DE102018210907A1 - Watercraft with two parallel DC-DC converters and method of operating such a watercraft - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug mit einer Spannungsquelle (BZ), einem Fahrmotor (Mo), einem System (V) elektrischer Verbraucher und zwei Gleichspannungswandlern (G.1, G.2) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Wasserfahrzeugs. Die Spannungsquelle (BZ) vermag Gleichstrom einer ersten Spannung (U1) bereitzustellen. Der Fahrmotor (Mo) verbraucht Gleichstrom einer zweiten Spannung (U2). Das System (V) elektrischer Verbraucher verbraucht Gleichstrom einer dritten Spannung (U3). Beide Gleichspannungswandler (G.1, G.2) sind mit der Spannungsquelle (BZ) verbunden und sind parallel zueinander geschaltet. Der erste Gleichspannungswandler (G.1) ist mit dem Fahrmotor (Mo) elektrisch verbunden, der zweite Gleichspannungswandler (G.2) mit dem System (V) elektrischer Verbraucher. Der erste Gleichspannungswandler (G.1) vermag Gleichstrom der ersten Spannung in Gleichstrom der zweiten Spannung (U.2) umzuwandeln. Der zweite Gleichspannungswandler (G.2) vermag Gleichstrom der ersten Spannung (U.1) in Gleichstrom der dritten Spannung (U3) umzuwandeln.The present invention relates to a watercraft with a voltage source (BZ), a traction motor (Mo), a system (V) electrical consumers and two DC-DC converters (G.1, G.2) and a method for operating such a watercraft. The voltage source (BZ) is able to provide direct current of a first voltage (U1). The traction motor (Mo) consumes DC of a second voltage (U2). The system (V) of electrical consumers consumes DC of a third voltage (U3). Both DC-DC converters (G.1, G.2) are connected to the voltage source (BZ) and are connected in parallel with each other. The first DC-DC converter (G.1) is electrically connected to the traction motor (Mo), the second DC-DC converter (G.2) to the system (V) electrical consumers. The first DC-DC converter (G.1) is able to convert direct current of the first voltage into direct current of the second voltage (U.2). The second DC-DC converter (G.2) is able to convert direct current of the first voltage (U.1) into direct current of the third voltage (U3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein bemanntes oder unbemanntes Unterwasserfahrzeug, mit einer Spannungsquelle, einem Fahrmotor, einem System elektrischer Verbraucher und zwei Gleichspannungswandlern sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Wasserfahrzeugs.The invention relates to a watercraft, in particular a manned or unmanned underwater vehicle, with a voltage source, a traction motor, a system of electrical load and two DC-DC converters and a method for operating such a watercraft.
Häufig treten an Bord eines elektrisch angetriebenen Wasserfahrzeugs mindestens drei verschiedene Spannungen auf. Eine Spannungsquelle liefert Gleichstrom einer ersten Spannung. Ein Fahrmotor, der über ein Fahrnetz gespeist wird, treibt das Wasserfahrzeug an und benötigt aus dem Fahrnetz Gleichstrom einer zweiten Spannung. Ein System elektrischer Verbraucher umfasst beispielsweise Stellantriebe und elektronische Geräte und benötigt Gleichstrom einer dritten Spannung. Daher werden mindestens zwei Gleichspannungswandler an Bord des Wasserfahrzeugs benötigt, um aus dem gelieferten Gleichstrom der ersten Spannung sowohl Gleichstrom der zweiten Spannung als auch Gleichstrom der dritten Spannung bereitstellen zu können. Eine Möglichkeit, diese Anforderung zu realisieren, ist die, dass ein Gleichspannungswandler den Gleichstrom der zweiten Spannung liefert und ein weiterer Gleichspannungswandler aus dem gelieferten Gleichstrom der zweiten Spannung Gleichstrom der dritten Spannung erzeugt.Frequently, at least three different voltages occur on board an electrically driven watercraft. A voltage source supplies DC current of a first voltage. A traction motor, which is powered by a network, drives the vessel and needs from the network DC power of a second voltage. A system of electrical consumers includes, for example, actuators and electronic devices and requires DC a third voltage. Therefore, at least two DC-DC converters are needed on board the vessel in order to be able to provide both the DC voltage of the first voltage and the DC voltage of the third voltage from the supplied DC voltage of the first voltage. One way to realize this requirement is that a DC-DC converter supplies the DC voltage of the second voltage and another DC-DC converter from the supplied DC voltage of the second voltage generates DC current of the third voltage.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wasserfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 bereitzustellen, welche zu geringeren Leistungsverlusten beim Betrieb der beiden Gleichspannungswandler führt als bei bekannten Wasserfahrzeugen.The object of the invention is to provide a watercraft having the features of the preamble of
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Wasserfahrzeug mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein Verfahren mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by a watercraft having the features specified in
Das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug umfasst
- - eine erste Spannungsquelle,
- - ein Fahrnetz mit einem Fahrmotor,
- - ein System elektrischer Verbraucher,
- - einen ersten Gleichspannungswandler und
- - einen zweiten Gleichspannungswandler.
- a first voltage source,
- a driving net with a drive motor,
- - a system of electrical consumers,
- - A first DC-DC converter and
- - A second DC-DC converter.
Die erste Spannungsquelle vermag Gleichstrom einer ersten Spannung bereitzustellen. Das Fahrnetz mit dem Fahrmotor verbraucht Gleichstrom einer zweiten Spannung. Das System elektrischer Verbraucher verbraucht Gleichstrom einer dritten Spannung. Die drei Spannungen sind paarweise verschieden.The first voltage source is capable of providing direct current to a first voltage. The drive network with the traction motor consumes DC of a second voltage. The system of electrical consumers consumes DC of a third voltage. The three voltages are different in pairs.
Beide Gleichspannungswandler sind mit der ersten Spannungsquelle verbunden und sind parallel zueinander geschaltet. Der erste Gleichspannungswandler ist mit dem Fahrmotor elektrisch verbunden, der zweite Gleichspannungswandler mit dem System elektrischer Verbraucher.Both DC-DC converters are connected to the first voltage source and are connected in parallel with each other. The first DC-DC converter is electrically connected to the traction motor, the second DC-DC converter with the system electrical loads.
Der erste Gleichspannungswandler vermag Gleichstrom der ersten Spannung (von der ersten Spannungsquelle geliefert) in Gleichstrom der zweiten Spannung (vom Fahrnetz verbraucht) umzuwandeln. Der zweite Gleichspannungswandler vermag Gleichstrom der ersten Spannung in Gleichstrom der dritten Spannung (vom System elektrischer Verbraucher verbraucht) umzuwandeln.The first DC-DC converter is capable of converting direct current of the first voltage (supplied from the first voltage source) into direct current of the second voltage (consumed by the driving network). The second DC-DC converter is capable of converting direct current of the first voltage into direct current of the third voltage (consumed by the system of electrical consumers).
Lösungsgemäß sind die beiden Gleichspannungswandler parallel geschaltet und wandeln den Gleichstrom der ersten Spannungsquelle direkt in denjenigen Gleichstrom um, den das Fahrnetz bzw. das System elektrischer Verbraucher benötigen. Diese Anordnung reduziert die Leistungsverluste verglichen mit einer Anordnung, bei welcher die beiden Gleichspannungswandler in Reihe geschaltet sind und daher der Gleichstrom von der ersten Spannungsquelle - je nach Konfiguration - einmal oder zweimal umgewandelt werden muss, um den Gleichstrom für den Fahrmotor oder den Gleichstrom für das System elektrische Verbraucher bereitzustellen. Geringere Leistungsverluste haben auch zur Folge, dass weniger Verlustwärme entsteht, die abgeführt werden muss. Das Abführen von Verlustwärme ist gerade an Bord eines Unterwasserfahrzeugs oft ein relevantes Problem. Geringere Leistungsverluste haben weiterhin die Folge, dass die Reichweite und / oder die Einsatzdauer des Wasserfahrzeugs vergrößert wird.According to the solution, the two DC-DC converters are connected in parallel and convert the direct current of the first voltage source directly into that direct current which the driving network or the system requires electrical consumers. This arrangement reduces the power losses compared to an arrangement in which the two DC-DC converters are connected in series and therefore the DC power from the first power source must be converted once or twice depending on the configuration to drive the direct current for the traction motor or the direct current for the DC motor System to provide electrical consumers. Lower power losses also result in less heat loss that must be dissipated. Dissipating heat loss is often a relevant issue, especially on board an underwater vehicle. Lower power losses also have the consequence that the range and / or duration of use of the vessel is increased.
Weil die beiden Gleichspannungswandler parallel geschaltet sind, wird die Last, welche das System elektrischer Verbraucher und das Fahrnetz mit dem Fahrmotor insgesamt verursachen, auf zwei Gleichspannungswandler verteilt.Because the two DC-DC converters are connected in parallel, the load that causes the system electrical load and the driving network with the traction motor as a whole, distributed to two DC-DC converter.
Dank der beiden parallel geschalteten Gleichspannungswandler werden die verschiedenen elektrischen Verbraucher im System elektrischer Verbraucher nicht über zwei in Reihe geschaltete Gleichspannungswandler versorgt. Vielmehr wird jede Umformung einer Spannung direkt von der ersten Spannungsquelle in die jeweils benötigte zweite oder dritte Spannung durchgeführt. Weiterhin hängen die elektrischen Verbraucher und das Fahrnetz nicht mehr alle an demselben Gleichspannungswandler, sondern an zwei verschiedenen Gleichspannungswandlern. Dank der lösungsgemäßen Anordnung lassen sich mehrere Teilnetze bilden, die unabhängig voneinander mit elektrischer Leistung versorgt werden. Bei einem Ausfall oder einem Kurzschluss in einem Teilnetz bleibt es möglich, das andere Teilnetz weiterhin mit Spannung zu versorgen. Dies erhöht die Redundanz.Thanks to the two DC-DC converters connected in parallel, the various electrical consumers in the electrical load system are not supplied by two DC-DC converters connected in series. Rather, each transformation of a voltage is performed directly from the first voltage source into the respectively required second or third voltage. Furthermore, the electrical loads and the driving network no longer all depend on the same DC-DC converter, but on two different DC-DC converters. Thanks to the arrangement according to the solution, it is possible to form several subnetworks which are supplied with electrical power independently of each other. In the event of a failure or a short circuit in one subnet, it remains possible to continue to supply the other subnet with voltage. This increases the redundancy.
In einer Ausgestaltung ist wenigstens ein Gleichspannungswandler bidirektional ausgeführt. Dank dieser Ausgestaltung lässt sich Gleichstrom sowohl von der höheren in die niedrigere als auch von der niedrigeren in die höhere Spannung umformen. Auch diese Ausgestaltung erhöht die Ausfallsicherheit: Falls eine Spannungsquelle ausgefallen ist oder falls ein Leitungsfehler aufgetreten ist, so lässt sich über die beiden Gleichspannungswandler ein alternativer Strompfad von einem Teilnetz in das andere Teilnetz herstellen, wobei bevorzugt mindestens ein bidirektionaler Gleichspannungswandler in der anderen Richtung als üblich betrieben wird. Nicht erforderlich ist es, eine zusätzliche redundante Verbindung bereitzustellen. Somit spart die Ausgestaltung mit den parallelen Gleichspannungswandlern, von denen mindestens einer ein bidirektionaler ist, eine weitere Verbindung ein.In one embodiment, at least one DC-DC converter is bidirectional. Thanks to this configuration, direct current can be transformed both from the higher to the lower and from the lower to the higher voltage. This refinement also increases the reliability: If a voltage source has failed or if a line fault has occurred, an alternative current path can be produced from one subnetwork to the other subnetwork via the two DC voltage converters, preferably at least one bidirectional DC voltage converter in the other direction than usual is operated. It is not necessary to provide an additional redundant connection. Thus, the embodiment with the parallel DC-DC converters, of which at least one is bidirectional, saves a further connection.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein dritter Gleichspannungswandler sowohl parallel zum ersten Gleichspannungswandler als auch parallel zum zweiten Gleichspannungswandler geschaltet. Dieser dritte Gleichspannungswandler ist mit der ersten Spannungsquelle und mit dem Fahrnetz elektrisch verbunden. Auch der dritte Gleichspannungswandler vermag Gleichstrom der ersten Spannung (von der ersten Spannungsquelle geliefert) in Gleichstrom der zweiten Spannung (vom Fahrnetz verbraucht) umzuwandeln.In an advantageous embodiment, a third DC-DC converter is connected both parallel to the first DC-DC converter and parallel to the second DC-DC converter. This third DC-DC converter is electrically connected to the first voltage source and to the driving network. Also, the third DC-DC converter is capable of converting direct current of the first voltage (supplied from the first voltage source) into direct current of the second voltage (consumed by the driving network).
Der parallel geschaltete dritte Gleichspannungswandler stellt Redundanz bereit. Falls der erste Gleichspannungswandler ausfällt, so versorgt der dritte Gleichspannungswandler das Fahrnetz mit dem Fahrmotor mit Gleichstrom der zweiten Spannung. Die lösungsgemäße Anordnung gemäß dieser Ausgestaltung stellt noch mehr Teilnetze bereit, die unabhängig voneinander mit elektrischer Leistung versorgt werden können.The parallel connected third DC-DC converter provides redundancy. If the first DC-DC converter fails, the third DC-DC converter supplies the driving network with the traction motor with direct current of the second voltage. The solution according to arrangement according to this embodiment provides even more subnets that can be supplied with electrical power independently.
Der erste Gleichspannungswandler und der dritte Gleichspannungswandler können gleichzeitig betrieben werden, so dass die zum Antreiben des Fahrmotors erforderliche Last auf diese beiden Gleichspannungswandler verteilt wird. Die Lastverteilung lässt sich im laufenden Betrieb einstellen und bei Bedarf verändern, beispielsweise wenn ein Gleichspannungswandler stärker als der andere Gleichspannungswandler erhitzt ist.The first DC-DC converter and the third DC-DC converter can be operated simultaneously, so that the load required for driving the traction motor is distributed to these two DC-DC converters. The load distribution can be adjusted during operation and changed if necessary, for example, when a DC-DC converter is heated more than the other DC-DC converter.
In einer Fortbildung dieser Ausgestaltung sind zwei dritte Gleichspannungswandler parallel zueinander und parallel zum ersten Gleichspannungswandler und parallel zum zweiten Gleichspannungswandler geschaltet. Diese Fortbildung erhöht weiter die Redundanz und ermöglicht eine noch bessere Lastverteilung, die sich dynamisch ändern lässt.In a development of this embodiment, two third DC-DC converter are connected in parallel to each other and parallel to the first DC-DC converter and in parallel with the second DC-DC converter. This training further increases the redundancy and allows an even better load distribution, which can be changed dynamically.
In einer Ausgestaltung mit mehreren dritten Gleichspannungswandlern wird ein dritter Gleichspannungswandler als bevorzugter dritter Gleichspannungswandler verwendet. Vorgegeben wird eine maximale elektrische Leistung, die der bevorzugte dritte Gleichspannungswandler im Dauerbetrieb aufzunehmen und umzuwandeln vermag. Solange die tatsächlich aufgenommene elektrische Leistung unterhalb einer vorgegebenen Leistungs-Schranke verbleibt, wird der oder jeder weitere dritte Gleichspannungswandler nicht verwendet. Die Leistungsschranke liegt oberhalb der Hälfte der vorgegebenen maximalen Leistung, bevorzugt oberhalb von 75 %, besonders bevorzugt oberhalb von 90 %. Sobald die tatsächlich aufgenommene elektrische Leistung die vorgegebenen Leistungs-Schranke erreicht oder übersteigt, wird der oder mindestens ein weiterer dritter Gleichspannungswandler angesteuert und wandelt zusätzlich zum bevorzugten dritten Gleichspannungswandler elektrische Spannung um. Die Last wird dann also auf zwei parallele dritte Gleichspannungswandler verteilt.In an embodiment with a plurality of third DC-DC converters, a third DC-DC converter is used as a preferred third DC-DC converter. It specifies a maximum electrical power which the preferred third DC-DC converter can pick up and convert in continuous operation. As long as the actually recorded electrical power remains below a predetermined power limit, the or each further third DC-DC converter is not used. The performance barrier is above half of the predetermined maximum power, preferably above 75%, more preferably above 90%. As soon as the actually received electrical power reaches or exceeds the predetermined power limit, the or at least one further third DC-DC converter is driven and converts electrical voltage in addition to the preferred third DC-DC converter. The load is then distributed to two parallel third DC-DC converter.
In einer weiteren Ausgestaltung vermag ein vierter Gleichspannungswandler Gleichstrom der zweiten Spannung (vom Fahrnetz benötigt) in Gleichstrom der dritten Spannung (vom System elektrischer Verbraucher benötigt) umzuwandeln. Dieser vierte Gleichspannungswandler ist mit dem ersten Gleichspannungswandler (liefert Gleichstrom der zweiten Spannung) und mit dem System elektrischer Verbraucher elektrisch verbunden.In a further embodiment, a fourth DC-DC converter can convert direct current of the second voltage (required by the driving network) into direct current of the third voltage (required by the system of electrical consumers). This fourth DC-DC converter is electrically connected to the first DC-DC converter (supplies DC of the second voltage) and to the electrical load system.
Der vierte Gleichspannungswandler stellt Redundanz bereit. Falls der zweite Gleichspannungswandler ausfällt, so versorgt der vierte Gleichspannungswandler das System elektrischer Verbraucher mit Spannung. Weil der vierte Gleichspannungswandler in Reihe mit dem ersten Gleichspannungswandler geschaltet ist, brauchen keine Gleichspannungswandler parallel geschaltet zu werden. Möglich ist auch, die Last auf den zweiten Spannungswandler einerseits und die in Reihe geschalteten ersten und vierten Spannungswandler andererseits zu verteilen.The fourth DC-DC converter provides redundancy. If the second DC-DC converter fails, the fourth DC-DC converter supplies the electrical load system with voltage. Because the fourth DC-DC converter is connected in series with the first DC-DC converter, no DC-DC converter need be connected in parallel. It is also possible to distribute the load on the second voltage converter on the one hand and the series-connected first and fourth voltage transformers on the other hand.
In einer Fortbildung der Ausgestaltung mit dem vierten Gleichspannungswandler umfasst das Wasserfahrzeug neben der ersten Spannungsquelle eine zweite Spannungsquelle. Diese zweite Spannungsquelle liefert Gleichstrom der zweiten Spannung (vom Fahrmotor verbraucht) und ist mit dem Fahrnetz verbunden.In a further development of the embodiment with the fourth DC-DC converter, the watercraft comprises a second voltage source in addition to the first voltage source. This second voltage source supplies DC of the second voltage (consumed by traction motor) and is connected to the driving network.
Der vierte Gleichspannungswandler stellt zusätzliche Redundanz bereit. Falls die erste Spannungsquelle ausgefallen ist oder nicht mehr genug elektrische Leistung oder Spannung bereitzustellen vermag, so wird das System elektrischer Verbraucher über die zweite Spannungsquelle (liefert Gleichstrom der zweiten Spannung) und den vierten Gleichspannungswandler elektrisch versorgt. The fourth DC-DC converter provides additional redundancy. If the first power source fails or is unable to provide enough electrical power or voltage, the electrical load system is powered by the second voltage source (providing DC of the second voltage) and the fourth DC-to-DC converter.
Solange die erste Spannungsquelle ausreichend Spannung bereitstellt, wird das System elektrischer Verbraucher wahlweise über den zweiten Gleichspannungswandler oder über den ersten Gleichspannungswandler und den vierten Gleichspannungswandler, die in Reihe geschaltet sind, versorgt. Möglich ist, die elektrische Last, welche das System elektrischer Verbraucher verursacht, auf die erste Spannungsquelle und die zweite Spannungsquelle aufzuteilen. Weiterhin ist es möglich, die Lastverteilung im Betrieb dynamisch zu verändern.As long as the first voltage source provides sufficient voltage, the system electrical load is optionally supplied via the second DC-DC converter or via the first DC-DC converter and the fourth DC-DC converter, which are connected in series. It is possible to divide the electrical load that causes the system electrical loads on the first voltage source and the second voltage source. Furthermore, it is possible to dynamically change the load distribution during operation.
Die erste Spannungsquelle ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Brennstoffzellenanlage, bevorzugt eine Brennstoffzellenanlage mit PEM-Brennstoffzellen (PEM = Proton Exchange Membrane). Andere Ausgestaltungen einer Brennstoffzellenanlage sind ebenfalls möglich.In a preferred embodiment, the first voltage source is a fuel cell system, preferably a fuel cell system with PEM fuel cells (PEM = Proton Exchange Membrane). Other embodiments of a fuel cell system are also possible.
In einer Ausgestaltung umfasst das Wasserfahrzeug eine zweite Spannungsquelle. Diese zweite Spannungsquelle liefert Gleichstrom der zweiten Spannung (vom Fahrnetz verbraucht). Beispielsweise ist die zweite Spannungsquelle ein System mit mehreren wiederaufladbaren Batterien. Der erste Gleichspannungswandler ist mit dem Fahrnetz und zusätzlich mit der zweiten Spannungsquelle elektrisch verbunden. Der erste Gleichspannungswandler ist bevorzugt als bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgestaltet, d.h. er kann sowohl Gleichstrom der ersten Spannung in Gleichstrom der zweiten Spannung als auch Gleichstrom der zweiten Spannung in Gleichstrom der ersten Spannung umwandeln. Auch ein weiterer Gleichspannungswandler kann als bidirektionaler Spannungswandler ausgestaltet sein.In one embodiment, the watercraft comprises a second voltage source. This second voltage source provides DC of the second voltage (consumed by the car network). For example, the second voltage source is a system with multiple rechargeable batteries. The first DC-DC converter is electrically connected to the driving network and additionally to the second voltage source. The first DC-DC converter is preferably designed as a bidirectional DC-DC converter, i. it can convert both direct current of the first voltage into direct current of the second voltage and direct current of the second voltage into direct current of the first voltage. A further DC-DC converter can also be designed as a bidirectional voltage converter.
Diese Ausgestaltung ermöglicht folgende Betriebsart: Das Fahrnetz mit dem Fahrmotor wird ausschließlich oder wenigstens überwiegend von der ersten Spannungsquelle versorgt. Das System elektrischer Verbraucher wird von der zweiten Spannungsquelle versorgt. Die umgekehrte Betriebsart ist ebenfalls möglich.This refinement allows the following operating mode: The driving network with the traction motor is supplied exclusively or at least predominantly by the first voltage source. The system of electrical consumers is powered by the second voltage source. The reverse mode is also possible.
In einer Ausgestaltung vermag die zweite Spannungsquelle (bevorzugt eine Batterieanlage) die maximal vom Fahrnetz benötigte elektrische Leistung bereitzustellen und bevorzugt gleichzeitig auch die vom System elektrischer Verbraucher benötigte elektrische Leistung. Die erste Spannungsquelle vermag hingegen nur so viel elektrische Leistung umzuwandeln und abzugeben, dass sie das Fahrnetz mit einem Teil der maximal benötigten elektrischen Leistung zu versorgen vermag. Dieser Teil reicht beispielsweise aus, um den Fahrmotor mit einer reduzierten Drehzahl zu betreiben und bevorzugt gleichzeitig das System elektrischer Verbraucher zu versorgen, reicht aber nicht aus, um den Fahrmotor mit der vollen Drehzahl arbeiten zu lassen. In dieser Ausgestaltung braucht ein Gleichspannungswandler, der nur mit der ersten Spannungsquelle elektrisch verbunden ist, aber nicht mit der zweiten Spannungsquelle, nur so ausgelegt zu sein, dass er die maximal von der ersten Spannungsquelle bereitgestellte elektrische Leistung aufzunehmen und umzuwandeln vermag.In one embodiment, the second voltage source (preferably a battery system) can provide the maximum electrical power required by the driving network and at the same time also prefers the electrical power required by the system of electrical consumers. By contrast, the first voltage source is only able to convert and deliver so much electric power that it is able to supply the transport network with a portion of the maximum required electrical power. This part is sufficient, for example, to operate the traction motor at a reduced speed and preferably at the same time to supply the system electrical consumers, but not sufficient to let the traction motor operate at full speed. In this embodiment, a DC-DC converter, which is electrically connected only to the first voltage source, but not to the second voltage source, only needs to be designed so that it can absorb and convert the maximum electrical power provided by the first voltage source.
Die Ausgestaltung mit der zweiten Spannungsquelle stellt Redundanz bereit, ohne einen zusätzlichen Gleichspannungswandler vorsehen zu müssen. Falls die erste Spannungsquelle nicht genug Spannung liefert oder ausgefallen oder stark erhitzt ist, so kann die zweite Spannungsquelle das System elektrischer Verbraucher versorgen, und zwar über den ersten Gleichspannungswandler und den zweiten Gleichspannungswandler, die bei dieser Versorgung in Reihe geschaltet sind. Der erste Gleichspannungswandler wandelt im inversen Betrieb Gleichstrom der zweiten Spannung in Gleichstrom der ersten Spannung um, welche dann an der elektrischen Verbindung zwischen der ersten Spannungsquelle und dem ersten Gleichspannungswandler anliegt. Der zweite Gleichspannungswandler wandelt weiterhin Gleichstrom der ersten Spannung in Gleichstrom der dritten Spannung um. Möglich ist auch, dass das System elektrischer Verbraucher sowohl von der ersten Spannungsquelle also von der zweiten Spannungsquelle mit Spannung versorgt wird. Weiterhin ist möglich, die Lastverteilung zwischen den beiden Spannungsquellen im laufenden Betrieb dynamisch zu verändern.The embodiment with the second voltage source provides redundancy without having to provide an additional DC-DC converter. If the first voltage source is not supplying enough voltage or has failed or is highly heated, the second voltage source may supply the system of electrical loads via the first DC-DC converter and the second DC-DC converter connected in series with this supply. In reverse operation, the first DC-DC converter converts DC current of the second voltage into DC current of the first voltage, which is then applied to the electrical connection between the first voltage source and the first DC-DC converter. The second DC-DC converter further converts DC of the first voltage to DC of the third voltage. It is also possible for the system of electrical consumers to be supplied with voltage both from the first voltage source and from the second voltage source. It is also possible to dynamically change the load distribution between the two voltage sources during operation.
In einer Ausgestaltung ist die zweite Spannungsquelle dazu ausgestaltet, elektrische Energie zu speichern. Der zweite Gleichspannungswandler ist zusätzlich mit der wiederaufladbaren zweiten Spannungsquelle verbunden und ist als bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgestaltet. Dank dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass Strom, der im System elektrischer Verbraucher erzeugt wird, umgewandelt und in die zweite Spannungsquelle zurückgespeist wird.In one embodiment, the second voltage source is configured to store electrical energy. The second DC-DC converter is additionally connected to the rechargeable second voltage source and is designed as a bidirectional DC-DC converter. Thanks to this configuration, it is possible that current that is generated in the electrical load system, converted and fed back into the second voltage source.
Das lösungsgemäße Wasserfahrzeug ist insbesondere ein Unterwasserfahrzeug und kann ein bemanntes oder ein unbemanntes Wasserfahrzeug sein und kann für militärische und / oder für zivile Zwecke eingesetzt werden.In particular, the watercraft according to the invention is an underwater vehicle and may be a manned or an unmanned watercraft and may be used for military and / or civilian purposes.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Wasserfahrzeug anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 einen schematischen Schaltplan für ein elektrisches Netz, in welchem die Erfindung nicht angewendet wird; -
2 , auf welche Weise die Brennstoffzellenanlage in dem Netz gemäß1 die Batterie versorgt; -
3 , auf welche Weise die Batterie in dem Netz gemäß1 die Verbraucher versorgt; -
4 , auf welche Weise die Brennstoffzellenanlage in dem Netz gemäß1 die Verbraucher versorgt; -
5 einen schematischen Schaltplan für ein elektrisches Netz, in welchem eine erste Ausführungsform der Erfindung angewendet wird; -
6 , auf welche Weise die Brennstoffzellenanlage in dem Netz gemäß5 die Batterie versorgt; -
7 , auf welche Weise die Brennstoffzellenanlage in dem Netz gemäß5 den Fahrmotor versorgt; -
8 , auf welche Weise die Brennstoffzellenanlage in dem Netz gemäß5 die Verbraucher versorgt; -
9 , auf welche Weise die Batterie in dem Netz gemäß5 die Verbraucher versorgt; -
10 einen schematischen Schaltplan für ein elektrisches Netz, in welchem eine zweite Ausführungsform der Erfindung angewendet wird; -
11 , auf welche Weise die Batterie in dem Netz gemäß10 die Verbraucher versorgt.
-
1 a schematic circuit diagram for an electrical network, in which the invention is not applied; -
2 in what way does the fuel cell plant in the network according to1 the battery is powered; -
3 in what way the battery in the network according to1 supplies the consumers; -
4 in what way does the fuel cell plant in the network according to1 supplies the consumers; -
5 a schematic circuit diagram for an electrical network, in which a first embodiment of the invention is applied; -
6 in what way does the fuel cell plant in the network according to5 the battery is powered; -
7 in what way does the fuel cell plant in the network according to5 supplies the traction motor; -
8th in what way does the fuel cell plant in the network according to5 supplies the consumers; -
9 in what way the battery in the network according to5 supplies the consumers; -
10 a schematic circuit diagram for an electrical network, in which a second embodiment of the invention is applied; -
11 in what way the battery in the network according to10 supplies the consumers.
In
- - eine Brennstoffzellenanlage
BZ , die als eine erste Spannungsquelle fungiert und Gleichstrom einer ersten SpannungU1 liefert, - - ein System
Ba mit einer Menge von wiederaufladbaren Batterien, das als eine zweite Spannungsquelle fungiert und Gleichstrom einer zweiten SpannungU2 liefert, - - einen Generator
G , der von einem nicht gezeigten Dieselmotor angetrieben wird und Gleichstrom der zweiten SpannungU2 liefert, - - einen elektrischer Fahrmotor
Mo , der mindestens eine nicht gezeigte Welle für einen ebenfalls nicht gezeigten Propeller dreht, dadurch das Unterwasserfahrzeug antreibt und Gleichstrom der zweiten SpannungU2 aufnimmt, - - ein System
V elektrischer Verbraucher, welches Gleichstrom einer dritten SpannungU3 aufnimmt und beispielsweise Stellantriebe für Ruder, Sehrohre und Klappen sowie Kühleinrichtungen und elektronische Schaltschränke umfasst, - - einen ersten Gleichspannungswandler
G.1 , der Gleichstrom der ersten SpannungU1 in Gleichstrom der zweiten SpannungU2 umwandelt, - - einen weiteren Gleichspannungswandler
G.x , der Gleichstrom der zweiten SpannungU2 in Gleichstrom der dritten SpannungU3 umwandelt, und - - einen ersten Leistungsschalter
LS.1 , welcher den ersten GleichspannungswandlerG.1 wahlweise mit der BrennstoffzellenanlageBZ verbindet oder von ihr trennt.
- - a fuel cell system
BZ acting as a first voltage source and DC of a first voltageU1 supplies, - - a system
Ba with a quantity of rechargeable batteries acting as a second voltage source and DC of a second voltageU2 supplies, - - a generator
G which is driven by a diesel engine, not shown, and DC of the second voltageU2 supplies, - - An electric traction motor
Mo which rotates at least one shaft, not shown, for a propeller, also not shown, thereby driving the underwater vehicle and direct current of the second voltageU2 receives - - a system
V electrical load, which DC a third voltageU3 includes, for example, actuators for rudders, periscopes and flaps and cooling devices and electronic control cabinets, - - a first DC-DC converter
G.1 , the DC of the first voltageU1 in DC of the second voltageU2 converts, - - Another DC-DC converter
Gx , the DC of the second voltageU2 in DC of the third voltageU3 converts, and - - a first circuit breaker
LS.1 , which is the first DC-DC converterG.1 optionally with the fuel cell systemBZ connects or separates from it.
Im Ausführungsbeispiel ist die erste Spannung
Somit wird der Gleichstrom zweimal umgewandelt, nämlich zunächst mit dem Verhältnis eins zu
Außerdem zeigt
Falls also das System
In
In einer Ausgestaltung ist mindestens ein Gleichspannungswandler als bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgestaltet. Dies wird am Beispiel des vierten Gleichspannungswandlers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- BaBa
-
System wiederaufladbarer Batterien, wird mit Gleichstrom der zweiten Spannung
U2 beladen und gibt Gleichstrom der zweiten SpannungU2 ab, fungiert als die zweite SpannungsquelleSystem of rechargeable batteries, is powered by DC of the second voltageU2 charged and gives DC the second voltageU2 ab, acts as the second voltage source - BZBZ
-
Brennstoffzellenanlage, liefert Gleichstrom der ersten Spannung
U1 , fungiert als die erste SpannungsquelleFuel cell system, supplying DC of the first voltageU1 , acts as the first voltage source - GG
-
Generator, erzeugt Gleichstrom der zweiten Spannung
U2 Generator, generates DC of the second voltageU2 - G.1G.1
-
erster Gleichspannungswandler, wandelt Gleichstrom der ersten Spannung
U1 in Gleichstrom der zweiten SpannungU2 umfirst DC-DC converter, converts DC to the first voltageU1 in DC of the second voltageU2 around - G.2G.2
-
zweiter Gleichspannungswandler, wandelt Gleichstrom der ersten Spannung
U1 in Gleichstrom der dritten SpannungU3 um, parallel zum ersten GleichspannungswandlerG.1 geschaltetsecond DC-DC converter, converts DC of the first voltageU1 in DC of the third voltageU3 around, parallel to the first DC-DC converterG.1 switched - G.3G.3
-
dritter Gleichspannungswandler, wandelt Gleichstrom der ersten Spannung
U1 in Gleichstrom der zweiten SpannungU2 um, parallel zum ersten GleichspannungswandlerG.1 geschaltetthird DC-DC converter, converts DC of the first voltageU1 in DC of the second voltageU2 around, parallel to the first DC-DC converterG.1 switched - G.4G.4
-
vierter Gleichspannungswandler, wandelt Gleichstrom der zweiten Spannung
U2 in Gleichstrom der dritten SpannungU3 umfourth DC-DC converter, converts DC of the second voltageU2 in DC of the third voltageU3 around - G.xG.x
-
weiterer Gleichspannungswandler, wandelt Gleichstrom der zweiten Spannung
U2 in Gleichstrom der dritten SpannungU3 umanother DC-DC converter, converts DC to the second voltageU2 in DC of the third voltageU3 around - LS.1LS.1
-
erster Leistungsschalter, welcher den ersten Gleichspannungswandler
G.1 wahlweise mit der BrennstoffzellenanlageBZ verbindet oder von ihr trenntfirst circuit breaker, which the first DC-DC converterG.1 optionally with the fuel cell systemBZ connects or separates from it - LS.2LS.2
-
zweiter Leistungsschalter, welcher den ersten Gleichspannungswandler
G.1 und den zweiten GleichspannungswandlerG.2 wahlweise mit der BrennstoffzellenanlageBZ verbindet oder von ihr trenntsecond power switch, which the first DC-DC converterG.1 and the second DC-DC converterG.2 optionally with the fuel cell systemBZ connects or separates from it - LS.3LS.3
-
dritter Leistungsschalter, welcher den dritten Gleichspannungswandler
G.3 wahlweise mit der BrennstoffzellenanlageBZ verbindet oder von ihr trenntthird power switch, which the third DC-DC converterG.3 optionally with the fuel cell systemBZ connects or separates from it - LS.4LS.4
-
vierter Leistungsschalter, welcher den ersten Gleichspannungswandler
G.1 wahlweise mit den BestandteilenBA ,G ,Mo verbindet oder von ihnen trenntfourth power switch, which the first DC-DC converterG.1 optionally with the componentsBA .G .Mo connects or separates from them - MM
-
Faktor, um den die zweite Spannung
U2 größer ist als die erste SpannungU1 Factor to the second voltageU2 is greater than the first voltageU1 - MoMo
-
Fahrmotor, nimmt Gleichstrom der zweiten Spannung
U2 aufTraction motor, DC takes the second voltageU2 on - NN
-
Faktor, um den die dritte Spannung
U3 größer ist als die erste SpannungU1 Factor to the third voltageU3 is greater than the first voltageU1 - OO
-
Faktor, um den die zweite Spannung
U2 größer ist als die dritte SpannungU3 , O = M/NFactor to the second voltageU2 is greater than the third voltageU3 , O = M / N - U1U1
-
erste Spannung, Spannung des von der ersten Spannungsquelle (Brennstoffzellenanlage
BZ ) gelieferten Gleichstromsfirst voltage, voltage of the first voltage source (fuel cell systemBZ ) supplied direct current - U2U2
-
zweite Spannung, Spannung des vom Fahrmotor aufgenommenen und von der zweiten Spannungsquelle (Batterie-System
Ba ) sowie vom GeneratorG gelieferten Gleichstromssecond voltage, voltage of the driver motor and the second voltage source (battery systemBa ) as well as from the generatorG supplied direct current - U3U3
-
dritte Spannung, Spannung des vom System
V elektrischer Verbraucher aufgenommenen Gleichstromsthird voltage, voltage of the systemV electrical consumer recorded DC - VV
-
System elektrischer Verbraucher, nimmt Gleichstrom der dritten Spannung
U3 aufSystem of electrical consumers, takes DC of the third voltageU3 on - VbVb
-
elektrische Verbindung zwischen der Brennstoffzellenanlage
BZ und den beiden GleichspannungswandlernG.1 undG.2 electrical connection between the fuel cell systemBZ and the two DC-DC convertersG.1 andG.2
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018210907.9A DE102018210907A1 (en) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | Watercraft with two parallel DC-DC converters and method of operating such a watercraft |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018210907.9A DE102018210907A1 (en) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | Watercraft with two parallel DC-DC converters and method of operating such a watercraft |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family
ID=66629074
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018210907.9A Ceased DE102018210907A1 (en) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | Watercraft with two parallel DC-DC converters and method of operating such a watercraft |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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-
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- 2018-07-03 DE DE102018210907.9A patent/DE102018210907A1/en not_active Ceased
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