CN110799369B - 燃料电池架构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于一种燃料电池系统架构系统，其提供良好的重量分布、改进的行李舱空间，并且没有降低针对前端和后端碰撞的安全性。上述目的是通过一种燃料电池车辆实现的，该车辆包括：‑位于车辆后部中的用于氢气的后部容器；‑位于车辆前部中的用于氢气的前部容器；‑氢计量供给单元；‑连接到氢计量供给单元、后部容器和前部容器的氢控制单元，该氢控制单元设有用于平衡后部容器与前部容器之间的压强的第一装置，该氢控制单元设有用于从这两个容器将处于预定压强水平的氢转移到氢计量供给单元的第二装置；‑空气供给；‑连接到氢计量供给单元和空气供给的燃料电池，空气供给设有用于给燃料电池提供空气的装置，氢计量供给单元给燃料电池提供氢；‑蓄电池；‑DC/DC转换器；‑燃料电池连接到蓄电池以给蓄电池提供能量，蓄电池和DC/DC转换器相互连接以交换能量，燃料电池和蓄电池位于车辆底部。

Description

燃料电池架构

技术领域

本发明涉及用于燃料电池车辆的部件的架构，特别地，涉及蓄电池、超级电容器和氢储存容器的位置。

背景技术

现有燃料电池车辆配备有产生电能以用于驱动发动机使车辆运作的燃料电池发电系统。这样的车辆设有用于给发动机提供能量的氢容器。

文献US 2008/0149410披露了一种用于燃料电池车辆的部件的布置结构，其包括引擎舱，在该引擎舱中，发动机和风机安装在框架的上部部分上。氢容器设置在车辆后部，发动机设置在前部。它储存例如35MPa至70Mpa的高压氢气。电气系统和燃料电池系统的部件布置在发动机的上部部分上。在车辆地板下方安装有加湿器、燃料电池电堆、燃料处理系统和氢容器。在行李舱中安装有超级电容器和蓄电池。

当前，在车架由轻质复合材料制成的情况下，上述结构的问题在于，当氢容器是满的时，存在重量平衡向后部偏移的风险。

这通过将重的蓄电池和超级电容器布置在前部中而得到补偿。

另一方面，当容器是空的时，所述部件位于前部中又使得车辆的重量平衡向前部偏移。

所述方案的另一问题在于，由于蓄电池和超级电容器体积较大，它们因此减小了行李舱中的可用空间。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有燃料电池系统架构的车辆，该燃料电池系统架构具有良好的重量分布、改进的行李舱空间，并且没有降低针对前端和后端碰撞的安全性。

上述目的是通过具有燃料电池系统的车辆实现的，该车辆包括：

- 位于车辆后部中的用于氢气的后部容器；

- 氢计量供给单元；

- 空气供给；

- 连接到氢计量供给单元和空气供给的燃料电池，该空气供给设有用于给燃料电池提供空气的装置，氢计量供给单元给燃料电池提供氢；

- 蓄电池；

- DC/DC转换器，

其特征在于，该车辆还包括：

- 位于车辆前部中的用于氢气的前部容器；

- 连接到氢计量供给单元、后部容器和前部容器的氢控制单元，该氢控制单元设有用于平衡后部容器与前部容器之间的压强的第一装置，该氢控制单元设有用于从这两个容器将处于预定压强水平的氢转移到氢计量供给单元的第二装置；以及

- 燃料电池连接到蓄电池以给蓄电池提供能量，蓄电池和DC/DC转换器相互连接以交换能量，燃料电池和蓄电池位于车辆底部。

所述车辆的一个优点在于，它提供良好的重量分布和改进的行李舱空间。

根据另一实施例，燃料电池连接到DC/DC转换器以给DC/DC转换器提供能量。

使用DC/DC转换器的一个优点在于，它降低来自燃料电池的直流电功率的电压。

根据又一实施例，DC/DC转换器位于车辆底部。

DC/DC转换器位于车辆底部的一个优点在于，在车辆中提供更多的行李舱空间。

根据一个实施例，燃料电池系统包括超级电容器，燃料电池连接到该超级电容器以给超级电容器提供能量，超级电容器和蓄电池相互连接以交换能量，并且超级电容器和DC/DC转换器相互连接以交换能量。

使用超级电容器的一个优点在于，在同样的重量下超级电容器能够比蓄电池储存更多能量。

根据一个另外的实施例，超级电容器位于车辆底部。

超级电容器位于车辆底部的一个优点在于，这有利于提供重量平衡的车辆。

根据又一另外的实施例，超级电容器适于集成在车辆的底部框架中。

将超级电容器集成在底部框架中的一个优点在于，这有利于提供重量平衡的车辆和提供对车辆空间更有效的使用。

根据一个其它的实施例，两个容器之间的重量差小于30%、优选地小于15%、更优选地小于1%。

平衡两个容器之间的重量十分重要。因此，最优选的是它们具有同样的重量。然而，当存在重量差时，可通过将其它部件布置在最轻的容器附近来加以补偿。

根据另一其它的实施例，前部容器位于驾驶员和前排座位上的乘客的脚部上方、在仪表盘下方的空腔中。

使前部容器位于驾驶员和前排座位上的乘客的脚部上方、在仪表盘下方的空腔中的一个优点在于，提供了针对前端碰撞的安全性。

根据一个实施例，空气管道位于车辆的侧部。

根据别的实施例，空气管道沿着车辆地板布置或者位于车辆地板下方。

使空气管道位于车辆侧部上、沿着车辆地板布置或者位于车辆地板下方的一个优点是释放了仪表盘下方的空间。

在所附独立和从属权利要求中列举了本发明特定的和优选的方面。来自从属权利要求的特征可以视情况与独立权利要求的特征和其它从属权利要求的特征组合，且不限于权利要求中明确列举出的组合方式。

尽管在汽车工业中燃料电池系统有持续的改进、变化和演变，本概念仍被认为具有显著新式且新颖的改进，包括背离现有做法，从而提供具有该性质的更有效、稳定和可靠的设备。

附图说明

本发明的上述和其它特征、特点和优点通过以下与示例性示出本发明原理的附图结合的详细说明将变得显而易见。该说明仅作为示例提供，而不限制本发明的范围。以下引用的参考图指的是附图。

图1是根据本发明的燃料电池系统中的部件的框图；

图2是包括根据本发明的燃料电池系统的机动车的结构的透视图。

在不同图中，相同的附图标记指相同或相似的元件。

具体实施方式

将就具体实施例并参照某些图来说明本发明，但本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的图仅是示意性的，并且是非限制性的。在图中，为了示意目的，某些元件的尺寸可能被夸大，未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于用于实施本发明的实际还原。

而且，本说明书和权利要求书中的“第一”、“第二”、“第三”和类似的词用于区分类似元件，不一定用于说明顺序（无论是时间的、空间的、排名的还是其它任何方式的）。应理解如此使用的词语在合适情况下可以互换，并且在此描述的本发明的实施例能够以与在此所述或所示的不同的顺序运作。

而且，本说明书和权利要求书中的“顶”、“底”、“上”、“下”和类似的词语用于说明目的，不一定用于描述相对位置。应理解如此使用的词语在合适情况下可以互换，并且在此描述的本发明的实施例能够以与在此所述或所示的不同的取向运作。

要注意在权利要求书中使用的词语“包括”不应解读为限于其后列出的手段；它并不排除其它元件或步骤。由此，应将其解读为说明存在所提及的特征、整数、步骤或部件作为参考，但不妨碍存在或增加一个或更多其它特征、整数、步骤或部件，或者它们的集合。由此，短语“包括A和B的装置”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。这句短语指的是设备相对于本发明有关的部件仅是A和B。

类似地，要注意同样在权利要求书中使用的词语“连接”不应解读为仅限于直接连接。可能会使用“耦合”和“连接”这些词以及它们的延生词。应理解这些词不旨在作为彼此的同义词。由此，短语“耦合到装置B的装置A”的范围不应限于其中装置A的输出直接连接到装置B的输入的装置或系统。它指的是在A的输出与B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其它装置或手段的路径。“连接”可以指两个或更多元件直接物理或电气接触，或者两个或更多元件不相互直接接触但仍相互合作或相互作用。

在本说明书整篇中对“一个实施例”或“实施例”的提及指的是结合该实施例所描述的具体的特点、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在本说明书整篇中的多个位置出现不一定指相同的实施例，但也可能指相同的实施例。而且，如对本领域技术人员基于本公开而显而易见的，这些具体的特点、结构或特征在一个或更多实施例中可以以任何合适的方式进行组合。

而且，尽管在此描述的某些实施例包括一些并未包含在其它实施例当中的特征，如本领域技术人员会理解的，不同实施例的特征的组合旨在包括在本发明的范围内，并形成不同的实施例。例如，在以下权利要求中，所要求保护的实施例中任一个可被用于任何组合。

在此提供的说明书中描述了众多具体细节。然而，应理解可以没有这些具体细节地实施本发明的实施例。在其它情况下，为人所熟知的方法、结构和技术并未详细示出，以免影响对本说明书的理解。

仅为了帮助理解本发明而提供以下术语。

燃料电池是通过带正电的氢离子与氧气或其它氧化剂的化学反应而将来自燃料的化学能转换成电力的装置。燃料电池在要求连续的燃料和氧气或空气源以持续化学反应上不同于蓄电池，而在蓄电池中，存在于蓄电池中的化学物质相互反应以生成电动势。只要供给这些输入，燃料电池就能连续地发电。

超级电容器是电容值比其它电容器高得多（但电压极限更低）的高容量电容器。它们通常每单位体积或质量储存比电解电容器多10到100倍的能量，能够比蓄电池快得多地接受和输出电荷，并容忍比可充电蓄电池多得多的充电和放电周期。由此，超级电容器能够在车辆减速（例如由于交通灯）时收集能量，然后直接输出所述能量以允许车辆加速。超级电容器具有比蓄电池长100倍的预期寿命，但非常重。

连接在燃料电池与发动机之间的DC/DC转换器增大从蓄电池供给的直流电电压，并将其输出到（连接到发动机的）牵引逆变器或车辆的发动机。DC/DC转换器减小由燃料电池（或另一功率产生单元，例如超级电容器或发动机）生成的直流电功率的电压，并将所获得的功率储存在蓄电池中。

短语“在车辆的底部中”指的是位于乘客座位下方、优选地在车辆地板处或在地板下方的位置。

现在将通过对本发明多个实施例的详细描述来说明本发明。显然可根据本领域技术人员的知识、不偏离本发明的真实精神或技术教导地构造本发明的其它实施例，本发明仅由所附权利要求书的项目限定。

图1是根据本发明的燃料电池系统中的部件的框图。位于车辆后部中的储存高压（例如35MPa到70MPa之间）氢气的后部容器V1连接到位于车辆前部中的储存高压氢气的前部容器V2。这些容器中至少一个设有用于提供氢气的开口（未示出）。氢控制单元161连接到后部容器V1和容器V2。氢控制单元161还连接到氢计量供给单元162，该氢计量供给单元162连接到燃料电池120。空气供给121连接到燃料电池120。该燃料电池系统还包括蓄电池144和DC/DC转换器141。图1所示的系统包括超级电容器146。然而，如果蓄电池足够大，具有两个容器V1和V2的燃料电池系统可以在没有超级电容器的情况下运行。大的蓄电池的一个不便之处在于它占据更多的空间并且很重。燃料电池120连接到蓄电池144和超级电容器146。DC/DC转换器141连接到蓄电池144和超级电容器146。DC/DC转换器连接到发动机143。牵引逆变器（未在图1中示出）可连接在DC/DC转换器与发动机之间。燃料电池120可连接到DC/DC转换器141。

在使用时，氢控制单元161控制两个氢容器V1、V2之间的氢气流动，以控制系统及其分别的容器中的压强。氢控制单元还给燃料电池提供来自容器V1、V2的氢，并将氢从储存压强转换成小于10bar的燃料电池供给压强。

要注意的是，由于不需要更高的压强，燃料电池被设计为处理不超过10bar的氢。处理10bar的氢比例如700bar的氢要简单。对于高于10bar的压强下的应用，燃料电池及其所有子部件都必须要重新设计。

氢计量供给单元162检查是否给燃料电池提供其量针对发动机143的运行优化了的氢。空气供给121给燃料电池120提供要在燃烧过程中使用的空气。

该燃料电池系统的重要特征在于它包括两个容器，一个位于车辆前部中，另一个位于车辆后部中，并且每个容器均连接到平衡储存在这两个容器中的氢的相同的氢控制单元。

这些容器比它们所储存的氢重得多。由此，平衡前部和后部容器的重量十分重要。优选地，容器具有相同的重量。可选地，当后部容器与前部容器之间有重量差时，可使用其它部件来平衡重量差。

在使用时，燃料电池120给蓄电池144和/或超级电容器146提供电能，该电能随后储存在蓄电池和/或超级电容器中。蓄电池具有大的能量储存容量，而超级电容器具有高功率。通过使这两个部件互连，可获得高储存容量（来自蓄电池）和间或在需要时获得高功率，而无需安装规模大于10kWh的蓄电池。

在使用时，蓄电池144和超级电容器146可将能量转移给彼此。例如，超级电容器在发动机抑制时收集能量，并在之后提供即时加速。

在使用时，DC/DC转换器降低来自燃料电池、蓄电池和/或超级电容器的直流电功率的电压，并给发动机143提供预定电压水平的电能。

并且，DC/DC转换器141可从发动机143接收能量（例如当发动机刹车时），DC/DC转换器将该能量转移给蓄电池和/或超级电容器用于临时储存。

根据一个优选实施例，DC/DC转换器位于车辆的底部中，由此有助于低重心。该重心有助于动态驾驶状况中的车辆稳定性。

该燃料电池系统的一个重要特征是蓄电池144和超级电容器146在燃料电池系统包括超级电容器时位于车辆的底部中。由于蓄电池和超级电容器是燃料电池系统中最重的部件，因此该在车辆的底部中的位置有利于提供重量平衡的车辆。

根据一个优选实施例，超级电容器被配置为使得它能够与车辆的底部框架集成在一起。由此，可优化空间。

通过使蓄电池和超级电容器位于车辆地板下方，释放了行李舱空间。

使用具有大致同等尺寸的两个氢容器，一个位于车辆后部中，另一个位于车辆前部中，这允许更好地优化车辆的重量平衡。

图2是包括根据本发明的燃料电池系统的机动车的示意性立面图。超级电容器146、蓄电池144和燃料电池120位于车辆底部中。DC/DC转换器141位于车辆前部的底部中。这种布置是有利的，因为该重的部件对车辆稳定性具有巨大的影响。DC/DC转换器也可位于车辆后部的底部处。

在图2中，氢计量供给单元162和氢控制单元161位于车辆地板下方、在乘客座位下方。这种布置是有利的，因为这样允许容器与燃料电池之间最短的线路布线。

然而，氢计量供给单元162和氢控制单元161也可位于车辆的前部或后部中，除开车辆碰撞变形区域以外。

图2中的燃料电池系统包括两个氢容器，即位于车辆后部中的后部容器V1和位于车辆前部中的前部容器V2。后部容器V1和前部容器V2优选地位于后轴梁180A与前轴梁180B之间，这是因为前后轴梁在撞车情况下保护这些容器。后部容器V1优选地位于乘客座位后方，这是因为这样的位置提供最佳的重量平衡，但也可位于更后方。然而，如果后部容器位于更后方，会减小可用的行李舱空间。如果在后部中布置得更加靠后，它会进入碰撞变形区域，而出于安全原因应该避免如此。前部容器V2优选地位于驾驶员和前排座位的乘客的脚部上方、在仪表盘（未在图2中示出）下方的空腔中，这是因为这样的位置提供最佳的重量平衡、优化的行李舱空间和在撞车情况下的安全性。通常位于仪表盘下方的空气管道可位于车辆侧部、沿着地板布置。然而，如果将前部容器布置得更靠近车辆前部，会减小可用行李舱空间和降低前部碰撞安全性。

在后部143A或前部143B处设置有电发动机。

超级电容器具有与普通车辆同等的或更长的预期寿命。因此，可将其集成在车辆的底部框架中。为了将超级电容器与车辆底部框架集成在一起，可将超级电容器的形状设计为使其具有与车辆底部相同的厚度。超级电容器的预期寿命超过蓄电池的预期寿命。有利地可将超级电容器设计为使其在正常情况下不需要在车辆寿命期间进行更换。由此，超级电容器可集成在永久性车辆结构中。

超级电容器集成在车辆框架中的做法使得燃料电池系统更加紧凑。

超级电容器具有堆栈结构，因此可制造为薄到5cm并集成在车辆结构中。

Claims (11)

1.一种具有燃料电池系统的车辆，所述车辆包括：

- 位于所述车辆的后部、在乘客座位后方的用于氢气的后部容器（V1）；

- 氢计量供给单元（162）；

- 空气供给（121）；

- 连接到所述氢计量供给单元（162）和所述空气供给（121）的燃料电池（120），所述空气供给（121）设有用于给所述燃料电池（120）提供空气的装置，所述氢计量供给单元（162）给所述燃料电池（120）提供氢；

- 蓄电池（144）；

- DC/DC转换器（141）；

其特征在于，所述车辆还包括：

- 位于所述车辆的前部、在驾驶员和前排座位的乘客的脚部上方、在仪表盘下方的空腔中的用于氢气的前部容器（V2）；

- 连接到所述氢计量供给单元（162）、所述后部容器（V1）和所述前部容器（V2）的氢控制单元（161），所述氢控制单元（161）设有用于平衡所述后部容器（V1）与所述前部容器之间的压强的第一装置，所述氢控制单元（161）设有用于从这两个容器（V1、V2）将处于预定压强水平的氢转移到所述氢计量供给单元（162）的第二装置；以及

- 所述燃料电池（120）连接到所述蓄电池（144）以给所述蓄电池提供能量，所述蓄电池和所述DC/DC转换器相互连接以交换能量，所述燃料电池（120）和所述蓄电池（144）位于所述车辆的底部。

2.如权利要求1所述的车辆，所述燃料电池（120）连接到所述DC/DC转换器（141）以给所述DC/DC转换器提供能量。

3.如权利要求1或2所述的车辆，其中，所述DC/DC转换器（141）位于所述车辆的底部。

4.如权利要求1或2所述的车辆，包括超级电容器（146），所述燃料电池（120）连接到所述超级电容器（146）以给所述超级电容器（146）提供能量，所述超级电容器（146）和所述蓄电池（144）相互连接以交换能量，所述超级电容器（146）和所述DC/DC转换器（141）相互连接以交换能量。

5.如权利要求4所述的车辆，所述超级电容器（146）位于所述车辆的底部。

6.如权利要求5所述的车辆，其中，所述超级电容器（146）适于集成在所述车辆的底部框架中。

7.如权利要求1或2所述的车辆，其中，所述两个容器（V1、V2）之间的重量差小于30%。

8.如权利要求1或2所述的车辆，其中，所述两个容器（V1、V2）之间的重量差小于15%。

9.如权利要求1或2所述的车辆，其中，所述两个容器（V1、V2）之间的重量差小于1%。

10.如权利要求1或2所述的车辆，其中，空气管道位于所述车辆的侧部。

11.如权利要求1或2所述的车辆，其中，空气管道沿着所述车辆的地板布置或者位于所述车辆的地板下方。

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