspannungsnetz auf, das mittels Dieselgeneratorsätzen und bei neueren U-Booten auch mittels einer Brennstoffzelle aufgeladener Batterien versorgt wird. Bekannte Antriebseinheiten weisen zur Einstellung der Drehzahl der Antriebsmotoren entweder einen Gleichspannungswandler auf, der den gesamten erforderlichen Spannungsbereich abdeckt oder es werden eine Vielzahl von (beispielsweise 5) Fahrstufen gebildet, die durch Zuschalten von Batterien unterschiedliche Spannungsniveaus erhalten, so dass der Gleichspannungswandler nur noch einen geringeren Spannungsbereich abdecken braucht. Eine Feineinstellung der Antriebsmotordrehzahl kann auch mittels Feldschwächung erfolgen. Beide Lösungen sind jedoch aufgrund des aufwendigen Spannungswandlers bzw. die große Anzahl von Leistungsschaltern sehr teuer.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für die Antriebseinheit eines Unterwasserfahrzeugs zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen Antriebseinheit eines Unterwasserfahrzeugs mit einem ersten Antriebsmotor. Der erste Antriebsmotor kann eine Antriebswelle antreiben, an der ein Propeller angeordnet ist. Mittels des Propellers kann sich das Unterwasserfahrzeug im und unter Wasser fortbewegen. Ferner weist das Unterwasserfahrzeug eine erste Spannungsquelle und eine zweite Spannungsquelle auf, die jeweils Energie zum Betrieb der Antriebseinheit bereitstellen. Die erste und die zweite Spannungsquelle sind beispielsweise eine, insbesondere gleichartige, (wiederaufladbare) Batterie oder ein beliebiger anderer geeigneter Energiespeicher. Die erste und die zweite Spannungsquelle können in neueren Unterwasserfahrzeugen mittels einer Brennstoffzelle geladen werden. Alternativ zu der Brennstoffzelle können aber auch Diesel- oder Atomgeneratoren verwendet werden.
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Ein erster Spannungswandler transformiert die bereitgestellte Energie auf eine Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors. Als Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors wird die Spannung bezeichnet, die benötigt wird, um den Antriebsmotor mit der gewünschten Drehzahl anzutreiben.
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Mittels einer Schalteranordnung kann zwischen einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus der Antriebseinheit umgeschaltet werden. Die Schalteranordnung weist bevorzugt einen oder eine Mehrzahl von elektrischen Schaltern wie z.B. Transistoren auf, kann aber prinzipiell auch mechanische Schalter umfassen. Der Betriebsmodus wird auch als Fahrstufe bezeichnet. In dem ersten Betriebsmodus sind die erste und die zweite Spannungsquelle parallel geschaltet. In diesem Fall versorgt die erste Spannungsquelle den ersten Antriebsmotor mit Energie und der erste Antriebsmotor weist die Abwesenheit einer Energieversorgung durch die zweite Spannungsquelle auf. In anderen Worten fällt maximal die Spannung der ersten Spannungsquelle an dem ersten Antriebsmotor ab.
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In dem zweiten Betriebsmodus sind die erste und die zweite Spannungsquelle in Reihe geschaltet, so dass die erste und die zweite Spannungsquelle gemeinsam den ersten Antriebsmotor mit Energie versorgen. D.h., es fällt maximal die Summe der Spannung der ersten Spannungsquelle und der zweiten Spannungsquelle an dem ersten Antriebsmotor ab. Der erste Spannungswandler schaltet in dem zweiten Betriebsmodus jedoch nur eine Spannung, die geringer ist als die Summe der Einzelspannungen der ersten und der zweiten Spannungsquelle, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors zu transformieren. D.h., an dem ersten Antriebsmotor fällt in dem zweiten Betriebsmodus durchgehend eine Spannung ab, es ist nicht möglich, den Antriebsmotor in dem zweiten Betriebsmodus mittels des Spannungswandlers spannungsfrei zu schalten.
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Idee ist es, die Anzahl der Fahrstufen des Unterwasserfahrzeugs auf zwei zu reduzieren. Die benötigten unterschiedlichen Spannungsniveaus werden dabei jedoch nicht durch zu- oder abschalten von Spannungsquellen realisiert, sondern durch das Umschalten zwischen Parallel- und Reihenschaltung von zwei Spannungsquellen. Innerhalb der Fahrstufen wird die Spannung zur Drehzahlregelung des Antriebsmotors mittels eines Spannungswandlers, insbesondere eines Gleichspannungswandlers (DC/DC-Wandler) eingestellt. Durch die geschickte Anordnung des Spannungswandlers ist es nunmehr möglich, dass dieser immer nur die Spannung einer Spannungsquelle zu schalten braucht, auch wenn beide Spannungsquellen in Reihe geschaltet sind. Dadurch kann die Nennleistung des Gleichspannungswandlers auf die Hälfte der Nennleistung des Antriebsmotors reduziert werden und es können Halbleiter gewählt werden, die eine geringere Sperrfestigkeit und damit geringere Schalt- und Durchlassverluste aufweisen. Im Vergleich zu konventionellen U-Bootsfahranlagen kann durch die Reduktion auf zwei Betriebsmodi in etwa die Hälfte der konventionellen Leistungsschalter eingespart werden. Die Auslegungsspannung und damit die Auslegungsleistung der Gleichspannungswandler, kann im Vergleich zu einer fahrstufenlosen Anordnung halbiert werden. Somit wird es ermöglicht, die Antriebseinheit kostengünstiger zu realisieren.
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In Ausführungsbeispielen ist die Antriebseinheit redundant und somit im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut. Das heißt, die Antriebseinheit weist einen zweiten Antriebsmotor auf, wobei die erste Spannungsquelle und die zweite Spannungsquelle ebenfalls jeweils Energie zum Betrieb des zweiten Antriebsmotors bereitzustellen. Ein zweiter Spannungswandler ist ausgebildet, die bereitgestellte Energie auf eine Betriebsspannung des zweiten Antriebsmotors zu transformieren, wobei in dem ersten Betriebsmodus die zweite Spannungsquelle den zweiten Antriebsmotor mit Energie versorgt und wobei in dem zweiten Betriebsmodus die erste und die zweite Spannungsquelle gemeinsam den ersten und den zweiten Antriebsmotor mit Energie versorgen. In dem zweiten Betriebsmodus schaltet der zweite Spannungswandler eine Spannung, die geringer ist als die Summe der Einzelspannungen der ersten und der zweiten Spannungsquelle, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des zweiten Antriebsmotors zu transformieren. Ferner sei angemerkt, dass zwar die Spannungsquellen zwischen Parallel- und Reihenschaltung umgeschaltet werden können, die Antriebsmotoren sind jedoch in beiden Betriebsmodi parallel geschaltet.
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Der erste und der zweite Antriebsmotor treiben bevorzugt gemeinsam die Welle des Propellers an. Alternativ kann der zweite Antriebsmotor aber auch eine eigene Welle mit einem daran angeordneten Propeller antreiben. In beiden Fällen ist ein Betrieb notfalls mit nur einem Antriebsmotor möglich.
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In Ausführungsbeispielen führt der erste (und wenn vorhanden der zweite) Spannungswandler eine Pulsdauermodulation (auch als Pulsweitenmodulation PWM bezeichnet) aus, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des ersten (bzw. zweiten) Antriebsmotors zu transformieren. Mittels der Pulsdauermodulation kann die Leistung, die an den Antriebsmotoren abfällt, eingestellt werden. Die Spannungswandler schalten hierbei zwischen einem hohen und einem niedrigen Spannungsniveau, das an den Antriebsmotoren abfällt, um. Das niedrige Spannungsniveau kann einen unteren Drehzahlbereich, beispielsweise bis 50% der maximalen Drehzahl, umfassen. Diese Einstellung kann als erste Fahrstufe bezeichnet werden. Das hohe Spannungsniveau kann einen oberen Drehzahlbereich, beispielsweise zwischen 50% und 100% der maximalen Drehzahl, umfassen. Diese Einstellung kann als zweite Fahrstufe bezeichnet werden. Wird eine minimale Überlast bzw. Überdimensionierung zugelassen, können beide Fahrstufen in ihrem Drehzahlbereich auch leicht überlappen. Somit kann mittels des Spannungswandlers die Leistung, die an dem Antriebsmotor abfällt, und somit die Drehzahl des Antriebsmotors stufenlos über die Wahl der Pulsdauer eingestellt werden. Durch Umschalten zwischen dem hohen und dem niedrigen Spannungsniveau, d.h. der ersten und der zweiten Fahrstufe, wird der Drehzahlbereich eingestellt, in dem der Antriebsmotor stufenlos betrieben wird.
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In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Schalteranordnung ausgebildet, einen Kontakt des ersten (und wenn vorhanden des zweiten) Spannungswandlers in dem zweiten Betriebsmodus zwischen die erste und die zweite Spannungsquelle zu schalten. Dies ermöglicht es, dass die Spannungswandler nicht die Summe der Einzelspannungen der beiden Spannungsquellen schalten müssen, sondern nur einen Bruchteil hiervon. In dem typischen Fall, dass beide Spannungsquellen die gleiche Ausgangsspannung aufweisen, d.h. gleich dimensioniert sind, heißt das, dass die Spannungswandler in dem ersten und in dem zweiten Betriebsmodus jeweils die gleiche Spannung, nämlich die Spannung einer Spannungsquelle, schalten. Die Spannungsfestigkeit der elektrischen Bauteile (Halbleiter) kann deshalb auf die Spannung einer Spannungsquelle ausgelegt werden und brauchen nicht auf die Spannung beider Spannungsquellen dimensioniert sein. Um dies zu realisieren ist es vorteilhaft, die Spannungswandler galvanisch nicht trennend auszuführen. Dann kann der Spannungswandler als Dreipol realisiert sein, so dass ein Pol des Spannungswandlers zwischen die beiden Spannungsquellen geschaltet werden kann.
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Ferner kann in dem zweiten Betriebsmodus der erste Spannungswandler die Spannung der zweiten Spannungsquelle schalten, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors zu transformieren und der zweite Spannungswandler kann die Spannung der ersten Spannungsquelle schalten, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des zweiten Antriebsmotors zu transformieren. Alternativ kann in dem zweiten Betriebsmodus auch der erste Spannungswandler die Spannung der ersten Spannungsquelle schalten, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors zu transformieren und der zweite Spannungswandler die Spannung der zweiten Spannungsquelle schaltet, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des zweiten Antriebsmotors zu transformieren. Dies ermöglicht es, die Spannungsquellen gleichmäßig zu entladen, so dass die Spannungsquellen auch in einem nicht vollständig geladenen Zustand nahezu die gleiche Ausgangsspannung und somit auch Ausgangsleistung bereitstellen. Dies wäre nicht gewahrt, wenn beispielsweise die der erste Spannungswandler und der zweite Spannungswandler jeweils die erste Spannungsquelle schalten, um die beiden Antriebsmotoren mit der entsprechenden Betriebsspannung zu speisen.
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In Ausführungsbeispielen weist die Antriebseinheit in einem regulären Betrieb die Abwesenheit weiterer Betriebsmodi auf. Zwar kann ein Notbetrieb vorgesehen sein, wenn beispielsweise eine der beiden Batterien oder einer der Spannungswandler ausfällt, im regulären Betrieb wird die Anzahl der Fahrstufen auf zwei beschränkt. Dies ermöglicht es die Nennleistung des (Gleich-) Spannungswandlers auf die Hälfte der Nennleistung des Antriebsmotors zu reduzieren, Halbleiter zu wählen, die eine geringere Sperrfestigkeit und damit geringere Schalt- und Durchlassverluste aufweisen und die Anzahl der elektronischen Bauelemente an sich zu begrenzen um die Antriebseinheit kostengünstig zu realisieren.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen den Spannungswandler als Dreipol. Hier ist ein erster Kontakt des ersten Spannungswandlers mit dem ersten Antriebsmotor verbunden und ein zweiter Kontakt des ersten Spannungswandlers ist mit der ersten Spannungsquelle verbunden. Ein dritter Kontakt des ersten Spannungswandlers ist mit einem Spannungsniveau verbunden, das sich von dem Spannungsniveau des zweiten Kontakts (und des ersten Kontakts) unterscheidet, insbesondere wobei das Spannungsniveau des dritten Kontakts niedriger ist als das Spannungsniveau des zweiten Kontakts (z.B. Masse). Analog kann ein erster Kontakt des zweiten Spannungswandlers mit dem zweiten Antriebsmotor verbunden sein, wobei ein zweiter Kontakt des zweiten Spannungswandlers mit der zweiten Spannungsquelle verbunden ist und wobei ein dritter Kontakt des zweiten Spannungswandlers mit einem Spannungsniveau verbunden ist, das sich von dem Spannungsniveau des zweiten Kontakts unterscheidet, insbesondere wobei das Spannungsniveau des dritten Kontakts höher ist als das Spannungsniveau des zweiten Kontakts (z.B. positive Betriebsspannung des eingestellten Betriebsmodus). Die Spannungswandler können somit den ersten Kontakt wechselweise mit dem dritten Kontakt verbinden und von diesem trennen, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors zu transformieren.
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Analog ist ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit eines Unterwasserfahrzeugs mit folgenden Schritten gezeigt: Bereitstellen von Energie zum Betrieb der Antriebseinheit mittels einer ersten Spannungsquelle und einer zweiten Spannungsquelle; Transformieren der bereitgestellten Energie auf eine Betriebsspannung eines ersten Antriebsmotors mittels eines ersten Spannungswandlers; Umschalten von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus der Antriebseinheit, wobei in dem ersten Betriebsmodus die erste und die zweite Spannungsquelle parallel geschaltet sind, so dass die erste Spannungsquelle den erste Antriebsmotor mit Energie versorgt und der erste Antriebsmotor die Abwesenheit einer Energieversorgung durch die zweite Spannungsquelle aufweist, wobei in dem zweiten Betriebsmodus die erste und die zweite Spannungsquelle in Reihe geschaltet sind, so dass die erste und die zweite Spannungsquelle gemeinsam den ersten Antriebsmotor mit Energie versorgen, wobei der erste Spannungswandler in dem zweiten Betriebsmodus eine Spannung schaltet, die geringer ist als die Summe der Einzelspannungen der ersten und der zweiten Spannungsquelle, um die bereitgestellte Energie auf die Betriebsspannung des ersten Antriebsmotors zu transformieren.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: einen schematischen Schaltplan der Antriebseinheit in einem Ausführungsbeispiel, wobei 1a einen ersten Betriebsmodus und 1 b einen zweiten Betriebsmodus zeigt;
- 2: ein schematisches Liniendiagramm der Spannung U bzw. des Stroms I an einem Antriebsmotor der Antriebseinheit über der Zeit t, wobei das Liniendiagramm einen Anfahrvorgang darstellt;
- 3: einen schematischen Schaltplan einer Vielzahl von parallelen Spannungswandlern, wobei 3a eine Variante mit einem gemeinsamen induktiven Energiespeicher und 3b eine Variante mit separaten induktiven Energiespeichern zeigt.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt einen schematischen Schaltplan einer Antriebseinheit 20. 1a zeigt die Antriebseinheit in einer ersten Fahrstufe bzw. einem ersten Betriebsmodus und 1b zeigt die Antriebseinheit in einer zweiten Fahrstufe bzw. einem zweiten Betriebsmodus. Die Antriebseinheit 20 weist einen ersten Antriebsmotor 22 und optional einen zweiten Antriebsmotor 22` auf. Eine erste Spannungsquelle 24 und eine zweite Spannungsquelle 24` stellen Energie zum Betrieb der Antriebseinheit 20 bereit. Zählpfeile 25, 25` geben die Ausgangsspannung der Spannungsquellen 24, 24' an. Weitere aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher bezeichnete Zählpfeile geben die Spannungen zwischen verschiedenen Punkten der Antriebseinheit an. Die Ausgangsspannung der einzelnen Spannungsquellen 24, 24' ist mit U bezeichnet, die doppelte Ausgangsspannung demnach mit 2U. Spannungsverluste an elektronischen Bauteilen wie z.B. der typische ca. 0,7 Volt Spannungsabfall in Durchlassrichtung über einer Diode werden hierbei vernachlässigt. Die Spannungsquellen 24 und 24` werden von (jeweils) von einem Generator 26, 26', z.B. einer Brennstoffzelle, einem Dieselgenerator oder einem Atomgenerator, geladen. Neben der Versorgung der Antriebseinheit 20 mit Energie, können die Spannungsquellen 24, 24' ferner ein Bordnetz 27 des Unterwasserfahrzeugs mit Energie versorgen. An das Bordnetz des Unterwasserfahrzeugs können elektrische Verbraucher des Unterwasserfahrzeugs angeschlossen sein, die nicht dem Antrieb des Unterwasserfahrzeugs dienen.
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Die Antriebseinheit 20 kann in zwei Betriebsmodi betrieben werden, einem ersten Betriebsmodus mit niedriger Betriebsspannung um die Antriebsmotoren 22, 22' zu speisen und einem zweiten Betriebsmodus um die Antriebsmotoren 22, 22' mit einer höheren Betriebsspannung zu speisen. Die Betriebsmodi werden z.B. zum Anfahren des Unterwasserfahrzeugs aus dem Stillstand nacheinander durchlaufen oder der erste Betriebsmodus kann zur Schleichfahrt verwendet werden. Zum Umschalten zwischen beiden Betriebsmodi weist die Antriebseinheit eine Schalteranordnung 28 auf, die in dem Ausführungsbeispiel aus 1 vier Schalter 28a, 28b, 28c, 28d umfasst. In 1a sind die vier Schalter so geschaltet, dass der erste Betriebsmodus aktiv ist, in 1b sind die vier Schalter 28a, 28b, 28c, 28d so geschaltet, dass der zweite Betriebsmodus aktiv ist. In dem ersten Betriebsmodus sind die erste und die zweite Spannungsquelle 24, 24' parallel geschaltet und in dem zweiten Betriebsmodus in Reihe. So versorgt in dem ersten Betriebsmodus die erste Spannungsquelle 24 den erste Antriebsmotor 22 mit Energie und die zweite Spannungsquelle 24' versorgt den zweiten Antriebsmotor 22' mit Energie. In dem zweiten Betriebsmodus versorgen beide Spannungsquellen 24, 24' beide Antriebsmotoren 22, 22' gemeinsam mit Energie.
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Ferner weist die Antriebseinheit einen ersten Spannungswandler 30 und optional einen zweiten Spannungswandler 30' auf. Beide Spannungswandler 30, 30' sind identisch aufgebaut. Der erste Spannungswandler 30 ist jedoch zwischen erstem Antriebsmotor 22 und Masse angeordnet während der zweite Spannungswandler zwischen positiver Versorgungsspannung durch die Spannungsquellen 24 bzw. 24' und dem zweiten Antriebsmotor 22' angeordnet ist. Die Spannungswandler 30, 30' sind ausgebildet, in einem Ankerstellbereich des zugehörigen Antriebsmotors 22, 22' dessen Drehzahl durch Bereitstellen der dafür notwendigen Betriebsspannung einzustellen.
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Die Spannungswandler weisen jeweils einen (ersten) Schalter 32, 32', insbesondere einen Halbleiterschalter, z.B. einen Transistor auf. In 1a und 1b ist ein spezieller Transistor in Form eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) gezeigt. IGBTs benötigen eine parallel geschaltete Freilaufdiode 34, 34', damit etwaige anliegende Spannungen in Sperrrichtung des IGBTs diesen nicht beschädigen. Der Ausgang des Halbleiterschalters 32, 32' bildet einen dritten Kontakt des Spannungswandlers 30. Um den Stromverlauf durch den Antriebsmotor 22, 22' zu glätten, weist der Spannungswandler 30, 30' eine Spule 36, 36', auf. Die Spule 36, 36` bildet einen ersten Kontakt des Spannungswandlers 30, der mit dem Antriebsmotor 22, 22' verbunden ist. Damit bei geschlossenem Halbleiterschalter 32, 32` und in Sperrrichtung geschalteter Freilaufdiode 34, 34' ein geschlossener Stromkreis entsteht, weist der Spannungswandler 30, 30' ferner noch eine weitere Diode 38, 38' auf. Der Ausgang der weiteren Diode 38, 38' bildet einen zweiten Ausgang des Spannungswandlers 30, 30'. Die Ausführung des Spannungswandlers mit drei Kontakten, also als Dreipol ist dadurch möglich, dass dieser galvanisch nicht trennend ausgeführt ist. Ein weiterer Schalter 40, der zu der Diode 38, 38' parallel geschaltet ist, wird untenstehend näher beschrieben.
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Der zweite Ausgang des Spannungswandlers 30, 30' ist in dem ersten Betriebsmodus (s. 1a) nunmehr mit dem zugehörigen Antriebsmotor 22, 22' verbunden. Genauer gesagt, ist der zweite Ausgangs mit dem Kontakt des Antriebsmotors 22, 22' verbunden, der nicht mit dem ersten Kontakt des Spannungswandlers verbunden ist. In anderen Worten ist der Antriebsmotor 22, 22' zwischen den ersten und den zweiten Kontakt geschaltet. Die Spannungsquellen 24, 24' sind parallel geschaltet. Schaltet der Schalter 32, 32' nunmehr wechselweise zwischen Durchlass- und Sperrbetrieb, also zwischen offen und geschlossen, hin und her, entsteht der in 2 in der linken Hälfte des Spannungs-Strom (U/l) Diagramms über der Zeit (t) schematisch dargestellte Spannungsverlauf 42 und Stromverlauf 44. Durch Variation des Taktverhältnisses zwischen Durchlass- und Sperrbetrieb steigt mit der Dauer des Durchlassbetriebs die Dauer, in der die gesamte Ausgangsspannung U der zugehörigen Spannungsquelle 24, 24' an dem jeweiligen Antriebsmotor 22, 22` abfällt. Dadurch erhöht sich auch der Stromfluss durch den Antriebsmotor 22, 22'. Dies entspricht einer klassischen Pulsdauermodulation.
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Erreicht die Dauer des Durchlassbetriebs (nahezu) die Periodendauer 46, also der Zeiteinheit, in der die Taktung zwischen Durchlass- und Sperrbetrieb durchgeführt wird, kann die Antriebseinheit 20 mittels der zweiten Schalteranordnung 28 in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden (s. 1b).
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In dem zweiten Betriebsmodus sind die Spannungsquellen 24, 24' in Reihe geschaltet. Dadurch fällt über dem Antriebsmotor 22, 22` die doppelte Ausgangsspannung 2U der Spannungsquellen ab, wenn der Schalter 32, 32` offen ist. Ist der Schalter 32, 32` geschlossen, fällt jedoch immer noch die einfacher Ausgangsspannung U an dem Antriebsmotor 22, 22` ab, da der zweite Kontakt des Spannungswandlers 30, 30', also der Ausgang der Diode 38, zwischen den Spannungsquellen 24, 24` angeordnet ist. Über dem Schalter 32, 32` fällt demnach weiterhin maximal die einfache Ausgangsspannung U ab, so dass diese in beiden Betriebsmodi die gleiche Spannung (d.h. den gleichen Spannungswert) schaltet. Durch Taktung des Schalters 32, 32' wird auch in dem zweiten Betriebsmodus eine Pulsdauermodulation durchgeführt, die in dem Spannungsverlauf 42 und Stromverlauf 44 auf der rechten Seite des Diagramms in 2 resultiert. Der Spannungsverlauf 42 und der Stromverlauf 44 zeigen einen Anfahrvorgang des Unterwasserfahrzeugs aus dem Stillstand. Wird nicht in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet, kann das Unterwasserfahrzeug auch mit halber Kraft oder noch geringerer Kraft fahren, z.B. um eine geringere Geräuschemission abzugeben (sog. Schleichfahrt).
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In anderen Worten sind in dem zweiten Betriebsmodus sind die Spannungsquellen 24, 24' in Reihe geschaltet, so dass sich ein Spannungsabgriff mit dem halben Potential des sich aus der Reihenschaltung ergebenden Gesamtpotentials ergibt. Das eine halbe Potential (also das Potential der zweiten Spannungsquelle 24') versorgt den ersten Antriebsmotor 22 unmittelbar, d.h. ohne pulsweitenmodulierenden Eingriff des Spannungswandlers 30. Das andere halbe Potential (also das Potential der ersten Spannungsquelle 24) versorgt den ersten Antriebsmotor 22 über die pulsweitenmodulierte Spannung, so dass sich weiterhin eine Stellbarkeit der Ankerspannung des ersten Antriebsmotors 22 ergibt.
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Optional, um ein symmetrisches Entladen aller Spannungsquellen 24, 24' zu erreichen, wird der zweite Antriebsmotor 22` von dem halben Spannungspotential (dem Potential der ersten Spannungsquelle 24) unmittelbar versorgt, das bei dem ersten Antriebsmotor 22 den Tiefsetzsteller 30 versorgt. Das den ersten Antriebsmotor direkt versorgende Spannungspotential (das Potential der zweiten Spannungsquelle 24') versorgt den zweiten Antriebsmotor 22` über eine pulsweitenmodellierte Spannung.
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Somit ergibt sich über den gesamten Stellbereich eine 3-Level Topologie (die drei Spannungsebenen sind in 2 zu erkennen) mit dem Vorteil, Halbleiterschalter mit halbierter Sperrfähigkeit zu verwenden und damit die Schalt- und Durchlassverluste zu reduzieren.
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Die bisher beschriebene Funktion des Spannungswandlers 30, 30` entspricht der eines Einquadrantenstellers oder Tiefsetzstellers. Abgebildet in 1a und 1b ist jedoch ein Zweiquadrantensteller. Mittels des optionalen weiteren Schalters 40 kann der Spannungswandler 30, 30` auch eine Hochsetzfunktion erfüllen. Somit kann der Antriebsmotor 22, 22' aktiv abgebremst werden. Ferner kann durch Verwendung des antiparallelen (weiteren) Schalters 40, 40' in dem Freilaufzweig des Tiefsetzstellers 30, 30', im Bremsbetrieb die Energie der Antriebsmotoren in die Spannungsquellen 24, 24` zurückgespeist werden. Die Diode 38, 38` erfüllt dann die Funktion der Freilaufdiode für den weiteren Schalter 40, 40'. Die Funktionsweise des Hochsetzstellers ist dem Fachmann bekannt.
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3 zeigt in 3a und 3b zwei verschiedene Ausgestaltungen des Spannungswandlers 30, wenn dieser in parallel geschaltete Spannungswandlereinheiten 30a, 30b, 30c, auch als Zweige des Spannungswandlers 30 bezeichnet, aufgeteilt ist. Hieraus ergibt sich eine weitere Redundanz beim Ausfall einzelner Zweige. Weiterhin hat die Aufteilung in mehrere parallele Zweige den Vorteil, dass bei versetzter Taktung ein Strom mit einem geringeren Oberwellenanteil erzeugt wird. Das heißt, dass sich durch die versetzte Taktung der Einzelströme in den parallelen Zweigen die Oberwellen der Einzelströme teilweise auslöschen können oder zumindest nicht überlagern, d.h. der resultierende Gesamtstrom weist geringere Oberwellen auf als der Gesamtstrom bei paralleler Taktung. Alternativ kann auch eine Pulsdauermodulation mit verschiedenen Modulationen verwendet werden, so dass unterschiedliche Frequenzen in den Oberwellen entstehen. Dies hat für das akustische Verhalten der Antriebseinheit 20 Vorteile und kann zur Minimierung der Induktivität der Tiefsetzdrossel 36 genutzt werden. Bei Unterwasserfahrzeugen, insbesondere bemannten U-Booten, ist eine geringe Geräuschentwicklung essentiell um möglichst unerkannt operieren zu können.
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3a zeigt nun ein Ausführungsbeispiel mit einer gemeinsamen Spule (bzw. Induktivität) 36, die in Reihe zu den parallel geschalteten Spannungswandlereinheiten 30a, 30b, 30c geschaltet ist. Hier wird nur eine Spule benötigt und somit die Anzahl der Spulen reduziert, wodurch Platz und Kosten eingespart werden. 3b zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem pro Spannungswandlereinheit 30a, 30b, 30c jeweils eine Spule 36a, 36b, 36c angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerung mittels versetzter Taktung möglich. Die einzelnen Induktivitäten können geringer dimensioniert werden als in dem Ausführungsbeispiel aus 3a und es entstehen geringere Oberwellen.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Antriebseinheit
- 22
- Antriebsmotor
- 24
- Spannungsquelle
- 25
- Zählpfeile
- 26
- Generator
- 27
- Bordnetz
- 28
- Schalteranordnung
- 30
- Spannungswandler
- 32
- Schalter
- 34
- Freilaufdiode
- 36
- Spule
- 38
- Diode
- 40
- weiterer Schalter
- 42
- Spannungsverlauf an dem Antriebsmotor
- 44
- Stromverlauf durch den Antriebsmotor
- 46
- Periodendauer