ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК С МОНИТОРИНГОМ СОСТОЯНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
POWER ENERGETIC SYSTEM OF NEXT-GENERATION DIESEL-ELECTRIC SUBMARINES WITH MONITORING OF ACCUMULATOR BATTERIES STATE

Изобретение относится к корабельным электроэнергетическим системам (ЭЭС), в частности к ЭЭС дизель-электрических подводных лодок, подводных аппаратов (батискафы, необитаемые глубоководные аппараты и т.д.) с аккумуляторными батареями, являющимися единственными источниками электроэнергии в подводном положении, а также к ЭЭС надводных кораблей с электродвижением, имеющим в качестве резервного (аварийного) источника электропитания аккумуляторные батареи.
Известна электроэнергетическая силовая установка судна (Патент РФ № 2038264 ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА СУДНА от 07.07.1992, МПК8 В63Н 23/24, Государственная морская академия им. адмирала С.О.Макарова). Электроэнергетическая силовая установка судна состоит из первого и второго генераторов, первой и второй аккумуляторных батарей, первого и второго автоматического зарядного устройства, первой и второй распределительной шины, первого и второго двигателя, гребного винта, первой и второй группы потребителей, первого, второго, третьего, четвертого и пятого автоматических выключателей.
Недостатками электроэнергетической силовой установки судна является следующее.
Отсутствие возможности автоматизированного контроля текущего технического состояния аккумуляторных батарей как в процессе разряда, так и процессе заряда. Вследствие этого автоматические зарядные устройства обеспечивают заряд только по одному критерию - пока напряжение на аккумуляторных батареях не достигнет определенного заранее заданного значения.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является электроэнергетическая система (Рис.2 - Видеокадр ЭЭС в статье: Интеграция систем управления техническими средствами перспективных ДПЛ. Виктор Корчанов - директор направления ФГУП «НПО «Аврора», доктор технических наук, профессор, Владимир Киселев - начальник лаборатории, кандидат технических наук, Герман Сус - начальник отдела. - Журнал «Военный парад», 2006, № 5. - стр.44-46).
Электроэнергетическая система перспективных дизельных подводных лодок состоит из первой и второй аккумуляторной батареи, первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого, девятого и десятого автоматического выключателя, распределительной шины первой и второй сети электроэнергетической системы, щита гребного электродвигателя, гребного электродвигателя, механически связанного с гребным винтом, первого и второго распределительного щита питания, первой и второй береговой сети питания, первой и второй группы потребителей, первого и второго выпрямителя, первого и второго дизель-генератор, первого и второго щита дизель-генератора, комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой.
Недостатками электроэнергетической системы по прототипу является следующее.
В электроэнергетической системе отсутствует возможность полноценного автоматизированного мониторинга текущего технического состояния аккумуляторных батарей, включая каждую банку аккумулятора, из которых набраны батареи. Вследствие этого оператор комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой, обеспечивающий поддержание аккумуляторных батарей (единственного источника энергии дизель-электрических подводных лодок в подводном положении) в постоянной готовности к работе по прямому назначению, получает неполную и несвоевременную информацию для принятия решения о начале или прекращении заряда аккумуляторных батарей.
Задачами изобретения является:
- осуществление мониторинга текущего технического состояния аккумуляторных батарей, включая каждую банку аккумулятора;
- предоставление оператору комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой полномасштабной и достоверной контрольно-диагностической информации о техническом состоянии аккумуляторных батарей дизель-электрической подводной лодки;
- повышение эффективности эксплуатации аккумуляторных батарей и, как следствие, увеличение их ресурса и срока службы, а также повышение автономности подводной лодки.
Поставленные задачи решаются тем, что в электроэнергетическую систему перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей, состоящую из первой аккумуляторной батареи, собранной из последовательно соединенных первого, второго,… и n-го аккумулятора (отрицательная клемма первого аккумулятора подключена к положительной клемме второго и т.д.) первой аккумуляторной батареи и подключенной через последовательно соединенные третий автоматический выключатель и распределительную шину первой сети электроэнергетической системы к первому входу щита гребного электродвигателя, второй аккумуляторной батареи, собранной из последовательно соединенных первого, второго,… и n-го аккумулятора второй аккумуляторной батареи и подключенной через последовательно соединенные шестой автоматический выключатель и распределительную шину второй сети электроэнергетической системы ко второму входу щита гребного электродвигателя, первый вход-выход щита гребного электродвигателя подключен к гребному электродвигателю, причем гребной электродвигатель механически связан с гребным винтом; первого распределительного щита питания, подключенного соответственно через первый и второй автоматический выключатель к первой береговой сети питания и к первой группе потребителей, второго распределительного щита питания, подключенного соответственно через девятый и десятый автоматический выключатель ко второй береговой сети питания и ко второй группе потребителей, распределительная шина первой сети электроэнергетической системы подключена через четвертый автоматический выключатель к первому распределительному щиту питания, а через пятый автоматический выключатель - к последовательно соединенным первому выпрямителю, первому дизель-генератору и первому щиту дизель-генератора, распределительная шина второй сети электроэнергетической системы подключена через седьмой автоматический выключатель к второму распределительному щиту питания, а через восьмой автоматический выключатель - к последовательно соединенным второму выпрямителю, второму дизель-генератору и второму щиту дизель-генератора, комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой, первым входом-выходом подключенного к входу-выходу первого щита дизель-генератора, вторым входом-выходом - ко второму входу-выходу щита гребного электродвигателя и третьим входом-выходом - ко входу-выходу второго щита дизель-генератора, введены первый и второй датчик тока, первый и второй датчик напряжения, шкаф ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей, первый, второй, … и n-й датчик напряжения, подключенный к отрицательной и положительной клемме первого, второго, … и n-го аккумулятора первой и второй аккумуляторной батареи, первый, второй, … и n-й датчик уровня электролита и первый, второй, … и n-й датчик температуры электролита, помещенный непосредственно в межэлектродное пространство банок первого, второго, … и n-го аккумулятора первой и второй аккумуляторной батареи, первое, второе, … и n-е устройство контроля параметров первого, второго, … и n-го аккумулятора, установленное непосредственно на верхнюю часть банки первого, второго, … и n-го аккумулятора первой и второй аккумуляторной батареи, первая шина информационного обмена, объединяющая первое, второе,… и n-е устройство контроля параметров первого, второго,… и n-го аккумулятора первой аккумуляторной батареи и первый блок обработки информации, вторая шина информационного обмена, объединяющая первое, второе, … и n-е устройство контроля параметров первого, второго, … и n-го аккумулятора второй аккумуляторной батареи и второй блок обработки информации, к первому, второму и третьему входу первого, второго и n-го устройства контроля параметров аккумуляторов первого, второго, … и n-го аккумулятора первой и второй аккумуляторной батареи подключены соответственно первый, второй, … и n-й датчик напряжения, первый, второй, … и n-й датчик уровня электролита и первый, второй, … и n-й датчик температуры электролита первого, второго, … и n-го аккумулятора первой и второй аккумуляторной батареи, в разрыв между третьим автоматическим выключателем и n-м аккумулятором первой аккумуляторной батареей включен первый датчик тока, в разрыв между шестым автоматическим выключателем и n-м аккумулятором второй аккумуляторной батареей включен второй датчик тока, информационный выход первого и второго датчик тока подключен к первому входу соответственно первого и второго блока обработки информации, вход первого и второго датчика напряжения подключен к силовому выходу соответственно первого и второго датчика тока, выход первого и второго датчика напряжения подключен ко второму входу соответственно первого и второго блока обработки информации, к первому и второму входу шкафа ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей подключен соответственно первый и второй блок обработки информации, выход шкафа ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей подключен ко входу комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой.
Кроме этого, в электроэнергетической системе перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей в качестве первой и второй шины информационного обмена использован CAN-bus интерфейс распределенных систем реального времени, а для передачи контрольной информации от шкафа ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей к комплексу агрегатированных средств управления электроэнергетической системой использован мультиплексный канал межмодульного обмена информацией по ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553 В).
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемой электроэнергетической системе перспективных дизель-электрических подводных лодок для повышения эффективности эксплуатации аккумуляторных батарей и, как следствие, увеличения их ресурса и срока службы, а также повышения автономности подводной лодки осуществляется: контроль напряжения всех аккумуляторов, из которых набраны аккумуляторные батареи, контроль уровня и температуры электролита во всех банках аккумуляторов (или для экономии затрат на аппаратуру - только в каждой i-й банке аккумулятора), контроль суммарного напряжения и тока аккумуляторных батарей; обработка контрольно-диагностической информации с целью определения, в каком из режимов находится аккумуляторная батарея (разряд или заряд), расчета зарядной (или разрядной) емкости, остаточной емкости и времени до окончания разряда, значения сопротивления изоляции аккумуляторной батареи и т.д. Результаты мониторинга текущего состояния аккумуляторных батарей в виде интегрированной контрольно-диагностической информации передаются оператору комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой, который на базе этой полной и своевременной информации принимает обоснованное решения о дальнейшем оптимальном режиме использования (например, о начале или прекращении зарядки) аккумуляторных батарей.
На чертеже представлена структурная схема электроэнергетической системы перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей.
Согласно чертежу электроэнергетическая система перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей включает первую аккумуляторную батарею 7, собранную из последовательно соединенных первого 8, второго 9, … и n-го 10 аккумулятора (отрицательная клемма первого аккумулятора 8 подключена к положительной клемме второго 9 и т.д.) первой аккумуляторной батареи 7 и подключенную через последовательно соединенные третий автоматический выключатель 25 и распределительную шину первой сети электроэнергетической системы 28 к первому входу щита гребного электродвигателя 38, вторую аккумуляторную батарею 58, собранную из последовательно соединенных первого 59, второго 60, … и n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58 и подключенную через последовательно соединенные шестой автоматический выключатель 53 и распределительную шину второй сети электроэнергетической системы 56 ко второму входу щита гребного электродвигателя 38, первый вход-выход щита гребного электродвигателя 38 подключен к гребному электродвигателю 37, причем гребной электродвигатель 37 механически связан с гребным винтом 36; первый распределительный щит питания 12, подключенный соответственно через первый 2 и второй 3 автоматический выключатель к первой береговой сети питания 1 и к первой группе потребителей 4, второй распределительный щит питания 63 подключенный соответственно через девятый 67 и десятый 68 автоматический выключатель ко второй береговой сети питания 66 и к второй группе потребителей 69, распределительную шину первой сети электроэнергетической системы 28, подключенную через четвертый автоматический выключатель 26 к первому распределительному щиту питания 12, а через пятый автоматический выключатель 27 - к последовательно соединенным первому выпрямителю 13, первому дизель-генератору 14 и первому щиту дизель-генератора 5, распределительную шину второй сети электроэнергетической системы 56 подключенную через седьмой автоматический выключатель 54 ко второму распределительному щиту питания 63, а через восьмой автоматический выключатель 55 - к последовательно соединенным второму выпрямителю 64, второму дизель-генератору 65 и второму щиту дизель-генератора 57, комплекс агрегатированных средств управления электроэнергетической системой 6, первым входом-выходом подключенный к входу-выходу первого щита дизель-генератора 5, вторым входом-выходом - ко второму входу-выходу щита гребного электродвигателя 38 и третьим входом-выходом - ко входу-выходу второго щита дизель-генератора 57, первый 11 и второй 62 датчик тока, первый 24 и второй 52 датчик напряжения, шкаф ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей 33, первый 15, второй 16, … n-й 21 датчик напряжения, подключенный к отрицательной и положительной клемме первого 8, второго 9, … n-го 10 аккумулятора первой аккумуляторной батареи 7, первый 43, второй 46, … n-й 49 датчик напряжения, подключенный к отрицательной и положительной клемме первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58, первый 16, второй 19, … n-й 22 датчик уровня электролита и первый 17, второй 20,… n-й 23 датчик температуры электролита, помещенный непосредственно в межэлектродное пространство банок первого 8, второго 9, … n-го 10 аккумулятора первой аккумуляторной батареи 7, первый 44, второй 47, … n-й 50 датчик уровня электролита и первый 45, второй 48, … n-й 51 датчик температуры электролита, помещенный непосредственно в межэлектродное пространство банок первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58, первое 29, второе 30, … n-е 31 устройство контроля параметров первого 8, второго 9, … n-го 10 аккумулятора, установленное непосредственно на верхнюю часть банки первого 8, второго 9, … n-го 10 аккумулятора первой аккумуляторной батареи 7, первое 40, второе 41, … n-е 42 устройство контроля параметров первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора, установленное непосредственно на верхнюю часть банки первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58, первую шину информационного обмена 32, объединяющую первое 29, второе 30, … n-е 31 устройство контроля параметров первого 8, второго 9, … п-го 10 аккумулятора первой аккумуляторной батареи 7, и первый блок обработки информации 34, вторую шину информационного обмена 39, объединяющую первое 40, второе 41, … n-е 42 устройство контроля параметров первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58 и второй блок обработки информации 35, к первому, второму и третьему входу первого 29, второго 30, … и n-го 31 устройства контроля параметров первого 8, второго 9, … n-го 10 аккумулятора первой аккумуляторной батареи 7 подключены соответственно первый 15, второй 18, … и n-й 21 датчик напряжения, первый 16, второй 19, … и n-й 22 датчик уровня электролита, первый 17, второй 20, … и n-й 23 датчик температуры электролита первого 8, второго 9, … n-го 10 аккумулятора первой аккумуляторной батареи 7, к первому, второму и третьему входу первого 40 второго 41, … и n-го 42 устройства контроля параметров первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58 подключены соответственно первый 43, второй 46, … и n-й 49 датчик напряжения, первый 44, второй 47, … и n-й 50 датчик уровня электролита, первый 45, второй 47, … и n-й 51 датчик температуры электролита первого 59, второго 60, … n-го 61 аккумулятора второй аккумуляторной батареи 58, в разрыв между третьим автоматическим выключателем 25 и n-м 10 аккумулятором первой аккумуляторной батареи 7 включен первый датчик тока 11, в разрыв между шестым автоматическим выключателем 53 и n-м 61 аккумулятором второй аккумуляторной батареи 58 включен второй датчик тока 62, информационный выход первого 11 и второго 62 датчика тока подключен к первому входу соответственно первого 34 и второго 35 блока обработки информации, вход первого 24 и второго 52 датчика напряжения подключен к силовому выходу соответственно первого 11 и второго 62 датчика тока, выход первого 24 и второго 52 датчика напряжения подключен ко второму входу соответственно первого 34 и второго 35 блока обработки информации, к первому и второму входу шкафа ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей 33 подключен соответственно первый 34 и второй 35 блок обработки информации, выход шкафа ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей 33 подключен ко входу комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой 6.
В электроэнергетической системе перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей в качестве первой 32 и второй 39 шины информационного обмена использован CAN-bus интерфейс распределенных систем реального времени, а для передачи контрольной информации от шкафа ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей 33 к комплексу агрегатированных средств управления электроэнергетической системой 6 использован мультиплексный канал межмодульного обмена информацией по ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553 В).
Предлагаемая электроэнергетическая система работает следующим образом.
1. В надводном положении подводной лодки работает первый 14 (и/или второй 65 дизель-генератор). При включении пятого автоматического выключателя 37 (и/или восьмого автоматического выключателя 55) на распределительную шину первой сети электроэнергетической системы 28 (и/или распределительную шину второй сети электроэнергетической системы 56) подключается питающее напряжение постоянного тока, которое через щит гребного электродвигателя 38 подается на основной потребитель подводной лодки - гребной электродвигатель 37.
При этом при включении третьего автоматического выключателя 25 (и/или шестого автоматического выключателя 53) через распределительную шину первой сети электроэнергетической системы 28 (и/или распределительную шину второй сети электроэнергетической системы 56) обеспечивается возможность зарядки первой аккумуляторной батареи 7 (и/или второй аккумуляторной батареи 58), а при включении четвертого автоматического выключателя 26 (и/или седьмого автоматического выключателя 54) получает электропитание первый распределительный щит питания 12 (и/или второй распределительный щит питания 63), от которого через второй автоматический выключатель 3 (и/или десятый автоматический выключатель 68) запитывается первая группа потребителей 4 (и/или вторая группа потребителей 69).
2. В надводном положении пришвартованной подводной лодки, предусмотрена подача электропитания на подводную лодку от береговой сети питания 1 (и/или береговой сети питания 66) через первый автоматический выключатель 2 (и/или девятый автоматический выключатель 67). От береговой сети питания 1 (и/или от береговой сети питания 66) запитывается через второй автоматический выключатель 3 (и/или девятый автоматический выключатель 67) первый распределительный щит питания 12 (и/или второй распределительный щит питания 63). При этом при включенном третьем 25 и четвертом 26 автоматическом выключателе (и/или шестом 53 и седьмом 54 автоматическом выключателе) обеспечивается зарядка первой аккумуляторной батареи 7 (и/или второй аккумуляторной батареи 58), а при включенном втором автоматическом выключателе 3 (и/или десятом 68 автоматическом выключателе) обеспечивается электропитание первой группы потребителей 4 (и/или второй группы потребителей 69).
3. В подводном положении подводной лодки первый 14 (и/или второй 65) дизель-генератор выключены и на разряд работает первая аккумуляторной батареи 7 (и/или вторая аккумуляторная батарея 58), обеспечивая через распределительную шину первой сети электроэнергетической системы 28 (и/или распределительную шину второй сети электроэнергетической системы 56) работу гребного электродвигателя 37, первой группы потребителей 4 (и/или второй группы потребителей 69).
4. В надводном и подводном положении подводной лодки с помощью датчиков напряжения 15, 18, … и 21, 43, 46, … и 49, уровня 16, 19, … и 23, 44, 47, … и 50 и плотности электролита 17, 20, … и 23, 45, 48,... и 61 аккумуляторов 8, 9, … и 10, 59, 60, … и 61, из которых набраны первая 7 и вторая 58 аккумуляторная батарея, и устройств контроля параметров аккумуляторов 29, 30, … и 31, 40, 41, … и 42 осуществляется контроль напряжения всех аккумуляторов, из которых набраны аккумуляторные батареи, контроль уровня и температуры электролита во всех банках аккумуляторов (или для экономии затрат на контрольную аппаратуру электроэнергетической системы - только в каждой i-й банке аккумулятора, например в каждой 15 банке аккумуляторной батареи), контроль суммарного напряжения и тока аккумуляторных батарей.
Устройства контроля параметров аккумуляторов 29, 30, … и 31, 40, 41, … и 42, первый 34 и второй 35 блок обработки информации и шкаф ЭВМ автоматизированной подсистемы мониторинга состояния аккумуляторных батарей 33 выполняют обработку контрольно-диагностической информации с целью определения в каком из режимов находится аккумуляторная батарея (разряд или заряд); для расчета зарядной (или разрядной) емкости, для расчета остаточной емкости и времени до окончания разряда; для определения значения сопротивления изоляции аккумуляторной батареи и т.д. Результаты мониторинга текущего состояния аккумуляторных батарей в виде интегрированной контрольно-диагностической информации (в наглядном символьно-графическом виде) передаются оператору комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой 6, который на базе этой полной и своевременной информации принимает обоснованные решения о дальнейшем оптимальном использовании первой 7 и второй 58 аккумуляторной батареи.
5. В надводном положении подводной лодки, как правило, выполняются тренировочные циклы «заряд-разряд» или зарядка для восстановления и поддержания аккумуляторных батарей в постоянной готовности к применению по прямому назначению, причем параметры зарядки (значение напряжения, тока и времени зарядки) определяются оператором комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой 6 на основе достоверной информации о текущем техническом состоянии аккумуляторных батарей. При зарядке от первого 14 и второго 65 дизель-генераторов у оператора комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой 6 имеется возможность, воздействуя на первый 5 и второй 57 щит дизель-генератора изменять в широких пределах напряжение заряда (и соответственно ток заряда) первой 7 и второй 58 аккумуляторной батареи.
6. В подводном положении для повышения эффективности эксплуатации аккумуляторных батарей и, как следствие, увеличения их ресурса и срока службы, а также повышение автономности подводной лодки, оператору комплекса агрегатированных средств управления электроэнергетической системой предоставляется достаточно достоверная информация по ключевым параметрам первой 7 и второй 58 аккумуляторной батареи - остаточная емкость аккумуляторной батареи и ряд значений времени до окончания ее полного разряда при различных токах разряда.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемая электроэнергетическая система может быть изготовлена в соответствии с приведенным описанием и схемой (см. чертеж) на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Предлагаемые технические решения практически реализованы в перспективных дизель-электрических подводных лодках проектов «Лада» и «Амур» на базе системы контроля параметров аккумуляторов и диагностирования аккумуляторных батарей, серийно выпускаемой ЗАО «Интеллектуальные робастные интегрированные системы (ИРИС)».
Таким образом, предлагаемая электроэнергетическая система может быть использована для дизель-электрических подводных лодок, подводных аппаратов (батискафы, необитаемые глубоководные аппараты и т.д.) с аккумуляторными батареями, являющимися единственными источниками электроэнергии в подводном положении.
В предлагаемой электроэнергетической системе обеспечен эффективный мониторинг текущего технического состояния аккумуляторных батарей и, как следствие, достигается высокая достоверность информационной поддержки экипажа дизель-электрической подводной лодки в части электроэнергетической системы.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемая электроэнергетическая система перспективных дизель-электрических подводных лодок с мониторингом состояния аккумуляторных батарей отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищена патентом Российской Федерации на изобретение.