ES2711523T3 - Disposición de circuito para la conexión eléctrica de al menos un sistema de célula de combustible y al menos una batería recargable en una red de consumidores de un vehículo submarino - Google Patents

Abstract

Disposición de circuito (1) para la conexión eléctrica de al menos un sistema de célula de combustible (6) y al menos una batería recargable (2) en una red de consumidores, en particular una red de propulsión (8) de un vehículo submarino, con un suministro de propulsión y de energía independiente del aire exterior, estando previsto al menos un convertidor CC/CC (7) que está conectado al sistema de célula de combustible (6), por un lado, y a la al menos una batería (2), por otro lado, y estando diseñado el al menos un convertidor CC/CC (7) para poder actuar en dos direcciones, pudiendo actuar el al menos un convertidor CC/CC (7) en una de las direcciones como convertidor Buck para transferir energía del sistema de célula de combustible (6) a la red de consumidores (8) y estando conectado el sistema de célula de combustible (6) por medio de un conmutador semiconductor (3, 3`) directamente a la red de consumidores (8), caracterizada por que cuando el conmutador semiconductor (3, 3`) está bloqueado se transfiere energía del sistema de célula de combustible (6) por medio del convertidor CC/CC (7) a la red de consumidores (8) y la tensión de la red de consumidores está determinada por la batería (2).

Description

DESCRIPCION

Disposicion de circuito para la conexion electrica de al menos un sistema de celula de combustible y al menos una baterla recargable en una red de consumidores de un vehlculo submarino

La invention se refiere a una disposicion de circuito para la conexion electrica de al menos un sistema de celula de combustible y al menos una baterla recargable en una red de propulsion de un vehlculo submarino de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1, as! como a un procedimiento para el funcionamiento de un suministro de propulsion y de energla independiente del aire exterior de un vehlculo submarino de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 7.

En vehlculos submarinos equipados con sistema de celula de combustible conocido por el estado de la tecnica, se implementan dos tipos diferentes de conexion electrica del sistema de celula de combustible con los modulos de celula de combustible al sistema de propulsion: Por un lado, esta la conexion de los modulos de celula de combustible directamente a la barra de marcha principal con un desacoplamiento de las corrientes de carga de baterla por medio de un diodo que puede puentear un conmutador mecanico. Esto tiene la ventaja de que no se producen perdidas adicionales a traves de un convertidor CC/CC y de que no son necesarios equipos adicionales, sin embargo, este tipo de conexion tambien acarrea toda una serie de desventajas. Por ejemplo, en este caso es necesario un sistema de celula de combustible altamente dinamico, lo que, sin embargo, impide un funcionamiento optimo de reformador. Ademas, grandes oscilaciones dinamicas pueden acortar la vida util de los modulos de celula de combustible. En caso de fallos que limiten la potencia, el sistema de celula de combustible o el ramal de celula de combustible debe ser retirado de la red, de lo que resulta una fiabilidad reducida. Ademas, la flexibilidad de diseno se restringe y, en el funcionamiento de carga de las baterlas, o cuando se toma energla de la baterla adicionalmente a la energla proporcionada por el sistema de celula de combustible, se produce una situation de tension «rlgida» y, por tanto, una carga «rlgida» de la celula de combustible. Tampoco es posible una formation de carga facultativa. Los sistemas de celula de combustible modernos, sin embargo, por regla general funcionan segun el principio de la formacion de carga facultativa. A este respecto, a partir de los requisitos de carga de los sumideros de energla se genera un requisito de carga para el sistema de celula de combustible y se envla al mismo como valor teorico deseado. El sistema de celula de combustible genera a partir de parametros de funcionamiento internos una carga facultativa que no debe ser sobrepasada por el sumidero de energla electrico. Esta carga facultativa puede ser, en el caso mas sencillo, una rampa ascendente, pero tambien contener, ademas de parametros internos de celula de combustible como, por ejemplo, presion de hidrogeno, presion de oxlgeno (del aire), diversas temperaturas, tensiones, corrientes, etc., por ejemplo, tambien el un valor delimitador para la instalacion de reformador.

La carga facultativa impide una desactivacion de las celulas de combustible o del sistema de reformador. La energla electrica faltante debe compensarse en caso de deficit de los sumideros de energla de la baterla o de las baterlas o del generador o generadores para mantener la estabilidad de la red.

Por otro lado, esta la conexion de los modulos de celula de combustible por medio de un convertidor CC/CC al carril de marcha principal. Una configuration de este tipo se conoce, por ejemplo, por el documento EP 1568601 A1, en el que se describe un submarino con un suministro de propulsion y de energla independiente del aire exterior de un motor electrico y una propulsion que esta compuesto por un sistema de combustible y una baterla recargable. El sistema de celula de combustible esta conectado en este caso por medio de un regulador CC/CC en paralelo con la salida de la baterla. En este sentido, es ventajoso que no son necesarios requerimientos particulares para la dinamica del sistema de celula de combustible y, por tanto, se puede realizar un funcionamiento de reformador optimo. Tambien se permite una formacion de carga facultativa y una elevada flexibilidad de diseno. Desventajoso es, sin embargo, que se generan perdidas adicionales por el regulador CC/CC y que no es posible un funcionamiento de emergencia en caso de un fallo del regulador CC/CC.

Otra variante se describe en el documento EP 2112707 A1 para un procedimiento para el suministro de energla de un submarino. En este sentido, una red de corriente es alimentada por medio de una celula de combustible con energla que es alimentada por medio de un reformador. El acumulador electrico -una baterla tampon- absorbe potencia de la celula de combustible cuando la potencia de la celula de combustible sobrepasa la carga de red, y emite potencia cuando la potencia de la celula de combustible esta por debajo de la carga de red. El uso de una baterla tampon tambien presenta, sin embargo, desventajas. Asl, por ejemplo, el convertidor CC/CC, incluida la baterla de tampon, debe disenarse para la potencia nominal de la red de propulsion para poder hacer posible un funcionamiento sin interruption. Para poder impedir este sobredimensionamiento, en caso de saltos de carga a areas que son mayores que la potencia nominal del sistema de celula de combustible, el sistema de celula de combustible debe ser desconectado de la red y toda la carga de la celula de combustible debe acumularse provisionalmente en la baterla tampon. Una nueva conexion solo puede efectuarse tras sincronizacion de la carga de la celula de combustible con la baterla. En el estado de la tecnica tambien existen sistemas de propulsion de submarinos compuestos idealmente de dos o mas subredes, siendo alimentadas cada una de estas subredes por al menos una baterla parcial. Esto es necesario, por un lado, por razones de disponibilidad, puesto que, de este modo, por ejemplo, en caso de un cortocircuito en una subred, siguen estando disponibles las otras subredes. Por otro lado, esto es necesario en sistemas de propulsion con motores de helice de corriente continua para poder efectuar una regulation aproximada del numero de revoluciones en la zona de regulation de inducido mediante combination de conexion en serie o en paralelo de las baterlas parciales.

En las soluciones conocidas por el estado de la tecnica, el convertidor CC/CC presenta una salida de potencia que, en el mejor de los casos, alimenta por medio de conmutadores de potencia mecanicos a todas las subredes. Un funcionamiento sin interrupcion del sistema de celula de combustible, por tanto, ya no es posible. Esto se cumple en particular para sistemas con motores de helice de corriente continua en los que se conectan en serie baterlas parciales para la consecucion de elevadas velocidades de avance.

Debido a la gran tension de salida, el convertidor CC/CC hasta ahora tenia que ser desconectado en este caso. Hidrogeno excedente, por tanto, no puede ser convertido por la celula de combustible. Esto es extremadamente problematico en caso de production de hidrogeno con reformadores. Por el documento DE 102006056888 A1, se propone una disposition de convertidor CC/CC para la conexion de un dispositivo de celula de combustible con un dispositivo acumulador de energla.

El documento DE 112008000423 T5 desvela una configuration de circuito de acuerdo con la cual esta dispuesto un convertidor CC/CC entre una baterla y una celula de combustible.

Por el documento US 6,369,461 A1, se conoce una disposicion de circuito para el suministro de energla de una carga por medio de una celula de combustible y auxiliarmente por medio de una bateria.

En vista de las configuraciones conocidas por el estado de la tecnica, es un objetivo de la presente invention, por tanto, proponer una disposicion de circuito para la conexion electrica de al menos un sistema de celula de combustible con una red de suministro, en particular de un vehiculo submarino, y un correspondiente procedimiento para el funcionamiento de una red de suministro electrico en particular de un vehiculo submarino, por medio de los cuales se superen al menos parcialmente los problemas descritos anteriormente del estado de la tecnica.

Este objetivo se consigue por medio de una disposicion de circuito con las caracteristicas de la reivindicacion 1, asi como por medio de un procedimiento para el funcionamiento de un suministro de propulsion y de energia independiente del aire exterior de un vehiculo submarino con las caracteristicas de la reivindicacion 8. Perfeccionamientos ventajosos de la invencion se indican en las reivindicaciones dependientes y en la siguiente description, asi como en el dibujo. En este sentido, las caracteristicas indicadas en las reivindicaciones dependientes y en la descripcion pueden configurar, en cada caso por si mismas, pero tambien en combination apropiada, la solution de acuerdo con la invencion segun la reivindicacion 1 o reivindicacion 7. De acuerdo con la invencion, se propone, por tanto, una disposicion de circuito para la conexion electrica de al menos un sistema de celula de combustible y al menos una bateria recargable a una red de consumidores, en particular una red de propulsion de un vehiculo submarino con un suministro de propulsion y de energla independientes del aire exterior, estando previsto al menos un convertidor CC/CC que puede conectarse con el sistema de celula de combustible, por un lado, y la al menos una bateria por otro lado, estando disenado el al menos un convertidor CC/CC para poder actuar en dos direcciones. Por medio de la disposicion de circuito de acuerdo con la invencion, se posibilita por un lado una formation facultativa de carga, por otro lado, simultaneamente se ahorra una bateria tampon adicional; esta funcion es asumida por la al menos una bateria recargable. Ademas, se puede garantizar un funcionamiento exento de interrupciones en todo momento.

Con un conmutador semiconductor, el sistema de celula de combustible puede ser conectado directamente con la red de propulsion. De esta manera, es posible un flujo de corriente directo desde el sistema de celula de combustible a la instalacion electrica de propulsion. El conmutador semiconductor permite en particular, en funcion de la necesidad de carga y configuracion de la bateria, interrumpir y restablecer la conexion directa con la red de propulsion. Para el alisamiento de la corriente que fluye desde las celulas de combustible, se puede prever adicionalmente una inductancia.

Es particularmente ventajoso que tanto el sistema de celula de combustible como la bateria recargable pueden conectarse o ser conectados directamente y sin conversion con la red de consumidores, en particular con la red de propulsion. Con ello, durante el suministro de la red de consumidores, en particular de la red de propulsion, exclusivamente a partir del sistema de celula de combustible o durante el suministro de la red de consumidores, en particular de la red de propulsion, exclusivamente a partir de la bateria recargable, no se producen perdidas a traves de un convertidor CC/CC. En este sentido, de manera opcional es adicionalmente posible, si uno de los dos suministradores de energla sistema de celula de combustible o bateria recargable esta conectado directamente con la red de consumidores, en particular la red de propulsion, que adicionalmente el otro de los dos suministradores de energla pueda conectarse por medio de un convertidor CC/CC tambien con la red de consumidores, en particular la red de propulsion.

En otra forma de realization de la invencion, el sistema de celula de combustible y la al menos una bateria recargable se pueden conectar directamente a una red de consumidores.

En otra forma de realizacion de la invencion, el sistema de celula de combustible se puede conectar directamente a una red de consumidores por medio de un primer agente de conmutacion y la al menos una bateria recargable, por medio de un segundo agente de conmutacion. Como primer y segundo agente de conmutacion puede utilizarse cualquier tipo de conmutador, por ejemplo, conmutadores mecanicos o conmutadores semiconductores. De acuerdo con la invention, el al menos un convertidor CC/CC esta disenado para actuar en una direction como convertidor Buck, de tal modo que se pueda transferir energla de la celula de combustible a la red de propulsion.

Ademas, el al menos un convertidor CC/CC esta disenado preferentemente para actuar en la otra direccion como convertidor Boost, de tal modo que se pueda transferir energla de la baterla hacia el sistema de celula de combustible. Un flujo de corriente al sistema de celula de combustible debe evitarse por medio de medidas tecnicas de regulacion apropiadas.

De esta manera, el al menos un convertidor CC/CC puede trabajar en el denominado funcionamiento de apoyo, es decir, cuando el conmutador semiconductor esta conectado, en las dos direcciones de flujo energetico. Cuando trabaja como convertidor Boost, la corriente en el sistema de celula de combustible es completada a este respecto y la tension de la celula de combustible puede mantenerse estable. Cuando trabaja como convertidor Buck, las celulas de combustible del sistema de celula de combustible son cargadas mas intensamente, por ejemplo, para aprovechar hidrogeno sobrante.

Ademas, pueden preverse agentes de conmutacion que actuen de tal manera que se pueda transferir energla del sistema de celula de combustible a la al menos una baterla para la recarga.

Ademas, es ventajoso si esta previsto un numero de convertidores CC/CC conectados en paralelo que se puedan activar y desactivar individualmente en funcion de la carga, en particular para optimizar la efectividad en la zona de carga parcial, por ejemplo, para minimizar perdidas de conmutacion.

De acuerdo con otra forma de realization preferente, el sistema de celula de combustible presenta una celula de combustible o varias celulas de combustible conectadas en serie que en cada caso estan compuestas por uno o varios modulos de celula de combustible conectados en serie.

En otra forma de realizacion preferente, el sistema de celula de combustible presenta una celula de combustible o varias celulas de combustible conectadas en serie que en cada caso estan compuestas por uno o varios modulos de celula de combustible conectados en serie, y estando previsto un numero de convertidores CC/CC conectados en paralelo que se puedan activar y desactivar individualmente en funcion de la carga, en particular para optimizar la efectividad en la zona de carga parcial, por ejemplo, para minimizar perdidas de conmutacion, estando asociado a cada modulo de celula de combustible un convertidor CC/CC conectado en paralelo.

En particular, puede estar previsto a este respecto que, en caso de carga que se eleve a partir de cero, en primer lugar, se active un primer convertidor CC/CC de los convertidores CC/CC conectados en paralelo, mientras que los otros convertidores CC/CC conectados en paralelo estan desactivados y, al sobrepasarse la tasa de utilization del primer convertidor CC/CC conectado en paralelo por encima de un valor umbral de utilizacion, se active al menos otro de los convertidores CC/CC conectados en paralelo. El valor umbral de utilizacion se situa preferentemente en el intervalo del 50 % al 100 % de la carga nominal, mas preferentemente en el intervalo del 75 % al 100 % de la carga nominal o, de manera particularmente preferente, en el intervalo del 90 % al 100 % de la carga nominal. Preferentemente, el al menos un convertidor CC/CC es un convertidor sincronico o un convertidor de puente completo que asegure el flujo de energla del sistema de celula de combustible a la baterla.

De acuerdo con la invencion, se proporciona ademas un procedimiento para el funcionamiento de un suministro de propulsion y de energla independiente del aire exterior de un vehlculo submarino, que es alimentado a traves de un circuito de alimentation con al menos una baterla recargable y al menos un sistema de celula de combustible, estando previsto en el circuito de alimentacion al menos un convertidor CC/CC bidireccional que puede conectarse con el sistema de celula de combustible, por un lado, y la al menos una baterla por otro lado, y al menos un conmutador semiconductor para la interruption de la alimentacion directa por medio del al menos un sistema de celula de combustible a la red de consumidores, produciendose, cuando el conmutador semiconductor esta bloqueado, un flujo de energla a traves del al menos un convertidor CC/CC desde el al menos un sistema de celula de combustible a una red de consumidores, en particular a una red de propulsion, alimentada por el suministro de propulsion y de energla, siendo determinada la tension de la red de consumidores por la al menos una baterla. Si el conmutador semiconductor esta activado, y pudiendo estar previsto que se abra un conmutador semiconductor adicional entre la al menos una baterla y la red de consumidores, se produce un flujo de energla en funcion del estado de utilizacion de la celula de combustible a traves del al menos un convertidor CC/CC. Si la potencia disponible en el momento de funcionamiento actualmente presente del al menos un sistema de celula de combustible es mayor que la potencia requerida por la red de consumidores, se produce un flujo de energla a traves del al menos un convertidor CC/CC desde el al menos un sistema de celula de combustible a la al menos una baterla. Si la potencia disponible en el momento de funcionamiento actualmente presente del al menos un sistema de celula de combustible es menor que la potencia requerida por la red de consumidores, se produce un flujo de energla a traves del al menos un convertidor CC/CC desde la al menos una baterla al al menos un sistema de celula de combustible. En este caso, es decir, si el conmutador semiconductor esta activado, la tension en la red de consumidores es determinada por el al menos un sistema de celula de combustible, mientras el potencial de voltaje de celulas de combustible del sistema de celula de combustible sea mayor que el potencial de voltaje de la al menos una baterla. El procedimiento de acuerdo con la invencion presenta las ventajas descritas anteriormente.

De acuerdo con otra forma de realizacion preferente, el al menos un convertidor CC/CC trabaja como convertidor Buck cuando el conmutador semiconductor esta bloqueado.

Si el conmutador semiconductor esta activado, el al menos un convertidor CC/CC puede trabajar preferentemente como convertidor Buck si fluye energla desde el al menos un sistema de celula de combustible a la al menos una baterla.

Si el conmutador semiconductor esta activado, el al menos un convertidor CC/CC puede trabajar preferentemente como convertidor Boost si fluye energla desde la al menos una baterla al al menos un sistema de celula de combustible.

Otra ventaja es que, en caso de un fallo del al menos un convertidor CC/CC, se realiza un funcionamiento de emergencia por medio de transistores de conmutacion, de tal modo que se puede garantizar un funcionamiento sin interrupciones.

La disposicion de circuito de acuerdo con la invencion y el procedimiento de acuerdo con la invencion ofrecen soluciones que son apropiadas para sistemas de celula de combustible con muy diversas fuentes de combustible como, por ejemplo, suministro de hidrogeno de acumuladores de hidruro de metal o mediante reformacion. La solucion de acuerdo con la invencion es adecuada, ademas, para los mas diversos tipos de celula de combustible como, por ejemplo, PEM, HT-PEM, DMFC, MCFC, SOFC, PAFC, AFC, y para configuraciones de baterla que se presentan en el funcionamiento de vehlculos submarinos como, por ejemplo, sistemas de baterla configurables sobre la base de iones de litio.

La invencion se explica continuacion mas en detalle mediante un ejemplo de realizacion representado en el dibujo. Muestran:

la Figura 1 una representacion esquematica de una disposicion de circuito de acuerdo con una forma de realizacion de la invencion;

la Figura 2 una representacion esquematica de una disposicion de circuito de acuerdo con otra forma de realizacion de la invencion;

la Figura 3 una representacion esquematica de una disposicion de circuito;

la Figura. 4 una representacion esquematica de la conexion de una disposicion de circuito de acuerdo con una forma de realizacion de la invencion con un sistema de propulsion de un vehlculo submarino; la Figura 5 una representacion esquematica de la conexion de una disposicion de circuito de acuerdo con otra forma de realizacion de la invencion con un sistema de propulsion de un vehlculo submarino; La Figura 6 una representacion esquematica de una disposicion de circuito.

La figura 1 es una representacion esquematica de una disposicion de circuito 1 de acuerdo con una forma de realizacion de la invencion. En el caso de la forma de realizacion representada en este caso, no se requiere una baterla tampon, dado que esta funcion es asumida por la baterla 2 (baterla principal), que esta acoplada, por un lado, por medio de un diodo de bloqueo 2.1 con conmutador de puenteo 2.2 y, por medio interruptor de baterla 2.3, por otro lado, con la red de propulsion. Un conmutador semiconductor 3 y un conmutador de potencia mecanico 4 estan previstos en la disposicion de circuito 1 para el acoplamiento en la barra de marcha principal o la red de propulsion 8 de un vehlculo submarino. Ademas, en la disposicion de circuito 1, esta dispuesta una inductancia 5 para el alisamiento de la corriente que fluye desde las celulas de combustible del sistema de celula de combustible 6 o del ramal de celula de combustible. Un diodo de bloqueo 3.1 entre inductancia 5 y baterla principal 6 impide el flujo de corriente al interior del sistema de celula de combustible 6. El conmutador semiconductor 3 permite, en funcion de la necesidad de carga y configuracion de la baterla 2, interrumpir y restablecer la conexion directa con la red de propulsion 8.

El sistema de celula de combustible 6 esta compuesto por al menos uno o varios modulos de celula de combustible 9 conectados en serie. Ademas, en la forma de realizacion representada en este caso de una disposicion de circuito 1, estan dispuestos tres convertidores CC/CC 7 bidireccionales conectados en paralelo a los modulos de celula de combustible 9, por medio de los cuales el bufer de la baterla 2 puede influir en el punto de carga de los modulos de celula de combustible 9 con conexion a la red de propulsion 8 realizada al mismo tiempo de manera directa y baja en perdidas por medio del conmutador semiconductor 3. Los convertidores CC/CC 7 comprenden en cada caso conmutadores semiconductores para el funcionamiento Buck con diodo libre 7.1 para el funcionamiento Boost y conmutadores semiconductores para el funcionamiento Boost con diodo libre para el funcionamiento Buck 7.2. Ademas, es necesaria una inductancia de almacenamiento 7.3.

Los convertidores CC/CC 7 realizan esencialmente dos tipos de funcionamiento:

1. El conmutador semiconductor 3 esta bloqueado y los convertidores CC/CC 7 tienen una direccion de flujo de energla del sistema de celula de combustible 6 por medio de la conexion de baterla 2.3 a la red de propulsion 8. A este respecto, los convertidores CC/CC trabajan como convertidores Buck. La tension de la red de propulsion es determinada exclusivamente por la baterla 2. Para optimizar el grado de eficiencia en la zona de carga parcial, por ejemplo, para minimizar perdidas de conmutacion, se pueden desactivar convertidores CC/CC individuales en funcion de la carga.

2. El conmutador semiconductor 3 esta activado y los convertidores CC/CC 7 trabajan en funcionamiento de apoyo en las dos direcciones de flujo de energla.

Si la direccion de flujo de energla es de la baterla 2 al sistema de celula de combustible 6, la corriente en el sistema de celula de combustible 6 es completada y la tension del sistema de celula de combustible 6 puede mantenerse estable. A este respecto, los convertidores CC/CC 7 trabajan como convertidores Boost.

Si la direccion de flujo de energla es en el sentido inverso, del sistema de celula de combustible 6 a la baterla 2, el sistema de celula de combustible 6 es cargado mas intensamente, por ejemplo, para aprovechar hidrogeno sobrante.

Los convertidores CC/CC 7 trabajan a este respecto como convertidores Buck.

La tension de red de propulsion en los bornes a la red de propulsion 8 es determinada por las celulas de combustible del sistema de celula de combustible 6 mientras el potencial de voltaje de las celulas de combustible sea mayor que el de la baterla 2 y el conmutador semiconductor este activado.

En la configuracion mostrada en este caso, esta implementado un convertidor sincronico bidireccional en el que todos los modulos de celula de combustible 9 (en este caso tres unidades) conectados en serie del sistema de celula de combustible 6 son apoyados y de una pluralidad de convertidores sincronicos o convertidores CC/CC 7 (en este caso tres unidades) que trabajan en paralelo. Mediante esta configuracion, se da una capacidad de degradacion en caso de fallo de convertidores 7 individuales y, tanto en la zona de carga parcial como en el funcionamiento de apoyo, pueden desactivarse convertidores individuales para mejorar el grado de eficiencia.

Las salidas de los convertidores sincronicos 7 individuales pueden conectarse en grupos en paralelo para alimentar subsistemas de propulsion del vehlculo submarino. En caso de fallo de modulos de celula de combustible 9, es posible que el potencial de los modulos de celula de combustible 9 conectados en serie sea menor que el de la baterla 2. Un modo de actuacion como convertidor Boost con direccion de flujo de energla hacia la baterla 2 no es posible, sin embargo, con la disposicion de circuito 1 representada en este caso. Para evitar esto, es util la forma de realizacion representada en la figura 2. No es posible una formacion de carga facultativa en el plano de un modulo de celula de combustible individual. El modulo de celula combustible con menor capacidad de carga establece la limitation de todo el sistema de celula de combustible 6.

La figura 2 es una representation esquematica de una disposicion de circuito 1 con una topologla de acuerdo con otra forma de realizacion de la invention. A diferencia de la forma de realizacion representada en la figura 1, en este caso esta asociado a cada modulo de celula combustible 9 un convertidor de 2 cuadrantes en la forma de varios convertidores de puente completo 10 bidireccionales conectados en paralelo que asegura el flujo de energla de los modulos de celula de combustible 9 a la baterla 2. Generalmente, ademas del convertidor de puente completo, pueden utilizarse todas las demas topologlas de convertidor que permiten una transmision de corriente bidireccional sin que se produzcan cortocircuitos debido a la conexion en serie de las entradas de convertidor, como serla el caso en la mayorla de las topologlas sin separation galvanica.

Para poder transmitir corriente de celula de combustible, cada uno de estos convertidores de puente completo 10 puede estar compuesto de varias unidades conectadas en paralelo. Para optimizar el grado de eficiencia, en funcion de la carga, pueden activarse o desactivarse unidades individuales. La transmision de corriente en las dos direcciones se asegura por medio de un circuito de descarga 11. En la figura 2 se indica el circuito de descarga 11 en su realizacion. Por principio, en este caso tambien son concebibles otras disposiciones de circuito. En caso de transmision de energla de los modulos de celula de combustible 9 a la baterla 2, el convertidor 7 puede funcionar alimentado por corriente; en este sentido esta activo el circuito de descarga 11. En la direccion contraria, el funcionamiento se efectua por el contrario alimentado por tension. Cuando el convertidor de puente completo 4, como se representa en este caso, esta compuesto por varias unidades conectadas en paralelo, pueden desactivarse, en la zona de carga parcial y en particular en el funcionamiento de apoyo, unidades individuales con el fin de mejorar el grado de eficiencia.

En caso de fallo de varios modulos de celula de combustible 9, se obtiene en la conexion en serie del sistema de celula de combustible 6 una tension que es menor que la tension de la baterla 2. Un flujo de corriente directo por medio del conmutador semiconductor 3 a la red de propulsion 8 no es posible. Mediante bloqueo del conmutador semiconductor 3, la instalacion puede seguir funcionando. Es posible transmitir energla de un unico modulo de celula combustible 9 a la red de propulsion 8.

Restricciones por alguna limitacion de la corriente de celula de combustible pueden corregirse en el plano de los modulos de celula de combustible 9. De esta manera, los demas modulos de celula de combustible 9 sin restriction pueden seguir funcionando o incluso asumir la potencia reducida de los modulos de celula de combustible actualmente restringidos, de tal modo que, de manera ideal, hacia fuera esta disponible toda la potencia requerida. Esto puede ser controlado por una gestion de carga.

Debido a la baja tension de un modulo de celula de combustible 9 individual, pueden utilizarse en el lado de celula de combustible de los convertidores de puente completo 10 conmutadores semiconductores con rigideces dielectricas bajas y con perdidas de conmutacion bajas, por ejemplo, MOSFET. De esta manera, se pueden minimizar las perdidas de conmutacion y paso y elevarse el grado de efectividad.

Por principio, tambien son realizables formas mixtas entre los ejemplos de realization representados en las figuras 1 y 2: El apoyo de los modulos de celula de combustible 9 individuales para realizar una formation de carga facultativa y el uso de un convertidor CC/CC 7 para realizar la transmision de energla de los modulos de celula de combustible 9 a la red de propulsion 8, como se representa en la figura 6.

El uso de un convertidor CC/CC 7 para la transmision de energla de la red de propulsion 8 a los modulos de celula de combustible 9 para el apoyo de los modulos de celula de combustible 9 -en este sentido, solo es posible una formacion de carga facultativa global- y el uso de convertidores CC/CC 7 individuales para realizar la transmision de energla de los modulos de celula de combustible 9 a la red de propulsion 8.

Cual de las dos variantes que estan representadas en las figuras 1 y 2 (o una forma mixta de ellas como se representa, por ejemplo, en la figura 6) debe aplicarse preferentemente depende a este respecto del diseno de la instalacion en su conjunto y de los requisitos de disponibilidad.

La figura 3 es una representation esquematica de otra posible disposition de circuito 1.

En este caso, un conmutador semiconductor 3, con el que se conectan los modulos de celula de combustible 9 directamente con una barra colectora, es ampliado con un diodo libre 12 y una inductancia 5 a un convertidor Buck individual. Uno o varios de estos convertidores Buck individuales estan conectados entre si en paralelo para formar un convertidor Buck temporal.

La tension de los modulos de celula de combustible 9 conectados en serie debe ser a este respecto mayor que la tension de la baterla 2. Para tener capacidad de degradation en caso de fallo de modulos de celula de combustible 9 individuales, el convertidor Buck compuesto por el conmutador semiconductor 3, el diodo libre 12 y el acumulador de energla de inductancia 5 puede ampliarse con otro conmutador semiconductor 3' y el diodo 12' a una funcion como convertidor Boost. Tambien puede suprimirse un diodo de bloqueo 13 para mejorar el grado de eficiencia, dado que los modulos de celula de combustible 9 ya estan protegidos por el diodo libre 12' contra corrientes de retorno procedentes de la red de propulsion 8. Por medio del interruptor seccionador 4 y el convertidor Buck temporal, la celula de combustible esta conectada con la red de propulsion 8.

En el convertidor Buck 14 temporal, se puede variar la carga de las celulas de combustible del sistema de celula de combustible 6. En el regimen constante, estan activados el conmutador semiconductor 3 en el funcionamiento de convertidor Buck y el diodo libre 12', de tal modo que solo son relevantes sus perdidas de paso. La tension en la red de propulsion 8 es determinada por la tension o llnea caracterlstica de carga de los modulos de celula de combustible 9. Tan pronto como la potencia electrica requerida a la barra colectora de la red de propulsion 8 no puede ser cubierta por los modulos de celula de combustible 9, se limita o reduce la potencia mediante sincronizacion de los transistores Buck o del conmutador semiconductor 3 en el funcionamiento Buck. La tension en la barra colectora de la red de propulsion 8 es establecida por la baterla 2, de tal modo que el diodo de baterla 15 se activa y fluye corriente de baterla para que la potencia requerida a la barra colectora de la red de propulsion 8 pueda ser cubierta en la suma por el sistema de celula de combustible 6 y la baterla 2. El suministro de hidrogeno a los modulos de celula de combustible 9 puede crearse tanto directamente, por ejemplo, a partir de acumuladores de hidruro de metal, como por medio de un reformador. En el uso del convertidor Buck temporal, deberla intervenirse a este respecto de la manera menos limitante posible. Esto significa que, en la mayor parte del tiempo de funcionamiento, el llenado de la instalacion de reformador es la magnitud de ajuste para la presion de salida del reformador.

Normalmente, los sistemas de celula de combustible 6 para vehlculos o barcos submarinos funcionan en servicio a carga parcial. Las oscilaciones de carga en la red son mas bien reducidas. Para minimizar el funcionamiento sincronizado con muchas perdidas del convertidor Buck temporal, se puede elevar la presion del hidrogeno. Con esto se da una reserva de presion que puede compensar pequenas oscilaciones de carga. Mediante el servicio a carga parcial, apenas se reduce el grado de efectividad de la membrana de limpieza de gases.

En caso de fallo de modulos de celula de combustible 9 individuales, el conmutador semiconductor 3 que actua como transistor se sincroniza en el modo Boost, que de esta manera forma, junto con el diodo libre 12' y la inductancia 5, un convertidor Boost. De esta manera, el sistema de celula de combustible 6 tiene capacidad de degradacion. La tension en la barra colectora de la red de propulsion 8 se corresponde con la tension de la baterla 2. En este modo de funcionamiento, se cierra el conmutador de puente de diodo 16.

En particular en sistemas de propulsion cuya demanda de potencia se cubra en una gran parte o casi completamente por el sistema de celula de combustible 6, esta disposicion es ventajosa: Tales instalaciones estan compuestas de un gran numero de ramales de modulo de celula de combustible conectados en paralelo. Una gran parte de las oscilaciones de carga pueden compensarse en el servicio a carga parcial sin una intervencion sincronizante. La capacidad de degradacion puede alcanzarse mediante el gran numero de ramales de celula de combustible o sistemas de celula de combustible 6 conectados en paralelo. En instalaciones de este tipo, se suprime la parte de convertidor Boost compuesta por el transistor (conmutador semiconductor 3') y el diodo libre 12', ya que la capacidad de degradacion esta asegurada por la pluralidad de los ramales. El diodo de corriente de retorno o diodo de bloqueo 13, deberla mantenerse si se utilizan modulos de celula de combustible 9 sensibles a este respecto. Los diodos de bypass 17 tambien pueden suprimirse, ya que, en caso de fallo, todo el ramal es desacoplado por el transistor Buck (conmutador semiconductor 3).

Mediante las formas de realizacion descritas anteriormente, se obtiene una conexion directa a la red de propulsion 8 sin perdidas de convertidor CC/CC, sino unicamente con ligeras perdidas de paso en los interruptores semiconductores. La carga de los modulos de celula de combustible 9 es independiente de las condiciones en la red de propulsion 8. Es posible un funcionamiento de reformador, es posible una formacion de carga facultativa y se obtiene un modo de funcionamiento cuidadoso de los modulos de celula de combustible 9. Se posibilita la gestion de carga, que, en caso de restriccion/potencia reducida de modulos de celula de combustible 9 individuales, distribuye la potencia reducida entre los demas modulos de celula de combustible 9 y la instalacion en su conjunto sigue proporcionando en el servicio a carga parcial la potencia total requerida.

Ademas, se da una elevada disponibilidad en caso de fallo de varios modulos de celula de combustible 9 tambien cuando el potencial de los modulos de celula de combustible 9 es menor que el de la baterla 2.

En este caso, toda la potencia de los modulos de celula de combustible 9 se transmite a traves del convertidor CC/CC 7. Ademas, es posible un funcionamiento con optimizacion del grado de eficiencia mediante desactivacion de convertidores CC/CC individuales 7.

La figura. 4 es una representacion esquematica de la conexion de una disposicion de circuito 1 de acuerdo con una forma de realizacion de la invencion con un sistema de propulsion de un vehlculo submarino. En este caso, los modulos de celula de combustible 9 pueden conectarse mediante la conexion de celula de combustible 18 directamente por medio de transistores de conmutacion 19 o indirectamente por medio de los convertidores CC/CC 7 al sistema de propulsion 20 con motor de helice alimentado por inversor de un vehlculo submarino.

Para posibilitar el funcionamiento sin interrupciones, a cada subsistema de propulsion 20.1, 20.2 esta asociada una salida propia del convertidor CC/CC 7. Los convertidores CC/CC 7 o grupos de convertidores pueden realizarse tambien como convertidores CC/CC espacialmente separados. En las entradas de los convertidores CC/CC 7, los modulos de celula de combustible 9 se conectan de tal modo que con todos los modulos de celula de combustible 9 pueden alimentarse todos los subsistemas de propulsion 20.1, 20.2. En caso de fallo de un subsistema de propulsion, por ejemplo, del subsistema de propulsion 20.1 por cortocircuito de barra colectora, tras apertura del conmutador de potencia 4 de celula de combustible perteneciente al subsistema de propulsion 20.1 afectado por el cortocircuito y subsiguiente cierre de un interruptor seccionador de emergencia 21, se puede aprovechar la potencia nominal completa de los modulos de celula de combustible 9 sin tener que sobredimensionar los convertidores CC/CC 7 y los transistores de conmutacion 19. El interruptor seccionador de emergencia 21 puede ser realizado como disyuntor. Los conmutadores de potencia 4 de celula de combustible pueden realizarse como conmutadores de potencia con funcion protectora o como disyuntores en los que un seguro adicional (en este caso no representado) asume la proteccion de los conductos en el lado de los modulos de celula de combustible 9, as! como de la conexion de celula de combustible 18 en caso de cortocircuitos alimentados desde la red de propulsion 8.

Inmediatamente despues de un fallo de un subsistema de propulsion, por ejemplo, del subsistema de propulsion 20.1, se puede transmitir primeramente como maximo la mitad de la potencia nominal total de celula de combustible. Solo despues de la desconexion del conmutador de potencia 4 de celula de combustible de la parte de sistema 20.1 defectuosa y el cierre del interruptor seccionador de emergencia 21, puede volver a transmitirse la carga nominal total. En caso de un fallo de un convertidor CC/CC 7 o de un grupo de convertidores CC/CC 7 o de un transistor de conmutacion 19 o de un grupo de transistores de conmutacion 19, la carga puede dividirse simetricamente entre los dos sistemas de celula de combustible 6. De esta manera, tambien en caso de fallo de un grupo de convertidores CC/CC 7 o de un grupo de transistores de conmutacion 19, es posible un servicio a carga parcial con optimizacion del grado de eficiencia de los sistemas de celula de combustible 6. Ademas, estan previstos equipos de medicion de corriente 22 conocidos por el estado de la tecnica que sirven a diversos fines de regulacion. La figura 5 es una representacion esquematica de la conexion de una disposicion de circuito 1 de acuerdo con otra forma de realizacion de la invencion para la conexion de celula de combustible a un sistema de propulsion 20 conocido por el estado de la tecnica con motor de helice de corriente continua y cambio de tomas de propulsion de un vehlcuio submarino.

Como se representa en este caso, la configuration aproximada del numero de revoluciones del motor de helice se efectua por medio de la combination de una conexion en serie y en paralelo de varias baterlas parciales 2' y varios motores parciales 23. Hasta ahora, se podia alimentar energla a partir de las celulas de combustible del sistema de celula de combustible 6, en caso de conexion en paralelo de las baterlas parciales 2', es decir, en las marchas bajas. El ejemplo de realization representado en este caso permite, sin embargo, alimentar energla desde el sistema de celula de combustible 6 a la red de propulsion 8 tambien en marchas altas, en las que las baterias parciales 2' estan conectadas en serie. De este modo, es posible un funcionamiento continuado, lo que facilita en particular el funcionamiento con un reformador.

En la conexion de celulas de combustible 18 estan previstos en correspondencia al numero de baterias parciales 2' grupos de convertidores CC/CC 7 cada uno de los cuales alimenta una bateria parcial 2'. Para evitar cortocircuitos en conexion en serie de las baterias parciales 2', deben utilizarse topologlas con separation galvanica como, por ejemplo, en el ejemplo de realizacion representado en la figura 2. El modo de funcionamiento directamente conectado por medio de los transistores de conmutacion 19 no es posible en conexion en serie de las baterlas parciales 2'.

La energla procedente de los modulos de celula de combustible 9, en esta constelacion, debe ser transmitida indirectamente por medio de los convertidores CC/CC 7. En caso de fallo de un subsistema de propulsion, pueden activarse por medio de disyuntores 24 los convertidores CC/CC 7 independientemente entre si en otras baterias parciales 2' disponibles. Inmediatamente tras un fallo de un subsistema de propulsion, puede transmitirse primeramente como maximo solo la mitad de potencia de celula de combustible. Solo despues de sincronizar los convertidores CC/CC 7 y subsiguiente activation de los disyuntores 24 puede volver a transmitirse la potencia total de celula de combustible.

Lista de referencias

1 Disposition de circuito

2 Bateria

2' Bateria parcial

2.1 Diodo de bloqueo (bateria)

2.2 Conmutador de puenteo

2.3 Interruptor de bateria

3, 3' Conmutador semiconductor

3.1 Diodo de bloqueo (celula de combustible)

4 Conmutador de potencia mecanico

5 Inductancia

6 Sistema de celula de combustible

7 Convertidor CC/CC / Grupo convertidor CC/CC

7.3 Inductancia

8 Red de propulsion

9 Modulo de celula combustible

10 Convertidor de puente completo

11 Circuito de descarga

12, 12' Diodo libre

13 Diodo de bloqueo (celula de combustible)

14 Convertidor Buck temporal

15 Diodo de bloqueo (bateria)

16 Interruptor de puenteo de diodo

17 Diodo de bypass (celulas de combustible)

18 Conexion de celulas de combustible

19 Transistor de conmutacion

20 Sistema de propulsion

20.1, 20.2 Subsistema de propulsion

21 Interruptor seccionador de emergencia

22 Equipo de medicion de corriente

23 Motor parcial

24 Disyuntor

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Disposicion de circuito (1) para la conexion electrica de al menos un sistema de celula de combustible (6) y al menos una bateria recargable (2) en una red de consumidores, en particular una red de propulsion (8) de un vehiculo submarino, con un suministro de propulsion y de energia independiente del aire exterior, estando previsto al menos un convertidor CC/CC (7) que esta conectado al sistema de celula de combustible (6), por un lado, y a la al menos una bateria (2), por otro lado, y estando disenado el al menos un convertidor CC/CC (7) para poder actuar en dos direcciones, pudiendo actuar el al menos un convertidor CC/CC (7) en una de las direcciones como convertidor Buck para transferir energia del sistema de celula de combustible (6) a la red de consumidores (8) y estando conectado el sistema de celula de combustible (6) por medio de un conmutador semiconductor (3, 3') directamente a la red de consumidores (8), caracterizada por que cuando el conmutador semiconductor (3, 3') esta bloqueado se transfiere energia del sistema de celula de combustible (6) por medio del convertidor CC/CC (7) a la red de consumidores (8) y la tension de la red de consumidores esta determinada por la bateria (2).

2. Disposicion de circuito (1) segun la reivindicacion 1, caracterizada por que el sistema de celula de combustible (6) y la al menos una bateria recargable (2) se pueden conectar directamente a una red de consumidores.

3. Disposicion de circuito (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el sistema de celula de combustible (6) se puede conectar directamente a una red de consumidores por medio de un primer agente de conmutacion y la al menos una bateria recargable (2), por medio de un segundo agente de conmutacion.

4. Disposicion de circuito (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el al menos un convertidor CC/CC (7) esta disenado para actuar en la otra direccion como convertidor Boost, de tal modo que se pueda transferir energia de la bateria (2) en direccion del sistema de celula de combustible (6).

5. Disposicion de circuito (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que estan previstos agentes de conmutacion que actuan de tal manera que se puede transferir energia del sistema de celula de combustible (6) a la al menos una bateria (2) para la recarga.

6. Disposicion de circuito (1) segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que esta previsto un numero de convertidores CC/CC (7) conectados en paralelo que se pueden conectar y desconectar individualmente.

7. Procedimiento para el funcionamiento de un suministro de propulsion y de energia independiente del aire exterior de un vehiculo submarino, que es alimentado a traves de un circuito de alimentacion con al menos una bateria recargable (2) y al menos un sistema de celula de combustible (6), estando previsto en el circuito de alimentacion al menos un convertidor CC/CC (7) bidireccional que se puede conectar al sistema de celula de combustible (6) por un lado y con la al menos una bateria (2), por otro lado, y al menos un conmutador semiconductor (3, 3') para la interrupcion de la alimentacion directa por medio del al menos un sistema de celula de combustible (6) a la red de consumidores, caracterizado por que cuando el conmutador semiconductor (3, 3') esta bloqueado se produce un flujo de energia a traves del al menos un convertidor CC/CC (7) desde el al menos un sistema de celula de combustible (6) a una red de consumidores, en particular a una red de propulsion (8), alimentada por el suministro de propulsion y de energia, siendo determinada la tension de la red de consumidores por la al menos una bateria (2), y produciendose, cuando el conmutador semiconductor (3, 3') esta abierto, un flujo de energia a traves del al menos un convertidor CC/CC (7) desde el al menos un sistema de celula de combustible (6) a la al menos una bateria (2) y de la al menos una bateria (2) al al menos un sistema de celula de combustible (6), siendo determinada la tension en la red de consumidores por el al menos un sistema de celula de combustible (6) mientras el potencial de voltaje de celulas de combustible del sistema de celula de combustible (6) sea mayor que el potencial de voltaje de la al menos una bateria (2).

8. Procedimiento segun la reivindicacion 7, caracterizado por que el sistema de celula de combustible (6) o la al menos una bateria recargable (2) o tanto el sistema de celula de combustible (6) como la al menos una bateria recargable (2) se conectan directamente a una red de consumidores.

9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que se conduce un flujo de energia, en funcion del estado de utilizacion de la celula de combustible, a traves del al menos un convertidor CC/CC.

10. Procedimiento segun la reivindicacion 9, caracterizado por que se conduce un flujo de energia a traves del al menos un convertidor CC/CC desde el al menos un sistema de celula de combustible a la al menos una bateria si la potencia disponible del al menos un sistema de celula de combustible es mayor que la potencia requerida por la red de consumidores.

11. Procedimiento segun la reivindicacion 9, caracterizado por que se conduce un flujo de energia a traves del al menos un convertidor CC/CC desde la al menos una bateria al al menos un sistema de celula de combustible si la potencia disponible del al menos un sistema de celula de combustible es menor que la potencia requerida por la red de consumidores.

12. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado por que, cuando el conmutador semiconductor (3, 3') esta bloqueado, el al menos un convertidor CC/CC (7) trabaja como convertidor Buck.

13. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 7 a 12, caracterizado por que, cuando el conmutador semiconductor (3, 3') esta abierto, en un flujo de energla del al menos un sistema de celula de combustible (6) a la al menos una baterla (2), el al menos un convertidor CC/CC (7) trabaja como convertidor Buck.

14. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 7 a 13, caracterizado por que, cuando el conmutador semiconductor (3, 3') esta abierto, en un flujo de energla de la al menos una baterla (2) al al menos un sistema de celula de combustible (6), el al menos un convertidor CC/CC (7) trabaja como convertidor Boost.