-
HINTERGRUND
-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betritt eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Hochsetzsteller bzw. Verstärkungswandler sowie einer Kühlanordnung zum Kühlen der Komponenten der Brennstoffzelleneinheit.
-
Stand der Technik
-
Eine Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln mehrerer Brennstoffzellen gebildet wird, einem Hochsetzsteller, der ausgestaltet ist, um die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegebene elektrische Leistung zu verstärken, sowie Komponenten wie einem Relais zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, ist bekannt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug, das mit einer derartigen Brennstoffzelleneinheit ausgestaltet ist, ist beispielsweise in der
JP 2013- 247 083 A beschrieben.
-
Bei der in der
JP 2013- 247 083 A beschriebenen Brennstoffzelleneinheit ist der Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellengehäuse aufgenommen und der Hochsetzsteller ist in einem separaten Hochsetzstellergehäuse aufgenommen, und die beiden Gehäuse sind lösbar elektrisch miteinander verbunden. In dem Brennstoffzellengehäuse sind auch das Relais zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, und dergleichen aufgenommen, und Kühlwasser zum Kühlen des Relais und dergleichen zirkuliert in dem Brennstoffzellengehäuse. Daneben sind in dem Hochsetzstellergehäuse eine Mehrzahl von Drosselspulen (Spulen), ein Schaltelement und dergleichen, die den Hochsetzsteller bilden, aufgenommen. Der Brennstoffzellenstapel und der Hochsetzsteller sind zudem unter einem Bodenpanel des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet.
-
Es wurde auch ein Brennstoffzellenfahrzeug vorgeschlagen, bei dem die Brennstoffzelleneinheit zusammen mit Hilfsaggregaten nicht unter einem Bodenpanel sondern in einem Motorraum angeordnet ist, und ein Beispiel eines derartige Brennstoffzellenfahrzeugs ist in der
JP 2011- 162 108 A beschrieben. Ein weiteres Brennstoffzellenfahrzeug, das einen Wandler in einem Mitteltunnel aufnimmt und sicherstellt, das viel Platz im Inneren des Fahrzeugs gegeben ist, ist aus der
DE 11 2011 105 213 T5 bekannt. Das Brennstoffzellenfahrzeug hat das unter einem Boden des Fahrzeugs eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Reaktionsgasen erzeugt; eine Fluidzufuhr-/-ableiteinheit für die Brennstoffzelle; und einen Wandler, der die elektrische Leistung der Brennstoffzelle wandelt, wobei der Wandler in einem Mitteltunnel aufgenommen ist, der in der Mitte einer Fahrzeugbreitenrichtung vorgesehen ist, und der in Richtung zu einer Fahrgastzelle entlang einer Fahrzeugachse in Front-Heck-Richtung gebogen ist, wobei die Brennstoffzelle und die Einheit an einer Rückseite des Fahrzeugs relativ zum Wandler angeordnet sind und in Fahrzeugbreitenrichtung angeordnet sind, und wobei der Wandler bezüglich einer Mittellinie des Mitteltunnels entlang der Fahrzeugachse versetzt zur Brennstoffzelle angeordnet ist, und bezüglich einer Mittellinie der Brennstoffzelle entlang der Fahrzeugachse versetzt zur Einheit angeordnet ist.
-
KURZFASSUNG
-
In der Brennstoffzelleneinheit wird während des Betriebs vom Brennstoffzellenstapel, dem Hochsetzsteller bzw. Verstärkungswandler und dergleichen Wärme erzeugt. Wie in der
JP 2013-247083 A beschrieben ist hat, bei der Brennstoffzelleneinheit mit dem Brennstoffzellenstapel und dem Hochsetzsteller, die jeweils in dem Brennstoffzellengehäuse und dem Hochsetzstellergehäuse aufgenommen sind, die unter dem Bodenpanel des Fahrzeugs angeordnet sind, die Wärmeerzeugung des Hochsetzstellers keine besonderen Auswirkungen auf das Relais und dergleichen, so dass durch die Wärmeerzeugung keine besonderen Probleme verursacht werden.
-
Demgegenüber haben die Erfinder bei Brennstoffzellenfahrzeugen, wie sie in der
JP2011-162108 A beschriebenen sind, bei dem die Brennstoffzelleneinheit zusammen mit den Hilfsaggregaten vollständig im Motorraum angeordnet ist, viele Experimente und Studien hinsichtlich der Verbesserung der Leistung durchgeführt, und dabei die nachstehend genannten Probleme während der Experimente und Studien erkannt.
-
Insbesondere betreffen diese Probleme: (a) wenn die Brennstoffzelleneinheit zusammen mit den Hilfsaggregaten vollständig im Motorraum angeordnet wird, ist unter Berücksichtigung des vorhandenen Raums bevorzugt, den Brennstoffzellenstapel, den Hochsetzsteller, das Relais zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, und dergleichen in einem Gehäuse aufzunehmen, jedoch führt das Anordnen aller Komponenten zusammen in einem Gehäuse dazu, dass die Raumtemperatur in dem Gehäuse übermäßig ansteigt; und (b) wenn ein Relais für einen hohen Strom zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, im Gehäuse angeordnet wird, steigt die Temperatur des Relais aufgrund einer Zunahme der Raumtemperatur in dem Gehäuse zusätzlich zu der von dem Relais selbst erzeugten Wärme spürbar an, und in einigen Fällen kann die Temperatur des Relais bis in die Nähe einer zulässigen Temperatur steigen.
-
Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von den vorstehenden Umständen gemacht und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelleneinheit zu schaffen, welche die vorstehend genannten Probleme, die von den Erfindern während der Demonstration der Experimente erkannt wurden, lösen kann. Gelöst wird diese Aufgabe mit der Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1.
-
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit umfasst: einen Brennstoffzellenstapel; einen Hochsetzsteller mit zumindest einer Drosselspule und einem elektrischen Leistungswandler mit einem Schaltelement, wobei der Hochsetzsteller geeignet ist, von dem Brennstoffzellenstapel ausgegebene elektrische Leistung zu verstärken; Kühlkomponenten für die Drosselspule und das Schaltelement mit Kanälen für ein Kälte- bzw. Kühlmittel zum Kühlen der Drosselspule und des Schaltelements; eine Kühlleitung mit einer ersten Kühlleitung, und einer zweiten Kühlleitung; und eine Relaisschaltung, die ausgestaltet ist, um elektrische Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, ein- und auszuschalten, Die Brennstoffzelleneinheit hat ferner eine Vorladeschaltung und der Brennstoffzellenstapel, der Hochsetzsteller, die Kühlleitung und die Relaisschaltung sind in einem Gehäuse aufgenommen, und die Relaisschaltung ist an einer Position angeordnet, die näher an der Kühlleitung liegt als an dem Schaltelement.
-
Die Brennstoffzelleneinheit hat die Kühlleitung, durch welche das Kälte- bzw. Kühlmittel fließt, wobei das Kühlmittel verwendet wird, um das Schaltelement zu kühlen, das von den Komponenten des Hochsetzstellers eine große Menge an Wärme erzeugt. Zudem ist das Relais an einer Position angeordnet, die näher an der Kühlleitung liegt als am Schaltelement. Die Temperatur an einer Position in der Nähe der Kühlleitung wird somit niedriger als in der Nähe des Schaltelements, da das Kühlmittel durch die Kühlleitung fließt. Somit wird ein übermäßiger Anstieg der Temperatur des Relais verhindert, wodurch ein zuverlässiger Betrieb des Relais und eine lange Lebensdauer ermöglicht werden. Ferner strömt das Kühlmittel durch die Kühlleitung für die Kühlkomponente zum Kühlen des Schaltelements, das eine besonders große Menge an Wärme erzeugt, so dass die Wärmeerzeugung des gesamten Hochsetzstellers auch unterbunden werden kann. Dies gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb des Hochsetzstellers und kann eine Zunahme der Temperatur im Gehäuse verhindern.
-
Die Relaisschaltung ist an einer Position zwischen der ersten Kühlleitung und der zweiten Kühlleitung angeordnet, die Kühlleitung ist derart angeordnet, dass das Kühlmittel zuerst durch die Drosselspulen-Kühlkomponente, dann durch das Schaltelement und dann zwischen der Relaisschaltung und der Vorladeschaltung fließt, und die Relaisschaltung ist näher an der Kühlleitung als an dem Schaltelement angeordnet.
-
Wenn das Relais zwischen den beiden Kühlleitungen, d.h. der ersten Kühlleitung und der zweiten Kühlleitung, angeordnet ist, der Kühleffekt des Kühlmittels am Relais verstärkt, wodurch ein Anstieg der Temperatur des Relais zuverlässig verhindert werden kann.
-
Bei einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit ist das Relais vorzugsweise an einer Position angeordnet, die näher an der zweiten Kühlleitung als an der ersten Kühlleitung liegt.
-
Der Grund hierfür ist, dass das Kühlmittel, das durch die Kühlleitung fließt, die gekühlte Wärme (EN cooled heat) aufgrund der Kühlung des Relais stärker in der zweiten Kühlleitung verliert als in der ersten Kühlleitung, da das zu kühlende Relais näher an der zweiten Kühlleitung angeordnet ist. Das bedeutet, das durch die erste Kühlleitung fließende Kühlmittel kann die Kühlkomponente im Wesentlichen erreichen, ohne gekühlte Wärme zu verlieren, so dass nahezu sicher verhindert werden kann, dass die Hauptfunktion des Kühlmittels, das Kühlen des Hochsetzstellers, aufgrund der Kühlung des Relais verloren geht.
-
Bei einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine oder mehrere Sammelschienen, die ausgestaltet sind, um das Relais und andere Komponenten in dem Gehäuse elektrisch miteinander zu verbinden, wobei die eine oder mehreren Sammelschienen zumindest teilweise entlang der Kühlleitung angeordnet sind.
-
Bei diesem Aspekt kann, da ein Anstieg der Temperatur der einen oder mehreren Sammelschienen durch die gekühlte Wärme des Kühlmittels, das durch die Kühlleitung fließt, unterbunden wird, ein Anstieg der Temperatur des Relais weiter verhindert werden.
-
Bei einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit haben die eine oder mehreren Sammelschienen einen Querschnittsbereich bzw. eine Querschnittsfläche, der/die eine(n) Querschnittsbereich bzw. Querschnittsfläche übersteigt, der/die geeignet ist, einen maximalen Stromfluss durch die eine oder mehreren Sammelschienen zuzulassen.
-
Bei diesem Aspekt ist der Querschnittsbereich bzw. die Querschnittsfläche der einen oder mehreren Sammelschienen größer gewählt als ursprünglich benötigt, so dass die Wärmeabstrahlleistung der einen oder mehreren Sammelschienen verbessert werden kann, und damit ein Anstieg der Temperatur des Relais verhindert werden kann.
-
Erfindungsgemäß kann bei der Brennstoffzelleneinheit, bei welcher der Brennstoffzellenstapel, der Hochsetzsteller, der geeignet ist, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegebene elektrische Leistung zu verstärken, das Relais zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, und dergleichen Komponenten, die für den Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder dergleichen notwendig sind, in einem Gehäuse aufgenommen sind, ein übermäßiger Anstieg der Raumtemperatur in dem Gehäuse verhindert werden, und eine durch die übermäßige Wärmeerzeugung verursachte Beschädigung kann ebenso zuverlässig vermieden werden, wodurch die Brennstoffzelleneinheit zuverlässig arbeiten kann und eine lange Lebensdauer aufweist.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Brennstoffzellenfahrzeugs mit einer daran montierten erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit;
- 2 zeigt eine schematische Ansicht einer Seitenfläche der Brennstoffzelleneinheit;
- 3 zeigt eine Ansicht einer elektrischen Schaltung zur Darstellung der Funktionsweise des Hochsetzstellers und dergleichen; und
- 4 zeigt eine schematische Ansicht der Brennstoffzelleneinheit von oben.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnung beschrieben.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Fahrzeugs VE, an welchem eine Brennstoffzelleneinheit FCU montiert ist. Das Fahrzeug VE hat einen Antriebsmotor M, der durch elektrische Leistung bzw. Strom angetrieben wird, die/der durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, und das Drehmoment des Antriebsmotors M wird an die Vorderräder FW und/oder Hinterräder RW übertragen, um das Fahrzeug VE anzutreiben. Das Fahrzeug VE hat eine Fahrgaszelle CA und einen Motorraum EC, die durch eine Spritzwand DP sowie eine Fußleiste TB getrennt sind. Die Brennstoffzelleneinheit FCU umfasst einen Brennstoffzellenstapel ST, der die Brennstoffzellen bildet, und eine Brennstoffzellen-Leistungssteuereinheit FCPC (nachfolgend vereinfacht als FCPC bezeichnet), die einen Hochsetzsteller umfasst, wobei, wie in 1 gezeigt ist, der Brennstoffzellenstapel ST und die FCPC integral zusammengebaut sind, sodass die FCPC am Brennstoffzellenstapel ST angeordnet ist, wenn diese am Fahrzeug VE montiert werden. Das Fahrzeug VE hat ferner eine Speicherbatterie (in 1 nicht gezeigt), um elektrische Leistung zu speichern, die durch die Brennstoffzellen erzeugt wird. Das Bezugszeichen FP in 1 bezeichnet ein Bodenpanel.
-
In dem Brennstoffzellenstapel ST ist beispielsweise eine Mehrzahl von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, die jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung haben (MEA), in Schichten bzw. Lagen gestapelt, und eine elektromotorische Kraft kann durch eine elektrochemische Reaktion von reinem Wasserstoff als Brenngas und Sauerstoff in der Luft als Oxidationsgas in jeder der Zellen erzeugt werden.
-
2 ist eine Seitenansicht, die das äußere Erscheinungsbild der Brennstoffzelleneinheit FCU zeigt. Der Brennstoffzellstapel ST ist in einem unteren Gehäuse 10 mit einem Boden 11 und einen offenen Oberseite aufgenommen. Die FCPC ist in einem oberen Gehäuse 20 mit einem oberen Panel 21 sowie einem Lagerelement an dessen Unterseite aufgenommen, an dem Komponenten, wie später beschrieben, befestigt sind.
-
Das untere Gehäuse 10 hat einen Flansch 12 an seinem oberen Rand, und das obere Gehäuse 20 hat einen Flansch 22 an seinem unteren Rand. Die beiden Gehäuse werden integral zusammengebaut, indem die beiden Flansche aneinander mittels einer Schraube 13 oder dergleichen befestigt werden, sodass sie einander zugewandt sind. In dieser Beschreibung wird ein Gehäuse, in welchem die beiden Gehäuse integral zusammengebaut sind, als einzelnes Gehäuse 30 bezeichnet.
-
Der in dem unteren Gehäuse 10 aufgenommene Brennstoffzellenstapel ST ist durch eine Verkabelung innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 30 elektrisch mit der FCPC verbunden, die in dem oberen Gehäuse 20 aufgenommen ist. Wie später beschrieben wird, enthält das obere Gehäuse 20 einen Einbringanschluss 23 zum Einbringen eines Kälte- bzw. Kühlmittels in dieses, sowie einen Austraganschluss 24 zum Austragen des Kälte- bzw. Kühlmittels aus diesem.
-
Die im oberen Gehäuse 20 aufgenommene FCPC wird bezugnehmend auf 3 beschrieben. Die FCPC umfasst eine Drosselspule 40, die eine Komponente darstellt, die den Hochsetzsteller bildet; einen elektrischen Leistungswandler IPM mit einem Halbleiter 41, einer Diode 42 und einem Kondensator 43; sowie eine Relaisschaltung 50. Das Schaltelement für den Hochsetzsteller ist im elektrischen Leistungswandler IPM angeordnet. Die Relaisschaltung 50 umfasst zwei Relais, die ein FRB und ein FRG sind. Diese Art von Relaisschaltung ist allgemein bekannt.
-
In diesem Beispiel ist die Relaisschaltung 50 derart konfiguriert, dass sie auch eine Vorladeschaltung 51 umfasst. Die Vorladeschaltung 51 hat ein Relais FRP sowie einen Begrenzungswiderstand R1, der parallel zum Relais FRG geschaltet ist. Die Vorladeschaltung 51 ist mit der Relaisschaltung 50 über Sammelschienen 52 zum Vorladen verbunden, und der elektrische Leistungswandler IPM sowie die Relaisschaltung 50 sind miteinander über Wartungsstecker S/P verbunden, die Komponenten darstellen, um die Unterbrechung einer Hochspannungsschaltung bei der Wartung zu gewährleisten.
-
In 3 bezeichnet ST den Brennstoffzellenstapel, der im unteren Gehäuse 10 aufgenommen ist und elektrisch mit der FCPC verbunden ist, die im oberen Gehäuse 20 aufgenommen ist. Die Spannung des Brennstoffzellenstapels ST wird durch den Betrieb der Drosselspule 40, die den Hochsetzsteller bildet, und das Schaltelement im elektrischen Leistungswandler IPM verstärkt. Die verstärkte Gleichstromspannung wird einem Verbraucher (beispielsweise einem Antriebsmotor des Fahrzeugs VE) M durch einen Ausgabeanschluss der Relaisschaltung 50 zugeführt.
-
Der Ausgabeanschluss der Relaisschaltung 50 ist mit der Leistungssteuereinheit PCU parallel zum Verbraucher (Antriebsmotor) M und über die Leistungssteuereinheit PCU zu einer Sekundärbatterie BAT geschaltet. Die Leistungssteuereinheit PCU ist eine Vorrichtung zum Steuern der elektrischen Leistung, die dem Motor und einem Luftkompressor des Fahrzeugs VE zugeführt wird. Ferner ist die Vorladeschaltung 51 ausgestaltet, um zu vermeiden, dass beim Einschalten eine große Menge an Strom durch die Relais FRP und FRG strömt, sodass das Relais FRP geschlossen wird, bevor das Relais FRG geschlossen wird, und das Relais FRG geschlossen wird nachdem der Kondensator 43 im elektrischen Leistungswandler IPM geladen ist.
-
In der FCPC mit diesem Schaltungsaufbau erzeugen die Drosselspule 40, die den Hochsetzsteller bildet, und das Schaltelement im elektrischen Leistungswandler IPM eine große Menge von Wärme während des Betriebs. Wie in 2 gezeigt ist, werden bei der Brennstoffzelleneinheit FCU, in welcher der Brennstoffzellenstapel ST und die FCPC im einzelnen Gehäuse 30 aufgenommen sind, die Komponenten des Hochsetzstellers direkt durch die Wärmeerzeugung des Brennstoffzellenstapels ST beeinflusst. Die Drosselspule 40 und das Schaltelement geraten somit aufgrund der Wärme des Brennstoffzellenstapels ST und der selbst erzeugten Wärme in eine Umgebung mit extrem hoher Temperatur. Daher nimmt insbesondere das Schaltelement Schaden von der Wärme, sodass dessen Funktion instabil wird. Wenn zudem die Drosselspule 40 und das Schaltelement für eine lange Zeit einer derartigen Umgebung mit hoher Temperatur bzw. Hochtemperaturumgebung ausgesetzt sind, kann auch die Funktion der Relais der Relaisschaltung 50 zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel ST ausgegeben wird, instabil werden. In der Brennstoffzelleneinheit FCU der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform kann das Auftreten eines instabilen Zustands effektiv verhindert werden.
-
4 zeigt die Brennstoffzelleneinheit FCU, deren Seitenfläche in 2 gezeigt ist, von oben, wobei eine Anordnung der Hauptkomponenten der FCPC, die in dem oberen Gehäuse 20 aufgenommen sind, in Draufsicht dargestellt wird, deren Schaltungsaufbau in 3 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass zum leichteren Verständnis der Zeichnung die obere Abdeckung 21 des oberen Gehäuses 20 in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Darüber hinaus ist die elektrische Verkabelung der anderen Komponenten als den Sammelschienen, die später beschrieben werden, nicht dargestellt.
-
In der vorliegenden Ausführungsform haben die Drosselspule 40, die den Hochsetzsteller bildet, und der elektrische Leistungswandler IPM jeweils eine Kühlkomponente, die mit einem Kanal für ein Kälte- bzw. Kühlmittel ausgestaltet ist. In 4 bezeichnen die Bezugszeichen 44 und 45 die an der Drosselspule 40 angeordnete Kühlkomponente (die Kühlkomponente der Drosselspule 40) und die am elektrischen Leistungswandler IPM angeordnete Kühlkomponente (die Kühlkomponente des elektrischen Leistungswandlers IPM). Die Drosselspule 40 ist integral mit der Kühlkomponente 44, die unter dieser angeordnet ist, ausgebildet, und während Kühlmittel durch den Kanal für das Kühlmittel strömt, der in der Kühlkomponente 44 ausgebildet ist, wird die Drosselspule 40 gekühlt, sodass die Wärmeerzeugung unterdrückt wird. In ähnlicher Weise ist der elektrische Leistungswandler IPM integral mit der Kühlkomponente 45 ausgestaltet, die unter diesem angeordnet ist, und während das Kühlmittel durch den Kanal für Kühlmittel strömt, der in der Kühlkomponente 45 ausgebildet ist, wird der elektrische Leistungswandler IPM gekühlt, sodass die Wärmeerzeugung des Schaltelements im elektrischen Leistungswandler IPM unterdrückt wird.
-
Der Kühlmitteleinbringanschluss 23 (siehe auch 2), der die umgebene Wand des oberen Gehäuses 20 durchdringt, ist mit der Kühlkomponente 44 der Drosselspule 40 verbunden, und das durch den Kühlmitteleinbringanschluss 23 eingebrachte Kühlmittel strömt in den Kanal für das Kühlmittel durch einen Einströmanschluss 46, der in der Kühlkomponente 44 ausgebildet ist. Das eingeströmte Kühlmittel zirkuliert in dem Kanal für das Kühlmittel und strömt dann durch einen Ausströmanschluss 47, der in der Kühlkomponente 44 ausgebildet ist, aus der Kühlkomponente 44 aus. Das ausgeströmte Kühlmittel fließt durch eine Leitung 61, die außerhalb der umgebenen Wand des oberen Gehäuses 20 angeordnet ist, und fließt in die erste Kühlleitung 62, die innerhalb des oberen Gehäuses 20 angeordnet ist. Es sei angemerkt, dass die Leitung 61 innerhalb des oberen Gehäuses 20 angeordnet sein kann, wobei in diesem Fall die Leitung 61 einen Teil der ersten Kühlleitung 62 bildet.
-
Die erste Kühlleitung 62 ist mit einem Einströmanschluss 48 verbunden, der in der Kühlkomponente 45 gebildet ist, die unter dem elektrischen Leistungswandler IPM angeordnet ist, und das Kühlmittel fließt von der ersten Kühlleitung 62 in den Kanal für Kühlmittel der Kühlkomponente 45. Das eingeströmte Kühlmittel zirkuliert im Kanal für das Kühlmittel und fließt dann durch einen Ausströmanschluss 49, der in der Kühlkomponente 45 ausgebildet ist, aus der Kühlkomponente 45 aus. Wenn das Kühlmittel im Kanal für das Kühlmittel der Kühlkomponente 45 zirkuliert, welche unter dem elektrischen Leistungswandler IPM angeordnet ist, werden der elektrische Leistungswandler IPM und das Schaltelement im elektrischen Leistungswandler IPM gekühlt, sodass die Wärmeerzeugung des Schaltelements unterbunden wird. Somit wird ein übermäßiger Anstieg der Temperatur des Schaltelements verhindert.
-
Das Kühlmittel, welches das Schaltelement durch Zirkulieren innerhalb des Kanals für das Kühlmittel der Kühlkomponente 45 gekühlt hat, welche unter dem elektrischen Leitungswandler IPM angeordnet ist, strömt durch den Ausströmanschluss 49, der in der zweiten Kühlkomponente 45 ausgebildet ist, zu einer zweiten Kühlleitung 63 aus. Eines der Enden der zweiten Kühlleitung 63 ist mit dem Austraganschluss 24 (siehe auch 2) verbunden, der in der umgebenen Wand des oberen Gehäuses 20 ausgebildet ist, und das Kühlmittel wird durch den Austraganschluss 24 nach Außen ausgetragen. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung die erste Kühlleitung 62 und die zweite Kühlleitung 63 zusammen als Kühlleitung 60 bezeichnet werden.
-
Wie in 4 gezeigt ist, sind bei diesem Beispiel die erste Kühlleitung 62 und die zweite Kühlleitung 63 im Wesentlichen parallel zueinander in einem vorgegeben Abstand zueinander angeordnet. Ferner ist ein Relaisschaltungsbauteil 50a als Komponente der FCPC an einer Position in einem Bereich zwischen diesen angeordnet, die näher an der zweiten Kühlleitung 63 liegt als an der ersten Kühlleitung 62, und in der Nähe des Austragsanschlusses 24, der in der umgebenen Wand des oberen Gehäuses 20 ausgebildet ist. Der vorstehend genannte elektrische Leistungswandler IPM ist zudem an einer Position angeordnet, die näher an einer umgebenen Wand an der Seite liegt, welche der umgegebenen Wand gegenüber liegt, an welcher der Austraganschluss 24 im oberen Gehäuse 20 angeordnet ist. In anderen Worten: das Relaisschaltungsbauteil 50a ist näher an der zweiten Kühlleitung 63 als dem elektrischen Leistungswandler IPM (dem Schaltelement desselben) im oberen Gehäuse 20 angeordnet. Zudem ist ein Vorladeschaltungsbauteil 51a als Komponente des Relaisschaltungsbauteils 50a derart angeordnet, dass es der Relaisschaltung 50 mit der dazwischen angeordneten zweiten Kühlleitung 63 zugewandt ist.
-
Das Relaisschaltungsbauteil 50a und der elektrische Leistungswandler IPM sind miteinander über eine Sammelschiene 70 als Teil der elektrischen Verkabelung verbunden, und die Sammelschiene 70 ist entlang der zweiten Kühlleitung 63 angeordnet, wie in der Zeichnung dargestellt. Darüber hinaus sind die Sammelschienen 52 zum Vorladen, welche das Vorladeschaltungsbauteil 51 und das Relaisschaltungsbauteil 50a elektrischen verbinden, derart angeordnet, dass sie die zweite Kühlleitung 63 kreuzen, wobei ein Abschnitt derselben entlang der zweiten Kühlleitung 63 verläuft.
-
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel sind die erste Sammelschiene 70 oder eine der Sammelschienen 52 oder alle derart bei der Schaltungsbildung ausgelegt, dass sie einen Querschnittsbereich aufweisen, der den Querschnittsbereich überschreitet, der einen maximalen Stromfluss während des Betriebs der FCPC zulässt.
-
Wie vorstehend beschrieben ist, sind bei der vorstehenden genannten Brennstoffzelleneinheit FCU der Brennstoffzellenstapel ST, die Bauteile bzw. Komponenten des Hochsetzstellers (die Drosselspule 40 und das Schaltelement im elektrischen Leistungswandler IPM und dergleichen), das Relaisschaltungsbauteil 50a und dergleichen im einzelnen Gehäuse 30 aufgenommen, welches das untere Gehäuse 10 und das obere Gehäuse 20 umfasst. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Bestandteile der FCPC während des Betriebs aufgrund selbsterzeugter Wärme sowie der Wärme vom Brennstoffzellenstapel ST eine übermäßig erhöhte Temperatur aufweisen. Um dies zu vermeiden, sind bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel die Drosselspule 40 und der elektrische Leistungswandler IPM jeweils mit den Kühlkomponenten 44 und 45 ausgestaltet, und ein Kühlmittel strömt über die Kühlleitungen durch die Kühlkomponenten 44 und 45, sodass die Wärmeerzeugung der Drosselspule 40 und des Schaltelements im elektrischen Leistungswandler IPM unterdrückt wird.
-
Für einen zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit FCU ist es notwendig, einen übermäßigen Anstieg der Temperatur des Relais (der Relaisschaltung 50 und der Vorladeschaltung 51) zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel ST ausgegeben wird, zu verhindern. Diesbezüglich ist bei den Brennstoffzelleneinheit FCU aus 4 das Relais (das Relaisschaltungsbauteil 50a und das Vorladeschaltungsbauteil 51 a) an einer Position angeordnet, die näher an der ersten Kühlleitung 62 und der zweiten Kühlleitung 63 liegt, als am elektrischen Leistungswandler IPM, der das Schaltelement umfasst. Ein übermäßiges Aufheizen des Relais mit der Wärme vom Schaltelement, das eine Wärmequelle ist, wird somit verhindert, und die Wärme des Relais wird durch gekühlte Wärme des Kühlmittels, das durch die Kühlleitung 60 strömt, (die erste Kühlleitung 62 und die zweite Kühlleitung 63) entzogen, sodass ein Anstieg der Temperatur des Relais verhindert wird.
-
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel kann, wenn die Relaisschaltungsbauteil 50a in einem Bereich zwischen der ersten Kühlleitung 62 und der zweiten Kühlleitung 63 angeordnet ist, das Relaisschaltungsbauteil 50a durch das Kühlmittel in der ersten und zweiten Leitung 62 und 63 gekühlt werden, sodass die Kühleffizienz des Relaisschaltungsbauteils 50a weiter verbessert wird.
-
Wie zudem vornestehend beschrieben ist, ist das Relaisschaltungsbauteil 50a an einer Position angeordnet, die näher an der zweiten Kühlleitung 63 als an der ersten Kühlleitung 62 in einem Bereich zwischen diesen liegt. Daher verliert das durch die Kühlleitung 60 fließende Kühlmittel seine gekühlte Wärme aufgrund der Kühlung des Relais weniger in der ersten Kühlleitung 62 als in der zweiten Kühlleitung 63. Das durch die erste Kühlleitung 62 fließende Kühlmittel kann somit im Wesentlichen ohne gekühlte Wärme zu verlieren die Kühlkomponente 45 des elektrischen Leistungswandlers IPM erreichen. Somit kann die Primärfunktion zum Kühlen des Schaltelements durch das Kühlmittel, dass durch die erste Kühlleitung 62 fließt, weitestgehend zuverlässig ohne Verlust an Kühlleistung an Relais beibehalten werden.
-
Zudem kann bei dem in 4 gezeigten Beispiel, da die Sammelschiene 70 und die Sammelschienen 52, die das Relaisschaltungsbauteil 50a und die übrigen Komponenten elektrisch verbinden, vollständig oder teilweise entlang der Kühlleitung (der zweiten Kühlleitung 63 bei diesem Beispiel) angeordnet sind, ein Anstieg der Temperatur der Sammelschienen durch das durch die zweite Kühlleitung 63 strömende Kühlmittel verhindert werden. Dies verhindert ferner effektiv einen Anstieg der Temperatur des Relais.
-
Bei dem wie in 4 dargestellten Beispiel sind die Sammelschiene 70 oder eine der Sammelschienen 52 oder alle derart bei der Schaltungsbildung ausgelegt, dass sie einen Querschnittsbereich aufweisen, der den Querschnittsbereich überschreitet, der einen maximalen Stromfluss während des Betriebs der FCPC zulässt. Auf diese Weise ist der Querschnittbereich der Sammelschiene(n) größer gewählt als ursprünglich benötigt, sodass die Wärmeabgabeleistung der Sammelschiene(n) verbessert werden kann. Dies kann ebenso einen Anstieg der Temperatur des Relais verhindern.
-
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann bei der Brennstoffzelleneinheit FCU der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, selbst wenn in der Brennstoffzelleneinheit, der Brennstoffzellenstapel, der Hochsetzsteller zum Verstärken der elektrischen Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, das Relais zum Ein- und Ausschalten der elektrischen Leistung, die vom Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird, und dergleichen in einem Gehäuse angeordnet sind, ein übermäßiger Anstieg der Temperatur im Gehäuse unterbunden werden, sodass eine durch die übermäßige Wärmeerzeugung des Relais erzeugte Beschädigung zuverlässig verhindert werden kann. Dies ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit und eine lange Lebensdauer.
-
Es sei angemerkt, dass bei dem Beispiel der Brennstoffzelleneinheit FCU, die durch die Erfinder ausgelegt wurde, während des Betriebs, wenn die Temperatur an einem Punkt X in der Nähe des elektrischen Leistungswandlers IPM in 4 96,7°C erreicht hat, die Temperatur an einem Punkt Y in der Nähe des Relaisschaltungsbauteils 50a 89,1°C war. Die Temperatur von 89,1 °C ist im Bereich der Temperatur, welche ermöglicht, dass das Relais, das normalerweise in der Brennstoffzelleneinheit FCU verwendet wird, funktioniert, ohne eine Wärmeschädigung zu erfahren.
-
Bezugszeichenliste
-
- FCU
- Brennstoffzelleneinheit
- VE
- Fahrzeug
- M
- Antriebsmotor
- EC
- Motorraum
- ST
- Brennstoffzellenstapel
- FCPC
- Brennstoffzellen-Leistungssteuereinheit
- IPM
- elektrischer Leistungswandler
- PCU
- Leistungssteuereinheit
- BAT
- Sekundärbatterie
- 10
- unteres Gehäuse
- 20
- oberes Gehäuse
- 23
- Einbringanschluss zum Einbringen von Kühlmittel in das obere Gehäuse
- 24
- Austraganschluss zum Austragen von Kühlmittel aus dem oberen Gehäuse
- 30
- Gehäuse, in dem das untere Gehäuse und das obere Gehäuse integral ausgebildet sind
- 40
- Drosselspule
- 41
- Halbleiter
- 42
- Diode
- 43
- Kondensator
- 44
- an der Drosselspule angeordnete Kühlkomponente
- 45
- am elektrischen Leistungswandler angeordnete Kühlkomponente
- 46
- Einströmanschluss, der in der an der Drosselspule angeordneten Kühlkomponente ausgebildet ist
- 47
- Ausströmanschluss, der in der an der Drosselspule angeordneten Kühlkomponente ausgebildet ist
- 48
- Einströmanschluss, der in der am elektrischen Leistungswandler angeordneten Kühlkomponente ausgebildet ist
- 49
- Ausströmanschluss, der in der am elektrischen Leistungswandler angeordneten Kühlkomponente ausgebildet ist
- 50
- Relaisschaltung
- 50a
- Relaisschaltungsbauteil
- 51
- Vorladeschaltung
- 51a
- Vorladeschaltungsbauteil
- 52
- Sammelschiene zum Vorladen
- 60
- Kühlleitung
- 61
- Leitung, die außerhalb einer das obere Gehäuse umgebenden Wand angeordnet ist
- 62
- erste Kühlleitung
- 63
- zweite Kühlleitung
- 70
- Sammelschiene, welche die Relaisschaltung und den elektrischen Leistungswandler verbindet
