CN104659393A - 燃料电池发动机系统集成结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆用燃料电池发动机系统集成结构，包括电堆、空气系统、水系统、氢气系统、动力控制单元、以及电驱动系统，该燃料电池发动机系统集成结构还包括框架，该框架构造成所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元及电驱动系统可布置于其上且呈多层；该电堆设置在所述框架的基本中心位置处；该动力控制单元设置在框架的顶层；该燃料电池发动机系统的其余部分则围绕电堆固定于所述框架；其中，电堆、动力控制单元以及燃料电池发动机系统的其余部分均分别以可拆卸方式固定于所述框架。该集成结构中各元件易于维护和拆卸。

Description

燃料电池发动机系统集成结构

技术领域

本发明涉及汽车技术，尤其涉及燃料电池发动机系统的集成。

背景技术

动力系统开发是燃料电池汽车研发的核心内容之一。燃料电池汽车动力系统包括燃料电池发动机子系统、电驱动子系统、能量转换及能量管理子系统、以及相应的辅助系统等。就燃料电池汽车动力系统开发现状而言，系统庞大但各子系统集成很低，整个动力系统的集成度更是非常低。

 国内燃料电池汽车整车设计针对燃料电池汽车动力系统都是采用分散布置，并采用支架固定的方式固定每个零部件，这对燃料电池汽车产业化来讲并不合理。主要存在两方面的问题，第一，无法满足整车装配技术的要求；第二，无法满足整车可维护性的要求。

总之，当前燃料电池发动机系统的布置方式不利于燃料电池汽车产业化的推进，需要针对燃料电池汽车动力系统的集成结构。

发明内容

本发明提供一种车辆用燃料电池发动机系统集成结构，其中的各元件易于维护与拆卸。

该燃料电池发动机系统集成结构包括电堆、空气系统、水系统、氢气系统、动力控制单元以及电驱动系统，所述燃料电池发动机系统集成结构还包括框架，所述框架构造成所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元以及电驱动系统可布置于其上且呈多层；所述电堆设置在所述框架的基本中心位置处；所述动力控制单元设置在所述框架的顶层；所述燃料电池发动机系统的其余部分则围绕所述电堆固定于所述框架；其中，所述电堆、动力控制单元以及所述燃料电池发动机系统的其余部分均分别以可拆卸方式固定于所述框架。

优选地，所述框架包括水平承载部、与水平承载部连接且自其向上延伸的上承载部，以及基本与水平承载部连接且自其向下延伸的下承载部。

优选地，所述电堆固定在所述水平承载部的基本中心位置处，所述动力控制单元位于所述电堆之上且固定于上承载部。

优选地，所述空气系统包括空压机、空压机控制器、中冷器与增湿器，所述空压机位于所述电堆的第一侧且固定于所述框架的下承载部，所述空压机控制器位于所述电堆的第二侧且固定于所述框架的下承载部，所述中冷器固定于所述空压机，所述增湿器在所述电堆的第二侧错开所述空压机控制器固定于所述框架的下承载部。

优选地，所述水系统的燃料电池系统水泵与其水泵控制器、以及用于所述动力控制单元的水泵及其水泵控制器，均设置在所述电堆的第二侧且固定于所述框架的下承载部，其中，燃料电池系统水泵控制器和动力控制单元的水泵控制器分别电连接到所述动力控制单元以获得电力。

优选地，用于电堆的电堆控制单元位于所述电堆的第一侧并固定于所述框架的上承载部。

优选地，所述电驱动系统包括电机及减速器，所述电机与所述减速器均位于所述电堆的第三侧且固定于所述框架的下承载部。

优选地，所述第一侧为所述电堆朝向车辆的滤清器的那一侧，对所述电堆而言，所述第三侧是所述第一侧的相对侧，所述第二侧是从车辆的驾驶舱看向前舱的方向时位于电堆左侧的那一侧。

优选地，还包括设置在所述框架的外侧的外壳，所述外壳设置有多个用于所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元以及电驱动系统与车辆其它部件对接的接口。

此外，根据本发明的示例，所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元以及电驱动系统可分别通过螺栓固定于所述框架。

附图说明

图1是根据本发明示例的框架的一种示例性结构示意。

图2是车辆的示意图。

图3a是从车辆右前方45度面向车辆看所述集成结构的示意图。

图3b是从车辆左前方45度面向车辆看所述集成结构的示意图。

图4是根据本发明的示例的燃料动力电池系统集成结构的示意图。

具体实施方式

燃料电池发动机系统可分为电堆、动力控制单元（PCU）、电机、变速箱、燃料电池系统（FCS）水泵及其控制器、PCU水泵及其控制器、空气系统、空调压缩机相关、电堆控制模块。

FCS水泵和水路给电堆供水；空气路给电堆供空气；氢气路给电堆供氢。电堆通过化学作用产生电供给PCU。

PCU接受电堆以及动力蓄电池（动力蓄电池通过高压线连接到PCU，给PCU供电）的供电。PCU对所接收的电力进行处理，并分别供给电机、空压机控制器、FCS水泵及其控制器、PCU水泵及其控制器、高压风扇、空调压缩机等；PCU水泵和水路向PCU供应冷却水。

电机接受PCU的供应的电力，并通过与变速箱连接，输出动力给传动轴，带动车轮。PCU水泵和水路向电机供应冷却水。

FCS水泵接收来自PCU的电力，并向FCS水路提供高压水以及通过高压风扇作用，冷却电堆、中冷器等零部件。

PCU水泵接收来自PCU的电力，并向PCU水路供高压水以及通过高压风扇作用，冷却PCU、电机、空压机控制器、空压机等零部件。

空气系统包括空压机、空压机控制器、中冷器、与增湿器。外部空气首先进入车辆的空气滤清器进行过滤，随后进入空压机压缩，以提高空气的压力，高压空气（压缩后温度同时急剧升高）通过中冷器冷却，随后进入增湿器增湿，最后适合电堆工作的具备一定温度和湿度的空气进入电堆，参与化学反应。

空调压缩机接受PCU的供电，从而对冷却媒介加温加压。

本发明的重点在于将燃料动力电池系统的部件以合理的方式布置在一个框架上，在兼顾各电路、水路、气路合理布置的情况下，又使各部件易于拆卸。

在本发明的说明中，将车辆用燃料电池发动机系统集成结构分成如下结构：电堆，空气系统，水系统，氢气系统，动力控制单元以及电驱动系统；需要说明的是，如上的区分不是唯一的，车辆用燃料电池发动机系统可根据不同的准则做不同的划分。

根据本发明的示例，燃料电池发动机系统集成结构包括框架，该框架构造成所述电堆、空气系统、水系统、氢气系统、动力控制单元、以及电驱动系统可布置于其上且可布置成多层。图1是根据本发明示例的框架的一种示例性结构示意。如图所示，框架1包括水平承载部10、连接到水平承载部10且自其向上延伸的上承载部12及与水平承载部10连接且自其向下延伸的下承载部14。在本例中，水平承载部10由多个部分相互连接而成，以承载以及固定待放置到其上的元件；上承载部12由多个部分构成，这些部分或依次连接或固定于水平承载部10，以设置多个待放置到该框架上的元件；下承载部14也由多个部分构成，这些部分或固定于水平承载部10或依次连接，以设置多个待放置到该框架上的元件。所示意的框架结构是示例而非限制性的，所示意框架意在使电堆、空气系统、水系统、氢气系统、动力控制单元以及电驱动系统布置到其上且呈三层布置。可以理解到，水平承载部10、上承载部12、下承载部14的具体结构可根据实际情况改变。

图2为车辆的示意图。图1所示的框架承载了如本发明所述的燃料电池发动机系统之后将放置在车辆的前舱，或者说，如本发明所述的燃料电池发动机系统集成结构放置在车辆的前舱。其中，框架的水平承载部10基本与车辆前舱的底面平行，下承载部14将朝着车辆前舱的底面。

下文描述中将参考图3a与图3b来阐述燃料电池发动机系统的各元件在框架中的布置。图3a是从车辆右前方45度看所述集成结构的示意图，图3b是从车辆左前方45度看所述集成结构的示意图。关于图3a与图3b视图的具体方向，结合图2说明如下：从车辆右前方45度看所述集成结构的示意图指的是在车辆右侧前方且与车辆的中心线构成45度角的位置处面向车辆查看获得的集成结构的视图，即大体在位置L处面向车辆查看所获得的集成结构的视图，从车辆左前方45度看所述集成结构的示意图指的是在车辆左侧前方且与车辆的中心线构成45度角的位置处面向车辆查看获得的集成结构的视图，即大体在位置R处面向车辆查看所获得的集成结构的视图。

燃料电池发动机系统集成结构的电堆300设置在所述框架1的基本中心位置处，本例中，具体设置在水平承载部10的基本中心位置处。电堆300是整个燃料电池发动机系统核心零部件之一，其包括针对空气系统、水系统、氢气系统的接口。根据本发明的示例，电堆300包括两个（水入和水出）水接口、两个空气接口（空气入和空气出）、三个氢气接口（一个氢气入口和两个氢气出口）。电堆在化学反应之后，要向PCU供电，因此具有相应的电路输出接口，就本例而言，电堆的高电压端包括与PCU电性连接的正负端接口，低电压端包括与空气入口处气体压力和温度传感器相连的电性接口、与水入口处压力和温度传感器相连的电性接口、与氢气入口处和出口处压力和温度传感器相连的电性接口。根据本发明的示例，这些低电压线束整理成一整串线束由统一端子接出，然后分散到各传感器接口处。电堆模块重量较大，本例中，电堆重量为80公斤左右，因此固定在框架1的水平承载部10的中心位置处较为稳定。同时考虑到氢气从车辆的后端接入，空气从车辆的前端接入，为减少气路的流阻，将这些气路接入口设置在前舱中间部位比较合理，因此也适合将电堆300布置在框架1的中央位置处。

动力控制单元301放置在框架1的最顶部，位于电堆300之上。PCU 301接受来自动力蓄电池及燃料电池堆300的直流供电，并将其转换为交流和直流电。所转换的交流电供给电机、驱动电机和减速器，以带动车轮从而驱动车辆行驶，直流电则供给空压机、水泵、空调压缩机、高压风扇等高压部件，以分别带动它们。此外，需冷却水路带走PCU内部高压部件工作所产生的热量。PCU布置还需充分考虑PCU与燃料电池发动机系统中其它元件之间的接口的位置以及高压线束的走向与空间。综合上述因素，本例中PCU布置在框架的顶部。这样的设置还方便高压接插件的安装以及PCU自身的维护。

按照本发明的示例，除电堆、PCU以外的空气系统、水系统、电驱动系统围绕电堆固定于框架。在本发明的所有示例中，各元件都以可拆卸的方式固定于框架，例如通过螺栓固定于框架。

作为具体的示例，以下继续结合图3a与图3b说明空气系统、水系统、电驱动系统的布置。下述说明中，电堆300的第一侧指的是所述电堆朝向车辆滤清器的那一侧。图2所示的车辆中滤清器设置在最前方，因此，电堆300的第一侧是面向车头的那一侧。电堆300的第三侧是与电堆的第一侧相对的那一侧，即面向车辆驾驶舱的那一侧。电堆300的第二侧是从驾驶舱看向前舱的方向时位于电堆左侧的那一侧。

空气系统包括空压机302、空压机控制器303、中冷器304及增湿器305。来自车辆的空气滤清器的新鲜空气，先由空压机增压以满足电堆对空气的工作要求，但空气压缩后，温度会急剧升高，因此需要对压缩后的空气进行冷却，并增大空气湿度，从而在压力，温度，和湿度方面都满足电堆的工作要求。如上文提到的，空气滤清器一般位于车辆前部，因此空气压缩机311与中冷器304最好靠近空气滤清器布置。增湿器305有四个接口，两个接口与电堆300相连，另外两个接口，一个与中冷器304相连，另一个与空气尾排相连。增湿器305布置地比电堆低以防止积水倒灌至电堆。综合这些因素，将增湿器布置在整个集成结构的左侧下部。这样，空气压缩机311和中冷器304、增湿器305为代表的空气系统布置在电堆的左前角下部区域，形成合理的空气供给系统和尾排系统。空压机控制器303控制空压机302的工作，接受来自PCU 301的高压电，并给空压机302供电。所以布置在PCU 301与空压机302之间以缩短高压线的长度。空压机控制器303布置在PCU左侧下部位置比较合理。由此，在本例中，空压机302设置于电堆300的第一侧且固定于1框架1，空压机控制器303在电堆300的第二侧及动力控制单元 PCU 301下的位置固定于框架1，中冷器304固定于空压机302，本例中它也在电堆300的第一侧，增湿器305在电堆300的第二侧错开空压机控制器303固定于框架1。

水系统包括燃料电池系统水泵306与用于该水泵的控制器（未示意）、及用于动力控制单元301的PCU水泵307及其水泵控制器（未示意），它们均设置在电堆以下且固定于框架1。更具体地，燃料电池系统水泵306与燃料电池系统水泵控制器、PCU水泵307及其水泵控制器都设置在电堆300的第一侧，且固定于框架1的下承载部14。此外，燃料电池系统水泵控制器和动力控制单元的水泵控制器分别电连接到动力控制单元301以获得电力。水路的如此设置是为了满足电堆水路和PCU水路回水要求，并合理的布置在前舱的剩余空间内。

用于电堆的电堆控制单元310则设置在电堆300的第一侧并固定在框架1上。

电驱动系统包括电机308与减速器309。电机308与减速器309均设置在电堆300的第三侧且固定在框架1。具体地，电机308与减速器309均固定在框架1的下承载部14。

空调压缩机311可设置在电堆300的第一侧且固定在框架1的下承载部14处，以便与车辆的前端冷却系统管路连接并可以免除布置在其它位置对整车带来的振动问题。

图4是按照本发明的示例的燃料电池发动机系统集成结构最终示意图。如图所示，通过外壳4将燃料电池发动机系统的各元件围在其中，但在该外壳上设置有多个接口，用于燃料电池发动机系统中的各元件与车辆外部元件之间的连接。

如上所述的根据本发明所述的燃料电池发动机系统集成结构，考虑到了整车设计的硬件约束，使空气系统、水系统、氢气系统走向合理流畅、且安装和维护方便。

Claims (10)

1.一种车辆用燃料电池发动机系统集成结构，该燃料电池发动机系统包括电堆、空气系统、水系统、氢气系统、动力控制单元以及电驱动系统，其特征在于，所述燃料电池发动机系统集成结构包括框架，所述框架构造成所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元以及电驱动系统可布置于其上且呈多层；所述电堆设置在所述框架的基本中心位置处；所述动力控制单元设置在所述框架的顶层；所述燃料电池发动机系统的其余部分则围绕所述电堆固定于所述框架；其中，所述电堆、动力控制单元以及所述燃料电池发动机系统的其余部分均分别以可拆卸方式固定于所述框架。

2.如权利要求1所述的燃料电池发动机集成结构，其特征在于，所述框架包括水平承载部、与水平承载部连接且自其向上延伸的上承载部，以及与水平承载部连接且自其向下延伸的下承载部。

3.如权利要求2所述的燃料电池发动机集成结构，其特征在于，所述动力控制单元位于所述电堆之上且固定于上承载部。

4.如权利要求3所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，所述空气系统包括空压机、空压机控制器、中冷器与增湿器，所述空压机位于所述电堆的第一侧且固定于所述框架的下承载部，所述空压机控制器位于所述电堆的第二侧且固定于所述框架的下承载部，所述中冷器固定于所述空压机，所述增湿器在所述电堆的第二侧错开所述空压机控制器固定于所述框架的下承载部。

5.如权利要求4所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，所述水系统的燃料电池系统水泵与其水泵控制器、以及用于所述动力控制单元的水泵及其水泵控制器，均设置在所述电堆的第二侧且固定于所述框架的下承载部，其中，燃料电池系统水泵控制器和所述动力控制单元的水泵控制器分别电连接到所述动力控制单元以获得电力。

6.如权利要求5所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，用于所述电堆的电堆控制单元位于所述电堆的第一侧并固定于所述框架的上承载部。

7.如权利要求6所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，所述电驱动系统包括电机及减速器，所述电机与所述减速器均位于所述电堆的第三侧且固定于所述框架的下承载部。

8.如权利要求4到7中任意一项所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，所述第一侧为所述电堆朝向车辆的滤清器的那一侧，对所述电堆而言，所述第三侧是所述第一侧的相对侧，所述第二侧是从车辆的驾驶舱看向前舱的方向时位于电堆左侧的那一侧。

9.如权利要求7中所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，其还包括设置在所述框架的外侧的外壳，所述外壳设置有多个用于所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元以及电驱动系统与车辆其它部件对接的接口。

10.如权利要求1所述的燃料电池发动机系统集成结构，其特征在于，所述电堆、空气系统、水系统、动力控制单元以及电驱动系统分别通过螺栓固定于所述框架。