АППАРАТНО-БАТАРЕЙНЫЙ КОМПЛЕКС ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2018 года по МПК H01M10/44 H02J7/00 

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.

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).

Недостатками подобных сетей, и этой в частности, являются:

- незащищенность чувствительных потребителей от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений, зачастую возникающих в судовых сетях генерации и распределения электроэнергии постоянного тока;

- неуниверсальность систем, требующих существенных доработок и изменений в оборудовании для разных судов и различных напряжений питающих сетей;

- при установке на подводные суда для подачи питания с внешнего источника через физические проводники энергии требуется доработка корпуса аппарата и точное позиционирование аппарата.

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.

Аппаратно батарейный комплекс (фиг. 1) состоит из следующих элементов:

- 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;

- распределительного устройства (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;

- низковольтной литий-ионной батареи (4) емкостью 400 А⋅ч, с возможностью использования в качестве резервного источника постоянного тока для сетей напряжением 27 В;

- бесконтактного зарядного устройства (5) (БЗУ), обеспечивающего бесконтактный заряд АБ от сети 380 В 50 Гц;

- системы контроля (СК), предназначенной для обеспечения работоспособности АБК.

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:

- напряжением 110 В постоянного тока емкостью 800 А⋅ч;

- напряжением 220 В постоянного тока емкостью 400 А⋅ч;

- напряжением 440 В постоянного тока емкостью 200 А⋅ч.

Каждый из AM имеет систему контроля, управления и балансировки, которая передает информацию в систему контроля АБК.

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.

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:

- 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);

- два гальванически развязанных выхода (работающих одновременно) стабилизированного напряжения 29 В постоянного тока.

Бесконтактное зарядное устройство (5) предназначено для обеспечения заряда основной АБ 110 В-440 В и состоит из следующих элементов:

• на судне-носителе:

- источник электроэнергии в составе ЭЭС;

- автономный инвертор;

- первичная часть высокочастотного трансформатора.

• на борту подводного аппарата:

- вторичная часть высокочастотного трансформатора;

- выпрямитель;

- фильтр;

- зарядное устройство.

Применение БЗУ (5) не требует при передаче электроэнергии точного позиционирования при передаче электроэнергии, исключает необходимость изоляции соединителя от агрессивной среды.

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.

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.

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).

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.

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).

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.

Целью изобретения являются:

- создание автоматизированного, комплексного источника электроснабжения для применения в независимых электроэнергетических системах;

- обеспечение модульности комплекса, позволяющей создать из вышеуказанных элементов электроэнергетическую систему с широким диапазоном напряжения и энергоемкости;

- обеспечение питания сети потребителей с величинами напряжений, наиболее широко распространенными для электропитания судовых потребителей различного назначения;

- надежная защита ответственных судовых потребителей от воздействия импульсных высоковольтных коммутационных перенапряжений, возникающих в судовых ЭЭС генерации и сетях распределения электроэнергии;

- создание ЭЭС с возможностью резервирования источников питания потребителей на случай аварийной ситуации.

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.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к судовым электроэнергетическим системам подводных аппаратов. Аппаратно-батарейный комплекс подводного аппарата содержит литий-ионные аккумуляторные батареи напряжением 110 В-440 В, распределительное устройство, преобразователь напряжения, литий-ионные аккумуляторные батареи напряжением 27 В, системы контроля аппаратно-батарейного комплекса и бесконтактного зарядного устройства, при этом модульность конструкции АБК позволяет без введения дополнительных конструктивных изменений в элементы комплекса получать требуемые характеристики сети потребителей с возможностью дублирования источников питания, а наличие бесконтактного зарядного устройства обеспечивает возможность заряда аккумуляторных батарей без точного позиционирования подводного аппарата, при этом преобразователь напряжения с широким диапазоном входного напряжения обеспечивает защиту чувствительных потребителей от помех, а литий-ионная батарея обладает минимальными массогабаритными характеристиками. Повышение надежной защиты судовых потребителей от воздействия импульсных высоковольтных коммутационных перенапряжений, а также повышение надежности различных режимов эксплуатации аппаратно-батарейного комплекса, с возможностью резервирования источников питания потребителей на случай аварийной ситуации, является техническим результатом изобретения. 1 ил.

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.