DE10203033A1

DE10203033A1 - DC-DC converter arrangement for producing DC output voltages, e.g. for vehicle, has accumulator(s) connected to first unidirectional converter's output, microprocessor for programming converters

Info

Publication number: DE10203033A1
Application number: DE10203033A
Authority: DE
Inventors: Ralf Mueller; Markus Aberle; Werner Belschner
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2002-01-26
Publication date: 2003-07-31

Abstract

The arrangement has a first unidirectional DC-DC converter with its input connected to a fuel cell, programmable for voltage increasing or reducing and with outputs connected to increasing and reducing converters producing output voltages and, via an on/off switch, to a reducing converter supplying a microprocessor. An accumulator(s) is connected to the output of the first converter. The microprocessor drives the converter programming inputs. The arrangement has a first unidirectional DC-DC converter (7) with its input connected to a fuel cell (6) , programmable for voltage increasing or reducing and with outputs connected to voltage increasing and reducing unidirectional DC-DC converters (10,12) producing output voltages and, via an on/off switch (25), to a reducing unidirectional DC-DC converter (14) supplying a microprocessor (18). At least one accumulator (24) is connected to the output of the first unidirectional DC-DC converter. The microprocessor drives the unidirectional DC-DC converter programming inputs.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom-Gleichstrom- Wandleranordnung für die Erzeugung mehrerer Ausgangsgleichspannungen. The invention relates to a DC-DC Converter arrangement for the production of several DC output voltages.

Ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, im folgenden auch Gleichspannungswandler genannt, der eine Eingangsspannung in mehrere Ausgangsspannungen transformiert, ist bekannt (EP 0720 278 A1). Dieser Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler enthält einen Transformator mit drei Sekundärwicklungen. Zwei Ausgangsspannungen des Gleichspannungswandlers sind geregelt. Ein Schaltelement, mit dem die eine Ausgangsspannung geregelt wird, ist in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators angeordnet. Ein zweites Schaltelement, das parallel zur Primärwicklung geschaltet ist, dient zur Regelung der zweiten Ausgangsspannung. A DC-DC converter, below as well Called DC-DC converter, which has an input voltage in several output voltages transformed, is known (EP 0720 278 A1). This DC-DC converter includes a Transformer with three secondary windings. Two Output voltages of the DC-DC converter are regulated. A switching element that controls the one output voltage is in series with the primary winding of the transformer arranged. A second switching element parallel to the Primary winding is connected, is used to control the second Output voltage.

Bekannt ist auch ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit mehreren Ausgängen, der einen Transformator aufweist, der Bestandteil eines Schaltreglers ist. Eine Sekundärwicklung speist einen Gleichrichter, dessen Ausgangsspannung einerseits nach Glättung durch den Schaltregler geregelt wird und andererseits einem Serienfegler zugeführt wird, der eine zweite geregelte Gletchspannung ausgibt (Patent Abstracts of Japan No. 600 77 673 A). Also known is a DC-DC converter with multiple outputs, having a transformer, the Part of a switching regulator is. A secondary winding feeds a rectifier whose output voltage on the one hand is regulated after smoothing by the switching regulator and On the other hand, a Serienfegler is supplied to a outputs second regulated gletch voltage (Patent Abstracts of Japan No. 600 77 673 A).

Weiterhin ist ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit mehreren Ausgangsspannungen bekannt, der die Ausgangsspannungen mittels mehrerer Schaltregler erzeugt, die eigene Transformatoren aufweisen (Patent Abstracts of Japan, No. 571619 13 A). Furthermore, a DC-DC converter with several Output voltages known, the output voltages by means of several switching regulators generates their own transformers (Patent Abstracts of Japan, No. 571619 13 A).

Schließlich ist eine Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes bekannt, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist. Während des Startvorgangs der Brennstoffzelle liefert der Akkumulator die Energie, die über einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler in das Netz eingespeist wird (DE 198 10 468 A1). Finally, a circuit arrangement for electrical Power supply of a network known that a Fuel cell and an accumulator assembly has. During the Startup of the fuel cell, the accumulator delivers the Energy via a DC-DC converter in the Network is fed (DE 198 10 468 A1).

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Gleichstrom- Gleichstrom-Wandleranordnung für die Erzeugung mehrerer einstellbarer Ausgangsspannungen anzugeben, die an mehreren Ausgängen geregelte Ausgangsspannungen aus einer von einer Brennstoffzelle erzeugten Eingangsspannung abgeben kann, deren Nennwert innerhalb eines größeren Spannungsbereichs liegen kann, wobei an einen Ausgang, wenigstens ein Netz mit einem Akkumulator anschließbar ist, der an den Ausgängen der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandleranordnung die Ausgangsspannungen erzeugen kann, wenn die Energiequelle, insbesondere eine Brennstoffzelle, nicht die für den Betrieb der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandleranordnung erforderliche Größe der Eingangsspannung hat. The invention is based on the problem of a DC DC converter arrangement for generating a plurality adjustable output voltages to be connected to several Outputs regulated output voltages from one of a Fuel cell generated input voltage can give off their Nominal value are within a larger voltage range can, with an output, at least one network with a Accumulator is connected to the outputs of the DC-DC converter arrangement the Generate output voltages when the energy source, in particular a fuel cell, not for the operation the DC-DC converter arrangement required Size of the input voltage has.

Das Problem wird mit einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandleranordnung zur Erzeugung mehrerer Ausgangsgleichspannungen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein mit dem Eingang an eine Brennstoffzelle anschließbarer erster, unidirektionaler Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zur Erzeugung einer ersten, von der Eingangsspannung elektrisch isolierten Ausgangsspannung wahlweise für den Betrieb nach dem Spannungserhöhungs- und/oder Spannungserniedrigungsprinzip programmierbar ausgebildet ist, daß an die Ausgänge des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers ein zweiter, programmierbarer, nach dem Spannungserniedrigungsprinzip unidirektional arbeitender Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zur Erzeugung einer zweiten Ausgangsspannung und ein dritter, programmierbarer, nach dem Spannungserhöhungsprinzip und/oder Spannungserniedrigungsprinzip unidirektional arbeitender Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zur Erzeugung einer dritten Ausgangsspannung, sowie über einen Ein/Ausschalter ein vierter, programmierbarer, nach dem Spannungserniedrigungsprinzip unidirektional arbeitender Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zur Erzeugung der Betriebsspannung eines Mikroprozessors angeschlossen sind, dass wenigstens ein Akkumulator an die Ausgänge des ersten Gleichstrom- Gleichstrom-Wandlers anschließbar ist und daß der Mikroprozessor mit Ausgängen an die Eingänge des ersten, zweiten und dritten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers angeschlossen ist. Mit der erfindungsgemäßen Gleichstrom- Gleichstrom-Wandleranordnung kann aus einer Brennstoffzelle eine Spannung hergestellt werden, die an den Akkumulator und das Netz, in dem sich der Akkumulator befindet, angepaßt ist. Weiterhin können zwei Spannungen unterschiedlicher Höhe erzeugt werden, die unter anderem zum Betrieb von Sensoren und Aktuatoren und der Hilfsaggregate der Brennstoffzelle geeignet sind. Dies bedeutet, daß der Akkumulator in der Startphase der Brennstoffzelle die von den Sensoren, Aktuatoren und Hilfsaggregaten wie Kompressor, Pumpen usw. benötigte Energie liefert und während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle, in der diese die Verbraucher und ihre Hilfsaggregate speist, geladen werden kann. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist mittels des Mikroprozessors so einstellbar, daß verschiedene Eingangsnennspannungen zu gewünschten Ausgangsspannungen transformiert werden können. Die erfindungsgemäße Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler-Einheit kann daher für Brennstoffzellen mit verschiedenen Ausgangsnennspannungen und verschiedenen Betriebsspannungen von Hilfsaggregaten eingesetzt werden. Durch die Anpassung der Eingangsspannung des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers an die Nennspannung der jeweiligen Gleichspannungsquelle bzw. Brennstoffzelle und die Einstellung der Ausgangsspannungen des ersten, zweiten und dritten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers auf die Nennspannungen der an diese Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler angeschlossenen Gleichspannungsnetze bzw. -verbraucher ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten für den Einsatz des Gerätes, was zu höheren Stückzahlen und damit einer wirtschaftlichen Herstellung führt. The problem comes with a DC-DC converter arrangement for generating a plurality of output DC voltages solved according to the invention in that one with the input a fuel cell connectable first, unidirectional DC-DC converter for generating a first, electrically isolated from the input voltage Output voltage optionally for operation after the Voltage increase and / or voltage reduction principle is formed programmable that to the outputs of the first DC-DC converter a second, Programmable, according to the voltage lowering principle unidirectional DC / DC converter for Generation of a second output voltage and a third, Programmable, according to the voltage boosting principle and / or Lowering voltage principle unidirectional working DC-DC converter for generating a third Output voltage, as well as an on / off switch fourth, programmable, after the Lowering voltage principle unidirectional working DC-DC converter for generating the operating voltage a microprocessor are connected, that at least one Accumulator to the outputs of the first DC DC converter is connectable and that the Microprocessor with outputs to the inputs of the first, second and third DC-DC converters connected. With the direct current DC converter arrangement may consist of a fuel cell a voltage can be made to the accumulator and the network in which the accumulator is located, is adapted. Furthermore, two voltages of different height generated, inter alia, for the operation of sensors and Actuators and auxiliary equipment of the fuel cell suitable are. This means that the accumulator in the starting phase of Fuel cell used by the sensors, actuators and Auxiliary equipment such as compressor, pumps, etc. required energy supplies and during normal operation of the fuel cell, where it feeds consumers and their ancillary equipment, can be loaded. The DC-DC converter is by means of the microprocessor adjustable so that different Input rated voltages to desired output voltages can be transformed. The DC current of the invention DC converter unit can therefore be used for fuel cells with different nominal output voltages and different Operating voltages of auxiliary units are used. By adjusting the input voltage of the first DC-DC converter to the rated voltage of the respective DC voltage source or fuel cell and the Setting the output voltages of the first, second and third DC-DC converter on the Rated voltages to these DC-DC converters connected DC voltage networks or consumers result There are many possibilities for using the device to higher quantities and thus an economic Manufacturing leads.

Insbesondere sind zumindest der erste, zweite und dritte Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler als Schaltregler ausgebildet, die im Kilohertzbereich getaktet werden. Die Wandler können z. B. nach dem Durchfluß- oder Sperrwandlerprinzip arbeiten. Es ergeben sich bei dieser Bauweise geringe Abmessungen und geringe Verlustleistungen. In particular, at least the first, second and third DC-DC converter designed as a switching regulator, which are clocked in the kilohertz range. The converter can z. B. operate according to the flow or flyback converter principle. It arise in this design small dimensions and low power losses.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gleichstrom- Gleichstrom-Wandler und der Mikroprozessor als tragbares Einzelgeräte in einem Gehäuse angeordnet. Diese Einzelgeräte können als Wandlermodule bezeichnet werden. Das jeweilige Wandlermodul kann als stationäre oder als in einer mobilen Vorrichtung angeordnete Stromversorgungsanlage eingesetzt werden. In a preferred embodiment, the direct current DC converter and the microprocessor as a portable Single devices arranged in a housing. These single devices may be referred to as converter modules. The respective Converter module can be considered stationary or as in a mobile Device arranged power supply system used become.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die geregelte Ausgangsspannung des ersten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers auf Werte im Bereich von 10 bis 48 Volt, die geregelte Ausgangsspannung des zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers auf eine Nennspannung von 12 Volt, die geregelte Ausgangsspannung des dritten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers auf eine Nennspannung im Bereich von 18 bis 48 Volt und die geregelte Ausgangspannung des vierten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers auf eine Nennspannung von 12 Volt einstellbar, wobei der zweite, dritte und vierte Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler jeweils für eine Eingangsspannung im Bereich von 10 bis 48 Volt ausgelegt sind. Diese Ausführungsform eignet sich für den Einsatz in mobilen Vorrichtungen, z. B. Automobilen oder Booten, die bestimmte genormte Bordnetzspannungen, z. B. 14 V, 28 V oder 42 V haben. Beispielsweise können Personenkraftwagen 12 V und Lastkraftwagen 24 V Bordnetzspannungen haben. Das erfindungsgemäße Wandlermodul kann für die Stromversorgung der elektrischen Verbraucher solcher mobiler Vorrichtungen eingesetzt werden. In an expedient embodiment, the regulated output voltage of the first DC-DC converter is in the range of 10 to 48 volts, the regulated output voltage of the second DC-DC converter is rated to 12 volts, the regulated output voltage of the third DC to DC current Converter to a rated voltage in the range of 18 to 48 volts and the regulated output voltage of the fourth DC to DC converter adjustable to a nominal voltage of 12 volts, the second, third and fourth DC to DC converters each for an input voltage in the range of 10 to 48 volts are designed. This embodiment is suitable for use in mobile devices, eg. As automobiles or boats, certain standard on-board voltages, z. B. 14 V, 28 V or 42 V. For example, passenger cars 12 V and trucks 24 V vehicle electrical system voltages. The converter module according to the invention can be used for the power supply of the electrical consumers of such mobile devices.

Vorzugsweise ist der erste Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler für eine Eingangsspannung im Nennbereich zwischen 32 und 80 Volt ausgelegt. Die Wandlermodule können insbesondere in Verbindung mit Brennstoffzellen verwendet werden, die in mobilen Einrichtungen die Stromversorgung von zumindest einem Teil der elektrischen Verbraucher anstelle einer Lichtmaschine übernehmen sollen. Durch die zunehmende Anzahl von elektrischen Verbrauchern in Automobilen steigt der Bedarf an elektrischer Leistung. Die Erzeugung einer großen Leistung mittels der bekannten Lichtmaschine setzt nicht zuletzt wegen des relativ geringen Wirkungsgrads der Lichtmaschine eine solche Maschine mit größeren Abmessungen und größerem Gewicht voraus, was sich ungünstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Das erfindungsgemäße Modul kann in Verbindung mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem mit weniger Gewicht ausgebildet werden als eine Lichtmaschine von gleicher Leistung. Preferably, the first DC-DC converter for an input voltage in the rated range between 32 and 80 volts designed. The converter modules can in particular in connection be used with fuel cells in mobile The power supply of at least part of the take over electrical loads instead of an alternator should. Due to the increasing number of electrical Consumers in automobiles are increasing their demand for electric vehicles Power. The generation of a great power by means of known alternator sets not least because of the relative low efficiency of the alternator such a machine with larger dimensions and greater weight ahead of what's up unfavorable effect on fuel consumption. The Module according to the invention can be used in conjunction with a formed corresponding fuel cell system with less weight be considered an alternator of equal power.

Vorzugsweise hat die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler-Anordnung eine Ausgangsleistung von etwa 10 KW. Diese Leistung kann durch die Einstellung der Ausgangspannungen der verschiedenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler an den Bedarf des vom jeweiligen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler gespeisten Netzes angepaßt werden. Die Leistung reicht für die elektrischen Verbraucher der üblichen Personen- und Lastkraftwagen aus. Preferably, the DC-DC converter arrangement has an output power of about 10 KW. This power can by adjusting the output voltages of the various DC-DC converter to the needs of the adapted to each DC-DC converter fed network become. The power is sufficient for the electrical consumers the usual passenger and truck.

Bei einer günstigen Ausführungsform ist das tragbare Einzelgerät mit den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern luft- oder wassergekühlt. Durch die Kühlung können die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler so ausgelegt werden, daß sich eine höhere Leistungsdichte ergibt, was sich in einem geringeren Gewicht und/oder in einer kleineren Bauform auswirkt. In a favorable embodiment, this is portable Single unit with the DC-DC converters air or water-cooled. By cooling, the DC-DC converters are designed so that a higher Power density results, resulting in a lower weight and / or in a smaller design.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der erste, zweite und dritte Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mittels Steuerbefehlen aus dem Mikroprozessor ein- und ausschaltbar sind. Der Mikroprozessor weist insbesondere eine Schnittstelle für den Anschluß eines Busses, vorzugsweise des CAN-Busses, auf, so daß die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler von einer zentralen Steuerung über den Bus eingestellt und ein- und ausgeschaltet werden können. It is also useful if the first, second and third DC-DC converter by means of control commands from the Microprocessor can be switched on and off. The microprocessor In particular, has an interface for the connection of a Buses, preferably the CAN bus, on, so that the DC-DC converter from a central controller via the bus can be set and switched on and off.

Zweckmäßig ist es aber auch, wenn vor den Eingängen und hinter den Ausgängen des ersten, zweiten und dritten Gleichstrom- Gleichstrom-Wandlers Schaltgeräte zum Ein- und Ausschalten angeordnet sind. It is also useful, if in front of the entrances and behind the outputs of the first, second and third DC DC converter Switching devices for switching on and off are arranged.

Die Ein- und Ausgänge der vier Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler können für den Anschluß von Schraub- oder Steckverbindern ausgebildet sein. The inputs and outputs of the four DC-DC converters can be used for connection of screw or plug connectors be educated.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben. The invention will be described in the following with reference to a Drawing illustrated embodiment described in more detail, from which gives further features, details and advantages.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Gleichstrom-Gleichstrom- Wandler-Anordnung für die Erzeugung von vier Ausgangsgleichspannungen, Fig. 1 is a block diagram of a DC-DC converter arrangement for the generation of four DC output voltages,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines einzelnen Gleichstrom- Gleichstrom-Wandlers in der für die Erzeugung von vier Ausgangsgleichspannungen vorgesehenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler-Anordnung gemäß Fig. 1 Fig. 2 is a schematic diagram of a single DC-DC converter in the manner provided for generating four output DC voltages DC-DC converter assembly according to Fig. 1

Eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler-Anordnung 1, im folgenden auch Gleichspannungswandler-Anordnung oder DC/DC- Wandleranordnung genannt, hat drei Ausgänge 2, 3, 4 für verschiedene Gleichspannungen. Die DC/DC-Wandler-Anordnung 1 ist mit Eingängen 5 an eine Brennstoffzelle 6 anschließbar. Die Eingänge 5 sind mit einem ersten Gleichspannungswandler 7 bzw. DC/DC-Wandler verbunden, dessen nicht näher bezeichnete Ausgänge über einen Ein/Ausschalter 8 an die Ausgänge 2 angeschlossen sind. Die Ausgänge 2 bis 4 und der Eingang 5 sind in Fig. 1 nur einpolig dargestellt. Es handelt sich aber um zweipolige Anschlüsse, von denen einer positiv und der andere negativ ist. An die Ausgänge des ersten Gleichspannungswandlers 7 sind über einen Ein/Ausschalter 9 ein zweiter Gleichspannungswandler 10 bzw. DC/DC-Wandler und über einen weiteren Ein/Ausschalter 11 ein dritter Gleichspannungswandler 12 bzw. DC/DC-Wandler angeschlossen. Die Ausgänge des zweiten Gleichspannungswandlers 10 sind über einen Ein/Ausschalter 13 mit den Ausgängen 3 verbunden. Die Ausgänge des Gleichspannungswandlers 12 sind über einen Ein/Ausschalter 14 an die Ausgänge 4 angeschlossen. A DC-DC converter arrangement 1 , also referred to below as a DC-DC converter arrangement or DC / DC converter arrangement, has three outputs 2 , 3 , 4 for different DC voltages. The DC / DC converter arrangement 1 can be connected to inputs 5 to a fuel cell 6 . The inputs 5 are connected to a first DC-DC converter 7 or DC / DC converter whose unspecified outputs are connected via an on / off switch 8 to the outputs 2 . The outputs 2 to 4 and the input 5 are shown in Fig. 1 only one pole. But they are two-pole connections, one of which is positive and the other negative. To the outputs of the first DC-DC converter 7 , a second DC-DC converter 10 and DC / DC converters are connected via an on / off switch 9 and a third DC-DC converter 12 or DC / DC converter via a further on / off switch 11 . The outputs of the second DC-DC converter 10 are connected via an on / off switch 13 to the outputs 3 . The outputs of the DC-DC converter 12 are connected via an on / off switch 14 to the outputs 4 .

Die Gleichspannungswandler 7, 10, 12 und die Ein/Ausschalter 8, 9, 11, 13, 14 sind mit den dazugehörigen elektrischen Leitungen im gleichen Gehäuse angeordnet, das auch die Ausgänge 2, 3, 4 und die Eingänge 5 in Form von Steck- oder Schraubverbindungen hat. Das Gehäuse ist in Fig. 1 schematisch durch die strichpunktierte Linie 15 dargestellt. The DC-DC converter 7 , 10 , 12 and the on / off switch 8 , 9 , 11 , 13 , 14 are arranged with the associated electrical lines in the same housing, which also outputs 2 , 3 , 4 and the inputs 5 in the form of plug or has screw connections. The housing is shown schematically in Fig. 1 by the dotted line 15 .

Innerhalb des Gehäuses 15 ist ein vierter Gleichspannungswandler 16 angeordnet, dessen Eingänge mit Eingangsanschlüssen 17 am Gehäuse 15 verbunden sind. Die Ausgänge des Gleichspannungswandlers 16 bzw. DC/DC-Wandlers sind mit den Betriebsspannungsanschlüssen eines im Gehäuse 15 angeordneten Mikroprozessors 18 oder Mikrocontrollers und mit Ausgängen 19 am Gehäuse 15 verbunden. Within the housing 15 , a fourth DC-DC converter 16 is arranged, whose inputs are connected to input terminals 17 on the housing 15 . The outputs of the DC-DC converter 16 or DC / DC converter are connected to the operating voltage terminals of a microprocessor 18 or microcontroller arranged in the housing 15 and to the housing 15 with outputs 19 .

Die Gleichspannungswandler 7, 10, 12 sind als Schaltregler ausgebildet und, beispielsweise durch einen Mikroprozessor, steuerbar. Ein steuerbarer Gleichspannungswandler kann im folgenden auch als programmierbar bezeichnet werden. The DC-DC converter 7 , 10 , 12 are designed as a switching regulator and, for example by a microprocessor, controllable. A controllable DC-DC converter can also be referred to as programmable in the following.

Die Einstellung der Gleichspannungs- und/oder Gleichstromsollwerte erfolgt durch den Mikroprozessor 18, der über Leitungen 20, die in Fig. 1 gestrichelt dargestellt sind, mit den Eingängen für die Steuerung des jeweiligen Gleichspannungswandlers 7, 10, 12 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 16 kann ebenfalls als Schaltregler ausgebildet sein und ist auf einen festen Sollwert eingestellt, der der Nennbetriebsspannung des Mikrocontrollers bzw. des Mikrocontrollerboards entspricht. Insbesondere ist der Sollwert auf 12 V eingestellt. The DC and / or DC setpoint values are set by the microprocessor 18 , which is connected to the inputs for the control of the respective DC-DC converter 7 , 10 , 12 via lines 20 , which are shown by dashed lines in FIG . The DC-DC converter 16 may also be designed as a switching regulator and is set to a fixed setpoint, which corresponds to the nominal operating voltage of the microcontroller or the microcontroller board. In particular, the setpoint is set to 12V.

Weitere Eingänge 21 am Gehäuse 15 sind über Leitungen 22 mit nicht dargestellten Torschaltungen in den Gleichspannungswandlern 7, 10, 12 verbunden, durch die der Betrieb des jeweiligen Gleichspannungswandlers freigegeben wird. Other inputs 21 on the housing 15 are connected via lines 22 with gate circuits, not shown, in the DC-DC converters 7 , 10 , 12 , through which the operation of the respective DC-DC converter is released.

An die Ausgänge 2 ist ein Gleichspannungsnetz 23 anschließbar, das neben einer Reihe nicht dargestellter elektrischer Verbraucher einen Akkumulator 24 aufweist. Die Eingänge 17 können über einen Ein/Ausschalter 25 mit dem Gleichspannungsnetz 23 verbunden sein. To the outputs 2 , a DC voltage network 23 can be connected, which has a battery 24 in addition to a number not shown electrical loads. The inputs 17 may be connected via an on / off switch 25 to the DC power supply 23 .

Der Gleichspannungswandler 7 ist so bemessen, daß er bei einer Schwankungsbreite der Eingangsspannung von 32 bis 80 V eine geregelte Ausgangsgleichspannung erzeugt, die auf Soll-Werte zwischen 10 V und 48 V einstellbar ist. The DC-DC converter 7 is dimensioned so that it generates a regulated output DC voltage with a fluctuation width of the input voltage of 32 to 80 V, which is adjustable to nominal values between 10 V and 48 V.

Weiterhin ist der Gleichspannungswandler 7 für Ausgangsströme bis zu 300 A bei den jeweiligen Gleichspannungssollwerten im Bereich von 10 bis 48 V ausgelegt. Je nach der vorhandenen Höhe der Eingangsspannung und dem Sollwert der Ausgangsspannung arbeitet der Gleichspannungswandler 7 in Spannungserniedrigungs- oder Spannungserhöhungsbetrieb. Im folgenden wird der Spannungserniedrigungsbetrieb auch mit Buck-Betrieb und der Spannungserhöhungsbetrieb mit Boost- Betrieb bezeichnet. Furthermore, the DC-DC converter 7 is designed for output currents up to 300 A at the respective DC voltage setpoints in the range of 10 to 48 V. Depending on the existing level of the input voltage and the setpoint value of the output voltage, the DC-DC converter 7 operates in voltage lowering or step-up operation. In the following, the voltage lowering operation is also referred to as buck operation and the boosting operation in boost operation.

Der Gleichspannungswandler 10 ist für die Ausregelung einer Eingangsspannung mit der Schwankungsbreite von 10 bis 48 V auf einen Sollwert von 14 V und für die Ausgabe eines maximalen Stroms von 200 A ausgelegt. Daher braucht der Gleichspannungswandler 10 nur für den Buck-Betrieb ausgebildet zu sein. The DC-DC converter 10 is designed for the regulation of an input voltage with the fluctuation range of 10 to 48 V to a target value of 14 V and for the output of a maximum current of 200 A. Therefore, the DC-DC converter 10 needs to be formed only for the buck operation.

Der Gleichspannungswandler 12 ist für die Ausregelung der gleichen Eingangsspannung wie der Gleichspannungswandler 10 auf Sollwerte im Bereich von 18 bis 48 V bei Ausgabe eines maximalen Stroms von 100 A ausgebildet. Der Gleichspannungswandler 12 arbeitet nach dem Boost-Prinzip und/oder dem Buck- Prinzip. The DC-DC converter 12 is designed for the regulation of the same input voltage as the DC-DC converter 10 to set values in the range of 18 to 48 V at the output of a maximum current of 100 A. The DC-DC converter 12 operates on the boost principle and / or the Buck principle.

Der Gleichspannungswandler 16 regelt die Eingangsspannung mit dem Schwankungsbereich von 10 bis 48 V auf die oben erwähnten 12 V. Der Akkumulator 24 hat üblicherweise Nennspannungen von 12, 24 oder 36 V. The DC-DC converter 16 regulates the input voltage with the fluctuation range of 10 to 48 V to the above-mentioned 12 V. The accumulator 24 usually has nominal voltages of 12, 24 or 36 V.

Der Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 kann vom Eingang galvanisch getrennt sein. Das Brennstoffzellennetz kann somit ungeerdet sein. Bedarfsweise sind auch die Ausgänge der Gleichspannungswandler 10, 12 galvanisch getrennt von ihren Eingängen. The output of the DC-DC converter 7 may be galvanically isolated from the input. The fuel cell network may thus be ungrounded. If necessary, the outputs of the DC-DC converter 10 , 12 are electrically isolated from their inputs.

Die Gleichspannungswandler 7, 10, 12 sind als getaktete Schaltnetzregler ausgebildet. Die elektronischen Schalter werden pulsbreitengeregelt angesteuert. Ein Prinzipschaltbild des Aufbaus der Gleichspannungswandler 7, 10 und 12 zeigt Fig. 2. Die Eingangsgleichspannung wird Leistungsstufen 26 zugeführt, an die ein Transformator 27 angeschlossen ist, dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter 28 verbunden ist, der eine Schaltung 29 nachgeschaltet ist. The DC-DC converters 7 , 10 , 12 are designed as clocked switching network regulator. The electronic switches are controlled by pulse width control. FIG. 2 shows a basic circuit diagram of the structure of the DC-DC converters 7 , 10 and 12. The DC input voltage is supplied to power stages 26 , to which a transformer 27 is connected whose secondary winding is connected to a rectifier 28 , to which a circuit 29 is connected downstream.

Die Ausgangsgleichspannung und der Ausgangstrom werden gemessen und in einer Schaltung 30 in eine für die Übertragung über einen Transformator 31 geeignete Form gebracht. Eine Steuer- und Regelschaltung 32 steuert die Leistungsstufen und überwacht die Ausgangsströme auf einen Grenzwert, bei dessen Erreichen der Gleichspannungswandler gesperrt wird. The DC output voltage and the output current are measured and brought in a circuit 30 in a suitable form for transmission via a transformer 31 . A control circuit 32 controls the power stages and monitors the output currents to a limit, at which point the DC-DC converter is disabled.

Durch die Verwendung hoher Taktfrequenz, z. B. von 70 kHz, ergeben sich geringe Abmessungen der Gleichspannungswandler 7, 10 und 12, so daß das Gerät als kompaktes Einzelgeräte tragbar ausgebildet ist. Eine weitere Volumenreduzierung wird durch Kühlung der Gleichspannungswandler 7, 10, 12 und 16 erreicht. Für stationären Einsatz ist vorzugsweise eine Luftkühlung vorgesehen, es kann aber auch eine Wasserkühlung eingesetzt werden. Wird das Gerät in einer mobilen Vorrichtung eingesetzt, dann ist bevorzugterweise eine Ausführungsform mit Wasserkühlung vorgesehen. Es kann aber auch eine Luftkühlung vorgesehen sein. Die Ausführungsform für Wasserkühlung weist Kühlleitungen auf, die über entsprechende Anschlüsse in den Kühlkreislauf anderer Verbraucher einbezogen werden. By the use of high clock frequency, z. B. of 70 kHz, resulting in small dimensions of the DC-DC converter 7 , 10 and 12 , so that the device is designed to be portable as a compact individual devices. A further volume reduction is achieved by cooling the DC-DC converter 7 , 10 , 12 and 16 . For stationary use, an air cooling is preferably provided, but it can also be used a water cooling. If the device is used in a mobile device, then an embodiment with water cooling is preferably provided. But it can also be provided an air cooling. The embodiment for water cooling has cooling lines, which are included via appropriate connections in the cooling circuit of other consumers.

Der Mikroprozessor hat eine Schnittstelle 33 für den Anschluß an einen Bus, insbesondere für den CAN-Bus. Wenn der oben beschriebene Gleichspannungswandler 7 für die Erzeugung einer Gleichspannung von 12 V an den Ausgängen 2 eingestellt ist, der Wandler 10 12 V an den Ausgängen 3 abgibt und der Wandler 12 auf die Ausgabe von 42 V an den Ausgängen 4 eingestellt ist, eignet sich die DC/DC-Wandleranordnung 1 besonders als Bordstromversorgung in mobilen Einrichtungen, in denen eine Brennstoffzelle Energiequelle ist. Über die Ausgänge 2 ist die DC/DC-Wandleranordnung 1 mit dem Bordnetz, z. B. von Personenkraftwagen, verbunden. An die Ausgänge 3 können Controller, Sensoren und Aktuatoren, die insbesondere in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, angeschlossen werden. Mit den Ausgängen 4 sind die Hilfsaggregate der Brennstoffzelle, die eine größere Leistung haben, angeschlossen. Eine Brennstoffzelle als Energiequelle ist besonders für Bordnetze mit zahlreichen Verbrauchern geeignet, deren gesamte Leistung nur von einer voluminösen und schweren Lichtmaschine aufgebracht werden kann. The microprocessor has an interface 33 for connection to a bus, in particular for the CAN bus. When the above-described DC-DC converter 7 is set to generate a DC voltage of 12 V at the outputs 2 , the converter 10 outputs 12 V at the outputs 3 , and the converter 12 is set to output 42 V at the outputs 4 the DC / DC converter arrangement 1 especially as an on-board power supply in mobile devices in which a fuel cell is an energy source. About the outputs 2 , the DC / DC converter arrangement 1 with the electrical system, for. B. of passenger cars connected. At the outputs 3 , controllers, sensors and actuators, which are provided in particular in a fuel cell system, are connected. With the outputs 4 , the auxiliary units of the fuel cell, which have a greater power connected. A fuel cell as an energy source is particularly suitable for electrical systems with numerous consumers whose entire performance can only be applied by a bulky and heavy alternator.

An den Ausgängen 19 stehen 12 V für die Starterphase der mobilen Einrichtung zur Verfügung. Bei Lastkraftwagen mit 24 V Bordnetzspannung ist die DC/DC-Wandleranordnung 1 ebenfalls für die Versorgung der Verbraucher, der Aktuatoren und Sensoren mit 12 V Betriebspannung an den Ausgängen 3 und der Brennstoffzellenhilfsaggregate an den Ausgängen 4 mit 42 V Betriebsspannung gut geeignet. At the outputs 19 12 V are available for the starter phase of the mobile device. In trucks with 24 V vehicle electrical system voltage, the DC / DC converter arrangement 1 is also well suited for the supply of consumers, actuators and sensors with 12 V operating voltage at the outputs 3 and the fuel cell auxiliary units at the outputs 4 with 42 V operating voltage.

Für den Fall, dass in der mobilen Einrichtung eine 42 V Bordnetzspannung vorhanden ist, kann die DC/DC- Wandleranordnung 1 auch in einer solchen Einrichtung bei entsprechender Programmierung der Spannungen an den Ausgängen in Verbindung mit einer Brennstoffzelle eingesetzt werden. Die DC/DC-Wandleranordnung hat insbesondere eine Nennleistung von ca. 10 kW, die für die Bordnetzversorgung von Fahrzeugen ausreichend ist. Sollte eine noch größere Leistung benötigt werden, können zwei oder mehr DC/DC-Wandleranordnungen parallel geschaltet werden. In the event that a 42 V vehicle electrical system voltage is present in the mobile device, the DC / DC converter arrangement 1 can also be used in such a device with appropriate programming of the voltages at the outputs in connection with a fuel cell. In particular, the DC / DC converter arrangement has a nominal power of about 10 kW, which is sufficient for the on-board power supply of vehicles. Should even greater power be required, two or more DC / DC converter arrangements can be connected in parallel.

Claims

1. DC-DC converter arrangement for generating a plurality of output voltages, characterized in that one with the input ( 5 ) to a fuel cell ( 6 ) connectable first, unidirectional DC-DC converter ( 7 ) for generating a first, from the output voltage separate output voltage is designed to be programmable either for operation according to the voltage increase principle and / or the voltage lowering principle that the outputs of the first DC-DC converter ( 7 ) a second, programmable, according to the voltage lowering principle unidirectionally operating, DC-DC Converter ( 10 ) for generating a second output voltage and a third, according to the voltage increase principle and / or the voltage lowering principle unidirectional, working, programmable DC-DC converter ( 12 ) for generating a third output voltage and via an on / off switch ( 25 ) a fourth, according to the voltage lowering principle unidirectionally operating, programmable DC-DC converter ( 16 ) for generating the operating voltage for a microprocessor ( 18 ) are connected, that at least one accumulator ( 24 ) to the outputs of the first DC-DC converter ( 7 ) is connectable, and that the microprocessor with outputs to the inputs for programming the first, second and third DC-DC converter ( 7 , 10 , 12 ) is connected.

2. DC-DC converter arrangement according to claim 1, characterized in that at least the first, second and third DC-DC converters ( 7 , 10 , 12 ) are designed as switching regulator, which are clocked in the kilohertz range.

3. DC-DC converter arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the DC-DC converters ( 7 , 10 , 12 , 16 ) and the microprocessor are arranged with their cable connections in a housing which is a portable single device is.

4. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the regulated output voltage of the first DC-DC converter ( 7 ) in the range of 10 to 48 V, the regulated output voltage of the second DC-DC Converter ( 10 ) to a nominal voltage of 14 V, the regulated output voltage of the third DC-DC converter to a rated voltage in the range of 18 V to 48 V and the regulated output voltage of the fourth DC-DC converter to a nominal voltage of 14 V adjustable and that the second, third and fourth DC-DC converters ( 10 , 12 , 16 ) are designed for an input voltage in the range of 10 to 48V.

5. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first DC-DC converter ( 7 ) is designed for an input voltage in the nominal range of 32 to 80 V.

6. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized characterized in that the output power is about 10 KW.

7. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized by training as a compact, portable unit.

8. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first, second and third DC-DC converters ( 7 , 10 , 12 ) by control commands from the microprocessor ( 18 ) switched on and off are.

9. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that in front of the inputs and behind the outputs of the first, second and third DC-DC converter ( 7 , 10 , 12 ) each switching devices ( 9 , 11 ; 8 , 13 , 14 ) can be provided for switching on and off.

10. DC-DC converter arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the microprocessor ( 18 ) is connected to a bus, in particular a data bus, in a mobile device.