DE102017009527A1 - A method for supplying a submarine drive system with electrical energy and a submarine vehicle network - Google Patents

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Abstract

Elektrische Systeme von Unterseebooten weisen für den Betrieb unterschiedliche Anforderungen an die elektrische Spannungen auf. Um die Versorgung mit elektrischer Energie gewährleisten zu können, muss die Energie zwischen unterschiedlichen Spannungspegeln geregelt werden. Die Erfindung schafft ein Verfahren zur effizienten Versorgen einer Fahranlage eines Unterseebootes mit elektrischer Energie sowie ein Fahrnetz eines Unterseebootes. Das wird dadurch erreicht, dass gleichartig ausgebildete Gleichspannungswandler (12) in Abhängigkeit vom Bedarf der Fahranlage (11) an elektrischer Energie individuell oder gemeinschaftlich durch eine Steuereinrichtung angesteuert werden.Submarine electrical systems have different electrical voltage requirements for operation. To ensure the supply of electrical energy, the energy must be regulated between different voltage levels. The invention provides a method for efficiently supplying a submarine vehicle with electrical energy as well as a submarine network. This is achieved by the fact that similarly designed DC-DC converter (12) depending on the needs of the driving system (11) are controlled to electrical energy individually or collectively by a control device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen einer Fahranlage eines Unterseebootes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrnetz eines Unterseebootes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a method for supplying a driving system of a submarine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a driving network of a submarine according to the preamble of claim 8.

Unterseeboote weisen zur Versorgung der Fahranlage und von elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise einem Fahrantrieb, einer Klimatisierungsanlage oder einer Kommunikationseinrichtung, mindestens ein elektrisches Fahrnetz bzw. mindestens ein Gleichspannungsnetz auf. Gespeist wird dieses Fahrnetz mit Energie eines Verbrennungsaggregates, von Batterien und/oder Brennstoffzellen.Submarines have to supply the driving system and electrical consumers, such as a traction drive, an air conditioning system or a communication device, at least one electric driving network or at least one DC voltage network. This driving net is fed with the energy of a combustion unit, batteries and / or fuel cells.

Die elektrischen Systeme bzw. Verbraucher von Unterseebooten weisen für die optimalen Betriebspunkte unterschiedliche elektrische Spannungen auf. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die Systeme und/oder Verbraucher des Unterseebootes in bestimmten Situationen bei unterschiedlichen vorgegebenen elektrischen Spannungen betrieben werden müssen. Um die Versorgung für alle Systeme und Verbraucher mit elektrischer Energie in allen Situationen während des Betriebs des Unterseebootes an einem optimalen Betriebspunkt gewährleisten zu können, muss die elektrische Energie zwischen unterschiedlichen Spannungspegeln geregelt werden. Da sich insbesondere auch die elektrischen Spannungen der Fahranlagen unterschiedlicher Unterseebootklassen unterscheiden, wurden bisher die für die Regelung notwendigen Gleichspannungswandler an die entsprechenden Anforderungen angepasst. Aufgrund der Vielfalt unterschiedlicher Anforderungen an die Energieversorgung führte dies jedoch bisher zu einer großen Zahl unterschiedlich spezifizierter Gleichspannungswandler. Dies gestaltet sich insbesondere für die Wartung, den Austausch und den aufeinander abgestimmten Betrieb aller Gleichspannungswandler als besonders komplex und schwierig. Darüber hinaus besteht bei den meisten Gleichspannungswandlern an Bord eines Unterseebootes die Notwendigkeit einer galvanischen Trennung. Für bekannte Systeme lässt sich eine galvanische Trennung nicht ohne weiteres realisieren.The electrical systems or consumers of submarines have different electrical voltages for the optimal operating points. In addition, it is conceivable that the systems and / or consumers of the submarine must be operated at different predetermined electrical voltages in certain situations. In order to ensure the supply of electrical energy to all systems and consumers in all situations during operation of the submarine at an optimal operating point, the electrical energy must be regulated between different voltage levels. Since, in particular, the electrical voltages of the drive systems of different submarine classes differ, so far the DC voltage converters required for the control have been adapted to the corresponding requirements. Due to the variety of different requirements for the power supply, however, this has so far resulted in a large number of differently specified DC-DC converters. This is especially for the maintenance, replacement and coordinated operation of DC-DC converters as particularly complex and difficult. In addition, most direct voltage converters aboard a submarine require galvanic isolation. For known systems, a galvanic isolation can not be realized easily.

Die in Fahrnetzen von Unterseebooten aktuell eingesetzten Gleichspannungswandler erreichen in der Regel einen Wirkungsgrad von 95%. Eine Verbesserung der Wirkungsgrade der Gleichspannungswandler würde zu erheblichen Kosteneinsparungen für den gesamten Betrieb eines Unterseebootes führen.The DC voltage converters currently used in submarines' travel systems generally achieve an efficiency of 95%. Improving the efficiencies of DC-DC converters would result in significant cost savings for the entire operation of a submarine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Versorgen einer Fahranlage eines Unterseebootes sowie ein Fahrnetz eines Unterseebootes zu schaffen, mit dem sämtliche elektrische Verbraucher auf dem Unterseeboot auf eine besonders effiziente Art und Weise mit elektrischer Energie versorgbar sind.The invention has for its object to provide a method for supplying a driving system of a submarine and a driving network of a submarine, with all electrical consumers on the submarine in a particularly efficient manner with electrical energy can be supplied.

Ein Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 1 auf. Demnach ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass gleichartig ausgebildete Gleichspannungswandler in Abhängigkeit vom Bedarf der Fahranlage an elektrischer Energie individuell oder gemeinschaftlich durch eine Steuereinrichtung angesteuert werden. Insbesondere durch die gleichartige bzw. identische Konfiguration oder Spezifikation der Gleichspannungswandler und die auf den aktuellen Bedarf der Fahranlage an elektrischer Energie abgestimmte Ansteuerung aller Gleichspannungswandler lässt sich die Fahranlage des Unterseebootes besonders effizient mit elektrischer Energie versorgen. Dabei ist das Verfahren unabhängig von der Klasse des Unterseebootes. Die Gesamtheit aller identischen Gleichspannungswandler wird durch die Steuereinrichtung derart aufeinander abgestimmt und entsprechend angesteuert, dass die elektrischen Systeme bzw. die elektrischen Verbraucher mit genau der elektrischen Energie bzw. Spannung versorgt werden, welche für einen optimalen Betrieb notwendig sind.A method for achieving this object comprises the measures of claim 1. Accordingly, it is provided according to the invention that identically designed DC-DC converters are controlled individually or jointly by a control device as a function of the demand of the driving system for electrical energy. In particular, by the identical or identical configuration or specification of the DC-DC converter and adapted to the current needs of the car to electrical energy control of all DC-DC converters, the drive system of the submarine can be particularly efficient with electrical energy. The method is independent of the class of the submarine. The entirety of all identical DC-DC converters is coordinated by the control device and controlled accordingly that the electrical systems or the electrical loads are supplied with exactly the electrical energy or voltage, which are necessary for optimal operation.

Bevorzugt kann es die vorliegende Erfindung weiter vorsehen, dass zur Skalierung der elektrischen Spannung an der Fahranlage die Gleichspannungswandler seriell oder parallel miteinander, insbesondere individuell oder gruppiert, verschaltet werden. Durch diese Skalierung der elektrischen Energieversorgung lässt sich schnell und einfach auf verschiedene Anforderungen an das Fahrnetz durch entsprechende Verschaltung der Gleichspannungswandler reagieren. Durch diese bedarfsabhängige Verschaltung aller Gleichspannungswandler lässt sich das Fahrnetz bzw. die Fahranlage des Unterseebootes besonders effizient betreiben.Preferably, the present invention can further provide that the DC voltage converters are connected in series or in parallel with one another, in particular individually or in groups, in order to scale the electrical voltage on the driving system. By means of this scaling of the electrical energy supply, it is possible to respond quickly and easily to various requirements of the driving network by means of appropriate connection of the DC-DC converter. By means of this demand-dependent interconnection of all DC-DC converters, the driving network or the driving system of the submarine can be operated particularly efficiently.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass zur Skalierung der elektrischen Leistung für die Fahranlage mehrere Gleichspannungswandler zu einer Einheit zusammengefasst werden und diese mehreren Gleichspannungswandler aufweisende Einheiten seriell oder parallel miteinander verschaltet werden. Durch diese Modularität auf einer höheren Ebene können bedarfsabhängig kurzfristig auch höhere elektrische Leistung bzw. elektrische Spannungen für die Versorgung beispielsweise des Fahrantriebs erreicht werden. Durch diese angepasste Serien- oder Parallelschaltung (Kaskadierung) der Module bzw. Einheiten können unterschiedliche Spannungspegel auf Geräteebene erreicht werden. Durch Parallelschaltung dieser Konfigurationen kann die Leistung des elektrischen Systems weiter skaliert werden. Bei Teillast können gleichermaßen einige dieser Konfigurationen abgeschaltet werden, um den Wirkungsgrad des Gesamtsystems bzw. der Anlage zu optimieren.A further advantageous exemplary embodiment of the present invention can provide that, to scale the electrical power for the driving system, a plurality of DC-DC converters are combined to form one unit, and these units having a plurality of DC-DC converters are connected in series or in parallel with one another. As a result of this modularity on a higher level, higher electrical power or electrical voltages for the supply of, for example, the traction drive can be achieved at short notice depending on demand. Through this adapted series or parallel connection (cascading) of the modules or units different voltage levels can be achieved at the device level. By connecting these configurations in parallel, the performance of the electrical system can be further scaled. At partial load, alike, some of these configurations can be disabled to accommodate the To optimize the efficiency of the overall system or system.

Des Weiteren kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass jeder Gleichspannungswandler durch eine, insbesondere eigene, Signalleitung und/oder eine Versorgungsleitung gesteuert und/oder mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei sich jeder Gleichspannungswandler über die Signalleitung und/oder die Versorgungsleitung individuell, insbesondere unabhängig von den anderen Gleichspannungswandlern, abschalten, vorzugsweise gesichert abschalten, und/oder trennen lässt. Durch diese Möglichkeit der sicheren Trennung einzelner Spannungswandler, beispielsweise über die Versorgungsleitung oder die Signalleitung lässt sich gleichermaßen auch ein sicherer Betrieb des Systems gewährleisten. Über die einzelnen Signalleitungen lässt sich ebenfalls ein jeder Gleichspannungswandler notabschalten. Wird beispielsweise festgestellt, dass ein Spannungswandler von mehreren parallel geschalteter Spannungswandler ausfällt, so kann über die Signalleitung dieser eine defekte Gleichspannungswandler ausgeschaltet werden und die anderen Gleichspannungswandler hierüber informiert werden, woraufhin deren Betrieb bzw. Versorgung mit elektrischer Energie entsprechend angepasst wird, um die Versorgung der Fahranlage mit einer konstanten Spannung bzw. Leistung sicherzustellen. Bei der Serienschaltung mehrerer Gleichspannungswandler bzw. Module wird die Spannung aller Wandler bzw. Module durch eine Ausgleichsregelung (balancing) auf gleicher Höhe gehalten, indem die Übertragungsleistung der einzelnen Wandler bzw. Module variiert wird.Furthermore, it can be provided according to the invention that each DC-DC converter is controlled by a, in particular own, signal line and / or a supply line and / or supplied with electrical energy, each DC converter via the signal line and / or the supply line individually, in particular independently the other DC-DC converters, turn off, preferably switched off safely, and / or can be disconnected. This possibility of the safe separation of individual voltage transformers, for example via the supply line or the signal line can equally ensure a safe operation of the system. Each individual DC-DC converter can also be switched off via the individual signal lines. If it is determined, for example, that a voltage converter of several parallel-connected voltage transformers fails, then a defective DC-DC converter can be switched off via the signal line and the other DC-DC converters informed thereof, whereupon their operation or supply of electrical energy is adjusted accordingly to ensure the supply of Ensure driving system with a constant voltage or power. In the series connection of several DC-DC converters or modules, the voltage of all transducers or modules by a balancing (balancing) maintained at the same level by the transmission power of the individual transducers or modules is varied.

Darüber hinaus kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, dass bei Ausfall oder Defekt einzelner Gleichspannungswandler oder Einheiten von Gleichspannungswandlern die entsprechenden Gleichspannungswandler oder Einheiten von Gleichspannungswandlern modulhaft ausgetauscht werden, wobei die verbleibenden Gleichspannungswandler oder Einheiten von Gleichspannungswandlern derart von der Steuereinheit angesteuert werden, dass die elektrische Versorgung der Fahranlage zum Beispiel mit einer konstanten elektrischen Spannung nicht unterbrochen wird. Durch diese Modulhaftigkeit sowie Austauschbarkeit eines jeden Gleichspannungswandlers lassen sich zum einen bedarfsabhängig einzelne Gleichspannungswandler bzw. Einheiten von Gleichspannungswandlern zur Energieversorgung der Fahranlage zu- oder abschalten und zum anderen defekte Wandler schnell und unkompliziert austauschen. Durch diese Modulhaftigkeit wird somit der Betrieb des Fahrnetzes insgesamt als besonders komfortabel und einfach ausgestaltet.In addition, it may be advantageous according to the invention that in the event of failure or failure of individual DC-DC converters or units of DC-DC converters, the corresponding DC-DC converters or units of DC-DC converters are replaced modulhaft, the remaining DC-DC converter or units of DC-DC converters are controlled by the control unit such that the electrical supply of the Driving system, for example, with a constant voltage is not interrupted. Due to this modulability and interchangeability of each DC-DC converter, on the one hand, individual DC-DC converters or units of DC-DC converters can be switched on or off to supply power to the driving system and, on the other hand, replace defective transducers quickly and easily. As a result of this modularity, the operation of the driving network as a whole is thus made particularly convenient and simple.

Bevorzugt kann es weiter vorgesehen sein, dass alle Gleichspannungswandler durch die Steuereinrichtung, vorzugsweise in Abhängigkeit der Anzahl aktiver Gleichspannungswandler, derart getaktet werden, dass die Fahranlage mit einer konstanten elektrischen Spannung versorgt wird, wobei die Frequenz bzw. die Phasen der Gleichspannungswandler untereinander angepasst bzw. angeglichen werden. Durch diese angepasste Taktung der Gleichspannungswandler bzw. der Einheiten von Gleichspannungswandlern kann das elektrische System bzw. die elektrischen Verbraucher der Fahranlage mit einer konstanten bzw. über die Zeit sehr homogenen elektrischen Spannung und Leistung versorgt werden. Auf diese Weise kann insbesondere eine Gleichtaktung der Gleichspannungswandler verhindert werden, welche zu einem ineffektiven Betrieb bzw. zu einem Defekt der Verbraucher führen könnte.It can preferably further be provided that all DC-DC converters are clocked by the control device, preferably as a function of the number of active DC-DC converters, in such a way that the driving system is supplied with a constant electrical voltage, with the frequency or the phases of the DC-DC converter being adapted to one another or be aligned. By this adapted timing of the DC-DC converter or the units of DC-DC converters, the electrical system or the electrical load of the driving system can be supplied with a constant or over time very homogeneous electrical voltage and power. In this way, in particular a common mode of DC-DC converter can be prevented, which could lead to an ineffective operation or to a defect of the consumer.

Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, dass die Gleichspannungswandler durch die Steuereinrichtung mit unterschiedlichen Pulsmustern, insbesondere spannungsloses Schalten, betrieben werden, wobei vorzugsweise die Pulsmuster in Abhängigkeit der an der Fahranlage anliegenden Last eingestellt werden. Insbesondere durch Pulsmuster mit Soft-Switching lassen sich die verwendeten Gleichspannungswandler bzw. die verwendeten Transistoren, vorzugsweise MOSFETs, mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben. Die Pulsmuster lassen sich beispielsweise über die Signalleitungen von der Steuereinrichtung auf jeden Gleichspannungswandler bzw. auf die Gesamtheit aller Gleichspannungswandler in Abhängigkeit der Fahranlage und/oder der einzelnen Verbraucher übertragen. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente Betriebsart des Fahrnetzes erreicht werden. Darüber hinaus kann durch die Steuereinheit bzw. durch die einzelnen Steuereinheiten eines jeden Gleichspannungswandlers über die Signalleitungen die elektrische Spannung bzw. der elektrische Strom sowie die Streuinduktivitäten und die Windungszahlverhältnisse an den Gleichspannungswandlern bzw. den verwendeten elektrischen Bauteilen, vorzugsweise den Eingangsfiltern, den doppelt aktiven H-Brücken (dual active brigdes, DAB), den Übertragern bzw. Transformatoren, bestimmt und/oder geregelt werden.Moreover, it may be advantageous for the DC-DC converters to be operated by the control device with different pulse patterns, in particular de-energized switching, the pulse patterns preferably being set as a function of the load applied to the drive system. In particular, by pulse pattern with soft switching, the DC-DC converter used or the transistors used, preferably MOSFETs, operate with a high efficiency. The pulse patterns can be transmitted, for example, via the signal lines from the control device to each DC-DC converter or to the entirety of all DC-DC converters depending on the driving system and / or the individual consumer. In this way, a particularly efficient operating mode of the driving network can be achieved. In addition, by the control unit or by the individual control units of each DC-DC converter via the signal lines, the electrical voltage or the electrical current and the leakage inductances and the Windungszahlverhältnisse on the DC-DC converters or the electrical components used, preferably the input filters, the double-active H. Dual active brigdes (DAB), the transformers, are determined and / or regulated.

Ein Fahrnetz eines Unterseebootes zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 8 auf. Demnach ist es vorgesehen, dass die Gleichspannungswandler gleichartig ausgebildet sind und in Abhängigkeit vom Bedarf der Fahranlage an elektrischer Energie individuell oder gemeinschaftlich durch eine Steuereinrichtung in Reihe und/oder parallel schaltbar sind. Bei der Steuereinrichtung kann es sich um eine Schalttafel oder eine feste Verdrahtung handeln.A driving network of a submarine to solve the above-mentioned problem has the features of claim 8. Accordingly, it is provided that the DC-DC converter are of a similar design and, depending on the needs of the drive to electrical energy individually or collectively by a control device in series and / or in parallel are switchable. The control device may be a control panel or a fixed wiring.

Bei den erfindungsgemäß vorgesehenen Gleichspannungswandlern handelt es sich um isolierte, bidirektionale Gleichspannungswandler in der Konfiguration eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandlers mit zwei aktiven H-Brücken (dual active brigde, DAB). Durch diese Konfiguration eines Gleichspannungswandlers kann auf Modulebene eine galvanische Trennung erreicht werden, welche insbesondere für die Serien- und Parallelschaltung auf Geräteebene notwendig ist. Der Aufbau der verwendeten Transformatoren der Gleichspannungswandler kann so vereinfacht werden, dass für diese Konfiguration keine geringe Streuinduktivität notwendig ist, vielmehr kann die Streuinduktivität sogar künstlich hochgehalten werden und dadurch eine externe Induktivität eingespart werden. Die Auswahl der Komponenten des Gleichspannungswandlers kann ohne die speziellen Spannungsanforderungen auf Geräteebene erfolgen. Dadurch können zum Beispiel Halbleiter mit niedrigerer Spannungsfestigkeit aber höherem Wirkungsgrad verwendet werden. Die Schaltverluste der Halbleiter können in dieser Konfiguration durch spezielle Schaltmuster wie beispielsweise durch Soft-Switching deutlich reduziert werden. Darüber hinaus lässt sich hierdurch die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern. Durch derartige Pulsmuster bzw. Schaltmuster können wiederrum Halbleiter mit hoher Ausgangskapazität gewählt werden, die einerseits geringe Leitungsverluste besitzen und andererseits das Soft-Switching unterstützen. Durch die versetzte Taktung der einzelnen Gleichspannungswandler sowie für eine Frequenzanpassung und einen Phasenabgleich lässt sich eine besonders homogene und gleichmäßige Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Spannung erreichen. Diese Anpassung bzw. Steuerung der Gleichspannungswandler erfolgt über die Steuereinheiten sowie über die Signal- und Versorgungsleitungen eines jeden Gleichspannungswandlers.The DC-DC converters provided in accordance with the invention are isolated, bidirectional DC-DC converters in the configuration of a bidirectional insulated one DC-DC converter with two active H-bridges (dual active brigde, DAB). By this configuration of a DC-DC converter, a galvanic isolation can be achieved at the module level, which is particularly necessary for the series and parallel circuit at the device level. The structure of the transformers used in the DC-DC converter can be simplified so that no small leakage inductance is necessary for this configuration, but the leakage inductance can even be kept artificially high, thereby saving an external inductance. The selection of the components of the DC-DC converter can be done without the specific voltage requirements at the device level. As a result, for example, semiconductors with lower dielectric strength but higher efficiency can be used. The switching losses of the semiconductors can be significantly reduced in this configuration by special switching patterns such as soft-switching. In addition, this can improve the electromagnetic compatibility. By such pulse patterns or switching pattern can be selected in turn semiconductors with high output capacity, on the one hand have low line losses and on the other hand support the soft switching. Due to the staggered timing of the individual DC-DC converter as well as for a frequency adjustment and a phase adjustment, a particularly homogeneous and uniform supply of the consumer with electrical voltage can be achieved. This adaptation or control of the DC-DC converter takes place via the control units and via the signal and supply lines of each DC-DC converter.

Bevorzugt kann es die Erfindung außerdem vorsehen, dass jeder Gleichspannungswandler durch die Signalleitung und/oder die Versorgungsleitung mit der Steuereinheit verbunden ist und jeder Gleichspannungswandler über die Signalleitung und/oder die Versorgungsleitung individuell, insbesondere unabhängig von den anderen Gleichspannungswandlern, abschaltbar, vorzugsweise gesichert abschaltbar, und/oder trennbar ist. Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Gleichspannungswandler sowohl unabhängig von den anderen Gleichspannungswandlern betreiben, als auch auf die Betriebsarten bzw. Anforderungen der anderen Gleichspannungswandler abstimmen.Preferably, the invention can also provide that each DC-DC converter is connected to the control unit by the signal line and / or the supply line and each DC-DC converter via the signal line and / or the supply individually, in particular independently of the other DC-DC converters, switched off, preferably switched off, and / or separable. In this way, the individual DC-DC converter can operate both independently of the other DC-DC converters, as well as vote on the operating modes or requirements of other DC-DC converter.

Bei der Abschaltung eines Gleichspannungswandler, oder mehrerer Gleichspannungswandler, muss das System, bzw. müssen die anderen Gleichspannungswandler mitgeteilt bekommen, welcher Gleichspannungswandler abgeschaltet wird, insbesondere wenn beispielsweise mehrere Gleichspannungswandler in einem Gerät, z.B. auf der Primärseite parallel und auf der Sekundärseite in Serie, verschaltet werden. Wenn in diesem Gerät ein Gleichspannungswandler ausfällt, müssen alle anderen Gleichspannungswandler innerhalb des Gerätes auch abgeschaltet werden. Dazu dient z.B. eine Steuerleitung. Um eine höhere Leistung zu erzielen, können mehrere dieser Geräte parallel geschaltet und betrieben werden. Wenn eines dieser Geräte ausfällt, z.B. durch den Ausfall eines internen Gleichspannungswandlers, können die anderen Geräte noch weiter betrieben werden.When switching off a DC-DC converter, or several DC-DC converters, the system, or the other DC-DC converter must be told which DC-DC converter is turned off, especially if, for example, several DC-DC converter in a device, e.g. parallel on the primary side and in series on the secondary side. If a DC-DC converter fails in this unit, all other DC-DC converters within the unit must also be switched off. This is done e.g. a control line. To achieve higher performance, several of these devices can be connected and operated in parallel. If one of these devices fails, e.g. Due to the failure of an internal DC-DC converter, the other devices can be operated even further.

Weiter kann es als vorteilhaft vorgesehen sein, dass mehrere Gleichspannungswandler für eine Skalierung der elektrischen Leistung zu Einheiten von Gleichspannungswandlern zusammenschaltbar sind und/oder einzelne Gleichspannungswandler modulhaft austauschbar sind, vorzugsweise unter Konstanthaltung der elektrischen Spannung und/oder Leistung.Further, it can be provided as advantageous that a plurality of DC-DC converters for scaling the electrical power to units of DC-DC converters are interconnected and / or individual DC-DC converters are modular exchangeable, preferably while maintaining constant electrical voltage and / or power.

In dieser Konfiguration lassen sich insbesondere MOSFET-Module einsetzen, welche eine hohe Schaltfrequenz, eine kompakte Bauform sowie einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die einzelnen MOSFETs einer jeden H-Brücke bzw. der einzelnen Gleichspannungswandler lassen sich lastabhängig bzw. verbrauchsabhängig über die Steuereinheiten individuell oder gemeinschaftlich ansteuern. Des Weiteren ist es vorgesehen, in die Gleichspannungswandler einen Filter, vorzugsweise einem LC-Filter, zu integrieren. Durch diese Integration des LC-Filters lässt sich die Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Energie noch weiter verbessern.In this configuration, in particular MOSFET modules can be used, which have a high switching frequency, a compact design and a very high efficiency. The individual MOSFETs of each H-bridge or the individual DC-DC converter can be controlled individually or collectively depending on load or consumption depending on the control units. Furthermore, it is provided to integrate a filter, preferably an LC filter, into the DC-DC converter. This integration of the LC filter makes it possible to further improve the supply of electrical energy to the consumers.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für die Schaltung mehrerer Gleichspannungswandler,
  • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für die Schaltung mehrerer Gleichspannungswandler,
  • 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schaltung mehrerer Gleichspannungswandler, und
  • 4 eine schematische Darstellung eines Gleichspannungswandlers.
A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the circuit of a plurality of DC-DC converter,
  • 2 a schematic representation of another embodiment for the circuit of a plurality of DC-DC converter,
  • 3 a schematic representation of another embodiment of a circuit of a plurality of DC-DC converter, and
  • 4 a schematic representation of a DC-DC converter.

1 zeigt schematisiert einen Ausschnitt eines Fahrnetzes 10 eines Antriebssystems für ein Unterseeboot. Dieses Fahrnetz 10 kann beispielsweise mit den elektrische Energie erzeugenden Brennstoffzellen verbunden sein. Für die Versorgung einer Fahranlage 11 des Unterseebootes mit elektrischer Energie können erfindungsgemäß zwischen das Fahrnetz 10 und der Fahranlage 11 mehrere Gleichspannungswandler 12 bedarfsabhängig geschaltet werden. Je nach Fahranlage 11 können dem Fahrnetz 10 bzw. der Fahranlage 11 eine verschiedene Anzahl von Gleichspannungswandlern 12 zugeordnet werden (siehe 1 und 2). Ist die erforderliche Menge an elektrischer Spannung für den Betrieb der Fahranlage gering, so reicht für den Betrieb dieser Fahranlage 11 eine geringere Anzahl von Gleichspannungswandlern 12 (1), als bei einer Fahranlage 11, die für ihren Betrieb eine höhere elektrische Spannung vorsieht ( 2). 1 schematically shows a section of a driving network 10 a propulsion system for a submarine. This driving network 10 may be connected, for example, with the electric power generating fuel cells. For the supply of a driving system 11 of the submarine with electrical energy according to the invention between the driving network 10 and the driving system 11 several DC-DC converters 12 be switched on demand. Depending on the driving system 11 can the driving network 10 or the driving system 11 a different number of DC-DC converters 12 be assigned (see 1 and 2 ). If the required amount of electrical voltage for the operation of the vehicle is low, it is sufficient for the operation of this system 11 a smaller number of DC-DC converters 12 ( 1 ), as in a driving system 11 which provides a higher electrical voltage for its operation ( 2 ).

Erfindungsgemäß sind die Gleichspannungswandler 12 für die Versorgung der Fahranlage 11 mit elektrischer Energie identisch konfiguriert bzw. spezifiziert. Durch diese gleichartige Ausgestaltung aller Gleichspannungswandler 12 lässt sich das Fahrnetz 10 bzw. die Fahranlage 11 nicht nur den jeweiligen Anforderungen entsprechend mit einer verbrauchsgemäßen Anzahl von Gleichspannungswandlern 12 auf eine einfache Art und Weise erweitern oder reduzieren, die Identität der Gleichspannungswandler 12 vereinfacht die Wartung bzw. den Austausch einzelner Gleichspannungswandler 12, vorzugsweise während des Betriebs der Fahranlage, auf eine sehr einfache und somit effiziente Art und Weise.According to the invention, the DC-DC converter 12 for the supply of the driving system 11 configured or specified identically with electrical energy. By this similar design of all DC-DC converter 12 can be the driving network 10 or the driving system 11 not only according to the respective requirements with a consumable number of DC-DC converters 12 In a simple way, expand or reduce the identity of DC-DC converters 12 simplifies the maintenance and replacement of individual DC-DC converters 12 , preferably during operation of the driving system, in a very simple and thus efficient manner.

Durch eine nicht dargestellte Steuereinheit lassen sich die Gleichspannungswandler 12 in nahezu beliebiger Weise in Reihe und parallel schalten, um die Last der Fahranlage 11 bedienen zu können. Die Steuereinheit verteilt die zu übertragende Leistung auf die einzelnen Gleichspannungswandler 12 optimal. Dabei können einzelne Gleichspannungswandler 12 in einer Serienschaltung ggf. auch ausgeschaltet oder kurzgeschlossen werden. Für eine optimale Steuerung aller Gleichspannungswandler 12 ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Gleichspannungswandler 12 eine eigene Signalleitung und/oder eine eigene Versorgungsleitung aufweist. Durch die individuelle Einstellung eines jeden Gleichspannungswandlers 12 kann jeder Gleichspannungswandler 12 einzeln ausgelesen und gesteuert werden. So lässt sich beispielsweise im Falle eines defekten Gleichspannungswandlers 12 dieser notausschalten und der Betrieb der verbleibenden Gleichspannungswandler 12 entsprechend anpassen, um den Ausfall des defekten Gleichspannungswandlers 12 derart zu kompensieren, dass die Versorgungsspannung für die Fahranlage 11 möglichst konstant gehalten werden kann.By a control unit, not shown, the DC-DC converter 12 in almost any way in series and in parallel, switch to the load of the driving system 11 to be able to serve. The control unit distributes the power to be transmitted to the individual DC-DC converter 12 optimal. In this case, individual DC-DC converter 12 if necessary, also be switched off or short-circuited in a series connection. For optimum control of all DC-DC converters 12 It is inventively provided that each DC-DC converter 12 has its own signal line and / or its own supply line. By the individual adjustment of each DC-DC converter 12 can any DC-DC converter 12 individually read out and controlled. Thus, for example, in the case of a defective DC-DC converter 12 this emergency off and the operation of the remaining DC-DC converter 12 adjust accordingly to the failure of the defective DC-DC converter 12 compensate for the fact that the supply voltage for the driving system 11 can be kept as constant as possible.

Außerdem lassen sich mehrere Gleichspannungswandler 12 zu einer Einheit 13 von Gleichspannungswandlern 12 zusammenfassen, wobei diese eine Vielzahl von Gleichspannungswandlern 12 aufweisenden Einheiten 13 wiederum parallel oder in Reihe zusammengeschaltet werden können, um die elektrische Leistung für die Fahranlage 11 bedarfsabhängig skalieren zu können. Auch dieses Zusammenschalten mehrerer Einheiten 13 von Gleichspannungswandlern 12 lässt sich bedarfsabhängig durch eine Steuereinheit regeln (3). Es können mehrere Gleichspannungswandler in einem Gerät z.B. auf der Primärseite parallel und auf der Sekundärseite in Serie verschaltet werden. Wenn in diesem Gerät ein Gleichspannungswandler ausfällt, müssen alle anderen Gleichspannungswandler innerhalb des Gerätes auch abgeschaltet werden. Dazu dient z.B. eine Steuerleitung. Um eine höhere Leistung zu erzielen, können mehrere dieser Geräte parallel geschaltet und betrieben werden. Wenn eines dieser Geräte ausfällt (z.B. durch den Ausfall eines internen Gleichspannungswandlers) können die anderen Geräte noch weiter betrieben werden.In addition, several DC-DC converters can be used 12 to a unity 13 of DC-DC converters 12 summarizing, these a variety of DC-DC converters 12 having units 13 in turn can be connected in parallel or in series to the electrical power for the driving system 11 to scale as needed. Also this interconnection of several units 13 of DC-DC converters 12 can be controlled as needed by a control unit ( 3 ). Several DC-DC converters can be connected in parallel in one unit, for example on the primary side, and in series on the secondary side. If a DC-DC converter fails in this unit, all other DC-DC converters within the unit must also be switched off. This is for example a control line. To achieve higher performance, several of these devices can be connected and operated in parallel. If one of these devices fails (eg due to the failure of an internal DC-DC converter), the other devices can continue to operate.

Bei den hier beschriebenen Gleichspannungswandlern 12 handelt es sich um modular aufgebaute, isolierte bidirektionale Gleichspannungswandler 12, durch die eine galvanische Trennung zwischen den Brennstoffzellen bzw. dem Fahrnetz 10 und der Fahranlage 11 realisierbar ist. Diese galvanische Trennung kann für jeden einzelnen Gleichspannungswandler 12 erfolgen oder für jede Einheit 13. Die Gleichspannungswandler 12 sind modular aufgebaut aus Sicherungen 14, einem Eingangsfilter 15 bzw. einem Ausgangsfilter 16, zwei aktiven H-Brücken 17 sowie einem Übertrager 18 bzw. einem Transformator (4). Durch diese Konfiguration lässt sich sowohl eine galvanische Trennung auf Modulebene realisieren als auch eine galvanische Trennung auf Geräteebene. Für die H-Brücke 17 bietet sich insbesondere die Verwendung von MOSFETS an, da diese einen besonders hohen Wirkungsgrad aufweisen. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Konfiguration bzw. der Aufbau der in 4 dargestellten Gleichspannungswandler 12 auch andersartig ausgebildet sein kann.In the DC-DC converters described here 12 these are modular, isolated bidirectional DC-DC converters 12 , by which a galvanic separation between the fuel cells or the driving net 10 and the driving system 11 is feasible. This galvanic isolation can be for every single DC-DC converter 12 done or for each unit 13 , The DC-DC converter 12 are modularly constructed from fuses 14 , an input filter 15 or an output filter 16 , two active H-bridges 17 as well as a transformer 18 or a transformer ( 4 ). This configuration enables both galvanic isolation at the module level and galvanic isolation at the device level. For the H bridge 17 In particular, the use of MOSFETs offers, since they have a particularly high efficiency. It should be noted, however, that the configuration or the structure of in 4 illustrated DC-DC converter 12 may also be designed differently.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Fahrnetzdriving power
1111
Fahranlagepropulsion system
1212
GleichspannungswandlerDC converter
1313
Einheitunit
1414
Sicherungfuse
1515
Eingangsfilterinput filter
1616
Ausgangsfilteroutput filters
1717
H-BrückeH-bridge
1818
Übertragerexchangers

Claims (12)

Verfahren zum Versorgen einer Fahranlage (11) eines Unterseebootes mit elektrischer Energie, wobei die elektrische Energie von mindestens einem Fahrnetz (10) des Unterseebootes zur Verfügung gestellt und über mindestens zwei Gleichspannungswandler (12) auf die Fahranlage (11) übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (12) gleichartig ausgebildeten sind und in Abhängigkeit vom Bedarf der Fahranlage (11) an elektrischer Energie individuell oder gemeinschaftlich durch eine Steuereinrichtung angesteuert werden.A method for supplying electric power to a submarine (11) of a submarine, the electrical energy being provided by at least one submarine traction network (10) and by at least two DC-DC converters (12) is transmitted to the driving system (11), characterized in that the DC-DC converter (12) are of similar design and depending on the needs of the driving system (11) are controlled individually or jointly by a control device to electrical energy. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Skalierung der elektrischen Spannung an der Fahranlage (11) die Gleichspannungswandler (12) seriell oder parallel miteinander, insbesondere individuell oder gruppiert, verschaltet werden.Method according to Claim 1 , characterized in that for scaling the electrical voltage at the driving system (11), the DC-DC converter (12) serially or in parallel with each other, in particular individually or grouped interconnected. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Skalierung der elektrischen Leistung für die Fahranlage (11) mehrere Gleichspannungswandler (12) zu einer Einheit (13) zusammengefasst werden und diese mehrere Gleichspannungswandler (12) aufweisenden Einheiten (13) seriell oder parallel miteinander verschaltet werden.Method according to Claim 1 , characterized in that for scaling the electrical power for the driving system (11) a plurality of DC-DC converter (12) are combined to form a unit (13) and these plurality of DC-DC converter (12) having units (13) connected in series or in parallel. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gleichspannungswandler (12) durch eine, insbesondere eigene, Signalleitung und/oder eine Versorgungsleitung gesteuert und/oder mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei sich jeder Gleichspannungswandler (12) über die Signalleitung und/oder die Versorgungsleitung individuell, insbesondere unabhängig von den anderen Gleichspannungswandlern (12), abschalten, vorzugsweise gesichert abschalten, und/oder trennen lässt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that each DC-DC converter (12) is controlled and / or supplied with electrical energy by a, in particular own, signal line and / or a supply line, wherein each DC-DC converter (12) via the signal line and / or switch off the supply line individually, in particular independently of the other DC-DC converters (12), preferably switch off safely, and / or disconnect. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall oder Defekt einzelner Gleichspannungswandler (12) oder Einheiten (13) von Gleichspannungswandlern (12) die entsprechenden Gleichspannungswandler (12) oder Einheiten (13) von Gleichspannungswandlern (12) modulhaft ausgetauscht werden, wobei die verbleibenden Gleichspannungswandler (12) oder Einheiten (13) von Gleichspannungswandlern (12) derart von der Steuereinrichtung angesteuert werden, dass die elektrische Versorgung der Fahranlage (11) zum Beispiel mit einer konstanten elektrischen Spannung nicht unterbrochen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in case of failure or defect of individual DC-DC converter (12) or units (13) of DC-DC converters (12), the corresponding DC-DC converter (12) or units (13) of DC-DC converters (12) are replaced modulatively, wherein the remaining DC-DC converter (12) or units (13) of DC-DC converters (12) are controlled by the control device such that the electrical supply of the driving system (11) is not interrupted, for example, with a constant electrical voltage. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Gleichspannungswandler (12) durch die Steuereinrichtung, vorzugsweise in Abhängigkeit der Anzahl aktiver Gleichspannungswandler (12), derart getaktet werden, dass die Fahranlage (11) mit einer konstanten elektrischen Spannung versorgt wird, wobei die Frequenzen bzw. die Phasen der Gleichspannungswandler (12) untereinander angepasst bzw. abgeglichen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that all DC voltage converter (12) by the control device, preferably in response to the number of active DC-DC converter (12), are clocked such that the driving system (11) is supplied with a constant electrical voltage, wherein the frequencies or the phases of the DC-DC converter (12) are matched or adjusted with each other. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (12) durch die Steuereinrichtung mit unterschiedlichen Pulsmustern, insbesondere spannungsloses Schalten, betrieben werden, wobei vorzugsweise die Pulsmuster in Abhängigkeit der an die Fahranlage (11) anliegenden Last eingestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the DC-DC converter (12) are operated by the control device with different pulse patterns, in particular de-energized switching, wherein preferably the pulse patterns are adjusted depending on the load applied to the driving system (11). Fahrnetz (10) eines Unterseebootes zur Versorgung einer Fahranlage (11) mit elektrischer Energie, wobei der Fahranlage (11) zur Übertragung der elektrischen Energie mindestens zwei Gleichspannungswandler (12) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (12) gleichartig ausgebildet sind und in Abhängigkeit vom Bedarf der Fahranlage (11) an elektrischer Energie individuell oder gemeinschaftlich durch eine Steuereinrichtung in Reihe und/oder parallel schaltbar sind.A driving network (10) of a submarine for supplying a driving system (11) with electrical energy, wherein the driving system (11) for transmitting the electrical energy at least two DC-DC converter (12) are associated, characterized in that the DC-DC converter (12) are formed similar and depending on the needs of the driving system (11) of electrical energy individually or collectively by a control device in series and / or in parallel are switchable. Fahrnetz (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (12) als isolierter, bidirektionaler Gleichspannungswandler (12) in der Konfiguration eines bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler mit zwei aktiven H-Brücken (17) ausgebildet sind.Fahrnetz (10) to Claim 8 , characterized in that the DC-DC converters (12) are designed as isolated, bidirectional DC-DC converters (12) in the configuration of a bi-directional isolated DC-DC converter with two active H-bridges (17). Fahrnetz (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gleichspannungswandler (12) durch eine Signalleitung und/oder eine Versorgungsleitung mit der Steuereinrichtung verbunden ist und jeder Gleichspannungswandler (12) über die Signalleitung und/oder die Versorgungsleitung individuell, insbesondere unabhängig von den anderen Gleichspannungswandlern (12), abschaltbar, vorzugsweise gesichert abschaltbar, und/oder trennbar ist.Fahrnetz (10) to Claim 8 or 9 , characterized in that each DC-DC converter (12) is connected by a signal line and / or a supply line to the control device and each DC-DC converter (12) via the signal line and / or the supply line individually, in particular independently of the other DC-DC converters (12), switched off , preferably secured switched off, and / or is separable. Fahrnetz (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gleichspannungswandler (12) für eine Skalierung der elektrischen Leistung zu Einheiten (13) von Gleichspannungswandlern (12) zusammenschaltbar sind und/oder einzelne Gleichspannungswandler (12) modulhaft austauschbar sind, vorzugsweise unter Konstanthaltung der elektrischen Spannung und/oder Leistung.Fahrnetz (10) after one of Claims 8 to 10 , characterized in that a plurality of DC-DC converter (12) for scaling the electrical power to units (13) of DC-DC converters (12) are interconnectable and / or individual DC-DC converter (12) are exchangeable module, preferably while maintaining constant electrical voltage and / or power , Fahrnetz (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandler (12) mit einem Filter, vorzugsweise einem LC-Filter, kombinierbar sind.Fahrnetz (10) after one of Claims 8 to 11 , characterized in that the DC-DC converter (12) can be combined with a filter, preferably an LC filter.
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