CN101685699B - 使用混合电感器芯材的燃料电池应用的dc-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用混合电感器芯材的燃料电池应用的DC-DC变换器。一种电感器，包括端部芯段和在所述端部芯段之间的多个中间体芯段，所述端部芯段和所述多个中间体芯段限定多个间隙。所述端部芯段由无定形合金制成以提供良好的磁性属性，且中间芯段是形成叠层结构的压制磁片以便于制造。在一个非限制性实施例中，所述端部芯段是无定形铁合金，所述中间芯段是压制硅铁。
Description
技术领域
本发明总体上涉及包括提供多个间隙的多个中间芯段的电感器，且更具体地涉及包括提供多个间隙的端部芯段和多个中间芯段的电感器，其中，端部芯段由无定形合金制成以提供良好的磁性属性，且中间芯段是压制板叠层结构以便于制造。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。
大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，混合动力车辆除了燃料电池堆之外还采用补充功率源或可再次充电电能存储装置(RESS)，如高压DC蓄电池、超电容器或超级电容器。在系统启动和燃料电池堆不能提供期望功率时的高功率需求期间，所述RESS给各种车辆辅助负载提供补充功率。燃料电池堆通过DC高压总线提供功率给电牵引马达，以用于车辆操作。在需要超过燃料电池堆能够提供的附加功率时(例如在猛烈加速期间)，RESS提供补充功率给电压总线。例如，燃料电池堆可以提供70kW功率。然而，车辆加速可能需要100kW功率。在燃料电池堆能够提供系统功率需求时，燃料电池堆用于给RESS再次充电。在再生制动期间可从牵引马达获得的发电机功率也用于给RESS再次充电。
在上述混合动力车辆中，增压DC/DC变换器通常被采用，以使得较低电压的燃料电池堆与较高电压的RESS相匹配。DC/DC变换器通常采用多相电感器阵列，从而提供增加DC电压的任务。电感器阵列中的典型电感器包括磁芯，例如铁芯，其中在芯段之间提供间隙。绝缘的金属绕组围绕芯缠绕成线圈，且传送经过绕组的电流在芯和间隙中产生磁通量。提供合适的切换装置以切换施加到绕组的电压，使得磁通量变化增加变换器输出端处的电压电势。
工业中试图减小车辆燃料电池系统中的DC/DC变换器的尺寸、重量和成本，并增加其可靠性和效率。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种电感器，所述电感器包括端部芯段和在所述端部芯段之间的多个中间体芯段，所述端部芯段和所述多个中间体芯段限定多个间隙。所述端部芯段例如由无定形合金制成以提供良好的磁性属性，且中间芯段例如是形成叠层结构的压制电钢片以便于制造。在一个非限制性实施例中，所述端部芯段是无定形铁合金，所述中间芯段是压制硅铁。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意性框图，所述燃料电池系统包括具有电感器阵列的DC/DC变换器；
图2是电感器芯的截面图，所述电感器芯包括在它们之间限定间隙的U形电感器段；
图3是电感器芯的截面图，所述电感器芯包括限定多个间隙的中间电感器段；
图4是包括三个隔开的电感器的电感器阵列的截面图；
图5是根据本发明的一个实施例的电感器阵列的截面图，所述电感器阵列包括共用公共芯段和磁通路径的三个电感器；和
图6是根据本发明的另一个实施例的电感器阵列的截面图，所述电感器阵列包括具有公共芯段和磁通路径且包括限定多个芯间隙的多个中间芯段的三个电感器。
具体实施方式
本发明的实施例的以下讨论涉及包括由无定形合金制成的端部芯段和由压制金属片制成的提供多个间隙的中间芯段的电感器，本质上仅仅是示例性的，而决不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，本发明的电感器对于燃料电池系统中的DC/DC增压变换器的电感器阵列的电感器具有特定应用。然而，如本领域技术人员将理解的那样，本发明的电感器可以应用于其它系统。
图1是燃料电池系统10的示意性框图，燃料电池系统10包括系统燃料电池堆12和可再次充电电能系统(RESS)14，两者均电连接到高压总线16a和16b。为了本文所述的目的，RESS 14能够是任何合适的DC功率源，例如蓄电池或超级电容器(也称为超电容器)等。各个电气部件也电连接到高压总线16a和16b，例如推进车辆的电牵引马达22、以及其它车辆和系统负载24(如阴极侧空气压缩机)。
提供简化的DC/DC变换器26，以将燃料电池堆电压增压至总线16a和16b的较高电压。DC/DC变换器26包括电感器阵列28和受控开关网络30，其中开关网络30将电感器阵列28中的电感器38从高压地线切换到高压输出端，以使得燃料电池堆的电压以本领域技术人员熟知的方式增压。该变换方法通常称为增压变换。增压变换器能够使用单个电感器构成或者通过使用处于并联增压级的多个时间移位的切换电感器构成以使得切换脉动效果平滑。为此，DC/DC变换器26提供三相增压变换器设计。
图2是用于上述类型的DC/DC变换器的电感器的芯40的截面图。芯40包括彼此隔开的第一U形芯段42和第二U形芯段44，以在它们之间限定间隙46。下文讨论的电感器线圈围绕U形芯段42和44的腿部缠绕，且当电流流经线圈时，在芯40和间隙46中产生磁通量，以提供电压变换的能量。这种电感器的常规芯段是磁性材料(例如铁)的压制片，叠层在一起以提供期望的芯厚度。
由于间隙46限定将存储在电感器中的磁能的量，因而通常期望使得间隙46较宽。然而，当间隙46的宽度增加时，在U形芯段42和44的拐角处的边缘通量增加，其中，磁场线远离芯40延伸。边缘通量在芯材和绕组中产生涡电流损失且增加系统的效率损失。
为了克服边缘通量的缺陷且仍提供高功率应用的显著间隙空间，本领域中已知在电感器芯中提供多于一个的间隙。图3是包括U形端部段52和54和置于它们之间的四个中间体段56、58、60和62的电感器芯50的截面图。U形段52和54和中间段56、58、60和62隔开以在芯50的中间限定三个窄的间隙64、66和68，如图所示。因而，能够增加总体间隙尺寸以提供磁性存储能量的增加，而没有由于宽的间隙引起的有害边缘通量。
这种电感器的常规芯通常是提供良好磁场属性的铁或其它铁磁材料制成的叠层件。为了减少芯材中的损失，本领域已知使用具有优于普通铁的磁性属性的无定形合金材料。然而，对于使用标准低成本制造和分段切削过程的燃料电池系统增压变换器应用而言，由于材料脆性，无定形合金不能被经济地制成段56、58、60和62需要的小尺寸。
本领域中已知用于电感器中的磁芯的各种无定形合金。这些无定形合金包括由铁、镍、钴等制成的合金。芯材需要以高度受控的方式制造，以产生无定形结构，即非晶态，从而提供期望磁性属性。在一种已知技术中，熔融合金通过喷嘴铸造到旋转的冷却铜轮上，这使得合金的薄层立即固化并以薄的环形带的形式从该轮剥离。固化过程过快使得合金不能形成晶体。这些带具有良好的磁性属性，但是由于它们薄且由于无定形结构具有低的导电性，材料中的涡电流损失非常小。因而，这些材料能够用于高功率密度、高频率应用中，其中，普通铁芯叠层将由于损失而过热。带在心轴上缠绕，粘合剂迹线位于带之间以获得牢固的O形芯。O形芯通常在中间切削，以获得本文讨论的两个U形端部段。
本发明提出了一种用于芯50的混合芯，其包括用于U形段52和54的无定形合金和用于中间段56、58、60和62的常规压制金属片芯。因而，中间段56、58、60和62是通过适合于部段56、58、60和62的尺寸的已知制造过程叠层在一起的压制件，且与完成磁通路径的无定形合金段52和54结合。本领域中已知适合于电感器的芯材和适合于一起形成叠层的片材的已知压制过程的各种材料。例如，能够使用硅铁材料，其中，铁提供期望的磁性属性且硅通常通过减少涡电流损失来改进性能。
芯50的损失由材料的大部分(仍是无定形金属)来确定，而形成较小间隙的段具有相对高的比损失，但是体积非常小，因而它们不会对总体损失有显著的影响。无定形铁和普通压制片铁的磁性属性(尤其是饱和通量密度)足够接近，使得芯性能不受材料中的任一种的影响。将无定形金属的益处与普通压制片芯的益处结合允许用较低的成本、尺寸、重量和磁性损失构造较小的功率变换电感器。
图4是适合于用作本领域已知的类型的系统10中的电感器阵列28的电感器阵列70的截面图。电感器阵列70包括壳体结构72，壳体结构72包括用于在合适位置安装阵列70的安装孔74。电感器阵列70具有三个接近而隔开的电感器76，每个包括具有U形端部段78和80的磁芯40，U形端部段78和80之间限定间隙82。每个电感器76包括两个绕组84和86，如图所示，绕组84和86围绕端部段78和80的腿部缠绕且穿过端部段78和80之间的中心开口88。线圈84和86将串联或者并联地电连接在一起。阵列70中有三个电感器76，以提供电压变换的平滑过渡。具体地，电感器76使用开关网络30以限定的相位关系切换进入和离开回路，使得电压变换对于线圈84和86的切换而言是平滑过渡。
图5是根据本发明的一个实施例的电感器阵列100的截面图，电感器阵列100包括壳体结构102和安装孔104。电感器阵列100包括三个电感器106、108和110。虽然对于该设计在电感器阵列100中设置三个电感器，但是这仅仅是例如复杂性和较高电感器相数平滑益处的折衷。本发明的该部分能够提供用于包括两个或更多电感器的电感器阵列。电感器106包括线圈112和114，电感器108包括线圈116和118，电感器110包括线圈120和122。根据本发明，相邻电感器106、108或110包括共用的芯段。具体地，电感器106和108共用芯段124，电感器108和110共用芯段126。电感器106包括与芯段124相对的U形端部芯段128，电感器110包括与芯段126相对的U形端部段130。在芯段124和128之间设置用于电感器106的间隙132，在芯段124和126之间设置用于电感器108的间隙134，在芯段126和130之间设置用于电感器110的间隙136。
可以看出，来自于电感器106和108的磁通线90在芯段124中以相反的方向延伸，电感器108和110的磁通线90在芯段126中以相反的方向延伸。因而，当磁通线90的强度响应于电感器之间的切换相位关系而增加和减小时，在公共通量部段中以相反方向传送的磁通线90至少部分抵消。
由于电感器106和108共用芯段且电感器108和110共用芯段，对于相同尺寸的电感器阵列而言，用于阵列100的芯材的量相对于用于阵列70的芯材的量减小。因而，电感器阵列100的尺寸和重量能够相对于电感器阵列70减小。例如，对于一个具体的增压变换器应用，阵列100的长度可以是约215mm，相对于阵列70的长度改进30％。此外，通过如本文所述将芯段结合，电感器阵列100的电损失能够从电感器阵列70的电损失减小。
芯段124和126在电感器的间隙之间中途的中心处具有凹部138，例如由两个背对背的U形构件形成。由于通量至少部分地抵消，公共芯段甚至能够制成使得它们在截面上比独立芯段所需要的更小。在一个替代实施例中，这些凹部能够显著地更小，以进一步减小芯段124和126的尺寸，从而减小阵列100的成本和重量。
图6是根据本发明的另一个实施例的电感器阵列140的截面图，电感器阵列140包括图3所示的芯50的设计和图5所示的电感器阵列100中的芯设计的益处。具体地，电感器阵列140包括三个电感器142、144和146。电感器142和144共用类似于芯段124的芯段148，电感器144和146共用类似于芯段126的芯段150。电感器142包括端部芯段162，电感器146包括端部芯段164。此外，电感器142包括限定三个间隙154的中间芯段152，电感器144包括限定三个间隙158的中间芯段156，电感器146包括限定三个间隙162的中间芯段160。如上所述，芯段148和150能够是无定形合金，中间芯段152、156和160能够是形成叠层并允许便于制造的压制金属芯段。
前述讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种讨论和附图以及权利要求书将容易认识到在此可以进行各种变化、修改和变型，而不偏离在所附权利要求书中限定的本发明的精神和范围。
Claims (12)
1.一种电感器阵列，包括多个电感器，每个电感器包括多个芯段，所述芯段包括彼此隔开的第一和第二端部芯段以及设置在所述第一和第二端部芯段之间的多个中间体芯段，所述多个中间体芯段在相应电感器的中心处提供多个间隙，其中，相邻电感器共用单个公共端部芯段和公共磁通路径，所述第一和第二端部芯段由无定形合金制成，且所述多个中间体芯段和公共端部芯段是形成叠层结构的压制金属片。
2.根据权利要求1所述的电感器阵列，其中，所述无定形合金是铁合金。
3.根据权利要求1所述的电感器阵列，其中，所述压制金属片中间芯段和公共端部芯段是压制硅铁芯段。
4.根据权利要求1所述的电感器阵列，其中，所述第一和第二端部芯段是限定中心开口的U形端部芯段，线圈缠绕穿过所述中心开口。
5.根据权利要求1所述的电感器阵列，其中，所述电感器阵列包括三个电感器。
6.根据权利要求1所述的电感器阵列，其中，所述电感器阵列是DC/DC增压变换器的一部分。
7.根据权利要求6所述的电感器阵列，其中，所述DC/DC增压变换器是燃料电池系统的一部分且电连接到燃料电池堆。
8.根据权利要求1所述的电感器阵列，其中，所述共用芯段设置成具有中间凹部的背对背的U形芯段。
9.一种用于DC/DC增压变换器的电感器阵列，所述电感器阵列包括三个电感器，其中，所述电感器中的每个包括多个芯段，所述多个芯段包括彼此隔开的相对的端部芯段，其中，相邻电感器共用单个公共芯段和公共磁通路径，所述共用芯段设置成具有中间凹部的背对背的U形芯段，所述多个芯段还包括在每个电感器的中心处限定多个间隙的多个中间体芯段，其中，所述端部芯段由无定形合金制成，且所述中间体芯段和公共芯段是压制金属片。
10.根据权利要求9所述的电感器阵列，其中，所述无定形合金是铁合金。
11.根据权利要求9所述的电感器阵列，其中，所述压制金属片中间芯段和公共芯段是压制硅铁芯段。
12.根据权利要求9所述的电感器阵列，其中，所述DC/DC增压变换器是燃料电池系统的一部分且电连接到燃料电池堆。
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