CN101855764B - 用于机动车辆的燃料电池驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车辆、尤其是商用车辆的燃料电池驱动系统，所述燃料电池驱动系统具有作为能量源的燃料电池设备(1)和用于可根据负载进行调节地冷却所述燃料电池设备(1)的燃料电池冷却设备(2)。所述燃料电池设备(1)包括至少两个可被相互独立地驱控的、分别具有多个串联的燃料电池的燃料电池单元(3.1，3.2)。所述燃料电池冷却设备(2)为所述燃料电池单元(3.1，3.2)中的每一个包括一各自的燃料电池冷却单元(4.1，4.2)，借助于所述燃料电池冷却单元(4.1，4.2)可根据至少一个控制参数冷却相应的燃料电池单元(3.1，3.2)的燃料电池。

Description

用于机动车辆的燃料电池驱动系统
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆、尤其是商用车辆的燃料电池驱动系统。
背景技术
DE 10 2004 037 901 A1中提出一种燃料电池设备，所述燃料电池设备具有用于产生电流和/或热(量)的燃料电池单元以及用于冷却燃料电池单元的冷却装置。在此，冷却装置至少具有一用于产生第一冷却流体、尤其是冷却水的流动的第一流动发生器以及一用于产生第二冷却流体、尤其是冷却空气的流动的第二流动发生器。冷却装置旨在对燃料电池单元进行有效的温度控制。为此设有将第一流动发生器的第一运行参数或第一运行参数的变化与第二流动发生器的第二运行参数或第二运行参数的变化进行比较的控制单元。在此，流动发生器的运行参数优选是功率或者转速和/或冷却流体流量。借助于对两个流动发生器的运行参数或运行参数的变化的比较来选择流动发生器，该流动发生器与其他流动发生器相比更高效地根据运行状况或运行状况的变化而工作或者更高效地散出来自燃料电池单元的冷却回路的废热。由此目的是，最高效的流动发生器借助于控制单元控制燃料电池单元的温度。在此，控制单元被构造用于优选根据燃料电池单元的至少一个参数或者参数的变化来检验两个流动发生器的第一和/或第二参数。燃料电池单元的参数或参数变化例如是负载或电功率输出和/或散热(量)。
发明内容
本发明的目的在于，给出一种用于机动车辆、尤其是商用车辆的燃料电池驱动系统，所述机动车辆的燃料电池可根据负载来冷却，从而可在尽可能恒定的、可预先给定的温度水平上运行这些燃料电池。
根据本发明，所述目的通过具有权利要求1的特征的布置结构来实现。
本发明的有利设计方案是从属权利要求的主题。
本发明提供了一种用于机动车辆、尤其是商用车辆的燃料电池驱动系统，所述燃料电池驱动系统具有作为能量源的燃料电池设备和用于可根据负载进行调节地冷却所述燃料电池设备的燃料电池冷却设备。在此，燃料电池设备包括至少两个可被相互独立地驱控的、分别具有多个串联的燃料电池的燃料电池单元，燃料电池冷却设备为燃料电池单元中的每一个具有一各自的燃料电池冷却单元，借助于所述燃料电池冷却单元可根据至少一个控制参数来冷却相应的燃料电池单元的燃料电池。合适的控制参数尤其是相应的燃料电池冷却单元和/或燃料电池单元的至少一个温度。
尤其是对于商用车辆、例如公共汽车的驱动而言，应用根据本发明的燃料电池驱动系统是有利的。通过应用分别具有自己的可调节的燃料电池冷却单元的至少两个可被相互独立地驱控的燃料电池单元，燃料电池设备的驱动功率和冷却可以灵活地并且成本有利地匹配于机动车辆和瞬时的行驶状况。例如，商用车辆在从静止状态开始的加速阶段期间以及在爬坡期间需要很高的驱动功率，该驱动功率仅借助当前可用的燃料电池单元不能获得或不能成本经济地获得。相反，在正常运行中在以很大程度上恒定的、相对较低的速度行驶时需要低得多的驱动功率。
根据本发明的燃料电池驱动系统具有至少两个可被独立驱控的燃料电池单元，所述燃料电池单元分别具有各自的燃料电池冷却单元，所述燃料电池驱动系统能够分别在匹配的冷却功率下既满足高的功率需求也满足低的功率需求。这尤其是允许：以匹配于瞬时功率需求的数量的燃料电池单元来运行机动车辆。由此也提高了车辆驱动系统的故障安全性，因为在燃料电池单元中的一个发生故障时能够以剩余的燃料电池单元驱动机动车辆。
此外，通过冷却方案的可变性可以节省风机电功率，这提高了系统效率。
此外，由于价格降低的零件数量效果，应用至少两个燃料电池单元在制造成本方面也是有利的。
具体地，燃料电池冷却单元优选分别包括各自的冷却剂回路，所述冷却剂回路具有至少一个循环泵、至少一个热交换器和至少一个用于每个热交换器的风机。在此，可根据至少一个控制参数控制所述至少一个循环泵的泵功率和/或每个风机的转速。
由此可相互独立地控制用于各燃料电池单元的各燃料电池冷却单元，从而可相互独立地并且根据负载地冷却相应配设的燃料电池单元。
此外，本发明还规定：可借助与燃料电池冷却设备无关的低温冷却设备来冷却除燃料电池外的所有运行燃料电池设备所需的、待冷却的部件，例如变换器、空气压缩机和电控单元。由此，一方面减轻燃料电池冷却设备的负担，另一方面可以优化总体冷却设备的功率和成本，因为低温冷却设备匹配于有待由所述低温冷却设备进行冷却的部件的、比燃料电池冷却设备低的冷却功率需求。
根据本发明的燃料电池驱动系统的一种有利方案规定：燃料电池冷却设备的废热可被提供给机动车辆的加热回路。由此可利用所述废热并提高燃料电池驱动系统的总效率和机动车辆的加热回路的总效率。
根据本发明的燃料电池驱动系统的另一有利方案规定：也可借助于燃料电池冷却设备或低温冷却设备来冷却用于机动车辆的制动的多个制动电阻，例如设置用于消耗由机动车辆的持续制动和/或再生制动提供的能量的多个制动电阻。这提高了由车辆驱动系统和制动系统组成的系统的效率，因为燃料电池冷却设备或低温冷却设备在制动过程期间、进而在燃料电池驱动系统不被需要时可被用于冷却制动电阻。
附图说明
以下根据实施例参考附图描述本发明的其他优点、特征和细节。附图是示意图并且示出：
图1：具有两个燃料电池单元的用于公共汽车的燃料电池设备，和具有两个燃料电池冷却单元的燃料电池冷却设备，所述燃料电池冷却单元与公共汽车的加热回路和制动电阻相联接，
图2：燃料电池单元和分别具有四个可独立接入的热交换器和风机的燃料电池冷却单元，以及
图3：燃料电池单元和燃料电池冷却单元，该燃料电池冷却单元具有一个热交换器和四个可独立接入的风机。
在所有附图中，相应的部件用相同的附图标记来表示。
具体实施方式
图1示出根据本发明的、用于公共汽车的燃料电池驱动系统的第一实施例，所述燃料电池驱动系统具有燃料电池设备1和燃料电池冷却设备2，其中，燃料电池冷却设备2与加热回路10以及公共汽车的制动电阻16.1、16.2相联接。
在此实施例中，燃料电池设备1包括两个可相互独立地驱控的燃料电池单元3.1和3.2，所述燃料电池单元3.1和3.2分别具有多个串联成所谓的燃料电池电堆的燃料电池。
燃料电池冷却设备2为燃料电池单元3.1和3.2中的每一个包括一各自的燃料电池冷却单元4.1或4.2，燃料电池冷却单元4.1或4.2用于冷却各所属的燃料电池单元3.1、3.2的燃料电池。为此，每个燃料电池冷却单元4.1、4.2包括一冷却剂回路5.1、5.2，各所属的燃料电池单元3.1和3.2位于所述冷却剂回路5.1、5.2中。
第一燃料电池冷却单元4.1的冷却剂回路5.1可由第一循环泵6.1驱动并且还包括两个可并行地由冷却剂流过的热交换器7.1和7.2。为了实现热交换器7.1和7.2的可并行通流性，冷却剂回路5.1在热交换器7.1和7.2之前被分为两个支路，并且这两个支路在热交换器7.1和7.2之后重新汇集在一起。
每个热交换器7.1和7.2配备有自己的风机8.1或8.2。可借助于风机8.1或8.2排出由相应的热交换器7.1和7.2加热的空气。这在公共汽车的行驶速度较低时、例如在具有约20km/h的典型平均速度的城市公共汽车的情形中是有利的，因为在行驶速度较低时所产生的行车风对所需的热交换器7.1和7.2的废热散出而言是不够的。
与第一燃料电池冷却单元4.1的冷却剂回路5.1相同地设计第二燃料电池冷却单元4.2的冷却剂回路5.2。相应地，第二燃料电池冷却单元4.2的冷却剂回路5.2包括第二循环泵6.2和两个可并行地由冷却剂流过的热交换器7.3和7.4，所述热交换器7.3和7.4分别具有自己的风机8.3或8.4。
冷却剂回路5.1和5.2与一共同的、用于冷却剂的补偿容器17相连接，借助于所述补偿容器17可补偿冷却剂回路5.1和5.2中冷却剂体积的与温度有关的变化并可调节冷却剂回路5.1和5.2中的压力。
燃料电池冷却单元4.1或4.2被构造成可相互独立地对燃料电池单元3.1和3.2的冷却进行控制。为此，可分别相互独立地调节循环泵6.1和6.2的泵功率和风机8.1至8.4的转速。在此实施例中，将相应的冷却剂回路5.1、5.2内部的分别三个位置处的冷却剂温度设为用于燃料电池单元3.1和3.2中的每一个的冷却的控制参数。为此，在第一冷却剂回路5.1中由第一热交换器7.1的输出端后面的第一温度传感器9.1、第二热交换器7.2的输出端后面的第二温度传感器9.2和第一燃料电池单元3.1前面的第三温度传感器9.3来检测冷却剂的温度。
可根据所测得的冷却剂瞬时温度来调节第一循环泵6.1的泵功率和/或第一、第二风机8.1和8.2的转速，从而使冷却剂温度在进入第一燃料电池单元3.1时和/或在第一、第二热交换器7.1和7.2的输出端处保持在一恒定的、可预先给定的水平上。例如，对于这些温度中的每一个，可借助于控制单元分别通过一下阈值和一上阈值预先给定一温度间隔并如此调节第一循环泵6.1的泵功率和/或第一、第二风机8.1和8.2的转速，使得冷却剂的温度保持在相应的温度间隔内。
同样地，可借助于三个相应地设置在第二冷却剂回路5.2中的温度传感器9.4至9.6对第二燃料电池单元3.2的冷却进行控制。
作为由温度传感器9.1至9.6测得的冷却剂温度的替代或补充，可使用另外的控制参数以控制燃料电池单元3.1和3.2的冷却。这种用于第一燃料电池单元3.1的、适合的控制参数例如是燃料电池3.1本身的温度，和/或在冷却剂回路5.1内部的另一或其他位置处的冷却剂温度、例如燃料电池单元3.1与热交换器7.1、7.2之间的一位置处的冷却剂温度。另外的或其他的相应控制参数适合于第二冷却剂回路5.2。此外，本实施例在冷却剂回路5.1和5.2的每一个中还设有一旁路18.1、18.2，借助于所述旁路18.1、18.2可引导流动的冷却剂经过相应的燃料电池单元3.1、3.2。为了使冷却剂改道通过相应的旁路18.1、18.2，在冷却剂回路5.1和5.2中分别设有一可调节的旁路阀19.1、19.2，借助于所述旁路阀19.1、19.2可根据旁路阀的位置阻断冷却剂流过相应的燃料电池单元3.1、3.2或流过相应的旁路18.1、18.2。由此，如果相应的燃料电池单元3.1、3.2的冷却是不需要或者不期望的，则可相互独立地禁止燃料电池单元3.1、3.2中的每一个的冷却。后者例如在公共汽车冷启动时是有利的，以便使燃料电池设备快速地达到最佳的运行温度。
燃料电池冷却设备2通过换热器11.1和11.2连接在公共汽车的加热回路10上，借助于所述换热器11.1和11.2可分别向加热回路10提供来自冷却剂回路5.1和5.2的热。为此，在第一冷却剂回路5.1中第一换热器11.1设置在第一燃料电池单元3.1与热交换器7.1、7.2之间，而在第二冷却剂回路5.2中第二换热器11.2设置在第二燃料电池单元3.2与热交换器7.3、7.4之间。此外，换热器11.1和11.2还可通过加热回路旁路阀15串接到公共汽车的加热回路10上。此外，公共汽车的加热回路10还包括公共汽车车内加热装置12、加热循环泵13和加热器14。
在此实施例中，借助燃料电池冷却设备2也可冷却用于公共汽车制动的、例如用于电动的持续制动和/或再生制动的制动电阻16.1和16.2。对此，第一制动电阻16.1集成到第一冷却剂回路5.1中而第二制动电阻16.2集成到第二冷却剂回路5.2中。
图2示出燃料电池单元3.1的替代实施方式，所述燃料电池单元3.1具有各自的、根据本发明的燃料电池驱动系统的燃料电池冷却单元4.1。燃料电池冷却单元4.1包括冷却剂回路5.1，燃料电池单元3.1位于所述冷却剂回路5.1中并且所述冷却剂回路5.1可由循环泵6.1驱动。四个热交换器7.1至7.4可被相互独立地接入冷却剂回路5.1。
为此，冷却剂回路5.1在循环泵6.1之后被分为两个冷却剂循环支路20.1和20.2。第一冷却剂循环支路20.1可通过第一可调节三通阀21.1与前两个热交换器7.1和7.2相连接。在此，根据第一三通阀21.1的位置，或者两个热交换器7.1和7.2均可与第一冷却剂循环支路20.1连接，或者仅第一热交换器7.1或仅第二热交换器7.2可与第一冷却剂循环支路20.1连接，或者甚至两个热交换器7.1和7.2中任一个都不与第一冷却剂循环支路20.1连接。
相应地，第二冷却剂循环支路20.2可通过第二可调节三通阀21.2根据第二三通阀21.2的位置或者同时与第三热交换器7.3和第四热交换器7.4连接，或者仅与第三热交换器7.3或仅与第四热交换器7.4连接，或者甚至与两个热交换器7.3和7.4中任一个都不连接。
热交换器7.1至7.4的输出端通过一共同的输入管路与燃料电池单元3.1连接，在所述输入管路中设有用于检测冷却剂温度的温度传感器9.1。
由此，根据三通阀21.1和21.2的位置，冷却剂回路5.1可由热交换器7.1至7.4的任意组合构成并且冷却剂可分布在所述任意组合上。此外，为热交换器7.1至7.4中的每一个设置一各自的风机8.1至8.4，其中可相互独立地驱控风机8.1至8.4。
可根据由温度传感器9.1检测到的冷却剂温度通过接入冷却剂回路5.1的热交换器7.1至7.4的数量、所属风机8.1至8.4的相应转速和/或循环泵6.1的泵功率来控制燃料电池单元3.1的冷却。
图3示出燃料电池单元3.1的第三替代实施方式，所述燃料电池单元3.1具有各自的、根据本发明的燃料电池驱动系统的燃料电池冷却单元4.1。在此实施例中，燃料电池单元3.1位于燃料电池冷却单元4.1的冷却剂回路5.1中，所述燃料电池冷却单元4.1具有循环泵6.1和单个的、与上述实施例相比较大的热交换器7.1。在此实施例中，为热交换器7.1设置四个可独立驱控的风机8.1至8.4。此外，在冷却剂回路5.1中在热交换器7.1后面还设有用于检测冷却剂温度的温度传感器9.1。
在此实施例中，例如如此确定热交换器7.1的尺寸，使得在低负载运行中通过热交换器7.1的借助行车风的换气已可充分地冷却燃料电池单元3.1。
在燃料电池单元3.1的负载较高时，可通过一个或多个风机8.1至8.4给热交换器7.1换气。在此，如在上述实施例中那样，可根据由温度传感器9.1检测到的冷却剂的温度通过所接入的风机8.1至8.4的数量、所接入风机的相应转速和/或循环泵6.1的泵功率来控制燃料电池单元3.1的冷却。
在如图2和图3所示的实施例中，为了控制燃料电池单元3.1，作为由温度传感器9.1检测到的冷却剂温度的替代或补充，可使用另外的或其他的控制参数，例如燃料电池单元3.1自身的温度和/或冷却剂回路5.1内另外或其他位置处的冷却剂温度。

Claims (8)

1.一种燃料电池驱动系统，用于机动车辆，所述燃料电池驱动系统具有作为能量源的燃料电池设备(1)和用于以能根据负载进行调节的方式冷却所述燃料电池设备(1)的燃料电池冷却设备(2)，其中，所述燃料电池设备(1)包括至少两个能被相互独立地驱控的燃料电池单元(3.1，3.2)，所述燃料电池单元分别具有多个串联的燃料电池，所述燃料电池冷却设备(2)为所述燃料电池单元(3.1，3.2)中的每一个包括有一各自的燃料电池冷却单元(4.1，4.2)，借助于所述燃料电池冷却单元(4.1，4.2)能根据至少一个控制参数来冷却相应的燃料电池单元(3.1，3.2)的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池冷却单元(4.1，4.2)中的每一个都包括多个能并行地由冷却剂流过的热交换器(7.1-7.4)和各自用于所述热交换器(7.1-7.4)中的每一个的、能被单独驱控的风机(8.1-8.4)，所述燃料电池冷却单元(4.1，4.2)中的每一个的所述热交换器(7.1-7.4)能被单独地、相互独立地接入相应的冷却剂回路(5.1，5.2)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，所述机动车辆是商用车辆。
3.根据权利要求1所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，每个冷却剂回路(5.1，5.2)包括至少一个循环泵(6.1，6.2)，能根据所述至少一个控制参数来控制所述至少一个循环泵(6.1，6.2)的泵功率和/或每个风机(8.1-8.4)的转速。
4.根据权利要求1所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，用于对所述燃料电池单元(3.1，3.2)中的每一个的燃料电池进行冷却的所述至少一个控制参数是相应的冷却剂回路(5.1，5.2)的至少一个冷却剂温度和/或相应的燃料电池单元(3.1，3.2)的至少一个温度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，能借助与所述燃料电池冷却设备(2)无关的另一冷却设备来冷却除所述燃料电池外的所有运行所述燃料电池设备(1)所需的、待冷却的部件。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，所述燃料电池冷却设备(2)的废热能被提供给所述机动车辆的加热回路(10)。
7.根据权利要求5所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，也能借助于所述燃料电池冷却设备(2)或所述另一冷却设备来冷却用于制动所述机动车辆的多个制动电阻(16.1，16.2)。
8.根据权利要求1所述的燃料电池驱动系统，其特征在于，所述热交换器(7.1-7.4)中的每一个能通过可调节的三通阀(21.1，21.2)接入冷却剂回路(5.1，5.2)。
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