CN110098424A - 一种燃料电池高压集成装置、系统以及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池高压集成装置、系统以及汽车，集成装置包括一个箱体，箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，箱体上还设置有相关的接口，用于与外界的相关设备进行连接。将主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器等集成在一个箱体内，构成一个集成设备。在与外部的相关设备连接时，只需要通过该箱体上的相关接口与外部设备进行连接即可，系统安装简便。系统还能够实现相关高压回路和高压安全的集中管理，而且，外部高压电气连接点就只有箱体上的接口这一种，因此，外露高压连接点个数很少，失效点个数也就大幅度减小，从而提升了高压安全系数，保证了高压供电安全。

Description

一种燃料电池高压集成装置、系统以及汽车
技术领域
本发明涉及一种燃料电池高压集成装置、系统以及汽车。
背景技术
燃料电池汽车是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车，能量转化效率高、无噪音、少污染，几乎不排放氮氧化合物。其动力方面的不同在于燃料电池车用的电力来自车载燃料电池装置，电动汽车所用的电力来自电网充电的蓄电池。目前国外丰田、本田、现代均已推出量产版的燃料电池乘用车，并完成了上千辆的推广。美国加州和欧洲的客车示范运行持续进行。日本提出氢能社会的构想并实现了量产版产品，中国也提出中国制造2025，明确了对燃料电池汽车的补贴政策，国内主要的汽车公司纷纷加大燃料电池研发投入，为燃料电池技术发展提供了良好的发展时机。
目前我公司采用分立部件方案来布置规划燃料电池高压供电系统，各部件之间相互独立，通过高低压线束进行电气连接，如图1所示。而且，授权公告号为CN205706216U的中国专利文件中公开了一种燃料电池混合动力系统，包括燃料电池系统、动力电池系统、主DC/DC变换器、空压机控制器以及其他相关的低压附件，这些组成部分通过相应的连接线路进行连接。与图1所示的系统构型一样，这些现有的燃料电池系统，尤其是高压供电系统均是由分立部件构成，各分立部件间外露高压连接点个数多，相应地，失效点个数也就较多，增高高压安全难度；而且，分立部件方案集成度较低，占用空间大，系统安装不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池高压集成装置，用以解决传统的分立部件构成的系统外露高压连接点个数多从而造成高压安全系数较低的问题。本发明同时提供一种燃料电池系统以及一种燃料电池汽车。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
装置方案一：本方案提供一种燃料电池高压集成装置，包括一个箱体，所述箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，所述箱体上设置有用于与燃料电池连接的高压接口，用于与低压附件连接的低压接口，用于与动力电池连接的电池接口以及用于与空压机连接的电机接口，所述主DC/DC变换器的一端连接所述高压接口，所述主DC/DC变换器的另一端分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述空压机控制器的另一端连接所述电机接口，所述低压DC/DC变换器的另一端连接所述低压接口。
将主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器等集成在一个箱体内，这些组成部分的连接关系在箱体内体现，所以，这些组成部分再加上箱体构成了一个整体，即构成一个集成设备，各组成部分之间的连接线路就是该集成设备的内部线路，不再是外露的高压连接点。在与外部的相关设备连接时，只需要通过该箱体上的相关接口与外部设备进行连接即可，系统安装简便。因此，本方案将燃料电池高压系统进行了集中设计，实现相关高压回路和高压安全的集中管理，而且，外部高压电气连接点就只有箱体上的接口这一种，因此，外露高压连接点个数很少，相较于现有方案，外露高压连接点个数大幅度减小，失效点个数也就大幅度减小，从而提升了高压安全系数，保证了高压供电安全。而且，相对于分立部件构成的系统，系统集成度更高，体积和重量大幅度减小，投入成本更少，功率密度更高。
装置方案二：在装置方案一的基础上，所述高压接口与所述主DC/DC变换器的一端的连接线路上串设有第一开关模块，所述第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，所述第一开关支路上串设有第一电阻和第一开关，所述第二开关支路上串设有第二开关。
装置方案三：在装置方案一或二的基础上，所述主DC/DC变换器的另一端通过第二开关模块分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，所述第三开关支路上串设有第三开关，所述第四开关支路上串设有第二电阻和第四开关。
能够实现系统软启动，实现系统预充，降低系统电压冲击。
装置方案四：在装置方案三的基础上，所述第二开关模块通过第一连接线路连接所述空压机控制器的一端，所述第二开关模块连接第二连接线路的一端，所述第二连接线路的另一端分别连接所述低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
第二连接线路实现了两个功率传输的复用，实现了各部件之间的结构融合，进一步提高了系统集成度，降低了系统体积，提高了系统功率密度。
装置方案五：在装置方案三的基础上，所述第二开关模块通过第一熔断器、第二熔断器和第三熔断器分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
能够保证线路运行安全，防止过流运行，进而防止器件损坏。
装置方案六：在装置方案四的基础上，所述第二连接线路的另一端与所述低压DC/DC变换器的一端之间的连接线路上串设有第五开关。
装置方案七：在装置方案一或二或四或五或六的基础上，所述箱体内还设置有高压配电铜排，箱体内的各组成部分通过高压配电铜排进行相应地连接。
系统集成后各高压电气部件采用铜排连接，解决高压线缆大电流载流能力问题，提高通流能力，提高系统可靠性，还能够进一步缩小系统体积。
系统方案一：本方案提供一种燃料电池系统，包括燃料电池，还包括一种燃料电池高压集成装置，所述集成装置包括一个箱体，所述箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，所述箱体上设置有用于与燃料电池连接的高压接口，用于与低压附件连接的低压接口，用于与动力电池连接的电池接口以及用于与空压机连接的电机接口，所述主DC/DC变换器的一端连接所述高压接口，所述主DC/DC变换器的另一端分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述空压机控制器的另一端连接所述电机接口，所述低压DC/DC变换器的另一端连接所述低压接口。
系统方案二：在系统方案一的基础上，所述高压接口与所述主DC/DC变换器的一端的连接线路上串设有第一开关模块，所述第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，所述第一开关支路上串设有第一电阻和第一开关，所述第二开关支路上串设有第二开关。
系统方案三：在系统方案一或二的基础上，所述主DC/DC变换器的另一端通过第二开关模块分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，所述第三开关支路上串设有第三开关，所述第四开关支路上串设有第二电阻和第四开关。
系统方案四：在系统方案三的基础上，所述第二开关模块通过第一连接线路连接所述空压机控制器的一端，所述第二开关模块连接第二连接线路的一端，所述第二连接线路的另一端分别连接所述低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
系统方案五：在系统方案三的基础上，所述第二开关模块通过第一熔断器、第二熔断器和第三熔断器分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
系统方案六：在系统方案四的基础上，所述第二连接线路的另一端与所述低压DC/DC变换器的一端之间的连接线路上串设有第五开关。
系统方案七：在系统方案一或二或四或五或六的基础上，所述箱体内还设置有高压配电铜排，箱体内的各组成部分通过高压配电铜排进行相应地连接。
系统方案八：在系统方案一或二或四或五或六的基础上，所述燃料电池系统还包括低压附件、动力电池以及空压机，所述低压附件与所述低压接口连接，所述动力电池与所述电池接口连接，所述空压机与所述电机接口连接。
汽车方案一：本方案提供一种燃料电池汽车，包括一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池系统还包括燃料电池高压集成装置，所述集成装置包括一个箱体，所述箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，所述箱体上设置有用于与燃料电池连接的高压接口，用于与低压附件连接的低压接口，用于与动力电池连接的电池接口以及用于与空压机连接的电机接口，所述主DC/DC变换器的一端连接所述高压接口，所述主DC/DC变换器的另一端分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述空压机控制器的另一端连接所述电机接口，所述低压DC/DC变换器的另一端连接所述低压接口。
汽车方案二：在汽车方案一的基础上，所述高压接口与所述主DC/DC变换器的一端的连接线路上串设有第一开关模块，所述第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，所述第一开关支路上串设有第一电阻和第一开关，所述第二开关支路上串设有第二开关。
汽车方案三：在汽车方案一或二的基础上，所述主DC/DC变换器的另一端通过第二开关模块分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，所述第三开关支路上串设有第三开关，所述第四开关支路上串设有第二电阻和第四开关。
汽车方案四：在汽车方案三的基础上，所述第二开关模块通过第一连接线路连接所述空压机控制器的一端，所述第二开关模块连接第二连接线路的一端，所述第二连接线路的另一端分别连接所述低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
汽车方案五：在汽车方案三的基础上，所述第二开关模块通过第一熔断器、第二熔断器和第三熔断器分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
汽车方案六：在汽车方案四的基础上，所述第二连接线路的另一端与所述低压DC/DC变换器的一端之间的连接线路上串设有第五开关。
汽车方案七：在汽车方案一或二或四或五或六的基础上，所述箱体内还设置有高压配电铜排，箱体内的各组成部分通过高压配电铜排进行相应地连接。
汽车方案八：在汽车方案一或二或四或五或六的基础上，所述燃料电池系统还包括低压附件、动力电池以及空压机，所述低压附件与所述低压接口连接，所述动力电池与所述电池接口连接，所述空压机与所述电机接口连接。
附图说明
图1是现有的燃料电池高压供电系统的电路结构图；
图2是本发明提供的燃料电池系统的电路结构图。
具体实施方式
燃料电池汽车实施例
本实施例提供一种燃料电池汽车，包括一种燃料电池系统，当然，还包括其他的组成部分，由于其他的组成部分不是保护重点，这里就不再具体说明，以下只对燃料电池系统进行说明。
燃料电池系统主要包括两大部分：燃料电池和一种燃料电池高压集成装置，当然，还包括燃料电池系统低压附件、动力电池以及空压机等设备。由于燃料电池、燃料电池系统低压附件、动力电池以及空压机等设备属于现有设备，这里就不再具体介绍，本发明的保护点在于燃料电池高压集成装置，以下结合附图2对该集成装置进行具体说明。
如图2所示，燃料电池高压集成装置包括一个箱体(以虚线框表示)，箱体内集成有升压DC/DC变换器(即主DC/DC变换器)、空压机控制器和低压DC/DC变换器，并且，为了实现与外部设备的连接，箱体上设置有以下接口：高压接口、低压接口、电池接口以及电机接口，其中，高压接口用于与燃料电池连接，低压接口用于与燃料电池系统的低压附件连接，电池接口用于与动力电池连接，电机接口用于与空压机M连接。如图2所示，升压DC/DC变换器的一端连接箱体上的高压接口，升压DC/DC变换器的另一端为箱体内的其他组成部分的供电端口，能够分别连接空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和电池接口。空压机控制器的另一端连接电机接口，低压DC/DC变换器的另一端连接低压接口。
为了实现系统软启动，降低系统电压冲击，箱体内还设置有两个软启动开关，分别称为第一开关模块和第二开关模块。其中，第一开关模块串设在高压接口与升压DC/DC变换器的一端的连接线路上，如图2所示，第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，第一开关支路上串设有电阻R1和开关K1，第二开关支路上串设有开关K2。升压DC/DC变换器的另一端，即用于与箱体内其他设备连接的一端设置有第二开关模块，第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，第三开关支路上串设有开关K3，第四开关支路上串设有电阻R2和开关K4。其中，开关K1-K4均以接触器为例。
为了对箱体内的电路连接关系进行优化，实现功率回路即连接电路的复用，低压DC/DC变换器和电池接口使用同一条线路连接升压DC/DC变换器。如图2所示，第二开关模块通过第一连接线路连接空压机控制器的一端，第二开关模块连接第二连接线路的一端，第二连接线路的另一端分别连接低压DC/DC变换器和电池接口。第二连接线路实现了两个功率传输的复用，实现了各部件之间的结构融合，进一步提高了系统集成度，降低了系统体积，提高了系统功率密度。另外，在第二连接线路的另一端与低压DC/DC变换器之间的连接线路上串设有开关K5，也以接触器为例。
另外，为了保证线路运行安全，防止过流运行，第二开关模块与空压机控制器的连接线路上设置有第一熔断器，第二开关模块与低压DC/DC变换器的连接线路上设置有第二熔断器，第二开关模块与电池接口的连接线路上设置有第三熔断器，图2给出一种具体的实现方式。
箱体内还设置有高压配电铜排，箱体内的各高压电气部件通过高压配电铜排进行相应地连接。系统集成后各高压电气部件采用铜排连接，解决高压线缆大电流载流能力问题，提高通流能力，提高系统可靠性，还能够进一步缩小系统体积。
以上说明了系统的硬件结构，以下给出系统的两个运行过程。
上电过程：
燃料电池上电完成后，接触器K1闭合完成预充，之后闭合接触器K2并断开接触器K1，然后升压DC/DC变换器上电启动并闭合接触器K4，对母线电容进行预充，同时闭合附件接触器K5，预充完成后闭合主接触器K3并断开接触器K4，完成系统上电。
下电过程：
升压DC/DC变换器先降载至最小功率，之后依次断开接触器K3、K5、K2，收到反馈后空压机控制器停机，燃料电池系统停止工作。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述集成装置的硬件结构，并不在于其运行过程。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
燃料电池系统实施例
本实施例提供一种燃料电池系统，由于该系统在上述汽车实施例中已给出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。
燃料电池高压集成装置实施例
本实施例提供一种燃料电池高压集成装置，由于该集成装置在上述汽车实施例中已给出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

Claims (10)

1.一种燃料电池高压集成装置，其特征在于，包括一个箱体，所述箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，所述箱体上设置有用于与燃料电池连接的高压接口，用于与低压附件连接的低压接口，用于与动力电池连接的电池接口以及用于与空压机连接的电机接口，所述主DC/DC变换器的一端连接所述高压接口，所述主DC/DC变换器的另一端分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述空压机控制器的另一端连接所述电机接口，所述低压DC/DC变换器的另一端连接所述低压接口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池高压集成装置，其特征在于，所述高压接口与所述主DC/DC变换器的一端的连接线路上串设有第一开关模块，所述第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，所述第一开关支路上串设有第一电阻和第一开关，所述第二开关支路上串设有第二开关。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池高压集成装置，其特征在于，所述主DC/DC变换器的另一端通过第二开关模块分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，所述第三开关支路上串设有第三开关，所述第四开关支路上串设有第二电阻和第四开关。
4.根据权利要求3所述的燃料电池高压集成装置，其特征在于，所述第二开关模块通过第一连接线路连接所述空压机控制器的一端，所述第二开关模块连接第二连接线路的一端，所述第二连接线路的另一端分别连接所述低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口。
5.一种燃料电池系统，包括燃料电池，其特征在于，还包括一种燃料电池高压集成装置，所述集成装置包括一个箱体，所述箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，所述箱体上设置有用于与燃料电池连接的高压接口，用于与低压附件连接的低压接口，用于与动力电池连接的电池接口以及用于与空压机连接的电机接口，所述主DC/DC变换器的一端连接所述高压接口，所述主DC/DC变换器的另一端分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述空压机控制器的另一端连接所述电机接口，所述低压DC/DC变换器的另一端连接所述低压接口。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，所述高压接口与所述主DC/DC变换器的一端的连接线路上串设有第一开关模块，所述第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，所述第一开关支路上串设有第一电阻和第一开关，所述第二开关支路上串设有第二开关。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述主DC/DC变换器的另一端通过第二开关模块分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，所述第三开关支路上串设有第三开关，所述第四开关支路上串设有第二电阻和第四开关。
8.一种燃料电池汽车，包括一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括燃料电池，其特征在于，所述燃料电池系统还包括燃料电池高压集成装置，所述集成装置包括一个箱体，所述箱体内集成有主DC/DC变换器、空压机控制器和低压DC/DC变换器，所述箱体上设置有用于与燃料电池连接的高压接口，用于与低压附件连接的低压接口，用于与动力电池连接的电池接口以及用于与空压机连接的电机接口，所述主DC/DC变换器的一端连接所述高压接口，所述主DC/DC变换器的另一端分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述空压机控制器的另一端连接所述电机接口，所述低压DC/DC变换器的另一端连接所述低压接口。
9.根据权利要求8所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述高压接口与所述主DC/DC变换器的一端的连接线路上串设有第一开关模块，所述第一开关模块由第一开关支路和第二开关支路并联构成，所述第一开关支路上串设有第一电阻和第一开关，所述第二开关支路上串设有第二开关。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池汽车，其特征在于，所述主DC/DC变换器的另一端通过第二开关模块分别连接所述空压机控制器的一端、低压DC/DC变换器的一端和所述电池接口，所述第二开关模块由第三开关支路和第四开关支路并联构成，所述第三开关支路上串设有第三开关，所述第四开关支路上串设有第二电阻和第四开关。
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