WO2014187674A2 - Gleichspannungswandler und dessen verwendung - Google Patents

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WO2014187674A2 PCT/EP2014/059406 EP2014059406W WO2014187674A2 WO 2014187674 A2 WO2014187674 A2 WO 2014187674A2 EP 2014059406 W EP2014059406 W EP 2014059406W WO 2014187674 A2 WO2014187674 A2 WO 2014187674A2
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Florian BRAUER
Markus Grimmig
Joachim Hoffmann
Helmut Marquard
Thomas Scholz
Heiko SOLMECKE
Hans-Jürgen TÖLLE
Jens Wietoska
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • a DC-DC converter for adapting a DC electrical voltage and its use in an external air-independent propulsion system of a submarine.
  • a DC-DC converter also referred to as a DC-DC converter, is understood here to mean an electrical circuit arrangement which adapts an input-side electrical DC voltage into a DC output voltage different therefrom.
  • DC-DC converters are load-dependent. They have the maximum efficiency only at a certain load. Below or above this speci ⁇ fischen operating point, the efficiency drops sometimes strong. The losses are converted into heat and the Be ⁇ operating temperature of the device must be maintained by a corresponding cooling, with additional energy, within the zu ⁇ permissible range.
  • DC-DC converters are used in particular in propulsion systems using fuel cells in order to adapt the electric DC voltage generated by the fuel cell ⁇ , for example, in propulsion systems of submarines for adaptation to an on-board mains voltage.
  • Fuel cells have a large voltage swing, that a particularly high difference Zvi ⁇ rule a minimum and a maximum of the electrical voltage generated by them, so that the DC-DC converter used therein must be designed to be flexible in terms of their input voltage.
  • the above-mentioned load dependency of the efficiency of DC-DC converters therefore has a particularly critical effect on DC-DC converters which are used to adapt a DC voltage generated by fuel cells.
  • the efficiency plays a crucial role, as he greatly influenced the available operating time of the submarine, insbesonde ⁇ re the dive time.
  • DE 10 2010 060 687 A1 discloses a power electronic converter stage with a plurality of transducers of different maximum converter powers connected in parallel, which together provide a maximum step power and a current step power reduced with respect to the maximum step power with a subset of the transducers adapted thereto.
  • the invention has for its object to provide an improved with respect to the load-dependent efficiency DC-DC converter. Furthermore, the invention is based on the object of specifying a use of such a DC-DC converter in a drive system of a submarine having at least one fuel cell.
  • An inventive DC-DC converter for adapting a DC electrical voltage comprises a plurality of independently connectable and disconnectable converter modules and a
  • Control unit which is designed for a power-dependent connection and disconnection of converter modules.
  • the control unit has a programmable logic controller for connecting and disconnecting a flexible number of
  • a DC-DC converter according to the invention is therefore modularly constructed from a plurality of converter modules which can be connected and disconnected independently of one another by means of a control unit and to which the total power of the DC-DC converter can be divided. This allows advantageous to-lastabhot ⁇ gig converter modules on and off, to the DC-DC converter with a current for a respective load side ⁇ clearly the efficiency optimum combination of
  • the modular design of the DC-DC converter also advantageously allows the DC-DC converter not to fail completely in the event of failure of one or more converter modules, but can continue to operate with the remaining functional converter modules (possibly at reduced power). Failed converter modules can also be advantageously replaced during operation of the DC-DC converter by functional converter modules, without the entire DC-DC converter must be turned off.
  • Change converter modules of the DC-DC converter and adapt to different requirements.
  • the DC-DC converter can be adapted in this way to drive systems of submarines of various types, without having to construct a special DC-DC converter for each type.
  • all converter modules are designed to deliver the same maximum electrical power. This allows a particularly simple and cost-effective design and control of the DC-DC converter, since all converter modules are designed the same.
  • An alternative embodiment of the invention provides that at least two converter modules differ from each other in terms of their maximum electrical power.
  • a further embodiment of the invention provides a common housing for the converter modules and the memory program ⁇ logic controller and / or the programmable controller.
  • a further embodiment of the invention provides that the DC-DC converter has at least one redundant converter module.
  • This embodiment of the invention thus provides that the DC-DC converter comprising a converter module at least more than is actually needed for its operation (Redun ⁇ Dante converter module). In this way, the failure of a converter module can always be responded by connecting a redundant converter module. If an additional transducer is selected module so that its maximum power of the Maxi ⁇ painting performance of the other converter modules of the DC-DC converter corresponds to, can be achieved even that the Failure of one of the other converter modules of the DC voltage ⁇ converter can be compensated without loss of power.
  • DC-DC converters according to the invention are suitable, in particular, for use in an external-air-independent propulsion system of a submarine with a fuel cell system comprising at least one fuel cell for adapting the power generated by the at least one fuel cell
  • DC-DC converter for a drive system of a submarine with at least one fuel cell for adapting the generated by the at least one fuel cell
  • DC voltage to the vehicle electrical system voltage must be particularly flexible with respect to their input voltage, since, as already mentioned above, the voltage swing of a fuel cell is particularly high.
  • DC-DC converters according to the invention are particularly advantageous for this purpose, since a DC-DC converter according to the invention makes it possible to flexibly adapt its efficiency to that of the at least one
  • a power to be delivered currently by the fuel cell system is preferably determined and for the determined instantaneous power to be determined, module combinations of converter modules of the DC-DC converter, by means of which the determined power to be delivered can be provided in each case, and their res Efficiency compared. Furthermore, an optimal module combination of converter modules is determined, which has a maximum efficiency among the determined and compared module combinations and the Fuel cell system is operated with the determined optimal Mo ⁇ dulkombination of converter modules of the DC-DC converter. This advantageously allows an operation of the Brennstoffzel ⁇ lena location that is optimized in terms of efficiency of use ⁇ th DC-DC converter for the currently dispensed by the fuel cell system performance.
  • a plurality of mutually electrically connected in parallel with DC-DC converter can be used and in case of failure of a converter module, a conversion module of another DC ⁇ converter can be used instead of the failed converter module. Accordingly, when using a plurality of DC-DC converters connected in parallel with each other in the event of a failure of a DC-DC converter, instead of the failed DC-DC converter, another DC-DC converter can be used.
  • the failed converter module is preferably switched off, from
  • this advantageously makes it possible to replace a failed converter module of the DC-DC converter with relatively little effort.
  • this substitution may also be in the running operation due to the spe ⁇ cial execution of a DC-DC converter according to the invention without the DC-DC converter has to be at least temporarily shut down.
  • a fuel cell system having multiple combustion ⁇ fuel cells are preferably further load-dependent WIR kungsgradverlaut the fuel cell detected and the fuel ⁇ fuel cell system is controlled in dependence on the determined momentarily output power and the detected load-dependent efficiency curves of the fuel cells such that the efficiency of the fuel cell system is maximum.
  • This embodiment takes into account that the efficiency of the fuel cell system with a plurality of fuel cells can be further improved by taking into account in the control of the operation of the fuel cell system also the load-dependency of the efficiencies of the fuel cells. Typically, the efficiency of fuel cells is maximized in a lower range of their performance. According to this embodiment of the invention, a fuel cell system can thus be operated with a combination of fuel cells, so that as many fuel cells of this combination are operated in the range of their maximum efficiency.
  • the precipitated An ⁇ location part In the case of a fuel cell system having multiple combustion ⁇ fuel cells is further preferably turned off during a failure of a plant component of the fuel cell system, the precipitated An ⁇ location part, and instead, provided for the performance not tung provision are required all system parts, a functional part of the system connected.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a DC clamping ⁇ voltage converter having four converter modules
  • FIG 3 lena position a first embodiment of a fuel cell coupled thereto, and direct current wall ⁇ ler, and
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a DC voltage converter 1 having an input 2, an output 3, a control unit 4, a bus connection 5 and four
  • All conversion modules 6 of this embodiment are identical ⁇ like and therefore enable the delivery of a same maximum electric power.
  • the conversion modules 6 are by means of the control unit 4 to-and off independently of one another, so that the maximum total electrical ⁇ power of the DC-DC converter 1 is four times the Ma ⁇ ximal memori each converter module. 6
  • Control unit 4 the converter modules 6 are connected to the Steue ⁇ tion unit 4 via the bus connection 5.
  • the bus connection 5 can be configured as desired, for example copper-bound or as an optical waveguide, and operated with any type of communication protocol.
  • the control ⁇ unit 4 preferably has a communication interface of the DC-DC converter 1 to the outside. By means of the control unit 4, the to be provided by the DC clamping voltage transformer 1 ⁇ power to the
  • Transducer modules 6 divided so that there is an optimal efficiency among the mögli ⁇ chen divisions.
  • a current output from the DC-DC converter 1 power is determined.
  • those combinations of conversion modules 6 of the DC-DC converter 1, by means of which the determined power to be output can be provided in each case, are determined and compared for their efficiency MITEI ⁇ Nander. It is then an optimal combination module Nati on ⁇ determined by converter 6 modules having a maxima len efficiency under the determined and compared with each other combinations of modules, and the DC-DC converter 1 is supplied with the determined optimal combination of module
  • Converter modules 6 can be switched off. On the other hand, if the power to be output by the DC-DC converter 1 is more than 25% of its maximum total power, then the DC-DC converter 1 is operated with at least two converter modules 6, whereby unnecessary converter modules 6 are switched off. Only when the power to be output by the DC-DC converter 1 is more than 75% of its maximum total power, all four converter modules 6 are required.
  • FIG. 1 shows a second embodiment of a DC voltage converter 1, which also has four converter modules 7 to 10, wherein the converter modules 7 to 10 are formed in contrast to the first embodiment shown in Figure 1, however, for dispensing of different electrical Maximalment.
  • a first transducer Module 7 for delivery of a maximum output of 10%, a second transducer module 8 for dispensing a maximum ⁇ performance of 20%, a third converter module 9 for dispensing ei ⁇ ner maximum output of 30% and the fourth transducer module 10 to deliver a maximum power of of 40% of the maximum total power of the DC-DC converter 1 is formed.
  • the DC-DC converter 1 can be adapted more flexibly to the power to be delivered by it than in the first exemplary embodiment. Accordingly, the efficiency of the DC-DC converter 1 with respect to the first embodiment, depending ⁇ be further improved depending on the requested performance, since more combinations of different borrowed with the converter modules 7 to 10 achievable maximum powers exist and thus a finer gradation of the efficiency of the DC-DC converter 1 as can be achieved in the ers ⁇ th embodiment.
  • the conversion modules 6 to 10 and, optionally, the control unit 4 are preferably arranged in a common housing, such as a Schrankgepatu ⁇ se.
  • the housing preferably has plug-in compartments for the converter modules 6 to 10 and the converter modules 6 to 10 can each be connected with suitable plug connections.
  • the control unit 4 may in both bosssbei play ⁇ have either a programmable logic controller or a programmable controller with at least a micropro ⁇ cessor for connection and disconnection of a flexible number of conversion modules 6 to 10, so that the DC-DC converter 1 in a simple manner by a further converter modules 6 to 10 expandable and thus adaptable to different requirements.
  • the DC-DC converter 1 may have at least a redundant converter module 6 to 10, to compensate for the failure of a converter module 6 to 10 Koen ⁇ NEN.
  • FIGS. 3 and 4 each schematically show a fuel cell system 11 of an external air-independent drive system of a submarine.
  • the fuel cell systems 11 each have a plurality of fuel cells 12, the on
  • DC-DC converter 1 are coupled to adapt an electrical DC voltage generated by the fuel cells 12 to a vehicle electrical system 13 of the submarine.
  • the DC voltage transformers 1 are each designed as in FIGS. 1 or 2.
  • the fuel cells 12 of the fuel cell system 11 shown in FIG. 3 are each independently coupled to a DC voltage converter 1 whose input 2 is supplied with the electrical voltage generated by the at least one fuel cell and whose output 3 is connected to the vehicle electrical system 13.
  • the fuel cells 12 of the fuel cell system 11 shown in Figure 4 are interconnected and the output of at least one fuel cell 12 is coupled to four pa ⁇ rallel connected DC-DC converter 1, the outputs 3 are connected to the electrical system 13.
  • the efficiency of the fuel cell systems 11 illustrated in FIGS. 3 and 4 is thereby preferably improved by virtue of load-dependent efficiency curves of the Fuel cells 12 by means of a corresponding automatic, which may be integrated, for example, in the control unit 4 of one of the DC-DC converter 1, and the fuel cell systems 11 are controlled in response to the currently determined for each of them determined power and the detected load-dependent efficiency curves of the fuel cell 12 so in that the efficiency of the fuel cell systems 11 is maximum.
  • the DC-DC converter 1 are operated as described above with an optimal module combination of converter modules 6 to 10. In this case, the converter modules 6 to 10 of some DC-DC converters 1 can also be switched off completely, for example in the embodiment shown in FIG. 3, if the associated fuel cells 12 are not operated, and in the embodiment shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (1) zur Anpassung einer elektrischen Gleichspannung, umfassend mehrere unabhängig voneinander zu- und abschaltbare Wandlermodule (6 bis 10) und eine Steuerungseinheit (4), die zu einer leistungsabhängigen Zu- und Abschaltung von Wandlermodulen (6 bis 10) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung wenigstens eines derartigen Gleichspannungswandlers (1) in einer außenluftunabhängigen Antriebsanlage eines Unterseebootes mit wenigstens einer Brennstoffzelle (12).

Description

Beschreibung
Gleichspannungswandler und dessen Verwendung Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zur Anpassung einer elektrischen Gleichspannung und dessen Verwendung in einer außenluftunabhängigen Antriebsanlage eines Unterseebootes . Unter einem Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, wird hier eine elektrische Schaltungsanordnung verstanden, die eine eingangsseitige elektrische Gleichspannung in eine davon verschiedene ausgangsseitige Gleichspannung an- passt .
Der Wirkungsgrad von Gleichspannungswandlern ist lastabhängig. Sie weisen nur bei einer bestimmten Belastung den maximalen Wirkungsgrad auf. Unterhalb oder oberhalb dieses spezi¬ fischen Arbeitspunktes sinkt der Wirkungsgrad teilweise stark. Die Verluste werden in Wärme umgesetzt und die Be¬ triebstemperatur des Gerätes muss durch eine entsprechende Kühlung, mit zusätzlichem Energieaufwand, innerhalb des zu¬ lässigen Bereiches gehalten werden. Gleichspannungswandler werden insbesondere in Antriebsanlagen mit Brennstoffzellen eingesetzt, um die von den Brennstoff¬ zellen erzeugte elektrische Gleichspannung anzupassen, beispielsweise in Antriebsanlagen von Unterseebooten zur Anpassung an eine Bordnetzspannung. Brennstoffzellen haben einen großen Spannungshub, d.h. eine besonders hohe Differenz zwi¬ schen einem Minimum und einem Maximum der von ihnen erzeugten elektrischen Spannung, so dass die dabei eingesetzten Gleichspannungswandler hinsichtlich ihrer Eingangsspannung flexibel ausgelegt sein müssen. Die oben genannte Lastabhängigkeit des Wirkungsgrades von Gleichspannungswandlern wirkt sich daher besonders kritisch bei Gleichspannungswandlern aus, die zur Anpassung einer von Brennstoffzellen erzeugten Gleichspannung eingesetzt werden. Gerade bei Antriebsanlagen von Untersee- booten spielt der Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle, da er die verfügbare Einsatzzeit des Unterseebootes, insbesonde¬ re die Tauchzeit, wesentlich beeinflusst. DE 10 2010 060 687 AI offenbart eine leistungselektronische Wandlerstufe mit mehreren parallel geschalteten Wandlern unterschiedlicher Wandlermaximalleistungen, die gemeinsam eine Stufenmaximalleistung und eine gegenüber der Stufenmaximalleistung reduzierte aktuelle Stufenleistung mit einer daran angepassten Teilmenge der Wandler bereitstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich des lastabhängigen Wirkungsgrades verbesserten Gleichspannungswandler anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufga- be zugrunde, eine Verwendung eines derartigen Gleichspannungswandlers in einer Antriebsanlage eines Unterseebootes mit wenigstens einer Brennstoffzelle anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Gleichspan- nungswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hin¬ sichtlich der Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler zur Anpassung einer elektrischen Gleichspannung umfasst mehrere unabhängig voneinander zu- und abschaltbare Wandlermodule und eine
Steuerungseinheit, die zu einer leistungsabhängigen Zu- und Abschaltung von Wandlermodulen ausgebildet ist. Dabei weist die Steuerungseinheit eine speicherprogrammierbare Steuerung zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von
Wandlermodulen und/oder eine programmierbare Steuerung mit wenigstens einem Mikroprozessor zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen auf. Ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler ist also modular aus mehreren Wandlermodulen aufgebaut, die unabhängig voneinander mittels einer Steuerungseinheit zu- und abschaltbar sind und auf die die Gesamtleistung des Gleichspannungswand- lers aufteilbar ist. Dies ermöglicht vorteilhaft, lastabhän¬ gig Wandlermodule zu- und abzuschalten, um den Gleichspannungswandler mit einer für eine jeweilige momentane Last hin¬ sichtlich des Wirkungsgrades optimalen Kombination von
Wandlermodulen zu betreiben.
Der modulare Aufbau des Gleichspannungswandlers ermöglicht es außerdem vorteilhaft, dass der Gleichspannungswandler bei dem Ausfall eines Wandlermoduls oder mehrerer Wandlermodule nicht vollständig ausfällt, sondern mit den verbleibenden funkti- onstüchtigen Wandlermodulen (möglicherweise mit verminderter Leistung) weiter betrieben werden kann. Ausgefallene Wandlermodule können ferner vorteilhaft während des Betriebes des Gleichspannungswandlers durch funktionstüchtige Wandlermodule ersetzt werden, ohne dass der gesamte Gleichspannungswandler abgeschaltet werden muss.
Die Verwendung einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder einer programmierbaren Steuerung mit wenigstens einem Mikroprozessor zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen ermöglicht es vorteilhaft, die Anzahl von
Wandlermodulen des Gleichspannungswandlers zu verändern und an verschiedene Erfordernisse anzupassen. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler auf diese Weise an Antriebsanlagen von Unterseebooten verschiedener Typen angepasst werden, ohne für jeden Typ einen speziellen Gleichspannungswandler konstruieren zu müssen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind alle Wandlermodule zur Abgabe einer gleichen elektrischen Maximalleistung ausge- bildet. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung und Steuerung des Gleichspannungswandlers, da alle Wandlermodule gleich ausgelegt sind. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Wandlermodule sich voneinander hinsichtlich ihrer elektrischen Maximalleistung unterscheiden.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Anzahl möglicher Kom- binationen von Wandlermodulen mit verschiedenen Maximalleistungen gegenüber der vorgenannten Ausgestaltung der Erfindung zu erhöhen. Dadurch wird vorteilhaft eine noch flexiblere An¬ passung des Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers an die jeweilige momentan geforderte Leistung ermöglicht.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht ein gemeinsames Gehäuse für die Wandlermodule und die speicherprogram¬ mierbare Steuerung und/oder die programmierbare Steuerung vor .
Diese Weitergestaltung ermöglicht eine kompakte, bauraumspa¬ rende Ausbildung des Gleichspannungswandlers und erleichtert ferner vorteilhaft die Montage des Gleichspannungswandlers. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Gleichspannungswandler wenigstens ein redundantes Wandlermodul aufweist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung sieht also vor, dass der Gleichspannungswandler wenigstens ein Wandlermodul mehr aufweist als eigentlich für seinen Betrieb benötigt wird (redun¬ dantes Wandlermodul) . Auf diese Weise kann auf den Ausfall eines Wandlermoduls immer durch Zuschaltung eines redundanten Wandlermoduls reagiert werden. Wenn ein zusätzliches Wandler- modul so gewählt wird, dass seine Maximalleistung der Maxi¬ malleistung der anderen Wandlermodulen des Gleichspannungswandlers entspricht, kann sogar erreicht werden, dass der Ausfall eines der anderen Wandlermodule des Gleichspannungs¬ wandlers ohne Leistungseinbuße kompensiert werden kann.
Erfindungsgemäße Gleichspannungswandler eignen sich insbeson- dere zur Verwendung in einer außenluftunabhängigen Antriebsanlage eines Unterseebootes mit einer Brennstoffzellenanlage, die wenigstens eine Brennstoffzelle umfasst, zur Anpassung der von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugten
Gleichspannung .
Gleichspannungswandler für eine Antriebsanlage eines Unterseebootes mit wenigstens einer Brennstoffzelle zur Anpassung der von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugten
Gleichspannung an die Bordnetzspannung müssen besonders fle- xibel hinsichtlich ihrer Eingangsspannung sein, da, wie oben bereits erwähnt wurde, der Spannungshub einer Brennstoffzelle besonders hoch ist. Erfindungsgemäße Gleichspannungswandler eignen sich für diesen Zweck besonders vorteilhaft, da ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler es ermöglicht, sei- nen Wirkungsgrad flexibel an die von der wenigstens einen
Brennstoffzelle erzeugte Gleichspannung anzupassen, indem er mit einer dafür optimierten Kombination seiner Wandlermodule betrieben wird. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der An¬ triebsanlage des Unterseebootes verbessert und die Einsatzfä- higkeit des Unterseebootes (insbesondere die verfügbare maxi¬ male Tauchzeit) wird erhöht.
Bei dieser Verwendung eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers wird vorzugsweise eine von der Brennstoffzel- lenanlage momentan abzugebende Leistung ermittelt und für die ermittelte momentan abzugebende Leistung werden diejenigen Modulkombinationen von Wandlermodulen des Gleichspannungswandlers, mittels derer die ermittelte abzugebende Leistung jeweils erbracht werden kann, ermittelt und hinsichtlich ih- res Wirkungsgrades miteinander verglichen. Weiterhin wird eine optimale Modulkombination von Wandlermodulen ermittelt, die unter den ermittelten und miteinander verglichenen Modulkombinationen einen maximalen Wirkungsgrad aufweist und die Brennstoffzellenanlage wird mit der ermittelten optimalen Mo¬ dulkombination von Wandlermodulen des Gleichspannungswandlers betrieben . Dies ermöglicht vorteilhaft einen Betrieb der Brennstoffzel¬ lenanlage, der hinsichtlich des Wirkungsgrades des verwende¬ ten Gleichspannungswandlers für die von der Brennstoffzellenanlage momentan abzugebende Leistung optimiert ist. Ferner können auch mehrere zueinander elektrisch parallel geschaltete Gleichspannungswandler verwendet werden und bei einem Ausfall eines Wandlermoduls kann statt des ausgefallenen Wandlermoduls ein Wandlermodul eines anderen Gleichspannungs¬ wandlers eingesetzt werden. Entsprechend kann bei der Verwen- dung mehrerer zueinander elektrisch parallel geschalteter Gleichspannungswandler bei einem Ausfall eines Gleichspannungswandlers statt des ausgefallenen Gleichspannungswandlers ein anderer Gleichspannungswandler eingesetzt werden. Diese Ausgestaltungen ermöglichen vorteilhaft, die Antriebs¬ anlage auch dann weiter zu betreiben, wenn ein Wandlermodul oder ein ganzer Gleichspannungswandler ausfällt.
Ferner wird bei einem Ausfall eines Wandlermoduls das ausge- fallene Wandlermodul vorzugsweise abgeschaltet, aus dem
Gleichspannungswandler ausgebaut und durch ein funktionsfähiges Wandlermodul ersetzt.
Dies ermöglicht vorteilhaft, ein ausgefallenes Wandlermodul des Gleichspannungswandlers mit relativ geringem Aufwand zu ersetzen. Insbesondere kann diese Ersetzung aufgrund der spe¬ ziellen Ausführung eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers auch in dessen laufendem Betrieb erfolgen, ohne dass der Gleichspannungswandler zumindest temporär abgeschaltet werden muss.
Im Falle einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brenn¬ stoffzellen werden ferner vorzugsweise lastabhängige Wir- kungsgradverläufe der Brennstoffzellen erfasst und die Brenn¬ stoffzellenanlage wird in Abhängigkeit von der ermittelten momentan abzugebenden Leistung und der erfassten lastabhängigen Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen derart gesteu- ert, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage maximal ist .
Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellen dadurch weiter verbessert werden kann, dass bei der Steuerung des Betriebs der Brennstoffzellenanlage auch die Lastabhängigkeit der Wirkungsgrade der Brennstoffzellen berücksichtigt wird. Typischerweise ist der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen in einem unteren Bereich ihrer Leistungsfähigkeit maximal. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann eine Brennstoffzellenanlage also mit einer Kombination von Brennstoffzellen betrieben werden, so dass möglichst viele Brennstoffzellen dieser Kombination im Bereich ihres maximalen Wirkungsgrades betrieben werden.
Im Falle einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brenn¬ stoffzellen wird ferner vorzugsweise bei einem Ausfall eines Anlagenteils der Brennstoffzellenanlage der ausgefallene An¬ lagenteil abgeschaltet und stattdessen, sofern für die Leis- tungserbringung nicht alle Anlagenteile benötigt werden, ein funktionsfähiger Anlagenteil zugeschaltet.
Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Ausfall eines Anlagen¬ teils der Brennstoffzellenanlage kompensiert werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei- spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen: FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gleichspan¬ nungswandlers mit vier Wandlermodulen,
FIG 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gleichspan¬ nungswandlers mit vier Wandlermodulen,
FIG 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzel- lenanlage und daran gekoppelte Gleichspannungswand¬ ler, und
FIG 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennstoff¬ zellenanlage und daran gekoppelte Gleichspannungs¬ wandler . Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gleich¬ spannungswandlers 1 mit einem Eingang 2, einem Ausgang 3, ei- ner Steuerungseinheit 4, einer Busverbindung 5 und vier
Wandlermodulen 6.
Alle Wandlermodule 6 dieses Ausführungsbeispiels sind gleich¬ artig ausgebildet und ermöglichen daher die Abgabe einer gleichen elektrischen Maximalleistung. Die Wandlermodule 6 sind mittels der Steuerungseinheit 4 unabhängig voneinander zu- und abschaltbar, sodass die maximale elektrische Gesamt¬ leistung des Gleichspannungswandlers 1 das Vierfache der Ma¬ ximalleistung jedes Wandlermoduls 6 beträgt.
Zur Zu- und Abschaltung der Wandlermodule 6 mittels der
Steuerungseinheit 4 sind die Wandlermodule 6 mit der Steue¬ rungseinheit 4 über die Busverbindung 5 verbunden. Die Busverbindung 5 kann beliebig ausgeführt sein, beispielsweise kupfergebunden oder als Lichtwellenleiter, und mit jeder Art von Kommunikationsprotokoll betrieben werden. Die Steuerungs¬ einheit 4 weist vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle des Gleichspannungswandlers 1 nach außen auf. Mittels der Steuerungseinheit 4 wird die von dem Gleichspan¬ nungswandler 1 zu erbringende Leistung auf die
Wandlermodule 6 derart aufgeteilt, dass sich unter den mögli¬ chen Aufteilungen ein optimaler Wirkungsgrad ergibt.
Dazu wird eine von dem Gleichspannungswandler 1 momentan abzugebende Leistung ermittelt. Für die ermittelte momentan ab¬ zugebende Leistung werden diejenigen Modulkombinationen von Wandlermodulen 6 des Gleichspannungswandlers 1, mittels derer die ermittelte abzugebende Leistung jeweils erbracht werden kann, ermittelt und hinsichtlich ihres Wirkungsgrades mitei¬ nander verglichen. Es wird dann eine optimale Modulkombinati¬ on von Wandlermodulen 6 ermittelt, die unter den ermittelten und miteinander verglichenen Modulkombinationen einen maxima- len Wirkungsgrad aufweist, und der Gleichspannungswandler 1 wird mit der ermittelten optimalen Modulkombination von
Wandlermodulen 6 betrieben.
Beträgt die von dem Gleichspannungswandler 1 abzugebende Leistung beispielsweise höchstens 25% seiner maximalen Ge¬ samtleistung, so genügt es, den Gleichspannungswandler 1 mit nur einem Wandlermodul 6 zu betreiben und die anderen
Wandlermodule 6 können abgeschaltet werden. Beträgt die von dem Gleichspannungswandler 1 abzugebende Leistung dagegen mehr als 25% seiner maximalen Gesamtleistung, so wird der Gleichspannungswandler 1 mit wenigstens zwei Wandlermodulen 6 betrieben, wobei nicht benötigte Wandlermodule 6 abgeschaltet werden. Erst wenn die von dem Gleichspannungswandler 1 abzugebende Leistung mehr als 75% seiner maximalen Gesamtleistung beträgt, werden alle vier Wandlermodule 6 benötigt.
Meldet eines der jeweils zugeschalteten Wandlermodule 6 einen Fehler, wird es von der Steuerungseinheit 4 abgeschaltet und, sofern verfügbar, wird stattdessen ein anderes Wandlermodul 6 zugeschaltet, ohne dass der Gleichspannungswandler 1 abge¬ schaltet werden muss. Steht aufgrund der Höhe der Lastanfor¬ derung kein weiteres Wandlermodul 6 zur Verfügung, kann der Gleichspannungswandler 1 auch mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden. Auf diese Weise wird durch die modulare Struktur des Gleichspannungswandlers 1 auch eine erhöhte Aus¬ fallsicherheit erreicht. Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gleich¬ spannungswandlers 1, das ebenfalls vier Wandlermodule 7 bis 10 aufweist, wobei die Wandlermodule 7 bis 10 im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel jedoch zur Abgabe voneinander verschiedener elektrischer Ma- ximalleistungen ausgebildet sind. Beispielsweise sind ein erstes Wandlermodul 7 zur Abgabe einer Maximalleistung von 10%, eine zweites Wandlermodul 8 zur Abgabe einer Maximal¬ leistung von 20%, eine drittes Wandlermodul 9 zur Abgabe ei¬ ner Maximalleistung von 30% und das vierte Wandlermodul 10 zur Abgabe einer Maximalleistung von 40% der maximalen Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers 1 ausgebildet.
Durch eine derartige Auslegung der Wandlermodule 7 bis 10 kann der Gleichspannungswandler 1 flexibler an die von ihm abzugebende Leistung angepasst werden als in dem ersten Aus¬ führungsbeispiel. Entsprechend kann der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 gegenüber dem ersten Ausführungs¬ beispiel in Abhängigkeit von der angeforderten Leistung weiter verbessert werden, da mehr Kombinationen von unterschied- liehen mit den Wandlermodulen 7 bis 10 erzielbaren Maximalleistungen existieren und damit eine feinere Abstufung des Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers 1 als in dem ers¬ ten Ausführungsbeispiel erzielt werden kann. In beiden Ausführungsbeispielen sind die Wandlermodule 6 bis 10 und optional auch die Steuerungseinheit 4 vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, beispielsweise einem Schrankgehäu¬ se, angeordnet. Vorzugsweise weist das Gehäuse Einschubfächer für die Wandlermodule 6 bis 10 auf und die Wandlermodule 6 bis 10 sind jeweils mit geeigneten Steckverbindungen anschließbar. Dadurch werden eine einfache Montage und Erwei- terbarkeit des Gleichspannungswandlers 1 sowie ein einfacher Austausch von Wandlermodulen 6 bis 10 ermöglicht. Ferner kann die Steuerungseinheit 4 in beiden Ausführungsbei¬ spielen entweder eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine programmierbare Steuerung mit wenigstens einem Mikropro¬ zessor zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen 6 bis 10 aufweisen, so dass der Gleichspannungswandler 1 in einfacher Weise um weitere Wandlermodule 6 bis 10 erweiterbar und dadurch verschiedenen Anforderungen anpassbar ist. Außerdem kann der Gleichspannungswandler 1 wenigstens ein redundantes Wandlermodul 6 bis 10 aufweisen, um den Ausfall eines Wandlermoduls 6 bis 10 kompensieren zu kön¬ nen .
Die Figuren 3 und 4 zeigen schematisch jeweils eine Brennstoffzellenanlage 11 einer außenluftunabhängigen Antriebsan- läge eines Unterseebootes. Die Brennstoffzellenanlagen 11 weisen jeweils mehrere Brennstoffzellen 12 auf, die an
Gleichspannungswandler 1 zur Anpassung einer von den Brennstoffzellen 12 erzeugten elektrischen Gleichspannung an ein Bordnetz 13 des Unterseebootes gekoppelt sind. Die Gleich- spannungswandler 1 sind jeweils wie in den Figuren 1 oder 2 ausgebildet .
Die Brennstoffzellen 12 der in Figur 3 dargestellten Brennstoffzellenanlage 11 sind jeweils unabhängig voneinander an jeweils einen Gleichspannungswandler 1 gekoppelt, dessen Eingang 2 die von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung zugeführt wird und dessen Ausgang 3 an das Bordnetz 13 angeschlossen ist. Die Brennstoffzellen 12 der in Figur 4 dargestellten Brennstoffzellenanlage 11 sind miteinander verschaltbar und der Ausgang mindestens einer Brennstoffzelle 12 ist an vier pa¬ rallel zueinander geschaltete Gleichspannungswandler 1 gekoppelt, deren Ausgänge 3 mit dem Bordnetz 13 verbunden sind.
Der Wirkungsgrad der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Brennstoffzellenanlagen 11 wird dabei vorzugsweise dadurch verbessert, dass lastabhängige Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen 12 mittels einer entsprechenden Automatik, die beispielsweise in die Steuerungseinheit 4 von einem der Gleichspannungswandler 1 integriert sein kann, erfasst werden und die Brennstoffzellenanlagen 11 in Abhängigkeit von der für sie jeweils ermittelten momentan abzugebenden Leistung und der erfassten lastabhängigen Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen 12 derart gesteuert werden, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlagen 11 maximal ist. Die Gleichspannungswandler 1 werden wie oben beschrieben mit einer optimalen Modulkombination von Wandlermodulen 6 bis 10 betrieben. Dabei können die Wandlermodule 6 bis 10 einiger Gleichspannungswandler 1 auch komplett abgeschaltet sein, z.B. in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn die zugehörigen Brennstoffzellen 12 nicht betrieben werden, und in dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn nicht alle parallel geschalteten Gleichspannungswandler 1 benötigt werden. Bei einem Ausfall einer Brennstoffzelle 12 oder eines kom¬ pletten Gleichspannungswandlers 1 wird der defekte Anlagen¬ teil während des Betriebs abgeschaltet und auf einen anderen Anlagenteil umgeschaltet. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass die Brennstoffzellenanlage 11, eventuell mit verringerter Leistung, selbst bei einem Ausfall einer Teilanlage weiter betrieben werden kann und somit die Versorgung des Unterseebootes sichergestellt ist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch Ausführungsbeispiele nä- her illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und ande¬ re Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungswandler (1) zur Anpassung einer elektrischen Gleichspannung, umfassend
- mehrere unabhängig voneinander zu- und abschaltbare
Wandlermodule (6 bis 10)
- und eine Steuerungseinheit (4), die zu einer leistungsab¬ hängigen Zu- und Abschaltung von Wandlermodulen (6 bis 10) ausgebildet ist,
- wobei die Steuerungseinheit (4) eine speicherprogrammierba¬ re Steuerung zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen (6 bis 10) und/oder eine programmierbare Steuerung mit wenigstens einem Mikroprozessor zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen (6 bis 10) aufweist.
2. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Wandlermodule (6 bis 10) zur Abgabe einer gleichen elektrischen Maximalleistung ausge- bildet sind.
3. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wandlermodule (6 bis 10) sich voneinander hinsichtlich ihrer elektrischen Ma- ximalleistung unterscheiden.
4. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse für die Wandler- module (6 bis 10) und die speicherprogrammierbare Steuerung.
5. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse für die
Wandlermodule (6 bis 10) und die programmierbare Steuerung.
6. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch wenigstens ein redundantes Wandler¬ modul (6 bis 10).
7. Verwendung wenigstens eines Gleichspannungswandlers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer außenluft- unabhängigen Antriebsanlage eines Unterseebootes mit einer Brennstoffzellenanlage (11), die wenigstens eine Brennstoff- zelle (12) aufweist, zur Anpassung einer von der wenigstens einen Brennstoffzelle (12) erzeugten Gleichspannung.
8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei
- eine von der Brennstoffzellenanlage (11) momentan abzuge- bende Leistung ermittelt wird, und
- für die ermittelte momentan abzugebende Leistung diejenigen Modulkombinationen von Wandlermodulen (6 bis 10) des wenigstens einen Gleichspannungswandlers (1), mittels derer die ermittelte abzugebende Leistung jeweils erbracht werden kann, ermittelt und hinsichtlich ihres Wirkungsgrades mit¬ einander verglichen werden,
- eine optimale Modulkombination von Wandlermodulen (6 bis 10) ermittelt wird, die unter den ermittelten und miteinander verglichenen Modulkombinationen einen maximalen Wir- kungsgrad aufweist,
- und die Brennstoffzellenanlage (11) mit der ermittelten op¬ timalen Modulkombination von Wandlermodulen (6 bis 10) des wenigstens einen Gleichspannungswandlers (1) betrieben wird .
9. Verwendung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gleichspan¬ nungswandler (1) bei einem Ausfall eines der ermittelten optimalen Modulkombination angehörenden Wandlermoduls (6 bis 10) mit einer anderen Modulkombination, der das ausgefallene Wandlermodul (6 bis 10) nicht angehört, betrieben wird.
10. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall eines Wandler¬ moduls (6 bis 10) das ausgefallene Wandlermodul (6 bis 10) abgeschaltet, aus dem zugehörigen Gleichspannungswandler (1) ausgebaut und durch ein funktionsfähiges Wandlermodul (6 bis 10) ersetzt wird.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Brennstoffzellen- anläge (11) mit mehreren Brennstoffzellen (12) lastabhängige Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen (12) erfasst werden und die Brennstoffzellenanlage (11) in Abhängigkeit von der ermittelten momentan abzugebenden Leistung und der erfassten lastabhängigen Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen (12) derart gesteuert wird, dass der Wirkungsgrad der Brennstoff¬ zellenanlage (11) maximal ist.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Brennstoffzellen- anläge (11) mit mehreren Brennstoffzellen (12) bei einem Ausfall eines Anlagenteils der Brennstoffzellenanlage (11) der ausgefallene Anlagenteil abgeschaltet wird und stattdessen, wenn nicht alle Anlagenteile für die Leistungserbringung erforderlich sind, ein funktionsfähiger Anlagenteil zugeschal- tet wird.
13. Verwendung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gleichspannungswand¬ ler (1) mit jeweils einem eigenen Gehäuse verwendet werden.
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