CN115513501A - 用于向燃料电池系统供应压缩空气的系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于向燃料电池系统供应压缩空气的系统，尤其是用于向车辆(10)的燃料电池供应压缩空气的系统(30)，该系统包括：第一压缩机(33)，其具有用于接收空气的入口和用于将压缩空气输送到燃料电池的出口；空气储存罐(35)，其布置在第一压缩机上游并与第一压缩机串联，并且被构造成储存高压的压缩空气；空气选择控制组件(38)，其包括选择阀(38a)和被配置成操作该选择阀的切换致动器(38b)，其中所述选择阀布置在空气储存罐与第一压缩机的入口之间，并且进一步与用于接收新鲜空气的入口导管(51)流体连通，所述切换致动器被配置成操作所述选择阀以选择性地控制到第一压缩机的空气流，使得空气可从空气储存罐供应到第一压缩机或从新鲜空气入口导管供应到第一压缩机。

Description

用于向燃料电池系统供应压缩空气的系统
技术领域
本公开涉及一种用于向车辆的燃料电池系统供应压缩空气的系统以及设有这种系统的燃料电池系统。本公开通常可用于燃料电池系统中，该燃料电池系统用作诸如卡车、公共汽车和建筑设备等的重型车辆的电动力总成系统的一部分。本发明同样可应用于其它车辆，例如轿车和其它轻型车辆等，也可应用于船舶等。
背景技术
用于重型车辆的替代动力源和推进系统的开发越来越多，其旨在补充或替代内燃机。一种这样的动力源是能够将氢转化为电能的燃料电池系统，其中电能又可以用于车辆推进。
在这些类型的燃料电池系统中，通常需要具有用于确保压缩空气的高流速的压缩机，以便与氢的供应一起以有效方式产生电力。因此，几乎所有现代燃料电池都在燃料电池系统的配套设施(balance of plant)中包含压缩机。
DE 102010052797A1公开了用于车辆的燃料电池系统的一个示例，该燃料电池系统具有附接到燃料电池单元的氧化剂供应安装部分。此外，该车辆包括电驱动压缩机单元和被布置成用于处理燃料电池系统的动态负载变化的氧化剂储罐。
尽管本领域中已有各种活动，但仍希望在某些操作条件期间进一步改进燃料电池系统的操作。
此外，与用于乘用轿车的燃料电池相比，在诸如卡车等的重型车辆领域，其要求和运行条件往往不同。例如，由于卡车的重量和巨大的运行负载，对重型车辆的燃料电池系统的要求通常高于对乘用轿车的燃料电池系统的要求。而且，某些类型的电动重型车辆通常包括除了燃料电池系统之外的附加动力源。鉴于上述情况，还希望提高重型车辆的燃料电池系统的整体可靠性。
发明内容
本公开的目的是提供燃料电池系统的改进的操作，其中，在高海拔处也能够以更可靠的方式将压缩空气供应到燃料电池系统的燃料电池。该目的至少部分地通过下文所述的系统来实现。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于向车辆的燃料电池供应压缩空气的系统。该系统包括：第一压缩机，该第一压缩机具有用于接收空气的入口和用于将压缩空气输送到燃料电池的出口；空气储存罐，该空气储存罐布置在第一压缩机的上游并与第一压缩机串联，并且该空气储存罐被构造成储存高压的压缩空气；空气选择控制组件，该空气选择控制组件包括选择阀和被配置成操作该选择阀的切换致动器。该选择阀布置在第一压缩机的入口与空气储存罐之间，并且进一步与用于接收新鲜空气的入口流体连通。此外，该切换致动器被构造成操作该选择阀以选择性地控制到第一压缩机的空气流，使得空气能够从空气储存罐供应到第一压缩机或从新鲜空气入口导管供应到第一压缩机。
该系统的开发至少部分是基于以下认识：由于环境压力的降低，传统压缩机无法在高海拔处以足够的压力提供所期望的质量流量。因此，来自燃料电池的功率需求可能需要在高海拔运行时降额。即，随着车辆牵引马达汲取电流，燃料电池系统的燃料电池中的氢气和氧气变得耗尽。通常基于车辆的功率需求，对阳极中的氢气流量和阴极中的压缩空气流量进行调整。然而，在与高海拔处的高功率请求相关的某些驾驶情形下，由于车辆外部的大气压力较低，可能难以向燃料电池提供足够的压缩空气流。根据示例实施例的系统对于管理在高海拔操作中需要高功率请求的燃料电池的各种操作特别有用。
该优点至少部分地由位于第一压缩机上游并与第一压缩机串联的空气储存罐的布置来提供，从而允许高效且简单地储存高压的压缩空气，并且空气选择控制组件的布置被配置成选择性地控制到第一压缩机的空气流。这样，空气选择控制组件被构造成在高海拔处和/或高功率需求期间将空气从空气储存罐引导至第一压缩机，或者在正常环境压力和/或在正常功率需求下将新鲜空气从新鲜空气入口导管引导至第一压缩机。
换言之，通过利用可由切换致动器操作的选择阀选择性地控制从空气储存罐到第一压缩机或从新鲜空气入口导管到第一压缩机的空气流，变得可以在其中大气压力水平不足以用于第一压缩机的高海拔驾驶情形期间提高系统的可靠性。在这种情形中，控制切换是可操作的，以响应于所确定的大气压力水平引导来自空气储存罐的空气。
因此，在高海拔驾驶情形期间，该系统允许在第一压缩机的入口处提供与海平面处的压力水平基本相同的压力。因此，提供了燃料电池电动车辆(FCEV)在高海拔处的改进的操作。换言之，提供了一种能够以更可靠的方式向燃料电池提供压力基本相等的压缩空气的系统，以用于燃料电池和车辆的高于海平面的不同海拔高度。因此，该系统可以有助于燃料电池系统的更可靠操作，因为在高海拔驾驶情形下也可以向车辆输送与海平面处基本相同水平的动力。为此，通过将空气储存罐与第一压缩机串联布置，变得在燃料电池的各种运行情形下也可以在高海拔处供应并使用压缩空气。
举例来说，当车辆的燃料电池在高海拔处运行时，空气储存罐中的所储存的压缩空气可以膨胀并且以1巴的压力被输送到燃料电池的空气供应侧(阴极侧)(在4000m处，环境压力可能为约0.6巴)。以这种方式，该系统允许在第一压缩机的入口处提供与海平面处相同的压力。应该注意，将压缩空气从空气储存罐输送到第一压缩机的操作通常可以根据空气储存罐的主要容量来控制。举例来说，该系统是基于空气储存罐中的主要压力和空气储存罐的容积来控制的。
通常，第一压缩机可以布置成与大气直接流体连通，以经由用于接收新鲜空气的所述入口接收新鲜空气。
根据至少一个实施例，所述空气选择控制组件是可控的，以响应于所确定的空气特性水平来控制空气流，使得：如果所确定的空气特性水平低于阈值，则从空气储存罐提供对第一压缩机的空气供应。举例来说，该空气特性水平是环境压力水平和空气质量水平中的任一种。环境压力水平通常可以由传感器确定，该传感器例如是被布置成监测车辆外部的环境压力的压力传感器。类似地，空气质量水平可由被配置成测量车辆外部的空气质量的合适传感器确定。基于来自这些传感器中的至少一个传感器的数据，所述空气选择控制组件可操作以控制该选择阀在从新鲜空气入口导管接收空气和从空气储存罐接收压缩空气之间进行切换。
另外或替代地，所述空气选择控制组件可以是可控的，以在车辆在海平面的环境压力下的正常运行期间控制从新鲜空气入口导管到第一压缩机的空气流。另外或替代地，所述空气选择控制组件可以是可控的，以基于空气储存罐中的主要压力来控制对第一压缩机的空气供应。
举例来说，所述切换致动器可操作以控制具有用于空气储存罐的第一入口和用于新鲜空气入口的第二入口的传统选择阀。此外，该选择阀包括到第一压缩机的出口。在一个示例中，该选择阀被提供为所谓的三端口/两位阀的形式。这种类型的阀也可以称为三通两位换向阀(directional valve)。如本领域所公知的，所述切换致动器可以气动地或电动地致动该选择阀。
在燃料电池和车辆在足够低的海拔(即，在正常环境压力下)处的正常运行期间，该选择阀处于第一用户构造，在该第一用户构造中，从新鲜空气入口导管接收新鲜空气，随后将新鲜空气传输到第一压缩机。当需要使用来自所述储存罐的压缩空气时(例如在高海拔和高功率需求下)，该选择阀被控制以切换到第二用户构造，在该第二用户构造中，从所述储存罐接收压缩空气。举例来说，所述切换致动器可以具有螺线管致动器，该螺线管致动器可操作以使空气选择控制组件的选择阀在第一用户构造和第二用户构造之间移动。通常，可响应于来自控制单元的输入信号来控制包括该选择阀和相关联的切换致动器的空气选择控制组件。
因此，根据至少一个实施例，该系统还包括与空气选择控制组件的切换致动器通信的控制单元，其中，所述切换致动器被配置成基于来自控制单元的指令来操作该选择阀。该控制单元可以是空气选择控制组件的一体部分。
可选地，该系统还可以包括布置在第一压缩机和空气储存罐之间的减压系统。该减压系统被构造成降低所述高压的压缩空气的压力。通过使用减压系统，变得可以以例如1巴的压力向第一压缩机供应空气，从而进一步使燃料电池能够与在海平面处一样提供相同的功率。
根据至少一个实施例，所述空气储存罐被布置成与第二压缩机流体连通，该第二压缩机用于接收和压缩环境空气并将压缩的空气输送到空气储存罐。环境空气通常是经由额外空气过滤器从大气中供应的新鲜空气。
当有可能使用来自车辆制动事件的过多能量时，第二压缩机的布置特别有用。在这种情况下，人们已经意识到FCEV通常需要额外的装置(例如减速器)或足够尺寸的蓄电池来吸收在下坡行驶时产生的制动能量。减速器通常会导致能量浪费，而更大的蓄电池可能会导致车辆重量增加和能量储存系统的尺寸过大以只满足一项要求。通过提供一种系统(该系统具有空气储存罐，该空气储存罐布置在第一压缩机上游并与第一压缩机串联，从而允许高效而简单地储存高压的压缩空气)，还变得可以提高车辆在制动事件期间吸收一定量的能量和功率的能力。这种过多的能量甚至可以用于对系统中的空气进行加压，该空气随后可以传输到空气储存罐以供以后在高海拔处使用，从而增加燃料电池可以提供足够功率的可能性。
因此，第二压缩机可以用于吸收来自车辆的部分制动功率，并且使用这种过多的能量将空气压缩至高压。高压的压缩空气随后被输送到空气储存罐并储存在空气储存罐中，以便例如在高海拔处当对燃料电池有高功率需求时使用。这也可以允许更有效地回收能量，而不会使车辆的蓄电池/能量储存系统过大。
因此，根据至少一个实施例，第二压缩机被布置成根据从制动事件回收制动能量而运行。这样，第二压缩机被布置成吸收从制动事件产生的能量。举例来说，第二压缩机被驱动地连接到马达，该马达能够通过从再生制动产生的电力来运行，由此，在制动事件期间，空气储存罐被来自第二压缩机的压缩空气填充或重新填充。
第二压缩机可以以几种不同的构造来提供。通常，第二压缩机可以是电动或机械操作的压缩机中的任一种。另外或替代地，第二压缩机可被构造成在任何类型的驾驶情形下(即使当车辆没有制动时)运行。
可选地，该系统还可以包括增压空气冷却器CAC。该增压空气冷却器通常可以布置在第一空气压缩机和燃料电池之间。此外，该增压空气冷却器可被构造成在压缩空气供应到燃料电池之前降低压缩空气的温度。
可选地，该系统还可以包括布置在第一空气压缩机和燃料电池之间的加湿器。该加湿器可以被构造成在压缩空气供应到燃料电池之前控制压缩空气的湿度。
关于空气选择控制组件的控制和该系统的控制，应该容易理解的是，可以进一步结合燃料电池系统和车辆的其它运行数据来控制实际的空气流。这样的数据通常可以存储在控制单元(例如ECU)中。因此，该系统通常可以包括控制单元，该控制单元被布置成与空气选择控制组件通信，例如与所述切换致动器通信。该控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其它可编程设备。因此，该控制单元通常包括电子电路和连接件以及处理电路，使得控制单元可以与该系统的不同部分并且与燃料电池系统的其它部件(例如燃料电池堆、冷却剂系统、热交换器、散热器、压力传感器、温度传感器或车辆的任何其它部件)通信，以便提供示例实施例的功能。该控制单元可以包括硬件或软件的模块，或者部分硬件或软件的模块，并且这些模块使用诸如CAN总线的已知传输总线和/或无线通信能力进行通信。该处理电路可以是通用处理器或专用处理器。该控制单元通常可以包括用于在其上存储计算机程序代码和数据的非瞬态存储器。因此，该控制单元可以通过许多不同的构造来实现。该控制单元可以是空气选择控制组件的一部分。在其它实施例中，该控制单元可以是另一个系统或部件的一部分，并且被配置成通过有线或无线方式与空气选择控制组件通信，如本领域已知的。
根据本公开的第二方面，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池堆和根据本公开的第一方面的系统。该系统与燃料电池堆流体连通。本公开的该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本公开的第一方面描述的效果和特征。关于本公开的第一方面提及的实施例在很大程度上与本公开的第二方面兼容。燃料电池堆可以包括多个燃料电池，其中所述多个燃料电池以堆形构造布置。燃料电池堆是将化学势能转化为电能的装置。举例来说，燃料电池堆是质子交换膜(PEM)燃料电池堆。PEM燃料电池堆由于其能量转换效率和封装紧凑性而特别适用于车辆。PEM燃料电池被配置成将氢基燃料的能量潜力转化为电能，并且以水和热作为主要副产物。
根据本公开的第三方面，提供了一种用于车辆的电动力总成系统(electricpowertrain system)。该电动力总成系统包括根据第二方面的燃料电池系统、蓄电池系统和电机，其中，该燃料电池系统和蓄电池系统可选择性地连接到电机。本公开的该第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本公开的第一方面和第二方面所描述的效果和特征。关于本公开的第一方面和第二方面提及的实施例在很大程度上与本公开的第三方面兼容。
根据本公开的第四方面，提供了一种车辆，优选是电动车辆，其包括根据本公开的第三方面的电动力总成系统。根据本公开的第五方面，提供了一种车辆，优选是电动车辆，其包括根据本公开的第一方面的系统。本公开的第四方面和第五方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本公开的第一方面、第二方面和第三方面描述的效果和特征。关于本公开的第一方面、第二方面和第三方面提及的实施例在很大程度上与本公开的第四方面和第五方面兼容。
在以下描述中公开了本发明的其它优点和有利特征。还应容易理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，不同的特征可以组合以产生除了下文中描述的实施例以外的实施例。
本文中使用的术语仅出于描述特定示例的目的，并非旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本文中使用时，术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”和/或“包含(including)”表明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。将进一步理解的是，除非在本文中明确地定义，否则本文中使用的术语应被解释为具有与它们在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。
附图说明
通过以下对本公开的示例性实施例的、说明性而非限制性的详细描述，将更好地理解本公开的上述以及其它目的、特征和优点，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的包括燃料电池系统的车辆的侧视图；
图2示意性地示出了图1所示的车辆的电动力总成系统的示例实施例，其还包括燃料电池系统，该燃料电池系统具有用于向燃料电池系统的燃料电池堆供应压缩空气的系统。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本公开，附图中示出了本公开的示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式来实现，且不应被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，提供实施例是为了彻底性和完整性。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
特别参考图1，提供了一种燃料电池电动车辆(FCEV)形式的车辆10，该车辆10包括根据本公开的燃料电池系统20。图1中描绘的车辆10是卡车，下文将详细描述的燃料电池系统20特别适用于该卡车。
图1描绘了FCEV 10的一些部件的说明性示例。燃料电池系统20包括燃料电池堆22，该燃料电池堆22被布置成产生电力以推进车辆并为辅助设备供电。燃料电池堆22包括多个燃料电池(未示出)。燃料电池堆22通常包括大量燃料电池，例如串联连接的100至300个燃料电池。该燃料电池系统还可以包括分别具有多个燃料电池的多个燃料电池堆。
尽管可以以几种不同的方式配置FCEV，但图1中的FCEV 10还包括蓄电池组76和电机78。也如图2中至少部分地示出的，燃料电池系统20与蓄电池组76及电机78一起形成向车辆10提供牵引力的电动力总成系统24的一部分。
图1中所示的FCEV 10还包括氢气储存系统26，该氢气储存系统26用于储存氢气以用作燃料电池堆22运行的燃料成分之一。氢气储存系统26通常可以是用于储存加压氢气的高压罐。此外，FCEV 10可以包括：膨胀器(未示出)，其用于降低该高压罐中包含的氢气的压力；以及燃料供应管线(未示出)，其用于将氢气从高压罐经由该膨胀器供给至燃料电池系统20的燃料电池堆22。
为了以高效且可靠的方式为车辆10供电，燃料电池堆22通常可能需要与上述部件及其它部件集成以形成完整的燃料电池系统。这样的部件可以涉及通往燃料电池堆22的流动系统，包括通往燃料电池堆的阳极侧的氢气供应系统、通往燃料电池堆的阴极侧的空气供应系统、通往燃料电池堆的冷却通道的冷却剂供应系统，以及可能还有通往加湿器以对氢气和空气流加湿的供水装置(water supply)。
如图1所示，这些流动系统和燃料电池系统20的其它部分通常由控制单元90控制。因此，这里的燃料电池系统包括控制单元90，该控制单元90被配置成控制燃料电池系统20的一个或多个操作。该控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程设备。该控制单元还可以包括或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。当该控制单元包括诸如上面提到的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程设备的情况下，该处理器还可包括控制所述可编程设备的操作的计算机可执行代码。此外，该系统的控制单元的所述功能可以由车辆的一个或多个ECU(电子控制单元)提供。
关于燃料电池系统20的燃料电池堆22，构成燃料电池堆22的每一个燃料电池通常包括接收氢气作为一种燃料成分的阳极侧和接收压缩空气作为另一种燃料成分的阴极侧。虽然存在多种不同类型的燃料电池(主要根据所使用的电解质类型来区分)，但所谓的质子交换膜(PEM)燃料电池特别适用于重型车辆，例如图1中的车辆。
PEM燃料电池具有高功率密度、固体电解质并且还有长使用寿命。PEM燃料电池通常在50℃至100℃的温度范围内运行。PEM燃料电池被配置成从氢气和氧气(例如，压缩空气)这两种反应物中产生电力。类似于蓄电池的操作，燃料电池包括两个电极，即阳极和阴极。阳极电极和阴极电极通常由碳纸或碳布组成。这些电极由涂有催化剂的膜隔开。因此，该膜被夹在两个电极(阳极和阴极)之间。该膜通常由诸如Nafion等的高导电材料制成。储存在氢气储存系统26(图1)中的氢气进入燃料电池的一侧，而含有所需氧气的压缩空气进入另一侧。当氢分子通过燃料电池中的电解质朝氧气转移时，这些分子被分解成电子和质子。质子穿过该膜，而电子被转移到阳极，从而为FCEV 10产生电力以便为电机78和任何辅助设备供电。当电子到达阴极时，电子与质子复合，与氧气反应，并且形成水作为最终产物。换言之，氢气燃料和压缩空气在燃料电池系统20的燃料电池堆22中被消耗以产生电力，其中，水(或水蒸气)和热量作为主要副产物。
所述阳极、膜和阴极通常被密封在一起以形成单个膜电解质组件，通常表示为燃料电池的MEA。通常，燃料电池堆还包括布置在这些MEA之间以形成燃料电池堆22的燃料电池堆构造的多个双极板。双极板被构造配置成将氢气和压缩空气分布在燃料电池的活性表面区域上。通常，双极板还被构造成将电流从一个燃料电池的阳极传导到相继的燃料电池的阴极。因此，双极板在电池之间提供导电性并且从活性区域带走热量。虽然双极板可能因不同的应用而不同，但双极板通常由石墨或冲压金属制成。此外，应当理解，燃料电池堆22可以包括进一步支撑燃料堆22的常规端板以及用于防止气体从燃料电池堆22的双极板之间逸出的环绕垫圈。
此外，燃料电池系统22通常包括冷却剂系统(未示出)，该冷却剂系统用于冷却燃料电池堆22的燃料电池。冷却剂系统连接到冷却剂回路，该冷却剂回路具有使冷却剂在其中循环的电动供给泵。在燃料电池的操作中产生的过程热量可以经由散热器排放到环境中，该散热器同样可以位于冷却剂回路内。
由于燃料电池系统20的各种流动系统，燃料电池堆22包括多个入口和出口，如本领域公知的，例如阴极入口和阴极出口、阳极入口和阳极出口、以及冷却剂入口和冷却剂出口。该FCEV还可以包括燃料电池系统的领域中公知的其它部件，因此这里不再进一步描述。上述部件和系统可以统称为FCEV 10的配套设施，这是FCEV中使用的常用术语。“配套设施”是指并且通常包括燃料电池系统的除了燃料电池堆本身之外的所有部件。
现在参考图2，描绘了图1的燃料电池系统20的其它部分的说明性示例。这里的燃料电池系统20包括燃料电池堆22和氧气供应系统30，为了便于参考，在以下描述中将该氧气供应系统30简称为系统30。
如图2所示，系统30被布置成将压缩空气供应到燃料电池堆22的燃料电池。如本文中进一步描述的，系统30具有将构成系统30的部件连接的流体回路60。流体回路60被构造成输送空气形式的流体介质。在燃料电池系统20在正常海拔处的正常操作中，所需量的空气通常是从环境大气中提取的，并且可在必要的压力水平下提供给燃料电池以用于发电。空气通常是从与来自车辆10的环境(大气)93的新鲜空气流体连通的空气入口导管51供应的。新鲜空气随后被第一压缩机33压缩到适当的压力水平。可选地，还存在空气过滤器42，该空气过滤器42设置在空气入口导管51中。因此，如图2所示的系统30包括设置在流体回路60中的第一压缩机33和与第一压缩机33流体连通的入口导管51。
第一压缩机33被构造成对空气进行加压。第一压缩机可以是常规压缩机类型的，例如电动的第一压缩机或机械式第一压缩机33。第一压缩机33包括入口91，该入口91用于接收来自新鲜空气入口导管51的空气。在本示例中，如图2所示，第一压缩机33被布置成与由附图标记93表示的大气直接流体连通，用于接收新鲜空气。
第一压缩机33还包括用于将压缩空气输送到燃料电池堆22的出口92。压缩空气经由通往燃料电池堆22的阴极侧的空气入口的、流体回路60的导管被供应到燃料电池堆22的阴极侧，该导管被布置成接收压缩空气以输送到燃料电池堆22的燃料电池的阴极侧。燃料电池堆的阴极侧的空气入口由图2中的附图标记94指示，并且在以下描述中可以简单地称为阴极入口94。从燃料电池堆22产生的电力然后经由电力连接部71传输到电机78。该燃料电池堆的其它入口和出口在图2中未被明确示出，但它们可以如本领域所公知的那样布置。
尽管在一些示例中第一压缩机33的出口92可以直接连接到燃料电池堆22，但也如图2所示，系统30通常包括增压空气冷却器(CAC)32和在流体回路60中设置在第一压缩机33和燃料电池堆22之间的加湿器31。
更具体地，系统30可选地包括布置在第一空气压缩机33和加湿器31之间的CAC32。CAC 32被构造成在压缩空气供应到燃料电池堆22的燃料电池之前降低其下游的压缩空气的温度。由于离开第一压缩机33的空气的高温度，所以CAC 32被集成到系统30中。因此，CAC 32可以用于在压缩空气进入燃料电池堆22之前降低该压缩空气的温度。
也如图2所示，这里，加湿器31布置在第一空气压缩机33和燃料电池堆22之间。加湿器31用于向压缩空气流中添加蒸汽，以防止燃料电池的所述膜脱水。因此，这里，加湿器31被配置成在压缩空气供应到燃料电池堆22的燃料电池之前控制其下游的压缩空气的湿度。如图2所示，该加湿器经由阴极入口94与燃料电池堆22的燃料电池流体连通。
如图2所示，系统30还包括空气储存罐35。空气储存罐35被构造成储存相对高压的压缩空气。应该容易理解的是，空气储存罐35通常还被构造成接收压缩空气并且进一步传输该压缩空气，因此，空气储存罐35包括对应的压缩空气入口35a和压缩空气出口35b。对于不同的车辆和燃料电池系统，压缩空气的压力可能有所不同。举例来说，压缩空气的压力可以至少高于300巴。然而，压缩空气同样可以以不同于300巴的压力水平存储在空气储存罐35中，这取决于车辆中的可用空间以及例如空气储存罐35的尺寸。通常，如果系统30允许储存更高压力的压缩空气，则这种储存可以允许减小空气储存罐的尺寸或储存更大量的压缩空气。
如图2所示，空气储存罐35布置在第一压缩机33的上游并与第一压缩机33串联。以这种方式，在车辆周围空气的环境压力不足的情形下，例如当车辆在高海拔和/或高功率要求下运行时，空气储存罐35被布置成将压缩空气输送到第一压缩机33。对通往第一压缩机33的空气供应的控制由空气选择控制组件38执行，这将在下文中进一步描述。此外，相信将空气储存罐35与第一压缩机33串联布置会允许更紧凑的系统30。
为了以有效且简单的方式将压缩空气输送到空气储存罐35，这里，空气储存罐35被布置成与第二压缩机36流体连通，如图2所示。第二压缩机36被构造成压缩环境空气，并将压缩空气输送到空气储存罐35。举例来说，第二压缩机36被操作以将空气加压到至少300巴的压力水平。应该容易理解的是，空气储存罐35因此也被构造成接收来自第二压缩机36的压缩空气，以便储存该压缩空气以供在高海拔处大气压低时使用。然而，该压缩空气同样可以根据车辆中的可用空间以及例如空气储存罐35的尺寸而储存在与此不同的压力下。
可以以几种不同方式提供对第二压缩机36的空气供应。如图2所示，第二压缩机36被布置成经由空气过滤器44从大气93接收新鲜空气。
可选地，第二压缩机36被布置成通过成从制动事件中回收制动能量来运行。因此，第二压缩机36可操作以吸收从制动事件产生的能量。为此，第二压缩机36被布置成从电机78接收功率。换句话说，在FCEV10中，电机可以经常用于在下坡行驶时进行制动。在这样的驾驶情形下，需要将所产生的大量电力和能量存储在某处或消耗掉。如果蓄电池系统或任何其它能量储存系统较小，则需要使用减速器装置(retarder devices)来消耗所产生的能量和电力，这会导致能量的浪费。在这种背景下，第二压缩机36被构造成用于吸收该制动功率的一部分，并且随后将其用于将空气压缩到更高压力，该压缩空气可储存在空气储存罐35中以供后期(例如在高海拔处)使用。这样的构造允许提供一种电动力总成系统：其中，能量被更有效地回收，而不会使蓄电池系统或任何其它能量储存系统的尺寸过大。
另外或替代地，第二压缩机可以是由蓄电池系统76直接供电的电动压缩机。
如上所述，系统30还包括空气选择控制组件38，如图2所示。空气选择控制组件38被构造成控制从空气储存罐35或新鲜空气入口导管51到第一压缩机33的空气供应。空气选择控制组件38包括选择阀38a。选择阀38a布置在第一压缩机33的入口91与空气储存罐35之间。此外，选择阀38a被布置成与空气入口导管51流体连通，以接收来自大气93的新鲜空气。空气选择控制组件38被配置成控制通往第一压缩机33的空气流。具体地，空气选择控制组件38被配置成选择性地控制空气的进入，使得空气要么从空气储存罐35供应到第一压缩机33，要么从新鲜空气入口导管51供应到第一压缩机33。举例来说，空气选择控制组件38还包括切换致动器38b，该切换致动器38b被构造成操作该选择阀38a。这样，切换致动器38b被构造成操作该选择阀38a，以选择性地控制到第一压缩机33的空气流，使得空气能够从空气储存罐35供应到第一压缩机33或从新鲜空气入口导管51供应到第一压缩机33。
在当前情况下，选择阀38a是传统的选择阀，其包括用于空气储存罐35的第一入口96和用于新鲜空气入口导管51的第二入口97。因此，选择阀38a被布置成与空气储存罐35及第一压缩机33流体连通。选择阀38a还与大气93流体连通以接收新鲜空气。此外，选择阀38a包括通往第一压缩机33的出口98。通过这种布置，空气选择控制组件38被配置成经由选择阀38a和切换致动器38b来控制到第一压缩机33的空气供应，使得要么从新鲜空气入口导管51供应空气，要么从空气储存罐35供应空气。如本领域中公知的，选择阀38a可以由切换致动器38b气动地或电动地致动。在该燃料电池系统和车辆的正常运行期间，选择阀38a通常设置在第一用户构造中，在该第一用户构造中，从新鲜空气入口导管51接收新鲜空气，随后将其输送到第一压缩机33。然而，在车辆要求高功率需求和/或在高海拔处的、要求更高的驾驶情形下，来自车辆周围的空气的空气特性可能不足以操作燃料电池堆22。因此，在这种情形下，更有利的是从空气储存罐35供应所储存的压缩空气。因此，当需要使用来自空气储存罐35的压缩空气时，控制该选择阀38a以切换到第二用户构造，在该第二用户构造中，从空气储存罐35接收压缩空气。虽然有多种不同的设计该空气选择控制组件38的构造，但图2所示的空气选择控制组件38包括螺线管切换致动器38b，该螺线管切换致动器38b可操作以使空气选择控制组件38的选择阀38a在第一用户构造和第二用户构造之间移动。
这里，关于空气选择控制组件38的进一步操作，空气选择控制组件38可响应于来自控制单元90的控制信号进行控制。因此，空气选择控制组件38被配置成：响应于来自控制单元90的、表明第一压缩机33的入口91处的压力水平与海平面处的压力水平相比不足的信号，控制对第一压缩机33的空气供应。
该控制信号通常包含关于所确定的车辆周围的空气(即，大气空气)的空气特性水平的数据。举例来说，该空气特性水平是环境压力水平和空气质量水平中的任一种。环境压力水平通常可以由传感器确定，该传感器例如是被布置成监测车辆外部的环境压力的压力传感器。类似地，空气质量水平可以由被配置成测量车辆外部的空气质量的合适传感器确定。基于来自这些传感器中的至少一个传感器的数据，可以控制空气选择控制组件38以在从新鲜空气入口导管51接收空气与从空气储存罐35接收压缩空气之间进行切换。通常，空气选择控制组件38是可控的，以在车辆在正常环境压力下的基本正常运行期间将空气从新鲜空气入口导管51引导至第一压缩机33，并在车辆在高压大气水平下的高负载运行期间将空气从空气储存罐35引导至第一压缩机33。
因此，通过空气储存罐35与空气选择控制组件38及第一压缩机33相组合的布置，变得可以通过将空气从空气储存罐35引导至第一压缩机33(例如在高海拔处)或将新鲜空气从新鲜空气入口导管51引导置第一压缩机33(例如在海平面)来控制对第一压缩机33的空气供应。通过将空气储存罐35与第一压缩机33串联布置，变得可以在燃料电池的各种运行情形下以高压储存压缩空气。举例来说，当车辆的燃料电池在高海拔处运行时，所储存的压缩空气可以在1巴压力(在4000m处，环境压力可能约为0.6巴)下膨胀，并且被输送到燃料电池的空气供应系统。以这种方式，系统30允许在第一压缩机33的入口91处提供与海平面处相同的压力。因此，系统30被构造成在大气压力水平不足以操作第一压缩机33的高海拔驾驶情形期间提高燃料电池系统的可靠性。
更具体地，在FCEV 10的正常运行期间，例如在海平面和低海拔处，空气选择控制组件38被布置在第一用户构造中，在该第一用户构造中，第一压缩机33直接连接到大气条件。然而，当控制单元90检测到第一压缩机33上游存在显著的压力损失时(例如由于高海拔)，使用空气选择控制组件38将空气的供应从大气中的空气切换到储存在空气储存罐35中的空气。通过使用减压系统34，如本文进一步描述的，来自空气储存罐35的空气可以在1巴的压力下提供给第一压缩机33，从而使燃料电池能够与在海平面处一样输送相同的功率。
然后，在制动操作期间(正常驾驶情形或在下坡驾驶时)，电机78产生可用于使用高压马达73来操作第二压缩机36的电力，如图2所示。第二压缩机36可设定尺寸而具有一定的流量和压力，从而使系统30能够在期望的时间量内重新填充空气储存罐35。此外，第二压缩机36和空气储存罐35的尺寸也可以根据下坡行驶时要吸收的所需能量和功率大小来选择，由此允许系统30最小化该蓄电池系统的尺寸以及对减速器装置的任何使用。
应当注意，将压缩空气从空气储存罐35输送到第一压缩机33的操作通常也可以根据空气储存罐的主要容量来控制。举例来说，系统30进一步基于空气储存罐35中的主要压力和空气储存罐35的容积而被控制。因此，还应容易理解的是，可以结合该燃料电池系统和车辆的其它运行数据来控制空气流的实际量。这样的数据通常可以由诸如压力传感器和温度传感器之类的传统传感器收集，并且随后被存储在控制单元90或ECU中。
还应容易理解的是，控制单元90可以是用于控制该车辆和车辆的各个部分的电子控制单元(ECU)的一部分。特别地，控制单元90被布置成与燃料电池系统20和系统30通信。还可以设想的是，系统30本身包括控制单元90，该控制单元90被配置成允许控制空气选择控制组件38和构成该系统30的其它部件，以控制通往第一压缩机33的空气流。应该注意，对系统30和空气选择控制组件38的精确控制取决于具体应用和具体操作条件。
在图2所示的示例实施例中，这里，系统30还包括减压系统34，例如气动压力调节器。减压系统34布置在第一压缩机33和空气储存罐35之间。更具体地，减压系统34布置在(空气选择控制组件38的)选择阀38a和空气储存罐35之间。减压系统34被构造成降低来自空气储存罐35的高压压缩空气的压力。减压系统34也可以被提供为膨胀器的形式。通过使用膨胀器作为减压系统34，可以产生更多的电力，因而提供更高效的系统30和燃料电池系统20。
在图2中，还示出了燃料电池系统20的燃料电池堆22如何连接到该FCEV的其它部分，以经由一个或多个车轮80提供牵引动力。图1和图2中所示的FCEV 10被配置为串联混合动力设计，其中燃料电池系统20的燃料电池堆22与蓄电池系统(蓄电池组)76配对。此外，这里，该FCEV的电动力总成系统24还包括DC/DC转换器72。DC/DC转换器72的功能是以与牵引系统/蓄电池系统一样的正确电压提供来自燃料电池堆22的燃料电池的电力。电动力总成系统24还包括接线盒74。接线盒74是用作电线的公共汇合点并将电流/电力改向到不同部件的壳体。此外，电动力总成系统24包括用于驱动第二压缩机36的高压马达73。换句话说，这里，接线盒74被构造成将燃料电池堆22连接到高压马达73、蓄电池组76和电机78。给车轮80的牵引动力由燃料电池系统20的蓄电池组76和燃料电池堆22二者中的任一个输送。举例来说，蓄电池组76经由接线盒74连接到为车辆提供原动力的电机78，而燃料电池系统20的燃料电池堆22经由DC/DC转换器72和接线盒74向电机78供应电能和/或向蓄电池组76输送电力，如FCEV领域中众所周知的那样。换言之，典型的FCEV还可以使用牵引蓄电池或电容器、逆变器和电动马达来为车辆提供牵引力。在该系统的在制动事件期间的再生模式中(其中电机78作为发电机运行)，来自电机78的电力将被传输到高压马达73，然后被传输到第二压缩机36。作为示例，如果从电机78传输100kW，则接线盒74可能会将功率量分流，从而将50kW传输到高压马达73并将50kW传输到蓄电池组76。对来自接线盒的这种电力传输的控制可以由诸如ECU等的控制单元确定，而电力的实际运送路线(routing)将由接线盒处理。
应当注意，图1和图2中所示的FCEV 10和燃料电池系统20的构造只是用于与系统30一起使用的FCEV的许多合适构造中的一种。举例来说，燃料电池系统20可以包括与蓄电池系统以并联构造布置的多个燃料电池堆。此外，该蓄电池系统可以包括多个蓄电池组。另外或替代地，该蓄电池系统可以是燃料电池系统的一体部分。而且，应该容易理解，取决于第二压缩机的类型，该系统可以在没有高压马达73的情况下运行。高压马达73主要被配置成驱动机械式第二压缩机。然而，如果第二压缩机是电动的第二压缩机，则这种电动的压缩机通常可以设有集成的高压马达。因此，动力总成系统24可以设计为具有或不具有高压马达73，这取决于所选择的第二压缩机的类型。
此外，该电动力总成系统可以包括或可以连接到双向充电端口，该双向充电端口既能够从外部电源接收电能又能够向外部电源提供电能。这种外部电源例如可以是连接到电网、蓄电池或其它车辆的充电站。电动力总成系统24可以被认为包含一个或多个电机，该一个或多个电机直接或经由变速器装置(未示出)连接到车辆的一个或多个车轮80。该车辆还可以包括用于车辆推进的内燃发动机(未示出)，并且可以一起控制该内燃发动机、蓄电池和燃料电池，以便以有效的方式为车辆提供动力。
如上所述，本公开提供了一种系统30和燃料电池系统20，该系统30和燃料电池系统20能够针对燃料电池堆和车辆的高于海平面的不同海拔、以更可靠的方式为燃料电池堆的燃料电池提供基本相等压力的压缩空气。也就是说，系统30允许在第一压缩机33的入口处提供与海平面处的压力水平基本相同的压力。由此，提供了该FCEV在高海拔处的改进的操作。为此，系统30有助于燃料电池系统的更可靠运行，因为在高海拔处也能够在足够的持续时间内输送与海平面处基本相同水平的功率。
系统30可以被结合到车辆10(例如电动车辆)的燃料电池系统20中。在这种类型的应用中，系统30与燃料电池堆22的燃料电池流体连通。如图1和图2示意性地示出的，还提供了用于车辆10的电动力总成系统24，其包括燃料电池系统20、蓄电池系统76和电机78，其中，燃料电池系统20和蓄电池系统76例如可通过接线盒74而选择性地连接到电机78。这样，车辆10包括用于向车辆10提供推进力的电动力总成系统24。
应当理解，本公开不限于上文所述和附图中示出的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。

Claims (13)

1.一种用于向车辆(10)的燃料电池供应压缩空气的系统(30)，所述系统(30)包括：
第一压缩机(33)，所述第一压缩机(33)具有用于接收空气的入口和用于将压缩空气输送到所述燃料电池的出口；
空气储存罐(35)，所述空气储存罐(35)布置在所述第一压缩机的上游并与所述第一压缩机串联，并且所述空气储存罐被构造成储存高压的压缩空气；以及
空气选择控制组件(38)，所述空气选择控制组件(38)包括选择阀(38a)和切换致动器(38b)，所述切换致动器(38b)被构造成操作所述选择阀，其中，所述选择阀布置在所述第一压缩机的所述入口与所述空气储存罐之间，并且进一步与用于接收新鲜空气的入口导管(51)流体连通，所述切换致动器被构造成操作所述选择阀以选择性地控制到所述第一压缩机的空气流，使得空气能够从所述空气储存罐供应到所述第一压缩机或从新鲜空气的所述入口导管供应到所述第一压缩机。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空气选择控制组件是可控的，以响应于所确定的空气特性水平来控制空气流，使得：如果所确定的空气特性水平低于阈值，则从所述空气储存罐提供对所述第一压缩机的空气供应。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述空气选择控制组件是可控的，以在所述车辆在正常环境压力下的正常运行期间控制从新鲜空气的所述入口导管到所述第一压缩机的空气流。
4.根据权利要求1或2所述的系统，还包括与所述空气选择控制组件的所述切换致动器通信的控制单元(90)，其中，所述切换致动器被配置成基于来自所述控制单元的指令来操作所述选择阀。
5.根据权利要求1或2所述的系统，还包括布置在所述第一压缩机和所述空气储存罐之间的减压系统(34)，所述减压系统被构造成降低所述高压的压缩空气的压力。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述空气储存罐进一步被布置成与第二压缩机(36)流体连通，所述第二压缩机(36)用于接收和压缩环境空气并将压缩的空气输送到所述空气储存罐。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二压缩机被布置成根据从制动事件回收制动能量而运行。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二压缩机被驱动地连接到马达，所述马达能够通过从再生制动产生的电力来运行，由此，在所述制动事件期间，所述空气储存罐被来自所述第二压缩机的压缩空气填充或重新填充。
9.根据权利要求1或2所述的系统，还包括增压空气冷却器CAC(32)，所述增压空气冷却器(32)布置在所述第一空气压缩机和所述燃料电池之间，并且所述增压空气冷却器被构造成在所述压缩空气供应到所述燃料电池之前降低所述压缩空气的温度。
10.根据权利要求1或2所述的系统，还包括加湿器(31)，所述加湿器(31)布置在所述第一空气压缩机和所述燃料电池之间，并且被构造成在所述压缩空气供应到所述燃料电池之前控制所述压缩空气的湿度。
11.一种燃料电池系统(20)，其包括燃料电池堆(22)和根据权利要求1至10中的任一项所述的系统(30)，其中，所述系统(30)与所述燃料电池堆流体连通。
12.一种用于车辆(10)的电动力总成系统(24)，其包括根据权利要求11所述的燃料电池系统、蓄电池系统(76)和电机(78)，其中，所述燃料电池系统和所述蓄电池系统能够选择性地连接到所述电机。
13.一种车辆(10)，其包括根据权利要求12所述的电动力总成系统，所述电动力总成系统用于向所述车辆提供推进力。
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