CN117981128A - 系统、控制系统的方法以及包括系统的车辆 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于车辆(1)的系统(10)，所述系统具有燃料电池系统(100)和用于向气动装置供应压缩空气的压缩空气系统(200)，所述燃料电池系统包括：至少一个燃料电池(102)，所述至少一个燃料电池具有阴极侧；空气入口管道(104)，其连接到阴极侧的入口端(106)；空气压缩机(112)，其设置在空气入口管道内；空气过滤器(111)，其被布置成接收来自周围环境的空气，所述空气过滤器布置在空气入口管道的入口(121)处；流体出口管道(108)，其连接在阴极侧的出口端(110)与膨胀机(116)的入口侧(126)之间；以及排气管道(124)，其连接到膨胀机的排气侧(128)；所述压缩空气系统包括：可连接到气动装置(210)的可电动操作的空气压缩机(220)；其中所述系统还包括可控阀总成(300)以用于将可电动操作的空气压缩机的空气入口(221)流体连接到多个流体供应位置，其中可控阀总成被配置为响应于车辆的工况而选择性地将空气从出口管道位置(180)、空气入口管道位置(184)并且至少从空气入口管道位置(186)和位置(188)中的一者引导到压缩空气系统。

Description

系统、控制系统的方法以及包括系统的车辆
技术领域
本公开涉及一种用于车辆的系统，所述系统具有燃料电池系统和压缩空气系统。燃料电池系统可以至少部分地由电动牵引马达推进。本公开还涉及一种控制系统的方法以及一种包括这样的系统的车辆。尽管本公开将主要涉及一种使用燃料电池来给电动牵引马达产生电力的卡车形式的车辆，但是本公开也可适用于使用燃料电池系统来产生电力的其他类型的车辆，例如，诸如包括电机以及用于推进的内燃发动机的混合动力车辆。
背景技术
车辆的推进系统不断发展以满足市场需求。车辆推进系统的特定技术领域涉及环境有害的排气的排放。因此，与传统内燃发动机相比，其他更环保的替代方案在车辆中进行评估和实施。这种替代方案的一个示例是使用一个或多个电机来推进车辆。
为了产生用于操作电机的电力，燃料电池系统可能是更令人关注的替代方案之一。根据一个示例，燃料电池系统可以包括形成燃料电池堆的大量燃料电池，其中氢和氧的电化学反应产生电力。燃料电池堆可能通常具有供应氢气的阳极侧和供应空气的阴极侧。
通常可以向进入阴极侧的压缩空气供应经过滤的空气的高气流。此外，出于平衡燃料电池系统中的燃料电池的原因，燃料电池系统可能常常会在过高的空气比下操作。虽然燃料电池系统的这种操作意味着气流相对较高，但供应到燃料电池的空气通常也可能非常干净，这需要在空气入口处良好地运行空气过滤。
此外，燃料电池系统并不是车辆中唯一通过压缩空气操作的系统。在车辆的正常使用期间需要压缩空气的车辆系统的其他示例是各种气动系统，也表示为压缩空气消耗装置，例如空气制动器、悬架、变速箱或布置在车辆和/或连接到卡车的半挂车和挂车中的任何其他气动车辆装置。
综上所述，不仅期望能够向能量消耗较少的燃料电池系统输送空气，而且期望提供压缩空气的更有益的利用，以进一步改进车辆系统效率和车辆性能。
发明内容
因此，本公开的目的是至少部分地克服上述缺陷。该目的通过根据权利要求1所述的系统来实现。该目的也通过其他独立权利要求来实现。从属权利要求涉及本公开的有利实施方案。
根据第一方面，提供了一种用于车辆的系统。所述系统包括燃料电池系统和用于向气动装置供应压缩空气的压缩空气系统。所述燃料电池系统包括：至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池具有阳极侧和阴极侧；空气入口管道，所述空气入口管道连接到阴极侧的入口端以将空气供应到至少一个燃料电池的阴极侧；空气压缩机，所述空气压缩机设置在空气入口管道中；空气过滤器，所述空气过滤器被布置成接收来自周围环境的空气，所述空气过滤器布置在空气入口管道的入口处和空气压缩机的上游；流体出口管道，所述流体出口管道连接在阴极侧的出口端与膨胀机的入口侧之间以将排气流从阴极侧供应到膨胀机；以及排气管道，所述排气管道连接到膨胀机的排气侧。所述压缩空气系统包括可连接到气动装置的可电动操作的空气压缩机。
另外，所述系统包括可控阀总成以用于将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到多个流体供应位置，所述多个流体供应位置包括选自以下位置的至少两个位置：位于膨胀机的入口侧上游的出口管道位置、位于空气压缩机上游的空气入口管道位置、位于空气压缩机下游的空气入口管道位置以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器流体连通的位置。
另外，可控阀总成被配置为响应于车辆的工况而选择性地将空气从多个流体供应位置引导到压缩空气系统。
本公开基于这样的认识：燃料电池系统的燃料电池通常可以在过量的空气比下操作以在燃料电池中提供一定的平衡，并且这种过量的空气比对于其他车辆气动系统(包括单独的空气压缩机)可能是有用的，以便提高总体系统效率和车辆性能，因为可以减少用于驱动车辆空气压缩机的功率。举例来说，燃料电池中的空气增压器通常可以具有被传送到燃料电池阴极侧和从燃料电池阴极侧传送的过滤空气(和一些水)的高气流。至少出于这些原因，气流高而且干净，这需要在阴极侧的空气入口处进行良好的空气过滤。另外，车辆气动系统，诸如车辆的空气制动系统，可以通过其自身的空气压缩机系统来操作。这种空气压缩机系统还可以是电驱动的，至少在电动车辆中是这样。对于车辆制动系统空气压缩机，还有空气过滤器来防止颗粒等。
所提出的系统提供了一种根据车辆的行驶情况来从燃料电池系统的阴极侧的位置或者任选地从独立空气过滤器向车辆的压缩空气系统的可电动操作的空气压缩机供应空气的动态但高效且通用的方式。具体地，压缩空气系统被配置为从至少一个燃料电池的阴极侧接收空气。布置在压缩空气系统与燃料电池系统之间并且任选地连接到独立空气过滤器的可控阀总成的提供因此提供了对通过从燃料电池堆上游(之前)或燃料电池堆下游(之后)的位置供应的空气来操作可连接到电驱动空气压缩机的各种气动装置的改进控制。因此，一些气动装置可以完全由来自燃料电池系统空气压缩机的空气操作，而其他类型的气动装置可以至少部分地由来自燃料电池系统空气压缩机的空气与来自其他车辆系统的空气一起操作。以这种方式，所提出的系统向压缩空气系统和气动装置提供改进的空气特性，例如提供加压和/或过滤的空气，同时保证这种空气供应基于燃料电池系统的操作以受控方式执行。
举例来说，所提出的系统允许使用来自位于燃料电池阴极侧的燃料电池系统的过滤器的过滤空气来增压车辆的另一压缩空气系统(诸如用于操作制动系统的压缩空气系统)的电驱动车辆空气压缩机。具体地，可以省略车辆制动器压缩机入口处的附加过滤器。因此，可以提供一种包括燃料电池系统和压缩空气系统的简单而有效的系统。
从独立空气过滤器供应空气的一个优点是，通过这种独立的过滤器的操作通常可能不会影响燃料电池堆/燃料电池系统，这对于燃料电池堆的操作可能是有益的或有时是必需的。
另外，与现有技术系统相比，所提出的系统可以对燃料电池系统和压缩空气系统的大小和重量产生积极影响，因为可以减少用于驱动压缩空气系统的压缩机的功率。举例来说，可以减少制动系统的功耗并且可以改善空气制动系统的封装空间。另外，压缩空气系统可以不设置其自己的空气过滤器，因为所述系统在燃料电池系统的入口管道处使用空气过滤器。因此，所提出的系统还可以提供使用尺寸缩小的部件，以便允许降低构成系统的部件的成本，例如可以降低制动系统功耗。所提出的系统还可以对系统的维护时间产生积极的影响，因为需要更换的部件较少(例如，过滤器较少)。
将可电动操作的空气压缩机连接到膨胀机的入口侧上游的位置的一个优点是，压缩空气系统以相对较高的压力水平接收来自燃料电池系统的空气。另外，通过从位于至少一个燃料电池下游位置但在膨胀机上游的位置处的出口管道供应空气，所提出的系统允许在压缩空气系统的可电动操作的空气压缩机中使用从燃料电池堆出来的过量加压空气。可以注意到，本公开在此通常指燃料电池堆中未使用的空气(并且其不是排气中的水)。
通常，空气可以从出口管道中位于任何加湿器和/或水分离器下游的位置供应，因为制动器空气系统也可以使用水分离器。
当可控阀总成被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到出口管道位置时，可控阀总成可以被配置为：如果工况相当于燃料电池性能优先级状况，则将空气从出口管道位置引导到压缩空气系统。此外或替代地，当可控阀总成被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到空气入口管道位置时，可控阀总成可以被配置为：如果工况相当于压缩空气系统性能优先级状况，则将空气从空气入口管道位置引导到压缩空气系统。此外或替代地，当可控阀总成被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到空气入口管道位置时，可控阀总成可以被配置为：如果工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从空气入口管道位置引导到压缩空气系统。此外或替代地，当可控阀总成被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到所述位置时，可控阀总成可以被配置为：如果工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从所述位置引导到压缩空气系统。
通常，燃料电池系统可以包括膨胀机。膨胀机应被理解为布置成使来自至少一个燃料电池的阴极侧的出口端的排气流膨胀的部件。根据一个示例实施方案，膨胀机可以是涡轮机。作为替代方案，膨胀机可以是活塞膨胀机。其他另外的替代方案也是可设想的，例如，诸如罗茨式膨胀机或螺杆膨胀机。
在一个示例实施方案中，出口管道的在至少一个燃料电池的出口端与膨胀机的入口侧之间延伸的部分可以包括第一出口管道部分、第二出口管道部分和水管理部件。此外，第一出口管道部分将至少一个燃料电池的出口端连接到水管理部件的入口侧，并且第二出口管道将水管理部件的出口侧连接到膨胀机的入口侧。另外，出口管道位置位于第二出口管道部分处。
在一个示例实施方案中，当可电动操作的空气压缩机连接到膨胀机的入口侧上游的位置时，可电动操作的空气压缩机可以连接到第二出口管道。
在一个示例实施方案中，燃料电池系统还可以包括布置在入口管道中的增压空气冷却器。通常，并且根据一个示例实施方案，燃料电池系统还可以包括增压空气冷却器，所述增压空气冷却器布置在入口管道中并在压缩机与阴极侧的入口端之间流体连通。在一个示例实施方案中，入口管道的在空气压缩机与阴极侧的入口端之间延伸的部分可以包括第一入口管道部分、第二入口管道部分和增压空气冷却器。第一入口管道部分将空气压缩机连接到增压空气冷却器，并且第二入口管道将增压空气冷却器连接到阴极侧的入口端。另外，在该布置中，空气入口管道位置位于第二入口管道部分处并且位于增压空气冷却器的下游。
燃料电池系统还可包括连接到入口管道和出口管道的加湿器。加湿器可以被配置为改变入口空气的湿度并将来自出口管道的水传送到入口管道。另外，在该布置中，空气入口管道位置位于加湿器的上游。
在一个示例实施方案中，当燃料电池系统包括增压空气冷却器和加湿器时，加湿器连接到第二入口管道部分和第一出口管道部分。
在一个示例实施方案中，当燃料电池系统包括膨胀机时，空气压缩机可以连接到膨胀机和燃料电池马达。燃料电池马达应被理解为包括在燃料电池系统中的马达。马达通常被配置为驱动通过至少一个燃料电池传送的空气。因此，该用词不应被解释为马达是燃料电池。此外，来自阴极侧的排气流可以包含空气、水、氢气或其任何组合。
举例来说，空气压缩机通过压缩机轴机械连接到膨胀机和燃料电池马达。作为替代方案，燃料电池马达可以通过第一轴连接到压缩机，而燃料电池马达通过第二轴连接到膨胀机，其中第一轴和第二轴是不同的轴。压缩机和膨胀机还可以设置有单独的马达。这种布置实现改善的增压和背压，并为进一步优化系统提供更大的灵活性。
燃料电池系统可以包括布置在出口管道中的出口管道阀装置。举例来说，燃料电池系统包括布置在第一出口管道部分中的出口管道阀装置。出口管道阀装置可以被配置为防止空气在至少一个燃料电池处于不活动状态或非操作状态中的任一者时经由出口管道流到至少一个燃料电池。燃料电池系统还可以包括布置在入口管道中的入口管道阀装置。举例来说，入口管道阀装置布置在第二入口管道部分中。入口管道阀装置可以被配置为防止空气在燃料电池处于不活动状态或非操作状态中的任一者时经由入口管道流到燃料电池。燃料电池系统还可以包括在入口管道与出口管道之间延伸的燃料电池旁通管道以及设置在燃料电池旁通管道中的旁通管道阀装置，所述旁通管道阀装置被配置为响应于可电动操作的空气压缩机的激活状态来打开和关闭燃料电池旁通管道。举例来说，燃料电池旁通管道连接到第一入口管道部分的位置和第二出口管道部分的位置。燃料电池旁通管道可以连接到入口管道中位于燃料电池上游的位置以及出口管道中位于燃料电池下游的位置。任选地，旁通管道阀装置可以被配置为响应于来自控制单元的控制信号而打开和关闭燃料电池旁通管道。
关于可控阀总成的控制和系统的总体控制，应当容易理解，燃料电池系统与压缩空气系统之间的实际空气流量可以进一步结合车辆的其他操作数据来控制。这样的数据通常可以存储在控制单元中，诸如存储在电子控制单元(ECU)中。因此，所述系统还可以包括控制单元，所述控制单元被布置成与可控阀总成通信，以便基于指示车辆的工况的控制信号来控制阀总成。控制单元可以包括控制电路。
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装置。因此，控制单元通常包括电子电路和连接以及控制电路(例如处理电路)，使得控制单元可以与可控阀总成和与包括燃料电池系统和压缩空气系统的系统的不同部分以及与车辆的其他部件通信。这样的部件和系统可以包括设备辅助部件、各种压力传感器、温度传感器或车辆的任何其他部件，以便提供示例实施方案的功能。控制单元可以包括硬件或软件形式的模块，或者部分硬件或软件形式的模块，并且使用已知的传输总线(诸如CAN总线和/或无线通信能力)进行通信。处理电路可以是通用处理器或专用处理器。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暂时性存储器。因此，控制单元可以由许多不同的结构来体现。控制单元可以是可控阀总成的一部分。在其他实施方案中，控制单元可以是另一系统或部件的一部分，并且被配置为通过有线或无线方式与可控阀总成通信，如本领域已知的。在其他实施方案中，控制单元是系统、燃料电池系统和压缩空气系统中的任一者的组成部分。另外或替代地，控制单元可以包括布置在系统、燃料电池系统和压缩空气系统中的任一者中的多个子控制单元，每个子控制单元被配置为与每个另一个子控制单元通信以形成控制单元。
车辆的工况通常可以对应于车辆的状态。工况可以指燃料电池性能优先级状况、压缩空气系统性能优先级状况和燃料电池关闭状况中的任一者。换句话说，车辆可以以需要来自系统的一定功率需求的多种操作模式操作。操作模式可以例如与车辆的操作状态相关。功率需求可以例如与燃料电池的增加的功率需求相关。操作模式和功率需求的其他示例可以是非激活模式(例如，关闭燃料电池系统状态)、燃料电池的温度水平低于预定阈值限制的车辆起动模式(即冷起动操作模式)等。工况可以基于来自控制单元和/或来自配置为收集与各种工况有关的数据的多个车辆传感器的数据来确定。
可控阀总成通常包括控制阀。举例来说，控制阀是所谓的选择阀。换句话说，可控阀总成可以由控制单元控制，以响应于控制信号指示所确定的工况而选择性地控制空气流量，使得空气从以下位置供应到可电动操作的空气压缩机：出口管道位置，这是在工况相当于燃料电池性能优先级状况时；空气入口管道位置，这是在工况相当于压缩空气系统性能优先级状况时；空气入口管道位置，这是在工况相当于燃料电池关闭状况时；和/或独立空气过滤器位置，这是在工况相当于燃料电池关闭状况时。
控制单元可以气动地或电动地致动可控阀总成，如本领域公知的。可控阀总成可以包括开关致动器。举例来说，开关致动器可以具有螺线管致动器，所述螺线管致动器可操作以移动可控阀总成的一部分以打开和关闭入口端口中的任一者。通常，包括相关联的开关致动器的可控阀总成可响应于来自控制单元的输入信号而进行控制。因此，开关致动器可以被配置为基于来自控制单元的指令来操作可控阀总成。
另外，上述阀装置中的任一者可以由控制单元控制以将气流从燃料电池系统引导到压缩空气系统。控制单元还可以与燃料电池系统和压缩空气系统通信，其中控制电路被配置为响应于车辆的操作模式和来自车辆的功率需求中的任一者而控制从燃料电池系统到可电动操作的空气压缩机的气流。具体地，控制电路可以可操作以响应于车辆的操作模式和来自车辆的功率需求中的任一者的变化而控制从燃料电池系统到可电动操作的空气压缩机的气流。车辆的操作模式的变化可以例如是从燃料电池系统的非激活模式到燃料电池系统的激活模式的变化。类似地，车辆的功率需求的变化可以例如是来自车辆的功率需求的增加或减少。还可以响应于燃料电池的激活状态来控制可电动操作的空气压缩机。
控制单元可操作以响应于接收到的控制信号指示燃料电池的激活状态来控制上述阀装置中的任一者。每个阀装置可由控制单元响应于车辆的操作模式以协调的方式控制。举例来说，在控制单元接收到指示燃料电池将被设置在其不活动状态的控制信号时的操作情况下，控制单元可以将入口管道阀装置和出口管道阀装置控制为设置在关闭状态，同时将压缩空气系统的旁通管道阀装置和入口阀装置分别控制为设置在打开状态。以这种方式，没有气流被引导到燃料电池。相反，允许气流在旁通管道中流动并通过可控阀总成流到可电动操作的空气压缩机。由此，空气压缩机能够以激活状态操作，从而为可电动操作的空气压缩机提供足够的压力和流量。
应当注意，如本文所使用的，术语“多个流体供应位置”可以指如本文所述的若干种不同类型的位置组合。通常，尽管没有严格要求，但提供了一种可控阀总成，所述可控阀总成用于将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到位于膨胀机的入口侧上游的出口管道位置和位于空气压缩机上游的空气入口管道位置中的任一者，并且进一步至少连接到位于空气压缩机下游的空气入口管道位置以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器流体连通的位置中的一者。
另外，可控阀总成被配置为响应于车辆的工况而选择性地将空气从出口管道位置和空气入口管道位置中的任一者并且至少从空气入口管道位置和所述位置中的一者引导到压缩空气系统。
在一个示例实施方案中，所述至少两个位置是位于空气压缩机上游的空气入口管道位置和位于空气压缩机下游的空气入口管道位置。在一个示例实施方案中，所述至少两个位置是位于膨胀机的入口侧上游的出口管道位置以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器流体连通的位置。在一个示例实施方案中，多个流体供应位置包括至少三个位置，所述三个位置至少是位于膨胀机的入口侧上游的出口管道位置、位于空气压缩机上游的空气入口管道位置以及位于空气压缩机下游的空气入口管道位置。在一个示例实施方案中，多个流体供应位置包括至少三个位置，所述三个位置至少是位于膨胀机的入口侧上游的出口管道位置、位于空气压缩机下游的空气入口管道位置以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器流体连通的位置。
根据第二方面，提供了一种用于控制车辆的系统的方法。所述系统包括燃料电池系统和用于向气动车辆装置供应压缩空气的压缩空气系统。所述燃料电池系统包括：至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池具有阳极侧和阴极侧；空气入口管道，所述空气入口管道连接到阴极侧的入口端以将空气供应到至少一个燃料电池的阴极侧；空气压缩机，所述空气压缩机设置在空气入口管道中；空气过滤器，所述空气过滤器被布置成接收来自周围环境的空气，所述空气过滤器布置在空气入口管道的入口处和空气压缩机的上游；流体出口管道，所述流体出口管道连接在阴极侧的出口端与膨胀机的入口侧之间以将排气流从阴极侧供应到膨胀机；以及排气管道，所述排气管道连接到膨胀机的排气侧。所述压缩空气系统包括可连接到气动车辆装置的可电动操作的空气压缩机。所述系统还包括可控阀总成以用于将可电动操作的空气压缩机的空气入口流体连接到多个流体供应位置，所述多个流体供应位置包括选自以下位置的至少两个位置：位于膨胀机的入口侧上游的出口管道位置、位于空气压缩机上游的空气入口管道位置、位于空气压缩机下游的空气入口管道位置以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器流体连通的位置。所述方法包括：确定车辆的工况；以及响应于车辆的所确定的工况而操作可控阀总成以选择性地将空气从多个流体供应位置引导到压缩空气系统。换句话说，可控阀总成可由控制单元操作，以便响应于车辆的所确定的工况而选择性地将空气从出口管道位置、空气入口管道位置、空气入口管道位置和所述位置中的任一者引导到压缩空气系统。
第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面描述的那些效果和特征。
所述方法还可以包括：如果工况相当于燃料电池性能优先级状况，则操作可控阀总成以将空气从出口管道位置引导到压缩空气系统。所述方法还可以包括：如果工况相当于压缩空气系统性能优先级状况，则操作可控阀总成以将空气从空气入口管道位置引导到压缩空气系统。所述方法还可以包括：如果工况相当于燃料电池关闭状况，则操作可控阀总成以将空气从空气入口管道位置引导到压缩空气系统。另外，如果工况相当于组合的压缩空气系统性能优先级和燃料电池关闭状况，则所述方法还可以包括通过控制燃料电池系统的至少一个控制阀装置来关闭对燃料电池的空气供应；以及进一步通过燃料电池马达操作空气压缩机以将可电动操作的空气压缩机预增压。
应当注意，通常只有一小部分气流被引导到可电动操作的空气压缩机，而至少当燃料电池堆操作时，大部分气流如往常一样继续在燃料电池系统中。
所述方法还可以包括基于可电动操作的空气压缩机的激活状态来控制从燃料电池系统到压缩空气系统的气流。所述方法还可以包括基于可电动操作的空气压缩机的激活状态来控制在入口管道与出口管道之间延伸的旁通通道中的气流以及进出至少一个燃料电池的气流。所述方法还可以包括响应于来自控制单元的控制信号指示至少一个燃料电池的激活状态来控制上述阀装置中的任一者。每个阀装置可由控制单元响应于车辆的操作模式以协调的方式控制。
根据第三方面，提供了一种至少部分地由电动牵引马达推进的车辆，所述电动牵引马达电连接到根据上面关于第一方面描述的实施方案中的任一者的燃料电池系统。
第三方面的效果和特征在很大程度上类似于上面关于第一方面描述的那些效果和特征。
燃料电池系统的空气压缩机被有利地操作以将进气的压力水平提高到适合燃料电池的水平。空气压缩机还可以被操作来提高进气的温度水平。
压缩空气系统通常可以指系统的可通过可控阀总成和任选地互连管道连接到燃料电池系统的单独部分。可电动操作的空气压缩机被布置成向车辆的气动装置提供压缩空气。举例来说，可电动操作的空气压缩机可以被布置成压缩接收的空气并将压缩的空气传送到空气制动系统。
压缩空气系统可以包括附加部件。任选地，压缩空气系统可以包括空气产生调节器(APM)。APM被配置为干燥/清洁压缩空气并将其分配给压缩空气消耗装置，诸如空气制动器、悬架、变速箱或任何其他气动装置。此外，控制单元可与可电动操作的空气压缩机通信并被配置为基于车辆的选定驾驶模式来控制可电动操作的空气压缩机。
气动装置被布置成与可电动操作的空气压缩机流体连通。气动装置可以是车辆气动装置，诸如车辆的空气制动系统、车辆的悬架系统、车载起重机系统、牵引系统或车辆的可通过压缩空气操作的任何其他类型的辅助系统。气动装置还可以是可连接到车辆的外部系统。
当研究所附权利要求和以下描述时，另外的特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合不同特征以创建不同于以下描述的实施方案的实施方案。
本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，而不旨在限制本公开。除非上下文清楚说明，否则本文所用的单数形式“一(a、an)”和“所述”包括其复数形式。还应理解，当在本文中使用时，术语“包括”(“comprises”、“comprising”、“includes”和/或“including”)指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整体、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(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。应进一步理解，本文所使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，且不会以理想化或过度正式的方式解释，除非本文明确定义为如此。
附图说明
通过以下示例性实施方案的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解上述内容以及附加目的、特征和优点，其中：
图1是示出呈卡车形式的车辆的一个示例实施方案的横向侧视图；
图2是包括与压缩空气系统和车辆气动装置流体连通的燃料电池系统的系统的一个示例实施方案的示意图；
图3是包括与压缩空气系统和车辆气动装置流体连通的燃料电池系统的系统的另一示例实施方案的示意图；以及
图4是根据一个示例实施方案的控制燃料电池系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更完整地描述本公开，在附图中示出了示例性实施方案。然而，本公开可以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方案；而是，提供这些实施方案是为了透彻和完整起见。贯穿本描述，相似的附图标记指代相似的元件。
具体参考图1，描绘了呈卡车形式的车辆1。车辆包括用于推进车辆的车轮的牵引马达101。牵引马达101此处以电机的形式提供，所述电机被布置成从电池(未示出)或直接从燃料电池系统100接收电力，这将在下面进一步详细描述。燃料电池系统100是系统10的一部分。系统10还包括与燃料电池系统100流体连通的压缩空气系统200，如本文所述。车辆1还包括用于控制各种操作和功能的控制单元114，这也如将在下面进一步详细描述的。
为了更详细地描述系统10，参考图2，其是根据一个示例实施方案的系统的示意图。系统10包括燃料电池系统100和压缩空气系统200。压缩空气系统200还被布置成与车辆的气动装置210或连接到车辆的外部气动装置流体连通。这样，压缩空气系统200被布置为向气动装置210供应压缩空气。下面将描述压缩空气系统的进一步细节。
燃料电池系统100包括至少一个燃料电池102，所述燃料电池通常也称为燃料电池堆。至少一个燃料电池102通常可以由多于一个燃料电池组成，诸如由两个燃料电池或多个燃料电池组成。所述燃料电池可以形成所谓的燃料电池堆。燃料电池同样可以布置在多个燃料电池堆中，每个燃料电池堆包括布置成堆配置的多个燃料电池。对于燃料电池系统100的燃料电池堆102，组成燃料电池堆102的每个燃料电池通常包括接收氢气作为燃料成分的阳极侧和接收压缩空气作为另一燃料成分的阴极侧。虽然燃料电池有若干种不同类型，主要根据所使用的电解质类型进行区分，但是所谓的质子交换膜(PEM)燃料电池特别适合在重型车辆(诸如图1中的车辆1)中使用。因此，燃料电池102此处是PEM燃料电池堆。
转到图2，示意性地示出了燃料电池102并且仅描绘了阴极侧，即为了简化图示而省略了阳极侧。其他部件(诸如设备辅助部件)也可以包括在燃料电池系统中，如燃料电池系统领域中常用的那样。
燃料电池系统100还包括连接到燃料电池102的阴极侧的入口端106的入口管道104。入口管道104被布置成将空气供应到阴极侧。入口管道104具有与周围环境流体连通的入口121，如图2所示。燃料电池系统100还包括连接到燃料电池102阴极侧的出口端110的出口管道108。由此，排气流从燃料电池102的出口端110供应并进入出口管道108。
此外，燃料电池系统100包括空气压缩机112。空气压缩机112设置在入口管道104中，如图2所示。具体地，空气压缩机112布置在入口管道104中燃料电池102的上游。
此外，燃料电池系统100包括膨胀机116和任选地燃料电池马达118。空气压缩机112连接到膨胀机116和燃料电池马达118。空气压缩机112可以是电动压缩机或机械压缩机。膨胀机116可以是涡轮机。空气压缩机和膨胀机是燃料电池系统中公知的部件，因此本文不再进一步描述。
举例来说，并且根据图2所描绘的示例实施方案，空气压缩机112、膨胀机116和燃料电池马达118通过压缩机轴120彼此机械连接。因此，燃料电池马达118被布置成控制和操作空气压缩机112和膨胀机118。空气压缩机112被布置成接收周围空气122并对所述周围空气加压。如图2所示，周围空气经由空气过滤器111供应到空气压缩机112。加压的周围空气随后通过入口管道104供应并提供到燃料电池102的入口端106。如图2所示，空气过滤器111布置在空气压缩机112的上游。另外，空气过滤器111布置在空气入口管道104的入口121处。因此，燃料电池系统100包括布置成接收来自周围环境的空气的空气过滤器111。
膨胀机116连接到出口管道108，并且因此接收来自燃料电池102的出口端110的排气流并使所述排气流膨胀。从膨胀机116膨胀的空气被供应到燃料电池系统100的排气管道124中。换句话说，出口管道108连接在燃料电池的阴极侧的出口端110与膨胀机116的入口侧126之间以将排气从阴极侧供应到膨胀机116。因此，出口管道108连接到膨胀机116的入口侧126，而排气管道124连接到膨胀机116的排气侧128。膨胀机116的排气侧128然后连接到周围环境。替代地，排气侧128可以连接到水箱，然后进行排气。因此，从膨胀机供应到排气管道124中的膨胀空气可以被引导到周围环境。
借助于图2所描绘的示例实施方案，周围空气122经由过滤器111被空气压缩机112接收。空气压缩机112对空气加压并将加压空气朝向燃料电池102的入口端106供应，在所述燃料电池处产生电力。燃料电池102将阴极排气通过出口端110排放并排入出口管道108。排气流被进一步引导到膨胀机116中，所述膨胀机使空气膨胀并将膨胀的空气供应到排气管道124。
作为另一替代方案，并且如示例性实施方案中所描绘的，燃料电池系统100此处包括连接到入口管道104和出口管道108的加湿器140。加湿器140被配置为将湿气从出口管道108传送到入口管道104。加湿器可以将进气以及来自燃料电池102的排气流控制在期望的湿度水平。
如图2所示，燃料电池系统100还可以包括布置在入口管道104中的增压空气冷却器150，诸如增压空气中间冷却器。举例来说，增压空气冷却器150定位成在压缩机112与燃料电池102的入口端106之间流体连通。当结合加湿器140提供增压空气冷却器150时，增压空气冷却器150被布置成在空气压缩机112与加湿器140之间流体连通。增压空气冷却器150被配置为在进气被供应到燃料电池102的入口端106之前可控地调整进气。增压空气冷却器150此处连接到车辆1的冷却系统或冷却回路152，如本领域公知的。尽管未示出，但还应当容易注意到，燃料电池102(燃料电池堆)通常连接到冷却剂回路，如本领域公知的。
应当注意，入口管道104可以包括多个子管道和附加部件。在图2所描绘的示例实施方案中，入口管道104的在空气压缩机112与阴极侧的入口端106之间延伸的部分包括第一入口管道部分154、第二入口管道部分156和增压空气冷却器150。第一入口管道部分154将空气压缩机112连接到增压空气冷却器150，并且第二入口管道156将增压空气冷却器150连接到阴极侧的入口端106。
在图2中，当入口管道104和出口管道108分别由第一管道和第二管道限定时，加湿器140连接到第二入口管道部分156和第一出口管道部分162。
如上所述，系统10还包括与燃料电池系统100流体连通的压缩空气系统200。这样，燃料电池系统100和压缩空气系统200被布置成允许部分气流从阴极侧流到压缩空气系统200。燃料电池系统100与可控阀总成300连接并流体连通，如下面将结合图2至图4进一步描述的。
压缩空气系统通常被配置为将空气加压到一定水平以产生稳定的气流，这可以用于气动装置的适当功能。虽然压缩空气系统通常包括多个部件，诸如压缩机、空气冷却器、空气接收器槽、干燥器和分配系统，但是现在将在本文中进一步描述适合于系统10的压缩空气系统的一个示例。
如图2所示，压缩空气系统200包括可电动操作的空气压缩机(EOAC)220。可电动操作的空气压缩机220包括用于从燃料电池系统100(图2)或从燃料电池系统100和独立空气过滤器190(图3)接收空气的空气入口221。可电动操作的空气压缩机220被布置成压缩接收的空气，并且将压缩空气传送到由压缩空气提供动力的气动装置210。气动装置210因此与可电动操作的空气压缩机220流体连通。在该示例中，气动装置210是制动系统。换句话说，可电动操作的空气压缩机220被布置成向车辆的制动系统提供压缩空气。压缩空气通常是实现制动功能的主要工作流体。然而，压缩空气系统可以连接到车辆的其他类型的气动装置，诸如车辆的悬架系统、车载起重机系统、牵引系统、气动可控致动器(诸如CLB(即(背压装置))、EGR阀、用于轴承系统的缓冲空气或车辆的可通过压缩空气操作的任何其他类型的辅助装置和/或系统。当车辆移动时，气动系统可以根据各种驾驶阶段/模式以不同的模式操作，和/或如果与卡车的类型相关，则当车辆在零速工作时，根据不同的操作模式来操作。
可电动操作的空气压缩机220通常由电动马达操作。电动马达可以是马达118或车辆中所包括的另一电动马达(未示出)。因此，可电动操作的空气压缩机是电动操作的空气压缩机。可电动操作的空气压缩机220与电动马达之间的连接是机械的。通常，在可电动操作的空气压缩机220与电动马达的转子之间不设置离合器或任何用于选择性连接的装置。电动马达通常由车辆的电池和/或来自燃料电池系统的电力供电。根据车辆的类型，也可以考虑其他选项。任选地，压缩空气系统可以包括空气产生调节器(APM)(尽管未示出)。APM的功能是干燥/清洁压缩空气并将其分配给压缩空气消耗装置，诸如空气制动器、悬架、变速箱或任何其他气动装置。此外，控制单元114此处被配置为基于车辆的选定驾驶模式来控制可电动操作的空气压缩机220。
再次转向图2所示的燃料电池系统100，燃料电池系统100此处包括多个任选的水管理部件170和172。水管理部件170和172设置在出口管道108中。水管理部件170和172适于用作水分离器，即从燃料电池排出的空气中去除任何水。替代地或另外，水管理部件可以包括在加湿器140中。在包括一个或多个水管理部件的燃料电池系统100中，将空气抽取到位于水管理部件下游的压缩空气系统200可能是有利的。还可以提供在出口管道中没有任何水管理部件的燃料电池系统。因此，这些水管理部件通常是燃料电池系统100的任选部件。
在图2所示的示例实施方案中，出口管道108的在燃料电池102的出口端110与膨胀机116的入口侧126之间延伸的部分包括第一出口管道部分162、第二出口管道部分164和水管理部件172。此外，如图2所示，第一出口管道部分162将燃料电池102的出口端110连接到水管理部件172的入口侧171，并且第二出口管道164将水管理部件172的出口侧173连接到膨胀机116的入口侧126。此外，如图2所示，第一出口管道162将燃料电池102的出口端110与水管理部件170和加湿器140互连，所述水管理部件和所述加湿器流体地设置在燃料电池102的出口端110与膨胀机116的入口侧126之间。部件的其他布置也可以是可能的。
任选地，如图2所示，燃料电池系统100可以包括一个或多个阀192、193、194以用于调节燃料电池系统100的阴极侧中的空气的流动方向。阀装置192、193、194通常被配置为当燃料电池102关闭时阻止空气沿特定方向流动和/或关闭燃料电池102与周围环境的接触。举例来说，阀装置中的每一者都是传统的开关阀，也称为截止阀。开关阀可以以若干种不同的方式提供，诸如球阀、蝶阀、闸阀、旋塞阀等。
如图2所描绘的燃料电池系统100包括布置在第一出口管道部分162中的出口管道阀装置192。出口管道阀装置192被配置为当燃料电池102处于不活动状态或非操作状态时防止空气能够在出口管道108中流到燃料电池102。举例来说，燃料电池的不活动状态或非操作状态对应于燃料电池系统关闭时的状态。换句话说，出口管道阀装置192可操作以阻止空气从燃料电池系统100的排气侧124处的周围环境流到处于不活动状态或非操作状态的燃料电池102。出口管道阀装置192可由控制单元114控制。举例来说，出口管道阀装置192被配置为响应于来自控制单元114的控制信号而打开和关闭出口管道108中的流动通道。因此，当燃料电池系统100处于操作状态时，出口管道阀装置192由控制单元114控制为处于打开状态，从而允许空气从燃料电池102流到压缩空气系统200。然而，当燃料电池系统100处于非操作状态时，出口管道阀装置192由控制单元114控制为处于关闭状态，从而防止空气从周围环境流到燃料电池102。
此外，如图2所描绘的燃料电池系统100包括布置在第二入口管道部分156中的入口管道阀装置193。入口管道阀装置193被配置为当燃料电池102处于不活动状态或非操作状态时防止空气能够在入口管道104中流到燃料电池102。换句话说，入口管道阀装置193可操作以阻止空气从燃料电池系统100的入口侧121处的周围环境流到处于不活动状态或非操作状态的燃料电池102。入口管道阀装置193可由控制单元114控制。举例来说，入口管道阀装置193被配置为响应于来自控制单元114的控制信号而打开和关闭入口管道104中的流动通道。因此，当燃料电池系统100处于操作状态时，入口管道阀装置193由控制单元114控制为处于打开状态，从而允许空气从121处的周围环境流到燃料电池102。然而，当燃料电池系统100处于非操作状态时，入口管道阀装置193由控制单元114控制为处于关闭状态，从而防止空气从121处的周围环境流到燃料电池102。
通常，当燃料电池堆处于不活动状态和/或关闭状态时，阀192和193通常设置在关闭状态。否则，可能无法控制没有未过滤的空气/排气回流到燃料电池103中或所谓的系统干燥。
此外，如图2所示，如图2所描绘的燃料电池系统100包括燃料电池旁通管道195。燃料电池旁通管道195在入口管道104与出口管道108之间延伸。举例来说，如图2所示，燃料电池旁通管道195连接到第一入口管道部分154的位置和第二出口管道部分162的位置。换句话说，燃料电池旁通管道195连接到入口管道中位于燃料电池102上游的位置和出口管道中位于燃料电池102下游的位置。任选地，燃料电池旁通管道195包括旁通管道阀装置194。旁通管道阀装置194被配置为响应于来自控制单元114的控制信号而打开和关闭燃料电池旁通管道195。举例来说，当燃料电池系统100处于非操作状态时，旁通管道阀装置194由控制单元114控制为处于关闭状态，从而在将空气引导通过燃料电池102的同时防止空气在旁通管道195中流动。另一方面，当要操作压缩空气系统时，例如当可电动操作的空气压缩机220要从出口管道108接收空气并压缩所述空气时，旁通管道阀装置194由控制单元114控制为处于打开状态，从而允许空气在旁通通道195中流动。以这种方式，可以降低使可电动操作的空气压缩机220使用可能从124处的周围环境流出并在出口管道108中向后流动的未过滤的空气的风险。
根据增压空气冷却器的位置，旁通管道阀装置194和旁通管道195可以布置在增压空气冷却器的上游。在这样的示例中，旁通管道阀装置194可以是三通阀。
一般而言，虽然严格来说不是必要的，但是阀装置192、193和194中的每一者都可由控制单元114响应于车辆的操作模式以协调的方式控制。此处车辆的操作模式是指燃料电池系统100的操作模式和压缩空气系统200的操作模式。举例来说，阀装置192、193、194可响应于来自控制单元114的控制信号指示燃料电池102的激活状态而操作。在当控制单元114接收到指示燃料电池102将被设置在其不活动状态(将被关闭)的控制信号时的情况下，控制单元114将阀装置192、193控制为设置在关闭状态，同时将阀装置194控制为设置在打开状态。以这种方式，没有气流被引导到燃料电池102。相反，允许气流在旁通管道195中流动并流到可电动操作的空气压缩机220。由此，空气压缩机112能够以激活状态操作，从而为可电动操作的空气压缩机220提供足够的压力和流量。然而，如上所述，系统100的通常操作是气流穿过燃料电池102，然后穿过管道224和阀225，而不是穿过阀194和旁通管道195。
总之，燃料电池系统10包括多个阀装置192、193、194，所述多个阀装置可响应于燃料电池系统100和压缩空气系统200的激活状态(例如，可电动操作的空气压缩机220的激活状态)而操作。
为了控制从燃料电池系统100到压缩空气系统200的气流，系统10包括可控阀总成300，如现在将关于图2进一步描述的。在图2中，描绘了系统10的一个示例实施方案，其中压缩空气系统200通过可控阀总成300在入口管道104处和出口管道108处连接到燃料电池系统100。
如图2所描绘的，可控阀总成300被布置并配置为将可电动操作的空气压缩机220的空气入口221流体连接到位于膨胀机116的入口侧126上游的出口管道位置180、位于空气压缩机112上游的空气入口管道位置184以及位于空气压缩机112下游的空气入口管道位置186。举例来说，可控阀总成300包括三个入口端口301、302、303和一个出口端口310。
具体地，可控阀总成300的入口端口301流体连接到燃料电池系统的空气压缩机112上游的空气入口管道位置184。举例来说，可控阀总成300的入口端口301通过互连管道226流体连接到空气压缩机112上游的空气入口管道位置184。类似地，可控阀总成300的入口端口302流体连接到位于燃料电池系统的空气压缩机112下游的空气入口管道位置186。举例来说，可控阀总成300的入口端口302通过互连管道228流体连接到位于空气压缩机112下游的空气入口管道位置186。在图2中，空气入口管道位置186位于第二入口管道部分156处并且位于增压空气冷却器150的下游。此外，在图2中，空气入口管道位置186位于加湿器140的上游。有利地，空气入口管道位置186也在入口管道阀装置193的上游。
类似地，可控阀总成300的入口端口303流体连接到燃料电池系统100的出口管道位置180。举例来说，可控阀总成300的入口端口303通过互连管道224流体连接到出口管道位置180。通过经由阀总成300将可电动操作的空气压缩机220的空气入口221连接到出口管道108，可电动操作的空气压缩机220被布置成接收来自燃料电池102的阴极侧的排出空气。在图2中，出口管道位置180位于第二出口管道部分164处。
类似地，可控阀总成300的出口端口310通过互连流体管道240流体连接到可电动操作的空气压缩机220的入口。
可控阀总成300此处被配置为响应于车辆的工况而选择性地将空气从出口管道位置180、空气入口管道位置184和空气入口管道位置186引导到压缩空气系统200。可控阀总成300因此被设置为选择性阀总成。
车辆的工况通常可以对应于车辆的稳态状况。举例来说，工况指燃料电池性能优先级状况、压缩空气系统性能优先级状况和燃料电池关闭状况中的任一者。
如上所述，系统10可通过控制单元114操作。控制单元114包括控制电路(未示出)，所述控制电路被配置为通过控制可控阀总成300来控制从燃料电池系统100到压缩空气系统200的气流。具体地，控制单元114被布置成与可控阀总成300通信，以便基于指示车辆的工况的控制信号来控制可控阀总成300。控制单元114还可以连接到车辆控制系统以接收指示例如车辆的当前操作模式的信号。一般而言，燃料电池102的功率是用于控制流向可电动操作的空气压缩机220的气流的一种输入数据。因此，燃料电池102的功率对可电动操作的空气压缩机220的压缩机转速可能起决定性作用。具体地，控制电路114可操作以响应于车辆的操作模式和来自车辆的功率需求中的任一者的变化而控制从燃料电池系统100到可电动操作的空气压缩机220的气流。此外或替代地，可以响应于燃料电池102的激活状态而控制可电动操作的空气压缩机220。
在图2所示的示例实施方案中，可控阀总成300被配置为：如果工况相当于燃料电池性能优先级状况，则将空气从出口管道位置180引导到压缩空气系统200。该位置对于车辆是有利的，至少部分是由于所供应的空气含有较高的水含量并且可能对燃料电池性能更有益，空气具有相对较低的压力(与入口管道104中的空气相比)，并且是由于空气的温度与入口管道104中的空气的温度相比至少相似或稍高。此外，从出口管道供应的空气可能含有较少的氧气，因为燃料电池用氢气消耗氧气，这将因此向压缩空气系统提供较少的氧化气体。含有较少氧化气体的压缩空气对于诸如空气制动系统的气动装置来说可能是一个优点。
在图2所示的示例实施方案中，可控阀总成300还被配置为：如果工况相当于压缩空气系统性能优先级状况，则将空气从空气入口管道位置186引导到压缩空气系统200。该位置使得供应具有相对较低湿度(大气湿度)的空气，这对于可电动操作的空气压缩机220更为有利。此外，该位置使得与燃料电池系统100的排气侧/出口管道相比供应相似或稍低温度的空气。通常，虽然严格来说不是必要的，但是从入口管道104供应空气的这种选择可以受益于控制燃料电池系统的空气压缩机112，诸如以与可电动操作的空气压缩机220的操作协调的方式控制压缩机112的转速。
在图2所示的示例实施方案中，可控阀总成300还被配置为：如果工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从空气入口管道位置184引导到压缩空气系统200。燃料电池关闭状况的一个示例对应于行程的开始。当车辆要起动并且期望或需要在压力罐中建立压力并因此运行可电动操作的空气压缩机时，这种优先燃料电池关闭状况可能是有益的。由于燃料消耗/退化/噪声，在行程开始时将燃料电池维持在关闭模式并且然后仅依靠电池操作也可能是相关的。
可控阀总成300有利地由对应于阀致动器的螺线管致动，如流体控制阀领域所公知的。然而，许多类型的致动是可用的，诸如响应于来自控制单元114的控制信号的对可控阀总成的电动、气动和液压致动。可控阀总成还可以包括布置在阀体内的致动活塞。举例来说，可控阀总成300通过致动阀体内的多个活塞来操作，以根据需要转移流体流。当一个活塞被致动到关闭位置时，它对阀体形成密封，从而阻止所有流通过阀的一个端口，而当活塞被致动到打开位置时，允许流体从入口流到出口。以上仅仅是可以用于控制燃料电池系统100与压缩空气系统200之间的气流的可能的可控阀总成300的一个示例。
现在将在下文描述如何控制上述系统10中的气流的各种示例实施方案。根据第一示例实施方案，车辆以正常操作模式操作，在所述正常操作模式下，燃料电池102不需要额外的电力来产生电力。此外，在该正常操作模式下，压缩空气系统200根据正常模式操作，在所述正常模式下，不需要或需要较少来自电驱动空气压缩机220的压缩空气。然后，当控制单元114接收到指示期望增加车辆10的功率(通常增加来自燃料电池102的功率)的控制信号时，控制单元114确定优先考虑燃料电池的性能(即，燃料电池性能优先级状况)，并因此向可控阀总成300发送控制信号以控制气流，使得空气从出口管道位置供应到可电动操作的空气压缩机。在另一种操作情况下，控制单元114接收到指示例如由于重大且紧急的制动事件而期望增加气动装置的功率的控制信号。因此，控制单元114确定压缩空气系统性能的优先级(即，压缩空气系统性能优先级状况)，并因此向可控阀总成300发送控制信号以控制气流，使得空气从空气入口管道位置186供应到可电动操作的空气压缩机。
在又一种驾驶情况下，控制单元114接收指示关闭燃料电池的决定的控制信号。因此，控制单元114确定这样的决定相当于燃料电池关闭状况，并因此向可控阀总成300发送控制信号以控制气流，使得空气从空气入口管道位置184供应到可电动操作的空气压缩机。替代地，如图3所示，控制单元114将控制信号发送到可控阀总成300以控制气流，使得空气从独立空气过滤器位置188供应到可电动操作的空气压缩机。
在另一个示例实施方案中，如图3所描绘的，系统10包括与周围环境流体连通的独立空气过滤器190。独立空气过滤器可以是系统10的单独部分或者车辆的另一个气动系统的组成部分。空气过滤器190与周围环境流体连通以从外部接收新鲜空气。在图3中，可控阀总成300因此被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机的空气入口221流体连接到膨胀机的入口侧上游的出口管道位置180、空气压缩机112上游的空气入口管道位置184以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器190流体连通的位置188。
在图3中，可控阀总成300的入口端口301流体连接到系统的独立空气过滤器190。举例来说，可控阀总成300的入口端口301通过互连管道229流体连接到独立空气过滤器190。除了图3中的可控阀总成的入口端口301的上述连接之外，阀总成300的入口端口和出口端口对应于上面关于图2描述的入口端口和出口端口。
可控阀总成300此处被配置为响应于车辆的工况而选择性地将空气从出口管道位置180、空气入口管道位置184和位置188引导到压缩空气系统200。可控阀总成300因此被设置为选择性阀总成。
在图3所示的示例实施方案中，当可控阀总成300被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机的空气入口221流体连接到独立空气过滤器位置188时，可控阀总成300还被配置为：如果工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从独立空气过滤器位置188引导到压缩空气系统200。
虽然图2和图3中的可控阀总成300的上述布置已经关于具有三个多流体供应位置的系统进行了描述，但是应当容易理解，系统10可以结合上面关于图2和图3描述的布置。换句话说，在又一个示例实施方案中，虽然未明确示出，但是可控阀总成300被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机220的空气入口221流体连接到位于膨胀机116的入口侧126上游的出口管道位置180、位于空气压缩机112上游的空气入口管道位置184、位于空气压缩机112下游的空气入口管道位置186以及独立空气过滤器位置188。在可控阀总成300的这种布置和配置中，可控阀总成因此可以包括用于如上文关于图2和图3描述的每个连接的四个入口端口，其中阀总成选择四个位置180、184、186或188中的一个位置来将空气供应到可电动操作的空气压缩机220。替代地，可以提供一种控制总成，所述控制总成具有一个三通阀，后接一个二通阀，或者反之亦然。换句话说，可控阀总成可由控制单元操作以首先选择空气是取自FC系统还是独立空气过滤器，随后，如果空气是取自FC阴极系统，则进一步选择位置180、184或186中的一者。
此外，可控阀总成300可以被布置和配置为将可电动操作的空气压缩机220的空气入口221流体连接到上述流体供应位置180、184、186和188中的两者。因此，在一个示例实施方案(未明确示出)中，至少两个位置是位于空气压缩机112上游的空气入口管道位置184和位于空气压缩机112下游的空气入口管道位置186。在一个示例实施方案中，所述至少两个位置是膨胀机116的入口侧上游的出口管道位置180以及与和周围环境流体连通的独立空气过滤器190流体连通的位置188。在这些示例实施方案中，可控阀总成300可以是具有一个出口和两个入口的选择阀。
尽管图2中未描绘，但是还应当容易理解，燃料电池系统100可以包括一个或多个温度传感器和压力传感器以为控制单元和系统提供进一步的控制数据。这种传感器在燃料电池系统中的应用通常是根据燃料电池系统和车辆的类型来布置的，如本领域所公知的。燃料电池系统还可以包含燃料电池中或燃料电池的外壳中的温度传感器。由此，可以确定燃料电池的温度水平。
另外，如上所述，图3中示出了系统10的进一步示例实施方案。图2中的燃料电池系统和图3中的燃料电池系统共享图2中描述和示出的上述特征，除了图3中的可控阀总成300连接到过滤器190的位置188，而不是如关于图2所描述的连接到燃料电池系统100的过滤器111的位置184之外。
还可以提供如图2和图3中的任一者中所描述的没有上述的一些部件和特征的燃料电池系统100。举例来说，虽然未明确示出，但是系统10可以包括不具有阀192、193、194和旁通管道195以及水管理部件中的一者或多者的燃料电池系统100。
关于控制单元114，控制单元可以例如是车辆所包括的电子控制单元(ECU)。然而，控制单元同样可以由多个子控制单元(未示出)来提供，其中每个控制单元通常可以包括对应的控制电路、处理器等。举例来说，燃料电池系统包括第一子控制单元并且压缩空气系统包括第二子控制单元，其中子控制单元被布置成彼此通信以形成控制单元114。为此，子控制单元共同被配置为响应于车辆的操作模式和来自车辆的功率需求中的任一者而控制从燃料电池系统到可电动操作的空气压缩机的气流，如上所述。
在一个示例中，当压缩空气系统包括空气产生调节器(APM)时，ECU可以被配置为控制燃料电池系统100，而包括在APM中的子控制单元可以被配置为控制可电动操作的空气压缩机220。此外，在这样的示例中，ECU和APM的子控制单元被布置成彼此通信，以接收和传送指示例如用于将压缩空气供应到下游部件(诸如气动装置)的可电动操作的空气压缩机的所需入口压力的信号。还可设想控制单元的其他布置。
控制单元114和每个对应的子控制单元可以包括用于进行数据或信号处理或用于执行存储在存储器中的计算机代码的一个或多个硬件部件。存储器可以是用于存储数据和/或计算机代码以完成或促进本说明书中描述的各种方法的一个或多个装置。存储器可以包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器可以包括数据库部件、目标代码部件、脚本部件或用于支持本说明书的各种活动的任何其他类型的信息结构。根据一个示例性实施方案，任何分布式或本地存储器装置都可以与本说明书的系统和方法一起利用。根据一个示例性实施方案，存储器(例如，经由电路或任何其他有线、无线或网络连接)可通信地连接到控制电路或处理器并且包括用于执行本文描述的一个或多个过程的计算机代码。
为了总结以上内容，现在参考图4，其是根据一个示例实施方案的控制系统的方法500的流程图。在操作期间，控制单元114确定S10车辆的操作状况并且进一步操作S20可控阀总成300以响应于车辆的所确定的工况而选择性地将空气从多个流体供应位置(例如出口管道位置180、空气入口管道位置184、空气入口管道位置186和位置188中的两个或三个位置)引导到压缩空气系统。因此，控制单元114控制从燃料电池系统100到压缩空气系统200的气流。上面描述了各种工况的详细示例实施方案。举例来说，所述方法包括：如果工况相当于燃料电池性能优先级状况，则控制可控阀总成将空气从出口管道位置180引导到压缩空气系统；如果工况相当于压缩空气系统性能优先级状况，则将空气从空气入口管道位置186引导到压缩空气系统；如果工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从空气入口管道位置184引导到压缩空气系统，同时，如果工况相当于组合的压缩空气系统性能优先级和燃料电池关闭状况，则所述方法包括通过控制燃料电池系统的至少一个控制阀装置192、193、194来关闭对燃料电池的空气供应，以及进一步通过燃料电池马达118来操作空气压缩机112以将可电动操作的空气压缩机220预增压。
因此，应当注意，控制单元114通常还与可电动操作的空气压缩机220和空气压缩机112通信。此外，控制单元114被配置为响应于可电动操作的空气压缩机220的激活状态来操作空气压缩机112。具体地，控制单元114被配置为响应于可电动操作的空气压缩机220的激活状态来调节空气压缩机112的压缩机转速气流。
由于如上所述的系统10，可电动操作的空气压缩机220可以有利地由来自系统的合适位置的空气来操作，以便允许响应于车辆1的工况而精确操作可电动操作的空气压缩机220的接合。此外，可以利用位于燃料电池阴极侧处的燃料电池系统100的过滤器111的过滤空气来将车辆1的压缩空气系统200的电驱动车辆空气压缩机220增压。具体地，通过使用来自燃料电池空气入口的空气，可以提供没有单独的空气过滤器的压缩空气系统，例如可以省略车辆制动压缩机入口处的附加过滤器。因此，系统10提供了一种包括燃料电池系统和压缩空气系统的简单而有效的系统。
应当理解，本公开不限于上述和附图中所示的实施方案；而是，本领域技术人员将认识到可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。

Claims (21)

1.一种用于车辆(1)的系统(10)，其具有燃料电池系统(100)和用于向气动装置供应压缩空气的压缩空气系统(200)，
所述燃料电池系统包括：
至少一个燃料电池(102)，所述至少一个燃料电池具有阳极侧和阴极侧，
空气入口管道(104)，所述空气入口管道连接到所述阴极侧的入口端(106)以用于向所述至少一个燃料电池的所述阴极侧供应空气，
空气压缩机(112)，所述空气压缩机设置在所述空气入口管道中，
空气过滤器(111)，所述空气过滤器被布置成接收来自周围环境的空气，所述空气过滤器布置在所述空气入口管道的入口(121)处并且位于所述空气压缩机的上游，
流体出口管道(108)，所述流体出口管道连接在所述阴极侧的出口端(110)与膨胀机(116)的入口侧(126)之间以将排气流从所述阴极侧供应到所述膨胀机；以及排气管道(124)，所述排气管道连接到所述膨胀机的排气侧(128)；
所述压缩空气系统包括：
可电动操作的空气压缩机(220)，所述可电动操作的空气压缩机可连接到所述气动装置(210)；
其中所述系统还包括可控阀总成(300)以用于将所述可电动操作的空气压缩机的空气入口(221)流体连接到多个流体供应位置，所述多个流体供应位置包括选自以下位置的至少两个位置：位于所述膨胀机的所述入口侧上游的出口管道位置(180)、位于所述空气压缩机(112)上游的空气入口管道位置(184)、位于所述空气压缩机(112)下游的空气入口管道位置(186)以及与和所述周围环境流体连通的独立空气过滤器(190)流体连通的位置(188)，并且
其中所述可控阀总成被配置为响应于所述车辆的工况而选择性地将空气从所述多个流体供应位置(180、184、186、188)引导到所述压缩空气系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中当所述可控阀总成被布置和配置为将所述可电动操作的空气压缩机的所述空气入口(221)流体连接到所述出口管道位置(180)时，所述可控阀总成被配置为：如果所述工况相当于燃料电池性能优先级状况，则将空气从所述出口管道位置引导到所述压缩空气系统。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中当所述可控阀总成被布置和配置为将所述可电动操作的空气压缩机的所述空气入口(221)流体连接到所述空气入口管道位置(186)时，所述可控阀总成被配置为：如果所述工况相当于压缩空气系统性能优先级状况，则将空气从所述空气入口管道位置(186)引导到所述压缩空气系统。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中当所述可控阀总成被布置和配置为将所述可电动操作的空气压缩机的所述空气入口(221)流体连接到所述空气入口管道位置(184)时，所述可控阀总成被配置为：如果所述工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从所述空气入口管道位置(184)引导到所述压缩空气系统。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中当所述可控阀总成被布置和配置为将所述可电动操作的空气压缩机的所述空气入口(221)流体连接到所述位置(188)时，所述可控阀总成被配置为：如果所述工况相当于燃料电池关闭状况，则将空气从所述位置(188)引导到所述压缩空气系统。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述出口管道的在所述至少一个燃料电池的所述出口端与所述膨胀机的所述入口侧之间延伸的部分包括第一出口管道部分(162)、第二出口管道部分(164)和水管理部件(172)，所述第一出口管道部分将所述至少一个燃料电池的所述出口端连接到所述水管理部件的入口侧(171)，并且所述第二出口管道将所述水管理部件的出口侧(173)连接到所述膨胀机的所述入口侧，并且其中所述出口管道位置(180)位于所述第二出口管道部分(164)处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述入口管道的在所述空气压缩机与所述阴极侧的所述入口端之间延伸的部分包括第一入口管道部分(154)、第二入口管道部分(156)和增压空气冷却器(150)，所述第一入口管道部分将所述空气压缩机连接到所述增压空气冷却器，并且所述第二入口管道部分将所述增压空气冷却器连接到所述阴极侧的所述入口端。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述空气入口管道位置(186)位于所述第二入口管道部分(156)处且位于所述增压空气冷却器的下游。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述燃料电池系统还包括连接到所述入口管道(104)和所述出口管道(106)的加湿器(140)，所述加湿器被配置为将湿度从所述出口管道传送到所述入口管道，其中所述空气入口管道位置(186)位于所述加湿器的上游。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述空气压缩机连接到所述膨胀机和燃料电池马达(118)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统还包括控制单元(114)，所述控制单元被布置成与所述可控阀总成(300)通信，以便基于指示所述车辆的所述工况的控制信号来控制阀装置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少两个位置是位于所述空气压缩机(112)上游的所述空气入口管道位置(184)和位于所述空气压缩机(112)下游的所述空气入口管道位置(186)。
13.根据前述权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述至少两个位置是位于所述膨胀机的所述入口侧上游的所述出口管道位置(180)以及与和所述周围环境流体连通的独立空气过滤器(190)流体连通的所述位置(188)。
14.根据前述权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述多个流体供应位置包括至少三个位置，所述三个位置至少是位于所述膨胀机的所述入口侧上游的所述出口管道位置(180)、位于所述空气压缩机(112)上游的所述空气入口管道位置(184)和位于所述空气压缩机(112)下游的所述空气入口管道位置(186)。
15.根据前述权利要求1至11中任一项所述的系统，其中所述多个流体供应位置包括至少三个位置，所述三个位置至少是位于所述膨胀机的所述入口侧上游的所述出口管道位置(180)、位于所述空气压缩机(112)下游的所述空气入口管道位置(186)以及与和所述周围环境流体连通的独立空气过滤器(190)流体连通的所述位置(188)。
16.一种控制车辆的系统的方法，所述系统包括燃料电池系统(100)和用于向气动车辆装置供应压缩空气的压缩空气系统(200)，所述燃料电池系统包括：至少一个燃料电池(102)，所述至少一个燃料电池具有阳极侧和阴极侧；空气入口管道(104)，所述空气入口管道连接到所述阴极侧的入口端(106)以向所述至少一个燃料电池的所述阴极侧供应空气；空气压缩机(112)，所述空气压缩机设置在所述空气入口管道中；空气过滤器(111)，所述空气过滤器被布置成接收来自周围环境的空气，所述空气过滤器布置在所述空气入口管道的入口(121)处并且位于所述空气压缩机的上游；流体出口管道(108)，所述流体出口管道连接在所述阴极侧的出口端(110)与膨胀机(116)的入口侧(126)之间以将排气流从所述阴极侧供应到所述膨胀机；以及排气管道(124)，所述排气管道连接到所述膨胀机的排气侧(128)；所述压缩空气系统包括可连接到所述气动车辆装置(210)的可电动操作的空气压缩机(220)；其中所述系统还包括可控阀总成(300)以用于将所述可电动操作的空气压缩机的空气入口(221)流体连接到多个流体供应位置，所述多个流体供应位置包括选自以下位置的至少两个位置：位于所述膨胀机的所述入口侧上游的出口管道位置(180)、位于所述空气压缩机(112)上游的空气入口管道位置(184)、位于所述空气压缩机(112)下游的空气入口管道位置(186)以及与和所述周围环境流体连通的独立空气过滤器(190)流体连通的位置(188)，其中所述方法包括：
确定(S10)所述车辆的工况；以及
响应于所述车辆的所确定的工况而操作(S20)所述可控阀总成(300)以选择性地将空气从所述多个流体供应位置(180、184、186、188)引导到所述压缩空气系统。
17.根据权利要求16所述的方法，其中操作(S20)所述可控阀总成(300)还包括：如果所述工况相当于燃料电池性能优先级状况，则操作所述可控阀总成以将空气从所述出口管道位置引导到所述压缩空气系统。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，其中操作(S20)所述可控阀总成(300)还包括：如果所述工况相当于压缩空气系统性能优先级状况，则操作所述可控阀总成以将空气从所述空气入口管道位置(186)引导到所述压缩空气系统。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中操作(S20)所述可控阀总成(300)还包括：如果所述工况相当于燃料电池关闭状况，则操作所述可控阀总成以将空气从所述空气入口管道位置(184)引导到所述压缩空气系统。
20.根据权利要求19所述的方法，当从属于权利要求18时，其中，如果所述工况相当于组合的压缩空气系统性能优先级和燃料电池关闭状况，则所述方法包括通过控制所述燃料电池系统的至少一个控制阀装置(192、193、194)关闭对所述至少一个燃料电池的空气供应，以及通过燃料电池马达(118)操作所述空气压缩机(112)以将所述可电动操作的空气压缩机预增压。
21.一种至少部分地由电动牵引马达(101)推进的车辆，所述电动牵引马达电连接到根据权利要求1至15中任一项所述的系统的燃料电池系统。
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