CN109130880B - 设计机器的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种设计机器的方法，该机器上安装有驱动电动机、燃料电池堆和二次电池，该方法包括：将驱动电动机的最大输出确定为第一输出值,并且将车辆在巡航条件下行驶时的驱动电动机的输出确定为第二输出值；将要安装的燃料电池堆的数目确定为n；以及将二次电池的最大输出确定为通过下述运算获得的值：从第一输出值中减去通过将燃料电池堆的最大输出乘以n获得的值。通过将第三输出值乘以n而获得的值等于或大于第二输出值，并且通过将第三输出值乘以n‑1而获得的值小于第二输出值。

Description

设计机器的方法

技术领域

本公开内容涉及设计安装有燃料电池堆和电动机的机器的方法。

背景技术

日本未审查专利申请公开第2017-081319号(JP 2017-081319A)公开了一种混合动力车辆，该混合动力车辆设置有内燃机和由来自二次电池的电力供应来驱动的电动机。

发明内容

作为在汽车的设计中必须满足的条件，可以提及车辆可以在巡航条件下行驶(下文中称为巡航行驶)的条件。巡航条件是车辆可以在预定行驶条件下继续行驶预定时间的条件。预定行驶条件被确定为在设计中确定的车辆速度、上坡坡度等。

此外，作为在汽车的设计中必须满足的条件，可以提及可以施加作为设计值的最大输出的条件。在混合动力车辆的情况下，通过同时驱动内燃机和电动机来施加最大输出。就满足最大输出而言，输出的分解是可选的。即，只要来自内燃机的输出和来自电动机的输出的总和满足最大输出，则每个最大输出可以是任何值。

安装在汽车上的内燃机具有长时间以来持续发展的历史，并且因此，可以相对容易地执行根据重新设计的汽车来改变尺寸或输出的汽车的设计。关于安装在混合动力车辆上的二次电池，仅需要能够施加能够支持内燃机的输出的输出的设计概念是主流。为此，关于二次电池，已经强调了小型化。

如上所述，关于将内燃机设置成主驱动源的设计，技术成熟，并且关于开发成本和开发周期，几乎不会出现大问题。

与以上相比，用于设计燃料电池车辆的情况不同于如上所述的混合动力车辆的情况。在燃料电池的设计中，与内燃机的设计类似，需要调整各个部件或模块。然而，与内燃机的发展历史相比，燃料电池的发展历史较浅。为此，当燃料电池堆的尺寸或输出被可选地设计时，该设计所需的工艺数目或成本变得巨大。为此，在参考混合动力车辆的设计概念而重新设计燃料电池车辆时，出现开发成本可能增加、开发周期可能变长的可能性。

上述情况不限于汽车，并且对于安装有燃料电池堆的机器是常见的。本文所称的机器表示安装有驱动电动机的全部机器。本公开内容提供了一种设计机器的方法，其减少了用于重新设计安装有燃料电池堆和驱动电动机的机器的开发成本和开发周期。

本公开内容的一方面涉及设计机器的方法，在所述机器上安装有：驱动电动机；燃料电池堆，其被配置成生成用于驱动该驱动电动机的电流；和二次电池，其被配置成释放用于驱动该驱动电动机的电流。该方法包括：将驱动电动机的最大输出确定为第一输出值并且将巡航条件下的驱动电动机的输出确定为第二输出值；将要安装的燃料电池堆的数目确定为n，n是自然数，并且在车辆在巡航条件下行驶时由燃料电池堆输出的输出值为第三输出值；以及将二次电池的最大输出确定为通过下述运算获得的值：从第一输出值中减去通过将燃料电池堆的最大输出乘以n获得的值。通过将第三输出值乘以n而获得的值等于或大于第二输出值，并且通过将第三输出值乘以n-1而获得的值小于第二输出值。

在根据本公开内容的方面的方法中，设计燃料电池堆的方法可以与设计安装在与所述机器分开设计的机器上的燃料电池堆的方法相同。根据本公开内容的方面，由于可以使用或参考设计另一机器的燃料电池堆的方法，所以减少了用于重新设计机器的开发成本和开发周期。此外，通过设计如上所述的二次电池，可以执行满足最大输出的设计。

在根据本公开内容的方面的方法中，机器可以被设计成使得：当车辆在巡航条件下行驶时，保持二次电池的荷电状态(SOC)。根据本公开内容的方面，在巡航条件下保持了二次电池的SOC。此外，当必须施加最大输出时，可以避免由于SOC的不足而导致可以施加最大输出的时间变得较少的情况。

根据本公开内容的方面的方法还可以包括：设计所述机器以安装：电连接至燃料电池堆的燃料电池转换器，燃料电池转换器被配置成控制燃料电池堆的发电电压；氢罐，其被配置成存储用于向燃料电池堆供应的氢；以及辅助机械，其用于燃料电池堆的发电；以及设计所述机器以在n为2或更大时将燃料电池转换器、氢罐和辅助机械中的至少一个安装n台。根据本公开内容的方面，该设计也可以被用于或参考燃料电池转换器、氢罐和辅助机械中的至少一个。

在根据本公开内容的方面的方法中，机器可以是汽车。根据本公开内容的方面，根据本公开内容的方面的方法可以被应用于汽车的设计。

在根据本公开内容的方面的方法中，在n为2或更大的情况下，汽车可以是机动卡车。根据本公开内容的方面，在安装空间和最大输出与巡航条件下的输出之间的关系方面执行适当的设计变得容易。本公开内容的方面不排除当机器是机动卡车时n为1的情况。

在根据本公开内容的方面的方法中，当汽车是机动卡车时，n可以是2或更大。根据本公开内容的方面，在安装空间和最大输出与车辆在巡航条件下行驶时的输出之间的关系方面执行适当的设计变得容易。本公开内容的方面不排除在n为2或更大时机器是除了机动卡车之外的汽车的情况。例如，机器可以是大型公共汽车等。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1是示出燃料电池车辆的图；

图2是示出燃料电池车辆的图；

图3是示出燃料电池车辆的图；

图4是示出第一动力单元的配置的框图；

图5是示出燃料电池堆的立体图；

图6是示出第二动力单元的配置的框图；

图7是示出用于设计动力单元的过程的流程图；

图8是示出巡航输出与燃料电池堆的数目之间的关系的柱状图；

图9是纵轴示出输出的分解并且横轴示出最大输出的曲线图；

图10是示出用于设计燃料电池模块的过程的流程图；

图11是示出用于设计电气系统的过程的流程图；以及

图12是示意性地示出燃料电池车辆的制造流程的图。

具体实施方式

图1示出燃料电池车辆11。图2示出燃料电池车辆12。图3示出燃料电池车辆13。燃料电池车辆11、燃料电池车辆12是小客车(passenger car)。燃料电池车辆13是机动卡车。燃料电池车辆13拖曳拖车19。

燃料电池车辆11设置有第一动力单元21和操作系统900。燃料电池车辆12设置有第二动力单元22和操作系统900。燃料电池车辆13设置有两个第三动力单元23、传动轴25以及操作系统900。第一动力单元21、第二动力单元22和两个第三动力单元23中的每一个具有如将在后面描述的通过燃料电池进行发电的功能。

操作系统900是由驾驶员操作的用于驾驶的设备的总称。操作系统900包括加速器踏板、制动器踏板、方向盘等。操作系统900在燃料电池车辆11、燃料电池车辆12、燃料电池车辆13中不完全相同。然而，在该实施方式中，这些设备在燃料电池车辆11、燃料电池车辆12、燃料电池车辆13中被共同称为操作系统900。单个操作系统900被安装在燃料电池车辆11、燃料电池车辆12、燃料电池车辆13中的每一个上。

第一动力单元21向操作系统900供应电力。第二动力单元22向操作系统900供应电力。两个第三动力单元23中的每一个向操作系统900供应电力。

第一动力单元21生成用于驱动两个前轮FW的转矩。第二动力单元22生成用于驱动两个前轮FW的转矩。第三动力单元23中的每一个生成用于驱动四个后轮RW的转矩。由两个第三动力单元23生成的转矩通过单个传动轴25被传送到四个后轮RW。

图4是示出第一动力单元21的配置的框图。第一动力单元21设置有燃料电池模块50和电气系统61。燃料电池模块50设置有燃料电池堆100、氢罐105、燃料电池转换器110和辅助机械140。电气系统61设置有二次电池120、二次电池转换器130、电动机逆变器150、控制器160和驱动电动机220。

图5是示出燃料电池堆100的立体图。在燃料电池堆100中，在堆叠方向上堆叠的多个电池101夹在一对端板170F、端板170E之间。燃料电池堆100具有端子板160F，其中绝缘板165F被插入在一个端侧上的端板170F和电池101之间。

燃料电池堆100还具有后端侧上的端子板160E，其中后端侧上的绝缘板165E同样被插入在端板170E和电池101之间。电池101、端子板160F、端子板160E、绝缘板165F、绝缘板165E以及端板170F、端板170E中的每一个的轮廓具有大致矩形的形状。

前端侧上的端子板160F和后端侧上的端子板160E是电流收集板，并且从电流收集端子161向外部输出所收集的电力。

氢罐105存储用于向燃料电池堆100供应的氢。燃料电池堆100电连接至燃料电池转换器110。燃料电池转换器110执行使燃料电池堆100的输出电压升至目标电压的升压操作。燃料电池转换器110通过高电压直流导线DCH电连接至电动机逆变器150。

二次电池120是锂离子二次电池。本实施方式中的二次电池120是钛酸锂二次电池。钛酸锂二次电池是锂离子二次电池的一种类型。另一实施方式中的二次电池120可以是除了钛酸锂二次电池之外的锂离子二次电池，或者可以是除了锂离子二次电池之外的二次电池。二次电池120通过低电压直流导线DCL电连接至二次电池转换器130。二次电池120具有多个电池串联堆叠的结构。在另一实施方式中，二次电池120可以是电压保持串联并且通过并联连接保持能量的类型。

二次电池转换器130通过高电压直流导线DCH电连接至燃料电池转换器110和电动机逆变器150。二次电池转换器130通过调整作为电动机逆变器150的输入电压的高电压直流导线DCH中的电压来控制二次电池120的充电和放电。

在来自燃料电池转换器110的输出电力相对于目标输出电力不足的情况下，二次电池转换器130使二次电池120执行电力供应。在本实施方式中，将来自燃料电池转换器110的输出电力相对于目标输出电力不足的情况称为过渡状态。

在驱动电动机220中生成再生电力的情况下，二次电池转换器130将再生电力从交流转换成直流并且将转换后的再生电力输出到低电压直流导线DCL侧。

二次电池转换器130可以转换燃料电池堆100的输出电力并且将转换后的输出电力输出到低电压直流导线DCL侧。通过使用输出电力，在可以从燃料电池转换器110输出的电力超过目标输出电力的情况下，控制器160可以执行控制以升高二次电池120的SOC。

辅助机械140是被用于燃料电池堆100的操作的辅助机械的总称。辅助机械140包括空气压缩机、氢循环泵、水泵等。辅助机械140电连接至低电压直流导线DCL或高电压直流导线DCH。

电动机逆变器150将通过高电压直流导线DCH以直流供应的电力转换成三相交流电力。电动机逆变器150电连接至驱动电动机220，并且向驱动电动机220供应三相交流电力。电动机逆变器150将在驱动电动机220中生成的再生电力转换成直流电力并且将直流电力输出至高电压直流导线DCH。

控制器160由多个ECU配置。控制器160控制包括上述内容的第一动力单元21的每个部分的操作。

图6是示出第二动力单元22的配置的框图。第二动力单元22设置有燃料电池模块50和电气系统62。第三动力单元23设置有燃料电池模块50和电气系统。附图中未示出第三动力单元23中包括的电气系统。

安装在第二动力单元22上的燃料电池模块50与安装在第一动力单元21上的燃料电池模块50相同。安装在第三动力单元23上的燃料电池模块50也与安装在第一动力单元21上的燃料电池模块50相同。即，在燃料电池堆100、氢罐105、燃料电池转换器110和辅助机械140中的任何一个中，其设计与安装在第一动力单元21上的那些的设计相同。

电气系统62与电气系统61的共同之处在于电气系统62设置有二次电池、二次电池转换器、电动机逆变器、控制器和驱动电动机。然而，配置电气系统62的每个部分被设计成在燃料电池车辆12中使用。类似地，第三动力单元23中包括的配置电气系统的每个部分被设计用于在燃料电池车辆13中使用。例如，二次电池的输出特性或驱动电动机的最大输出与燃料电池车辆11的情况不同。

燃料电池车辆13设置有两个电气系统，并且因此，燃料电池车辆13设置有两个驱动电动机。两个驱动电动机串联连接并且使单个传动轴25转动。

图7是示出用于设计动力单元的过程的流程图。第二动力单元22和第三动力单元23是通过使用第一动力单元21的设计根据图7中示出的设计过程来设计的。如图7中所示，设计了燃料电池模块(S200)，并且之后设计了电气系统(S300)。在描述S200和S300之前，将第一动力单元21的设计作为设计过程的前提来描述。

图8是纵轴示出巡航条件的输出并且横轴示出燃料电池堆100的数目的柱状图。最初，燃料电池模块50被设计成安装在燃料电池车辆11上。

在燃料电池车辆11的设计中，采用了如下构思：燃料电池堆100被设计成使得可以仅通过燃料电池堆100的发电而不依赖于二次电池120的电力供应来执行巡航行驶。此外，由于燃料电池车辆11是小客车并且安装空间受到限制，因此采用了将所安装的燃料电池堆100的数目设置成一的设计概念。

在图8中，燃料电池车辆11的巡航行驶所需的输出(下文中称为巡航输出)被示为输出值Pc1。巡航条件是针对每个车辆确定的行驶条件。具体地，假设了在水平道路上行驶的情况，并且可以保持SOC的最大车辆速度被设置成在正常范围内。即，在水平道路上行驶的情况下，当车辆速度等于或低于最大车辆速度时，原则上，只要由燃料电池堆100生成的电力被供应给驱动电动机220，即使不从二次电池120放电，也可以进行巡航行驶。在这种情况下，可以在几乎不增加或减少的情况下保持SOC。可以保持SOC的事实不排除通过充电来增加SOC的能力。

在该实施方式中，在以最大车辆速度行驶的情况下，最大车辆速度被确定为使得还可以进行延长的巡航行驶。在梯度的平均值基本上为零的情况下，延长的巡航行驶在预定行驶距离处行驶，其中SOC平衡被设置成零。

例如，在短暂上坡之后下坡行驶的情况下，当在上坡行驶时，除了燃料电池堆100的发电之外还执行从二次电池120的放电，并且在下坡时，通过利用燃料电池堆100的发电或再生电力中的至少一个对二次电池120进行充电，SOC的值可以返回到在上坡行驶之前的值。如上所述，当二次电池120的放电量与充电量之间的平衡在短时间段内匹配时，可以保持SOC。上述行驶被称为延长的巡航行驶。

延长的巡航行驶还包括以下行驶。当在水平道路上行驶时，通过使用二次电池120在预定时间(大约10分钟)内的放电，可以以超过最大车辆速度的车辆速度行驶。在SOC达到实际使用范围的下限值之前以减慢的行驶速度开始巡航行驶的情况下，此后，在存在对二次电池120充电的机会的情况下，当车辆速度返回到以超过最大车辆速度的车辆速度行驶之前的SOC的值时，意味着已经进行了延长的巡航行驶。

作为燃料电池堆100的设计结果，燃料电池堆100可以连续输出输出值Pc。输出值Pc大于输出值Pc1。为此，满足了上述设计概念。

图9是纵轴示出输出的分解并且横轴示出最大输出的曲线图。在车辆的设计中，确定最大输出。最大输出通常被确定以保持加速性能。例如，最大输出被确定为如下条件(在下文中被称为加速条件)：车辆速度在预先确定的时间(在下文中称为加速时间)内从0km/h达到100km/h。燃料电池车辆11的最大输出被确定为图9中示出的输出值P1。

另一方面，燃料电池堆100的最大输出是图9中示出的输出值Pmax。输出值Pmax通常大于输出值Pc。原因在于，在加速条件下，与巡航条件相比，允许燃料电池堆100的温度较高。

然而，如图9所示，输出值Pmax比输出值P1小。为此，不可以仅通过燃料电池堆100的发电来实现燃料电池车辆11的最大输出。通过二次电池120的输出来补充通过从最大输出中减去输出值Pmax而获得的燃料电池堆100的不足。即，二次电池120被设计成使得二次电池120的最大输出基本上等于该不足。此外，在二次电池120中，实际使用范围中的容量和SOC被设计成满足加速条件。

在图9中，附在二次电池后的括号内的过渡状态表示二次电池被设计成在巡航条件下不向驱动电动机供应电力。

如上所述设计的燃料电池模块50被转换成安装在燃料电池车辆12、燃料电池车辆13上的动力单元的设计。在下文中，将根据图10和图11中示出的流程图进行描述。

作为用于设计燃料电池模块的过程，如图10所示，确定巡航输出(S210)。被确定为燃料电池车辆12的巡航输出的值被示为图8中的输出值Pc2。被确定为燃料电池车辆13的最大输出的值被示为图8中的输出值Pc3。

确定燃料电池模块50的数目(S220)。用n表示要确定的燃料电池模块50的数目。n是自然数。n被确定为满足以下表达式的值。

(n-1)Pc<巡航输出≤nPc…(1)

如图8所示，在燃料电池车辆12的情况下，满足表达式(1)的n为1。如图8所示，在燃料电池车辆13的情况下，满足表达式(1)的n为2。在本实施方式中，燃料电池模块50的数目与动力单元的数目同义。

如上所述，仅通过确定安装的燃料电池模块50的数目来具体地完成燃料电池模块50的设计。巡航输出的确定是也在混合动力车辆或发动机车辆中执行的步骤，并且其作为特定于燃料电池车辆的设计的步骤并不影响开发成本和开发周期。

作为电气系统的设计，如图11所示，确定最大输出(S310)。被确定为燃料电池车辆12的最大输出的值被示为图9中的输出值P2。被确定为燃料电池车辆13的最大输出的值被示为图9中的输出值P3。

设计二次电池(S320)。以与燃料电池车辆11的情况相同的方式执行二次电池的设计。在燃料电池车辆12的情况下，二次电池的最大输出对应于(P2-Pmax)。在燃料电池车辆13的情况下，二次电池的最大输出对应于(P3-2Pmax)。在燃料电池车辆13的情况下，由于n＝2，即安装了两个第三动力单元23，所以在一个第三动力单元23中包括的二次电池的最大输出对应于(P3-2Pmax)/2。

本实施方式中的步骤S320具体为确定堆叠多少个电池的过程。在该实施方式中，预先确定要使用的电池。为此，可以仅通过根据上述概念确定电池的数目来执行二次电池的设计。

设计驱动电动机(S330)。以与S320中的二次电池的设计相同的构思来执行驱动电动机的设计。即，执行设计以满足所需的最大输出和巡航条件下的输出。

设计二次电池转换器(S340)，并且最后设计电动机逆变器(S350)。

图12示意性地示出了燃料电池车辆11、燃料电池车辆12、燃料电池车辆13的制造流程。在燃料电池模块制造车间400中制造燃料电池模块50。制造的燃料电池模块50被输送到第一组装车间510和第二组装车间520。

二次电池120、二次电池120A被输送到第一组装车间510。二次电池120A是电气系统62中包括的二次电池。二次电池120B被输送到第二组装车间520。二次电池120B是第三动力单元23中包括的二次电池。

在第一组装车间510中，执行燃料电池车辆11、燃料电池车辆12的组装。第一组装车间510采用混合模型组装线。即，通过在单个生产线中混合来连续组装燃料电池车辆11、燃料电池车辆12。

在第二组装车间520中，执行燃料电池车辆13的组装。由于燃料电池车辆13的车体明显大于燃料电池车辆11、燃料电池车辆12的车体，所以在与用于燃料电池车辆11、燃料电池车辆12的生产线分开的生产线中组装燃料电池车辆13。

根据上述实施方式，与重新设计燃料电池模块50的方法相比，减少了用于重新设计燃料电池车辆的开发成本和开发周期。获得如上所述的效果的原因之一在于如下设计概念：由燃料电池堆的输出来供应巡航输出，并且在过渡状态下，由二次电池的输出补充燃料电池堆的输出的不足。

此外，在制造过程中，还由于燃料电池模块50是公共部件，所以降低了制造成本。

本公开内容不限于本说明书的实施方式或示例，并且可以在不脱离本公开内容的要旨的范围内以各种配置来实现。例如，为了解决上述问题中的一些或全部或者为了实现上述效果中的一些或全部，可以对与本发明内容中描述的各个方面中的技术特征对应的实施方式或示例中的技术特征进行适当地替换或组合。除非技术特征被描述为对于本说明书为不可缺少的，否则可以适当地删除该技术特征。例如，例示出以下特征。

安装在各个燃料电池车辆上的动力单元可以不具有相同的设计。例如，可以在设计上改变氢罐、燃料电池转换器和辅助机械中的至少一部分。

安装在各个燃料电池车辆上的燃料电池堆在设计上可能不完全相同。即，也可以对作为燃料电池堆的设计的非必要内容进行设计改变。例如，可以根据安装有电流收集端子161的汽车来改变电流收集端子161的位置。作为燃料电池堆的设计的不可缺少的内容也可以被认为是例如最大输出和巡航输出，或者也可以被认为是电池101的数目和发电区域的面积。

机动卡车可以不是拖曳拖车的类型。例如，机动卡车可以是全挂拖车或者可以是自卸车。

在机动卡车的设计中，燃料电池模块50的数目可以被确定为一。例如，可以提及皮卡车(pickup truck)等。

在除了机动卡车之外的汽车的设计中，燃料电池模块50的数目可以被确定为两个或更多。例如，可以提及大型公共汽车等。

除了汽车之外，被描述为实施方式的设计方法可以被应用于设置有电动机的其他机器。例如，设计用于在汽车中使用的燃料电池模块可以被转换成安装在另一电动机器上的燃料电池模块。作为其他机器，例如可以提及建筑机器、机器人、除了汽车之外的运输设备等。机器人包括在地面上行走的类型、在地面上用轮子行驶的类型以及在空中飞行的类型。作为除汽车之外的运输设备，还包括电动轨道车、摩托车、直升机等。

机器可以是联网汽车。联网汽车是设置有通信设备并且可以通过与云端通信来接收服务的汽车。

Claims (7)

1.一种设计机器的方法，所述机器上安装有：驱动电动机；燃料电池堆，其被配置成生成用于驱动所述驱动电动机的电流；以及二次电池，其被配置成释放用于驱动所述驱动电动机的电流，所述方法的特征在于包括：

将所述驱动电动机的最大输出功率确定为第一输出值,并且将车辆在巡航条件下行驶时的所述驱动电动机的输出功率确定为第二输出值；

将要安装的燃料电池堆的数目确定为n，n是自然数，并且所述车辆在所述巡航条件下行驶时由所述燃料电池堆输出的输出功率为第三输出值；以及

将所述二次电池的最大输出功率确定为通过下述运算获得的值：从所述第一输出值中减去通过将所述燃料电池堆的最大输出功率乘以n获得的值，其中：

通过将所述第三输出值乘以n而获得的值等于或大于所述第二输出值；并且

通过将所述第三输出值乘以n-1而获得的值小于所述第二输出值。

2.根据权利要求1所述的设计机器的方法，其特征在于，设计所述燃料电池堆的方法与设计安装在与所述机器分开设计的机器上的燃料电池堆的方法相同。

3.根据权利要求1或2所述的设计机器的方法，其特征在于，所述机器被设计成使得：当所述车辆在所述巡航条件下行驶时，保持所述二次电池的荷电状态。

4.根据权利要求1或2所述的设计机器的方法，其特征在于，还包括：

设计所述机器以安装：电连接至所述燃料电池堆的燃料电池转换器，所述燃料电池转换器被配置成控制所述燃料电池堆的发电电压；氢罐，其被配置成存储用于向所述燃料电池堆供应的氢；以及辅助机械，其用于所述燃料电池堆的发电；以及

设计所述机器以在n为2或更大时将所述燃料电池转换器、所述氢罐和所述辅助机械中的至少一个安装n台。

5.根据权利要求1或2所述的设计机器的方法，其特征在于，所述机器是汽车。

6.根据权利要求5所述的设计机器的方法，其特征在于，在n为2或更大的情况下，所述汽车是机动卡车。

7.根据权利要求5所述的设计机器的方法，其特征在于，当所述汽车为机动卡车时，n为2或更大。

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