EP4309256A1 - Method for operating a submarine with a fuel cell and an accumulator - Google Patents

Method for operating a submarine with a fuel cell and an accumulator

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EP4309256A1
EP4309256A1 EP22712346.0A EP22712346A EP4309256A1 EP 4309256 A1 EP4309256 A1 EP 4309256A1 EP 22712346 A EP22712346 A EP 22712346A EP 4309256 A1 EP4309256 A1 EP 4309256A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
voltage
cell device
electrical system
accumulator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22712346.0A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Marc Pein
Niclas LUNDIUS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a submarine with a fuel cell and an accumulator.
  • a DC voltage converter for lithium accumulators is known from DE 10 2017 009 527 A1.
  • DE 10 2014 109 092 A1 discloses a drive system for a submarine with a DC voltage network and a number of battery strings.
  • the battery strings are connected to the DC network via string connection units.
  • the string current that flows is set by the string connection units.
  • EP 2 112 707 B1 discloses a method for supplying energy to a submarine using a power grid, a fuel cell and a reformer. The supply of fuel to the reformer is controlled depending on the power.
  • DE 199 54 306 A1 discloses a device for generating electrical energy with a fuel cell in a vehicle.
  • the object of the invention is to find a method for the optimal operation of a submarine with an accumulator and a fuel cell in order to provide the energy required by the submarine in an optimal form.
  • the method according to the invention for operating a submarine is for a submarine which has an on-board network, an energy storage device and a fuel cell device.
  • the consumers are also connected to the vehicle electrical system, for example and in particular the traction motor, control and guidance systems, a sonar system, life support systems including air treatment, cooling/air conditioning and the galley including cold storage space.
  • a diesel generator is usually also connected to the vehicle electrical system, which is usually the case when traveling under water is not used because of the exhaust gas and noise problems, even if there are diesel systems that are independent of the outside air. A diesel generator can therefore be disregarded for the method according to the invention, even if it is physically present.
  • the energy storage device has at least one accumulator and one DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is designed as described in DE 102017 009 527 A1.
  • the accumulator can be connected to the vehicle electrical system via the DC voltage converter.
  • the DC voltage converter can be used accordingly to separate the accumulator from the vehicle electrical system.
  • the DC-DC converter is controlled via a battery management system (BMS).
  • BMS battery management system
  • the DC-DC converter is designed to generate a variable output voltage of the energy storage device, as is the case, for example, with the DC-DC converter described in DE 10 2017 009 527 A1.
  • the fuel cell device can be connected to the vehicle electrical system via a first switch. In a first switching state of the switch, the fuel cell device is disconnected from the vehicle electrical system. In a second switching state of the switch, the fuel cell device is connected to the vehicle electrical system. In this case, the connection is preferred and usually unidirectional, i.e. current can only ever flow in one direction. It is thus prevented that an accumulator unintentionally draws current from the vehicle electrical system.
  • the fuel cell device has an open circuit voltage.
  • the output voltage of the fuel cell device generally drops.
  • the no-load voltage is thus the maximum voltage that the fuel cell device can supply in the currentless case.
  • a current flows, which means that additional effects, such as resistance, come into play. Therefore, for devices such as a fuel cell device, current-voltage characteristic curves are recorded in order to know at which current and thus at which load the device supplies which voltage can.
  • the drop in voltage is usually comparatively small, but when the currents are high in the direction of the maximum current (the maximum load), the drop accelerates very significantly.
  • the first switch is in a first switching state, so that the fuel cell device is disconnected from the vehicle electrical system.
  • the fuel cell is usually switched off in the disconnected state, ie shut down, so that the fuel cell device is usually put into operation or also started up only after it has been connected.
  • the DC-DC converter also connects the accumulator to the vehicle electrical system, and power flows from the accumulator into the vehicle electrical system via the DC-DC converter.
  • the initial situation is therefore that the fuel cell device is not yet connected to the vehicle electrical system and the energy supply is provided entirely by the accumulator via the vehicle electrical system. This situation arises, for example, when the submarine submerges.
  • the diesel generator can have guaranteed the energy supply and, for example, has fully charged the accumulator and is switched off so that the submarine can submerge and operate under water.
  • the method according to the invention has the following steps: a) determining the maximum load of the fuel cell device, b) setting the output voltage of the DC-DC converter to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device, c) bringing the first switch into one second switching state, so that the fuel cell device is connected to the vehicle electrical system, d) connecting the fuel cell device to the vehicle electrical system, e) lowering the output voltage of the DC/DC converter to a voltage which is 0.8 times to 0.8 times the voltage of the fuel cell device when a load is applied .95 times the maximum load of the fuel cell device.
  • the maximum load of the fuel cell device is determined, preferably once.
  • a fuel cell device has a current-voltage characteristic which provides a maximum voltage during no-load operation (currentless). The higher the load (the higher the current flowing), the more the voltage drops. The relationship is not linear here, but initially the drop is small, the voltage drops more sharply at a limit value (maximum load).
  • the maximum load is the load at which the product of current and voltage, i.e. the power, reaches a maximum. If the current continues to rise, the voltage falls more than the current rises.
  • the maximum load is a parameter that results from the current-voltage characteristic of the fuel cell device.
  • the value of the maximum load does not have to be determined exactly, but can also be estimated with sufficient accuracy on the basis of the load behavior.
  • the maximum load usually corresponds to the nominal load given in the specification or the nominal load can be used as a first approximation as the maximum load.
  • step e) the output voltage of the DC-DC converter is lowered to a voltage UGI, which corresponds to the voltage of the fuel cell device when the load is 0.8 to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device.
  • step b) the output voltage of the energy storage device and thus of the vehicle electrical system is raised to a potential such that this is approximately at the level of the fuel cell device.
  • the load of the electrical consumers is initially still borne by the energy storage device.
  • the equalization of the potentials prevents a voltage spike or even a spark when the switch is closed in step c).
  • the voltage of the vehicle electrical system is usually in the range of a few to several hundred volts and the spark gap can be quite significant. It must also be taken into account that such sparks are associated with the uncontrolled emission of electromagnetic radiation and, in addition to a pure fire hazard, above all entail the risk of the submarine being discovered.
  • the connection of the fuel cell device in step d) can or can include the booting, ie the starting of the fuel cell device precede the joining.
  • the electrical power output into the vehicle electrical system begins as a result of the connection.
  • the startup can preferably take place slowly after the purely electrical connection by slowly increasing the power output, for example in order to minimize negative thermal effects. As a result, the service life of the fuel cell can be increased.
  • the start-up may be complete when the fuel cell device is in a steady state thermal state or has reached full capability.
  • the next step can either be carried out afterwards or it can already be started in parallel in order to adapt the power outputs of the fuel cell device and the energy storage device to the current level of energy generation of the fuel cell device.
  • step e) the output voltage of the DC-DC converter is then reduced to a level below the output voltage of the fuel cell in regular supply operation (regulated operation).
  • the voltage of the fuel cell device as a function of the load ie the power consumed via the vehicle electrical system, is a characteristic and fixed relationship for the respective fuel cell device. Therefore, voltage versus load is a well-known correlation for each concrete fuel cell device. Here, the voltage is at its highest when there is no load and initially decreases slowly, but with increasing load it decreases more and more. Therefore, the selected voltage of the fuel cell device when a load of 0.8 times to 0.95 times the maximum load is applied is a fixed and predefined voltage resulting from the characteristics of the fuel cell device.
  • a corresponding voltage is thus defined, which precisely defines this level, which corresponds to the voltage at 0.8 times to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device.
  • the maximum load can therefore be, for example, the state in which the fuel cell delivers its maximum rated power to the vehicle electrical system and the connected loads without another energy generator being connected to the vehicle electrical system. The state of charge of the accumulator is therefore not reduced.
  • the level of the output voltage of the DC-DC converter is chosen so that in the case when consumers require more power than can be provided by the fuel cell and thus the output voltage of the fuel cell device and / or the vehicle electrical system drops, the level of the output voltage of the DC voltage converter of the energy storage device is reached quickly. This can happen, for example, when the submarine has to accelerate quickly and the traction motor therefore has to be supplied with a very high current.
  • the energy storage device then also delivers electrical energy to the vehicle electrical system and supports the vehicle electrical system voltage. Energy is then made available both by the fuel cell and by the energy storage device. It can thus be ensured that the charge level of the accumulator does not drop under normal circumstances, but that the required electrical power is available without delay in an emergency.
  • the voltage of the fuel cell is the voltage in the vehicle electrical system (UB) when the fuel cell is utilized at 100%, ie when the rated power is delivered.
  • This voltage can either be measured by a voltage pickup or results from a nominal value that was specified when designing the vehicle electrical system or the fuel cell.
  • the output voltage of the DC-DC converter is set in the range of 0.8 to 0.95 of this voltage of the vehicle electrical system in the DC-DC converter.
  • the output voltage of the DC-DC converter is determined either by regulation in the DC-DC converter or by specifying a target value from a higher-level vehicle electrical system controller.
  • the DC voltage converter and/or the higher-level vehicle electrical system control have at least inputs for detecting the vehicle electrical system voltage and/or the operating state of the fuel cell.
  • a fuel cell device usually has a large number of fuel cells.
  • a large number of fuel cells are usually connected in series in order, for example, to achieve the high voltage that a traction motor requires and thus usually defines the voltage level of the vehicle electrical system.
  • several fuel cells can also be connected in parallel in order to achieve the required high currents. This results in a large number of interconnection options within one Fuel cell device, which the person skilled in the art will select in such a way that the performance is least affected if individual fuel cells fail and/or the replacement of certain module assemblies is particularly easy.
  • step e due to the lowering of the output voltage of the DC-DC converter in step e), no current flows from the accumulator into the vehicle electrical system in control mode.
  • regular operation means that the consumers consume less power from the vehicle electrical system than the maximum power of the fuel cell device.
  • energy is not unnecessarily taken from the accumulator during regular operation.
  • the energy reserves on board the submarine are preserved in order to be able to make them available as extensively as possible in a case that deviates from regular operation, in particular an emergency.
  • Fuel cell device is a current from the accumulator in the vehicle electrical system.
  • the advantage is that even in an emergency, no switching process or control intervention is necessary to provide the electrical energy from the accumulator. This is achieved by the fact that in high-load operation, after the consumed power has exceeded the power generated by the fuel cell, the voltage in the vehicle electrical system drops. As soon as the voltage in the vehicle electrical system has reached the voltage of the
  • the DC-DC converter feeds power from the accumulator into the vehicle electrical system and thereby stabilizes the voltage in the vehicle electrical system at the level of the voltage of the DC-DC converter but below the voltage level of the fuel cell.
  • the power of the fuel cell and additional power from the accumulators are fed in.
  • no electrical energy is usually transmitted from the accumulator to the vehicle electrical system.
  • the voltage in the vehicle electrical system drops because the fuel cell cannot deliver the required power.
  • step e the voltage is reached or fallen below to which the output voltage of the DC-DC converter was reduced in step e), as a result of which the electrical power is delivered from the accumulator to the vehicle electrical system and thus to the consumers immediately and without further steps.
  • Such an emergency can be, for example, an evasive or surfacing maneuver in which full power for the drive must be made available for a short time.
  • the vehicle electrical system voltage increases again.
  • the output voltage of the DC-DC converter is exceeded and it no longer feeds in electrical power from the accumulator.
  • the DC-DC converter prevents energy from flowing out of the vehicle electrical system and into the accumulator.
  • the DC-DC converter can be switched in such a way that power is taken from the vehicle electrical system and stored in the accumulator. This can happen, for example, when the accumulator is not fully charged or the state of charge falls below a target value. However, only so much power is then drawn that the maximum power of the fuel cell is not exceeded, i.e. the voltage of the vehicle electrical system does not fall below the voltage in normal operation.
  • the output voltage of the DC-DC converter starts to be reduced in step e), preferably in accordance with the current-voltage characteristic of the fuel cell device.
  • the output voltage is lowered in steps or continuously, particularly preferably to the extent that the fuel cell can supply the vehicle electrical system with energy. If the fuel cell can only provide 25% of its power, for example, because the start-up process is not yet complete, the output voltage of the DC-DC converter of the energy storage device is, for example, only reduced to the extent that the energy storage device makes the remaining 75% of the required power available. Alternatively, it is also possible to wait until the fuel cell device has reached its operational readiness before lowering the output voltage.
  • the vehicle electrical system is then supplied by both the fuel cell device and the accumulator. Subsequently, in this alternative embodiment, the output voltage of the rectifier is lowered stepwise or continuously.
  • An advantage of this embodiment is that the fuel cell device only reliably reaches a stable operating state before the fuel cell device provides the complete energy supply and the accumulator no longer feeds energy into the vehicle electrical system. In this way, the optimal utilization of the two energy sources and the entire operating time can be ensured. At the same time, the fuel cell device is started up particularly gently and the electrical energy required for all ship systems is nevertheless made available.
  • step b) the output voltage of the DC-DC converter is adjusted to 1.0 times to 1.1 times the no-load voltage of the fuel cell device.
  • the output voltage of the DC-DC converter is adjusted exactly to the voltage of the fuel cell device. In this context, it must be taken into account that the output voltage of the DC-DC converter can only be adjusted step by step and therefore only approximately exactly.
  • step e) the output voltage of the DC-DC converter is reduced to a voltage which corresponds to the voltage of the fuel cell device when the load is 0.88 to 0.92 times the maximum load of the fuel cell device.
  • the output voltage is adjusted step by step in steps b) and e).
  • the height of the steps is on the order of 0.5% to 3% of the open circuit voltage of the fuel cell device.
  • the method also has the following steps: f) raising the output voltage of the DC-DC converter to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device, g) switching off the fuel cell device, h) spending the first switch in a first switching state, so that the fuel cell device is separated from the vehicle electrical system.
  • steps g) and h) take place in reverse order or simultaneously.
  • the fuel cell device is preferably short-circuited with a load resistor after it has been disconnected from the vehicle electrical system, so that the chemical reaction continues after the fuel cell device has been switched off and hydrogen and oxygen therefore do not remain in the fuel cell at least in high concentrations, which protects the membrane in particular.
  • step g) comparatively quickly compared to the optional start-up in step d), since the fuel cell is not subjected to such a high load as a result.
  • step g) the following step is carried out: i) setting the output voltage of the DC/DC converter to a voltage level for operating the vehicle electrical system exclusively from the accumulator.
  • the output voltage of the DC-DC converter can be set as a function of the state of charge of the accumulator.
  • the output voltage is preferably selected as high as the voltage range of the vehicle electrical system allows in normal operation, since a higher voltage with the same power leads to lower currents and thus to lower line losses.
  • the voltage range of the vehicle electrical system in normal operation extends from 0.9 to 1.1 of the nominal voltage.
  • the output voltage is then selected in the range from 1.05 to 1.1 of the nominal voltage.
  • the accumulator is connected to the vehicle electrical system via a diode.
  • the diode is switched in such a way that only electrical energy from the accumulator can be delivered to the vehicle electrical system and the accumulator is prevented from being recharged.
  • the diode can be part of the DC-DC converter.
  • step e) the following steps are carried out to charge the accumulator by means of the fuel cell device according to step e): j) setting the output voltage of the DC/DC converter to a voltage level for charging the accumulator by means of the fuel cell device, k) bypassing the diode with a diode bypass switch,
  • the output voltage of the DC/DC converter is continuously adjusted during step I) in order to optimize the charging process.
  • FIG. 1 Schematic cross-section of a submarine Fig. 2 Process flow chart Fig. 3 Current-voltage characteristic
  • Fig. 1 a highly schematic cross section through a submarine 10 is shown.
  • the submarine 10 has an energy storage device 20, an on-board network 90 and, by way of example, a traction motor 80 as a consumer.
  • the submarine 10 has a fuel cell device 60 which can be connected to or disconnected from the on-board power supply 90 by means of a switch 70 .
  • the energy storage device 20 has an accumulator 30 , a DC voltage converter 40 and a diode 50 .
  • the vehicle electrical system 90 is supplied via the energy storage device 20, and thus, for example, the traction motor 80.
  • the fuel cell device 60 is switched off and separated from the vehicle electrical system 90 by the switch 70.
  • the following steps are carried out: b) setting the output voltage of the DC voltage converter 40 to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device 60, c) bringing the first switch 70 into a second switching state, so that the fuel cell device 60 is connected to the vehicle electrical system, d) connecting and then starting up the fuel cell device 60, e) lowering the output voltage of the DC-DC converter 40 to a voltage which corresponds to the voltage of the fuel cell device (60 ) when a load of 0.8 to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device 60 is applied.
  • the energy for example for the traction motor 80
  • the fuel cell device 60 Only if the drive motor 80 suddenly draws a lot of energy, for example because an escape maneuver has to be carried out, does the voltage of the fuel cell device 60 drop according to the current-voltage characteristic and thus also the voltage in the vehicle electrical system 90. If the level is reached, to which the output voltage of the DC-DC converter 40 is reduced, the accumulator 30 also makes energy available to the traction motor 80 via the vehicle electrical system 90 .
  • the accumulator 30 is to be charged via the fuel cell device 60, the following steps are carried out. j) setting the output voltage of the DC-DC converter 40 to a voltage level for charging the accumulator 30 by means of the fuel cell device 60, k) bridging the diode 50 with a diode bridging switch,
  • FIG. 3 shows a purely schematic current-voltage characteristic of an exemplary fuel cell device. A real current-voltage characteristic can have a fundamentally different relationship.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a submarine (10) having a fuel cell device (60) and an accumulator (30).

Description

Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer Brennstoffzelle und einem Akkumulator Method for operating a submarine with a fuel cell and an accumulator
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes mit einer Brennstoffzelle und einem Akkumulator. The invention relates to a method for operating a submarine with a fuel cell and an accumulator.
Konventionelle, also nicht nukleare, Unterseeboote weisen üblicherweise einen Dieselgenerator und einen Akkumulator auf. Während der Überwasserfahrt fährt das Unterseeboot mit Diesel und nutzt den Dieselgenerator neben dem Vortrieb auch zum Aufladen des Akkumulators. In diesem Stadium ist das Unterseeboot an der Wasseroberfläche also sichtbar sowohl im sichtbaren Bereich als auch im Radarbereich, durch den Dieselgenerator vergleichsweise laut und durch die heißen Abgase zusätzlich leicht zu orten. Daher fährt das Unterseeboot in einem Einsatz üblicherweise unter Wasser, indem ein Elektroantrieb durch den Akkumulator gespeist wird, wodurch das Unterseeboot sehr viel schwerer zu orten ist. Nachteil ist jedoch, dass die Reichweite hierbei auf die Kapazität des Akkumulators begrenzt ist, der aufgrund von Größe und Gewicht auch nicht beliebig sinnvoll erweiterbar ist. Abhilfe haben hier in den letzten Jahren Unterseeboote geschaffen, die zusätzlich über eine Brennstoffzelle verfügen. Diese setzten beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um und erzeugen dabei Energie. Alternativ zur Mitnahme von Wasserstoff kann beispielsweise Methanol in einem Reformer vorher zu Wasserstoff umgesetzt werden. In beiden Varianten kann eine größere Menge an Energie durch die Mitnahme der für die Brennstoffzelle benötigten Treibstoff leicht mitgeführt werden und so die Reichweite getaucht deutlich gesteigert werden. Im Vergleich zu einem Dieselgenerator ist die Leistung einer Brennstoffzelle vergleichsweise gering, da diese regelmäßig nur bei geringer Geschwindigkeit zur Geräuschvermeidung eingesetzt wird. Bei hoher Geschwindigkeit und damit verbunden hoher Geräuschentwicklung kann leicht auf den Dieselgenerator zurückgegriffen werden. Conventional, ie non-nuclear, submarines usually have a diesel generator and an accumulator. During the surface voyage, the submarine runs on diesel and uses the diesel generator not only for propulsion but also to charge the accumulator. At this stage, the submarine is visible on the water surface both in the visible range and in the radar range, is comparatively loud due to the diesel generator and is also easy to locate due to the hot exhaust gases. Therefore, in a mission, the submarine typically travels underwater using an electric drive powered by the accumulator, making the submarine much more difficult to locate. The disadvantage, however, is that the range is limited to the capacity of the accumulator, which, due to its size and weight, cannot be expanded at will. In recent years, submarines have been able to remedy this, which also have a fuel cell. These convert hydrogen and oxygen into water, for example, and generate energy in the process. As an alternative to taking hydrogen with you, methanol, for example, can be converted into hydrogen beforehand in a reformer. In both variants, a larger amount of energy can easily be carried along by taking the fuel required for the fuel cell with you, thus significantly increasing the diving range. Compared to a diesel generator, the performance of a fuel cell is comparatively low, since it is regularly only used at low speeds to avoid noise. At high speeds and the associated high level of noise, the diesel generator can easily be used.
Aus der DE 10 2017 009 527 A1 ist ein Gleichspannungswandler für Lithium- Akkumulatoren bekannt. A DC voltage converter for lithium accumulators is known from DE 10 2017 009 527 A1.
Aus der DE 10 2014 109 092 A1 ist ein Antriebssystem für ein Unterseeboot mit einem Gleichspannungsnetz und mehreren Batteriesträngen bekannt. Die Batteriestränge sind über Stranganbindungseinheiten mit dem Gleichspannungsnetz verbunden. Der fließende Strangstrom wird durch die Stranganbindungseinheiten eingestellt. DE 10 2014 109 092 A1 discloses a drive system for a submarine with a DC voltage network and a number of battery strings. The battery strings are connected to the DC network via string connection units. The string current that flows is set by the string connection units.
Aus der EP 2 112 707 B1 ist ein Verfahren zur Energieversorgung eines Unterseebootes mit einem Stromnetz, einer Brennstoffzelle und einem Reformer bekannt. Die Zufuhr von Kraftstoff zum Reformer wird in Abhängigkeit der Leistung gesteuert. EP 2 112 707 B1 discloses a method for supplying energy to a submarine using a power grid, a fuel cell and a reformer. The supply of fuel to the reformer is controlled depending on the power.
Aus der US 7 354671 B2 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Batterie bekannt. A fuel cell system with a battery is known from US Pat. No. 7,354,671 B2.
Aus der DE 199 54 306 A1 ist eine Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug bekannt. DE 199 54 306 A1 discloses a device for generating electrical energy with a fuel cell in a vehicle.
Aus der US 2009 / 0 008 166 A1 ist ein elektrisches System einer Brennstoffzelle, ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie bekannt. An electrical system of a fuel cell, a vehicle with a fuel cell and a method for providing electrical energy are known from US 2009/0 008 166 A1.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum optimalen Betreiben eines Unterseebootes mit einem Akkumulator und einer Brennstoffzelle zu finden, um so die vom Unterseeboot benötigte Energie in optimaler Form bereit zu stellen. The object of the invention is to find a method for the optimal operation of a submarine with an accumulator and a fuel cell in order to provide the energy required by the submarine in an optimal form.
Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. This problem is solved by the method with the features specified in claim 1 . Advantageous developments result from the dependent claims, the following description and the drawings.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes ist für ein Unterseeboot, welches ein Bordnetz, eine Energiespeichervorrichtung und eine Brennstoffzellenvorrichtung aufweist. An das Bordnetz sind neben der Energiespeichervorrichtung und der Brennstoffzellenvorrichtung, welche elektrische Energie bereitstellen, auch die Verbraucher angeschlossen, beispielsweise und insbesondere der Fahrmotor, Steuer- und Leitsysteme, ein Sonarsystem, Lebenserhaltungssysteme einschließlich Luftaufbereitung, Kühlung/Klimaanlage sowie Kombüse einschließlich Kühllagerplatz. Üblicherweise ist weiter ein Dieselgenerator an das Bordnetz angeschlossen, welcher bei einer Fahrt unter Wasser üblicherweise aufgrund der Abgas- und Lärmprobleme nicht eingesetzt wird, auch wenn es außenluftunabhängige Dieselsysteme gibt. Daher kann für das erfindungsgemäße Verfahren ein Dieselgenerator, wenn auch physisch vorhanden außer Acht gelassen werden. Durch einen Dieselgenerator und/oder einen Ladevorgang an der Pier wird jedoch üblicherweise dafür gesorgt, dass der Akkumulator am Anfang einen hohen Ladezustand, vorzugsweise größer 90 %, weiter bevorzugt größer 95 %, aufweist. Die Energiespeichervorrichtung wenigstens einen Akkumulator und einen Gleichspannungswandler auf. Beispielsweise und bevorzugt ist der Gleichspannungswandler wie in der DE 102017 009 527 A1 beschrieben ausgeführt. Der Akkumulator kann über den Gleichspannungswandler mit dem Bordnetz verbunden werden. Ebenso kann der Gleichspannungswandler entsprechend dazu verwendet werden, den Akkumulator vom Bordnetz zu trennen. Beispielsweise und bevorzugt wird der Gleichspannungswandler über ein Batterie-Managementsystem (BMS) gesteuert. Der Gleichspannungswandler ist zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung ausgebildet, wie dieses beispielsweise bei dem in der DE 10 2017 009 527 A1 beschriebenen Gleichspannungswandler der Fall ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann über einen ersten Schalter mit dem Bordnetz verbunden werden, in einem ersten Schaltzustand des Schalters ist die Brennstoffzellenvorrichtung vom Bordnetz getrennt in einem zweiten Schaltzustand des Schalters ist die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Bordnetz verbunden. Hierbei ist die Verbindung bevorzugt und üblicherweise unidirektional, es kann also Strom immer nur in eine Richtung fließen. Somit wird somit verhindert, dass ein Akkumulator ungewollt Strom aus dem Bordnetz entnimmt. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist eine Leerlaufspannung auf. Wird die Brennstoffzellenvorrichtung belastet, indem die elektrische Leistung durch einen oder mehrere Verbraucher abgezogen wird und erhöht sich somit der fließende Strom, so sinkt im allgemeinen die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung. Dieser Zsuammenhang wir technisch in der Strom- Spannungs-Kennlinie beschrieben. Die Leerlaufspannung ist somit die maximale Spannung, die die Brennstoffzellenvorrichtung im stromlosen Fall liefern kann. Bei einer Last fließt ein Strom, wodurch zusätzliche Effekte, beispielsweise Widerstände zum Tragen kommen. Daher werden für Vorrichtungen wie auch eine Brennstoffzellenvorrichtung Strom-Spannungskennlinien aufgenommen, um zu wissen, bei welchem Strom und damit bei welcher Last, die Vorrichtung welche Spannung liefern kann. Üblicherweise ist im Bereich kleiner Ströme das Absinken der Spannung vergleichsweise gering, zu hohen Strömen in Richtung des Maximalstromes (der Maximallast) jedoch beschleunigt sich das Absinken sehr deutlich. The method according to the invention for operating a submarine is for a submarine which has an on-board network, an energy storage device and a fuel cell device. In addition to the energy storage device and the fuel cell device, which provide electrical energy, the consumers are also connected to the vehicle electrical system, for example and in particular the traction motor, control and guidance systems, a sonar system, life support systems including air treatment, cooling/air conditioning and the galley including cold storage space. A diesel generator is usually also connected to the vehicle electrical system, which is usually the case when traveling under water is not used because of the exhaust gas and noise problems, even if there are diesel systems that are independent of the outside air. A diesel generator can therefore be disregarded for the method according to the invention, even if it is physically present. However, a diesel generator and/or a charging process at the pier usually ensures that the accumulator initially has a high state of charge, preferably greater than 90%, more preferably greater than 95%. The energy storage device has at least one accumulator and one DC-DC converter. For example and preferably, the DC-DC converter is designed as described in DE 102017 009 527 A1. The accumulator can be connected to the vehicle electrical system via the DC voltage converter. Likewise, the DC voltage converter can be used accordingly to separate the accumulator from the vehicle electrical system. For example and preferably, the DC-DC converter is controlled via a battery management system (BMS). The DC-DC converter is designed to generate a variable output voltage of the energy storage device, as is the case, for example, with the DC-DC converter described in DE 10 2017 009 527 A1. The fuel cell device can be connected to the vehicle electrical system via a first switch. In a first switching state of the switch, the fuel cell device is disconnected from the vehicle electrical system. In a second switching state of the switch, the fuel cell device is connected to the vehicle electrical system. In this case, the connection is preferred and usually unidirectional, i.e. current can only ever flow in one direction. It is thus prevented that an accumulator unintentionally draws current from the vehicle electrical system. The fuel cell device has an open circuit voltage. If the fuel cell device is loaded by the electrical power being drawn off by one or more consumers and the current flowing thus increases, the output voltage of the fuel cell device generally drops. This relationship is technically described in the current-voltage characteristic. The no-load voltage is thus the maximum voltage that the fuel cell device can supply in the currentless case. With a load, a current flows, which means that additional effects, such as resistance, come into play. Therefore, for devices such as a fuel cell device, current-voltage characteristic curves are recorded in order to know at which current and thus at which load the device supplies which voltage can. In the range of small currents, the drop in voltage is usually comparatively small, but when the currents are high in the direction of the maximum current (the maximum load), the drop accelerates very significantly.
Zu Beginn befindet sich der erste Schalter in einem ersten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung vom Bordnetz getrennt ist. Üblicherweise ist die Brennstoffzelle im getrennten Zustand ausgeschaltet, also heruntergefahren, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung üblicherweise erst nach dem Verbinden in Betrieb genommen oder auch hochgefahren wird. Weiter verbindet der Gleichspannungswandler den Akkumulator mit dem Bordnetz und Leistung fließt aus dem Akkumulator über den Gleichspannungswandler in das Bordnetz. Die Ausgangslage ist somit, dass die Brennstoffzellenvorrichtung noch nicht mit dem Bordnetz verbunden ist und die Energieversorgung vollständig durch den Akkumulator über das Bordnetz zur Verfügung gestellt wird. Diese Situation ergibt sich beispielsweise beim Abtauchen des Unterseebootes. Der Dieselgenerator kann bis dahin die Energieversorgung gewährleistet haben und hat beispielsweise den Akkumulator voll aufgeladen und wird abgeschaltet, damit das Unterseeboot abtauchen und unter Wasser operieren kann. At the beginning, the first switch is in a first switching state, so that the fuel cell device is disconnected from the vehicle electrical system. The fuel cell is usually switched off in the disconnected state, ie shut down, so that the fuel cell device is usually put into operation or also started up only after it has been connected. The DC-DC converter also connects the accumulator to the vehicle electrical system, and power flows from the accumulator into the vehicle electrical system via the DC-DC converter. The initial situation is therefore that the fuel cell device is not yet connected to the vehicle electrical system and the energy supply is provided entirely by the accumulator via the vehicle electrical system. This situation arises, for example, when the submarine submerges. By then, the diesel generator can have guaranteed the energy supply and, for example, has fully charged the accumulator and is switched off so that the submarine can submerge and operate under water.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Festlegen der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung, b) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf das 0,95- fache bis 1 ,2-fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung, c) Verbringen des ersten Schalters in einen zweiten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Bordnetz verbunden ist, d) Verbinden der Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Bordnetz, e) Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf eine Spannung, welche der Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei einer anliegenden Last von dem 0,8-fache bis 0,95-fache der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht. The method according to the invention has the following steps: a) determining the maximum load of the fuel cell device, b) setting the output voltage of the DC-DC converter to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device, c) bringing the first switch into one second switching state, so that the fuel cell device is connected to the vehicle electrical system, d) connecting the fuel cell device to the vehicle electrical system, e) lowering the output voltage of the DC/DC converter to a voltage which is 0.8 times to 0.8 times the voltage of the fuel cell device when a load is applied .95 times the maximum load of the fuel cell device.
In Schritt a) wird, bevorzugt einmalig, die Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung festgelegt. Eine Brennstoffzellenvorrichtung hat eine Strom-Spannungskennlinie, welche bei lastfreiem Betrieb (stromlos) eine maximale Spannung bereitstellt. Je höher die Last ist (umso höher der fließende Strom ist), umso mehr sinkt die Spannung. Hierbei ist der Zusammenhang nicht linear, sondern zunächst ist der Abfall gering, zu einem Grenzwert (Maximallast) fällt die Spannung stärker ab. Somit ist die Maximallast die Last, bei der das Produkt aus Strom und Spannung, also die Leistung, ein Maximum erreicht. Bei weiter steigendem Strom sinkt die Spannung stärker als der der Strom steigt. Somit ist die Maximallast eine Kenngröße, welche sich aus der Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzellenvorrichtung ergibt. Hierbei muss nicht exakt der Wert der Maximallast ermittelt werden, sondern kann mit ausreichender Genauigkeit auch aufgrund des Lastverhaltens abgeschätzt werden. Die Maximallast entspricht üblicherweise der in der Spezifikation angegebenen Nennlast oder die Nennlast kann in erster Näherung als Maximallast verwendet werden. In step a), the maximum load of the fuel cell device is determined, preferably once. A fuel cell device has a current-voltage characteristic which provides a maximum voltage during no-load operation (currentless). The higher the load (the higher the current flowing), the more the voltage drops. The relationship is not linear here, but initially the drop is small, the voltage drops more sharply at a limit value (maximum load). Thus, the maximum load is the load at which the product of current and voltage, i.e. the power, reaches a maximum. If the current continues to rise, the voltage falls more than the current rises. Thus, the maximum load is a parameter that results from the current-voltage characteristic of the fuel cell device. In this case, the value of the maximum load does not have to be determined exactly, but can also be estimated with sufficient accuracy on the basis of the load behavior. The maximum load usually corresponds to the nominal load given in the specification or the nominal load can be used as a first approximation as the maximum load.
Bei der Maximallast Pmax liegt somit eine Spannung Up.max vor. In Schritt e) wird die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf eine Spannung UGI abgesenkt, welcher der Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei einer anliegenden Last von dem 0,8-fache bis 0,95-fache der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht. A voltage Up.max is therefore present at the maximum load Pmax. In step e), the output voltage of the DC-DC converter is lowered to a voltage UGI, which corresponds to the voltage of the fuel cell device when the load is 0.8 to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device.
0,95 * Up.max — UGI — 0,8 * Up.max 0.95 * Up.max — UGI — 0.8 * Up.max
Zunächst wird in Schritt b) die Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung und somit des Bordnetzes auf ein Potential angehoben, sodass dieses sich ungefähr auf dem Niveau der Brennstoffzellenvorrichtung befindet. Hierdurch wird zum einen die Last der elektrischen Verbraucher zunächst noch durch die Energiespeichervorrichtung getragen. Zum anderen verhindert die Angleichung der Potentiale eine Spannungsspitze oder gar einen Funkenschlag beim Schließen des Schalters in Schritt c). Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Spannung des Bordnetzes üblicherweise im Bereich einiger bis mehrerer hundert Volt liegt und die Funkenstrecke durchaus nennenswert sein kann. Weiter ist zu berücksichtigen, dass solche Funken mit der unkontrollierten Emission elektromagnetischer Strahlung einhergehen und neben einer reinen Feuergefahr vor allem die Gefahr der Entdeckung des Unterseeboots mit sich bringen. First, in step b), the output voltage of the energy storage device and thus of the vehicle electrical system is raised to a potential such that this is approximately at the level of the fuel cell device. As a result, on the one hand, the load of the electrical consumers is initially still borne by the energy storage device. On the other hand, the equalization of the potentials prevents a voltage spike or even a spark when the switch is closed in step c). It should be noted here that the voltage of the vehicle electrical system is usually in the range of a few to several hundred volts and the spark gap can be quite significant. It must also be taken into account that such sparks are associated with the uncontrolled emission of electromagnetic radiation and, in addition to a pure fire hazard, above all entail the risk of the submarine being discovered.
Das Verbindender Brennstoffzellenvorrichtung in Schritt d) kann das Hochfahren, also das Starten der Brennstoffzellenvorrichtung umfassen beziehungsweise kann dieses dem Verbinden vorausgehen. Durch das Verbinden beginnt die elektrische Leistungsabgabe in das Bordnetz. Das Hochfahren kann bevorzugt langsam nach dem reinen elektrischen Verbinden erfolgen indem die Leistungsabgabe langsam gesteigert wird, um beispielsweise negative thermische Effekte zu minimieren. Hierdurch kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle gesteigert werden. Das Hochfahren kann beendet sein, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in einem eingeschwungenen thermischen Zustand ist oder die volle Leistungsfähigkeit erreicht hat. Der nächste Schritt kann entweder anschließend durchgeführt werden oder er kann bereits parallel begonnen werden, um die Leistungsabgaben der Brennstoffzellenvorrichtung und der Energiespeichervorrichtung auf das jeweils aktuelle Niveau der Energieerzeugung der Brennstoffzellenvorrichtung anzupassen. The connection of the fuel cell device in step d) can or can include the booting, ie the starting of the fuel cell device precede the joining. The electrical power output into the vehicle electrical system begins as a result of the connection. The startup can preferably take place slowly after the purely electrical connection by slowly increasing the power output, for example in order to minimize negative thermal effects. As a result, the service life of the fuel cell can be increased. The start-up may be complete when the fuel cell device is in a steady state thermal state or has reached full capability. The next step can either be carried out afterwards or it can already be started in parallel in order to adapt the power outputs of the fuel cell device and the energy storage device to the current level of energy generation of the fuel cell device.
Im Schritt e) erfolgt dann ein Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf ein Niveau unterhalb der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle im regulären Versorgungsbetrieb (Regelbetrieb). Die Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit von der Last, also der über das Bordnetz verbrauchten Leistung, ist eine für die jeweilige Brennstoffzellenvorrichtung charakteristische und feste Beziehung. Daher ist Spannung in Abhängigkeit der Last eine für jede konkrete Brennstoffzellenvorrichtung bekannte Korrelation. Hierbei ist die Spannung ohne Last am Höchsten und sinkt zunächst langsam, bei steigernder Last zunehmend stärker ab. Daher ist die gewählte Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei einer anliegenden Last von dem 0,8-fache bis 0,95-fache der Maximallast eine aus der Charakteristik der Brennstoffzellenvorrichtung sich ergebende feste und vordefinierte Spannung. Es wird somit eine entsprechende Spannung definiert, die genau dieses Niveau definiert, welches der Spannung beim 0,8-fache bis 0,95-fache der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht. Dies meint, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers so gewählt ist, dass im Regelbetrieb die Energie nur durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, welche die Verbraucher verbrauchen. Die Maximallast kann also beispielsweise der Zustand sein in dem die Brennstoffzelle ihre maximale Nennleistung an das Bordnetz und die angeschlossenen Verbraucher abgibt ohne dass ein weiterer Energieerzeuger mit dem Bordnetz verbunden ist. Der Ladezustand des Akkumulators verringert sich somit nicht. Das Niveau der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers wird aber so gewählt, dass in dem Fall, wenn Verbraucher mehr Leistung benötigen als von der Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann und somit die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder des Bordnetzes absinkt, das Niveau der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers der Energiespeichervorrichtung zügig erreicht wird. Dieses kann beispielsweise geschehen, wenn das Unterseeboot schnell beschleunigen muss und der Fahrmotor daher mit einem sehr hohen Strom gespeist werden muss. Die Energiespeichervorrichtung gibt dann ebenfalls elektrische Energie an das Bordnetz ab und stützt die Bordnetzspannung. Energie wird dann sowohl von der Brennstoffzelle als auch durch die Energiespeichervorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Somit kann gewährleistet werden, dass im Normalfall der Ladezustand des Akkumulators nicht sinkt, im Notfall aber ohne Verzögerung benötigte elektrische Leistung zur Verfügung steht. In step e), the output voltage of the DC-DC converter is then reduced to a level below the output voltage of the fuel cell in regular supply operation (regulated operation). The voltage of the fuel cell device as a function of the load, ie the power consumed via the vehicle electrical system, is a characteristic and fixed relationship for the respective fuel cell device. Therefore, voltage versus load is a well-known correlation for each concrete fuel cell device. Here, the voltage is at its highest when there is no load and initially decreases slowly, but with increasing load it decreases more and more. Therefore, the selected voltage of the fuel cell device when a load of 0.8 times to 0.95 times the maximum load is applied is a fixed and predefined voltage resulting from the characteristics of the fuel cell device. A corresponding voltage is thus defined, which precisely defines this level, which corresponds to the voltage at 0.8 times to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device. This means that the output voltage of the DC-DC converter is selected in such a way that in regular operation the energy is only generated by the fuel cell, which is consumed by the consumers. The maximum load can therefore be, for example, the state in which the fuel cell delivers its maximum rated power to the vehicle electrical system and the connected loads without another energy generator being connected to the vehicle electrical system. The state of charge of the accumulator is therefore not reduced. However, the level of the output voltage of the DC-DC converter is chosen so that in the case when consumers require more power than can be provided by the fuel cell and thus the output voltage of the fuel cell device and / or the vehicle electrical system drops, the level of the output voltage of the DC voltage converter of the energy storage device is reached quickly. This can happen, for example, when the submarine has to accelerate quickly and the traction motor therefore has to be supplied with a very high current. The energy storage device then also delivers electrical energy to the vehicle electrical system and supports the vehicle electrical system voltage. Energy is then made available both by the fuel cell and by the energy storage device. It can thus be ensured that the charge level of the accumulator does not drop under normal circumstances, but that the required electrical power is available without delay in an emergency.
Beispielsweise ist in Schritt e) die Spannung der Brennstoffzelle, die Spannung im Bordnetz (UB) bei einer Auslastung von 100 % der Brennstoffzelle, also bei Abgabe der Nennleistung. Diese Spannung kann entweder durch einen Spannungsaufnehmer gemessen werden oder ergibt sich aus einem Nominalwert der bei der Auslegung des Bordnetzes oder der Brennstoffzelle festgelegt wurde. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers wird in diesem Schritt im Bereich 0,8 bis 0,95 dieser Spannung des Bordnetzes im Gleichspannungswandler festgelegt. For example, in step e) the voltage of the fuel cell is the voltage in the vehicle electrical system (UB) when the fuel cell is utilized at 100%, ie when the rated power is delivered. This voltage can either be measured by a voltage pickup or results from a nominal value that was specified when designing the vehicle electrical system or the fuel cell. In this step, the output voltage of the DC-DC converter is set in the range of 0.8 to 0.95 of this voltage of the vehicle electrical system in the DC-DC converter.
Die Festlegung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erfolgt entweder durch eine Regelung im Gleichspannungswandler oder durch Sollwertvorgabe einer übergeordneten Bordnetzsteuerung. Der Gleichspannungswandler und/oder die übergeordnete Bordnetzsteuerung weisen für diesen Schritt zumindest Eingänge zur Erfassung der Bordnetzspannung und/oder des Betriebszustandes der Brennstoffzelle auf. The output voltage of the DC-DC converter is determined either by regulation in the DC-DC converter or by specifying a target value from a higher-level vehicle electrical system controller. For this step, the DC voltage converter and/or the higher-level vehicle electrical system control have at least inputs for detecting the vehicle electrical system voltage and/or the operating state of the fuel cell.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung weist üblicherweise eine Vielzahl an Brennstoffzellen auf. Üblicherweise werden viele Brennstoffzellen in Reihe geschaltet, um beispielsweise die hohe Spannung zu erreichen, die ein Fahrmotor benötigt und damit üblicherweise das Spannungsniveau des Bordnetzes definiert. Gleichzeitig können mehrere Brennstoffzellen auch parallel geschaltet sein, um die benötigten hohen Ströme zu erzielen. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl an Verschaltungsmöglichkeiten innerhalb einer Brennstoffzellenvorrichtung, die der Fachmann so wählen wird, dass die Leistungsfähigkeit beim Ausfall einzelner Brennstoffzellen am wenigstens beeinträchtigt ist und/oder der Austausch bestimmter Modulbaugruppen besonders einfach möglich ist. A fuel cell device usually has a large number of fuel cells. A large number of fuel cells are usually connected in series in order, for example, to achieve the high voltage that a traction motor requires and thus usually defines the voltage level of the vehicle electrical system. At the same time, several fuel cells can also be connected in parallel in order to achieve the required high currents. This results in a large number of interconnection options within one Fuel cell device, which the person skilled in the art will select in such a way that the performance is least affected if individual fuel cells fail and/or the replacement of certain module assemblies is particularly easy.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung fließt durch das Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Schritt e) im Regelbetrieb kein Strom vom Akkumulator in das Bordnetz. Regelbetrieb bedeutet hierbei, dass die Verbraucher weniger Leistung aus dem Bordnetz verbrauchen als die Maximalleistung der Brennstoffzellenvorrichtung ist. Hierdurch wird im Regelbetrieb nicht unnötig Energie aus dem Akkumulator entnommen. Hierdurch werden die Energiereserven an Bord des Unterseebootes geschont, um diese in einem vom Regelbetrieb abweichenden Fall, insbesondere einem Notfall, möglichst umfangreich zur Verfügung stellen zu können. Dieses wird durch das erfindungsgemäße Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf eine Spannung, welcher der Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei einer anliegenden Last von dem 0,8-fache bis 0,95-fache der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht, erreicht. Im Unterschied zum Stand der Technik wird somit eben nicht kontinuierlich elektrische Energie aus dem Akkumulator an das Bordnetz abgegeben. In a further embodiment of the invention, due to the lowering of the output voltage of the DC-DC converter in step e), no current flows from the accumulator into the vehicle electrical system in control mode. In this context, regular operation means that the consumers consume less power from the vehicle electrical system than the maximum power of the fuel cell device. As a result, energy is not unnecessarily taken from the accumulator during regular operation. As a result, the energy reserves on board the submarine are preserved in order to be able to make them available as extensively as possible in a case that deviates from regular operation, in particular an emergency. This is achieved by the inventive lowering of the output voltage of the DC-DC converter to a voltage which corresponds to the voltage of the fuel cell device when a load of 0.8 to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device is applied. In contrast to the prior art, electrical energy is therefore not continuously delivered from the accumulator to the vehicle electrical system.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung fließt in einem vom Regelbetrieb abweichenden Hochlastbetrieb, bei welchem von den Verbrauchern eine größere Leistung dem Bordnetz entnommen wird als die Maximalleistung derIn a further embodiment of the invention, in a high-load operation that deviates from regular operation, in which the loads draw more power from the vehicle electrical system than the maximum power
Brennstoffzellenvorrichtung ist, ein Strom vom Akkumulator in das Bordnetz. Der Vorteil ist somit, dass selbst in einem Notfall kein Schaltvorgang oder Regelungseingriff notwendig ist, um die elektrische Energie aus dem Akkumulator bereit zu stellen. Dieses wird dadurch erreicht, dass im Hochlastbetrieb nach Überschreiten der verbrauchten Leistung über die von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung die Spannung im Bordnetz absinkt. Sobald die Spannung im Bordnetz auf die Spannung desFuel cell device is a current from the accumulator in the vehicle electrical system. The advantage is that even in an emergency, no switching process or control intervention is necessary to provide the electrical energy from the accumulator. This is achieved by the fact that in high-load operation, after the consumed power has exceeded the power generated by the fuel cell, the voltage in the vehicle electrical system drops. As soon as the voltage in the vehicle electrical system has reached the voltage of the
Gleichspannungswandlers abgesunken ist, speist der Gleichspannungswandler aus dem Akkumulator Leistung in das Bordnetz ein und stabilisiert dadurch die Spannung im Bordnetz auf dem Niveau der Spannung des Gleichspannungswandlers aber unterhalb des Spannungsniveaus der Brennstoffzelle. Im Hochlastbetrieb wird also die Leistung der Brennstoffzelle und zusätzliche Leistung aus den Akkumulatoren eingespeist. Durch die aus dem Stand der Technik nicht bekannte Absenkung unter das Spannungsniveau der Brennstoffzelle wird eben im Regelfall keine elektrische Energie von dem Akkumulator an das Bordnetz übertragen. In einem Hochlastbetrieb, zum Beispiel bei einem Notfall, sinkt also die Spannung im Bordnetz ab, da die Brennstoffzelle diese geforderte Leistung nicht liefern kann. Hierdurch wird die Spannung erreicht oder unterschritten, auf welche in Schritt e) die Absenkung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers erfolgte, wodurch unverzüglich und ohne weitere Schritte die elektrische Leistung aus dem Akkumulator an das Bordnetz und somit an die Verbraucher abgegeben wird. Ein weiteres Absinken der Spannung im Bordnetz wird dadurch verhindert. Ein solcher Notfall kann beispielsweise ein Ausweich- oder Auftauchmanöver sein, bei dem kurzfristig volle Leistung für den Antrieb zur Verfügung gestellt werden muss. DC-DC converter has dropped, the DC-DC converter feeds power from the accumulator into the vehicle electrical system and thereby stabilizes the voltage in the vehicle electrical system at the level of the voltage of the DC-DC converter but below the voltage level of the fuel cell. In high-load operation, the power of the fuel cell and additional power from the accumulators are fed in. As a result of the drop below the voltage level of the fuel cell, which is not known from the prior art, no electrical energy is usually transmitted from the accumulator to the vehicle electrical system. In high-load operation, for example in an emergency, the voltage in the vehicle electrical system drops because the fuel cell cannot deliver the required power. As a result, the voltage is reached or fallen below to which the output voltage of the DC-DC converter was reduced in step e), as a result of which the electrical power is delivered from the accumulator to the vehicle electrical system and thus to the consumers immediately and without further steps. This prevents the voltage in the vehicle electrical system from dropping further. Such an emergency can be, for example, an evasive or surfacing maneuver in which full power for the drive must be made available for a short time.
Sofern die von den Verbrauchern benötigte Leistung auf ein Maß absinkt, das von der Brennstoffzelle alleine versorgt werden kann, also die Last aller Verbraucher die Maximallast der Brennstoffzelle unterschreitet, steigt die Bordnetzspannung wieder an. Die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers wird überschritten und er speist keine elektrische Leistung aus dem Akkumulator mehr ein. Dabei verhindert der Gleichspannungswandler, dass Energie aus dem Bordnetz in den Akkumulator abfließt. Sofern aber deutlich weniger Leistung als die Maximalleistung benötigt wird, so kann der Gleichspannungswandler so geschaltet werden, dass Leistung aus dem Bordnetz entnommen und in dem Akkumulator gespeichert wird. Dieses kann beispielsweise erfolgen, wenn der Akkumulator nicht vollständig geladen ist oder der Ladezustand einen Sollwert unterschreitet. Es wird dann aber nur so viel Leistung entnommen, dass die Maximalleistung der Brennstoffzelle nicht überschritten wird, also die Spannung des Bordnetzes nicht unter die Spannung im Regelbetrieb sinkt. If the power required by the consumers drops to a level that can be supplied by the fuel cell alone, ie the load of all consumers falls below the maximum load of the fuel cell, the vehicle electrical system voltage increases again. The output voltage of the DC-DC converter is exceeded and it no longer feeds in electrical power from the accumulator. The DC-DC converter prevents energy from flowing out of the vehicle electrical system and into the accumulator. However, if significantly less power than the maximum power is required, the DC-DC converter can be switched in such a way that power is taken from the vehicle electrical system and stored in the accumulator. This can happen, for example, when the accumulator is not fully charged or the state of charge falls below a target value. However, only so much power is then drawn that the maximum power of the fuel cell is not exceeded, i.e. the voltage of the vehicle electrical system does not fall below the voltage in normal operation.
Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Gleichspannungswandler so geschaltet wird, dass die Stromrichtung umgekehrt wird, der Gleichspannungswandler also in den Schaltzustand für das Laden der Akkumulatoren gebracht wird. io This can be done, for example, by switching the DC-DC converter in such a way that the current direction is reversed, ie the DC-DC converter is brought into the switching state for charging the accumulators. ok
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach dem Verbinden und optional während des Hochfahrens in Schritt d) bereits mit der Absenkung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Schritt e) begonnen und zwar bevorzugt entsprechend der Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzellenvorrichtung. Die Absenkung der Ausgangsspannung erfolgt stufenweise oder kontinuierlich, besonders bevorzugt in dem Maße, in dem die Brennstoffzelle das Bordnetz mit Energie versorgen kann. Kann die Brennstoffzelle beispielsweise erst 25 % ihrer Leistung bereitstellen, da der Hochfahrvorgang noch nicht abgeschlossen ist, so wird die Ausgangspannung des Gleichspannungswandlers der Energiespeichervorrichtung beispielsweise auch nur soweit abgesenkt, dass die Energiespeichervorrichtung die weiteren 75 % an benötigter Leistung zur Verfügung stellt. Alternativ kann mit der Absenkung der Ausgangsspannung auch gewartet werden bis die Brennstoffzellenvorrichtung ihre Betriebsbereitschaft erreicht hat. Das Bordnetz wird dann bis zu diesem Zeitpunkt sowohl von der Brennstoffzellenvorrichtung und dem Akkumulator versorgt. Im Anschluss wird dann in dieser alternativen Ausführungsform die Ausgangsspannung des Gleichrichters stufenweise oder kontinuierliche abgesenkt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Brennstoffzellenvorrichtung erst sicher einen stabilen Betriebszustand erreicht bevor die Brennstoffzellenvorrichtung die vollständige Energieversorgung bereitstellt und der Akkumulator keine Energie mehr in das Bordnetz einspeist. Hierdurch kann die optimale Ausnutzung der beiden Energiequellen und die gesamte Betriebszeit sichergestellt werden. Gleichzeitig wird die Brennstoffzellenvorrichtung besonders schonend hochgefahren und trotzdem allen Schiffssystemen benötigte elektrische Energie zur Verfügung gestellt. In a further embodiment of the invention, after the connection and optionally during start-up in step d), the output voltage of the DC-DC converter starts to be reduced in step e), preferably in accordance with the current-voltage characteristic of the fuel cell device. The output voltage is lowered in steps or continuously, particularly preferably to the extent that the fuel cell can supply the vehicle electrical system with energy. If the fuel cell can only provide 25% of its power, for example, because the start-up process is not yet complete, the output voltage of the DC-DC converter of the energy storage device is, for example, only reduced to the extent that the energy storage device makes the remaining 75% of the required power available. Alternatively, it is also possible to wait until the fuel cell device has reached its operational readiness before lowering the output voltage. Up to this point in time, the vehicle electrical system is then supplied by both the fuel cell device and the accumulator. Subsequently, in this alternative embodiment, the output voltage of the rectifier is lowered stepwise or continuously. An advantage of this embodiment is that the fuel cell device only reliably reaches a stable operating state before the fuel cell device provides the complete energy supply and the accumulator no longer feeds energy into the vehicle electrical system. In this way, the optimal utilization of the two energy sources and the entire operating time can be ensured. At the same time, the fuel cell device is started up particularly gently and the electrical energy required for all ship systems is nevertheless made available.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in Schritt b) das Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf das 1,0-fache bis 1,1 -fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung. Im Optimalfall wird die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers genau auf die Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung eingestellt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers gegebenenfalls nur schrittweise und somit nur ungefähr genau eingestellt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt in Schritt e) das Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf eine Spannung, welcher der Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung bei einer anliegenden Last von dem 0,88- fache bis 0,92-fache der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung entspricht. Hierdurch wird ein optimales Spannungsfenster eingestellt, um den Akkumulator nur bei großer Belastung aber ohne zuvor zu hohe Belastung der Brennstoffzellenvorrichtung einzusetzen. In a further embodiment of the invention, in step b) the output voltage of the DC-DC converter is adjusted to 1.0 times to 1.1 times the no-load voltage of the fuel cell device. In the best case, the output voltage of the DC-DC converter is adjusted exactly to the voltage of the fuel cell device. In this context, it must be taken into account that the output voltage of the DC-DC converter can only be adjusted step by step and therefore only approximately exactly. In a further embodiment of the invention, in step e) the output voltage of the DC-DC converter is reduced to a voltage which corresponds to the voltage of the fuel cell device when the load is 0.88 to 0.92 times the maximum load of the fuel cell device. As a result, an optimum voltage window is set so that the accumulator can only be used under high loads, but without the fuel cell device being subjected to an excessive load beforehand.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Anpassen der Ausgangsspannung in den Schritten b) und e) stufenweise. Beispielsweise liegt die Höhe der Stufen in der Größe von 0,5 % bis 3 % der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung. In a further embodiment of the invention, the output voltage is adjusted step by step in steps b) and e). For example, the height of the steps is on the order of 0.5% to 3% of the open circuit voltage of the fuel cell device.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte auf: f) Anheben der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf das 0,95- fache bis 1 ,2-fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung, g) Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung, h) Verbringen des ersten Schalters in einen ersten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung vom Bordnetz getrennt ist. In a further embodiment of the invention, the method also has the following steps: f) raising the output voltage of the DC-DC converter to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device, g) switching off the fuel cell device, h) spending the first switch in a first switching state, so that the fuel cell device is separated from the vehicle electrical system.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung erfolgen die Schritte g) und h) in umgekehrter Reihenfolge oder gleichzeitig. Hierbei wird bevorzugt nach dem Trennen vom Bordnetz die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Lastwiderstand kurzgeschlossen, sodass die chemische Umsetzung nach dem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung fortgeführt wird und somit Wasserstoff und Sauerstoff wenigstens nicht in hoher Konzentration in der Brennstoffzelle verbleiben, wodurch insbesondere die Membran geschützt wird. In further embodiments of the invention, steps g) and h) take place in reverse order or simultaneously. In this case, the fuel cell device is preferably short-circuited with a load resistor after it has been disconnected from the vehicle electrical system, so that the chemical reaction continues after the fuel cell device has been switched off and hydrogen and oxygen therefore do not remain in the fuel cell at least in high concentrations, which protects the membrane in particular.
Hierdurch ist ebenso ein sicheres Trennen der Brennstoffzellenvorrichtung vom Bordnetz möglich. Auch hierbei werden Spannungs- und/oder Lastspitzen vermieden, die beim Schaltvorgang zur Funkenbildung führen könnten. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen das Abschalten in Schritt g) vergleichsweise schnell im Vergleich zum optionalen Hochfahren in Schritt d) durchzuführen, da die Brennstoffzelle dadurch nicht so stark belastet wird. This also makes it possible to safely disconnect the fuel cell device from the vehicle electrical system. Voltage and/or load peaks, which could lead to sparking during the switching process, are also avoided here. It has proven to be advantageous to switch off in step g) comparatively quickly compared to the optional start-up in step d), since the fuel cell is not subjected to such a high load as a result.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das nach Schritt g) der folgende Schritt durchgeführt: i) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf ein Spannungsniveau für den Betrieb des Bordnetzes ausschließlich aus dem Akkumulator. In a further embodiment of the invention, after step g), the following step is carried out: i) setting the output voltage of the DC/DC converter to a voltage level for operating the vehicle electrical system exclusively from the accumulator.
Insbesondere kann das Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers in Abhängigkeit des Ladezustands des Akkumulators erfolgen. In particular, the output voltage of the DC-DC converter can be set as a function of the state of charge of the accumulator.
Hierbei wird in Schritt i) die Ausgangsspannung vorzugsweise so hoch gewählt, wie es der Spannungsbereich des Bordnetzes im Normalbetrieb zulässt, da eine höhere Spannung bei gleicher Leistung zu geringeren Strömen und somit zu geringeren Leitungsverlusten führt. Beispielsweise reicht der Spannungsbereich des Bordnetzes im Normalbetrieb von 0,9 bis 1 ,1 der Nennspannung. Die Ausgangsspannung wird dann im Bereich von 1 ,05 bis 1 ,1 der Nennspannung gewählt. Here, in step i), the output voltage is preferably selected as high as the voltage range of the vehicle electrical system allows in normal operation, since a higher voltage with the same power leads to lower currents and thus to lower line losses. For example, the voltage range of the vehicle electrical system in normal operation extends from 0.9 to 1.1 of the nominal voltage. The output voltage is then selected in the range from 1.05 to 1.1 of the nominal voltage.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens nach Schritt e) während des Betriebes der Brennstoffzellenvorrichtung der Akkumulator über eine Diode mit dem Bordnetz verbunden. Die Diode wird so geschaltet, dass nur elektrische Energie aus dem Akkumulator an das Bordnetz abgegeben werden kann und ein Wiederaufladen des Akkumulators verhindert wird. Die Diode kann Bestandteil des Gleichspannungswandlers sein. In a further embodiment of the invention, at least after step e), during operation of the fuel cell device, the accumulator is connected to the vehicle electrical system via a diode. The diode is switched in such a way that only electrical energy from the accumulator can be delivered to the vehicle electrical system and the accumulator is prevented from being recharged. The diode can be part of the DC-DC converter.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zum Laden des Akkumulators mittels der Brennstoffzellenvorrichtung nach Schritt e) die folgende Schritte durchgeführt: j) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers auf ein Spannungsniveau für das Aufladen des Akkumulators mittels der Brennstoffzellenvorrichtung, k) Überbrückung der Diode mit einem Diodenüberbrückungsschalter, In a further embodiment of the invention, the following steps are carried out to charge the accumulator by means of the fuel cell device according to step e): j) setting the output voltage of the DC/DC converter to a voltage level for charging the accumulator by means of the fuel cell device, k) bypassing the diode with a diode bypass switch,
L) Aufladen des Akkumulators, m) Deaktivieren des Diodenüberbrückungsschalters. L) charging the accumulator, m) deactivating the diode bypass switch.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt während des Schritts I) eine kontinuierliche Anpassung der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zur Optimierung des Ladevorgangs. In a further embodiment of the invention, the output voltage of the DC/DC converter is continuously adjusted during step I) in order to optimize the charging process.
Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. The method according to the invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment illustrated in the drawings.
Fig. 1 Schematischer Querschnitt eines Unterseebootes Fig. 2 Verfahrensablaufdiagramm Fig. 3 Strom-Spannung-Kennlinie Fig. 1 Schematic cross-section of a submarine Fig. 2 Process flow chart Fig. 3 Current-voltage characteristic
In Fig. 1 ist ein stark schematisierter Querschnitt durch ein Unterseeboot 10 gezeigt. Das Unterseeboot 10 weist eine Energiespeichervorrichtung 20, ein Bordnetz 90 und exemplarisch als Verbraucher einen Fahrmotor 80 auf. Zusätzlich weist das Unterseeboot 10 eine Brennstoffzellenvorrichtung 60 auf, die mittels eines Schalters 70 mit dem Bordnetz 90 verbunden oder von diesem getrennt werden kann. In Fig. 1 a highly schematic cross section through a submarine 10 is shown. The submarine 10 has an energy storage device 20, an on-board network 90 and, by way of example, a traction motor 80 as a consumer. In addition, the submarine 10 has a fuel cell device 60 which can be connected to or disconnected from the on-board power supply 90 by means of a switch 70 .
Die Energiespeichervorrichtung 20 weist einen Akkumulator 30, einen Gleichspannungswandler 40 und eine Diode 50 auf. The energy storage device 20 has an accumulator 30 , a DC voltage converter 40 and a diode 50 .
Fig. 2 zeigt den Ablauf des Verfahrens. 2 shows the course of the method.
Zu Beginn wird das Bordnetz 90 über die Energiespeichervorrichtung 20 versorgt, und somit zum Beispiel der Fahrmotor 80. Die Brennstoffzellenvorrichtung 60 ist ausgeschaltet und durch den Schalter 70 vom Bordnetz 90 getrennt. Um mit der Brennstoffzellenvorrichtung 60 Energie in das Bordnetz 90 einspeisen zu können werden die folgenden Schritte durchgeführt: b) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 auf das 0,95- fache bis 1 ,2-fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung 60, c) Verbringen des ersten Schalters 70 in einen zweiten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung 60 vom Bordnetz verbunden ist, d) Verbinden und anschließendes Hochfahren der Brennstoffzellenvorrichtung 60, e) Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 auf eine Spannung, welcher der Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung (60) bei einer anliegenden Last von dem 0,8-fache bis 0,95-fache der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung 60 entspricht. At the beginning, the vehicle electrical system 90 is supplied via the energy storage device 20, and thus, for example, the traction motor 80. The fuel cell device 60 is switched off and separated from the vehicle electrical system 90 by the switch 70. In order to be able to feed energy into the vehicle electrical system 90 with the fuel cell device 60, the following steps are carried out: b) setting the output voltage of the DC voltage converter 40 to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device 60, c) bringing the first switch 70 into a second switching state, so that the fuel cell device 60 is connected to the vehicle electrical system, d) connecting and then starting up the fuel cell device 60, e) lowering the output voltage of the DC-DC converter 40 to a voltage which corresponds to the voltage of the fuel cell device (60 ) when a load of 0.8 to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device 60 is applied.
Hierdurch wird die Energie, beispielsweise für den Fahrmotor 80 nun primär von der Brennstoffzellenvorrichtung 60 bereitgestellt. Nur wenn der Fahrmotor 80 plötzlich sehr viel Energie zieht, beispielsweise, weil ein Fluchtmanöver durchgeführt werden muss, so sinkt die Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung 60 entsprechend der Strom- Spannungs-Kennlinie und dadurch auch die Spannung im Bordnetz 90. Ist das Niveau erreicht, auf welches die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 abgesenkt ist, stellt auch der Akkumulator 30 Energie über das Bordnetz 90 dem Fahrmotor 80 zur Verfügung. As a result, the energy, for example for the traction motor 80 , is now primarily provided by the fuel cell device 60 . Only if the drive motor 80 suddenly draws a lot of energy, for example because an escape maneuver has to be carried out, does the voltage of the fuel cell device 60 drop according to the current-voltage characteristic and thus also the voltage in the vehicle electrical system 90. If the level is reached, to which the output voltage of the DC-DC converter 40 is reduced, the accumulator 30 also makes energy available to the traction motor 80 via the vehicle electrical system 90 .
Soll ausnahmsweise der Akkumulator 30 über die Brennstoffzellenvorrichtung 60 geladen werden, so werden die folgenden Schritte ausgeführt. j) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 auf ein Spannungsniveau für das Aufladen des Akkumulators 30 mittels der Brennstoffzellenvorrichtung 60, k) Überbrückung der Diode 50 mit einem Diodenüberbrückungsschalter, If, as an exception, the accumulator 30 is to be charged via the fuel cell device 60, the following steps are carried out. j) setting the output voltage of the DC-DC converter 40 to a voltage level for charging the accumulator 30 by means of the fuel cell device 60, k) bridging the diode 50 with a diode bridging switch,
L) Aufladen des Akkumulators 30, m) Deaktivieren des Diodenüberbrückungsschalters. L) charging the accumulator 30, m) deactivating the diode bypass switch.
Um die Brennstoffzellenvorrichtung 60 wieder vom Bordnetz 90 zu trennen, werden die folgenden Schritte durchgeführt: f) Anheben der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 auf das 0,95- fache bis 1 ,2-fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung 60, g) Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 60, h) Verbringen des ersten Schalters 70 in einen ersten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung 60 vom Bordnetz 90 getrennt ist. i) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 40 auf ein Spannungsniveau für den Betrieb des Bordnetzes 90 ausschließlich aus dem Akkumulator 30. In Fig. 3 ist eine rein schematische Strom-Spannungs-Kennlinie einer beispielhaften Brennstoffzellenvorrichtung gezeigt. Eine reale Strom-Spanungs-Kennlinie kann einen grundsätzlich anderen Zusammenhang haben. Im Leerlauf, also ohne anliegende Last (Strom I = 0) ist die Spannung maximal (Umax), bei einer Maximallast Pmax ist die Spannung Up.max soweit eingebrochen, dass keine höhere Leistungsabgabe mehr möglich ist. Ausgehend von diesem Wert Up.max können dann die Uso = Up.max * 0,8 und U95 = Up.max *0,95 erhalten werden. In order to separate the fuel cell device 60 from the vehicle electrical system 90 again, the following steps are carried out: f) raising the output voltage of the DC voltage converter 40 to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device 60, g) switching off the fuel cell device 60 , h) bringing the first switch 70 into a first switching state, so that the fuel cell device 60 is disconnected from the vehicle electrical system 90 . i) Setting the output voltage of the DC-DC converter 40 to a voltage level for the operation of the vehicle electrical system 90 exclusively from the accumulator 30. FIG. 3 shows a purely schematic current-voltage characteristic of an exemplary fuel cell device. A real current-voltage characteristic can have a fundamentally different relationship. When idling, i.e. without a load present (current I = 0), the voltage is at its maximum (Umax), with a maximum load Pmax the voltage Up.max has dropped so far that no higher power output is possible. Based on this Up.max value, Uso = Up.max * 0.8 and U95 = Up.max * 0.95 can then be obtained.
Bezugszeichen 10 Unterseeboot 20 Energiespeichervorrichtung Numeral 10 submarine 20 energy storage device
30 Akkumulator 40 Gleichspannungswandler 50 Diode 30 accumulator 40 DC-DC converter 50 diode
60 Brennstoffzellenvorrichtung 70 Schalter 60 fuel cell device 70 switch
80 Fahrmotor 90 Bordnetz 80 traction motor 90 electrical system

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Unterseebootes (10) mit einem Bordnetz (90), einer Energiespeichervorrichtung (20) und einer Brennstoffzellenvorrichtung (60), wobei die Energiespeichervorrichtung (20) wenigstens einen Akkumulator (30) und einen Gleichspannungswandler (40) aufweist, wobei der Akkumulator (30) über den Gleichspannungswandler (40) mit dem Bordnetz (90) verbunden werden kann, wobei der Gleichspannungswandler (40) zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung der Energiespeichervorrichtung (20) ausgebildet ist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (60) über einen ersten Schalter (70) mit dem Bordnetz (90) verbunden werden kann, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (60) eine Leerlaufspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der erste Schalter (70) sich in einem ersten Schaltzustand befindet, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung (60) vom Bordnetz (90) getrennt ist, und der Gleichspannungswandler (40) den Akkumulator (30) mit dem Bordnetz (90) verbindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Festlegen der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung (60), b) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) auf das 0,95-fache bis 1 ,2-fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung (60), c) Verbringen des ersten Schalters (70) in einen zweiten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung (60) mit dem Bordnetz (90) verbunden ist, d) Verbinden der Brennstoffzellenvorrichtung (60) mit dem Bordnetz (90), e) Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) auf eine Spannung, welcher der Spannung der Brennstoffzellenvorrichtung (60) bei einer anliegenden Last von dem 0,8-fachen bis 0,95-fachen der Maximallast der Brennstoffzellenvorrichtung (60) entspricht. 1. A method for operating a submarine (10) with an on-board electrical system (90), an energy storage device (20) and a fuel cell device (60), the energy storage device (20) having at least one accumulator (30) and a DC-DC converter (40), wherein the accumulator (30) can be connected to the vehicle electrical system (90) via the DC voltage converter (40), the DC voltage converter (40) being designed to generate a variable output voltage of the energy storage device (20), the fuel cell device (60) having a first switch (70) can be connected to the vehicle electrical system (90), the fuel cell device (60) having an open circuit voltage, characterized in that the first switch (70) is in a first switching state at the beginning, so that the fuel cell device (60) from the vehicle electrical system (90) is disconnected and the DC voltage converter (40) connects the accumulator (30) to the vehicle electrical system (90), the method having the following steps: a) determining the maximum load of the fuel cell device (60), b) setting the output voltage of the DC-DC converter (40) to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device (60), c) bringing the first switch (70) into a second switching state, so that the fuel cell device (60) is connected to the vehicle electrical system (90), d) connecting the fuel cell device (60) to the vehicle electrical system (90), e) lowering the output voltage of the DC-DC converter (40) to a voltage which corresponds to the voltage of the fuel cell device (60) with an applied load of 0.8 times to 0.95 times the maximum load of the fuel cell device (60).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Absenken der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) in Schritt e) im Regelbetrieb kein Strom vom Akkumulator (30) in das Bordnetz (90) fließt. 2. The method according to claim 1, characterized in that by lowering the output voltage of the DC-DC converter (40) in step e) no current flows from the accumulator (30) in the vehicle electrical system (90) in normal operation.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Regelbetrieb abweichenden Hochlastbetrieb, bei welchem eine größere Leistung dem Bordnetz (90) entnommen wird als die Brennstoffzellenvorrichtung (60) erzeugen kann, ein Strom vom Akkumulator (30) in das Bordnetz (90) fließt. 3. The method according to claim 2, characterized in that in a high-load operation that deviates from regular operation, in which a greater power is taken from the vehicle electrical system (90) than the fuel cell device (60) can generate, a current from the accumulator (30) into the vehicle electrical system ( 90) flows.
4. nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in4. according to any one of the preceding claims, characterized in that in
Schritt b) das Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) auf das 1,0-fache bis 1,1 -fache der Leerlaufspannung derStep b) adjusting the output voltage of the DC-DC converter (40) to 1.0 times to 1.1 times the no-load voltage of the
Brennstoffzellenvorrichtung (60) erfolgt. Fuel cell device (60) takes place.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) das Absenken der Ausgangsspannung des5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in step e) the lowering of the output voltage of the
Gleichspannungswandlers (40) auf das 0,88-fache bis 0,92-fache der Volllastspannung der Brennstoffzellenvorrichtung (60) erfolgt. DC-DC converter (40) to 0.88 times to 0.92 times the full load voltage of the fuel cell device (60).
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen der Ausgangsspannung in den Schritten b) und e) stufenweise erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the adjustment of the output voltage in steps b) and e) takes place in stages.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte aufweist: f) Anheben der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) auf das 0,95-fache bis 1,2-fache der Leerlaufspannung der Brennstoffzellenvorrichtung (60), g) Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung (60), h) Verbringen des ersten Schalters (70) in einen ersten Schaltzustand, sodass die Brennstoffzellenvorrichtung (60) vom Bordnetz (90) getrennt ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method additionally has the following steps: f) raising the output voltage of the DC voltage converter (40) to 0.95 times to 1.2 times the no-load voltage of the fuel cell device (60 ), g) switching off the fuel cell device (60), h) bringing the first switch (70) into a first switching state, so that the fuel cell device (60) is separated from the vehicle electrical system (90).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das nach Schritt h) der folgende Schritt durchgeführt wird: i) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) auf ein Spannungsniveau für den Betrieb des Bordnetzes (90) ausschließlich aus dem Akkumulator (30). 8. The method according to claim 7, characterized in that after step h) the following step is carried out: i) setting the output voltage of the DC voltage converter (40) to a voltage level for the operation of the vehicle electrical system (90) exclusively from the accumulator (30) .
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens nach Schritt e) während des Betriebes der Brennstoffzellenvorrichtung (60) der Akkumulator (30) über eine Diode (50) mit dem Bordnetz (90) verbunden ist, wobei die Diode (50) so geschaltet wird, dass nur elektrische Energie aus dem Akkumulator (30) an das Bordnetz (90) abgegeben werden kann und ein Wiederaufladen des Akkumulators (30) verhindert wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least after step e) during operation of the fuel cell device (60), the accumulator (30) is connected via a diode (50) to the vehicle electrical system (90), the diode ( 50) is switched in such a way that only electrical energy can be delivered from the accumulator (30) to the vehicle electrical system (90) and recharging of the accumulator (30) is prevented.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden des Akkumulators (30) mittels der Brennstoffzellenvorrichtung (60) nach Schritt e) die folgende Schritte durchgeführt werden: j) Einstellen der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (40) auf ein Spannungsniveau für das Aufladen des Akkumulators (30) mittels der Brennstoffzellenvorrichtung (60), k) Überbrückung der Diode (50) mit einem Diodenüberbrückungsschalter,10. The method according to claim 9, characterized in that the following steps are carried out to charge the accumulator (30) by means of the fuel cell device (60) after step e): j) setting the output voltage of the DC-DC converter (40) to a voltage level for charging of the accumulator (30) by means of the fuel cell device (60), k) bridging of the diode (50) with a diode bridging switch,
L) Aufladen des Akkumulators (30), m) Deaktivieren des Diodenüberbrückungsschalters. L) charging the accumulator (30), m) deactivating the diode bypass switch.
11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt I) eine kontinuierliche Anpassung der Ausgangsspannung des11.The method according to claim 10, characterized in that during step I) a continuous adjustment of the output voltage of the
Gleichspannungswandlers (40) zur Optimierung des Ladevorgangs erfolgt. DC-DC converter (40) takes place to optimize the charging process.
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