DE102013209396A1 - DC-DC converter and its use - Google Patents

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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).The invention relates to a DC voltage converter (1) for adapting an electrical DC voltage, comprising several converter modules (6 to 10) that can be switched on and off independently of one another and a control unit (4) which enables converter modules (6 to 10) to be switched on and off depending on the power. is trained. The invention also relates to the use of at least one such DC / DC converter (1) in an outside air-independent propulsion system of a submarine with at least one fuel cell (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler zur Anpassung einer elektrischen Gleichspannung und dessen Verwendung in einer außenluftunabhängigen Antriebsanlage eines Unterseebootes. The invention relates to a DC-DC converter for adapting a DC electrical voltage and its use in an external air-independent propulsion system of a submarine.

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 anpasst. 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 to a DC output voltage different therefrom.

Der Wirkungsgrad von Gleichspannungswandlern ist lastabhängig. Sie weisen nur bei einer bestimmten Belastung den maximalen Wirkungsgrad auf. Unterhalb oder oberhalb dieses spezifischen Arbeitspunktes sinkt der Wirkungsgrad teilweise stark. Die Verluste werden in Wärme umgesetzt und die Betriebstemperatur des Gerätes muss durch eine entsprechende Kühlung, mit zusätzlichem Energieaufwand, innerhalb des zulässigen Bereiches gehalten werden. The efficiency of DC-DC converters is load-dependent. They have the maximum efficiency only at a certain load. Below or above this specific operating point, the efficiency drops in some cases strongly. The losses are converted into heat and the operating temperature of the device must be kept within the permissible range by appropriate cooling, with additional energy expenditure.

Gleichspannungswandler werden insbesondere in Antriebsanlagen mit Brennstoffzellen eingesetzt, um die von den Brennstoffzellen 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 zwischen 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 Unterseebooten spielt der Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle, da er die verfügbare Einsatzzeit des Unterseebootes, insbesondere die Tauchzeit, wesentlich beeinflusst. DC-DC converters are used in particular in drive systems with fuel cells in order to adapt the electrical DC voltage generated by the fuel cells, for example in drive systems of submarines for adaptation to a vehicle electrical system voltage. Fuel cells have a large voltage swing, i. a particularly high difference between a minimum and a maximum of the electrical voltage generated by them, so that the DC-DC converter used in this case must be designed flexibly with respect to 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. Especially in propulsion systems of submarines efficiency plays a crucial role, since it significantly affects the available operating time of the submarine, especially the dive time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich des lastabhängigen Wirkungsgrades verbesserten Gleichspannungswandler anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines derartigen Gleichspannungswandlers in einer Antriebsanlage eines Unterseebootes mit wenigstens einer Brennstoffzelle anzugeben. The invention has for its object to provide an improved with respect to the load-dependent efficiency DC-DC converter. Furthermore, the invention has for its object to provide a use of such a DC-DC converter in a propulsion system of a submarine with at least one fuel cell.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Gleichspannungswandlers durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst. The object is achieved with respect to the DC-DC converter by the features of claim 1 and with respect to the use by the features of claim 9.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

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. 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.

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 Gleichspannungswandlers aufteilbar ist. Dies ermöglicht vorteilhaft, lastabhängig Wandlermodule zu- und abzuschalten, um den Gleichspannungswandler mit einer für eine jeweilige momentane Last hinsichtlich des Wirkungsgrades optimalen Kombination von Wandlermodulen zu betreiben. A DC-DC converter according to the invention is thus modularly constructed from a plurality of converter modules, which can be switched on and off 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 advantageously makes it possible to connect and disconnect converter modules depending on the load in order to operate the DC-DC converter with an optimum combination of converter modules for a given instantaneous load in terms of efficiency.

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 funktionstüchtigen 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. The modular design of the DC-DC converter also advantageously allows the DC-to-DC converter not to fail completely in the event of failure of one or more converter modules, but may 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.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind alle Wandlermodule zur Abgabe einer gleichen elektrischen Maximalleistung ausgebildet. In one embodiment of the invention, all converter modules are designed to deliver a same maximum electrical power.

Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung und Steuerung des Gleichspannungswandlers, da alle Wandlermodule gleich ausgelegt sind. This allows a particularly simple and cost-effective design and control of the DC-DC converter, since all converter modules are designed the same.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Wandlermodule sich voneinander hinsichtlich ihrer elektrischen Maximalleistung unterscheiden. An alternative embodiment of the invention provides that at least two converter modules differ from each other in terms of their maximum electrical power.

Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die Anzahl möglicher Kombinationen von Wandlermodulen mit verschiedenen Maximalleistungen gegenüber der vorgenannten Ausgestaltung der Erfindung zu erhöhen. Dadurch wird vorteilhaft eine noch flexiblere Anpassung des Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers an die jeweilige momentan geforderte Leistung ermöglicht. This embodiment makes it possible to increase the number of possible combinations of converter modules with different maximum powers compared to the aforementioned embodiment of the invention. This advantageously allows an even more flexible adaptation of the efficiency of the DC-DC converter to the respective currently required power.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuerungseinheit eine speicherprogrammierbare Steuerung und/oder eine programmierbare Steuerung mit wenigstens einem Mikroprozessor zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen aufweist. A further embodiment of the invention provides that the control unit has a programmable logic controller and / or a programmable controller with at least one microprocessor for connecting and disconnecting a flexible number of converter modules.

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. The use of a programmable logic controller or a programmable controller with at least one microprocessor for connecting and disconnecting a flexible number of converter modules advantageously makes it possible to change the number of converter modules of the DC-DC converter and adapt it to different requirements. For example, 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.

Eine Weitergestaltung dieser Ausgestaltung sieht ein gemeinsames Gehäuse für die Wandlermodule und die speicherprogrammierbare Steuerung und/oder die programmierbare Steuerung vor. A further embodiment of this embodiment provides a common housing for the converter modules and the programmable logic controller and / or the programmable controller.

Diese Weitergestaltung ermöglicht eine kompakte, bauraumsparende Ausbildung des Gleichspannungswandlers und erleichtert ferner vorteilhaft die Montage des Gleichspannungswandlers. This refinement allows a compact, space-saving design of the DC-DC converter and also advantageously facilitates the installation of the DC-DC converter.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Gleichspannungswandler wenigstens ein redundantes Wandlermodul aufweist. A further embodiment of the invention provides that the DC-DC converter has at least one redundant converter module.

Diese Ausgestaltung der Erfindung sieht also vor, dass der Gleichspannungswandler wenigstens ein Wandlermodul mehr aufweist als eigentlich für seinen Betrieb benötigt wird (redundantes Wandlermodul). Auf diese Weise kann auf den Ausfall eines Wandlermoduls immer durch Zuschaltung eines redundanten Wandlermoduls reagiert werden. Wenn ein zusätzliches Wandlermodul so gewählt wird, dass seine Maximalleistung der Maximalleistung der anderen Wandlermodulen des Gleichspannungswandlers entspricht, kann sogar erreicht werden, dass der Ausfall eines der anderen Wandlermodule des Gleichspannungswandlers ohne Leistungseinbuße kompensiert werden kann. This embodiment of the invention thus provides that the DC-DC converter has at least one converter module more than is actually required for its operation (redundant converter module). In this way, the failure of a converter module can always be responded by connecting a redundant converter module. If an additional converter module is chosen so that its maximum power corresponds to the maximum power of the other converter modules of the DC-DC converter, it can even be achieved that the failure of one of the other converter modules of the DC-DC converter can be compensated without any loss of power.

Erfindungsgemäße Gleichspannungswandler eignen sich insbesondere 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. DC voltage converters according to the invention are particularly suitable for use in an external air-independent drive system of a submarine having a fuel cell system comprising at least one fuel cell for adapting the DC voltage generated by the at least one fuel cell.

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 flexibel 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, seinen 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 Antriebsanlage des Unterseebootes verbessert und die Einsatzfähigkeit des Unterseebootes (insbesondere die verfügbare maximale Tauchzeit) wird erhöht. DC-DC converter for a drive system of a submarine with at least one fuel cell to adapt the DC voltage generated by the at least one fuel cell to the vehicle electrical system voltage must be particularly flexible in terms of their input voltage because, 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 the DC voltage generated by the at least one fuel cell by operating it with a combination of its converter modules optimized for this purpose. In this way, the efficiency of the propulsion system of the submarine is improved and the operational capability of the submarine (in particular the available maximum dive time) is increased.

Bei dieser Verwendung eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers wird vorzugsweise eine von der Brennstoffzellenanlage 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 ihres 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 Modulkombination von Wandlermodulen des Gleichspannungswandlers betrieben. In this use of a DC-DC converter according to the invention is preferably determined by the fuel cell system to be dispensed power and for the determined momentarily delivered power those module combinations of converter modules of the DC-DC converter, by means of which the determined output power can be provided in each case determined and compared in terms of their efficiency. 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 optimum module combination of converter modules of the DC-DC converter.

Dies ermöglicht vorteilhaft einen Betrieb der Brennstoffzellenanlage, der hinsichtlich des Wirkungsgrades des verwendeten Gleichspannungswandlers für die von der Brennstoffzellenanlage momentan abzugebende Leistung optimiert ist. This advantageously enables operation of the fuel cell system, which is optimized with regard to the efficiency of the DC-DC converter used for the power currently to be delivered by the fuel cell system.

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 Gleichspannungswandlers eingesetzt werden. Entsprechend kann bei der Verwendung mehrerer zueinander elektrisch parallel geschalteter Gleichspannungswandler bei einem Ausfall eines Gleichspannungswandlers statt des ausgefallenen Gleichspannungswandlers ein anderer Gleichspannungswandler eingesetzt werden. Furthermore, a plurality of DC-DC converters connected in parallel with each other electrically can also be used, and if one converter module fails, a converter module of another DC-DC converter can be used instead of the failed converter module. Accordingly, when using a plurality of DC-DC converters connected in parallel to one another 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.

Diese Ausgestaltungen ermöglichen vorteilhaft, die Antriebsanlage auch dann weiter zu betreiben, wenn ein Wandlermodul oder ein ganzer Gleichspannungswandler ausfällt. These refinements advantageously make it possible to continue to operate the drive system even when a converter module or an entire DC-DC converter fails.

Ferner wird bei einem Ausfall eines Wandlermoduls das ausgefallene Wandlermodul vorzugsweise abgeschaltet, aus dem Gleichspannungswandler ausgebaut und durch ein funktionsfähiges Wandlermodul ersetzt. Further, in case of failure of a converter module, the failed converter module is preferably switched off, removed from the DC-DC converter and replaced by a functional converter module.

Dies ermöglicht vorteilhaft, ein ausgefallenes Wandlermodul des Gleichspannungswandlers mit relativ geringem Aufwand zu ersetzen. Insbesondere kann diese Ersetzung aufgrund der speziellen Ausführung eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers auch in dessen laufendem Betrieb erfolgen, ohne dass der Gleichspannungswandler zumindest temporär abgeschaltet werden muss. This advantageously makes it possible to replace a failed converter module of the DC-DC converter with relatively little effort. In particular, due to the special design of a DC-DC converter according to the invention, this replacement can also take place during its ongoing operation without the DC-DC converter having to be switched off at least temporarily.

Im Falle einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellen werden ferner vorzugsweise lastabhängige Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen erfasst und die Brennstoffzellenanlage wird in Abhängigkeit von der ermittelten momentan abzugebenden Leistung und der erfassten lastabhängigen Wirkungsgradverläufe der Brennstoffzellen derart gesteuert, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage maximal ist. In the case of a fuel cell system with a plurality of fuel cells, load-dependent efficiency curves of the fuel cells are preferably also detected and the 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.

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. 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.

Im Falle einer Brennstoffzellenanlage mit mehreren Brennstoffzellen wird ferner vorzugsweise bei einem Ausfall eines Anlagenteils der Brennstoffzellenanlage der ausgefallene Anlagenteil abgeschaltet und stattdessen, sofern für die Leistungserbringung nicht alle Anlagenteile benötigt werden, ein funktionsfähiger Anlagenteil zugeschaltet. In the case of a fuel cell system with a plurality of fuel cells is also preferably switched off in a failure of a plant part of the fuel cell system, the failed part of the system and instead, if not all parts of the system are required for the provision of services, a functional part of the system connected.

Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Ausfall eines Anlagenteils der Brennstoffzellenanlage kompensiert werden. In this way, advantageously a failure of a plant part of the fuel cell system can be compensated.

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 Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen: The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of exemplary embodiments which will be described in detail in conjunction with the drawings. Showing:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers mit vier Wandlermodulen, 1 A first embodiment of a DC-DC converter with four converter modules,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers mit vier Wandlermodulen, 2 A second embodiment of a DC-DC converter with four converter modules,

3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanlage und daran gekoppelte Gleichspannungswandler, und 3 a first embodiment of a fuel cell system and DC-DC converter coupled thereto, and

4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanlage und daran gekoppelte Gleichspannungswandler. 4 A second embodiment of a fuel cell system and coupled thereto DC-DC converter.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers 1 mit einem Eingang 2, einem Ausgang 3, einer Steuerungseinheit 4, einer Busverbindung 5 und vier Wandlermodulen 6. 1 shows a first embodiment of a DC-DC converter 1 with an entrance 2 , an exit 3 , a control unit 4 , a bus connection 5 and four converter modules 6 ,

Alle Wandlermodule 6 dieses Ausführungsbeispiels sind gleichartig 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 Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers 1 das Vierfache der Maximalleistung jedes Wandlermoduls 6 beträgt. All converter modules 6 This embodiment are of similar design and therefore allow the delivery of a same maximum electrical power. The converter modules 6 are by means of the control unit 4 independently switched on and off, so that the maximum total electrical power of the DC-DC converter 1 four times the maximum power of each converter module 6 is.

Zur Zu- und Abschaltung der Wandlermodule 6 mittels der Steuerungseinheit 4 sind die Wandlermodule 6 mit der Steuerungseinheit 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 Steuerungseinheit 4 weist vorzugsweise eine Kommunikationsschnittstelle des Gleichspannungswandlers 1 nach außen auf. For connecting and disconnecting the converter modules 6 by means of the control unit 4 are the converter modules 6 with the control unit 4 over the bus connection 5 connected. The bus connection 5 can be performed arbitrarily, 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 outwards.

Mittels der Steuerungseinheit 4 wird die von dem Gleichspannungswandler 1 zu erbringende Leistung auf die Wandlermodule 6 derart aufgeteilt, dass sich unter den möglichen Aufteilungen ein optimaler Wirkungsgrad ergibt. By means of the control unit 4 will be that of the DC-DC converter 1 to be performed on the converter modules 6 divided so that there is an optimal efficiency among the possible divisions.

Dazu wird eine von dem Gleichspannungswandler 1 momentan abzugebende Leistung ermittelt. Für die ermittelte momentan abzugebende 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 miteinander verglichen. Es wird dann eine optimale Modulkombination von Wandlermodulen 6 ermittelt, die unter den ermittelten und miteinander verglichenen Modulkombinationen einen maximalen Wirkungsgrad aufweist, und der Gleichspannungswandler 1 wird mit der ermittelten optimalen Modulkombination von Wandlermodulen 6 betrieben. This is one of the DC-DC converter 1 currently being delivered. For the currently determined power to be delivered, those module combinations of converter modules are used 6 of the DC-DC converter 1 , by means of which the determined output to be delivered can be provided in each case determined and compared in terms of their efficiency. It then becomes an optimal module combination of converter modules 6 determined, those among the identified and compared with each other Module combinations has maximum efficiency, and the DC-DC converter 1 comes with the determined optimal module combination of converter modules 6 operated.

Beträgt die von dem Gleichspannungswandler 1 abzugebende Leistung beispielsweise höchstens 25% seiner maximalen Gesamtleistung, 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. Is that of the DC-DC converter 1 output power, for example, at most 25% of its maximum total power, it is sufficient, the DC-DC converter 1 with only one converter module 6 to operate and the other converter modules 6 can be switched off. Is that of the DC-DC converter 1 on the other hand, more than 25% of its maximum total output is the DC-DC converter 1 with at least two converter modules 6 operated, with unnecessary converter modules 6 be switched off. Only when the of the DC-DC converter 1 output is more than 75% of its maximum total power, all four converter modules 6 needed.

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 abgeschaltet werden muss. Steht aufgrund der Höhe der Lastanforderung 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 Ausfallsicherheit erreicht. Reports one of the respective switched converter modules 6 an error, it gets from the control unit 4 is switched off and, if available, another converter module instead 6 switched on without the DC-DC converter 1 must be switched off. Is no further converter module due to the amount of load request 6 available, the DC-DC converter 1 also be operated with reduced power on. This is achieved by the modular structure of the DC-DC converter 1 also achieved increased reliability.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers 1, das ebenfalls vier Wandlermodule 7 bis 10 aufweist, wobei die Wandlermodule 7 bis 10 im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel jedoch zur Abgabe voneinander verschiedener elektrischer Maximalleistungen ausgebildet sind. Beispielsweise sind ein erstes Wandlermodul 7 zur Abgabe einer Maximalleistung von 10%, eine zweites Wandlermodul 8 zur Abgabe einer Maximalleistung von 20%, eine drittes Wandlermodul 9 zur Abgabe einer Maximalleistung von 30% und das vierte Wandlermodul 10 zur Abgabe einer Maximalleistung von 40% der maximalen Gesamtleistung des Gleichspannungswandlers 1 ausgebildet. 2 shows a second embodiment of a DC-DC converter 1 , which also has four converter modules 7 to 10 having, wherein the converter modules 7 to 10 unlike in 1 illustrated first embodiment, however, are designed for dispensing different electrical maximum powers. For example, a first converter module 7 for delivering a maximum power of 10%, a second converter module 8th for delivering a maximum power of 20%, a third converter module 9 for delivering a maximum power of 30% and the fourth converter module 10 for delivering a maximum power of 40% of the maximum total power of the DC-DC converter 1 educated.

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 Ausführungsbeispiel. Entsprechend kann der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 1 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit von der angeforderten Leistung weiter verbessert werden, da mehr Kombinationen von unterschiedlichen mit den Wandlermodulen 7 bis 10 erzielbaren Maximalleistungen existieren und damit eine feinere Abstufung des Wirkungsgrades des Gleichspannungswandlers 1 als in dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden kann. By such a design of the converter modules 7 to 10 can the DC-DC converter 1 more flexible to be adapted to the power to be delivered by him as in the first embodiment. Accordingly, the efficiency of the DC-DC converter 1 compared to the first embodiment, depending on the requested power further improved, as more combinations of different 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 can be achieved as in the first embodiment.

In beiden Ausführungsbeispielen sind die Wandlermodule 6 bis 10 und optional auch die Steuerungseinheit 4 vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse, beispielsweise einem Schrankgehäuse, 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 Erweiterbarkeit des Gleichspannungswandlers 1 sowie ein einfacher Austausch von Wandlermodulen 6 bis 10 ermöglicht. In both embodiments, the converter modules 6 to 10 and optionally also the control unit 4 preferably arranged in a common housing, for example a cabinet housing. Preferably, the housing has compartments for the converter modules 6 to 10 on and the converter modules 6 to 10 are each connectable with suitable connectors. This makes a simple installation and expandability of the DC-DC converter 1 and a simple replacement of converter modules 6 to 10 allows.

Ferner kann die Steuerungseinheit 4 in beiden Ausführungsbeispielen entweder eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine programmierbare Steuerung mit wenigstens einem Mikroprozessor 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 können. Furthermore, the control unit 4 in both embodiments, either a programmable logic controller or a programmable controller with at least one microprocessor for connecting and disconnecting a flexible number of converter modules 6 to 10 have, so that the DC-DC converter 1 in a simple way to further converter modules 6 to 10 expandable and thereby adaptable to different requirements. In addition, the DC-DC converter 1 at least one redundant converter module 6 to 10 indicate the failure of a converter module 6 to 10 to be able to compensate.

Die 3 und 4 zeigen schematisch jeweils eine Brennstoffzellenanlage 11 einer außenluftunabhängigen Antriebsanlage 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 Gleichspannungswandler 1 sind jeweils wie in den 1 oder 2 ausgebildet. The 3 and 4 each schematically show a fuel cell system 11 an external air independent propulsion system of a submarine. The fuel cell plants 11 each have several fuel cells 12 on the DC-DC converter 1 to adapt one of the fuel cells 12 generated electrical DC voltage to a vehicle electrical system 13 of the submarine are coupled. The DC-DC converter 1 are each as in the 1 or 2 educated.

Die Brennstoffzellen 12 der in 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. The fuel cells 12 the in 3 illustrated fuel cell system 11 are each independent of each other to each a DC-DC converter 1 coupled, whose entrance 2 the electrical voltage generated by the at least one fuel cell is supplied and its output 3 to the electrical system 13 connected.

Die Brennstoffzellen 12 der in 4 dargestellten Brennstoffzellenanlage 11 sind miteinander verschaltbar und der Ausgang mindestens einer Brennstoffzelle 12 ist an vier parallel zueinander geschaltete Gleichspannungswandler 1 gekoppelt, deren Ausgänge 3 mit dem Bordnetz 13 verbunden sind. The fuel cells 12 the in 4 illustrated fuel cell system 11 are interconnected and the output of at least one fuel cell 12 is connected to four DC-DC converters connected in parallel with each other 1 coupled, their outputs 3 with the electrical system 13 are connected.

Der Wirkungsgrad der in den 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. The efficiency of the in the 3 and 4 illustrated fuel cell systems 11 is thereby preferably improved by that load-dependent efficiency curves of the fuel cell 12 by means of a corresponding automatic, for example, in the control unit 4 from one of the DC-DC converters 1 can be integrated, captured and the fuel cell systems 11 as a function of the current power to be delivered and the detected load-dependent efficiency curves of the fuel cells 12 be controlled so that the efficiency of the fuel cell systems 11 is maximum.

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 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn die zugehörigen Brennstoffzellen 12 nicht betrieben werden, und in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, wenn nicht alle parallel geschalteten Gleichspannungswandler 1 benötigt werden. The DC-DC converter 1 be as described above with an optimal module combination of converter modules 6 to 10 operated. In this case, the converter modules 6 to 10 some DC-DC converter 1 also completely switched off, eg in the in 3 shown embodiment, when the associated fuel cells 12 not operated, and in the in 4 shown embodiment, if not all parallel-connected DC-DC converter 1 needed.

Bei einem Ausfall einer Brennstoffzelle 12 oder eines kompletten Gleichspannungswandlers 1 wird der defekte Anlagenteil 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. In case of failure of a fuel cell 12 or a complete DC-DC converter 1 the defective part of the system is switched off during operation and switched to another part of the system. This advantageously allows the fuel cell system 11 , possibly with reduced power, even in case of failure of a subsystem can continue to operate and thus the supply of the submarine is ensured.

Obwohl die Erfindung im Detail durch Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by way of embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims (15)

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. DC-DC converter ( 1 ) for adapting a DC electrical voltage, comprising - a plurality of independently connectable and disconnectable converter modules ( 6 to 10 ) - and a control unit ( 4 ), which lead to a power-dependent connection and disconnection of converter modules ( 6 to 10 ) is trained. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Wandlermodule (6 bis 10) zur Abgabe einer gleichen elektrischen Maximalleistung ausgebildet sind. DC-DC converter ( 1 ) according to claim 1, characterized in that all converter modules ( 6 to 10 ) are designed to deliver a same maximum electrical power. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wandlermodule (6 bis 10) sich voneinander hinsichtlich ihrer elektrischen Maximalleistung unterscheiden. DC-DC converter ( 1 ) according to claim 1, characterized in that at least two converter modules ( 6 to 10 ) differ from each other in terms of their maximum electrical power. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) eine speicherprogrammierbare Steuerung zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen (6 bis 10) aufweist. DC-DC converter ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 4 ) a programmable logic controller for the connection and disconnection of a flexible number of converter modules ( 6 to 10 ) having. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse für die Wandlermodule (6 bis 10) und die speicherprogrammierbare Steuerung. DC-DC converter ( 1 ) according to claim 4, characterized by a common housing for the converter modules ( 6 to 10 ) and the programmable logic controller. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (4) eine programmierbare Steuerung mit wenigstens einem Mikroprozessor zur Zu- und Abschaltung einer flexiblen Anzahl von Wandlermodulen (6 bis 10) aufweist. DC-DC converter ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 4 ) a programmable controller having at least one microprocessor for the connection and disconnection of a flexible number of converter modules ( 6 to 10 ) having. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein gemeinsames Gehäuse für die Wandlermodule (6 bis 10) und die programmierbare Steuerung. DC-DC converter ( 1 ) according to claim 6, characterized by a common housing for the converter modules ( 6 to 10 ) and the programmable controller. Gleichspannungswandler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens ein redundantes Wandlermodul (6 bis 10). DC-DC converter ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized by at least one redundant converter module ( 6 to 10 ). Verwendung wenigstens eines Gleichspannungswandlers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer außenluftunabhängigen Antriebsanlage eines Unterseebootes mit einer Brennstoffzellenanlage (11), die wenigstens eine Brennstoffzelle (12) aufweist, zur Anpassung einer von der wenigstens einen Brennstoffzelle (12) erzeugten Gleichspannung. Use of at least one DC-DC converter ( 1 ) according to one of the preceding claims in an external air-independent propulsion system of a submarine with a fuel cell system ( 11 ), the at least one fuel cell ( 12 ) for adapting one of the at least one fuel cell ( 12 ) generated DC voltage. Verwendung nach Anspruch 9, wobei – eine von der Brennstoffzellenanlage (11) momentan abzugebende 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 miteinander verglichen werden, – eine optimale Modulkombination von Wandlermodulen (6 bis 10) ermittelt wird, die unter den ermittelten und miteinander verglichenen Modulkombinationen einen maximalen Wirkungsgrad aufweist, – und die Brennstoffzellenanlage (11) mit der ermittelten optimalen Modulkombination von Wandlermodulen (6 bis 10) des wenigstens einen Gleichspannungswandlers (1) betrieben wird. Use according to claim 9, wherein - one of the fuel cell plant ( 11 ) currently being delivered, and - for the determined instantaneous output, the module combinations of converter modules ( 6 to 10 ) of the at least one DC-DC converter ( 1 ), by means of which the determined output to be delivered can be provided in each case, are determined and compared with regard to their efficiency with each other, - an optimal module combination of converter modules ( 6 to 10 ) is determined, which has a maximum efficiency among the determined and compared module combinations, - and the fuel cell system ( 11 ) with the determined optimal module combination of converter modules ( 6 to 10 ) of the at least one DC-DC converter ( 1 ) is operated. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gleichspannungswandler (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. Use according to claim 10, characterized in that the at least one DC-DC converter ( 1 ) in the event of a failure of a transducer module belonging to the determined optimal module combination ( 6 to 10 ) with a different module combination, the failed converter module ( 6 to 10 ) is not owned, operated. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall eines Wandlermoduls (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. Use according to one of claims 9 to 11, characterized in that in case of failure of a converter module ( 6 to 10 ) the failed converter module ( 6 to 10 ), from the associated DC-DC converter ( 1 ) and by a functional converter module ( 6 to 10 ) is replaced. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Brennstoffzellenanlage (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 Brennstoffzellenanlage (11) maximal ist. Use according to one of claims 9 to 12, characterized in that in the case of a fuel cell system ( 11 ) with several fuel cells ( 12 ) load-dependent efficiency curves of the fuel cells ( 12 ) and the fuel cell system ( 11 ) as a function of the determined instantaneously delivered power and the detected load-dependent efficiency curves of the fuel cells ( 12 ) is controlled such that the efficiency of the fuel cell system ( 11 ) is maximum. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Brennstoffzellenanlage (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 zugeschaltet wird. Use according to one of claims 9 to 13, characterized in that in the case of a fuel cell system ( 11 ) with several fuel cells ( 12 ) in the event of a failure of a part of the fuel cell system ( 11 ) the failed plant part is switched off and instead, if not all plant components are required for the provision of services, a functional part of the plant is switched on. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gleichspannungswandler (1) mit jeweils einem eigenen Gehäuse verwendet werden. Use according to one of claims 9 to 14, characterized in that a plurality of DC-DC converters ( 1 ) are each used with its own housing.
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