RU2662802C1 - Battery powered complex of underwater vehicle - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely, to the ship electrical power systems of underwater vehicles. Battery-powered complex of the underwater vehicle contains lithium-ion batteries with a voltage of 110–440 V, a switchgear, voltage converter, lithium-ion batteries with a voltage of 27 V, monitoring system of the hardware-battery complex and a contactless charger, while the modularity of the design of BRC allows without introducing additional structural changes to the components of the complex to obtain the required characteristics of the network of consumers with the ability to duplicate power supplies, and the presence of a contactless charger provides the ability to charge batteries without accurately positioning the underwater vehicle, while a voltage converter with a wide input voltage range protects sensitive consumers from interference, and a lithium-ion battery has minimal mass-size characteristics.EFFECT: increased reliable protection of ship consumers against the impact of pulsed high-voltage switching surges, as well as increased reliability of various modes of operation of the hardware-battery complex, with the ability to reserve power supplies to consumers in the event of an emergency, is the technical result of the invention.1 cl, 1 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к судовым электроэнергетическим системам (ЭЭС), в частности к ЭЭС подводных аппаратов (батискафы и т.д) с электродвижением, обеспечивающим, помимо электроснабжения гребных двигателей, бесперебойное питание ответственных потребителей напряжением 27 В и питание сети силовых потребителей напряжением 110 В, 220 В либо 440 В постоянного тока.The invention relates to ship electric power systems (EES), in particular to the EES of underwater vehicles (bathyscaphe, etc.) with electric propulsion, which, in addition to providing electric power to the propeller engines, provides uninterrupted power to responsible consumers with a voltage of 27 V and power to a network of power consumers with a voltage of 110 V, 220 In either 440 V DC.

Известно множество судовых электроэнергетических систем. Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является электроэнергетическая система постоянного тока (Патент РФ №2221319 от 16.10.2001. Электроэнергетическая система постоянного тока, МПК8 H02J 1/00. Открытое акционерное общество Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева).Many ship electrical power systems are known. The closest analogue adopted as a prototype of the invention is a direct current electric power system (RF Patent No. 2221319 of 10.16.2001. Direct current electric power system, MPK8 H02J 1/00. Open Joint-Stock Company Energetic Rocket and Space Corporation named after C .P. Queen).

Недостатками подобных сетей, и этой в частности, являются:The disadvantages of such networks, and this in particular, are:

- незащищенность чувствительных потребителей от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений, зачастую возникающих в судовых сетях генерации и распределения электроэнергии постоянного тока;- insecurity of sensitive consumers from the effects of switching switching overvoltages that often occur in shipboard networks for the generation and distribution of direct current electricity;

- неуниверсальность систем, требующих существенных доработок и изменений в оборудовании для разных судов и различных напряжений питающих сетей;- non-universality of systems that require significant modifications and changes in equipment for different vessels and various voltage supply networks;

- при установке на подводные суда для подачи питания с внешнего источника через физические проводники энергии требуется доработка корпуса аппарата и точное позиционирование аппарата.- when installed on submarines, to supply power from an external source through physical energy conductors, it is necessary to refine the hull of the apparatus and the exact positioning of the apparatus.

Аппаратно-батарейный комплекс состоит из унифицированных элементов с целью обеспечения возможности использовать комбинации этих элементов для удовлетворения практически любых требований по энергетике подводных обитаемых или необитаемых аппаратов, не требуя при этом введения дополнительных типоисполнений элементов. Кроме того, при его использовании нет необходимости (но есть возможность) интеграции в бортовую систему управления техническими средствами заказа.The device-battery complex consists of unified elements in order to ensure the possibility of using combinations of these elements to satisfy almost any energy requirements for underwater inhabited or uninhabited vehicles, without requiring the introduction of additional types of elements. In addition, when using it, there is no need (but it is possible) to integrate into the on-board control system of the technical means of order.

Аппаратно батарейный комплекс (фиг. 1) состоит из следующих элементов:Hardware-battery complex (Fig. 1) consists of the following elements:

- высоковольтной литий-ионной батареи (1) емкостью 200 А⋅ч, с возможностью использования в качестве источника постоянного тока для сетей напряжением 110 В, 220 В или 440 В;- a high-voltage lithium-ion battery (1) with a capacity of 200 Ah, with the possibility of using it as a direct current source for networks with voltage of 110 V, 220 V or 440 V;

- распределительного устройства (2);- switchgear (2);

- преобразователя (3) входного напряжения 110 В-440 В в выходное 29 В в качестве основного источника постоянного тока для сетей напряжением 27 В и в качестве зарядного устройства для АБ 27 В;- a converter (3) of an input voltage of 110 V-440 V to an output of 29 V as the main DC source for 27 V networks and as a charger for a 27 V battery;

- низковольтной литий-ионной батареи (4) емкостью 400 А⋅ч, с возможностью использования в качестве резервного источника постоянного тока для сетей напряжением 27 В;- a low-voltage lithium-ion battery (4) with a capacity of 400 Ah, with the possibility of using it as a backup DC source for networks with a voltage of 27 V;

- бесконтактного зарядного устройства (5) (БЗУ), обеспечивающего бесконтактный заряд АБ от сети 380 В 50 Гц;- contactless charger (5) (BZU), providing contactless charge of the battery from the network 380 V 50 Hz;

- системы контроля (СК), предназначенной для обеспечения работоспособности АБК.- control system (SC), designed to ensure the performance of the ABA.

Высоковольтная литий-ионная батарея (1) состоит из аккумуляторных модулей (AM), соединенных по последовательно-параллельной схеме и, в зависимости от схемы соединения, (без дополнительных доработок) комбинации модулей могут составлять в итоге следующие типы батарей:The high-voltage lithium-ion battery (1) consists of accumulator modules (AM) connected in series-parallel circuit and, depending on the connection scheme, (without additional modifications) the combination of modules can result in the following types of batteries:

- напряжением 110 В постоянного тока емкостью 800 А⋅ч;- voltage 110 V DC with a capacity of 800 Ah;

- напряжением 220 В постоянного тока емкостью 400 А⋅ч;- voltage 220 V DC with a capacity of 400 Ah;

- напряжением 440 В постоянного тока емкостью 200 А⋅ч.- 440 V DC with a capacity of 200 Ah.

Каждый из AM имеет систему контроля, управления и балансировки, которая передает информацию в систему контроля АБК.Each of AM has a control, management and balancing system that transmits information to the ABK control system.

Низковольтная литий-ионная батарея (4) будет представлять собой один аккумуляторный модуль, состоящий из аккумуляторных ячеек и системы контроля, управления и балансировки с номинальным напряжением 27 В постоянного тока емкостью 400 А⋅ч.The low-voltage lithium-ion battery (4) will be a single battery module consisting of battery cells and a monitoring, control and balancing system with a nominal voltage of 27 V DC with a capacity of 400 Ah.

Преобразователь напряжения (3), предназначенный для питания потребителей сетей 27 В от основной АБ 110 В-440 В, а так же для заряда резервной АБ 27 В (4), имеет:The voltage converter (3), designed to power consumers of 27 V networks from the main battery 110 V-440 V, as well as to charge the backup battery 27 V (4), has:

- один вход с диапазоном изменения входного напряжения от 90 В до 504 В постоянного тока (для подключения основной АБ 440 В в исполнениях с номинальным напряжением 110 В, 220 В, 440 В);- one input with a range of input voltage variation from 90 V to 504 V DC (for connecting the main battery 440 V in versions with a nominal voltage of 110 V, 220 V, 440 V);

- два гальванически развязанных выхода (работающих одновременно) стабилизированного напряжения 29 В постоянного тока.- two galvanically isolated outputs (operating simultaneously) of a stabilized voltage of 29 V DC.

Бесконтактное зарядное устройство (5) предназначено для обеспечения заряда основной АБ 110 В-440 В и состоит из следующих элементов:The non-contact charger (5) is designed to provide charge for the main battery 110 V-440 V and consists of the following elements:

• на судне-носителе:• on a carrier ship:

- источник электроэнергии в составе ЭЭС;- a source of electricity in the EPS;

- автономный инвертор;- autonomous inverter;

- первичная часть высокочастотного трансформатора.- the primary part of the high-frequency transformer.

• на борту подводного аппарата:• on board an underwater vehicle:

- вторичная часть высокочастотного трансформатора;- the secondary part of the high-frequency transformer;

- выпрямитель;- rectifier;

- фильтр;- filter;

- зарядное устройство.- Charger.

Применение БЗУ (5) не требует при передаче электроэнергии точного позиционирования при передаче электроэнергии, исключает необходимость изоляции соединителя от агрессивной среды.The use of BZU (5) does not require accurate positioning during power transmission during power transmission, eliminates the need for isolation of the connector from an aggressive environment.

При установке АБК в автономных или обитаемых аппаратах любого назначения при использовании БЗУ (5) отпадает необходимость значительных изменений корпуса аппарата, что дает преимущество как при проектировании новых заказов, так и при модернизации существующих.When ABA is installed in autonomous or inhabited vehicles of any purpose when using the BZU (5), there is no need for significant changes in the apparatus body, which gives an advantage both in the design of new orders and in the modernization of existing ones.

Система контроля предназначена для обеспечения работоспособности АБК, надежности управления и защиты во всех режимах эксплуатации, с возможностью отображения текущей информации о степени заряженности каждой батареи, сигнала о неисправности каждого элемента АБК.The control system is designed to ensure the health of the battery, the reliability of control and protection in all operating modes, with the ability to display current information about the degree of charge of each battery, a signal about the failure of each element of the battery.

Аккумуляторная батарея (1) является основным источником питания силовой сети и подключается к распределительному устройству (2). При необходимости увеличения емкости источника питания путем введения дополнительных групп АБ либо введения резервных/дублирующих групп возможно параллельное подключение нескольких однотипных АБ (1).The battery (1) is the main power source of the power network and is connected to a switchgear (2). If it is necessary to increase the capacity of the power source by introducing additional battery groups or introducing backup / backup groups, several parallel batteries of the same type can be connected in parallel (1).

Питание на преобразователь напряжения (3), который является основным источником питания потребителей сети 27 В, подается с распределительного устройства (2). При необходимости защиты чувствительной аппаратуры от помех сети есть возможность одновременного использования двух гальванически развязанных выходов для разделения сетей питания исполнительных механизмов и чувствительной аппаратуры.Power is supplied to the voltage converter (3), which is the main source of power for consumers of the 27 V network, from the switchgear (2). If it is necessary to protect sensitive equipment from network interference, it is possible to simultaneously use two galvanically isolated outputs to separate the power supply networks of actuators and sensitive equipment.

Для аварийного питания потребителей сети 27 В в случае выхода из строя преобразователя напряжения (3) и для компенсации скачков мощности исполнительных механизмов при переходных процессах используются аккумуляторные батареи (4), подключенные в буфер с преобразователем (3) и находящиеся в режиме подзаряда. При необходимости увеличения емкости источника аварийного питания возможно параллельное подключение нескольких однотипных АБ (4).For emergency power supply to 27 V network consumers, in the event of a voltage converter failure (3) and to compensate for power surges in actuators during transients, rechargeable batteries (4) are used, which are connected to the buffer with the converter (3) and are in recharge mode. If it is necessary to increase the capacity of the emergency power source, several parallel batteries of the same type can be connected in parallel (4).

Для заряда аккумуляторных батарей (1) используется бесконтактное зарядное устройство (5), подключенное к распределительному устройству (2). Одна часть оборудования БЗУ располагается непосредственно на подводном аппарате, другая часть - на судне-носителе/базе аппарата, получая питания от штатной сети носителя.To charge the batteries (1), a contactless charger (5) is used, connected to the switchgear (2). One part of the BZU equipment is located directly on the underwater vehicle, the other part is on the carrier ship / base of the vehicle, receiving power from the standard carrier network.

Целью изобретения являются:The aim of the invention are:

- создание автоматизированного, комплексного источника электроснабжения для применения в независимых электроэнергетических системах;- creation of an automated, integrated source of power supply for use in independent electric power systems;

- обеспечение модульности комплекса, позволяющей создать из вышеуказанных элементов электроэнергетическую систему с широким диапазоном напряжения и энергоемкости;- ensuring the modularity of the complex, which allows you to create from the above elements an electric power system with a wide range of voltage and energy intensity;

- обеспечение питания сети потребителей с величинами напряжений, наиболее широко распространенными для электропитания судовых потребителей различного назначения;- providing power to the consumer network with voltage values that are most widespread for power supply to ship consumers for various purposes;

- надежная защита ответственных судовых потребителей от воздействия импульсных высоковольтных коммутационных перенапряжений, возникающих в судовых ЭЭС генерации и сетях распределения электроэнергии;- reliable protection of responsible ship consumers from the effects of high-voltage switching overvoltages arising in ship electric power generation and distribution networks;

- создание ЭЭС с возможностью резервирования источников питания потребителей на случай аварийной ситуации.- Creation of EPS with the ability to reserve consumers power sources in case of emergency.

В силу универсальности в возможности получения необходимых параметров напряжения и энергоемкости аппаратно-батарейный комплекс может быть использован практически в любых подводных аппаратах в соответствии с требуемыми параметрами питающих сетей, а также может широко применяться при модернизации существующих аппаратов, т.к. данная система не требует внесения значительных конструктивных изменений в корпус аппаратов, что сокращает время и стоимость работ по модернизации.Due to its versatility in the ability to obtain the necessary voltage and energy consumption parameters, the hardware-battery complex can be used in almost any underwater vehicle in accordance with the required parameters of the supply networks, and can also be widely used when upgrading existing vehicles, because This system does not require significant structural changes in the apparatus, which reduces the time and cost of modernization.

Claims (1)

Translated fromRussian

Аппаратно-батарейный комплекс подводного аппарата, включающий в себя высоковольтную аккумуляторную батарею и преобразователь, отличающийся тем, что модульность конструкции источников электроэнергии позволяет получать электроэнергетические системы постоянного тока с широким диапазоном напряжения и энергоемкости, а преобразователь напряжения с двумя гальванически развязанными выходами и низковольтная литий-ионная аккумуляторная батарея, подключенная в буфер, используются для защиты чувствительных потребителей сети от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений, при этом наличие системы контроля обеспечивает работоспособность, управление и защиту во всех режимах эксплуатации комплекса, кроме того, высоковольтная литий-ионная батарея, используемая в качестве основного источника тока, выполнена с возможностью подзаряда через распределительное устройство бесконтактным зарядным устройством, а низковольтная литий-ионная батарея может использоваться в качестве резервного или аварийного источника постоянного тока с возможностью подзаряда от преобразователя.The hardware-battery complex of the underwater vehicle, which includes a high-voltage battery and a converter, characterized in that the modularity of the design of electric power sources makes it possible to obtain direct current electric power systems with a wide range of voltage and energy intensity, and a voltage converter with two galvanically isolated outputs and a low-voltage lithium-ion buffered battery used to protect sensitive network consumers from exposure I pulse switching overvoltage, while the presence of a control system ensures operability, control and protection in all modes of operation of the complex, in addition, the high-voltage lithium-ion battery used as the main current source is made with the possibility of recharging through a switchgear with a contactless charger, and low-voltage lithium-ion battery can be used as a backup or emergency source of direct current with the possibility of recharging from the conversion Vatel.

Images